《光纖通信技術(shù)教學(xué)資料》第3章第4節(jié)

1、3.4 3.4 半導(dǎo)體激光器的輸出特性半導(dǎo)體激光器的輸出特性 本節(jié)進(jìn)一步討論光波系統(tǒng)應(yīng)用中更直接關(guān)注的一些問題：本節(jié)進(jìn)一步討論光波系統(tǒng)應(yīng)用中更直接關(guān)注的一些問題： 電光轉(zhuǎn)換輸出功率電光轉(zhuǎn)換輸出功率(LI)(LI)特性特性 調(diào)制特性調(diào)制特性 噪聲特性噪聲特性 3.4.1 L-I 轉(zhuǎn)換輸出轉(zhuǎn)換輸出特性特性 半導(dǎo)體激光器的基本功能是借助泵浦電流注入有源區(qū)，通過電子半導(dǎo)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(fù)合發(fā)光。利用速率方程（空穴復(fù)合發(fā)光。利用速率方程（3.4.1-33.4.1-3）可以計(jì)算激光器的輸出光功率）可以計(jì)算激光器的輸出光功率與注入電流的關(guān)系，即與注入電流的關(guān)系，即LI

2、LI特性曲線，特性曲線，由此可得到閾值電流和輸出功率。由此可得到閾值電流和輸出功率。 例如，在室溫下，閾值電流例如，在室溫下，閾值電流 Ith=20mA，在注入電流，在注入電流 I=100mA時(shí)，從時(shí)，從激光器每端面能發(fā)射激光器每端面能發(fā)射10mW輸出功率。輸出功率。 溫度提高時(shí)性能下降，閾值電流隨溫度按指數(shù)增長：溫度提高時(shí)性能下降，閾值電流隨溫度按指數(shù)增長： 其中，其中，I0是常數(shù)；是常數(shù)；T0是特征溫度，代表是特征溫度，代表Ith對(duì)溫度的靈敏度。對(duì)溫度的靈敏度。 對(duì)對(duì)InGaAsP激光器，激光器，T0的典型值在的典型值在50K70K范圍內(nèi)，而對(duì)范圍內(nèi)，而對(duì)GaAs激光器，激光器，T0120

3、K。 可見，可見，InGaAsP激光器的性能對(duì)溫度比較敏感激光器的性能對(duì)溫度比較敏感，需用內(nèi)裝熱電致，需用內(nèi)裝熱電致冷器控制。工作于冷器控制。工作于1.55m的的InGaAsP激光器，一般不能在激光器，一般不能在100以以上發(fā)光。上發(fā)光。00( )exp()thTITIT由由A A，B B兩段組成：兩段組成：A A段段：工作電流小于閾值電流：工作電流小于閾值電流 I Ith th ，屬于自發(fā)輻射光，光能量很低；屬于自發(fā)輻射光，光能量很低；B B段：段：工作電流大于閾值電流工作電流大于閾值電流 I Ith th 時(shí)產(chǎn)生激光輸出。時(shí)產(chǎn)生激光輸出。對(duì)典型的應(yīng)用，取工作電流為對(duì)典型的應(yīng)用，取工作電流為

4、: :I Ith th +20mA+20mA，相應(yīng)的光功率輸出被認(rèn)，相應(yīng)的光功率輸出被認(rèn)為是為是LDLD的輸出功率。的輸出功率。圖右側(cè)縱坐標(biāo)為圖右側(cè)縱坐標(biāo)為LDLD的管壓降，它與的管壓降，它與橫坐標(biāo)構(gòu)成橫坐標(biāo)構(gòu)成LDLD的伏安特性。的伏安特性。mA1. LD的的L-I特性特性gsEVIRe(2) LD(2) LD的管壓降：的管壓降：pn結(jié)壓降（導(dǎo)通電壓）結(jié)壓降（導(dǎo)通電壓）串聯(lián)電阻壓降串聯(lián)電阻壓降 在在IIth IIth 條件下，條件下，LD的管壓降接近為的管壓降接近為常數(shù)。常數(shù)。 從伏安特性可以求出從伏安特性可以求出Rs值，通常小于值，通常小于5 。通常通常: GaAlAs材料，帶隙寬，導(dǎo)通電

5、壓材料，帶隙寬，導(dǎo)通電壓為為1.5V; InGaAsP材料，帶隙窄，導(dǎo)通電壓材料，帶隙窄，導(dǎo)通電壓為為1V； 圖圖3.223.22展示展示了一個(gè)了一個(gè)1.3mBH 1.3mBH InGaAsPInGaAsP激光器在激光器在1010130130范圍內(nèi)范圍內(nèi)不同溫度時(shí)的不同溫度時(shí)的LLI I特性曲線，由此特性曲線，由此可得到閾值電流可得到閾值電流和輸出功率。和輸出功率。 2、溫度特性、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 可見可見LDLD的的 I Ithth 對(duì)工作溫度是十對(duì)工作溫度是十分敏感的，隨著工作溫度的提高，分敏感的，隨著工作溫度的提高， P-IP-I特

6、性曲線向右移動(dòng)，這時(shí)閾值電特性曲線向右移動(dòng)，這時(shí)閾值電流增大，斜率減小，見右圖。流增大，斜率減小，見右圖。 在進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)，在脈沖持在進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)，在脈沖持續(xù)期內(nèi)，結(jié)溫及閾值電流隨時(shí)間增續(xù)期內(nèi)，結(jié)溫及閾值電流隨時(shí)間增加，輸出功率則隨時(shí)間減小，結(jié)果加，輸出功率則隨時(shí)間減小，結(jié)果使脈沖波形失真，頂部衰減，這就使脈沖波形失真，頂部衰減，這就是是結(jié)發(fā)熱效應(yīng)結(jié)發(fā)熱效應(yīng)。 (3-4-1的出光特性動(dòng)畫示意圖)利用速率方程來討論利用速率方程來討論LILI曲線的特點(diǎn)和激光器的效率。曲線的特點(diǎn)和激光器的效率。 當(dāng)當(dāng) IIth 時(shí)，光子數(shù)時(shí)，光子數(shù) P P 隨隨 I I 線性增加線性增加()PthPIIq（3.

7、4.63.4.6）為光子壽命，激光器輻射功率與光子數(shù)的關(guān)系為為光子壽命，激光器輻射功率與光子數(shù)的關(guān)系為1()2egmirPh p （3.4.73.4.7）式中，式中，v vg gmir mir 代表能量為代表能量為的光子從兩端輻射的速率、的光子從兩端輻射的速率、p p為光子數(shù)。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。通過以上公式，可以求得輻射功率和激光器輸出效率。 p LD的輸出光功率的輸出光功率（3.4.83.4.8）intint()2mirethmirhwPIIq 式中：式中：I為注入電流；為注入電流； int 為內(nèi)量子效率，測(cè)試表明，室溫下其值為為內(nèi)量子效率，測(cè)試表明

8、，室溫下其值為0.60.7；為非全反射端面引起的透射損耗。為非全反射端面引起的透射損耗。 int為諧振腔內(nèi)總損耗；為諧振腔內(nèi)總損耗；mir外量子效率外量子效率(總效率總效率) 在閾值電流在閾值電流Ith以上，以上，LD的輸出功率與注入電流近似成線性，其的輸出功率與注入電流近似成線性，其外量子效率為外量子效率為 （3.4.113.4.11）2/2/eeextPhwPqI qhw I光子輻射率電子注入率 定義總量子效率為定義總量子效率為tot=2Pe/(V0I)，V V0 0為外加電壓，為外加電壓，tot與與ext的關(guān)系的關(guān)系為為00gtotextextEhqVqV（3.4.133.4.13）式中

9、，式中，EgEg是禁帶寬度。一般外加電壓超過是禁帶寬度。一般外加電壓超過Eg/qEg/q，因而，因而 tottotextext。 對(duì)對(duì)GaAsGaAs激光器激光器d d 微分量子效率，與外量子效率關(guān)系為：微分量子效率，與外量子效率關(guān)系為： 超過超過80%80%，tottot近似為近似為 50%50%； 相對(duì)而言，相對(duì)而言，InGaAsP InGaAsP 激光器一般效率較低，激光器一般效率較低，d d 約為約為50%50%，而，而tottot約為約為 20%20%。(1/ )extdthII3.4.2 調(diào)制特性調(diào)制特性 半導(dǎo)體激光器調(diào)制特性直接影響著光發(fā)送機(jī)和光波通信系統(tǒng)的性能，半導(dǎo)體激光器調(diào)制

10、特性直接影響著光發(fā)送機(jī)和光波通信系統(tǒng)的性能，調(diào)制特性可從直接求解具有時(shí)變電流的速率方程調(diào)制特性可從直接求解具有時(shí)變電流的速率方程(3.4.1)(3.4.1)進(jìn)行研究。進(jìn)行研究。 實(shí)際激光器存在的兩種物理機(jī)制對(duì)速率方程的影響：實(shí)際激光器存在的兩種物理機(jī)制對(duì)速率方程的影響： (1)(1)增益飽和效應(yīng)。增益飽和效應(yīng)。 當(dāng)注入電流增大，因而光子數(shù)當(dāng)注入電流增大，因而光子數(shù)P P增大時(shí)，增大時(shí)，G G（光增益）出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，（光增益）出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，這一因素導(dǎo)致這一因素導(dǎo)致P P增大時(shí)增大時(shí)G G的減小。的減小。 (2)(2)線性調(diào)頻效應(yīng)。線性調(diào)頻效應(yīng)。 當(dāng)注入電流為時(shí)變電流對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)制時(shí)，載流子數(shù)、

11、光增益和有當(dāng)注入電流為時(shí)變電流對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)制時(shí)，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(dǎo)致模折射率和傳播常數(shù)的變化，源區(qū)折射率均隨之而變，載流子數(shù)的變化導(dǎo)致模折射率和傳播常數(shù)的變化，因此產(chǎn)生了相位調(diào)制。因此產(chǎn)生了相位調(diào)制。 1. 小信號(hào)調(diào)制小信號(hào)調(diào)制 在閾值以上偏置在閾值以上偏置(I(Ib b-I-Ithth) )，且調(diào)制信號(hào)幅值且調(diào)制信號(hào)幅值 ImImI Ib b-I-Ithth 時(shí)，可時(shí)，可作為小信號(hào)調(diào)制而求得解析解。作為小信號(hào)調(diào)制而求得解析解。 設(shè)時(shí)變電流為設(shè)時(shí)變電流為 I(t)=II(t)=Ib b + I + Im mf fp p(t) (t) (3.4.16)(

12、3.4.16)式式中，中，f fp p(t)(t)為調(diào)制電流脈沖的形狀。為調(diào)制電流脈沖的形狀。 22()()(0)()()mmmmRRRmRRmRPHPii (3.4.22)(3.4.22)類似于類似于LED的情況，可引入變換函數(shù)的情況，可引入變換函數(shù)H(m)，即，即從上式可見：從上式可見： 當(dāng)調(diào)制頻率遠(yuǎn)低于弛豫振蕩頻率時(shí)，當(dāng)調(diào)制頻率遠(yuǎn)低于弛豫振蕩頻率時(shí)， 即即 m R R 時(shí)，時(shí)，調(diào)制響應(yīng)調(diào)制響應(yīng)則劇烈下降。則劇烈下降。 圖圖3.233.23展示了一個(gè)展示了一個(gè)1.3m DFB 1.3m DFB 激光器在幾個(gè)不同偏置電流下的調(diào)制激光器在幾個(gè)不同偏置電流下的調(diào)制特性。特性。 式中式中 與與 分

13、別為弛豫振蕩的頻率和阻尼率，這兩個(gè)參數(shù)對(duì)半導(dǎo)體分別為弛豫振蕩的頻率和阻尼率，這兩個(gè)參數(shù)對(duì)半導(dǎo)體激光器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有重要影響，激光器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有重要影響，特別是當(dāng)頻率遠(yuǎn)超過弛豫振蕩頻率時(shí)，調(diào)特別是當(dāng)頻率遠(yuǎn)超過弛豫振蕩頻率時(shí)，調(diào)制效率大大降低。制效率大大降低。 RR 一些專門設(shè)計(jì)的一些專門設(shè)計(jì)的 InGaAsP InGaAsP 激光器，其調(diào)制帶寬可達(dá)激光器，其調(diào)制帶寬可達(dá)20GHz20GHz以上。然以上。然而大多數(shù)半導(dǎo)體激光器，由于輸入電路和封裝引入的寄生電容的影響，而大多數(shù)半導(dǎo)體激光器，由于輸入電路和封裝引入的寄生電容的影響，實(shí)際的調(diào)制帶寬很難超過實(shí)際的調(diào)制帶寬很難超過10GHz10GHz。當(dāng)偏置

14、電流高于當(dāng)偏置電流高于閾值電流的閾值電流的7.77.7倍時(shí)，其倍時(shí)，其 f f3dB3dB可可達(dá)達(dá)14GHz14GHz。圖3.23 1.3m DFB激光器的小信號(hào)調(diào)制響應(yīng) 2 2、 大信號(hào)調(diào)制大信號(hào)調(diào)制 在數(shù)字光波系統(tǒng)中，偏置一般設(shè)置在閾值附近在數(shù)字光波系統(tǒng)中，偏置一般設(shè)置在閾值附近: : I Ib bIIthth，I Im mIIb b-I-Ithth 這對(duì)應(yīng)于大信號(hào)調(diào)制狀態(tài)。這對(duì)應(yīng)于大信號(hào)調(diào)制狀態(tài)。 在大信號(hào)調(diào)制條件下，不能用使速率方程線性化的方法求解析解，在大信號(hào)調(diào)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(yīng)用數(shù)值方法求解。而只能應(yīng)用數(shù)值方法求解。 實(shí)線表示發(fā)射光脈沖形狀，虛線表示載流子感應(yīng)折射率變化導(dǎo)致的頻率實(shí)線表示發(fā)射光脈沖形狀，虛線表示載流子感應(yīng)折射率變化導(dǎo)致的頻率啁啾啁啾(c c =5)=5)。 圖圖3.243.24展示了一個(gè)展示了一個(gè) I Ibthbth,I,Im m =I =Ithth,I,Im m I Ib b-I-Ithth，脈寬為，脈寬為500ps500ps，比特率為，比特率為2Gb/s2Gb/s的矩形電流脈沖調(diào)制激光器時(shí)所產(chǎn)生的發(fā)射光脈沖的形狀。的矩形電流脈沖調(diào)制激光器時(shí)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)生可見