光纖通信技術教學資料第3章第4節(jié)

1、1,3.4 半導體激光器的輸出特性,本節(jié)進一步討論光波系統(tǒng)應用中更直接關注的一些問題： 電光轉換輸出功率(LI)特性 調制特性 噪聲特性,3.4.1 L-I 轉換輸出特性 半導體激光器的基本功能是借助泵浦電流注入有源區(qū)，通過電子空穴復合發(fā)光。利用速率方程（3.4.1-3）可以計算激光器的輸出光功率與注入電流的關系，即LI特性曲線，由此可得到閾值電流和輸出功率。,2,例如，在室溫下，閾值電流 Ith=20mA，在注入電流 I=100mA時，從激光器每端面能發(fā)射10mW輸出功率。 溫度提高時性能下降，閾值電流隨溫度按指數(shù)增長：,其中，I0是常數(shù)；T0是特征溫度，代表Ith對溫度的靈敏度。 對InG

2、aAsP激光器，T0的典型值在50K70K范圍內，而對GaAs激光器，T0120K。 可見，InGaAsP激光器的性能對溫度比較敏感，需用內裝熱電致冷器控制。工作于1.55m的InGaAsP激光器，一般不能在100以上發(fā)光。,3,由A，B兩段組成： A段：工作電流小于閾值電流 Ith ，屬于自發(fā)輻射光，光能量很低； B段：工作電流大于閾值電流 Ith 時產(chǎn)生激光輸出。 對典型的應用，取工作電流為: Ith +20mA，相應的光功率輸出被認為是LD的輸出功率。 圖右側縱坐標為LD的管壓降，它與橫坐標構成LD的伏安特性。,mA,1. LD的L-I特性,4,(2) LD的管壓降：,pn結壓降（導通電

3、壓）,串聯(lián)電阻壓降,在IIth 條件下，LD的管壓降接近為常數(shù)。 從伏安特性可以求出Rs值，通常小于5。,通常: GaAlAs材料，帶隙寬，導通電壓為1.21.5V; InGaAsP材料，帶隙窄，導通電壓為0.81V；,5,圖3.22展示了一個1.3mBH InGaAsP激光器在10130范圍內不同溫度時的LI特性曲線，由此可得到閾值電流和輸出功率。,2、溫度特性,圖3.22 1.3m BH激光器的 輸出功率電流(L-I)特性曲線,6,可見LD的 Ith 對工作溫度是十分敏感的，隨著工作溫度的提高， P-I特性曲線向右移動，這時閾值電流增大，斜率減小，見右圖。 在進行脈沖調制時，在脈沖持續(xù)期內

4、，結溫及閾值電流隨時間增加，輸出功率則隨時間減小，結果使脈沖波形失真，頂部衰減，這就是結發(fā)熱效應。 (3-4-1的出光特性動畫示意圖),7,利用速率方程來討論LI曲線的特點和激光器的效率。 當 IIth 時，光子數(shù) P 隨 I 線性增加,（3.4.6）,為光子壽命，激光器輻射功率與光子數(shù)的關系為,（3.4.7）,式中，vgmir 代表能量為的光子從兩端輻射的速率、p為光子數(shù)。 通過以上公式，可以求得輻射功率和激光器輸出效率。,8, LD的輸出光功率,（3.4.8）,式中：I為注入電流； int 為內量子效率，測試表明，室溫下其值為0.60.7；,為非全反射端面引起的透射損耗。,為諧振腔內總損耗

5、；,9,外量子效率(總效率) 在閾值電流Ith以上，LD的輸出功率與注入電流近似成線性，其外量子效率為,（3.4.11）,10,定義總量子效率為tot=2Pe/(V0I)，V0為外加電壓，tot與ext的關系為,（3.4.13）,式中，Eg是禁帶寬度。一般外加電壓超過Eg/q，因而 totext。 對GaAs激光器d 微分量子效率，與外量子效率關系為： 超過80%，tot近似為 50%； 相對而言，InGaAsP 激光器一般效率較低，d 約為50%，而tot約為 20%。,11,3.4.2 調制特性 半導體激光器調制特性直接影響著光發(fā)送機和光波通信系統(tǒng)的性能，調制特性可從直接求解具有時變電流的

6、速率方程(3.4.1)進行研究。 實際激光器存在的兩種物理機制對速率方程的影響： (1)增益飽和效應。 當注入電流增大，因而光子數(shù)P增大時，G（光增益）出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，這一因素導致P增大時G的減小。 (2)線性調頻效應。 當注入電流為時變電流對激光器進行調制時，載流子數(shù)、光增益和有源區(qū)折射率均隨之而變，載流子數(shù)的變化導致模折射率和傳播常數(shù)的變化，因此產(chǎn)生了相位調制。,12,1. 小信號調制,在閾值以上偏置(Ib-Ith)，且調制信號幅值 ImIb-Ith 時，可 作為小信號調制而求得解析解。 設時變電流為 I(t)=Ib + Imfp(t) (3.4.16) 式中，fp(t)為調制電流脈沖的形狀

7、。,(3.4.22),類似于LED的情況，可引入變換函數(shù)H(m)，即,13,從上式可見： 當調制頻率遠低于弛豫振蕩頻率時， 即 m R 時，調制響應則劇烈下降。 圖3.23展示了一個1.3m DFB 激光器在幾個不同偏置電流下的調制特性。,式中 與 分別為弛豫振蕩的頻率和阻尼率，這兩個參數(shù)對半導體激光器的動態(tài)響應有重要影響，特別是當頻率遠超過弛豫振蕩頻率時，調制效率大大降低。,14,一些專門設計的 InGaAsP 激光器，其調制帶寬可達20GHz以上。然而大多數(shù)半導體激光器，由于輸入電路和封裝引入的寄生電容的影響，實際的調制帶寬很難超過10GHz。,當偏置電流高于閾值電流的7.7倍時，其 f3

8、dB可達14GHz。,圖3.23 1.3m DFB激光器的小信號調制響應,15,2、 大信號調制 在數(shù)字光波系統(tǒng)中，偏置一般設置在閾值附近: IbIth，ImIb-Ith 這對應于大信號調制狀態(tài)。 在大信號調制條件下，不能用使速率方程線性化的方法求解析解，而只能應用數(shù)值方法求解。 圖3.24中實線表示發(fā)射光脈沖形狀，虛線表示載流子感應折射率變化導致的頻率啁啾(c =5)。,16,圖3.24展示了一個 Ib =1.1Ith,Im =Ith,Im Ib-Ith，脈寬為500ps，比特率為2Gb/s的矩形電流脈沖調制激光器時所產(chǎn)生的發(fā)射光脈沖的形狀。 可見，與輸入電脈沖波形相比，輸出光脈沖發(fā)生了一定的畸變，產(chǎn)生了約100p