激光器与光发射机第组

半导体激光器的主要特性
? 发射波长和光谱特性 h?=Eg
式中 ?=c/λ, ?(Hz)和λ=(μm)分别为发射光 的频率和波长，c=3×108m/s为光速， h=6.628×10-34J·S为普朗克常数， 1ev=1.6×10-19J。得到：
λ=hc/Eg=1.24/Eg
激光器纵模的概念：
激光器的纵模反映激光器的光谱性质。对于半 导体激光器，当注入电流低于阈值时，发射光谱是 导带和价带的自发发射谱，谱线较宽；只有当激光 器的注入电流大于阈值后，谐振腔里的增益才大于 损耗，自发发射谱线中满足驻波条件的光频率才能 在谐振腔里振荡并建立起场强，这个场强使粒子数 反转分布的能级间产生受激辐射，而其他频率的光 却受到抑制，使激光器的输出光谱呈现出以一个或 几个模式振荡，这种振荡称之为激光器的纵模。
? 工作物质（即能实现粒子跃迁的晶体材料，如GaAs和 InGaAsP）
? 外界供给能量? 满足粒子数反转（常采用电流注入法）
F-P谐振腔
? 只有增益介质而无光学 反馈装置，便不能形成激光 ? 将已实现粒子数反转分布 的系统置于严格平行的一对 反射镜之间便形成 F-P谐振腔。 光在两个反射镜之间往返多 次过程中，得到放大。
光源
? 半导体激光器(LD)工作原理和基本结构 ? 半导体激光器的主要特性 ? 分布反馈激光器 ? 发光二极管(LED) ? 半导体光源一般性能和应用
半导体激光器(LD)工作原理和基本结构
? 基本结构包括 :工作物质,揩振腔和泵浦源 .其中工 作物质和泵浦源 是实现光的自发发射、受激吸收 和受激发射的最基本条件。
半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)一般性能
工作波长λ/μm
谱线宽度△λ/nm 阈值电流Ith/mA
工作电流I/mA 输出功率P/mW
入纤功率P/mW 调制带宽B/MHz 辐射角θ/(o)
寿命t/h 工作温度/℃
LD
1.3 1~2 20~30
5~10 1~3 500~2000 20×50 106~107 -20~50
? 比起半导体激光器，因为LED不需要热稳 定和光稳定电路，所以LED的驱动电路相 对简单，另外其制作成本低、产量高。
? LED的主要工作原理对应光的自发发射过 程，因而是一种非相干光源。
? LED发射光的谱线较宽、方向性较差，本 身的响应速度又较慢，所以只适用于速率 较低的通信系统。
? 在高速、大容量的光纤通信系统中主要采 用半导体激光器作光源。
半导体激光器LD
? 激光器被视为20世纪的三大发明（还有半 导体和原子能）之一，特别是半导体激光 器LD倍受重视。
? 光纤通信中最常用的光源是半导体激光器 LD和发光二极管LED。
? 主要差别：
? 发光二极管输出非相干光；
? 半导体激光器输出相干光。
? 半导体激光器的优点：尺寸小，耦合效率高， 响应速度快，波长和尺寸与光纤尺寸适配，可 直接调制，相干性好。
自发发射和受激发射的特点
? 自发发射的同时总伴有受激发射发生。
? 在热平衡情况下，自发发射占绝对优势。
? 当外界给系统提供能量时，如采用光照（即光泵） 或电流注入（即电泵），打破热平衡状态，大量 粒子处于高能级，即粒子数反转后，在发光束方 向上的受激发射比自发发射的强度大几个数量级。
? 总结激光发射的首要条件：
LED
1.55
1.3
1~3
50~100
30~60
100~150
5~10 1~3
1~5 0.1~0.3
500~1000 50~150
20×50 105~106
? 温度特性
激光器输出光功率随温度而变化有两个 原因:一是激光器的阈值电流Ith随温度升高 而增大,二是外微分子量子效率ηd随温度升 高而减小.温度升高时, Ith增大, ηd减小,输出 光功率明显下降,达到一定温度时,激光器就 不激射了. 阈值电流随温度呈指数变化:
Ith=I0 exp(T/T0)
来自百度文库
分布反馈激光器DFB LD
? DFB激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性结构 (波纹状)衍射光栅实现光反馈.这种衍射光栅的折射率周期 性变化,使光沿有源层分布式反馈,所以叫分布反馈激光器.
DFB激光器与F-P激光器相比,有以下优点: ? 单纵模激光器 ? 谱线窄,波长稳定性好 ? 动态谱线好 ? 线性好
GaGlAs-DH
激光器的光 谱特性
(a)直流驱动
(b)300Mb/s 数字调制
(a)
(b)
? 转换效率和光功率特性
下图是典型激光器的光功率特性曲线。 当I<Ith时激光器发出的是自发辐射光；当 I>Ith时，发出的是受激辐射光，光功率随 驱动电流的增加而增加
? 频率特性
下图示出半导体激光器的直接调制频 率特性．弛豫频率fr是调制频率的上限，一 般激光器的fr为１～２ＧＨz．在fr在处，数 字调制要产生弛豫振荡，模拟调制要产生 非线性失真．
? 按结构分类： F-P LD、 DFB LD、 DBR LD 、 QW LD、 VCSEL
? 按波导机制分类：增益导引 LD和折射率导引 LD
? 按性能分类：低阈值 LD、超高速LD、动态单 模LD、大功率 LD
发光二极管LED
? 对于光纤通信系统，如果使用多模光纤且 信息比特率在100～200Mb/s以下，同时 只要求几十微瓦的输入光功率，那么LED 是可选用的最佳光源。
激光器与光发射机
2组
? 光源
1. 半导体激光器(LD)工作原理和基本结构 2. 自发发射和受激发射的特点 3. F-P谐振腔 4. 半导体激光器的主要特性 5. 分布反馈激光器DFB LD 6. 半导体激光器LD 7. 发光二极管LED
? 光发射机
1. 调制 2. 光发射机的基本组成 3. 半导体激光器的瞬态性质 4. 激光器控制电路
? 自发发射：大量处于高能级的粒子，各自分别发 射一列一列频率为 ?=(E2 -E1) /h的光波，但各列光 波之间没有固定的相位关系，可以有不同的偏振 方向，沿所有可能的方向传播。各光子彼此无关。
? 受激发射：处于高能级 E2的粒子受到光子能量为 ? 的光照射时，粒子会由于这种入射光的刺激而发 射出与入射光一模一样的光子，并跃迁到低能级 E1上。有相同的偏振方向和传播方向 。