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1、半导体激光器和发光二极管半导体激光器和发光二极管光 纤 通 信 系统第2讲2半导体光源：半导体光源：半导体光源：半导体光源：半导体激光器半导体激光器半导体激光器半导体激光器(LD)(LD)和半导体发光二极管和半导体发光二极管和半导体发光二极管和半导体发光二极管(LED)(LED)半导体光源的优点：半导体光源的优点：半导体光源的优点：半导体光源的优点：vv体积小、重量轻、耗电少、易于光纤耦合体积小、重量轻、耗电少、易于光纤耦合体积小、重量轻、耗电少、易于光纤耦合体积小、重量轻、耗电少、易于光纤耦合vv发射波长适合在光纤中低损耗传输发射波长适合在光纤中低损耗传输发射波长适合在光纤中低损耗传输发射波
2、长适合在光纤中低损耗传输vv可以直接进行强度调制可以直接进行强度调制可以直接进行强度调制可以直接进行强度调制vv可靠性高可靠性高可靠性高可靠性高光 纤 通 信 系统第2讲3光 纤 通 信 系统第2讲4光 纤 通 信 系统第2讲5光 纤 通 信 系统第2讲6光 纤 通 信 系统第2讲7光 纤 通 信 系统第2讲8光 纤 通 信 系统第2讲9（3）光的吸收与放大设光波频率为 ，光强为I ，经过原子煤质Rste=WstN2，发出光能:WstN2h R Rstasta=W=Wst stN N1 1 , 吸收光能：WstN1h 单位体积中的净功率：（单位体积中的净功率：（N2-N1）Wsth 光 纤 通
3、 信 系统第2讲10是能量密度光 纤 通 信 系统第2讲11吸收媒质 热平衡状态放大媒质 粒子数翻转分布，布居翻转 对应激光放大状态光 纤 通 信 系统第2讲122、半导体激光器中增益区的形成、半导体激光器中增益区的形成1)晶体中载流子的统计分布：晶体中载流子的统计分布：费米费米费米费米- -狄拉克统计狄拉克统计狄拉克统计狄拉克统计f f ( (E E)=1/)=1/e e ( (E E E Ef f )/)/kKkK +1+1 f f ( (E E) )：电子的费米分布函数电子的费米分布函数电子的费米分布函数电子的费米分布函数 k k:玻耳兹曼玻耳兹曼玻耳兹曼玻耳兹曼常数常数常数常数 K K
4、：绝对温度绝对温度绝对温度绝对温度 E Ef f： 费米能级费米能级费米能级费米能级，它只是反映电子在各能级中分布，它只是反映电子在各能级中分布，它只是反映电子在各能级中分布，它只是反映电子在各能级中分布情况的一个数学参量情况的一个数学参量情况的一个数学参量情况的一个数学参量, ,位置由电子总数决定。位置由电子总数决定。位置由电子总数决定。位置由电子总数决定。 E=E=E Ef f f(E)=1/2 f(E)=1/2 该能级被电子占据概率等于该能级被电子占据概率等于该能级被电子占据概率等于该能级被电子占据概率等于5050 EE1/2 f(E)1/2 该能级被电子占据概率大于该能级被电子占据概率
5、大于该能级被电子占据概率大于该能级被电子占据概率大于5050 EEE Ef f f(E)1/2 f(E) e e0 0V V E Eg g)PN)PN结的能带图结的能带图结的能带图结的能带图对光子能量满足：对光子能量满足：对光子能量满足：对光子能量满足： E Eggh N N1 1 的情况是一种处于非热平衡状态下的反常情况的情况是一种处于非热平衡状态下的反常情况的情况是一种处于非热平衡状态下的反常情况的情况是一种处于非热平衡状态下的反常情况（外界激励），通常称为粒子数反转分布，或布（外界激励），通常称为粒子数反转分布，或布（外界激励），通常称为粒子数反转分布，或布（外界激励），通常称为粒子数反
6、转分布，或布局反转。局反转。局反转。局反转。(2)(2)(2) (2) 存在光学谐振机理，并在有源区里建立起稳存在光学谐振机理，并在有源区里建立起稳存在光学谐振机理，并在有源区里建立起稳存在光学谐振机理，并在有源区里建立起稳定的振荡定的振荡定的振荡定的振荡光 纤 通 信 系统第2讲19MM1 1MM2 2光学振荡光学振荡禁带禁带禁带禁带(a)(a)利用晶体天然解理面形成法利用晶体天然解理面形成法利用晶体天然解理面形成法利用晶体天然解理面形成法布里布里布里布里- -珀罗谐振珀罗谐振珀罗谐振珀罗谐振(F-P)(F-P)腔腔腔腔(b)(b)利用有源区一侧的周期性波利用有源区一侧的周期性波利用有源区一
7、侧的周期性波利用有源区一侧的周期性波纹结构提供光耦合形成光振荡纹结构提供光耦合形成光振荡纹结构提供光耦合形成光振荡纹结构提供光耦合形成光振荡( (分分分分布反馈型布反馈型布反馈型布反馈型DFB,DFB,分布布喇格反射型分布布喇格反射型分布布喇格反射型分布布喇格反射型DBR)DBR)光 纤 通 信 系统第2讲20 制作材料：制作材料：制作材料：制作材料：直接带隙的直接带隙的直接带隙的直接带隙的半导体材料半导体材料半导体材料半导体材料 发射波长发射波长发射波长发射波长 hchc/E Eg gE E光 纤 通 信 系统第2讲21二、半导体激光器的结构、分类和主要性质二、半导体激光器的结构、分类和主要
8、性质1 1、F-PF-P腔激光器腔激光器腔激光器腔激光器 (1)F-P(1)F-P腔的作用腔的作用腔的作用腔的作用建立光振荡建立光振荡建立光振荡建立光振荡 振幅条件：使激光器成为阈值器件振幅条件：使激光器成为阈值器件振幅条件：使激光器成为阈值器件振幅条件：使激光器成为阈值器件 e e ( th- )2L R R=1=1 thth ：阈值时增益系数：阈值时增益系数：阈值时增益系数：阈值时增益系数 ： 谐振腔内部工作物质的损耗系数谐振腔内部工作物质的损耗系数谐振腔内部工作物质的损耗系数谐振腔内部工作物质的损耗系数L L ： 谐振腔腔长谐振腔腔长谐振腔腔长谐振腔腔长R R： 谐振腔两镜面反射率之积，
9、谐振腔两镜面反射率之积，谐振腔两镜面反射率之积，谐振腔两镜面反射率之积， R R R R1 1 R R2 2 增加增益的方法：加大注入电流增加增益的方法：加大注入电流增加增益的方法：加大注入电流增加增益的方法：加大注入电流 ( ( ) )=(N N2 2 - N - N1 1)C2g( )/(8 n2 2 sp)光 纤 通 信 系统第2讲22 相位条件相位条件相位条件相位条件 ：使激光器的发射光谱呈模式振荡使激光器的发射光谱呈模式振荡使激光器的发射光谱呈模式振荡使激光器的发射光谱呈模式振荡 2 2 L Lq2q2 q q=1,2,3,=1,2,3, ： 光波的相移系数，光波的相移系数，光波的相
10、移系数，光波的相移系数，L L：谐振腔腔长：谐振腔腔长：谐振腔腔长：谐振腔腔长波长波长光功率光功率光 纤 通 信 系统第2讲23（2）F-P腔激光器的分类腔激光器的分类v按制作激光器的材料分类按制作激光器的材料分类: 短波长(0.85 m)波段，采用GaAs/GaAlAs 长波长(1.3 m1.55 m) ，采用InGaAsP/InPv按垂直于按垂直于PN结方向的结构分类结方向的结构分类： 同质结 单异质结 双异质结 双异质结的作用双异质结的作用:带隙差对载流子有限制作用; 折射率差对光子有限制作用 光 纤 通 信 系统第2讲24光 纤 通 信 系统第2讲25v按平行于按平行于PN结方向的结构
11、分类结方向的结构分类v 宽面宽面LD（没有导向）（没有导向）v条形条形LD：台面条形台面条形平面条形平面条形（SiO2条形，质子轰击条形，条形，质子轰击条形，Zn扩散条形等）（增益导向）扩散条形等）（增益导向）隐埋条形隐埋条形（折射率导向）（折射率导向）光 纤 通 信 系统第2讲26 在整个PN结面积上均有电流通过的结构是宽面结构；只有PN结中部与解理面垂直的条形面积上(10 m左右)有电流通过的结构是条形结构。 条形激光器主要优点是阈值电流低，发热少，利于散热，可以改善光谱特性。但受条宽限制不宜作大功率输出。光 纤 通 信 系统第2讲27光 纤 通 信 系统第2讲28光 纤 通 信 系统第2
12、讲29隐埋条形双异质结结构示例隐埋条形双异质结结构示例隐埋条形双异质结结构示例隐埋条形双异质结结构示例 2 2光 纤 通 信 系统第2讲30v按激射光束与按激射光束与PN结平面的关系分类结平面的关系分类按激射光束与按激射光束与PN结平面的平行或垂直关系，半导体激结平面的平行或垂直关系，半导体激光器可分边发射光器可分边发射(侧面出光侧面出光)和面发射和面发射(正面出光正面出光)结构结构(1) 边发射结构边发射结构这是一种沿着有源区的结平面方向提取光的结构，上这是一种沿着有源区的结平面方向提取光的结构，上面介绍的条形半导体激光器一般都采用这种结构提取光。面介绍的条形半导体激光器一般都采用这种结构提
13、取光。(2) 面发射结构面发射结构这是由表面发射光的结构，它的发射结构又分成水平这是由表面发射光的结构，它的发射结构又分成水平腔和垂直腔结构。腔和垂直腔结构。光 纤 通 信 系统第2讲31结构特点: 1) 发射方向垂直于或倾斜于PN结平面2) 形成面发射的机理有多种情况，包括垂直腔型、水平腔型和向上弯腔型激光器。其中，垂直腔面发射激光器（VCSEL）是面发射激光器中最有前途的一种激光器.光 纤 通 信 系统第2讲32光 纤 通 信 系统第2讲33VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)的优点 发光效率高，例发光效率高，例850nm，10mA电流
14、，1.5mW功率发射圆形光束，耦合效率高发射圆形光束，耦合效率高阈值电流极低，工作电流也不高阈值电流极低，工作电流也不高可通过短腔（可通过短腔（510 m）实现单纵模工作）实现单纵模工作高温度稳定性，高温度稳定性，200Mb/s速率以下应用，可不需要速率以下应用，可不需要APC高工作速率（达高工作速率（达3Gb/s以上以上)，高张弛振荡频率，高张弛振荡频率易集成，低价格，高产量易集成，低价格，高产量光 纤 通 信 系统第2讲342、量子阱激光器结构特点：有源区非常薄结构特点：有源区非常薄量子阱(QW，Quantum Well) 半导体激光器是一种窄带隙有源层夹在宽带隙半导体材料中间或交替重叠生
15、长，有源层厚度小至德布罗意波长量级的新型半导体激光二极管。性能特点：性能特点： 阈值电流低,输出功率高谱线宽度窄，频率啁啾改善 调制速率高光 纤 通 信 系统第2讲35光 纤 通 信 系统第2讲363、DFB激光器激光器原理：原理：原理：原理：通过周期性的波纹结构提供的光耦合来建立通过周期性的波纹结构提供的光耦合来建立通过周期性的波纹结构提供的光耦合来建立通过周期性的波纹结构提供的光耦合来建立光振荡，即布喇格反射原理光振荡，即布喇格反射原理光振荡，即布喇格反射原理光振荡，即布喇格反射原理光 纤 通 信 系统第2讲37布拉格反射条件：布拉格反射条件：n(D + B) = m nD(1 + sin
16、 ) = m 2 nD= m m=1,2,3,布拉格反射原理布拉格反射原理光 纤 通 信 系统第2讲38光 纤 通 信 系统第2讲39 DFBDFB激光器的优点激光器的优点激光器的优点激光器的优点v单纵模振荡单纵模振荡v线性度好线性度好v线宽窄线宽窄：布拉格反射可比作多级调谐，使谐振波长的：布拉格反射可比作多级调谐，使谐振波长的选择性大为提高。选择性大为提高。v稳定性好稳定性好：因为光栅有助于锁定在给定的波长上，使：因为光栅有助于锁定在给定的波长上，使其温度漂移很小。其温度漂移很小。v动态谱特性好动态谱特性好：高速调制下也保持单模振荡，虽然动：高速调制下也保持单模振荡，虽然动态谱宽度要比静态谱
17、宽展宽，但较态谱宽度要比静态谱宽展宽，但较F-P腔腔LD展宽小得多。展宽小得多。光 纤 通 信 系统第2讲40光 纤 通 信 系统第2讲414.发展趋势发展趋势:集成化集成化可调谐可调谐窄化发射谱线窄化发射谱线波长可调谐半导体激光器波长可调谐半导体激光器波长可调谐激光器的主要性能指标有：调谐速度和波长可调谐激光器的主要性能指标有：调谐速度和波长调谐范围。波长调谐范围。温度调谐激光器和电流调谐温度调谐激光器和电流调谐外腔可调谐激光器外腔可调谐激光器 双极双极DFB激光器激光器双极和三极双极和三极DBR激光器激光器光 纤 通 信 系统第2讲42Integrated Devices光 纤 通 信 系
18、统第2讲43 外腔激光器外腔激光器外腔激光器外腔激光器实现大调谐范围的一种简单方法是在实现大调谐范围的一种简单方法是在LD的两个端面的两个端面之一上镀抗反射膜，然后在其外部加上可调的光滤波器。之一上镀抗反射膜，然后在其外部加上可调的光滤波器。这种结构的这种结构的LD叫外腔可调谐激光器。外部的光滤波器选择叫外腔可调谐激光器。外部的光滤波器选择若干纵模中的一个。通过调整光滤波器。被选中的模的波若干纵模中的一个。通过调整光滤波器。被选中的模的波长能精确地调谐直至发生模式跳变，跳到另一纵模上。长能精确地调谐直至发生模式跳变，跳到另一纵模上。光 纤 通 信 系统第2讲44光 纤 通 信 系统第2讲45双
19、极和三级双极和三级双极和三级双极和三级DFB/DBRDFB/DBR激光器激光器激光器激光器波长快速调谐可通过对波长快速调谐可通过对LD有源层的载流子注入来实有源层的载流子注入来实现。这是因为载流子的变化引起折射率的变化，而折射率现。这是因为载流子的变化引起折射率的变化，而折射率的变化又改变激射波长。这种效应就是前面提到的绝热啁的变化又改变激射波长。这种效应就是前面提到的绝热啁啾。啾。光 纤 通 信 系统第2讲46Tunable 2-Section DBR Laseradiscontinuoustuningcharacteristicoverarangeofabitlessthan10nm.光
20、纤 通 信 系统第2讲49光 纤 通 信 系统第2讲50光 纤 通 信 系统第2讲51Sampled-GratingTunableDBRLasers光 纤 通 信 系统第2讲52Thisprincipleworksquitewellanddeviceswithatuningrangeofupto100nmhavebeenreportedintheliterature.Commercialdevices(albeitwithamorelimitedtuningrange)arecurrentlyavailable.光 纤 通 信 系统第2讲53三三.半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性1
21、. 1. 阈值特性阈值特性 2. 2. 效率效率 3. 3. 温度特性温度特性 4. 4. 4. 4. 相对强度噪声相对强度噪声相对强度噪声相对强度噪声 5. 5. 5. 5. 频率啁啾频率啁啾频率啁啾频率啁啾光 纤 通 信 系统第2讲54(1) (1) 阈值性质阈值性质阈值性质阈值性质 PIIth激射区激射区输出功率大输出功率大谱线尖锐谱线尖锐自发为主自发为主荧光荧光超辐射态超辐射态(F-P)光 纤 通 信 系统第2讲55光 纤 通 信 系统第2讲56(2) (2) 电光转换效率电光转换效率电光转换效率电光转换效率 功率效率功率效率功率效率功率效率 P P：定义：定义：定义：定义为激光器输出
22、光功率为激光器输出光功率为激光器输出光功率为激光器输出光功率P Pexex与注入激光器与注入激光器与注入激光器与注入激光器的电功率的电功率的电功率的电功率P Pinin之比。之比。之比。之比。 p p=P=Pexex/(V/(Vj jI+II+I2 2R Rs s) )内量子效率内量子效率内量子效率内量子效率 i i：定义：定义：定义：定义为有源区里每秒钟产生的光子数与有为有源区里每秒钟产生的光子数与有为有源区里每秒钟产生的光子数与有为有源区里每秒钟产生的光子数与有源区里每秒钟注入的电子源区里每秒钟注入的电子源区里每秒钟注入的电子源区里每秒钟注入的电子- -空穴对数之比。空穴对数之比。空穴对数
23、之比。空穴对数之比。 i i=R=Rr r/(R/(Rnrnr+R+Rr r) )外量子效率外量子效率外量子效率外量子效率 exex：定义：定义：定义：定义为激光器每秒钟实际输出的光子数为激光器每秒钟实际输出的光子数为激光器每秒钟实际输出的光子数为激光器每秒钟实际输出的光子数与每秒钟外部注入的电子空穴对数之比。与每秒钟外部注入的电子空穴对数之比。与每秒钟外部注入的电子空穴对数之比。与每秒钟外部注入的电子空穴对数之比。 exex=(p=(pexex/h/h ) )/(I/e/(I/e0 0 ) ) ) ) 由于由于由于由于hh EgEg ee0 0VV因此因此因此因此 exex ppexex/I
24、V/IV光 纤 通 信 系统第2讲57外微分量子效率外微分量子效率外微分量子效率外微分量子效率 D D：对应对应对应对应P PI I特性中阈特性中阈特性中阈特性中阈值以上的线性范围的值以上的线性范围的值以上的线性范围的值以上的线性范围的斜率。斜率。斜率。斜率。p pexex= DDh h (I-I(I-Ithth)/e)/e0 0 D=(PexPth)/h /(I-Ith)/e0 Pex/h /(I-Ith)/e0光 纤 通 信 系统第2讲58(3) (3) 温度特性温度特性温度特性温度特性随温度升高：随温度升高：阈值电流增加阈值电流增加外微分量子效率下降外微分量子效率下降峰值波长向长波长方峰
25、值波长向长波长方向移动向移动-0.50.51.52.53.54.55.50204060Threshold Current (mA)Output Power (mW)-402585I Ithth=I=I00exp(K/Kexp(K/K0 0) )I Ith2th2=I=Ith1th1exp(Kexp(K2 2-K-K1 1)/K)/K0 0) )光 纤 通 信 系统第2讲59光 纤 通 信 系统第2讲60(4) (4) 相对强度噪声相对强度噪声相对强度噪声相对强度噪声任何半导体激光器既使注入恒定的电流，其输出任何半导体激光器既使注入恒定的电流，其输出的光强和相位都有随机起伏，即噪声。的光强和相位
26、都有随机起伏，即噪声。幅度的起伏用相对强度噪声幅度的起伏用相对强度噪声(RIN，RelativeIntensityNoise)来描述，它定义为来描述，它定义为相对输出光功率的相对输出光功率的变化的功率谱密度变化的功率谱密度。RIN对对光反射光反射非常敏感，对于相非常敏感，对于相位或幅度噪声敏感的系统，采用光隔离器阻止光后向位或幅度噪声敏感的系统，采用光隔离器阻止光后向反射是必要的。反射是必要的。光 纤 通 信 系统第2讲61RINRIN随光反射的变化随光反射的变化随光反射的变化随光反射的变化 光 纤 通 信 系统第2讲64四四.半导体发光二极管半导体发光二极管1.1.工作原理工作原理工作原理工
27、作原理当注入正向电流时，注入的非平衡载流子在扩散当注入正向电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中复合发光。过程中复合发光。特点（与半导体激光器比较）：特点（与半导体激光器比较）：特点（与半导体激光器比较）：特点（与半导体激光器比较）：非相干光源，自发发射为主，发射荧光过程非相干光源，自发发射为主，发射荧光过程 无光学谐振腔，不一定需要实现粒子数反转无光学谐振腔，不一定需要实现粒子数反转 非阈值电流，输出功率基本上与注入电流成正比非阈值电流，输出功率基本上与注入电流成正比光 纤 通 信 系统第2讲652.2.基本性质基本性质基本性质基本性质 发射谱线和发散角发射谱线和发散角发射谱线和发散角发射谱
28、线和发散角光谱较宽，光纤色散严重；光谱较宽，光纤色散严重；光谱较宽，光纤色散严重；光谱较宽，光纤色散严重；发散角大，与光纤的耦合效率较低；发散角大，与光纤的耦合效率较低；发散角大，与光纤的耦合效率较低；发散角大，与光纤的耦合效率较低； 响应速度响应速度响应速度响应速度调制速率低调制速率低调制速率低调制速率低 热特性热特性热特性热特性温度特性较好，无需温控电路温度特性较好，无需温控电路温度特性较好，无需温控电路温度特性较好，无需温控电路; ; 寿命长，可靠性高寿命长，可靠性高寿命长，可靠性高寿命长，可靠性高光 纤 通 信 系统第2讲66LEDLED输出功率与注入电流的关系输出功率与注入电流的关系
29、输出功率与注入电流的关系输出功率与注入电流的关系光 纤 通 信 系统第2讲673.3.结构分类结构分类结构分类结构分类根据把光输出耦合到光纤的形式分为面发射型和边发根据把光输出耦合到光纤的形式分为面发射型和边发射型两种基本结构。射型两种基本结构。在面发射型结构中，异质结对载流子的限制作用除使在面发射型结构中，异质结对载流子的限制作用除使发光效率提高外，还因通光区是宽带隙材料，可使光的再发光效率提高外，还因通光区是宽带隙材料，可使光的再吸收减小。为进一步减小光的再吸收，在吸收减小。为进一步减小光的再吸收，在n-GaAs上腐蚀一上腐蚀一个个阱阱，将光纤插入，将光纤插入阱阱中并用环氧树脂粘合定位，使
30、光中并用环氧树脂粘合定位，使光纤到发光面的间距减小到纤到发光面的间距减小到1015mm。p-n结的发光面积由结的发光面积由隔离层限定，接触处的直径通常为隔离层限定，接触处的直径通常为15100mm。在边发射型结构中，以定向的光束发射出去，其优点在边发射型结构中，以定向的光束发射出去，其优点是光的发散角较小，便于与光纤耦合，而且光从很窄的端是光的发散角较小，便于与光纤耦合，而且光从很窄的端边射出，使得辐射强度较高。边射出，使得辐射强度较高。光 纤 通 信 系统第2讲68边发射型发光二极管边发射型发光二极管边发射型发光二极管边发射型发光二极管(ELED)(ELED)的结构的结构的结构的结构光 纤 通 信 系统第2讲69面发射型发光二极管面发射型发光二极管面发射型发光二极管面发射型发光二极管(SLED)(SLED)的结构的结构的结构的结构
