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1、第3章 半导体激光二极管和激光器组件 u 半导体激光器基础知识 u半导体激光器类型、组件及特性参数 半导体激光二极管和激光器组件 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 第一节 半导体激光器基础知识 一、半导体激光器的工作原理 半导体激光器产生激光输出的基本条件： 粒子数反转 光反馈 阈值条件 1、粒子数反转 在热平衡条件下，二能级原子系统中上能级的粒 子要比下能级少得多，服从波尔兹曼分布。此时不 会发生受激发射。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 为了产生受激辐射，必须建立非平衡得分布， 即使上能级的粒子数大于下能级的粒子数，使受激 发射大于受激吸收，这种状态叫做粒子数反转。 波尔兹曼分布
2、粒子数反转 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 激光器的粒子数反转状态可采用电或光的泵浦 。 2、光反馈和激光振荡 在有源区内，开始少数载流子的自发辐射产生 光子。一部分光子一旦产生，就穿出有源区，得不 到放大；另一部分光子可能在有源区内传播，并引 起其他电子空穴对的受激辐射，产生更多的性能 相同的光子，得到放大。 为了得到激光，必须将激活物质置于光学谐振 腔中，如下图。 通过腔两端的反射，向光子提供正反馈。光信 号每通过一次增益媒质就得到一次放大。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 激光器中的光反馈及FP腔 这种光学结构称为法布里珀罗谐振腔，简称 F-P谐振腔。 在LD中，作为增益媒质
3、晶体两端的自然解理面 形成反射镜，即光腔。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 由于在谐振腔中，光波是在两块反射镜之间往 复传输的，这时只有在满足特定相位关系的光波才 能得到彼此加强，因此这种条件称为相位条件， 激光器中振荡光频率只能取某些分立值，不同q 的一系列取值对应于沿谐振腔轴向一系列不同的电磁 场分布状态，一种分布就是一个激光器的纵模。相邻 两纵模之间的频率之差： 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 称为纵模间隔，它与谐振腔长及工作物质有关。 F-P腔的透射频谱特性如下图： 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 半功率点全宽为： F为F-P腔的精细度，可表示为： R增大，F增大。
4、第3章 半导体激光二极管和激光器组件 3、激光振荡的阈值条件 在注入电流的作用下，有源区的受激辐射不断 增强，称为增益。 在F-P腔中，每次通过增益媒质时的增益尽管很 小，但经过多次振荡后，增益变得足够大。 当腔内增益超过总损耗（包括载流子吸收、缺 陷散射及端面输出）时，就产生了激光。 见下图： 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 FP-LD的增益曲线(a)腔模(b)及输出的纵模(c) 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 半导体激光器的工作特性 1、P-I特性 典型的半导体激光器如下图所示 图4.14 半导体激光器PI曲线 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 从图上可以看出，半导体激光器
5、存在阈值电流 Ith。当注入电流小于阈值电流时，器件发出微弱的 自发辐射光，类似于发光二极管的发光情况。当注 入电流超过阈值，器件进入受激辐射状态时，光功 率输出迅速增加，输出功率与注入电流基本保持线 性关系。 半导体激光器的PI特性对温度很敏感，下图给 出了不同温度下PI特性的变化情况。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 图4.15 半导体激光器PI曲线随温度的变化 动画演示 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 由图可见，随着温度的升高，阈值电流增大，发 光功率降低。阈值电流与温度的关系可以表示为： 其中,T为器件的绝对温度；T0为激光器的特征 温度；I0为常数。 为解决半导体激光器温
6、度敏感的问题，可以在 驱动电路中进行温度补偿，或是采用制冷器来保持 器件的温度稳定。 通常将半导体激光器与热敏电阻、半导体制冷 器等封装在一起，构成组件。热敏电阻用来检测器 件温度，控制制冷器，实现闭环负反馈自动恒温。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 2、模式特性与线宽 LD输出谱特性，或为多纵模或为单纵模，如下图。 LD的多模(a)及单模(b)输出谱 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 1、模式特性 从使用来说，首先考虑的是模式的稳定性，它随时间 、电流的任何变化都会给系统附加噪声。其次，对高 速光纤通信系统来说，单纵模窄谱宽的光源有利于减 小光纤色散的影响。 在模式特性上还要注意到
7、横模的问题。 激光振荡也可能出现在垂直于腔轴的平面内，其 中TEM00为基横模，TEM10、TEM11等为高次横模。 由于TEM00模的光斑与光纤中基模LP01模场光斑相 匹配，故耦合效率最高。 同时LD工作在TEM00模时相干性最好，因此在LD 的设计及结构上都应保证基横模工作。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 2、线宽 LD输出的有限线宽来自于两个因素： 一、是激光腔内自发发射事件引起的光场相位脉 动。 二、是载流子浓度脉动引起的折射率变化，使光 腔庇振频率产生变化。简化理论推导的光源线宽可 表示为： 式中，X为自发发射事件的平均速率；P为光功率 ；为线宽提高因子，表示折射率实部与虚
8、部之比 。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 由上式可知，为了降低LD的线宽，可采取下列措施： 增大光功率（或腔内总光子数）。 减小自发发射速率。 从外部稳定载流子密度以使幅值-相位耦合最小。 第一点可通过改变腔结构、增加总体积、增加单 位体积内储能（如增加端面反射系数）或增加输出功 率来实现。 第二点可通过注入锁定来实现。 第三点，通过驱动电流的反馈控制来稳定载流子 密度，有效减少激光场的幅值-个位耦合。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 3、调制特性 如下图为半导体激光器的直接调制的原理 图。 激光二极管的调制原理图 (a)数字调制；(b)模拟调制 第3章 半导体激光二极管和激光器
9、组件 与发光二极管的调制不同的是，由于存在阈值电 流，在实际的调制电路中，为提高响应速度及不失真 ，需要进行直流偏置处理。 在高速调制情况下，半导体激光器会出现许多 复杂动态性质，如出现电光延迟、张弛振荡、自脉动 和码型效应等现象。这些特性会对系统传输速率和 通信质量带来影响。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 1）张驰振荡 当电流脉冲突然加到LD上时，其光输出呈现下图 所示的动态相应，这是注入电子与所产生光子简相互 作用的量子力学过程。 LD的张弛振荡特性 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 当注入电流从零快速增大到阈值以上时，经电光 延迟后产生激光输出，并在脉冲顶部出现阻尼振荡， 经
10、过几个周期后达到平衡值。 这种特性可定性解释如下： 当阶跃电流加到LD时，有源层中的电子浓度迅速 增加。在未达到阈值时没有激光输出，但经过电子延 迟时间td后电子浓度达到阈值，并马上产生激光输出 。而在光子浓度到稳态值前，电子浓度仍在增大，直 到电子浓度达到最大值，而光子浓度达到稳态值。由 于导带内超量储存电子，受激复合过程进一步增大， 直到光子浓度升到最大值，而电子浓度则降到阈值； 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 由于光子寿命，及逸出腔外需要一定时间，使有源区 内的过量复合仍维持一段时间，电子浓度进一步下降 到阈值以下，光子浓度也开始迅速下降。当电子浓度 下降到最低点，有源层中的激射可
11、能减弱甚至停止。 紧接着又开始新一轮导带电子填充过程。但由于电子 的存储效应，这一轮的填充时间比上次短，电子浓度 和光子浓度的过冲量也比上次小。这种衰减振荡过程 重复多次，直到输出光功率达到稳态值。 显然，如果LD预偏置在阈值附近，光脉冲上升时 间及张弛振荡的幅度都会显著降低。 另外，在结构上具有横向光波导的LD（如隐埋导 质结LD），其张弛振荡较弱。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 2)电光延迟 半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光脉冲瞬 态响应波形如下图所示。输出光脉冲和注入电流脉冲 之间存在一个时间延迟，称为电光延迟时间，一般为 纳秒量级。 光脉冲的电光延迟和张弛振荡 第3章 半导
12、体激光二极管和激光器组件 电光延迟的原因是由于载流子浓度达到激光阈值 需要一定的时间（0.52.5ns)。 张驰振荡和电光延迟与激光器有源区的电子自发 复合寿命和谐振腔内光子寿命以及注入电流初始偏置 量有关。 当信号的调制频率接近张弛振荡频率时，将会使 输出光信号的波形严重失真，势必会增加接收机的误 码率，所以，半导体激光器的张弛振荡和电光延迟的 存在限制了信号的调制速率应低于张弛振荡频率，这 样才能保证信息传输的可靠。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 可以通过在半导体激光器脉冲调制时加直流预偏 置的方法来使脉冲到来之前将有源区内的电子密度提 高到一定程度，从而使脉冲到来时，电光延迟时间
13、大 大减小，而且张驰振荡现象可以得到一定程度的抑制 。随着直流预偏置电流的增大，电光延迟时间逐渐减 小。增加直流预偏置电流也有利于抑制张驰振荡。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 3）码型效应 电光延迟还会产生码型效应。 当电光延迟时间与数字调制的码元持续时间为相 同数量级时，会使后一个光脉冲幅度受到前一个脉冲 的影响，这种影响现象称为“码型效应”，如下图 (a) 、(b)所示。考虑在两个接连出现的“1”码脉冲调制时 ，第一个脉冲过后，存储在有源区的电子以指数形式 衰减，如果调制速率很高，脉冲间隔小于其衰减周期 ，就会使第二个脉冲到来之时，前一个电流脉冲注入 的电子并没有完全复合消失，此时
14、有源区电子密度较 高，因此电光延迟时间短，输出光脉冲幅度和宽度就 会增大。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 码型效应 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 “码型效应”的特点是，在脉冲序列中较长的连 “0”码后出现的“1”码，其脉冲明显变小，而且连“0” 码数目越多，调制速率越高，这种效应越明显。 消除码型效应最简单的方法就是增加直流偏置电 流。当激光器偏置在阈值附近时，脉冲持续时间和脉 冲过后有源区内电子密度变化不大，电子存储的时间 大大减小，码型效应就可得到抑制。 还可以采用在每一个正脉冲后跟一个负脉冲的双 脉冲信号进行调制的方法，如上图 (c)所示： 第3章 半导体激光二极管和激光
15、器组件 正脉冲产生光脉冲，负脉冲来消除有源区内的存 储电子。但负脉冲的幅度不能过大，以免激光器PN结 被反向击穿。 4）调制谱特性 LD在信号电流直接调制下，除了输出强度发生变 化外，其谱特性也会发生变化，如下图。 在阈值附近，输出较宽，随着电流的增大，模式选 择性增大，相邻模得到抑制。这时，总的强度不变， 但模间相对强度在改变。 这种模间分配效应在直接调制下最明显，使长距 离光纤系统中因光纤色散而在接收机内产生强度脉动 ，使误码率增大。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 GaAs-LD直流光输出谱特性 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 下图示出了1ns单个脉冲持续周期内的模式脉动现象
16、。 脉冲持续期内的动态谱特性 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 4、波长调谐特性 在波分复用及相干光纤传输系统中，光源常常需 要调谐。下面介绍几种调谐方法。 热调谐：是利用不同温度下谐振腔尺寸的变化， 引起谐振频率的变化，调谐灵敏度为1020GHz/oC。 外腔机械调谐：是将作为增益媒质的LD芯片，置 于一外腔中，改变外腔尺寸而实现波长调谐。 外腔结构有光栅、光纤或自聚焦透镜等，如下图 ： 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 光栅外腔可调谐半导体激光器 LD芯片的一个端面增透镀覆，从该端面出来的光由一个 透镜准直后与光栅形成外腔，激射频率由旋转光栅来粗调， 轴向移动光栅来细调。 当外腔长为25cm时，这种结构在1.55m波长上获得了 40nm的调谐。 同时，外腔也使输出线宽大大压缩，达到5kHz左右。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 激光二极管驱动电路 与LED相比，LD的驱动要复杂得多。尤其在高 速调制系统中，驱动条件的选择、调制电路的形式和 工艺、激光器的控制等都对调制性能至关重要。 偏置电流的选择直接影响L
