光纖通信第3章

1、一般工作原理一般工作原理 體激光器體激光器 3.3 3.3 半導(dǎo)半導(dǎo) 光電器件一般工作原理光電器件一般工作原理半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 ：原理、特性、結(jié)構(gòu)，典型：原理、特性、結(jié)構(gòu)，典型的半導(dǎo)體激光器的半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體發(fā)光二極管 ：原理、結(jié)構(gòu)、特性：原理、結(jié)構(gòu)、特性光電檢測(cè)器光電檢測(cè)器 ：PIN 、APD體積小體積小效率高效率高可靠性高可靠性高工作波長(zhǎng)與光纖低損耗窗口相對(duì)應(yīng)工作波長(zhǎng)與光纖低損耗窗口相對(duì)應(yīng)便于與光纖耦合便于與光纖耦合工作速率高工作速率高光輻射與光吸收光輻射與光吸收 能級(jí)理論：能級(jí)理論： 原子由原子核和核外沿固定軌道旋轉(zhuǎn)的電子組原子由原子核和核外沿固定軌道旋轉(zhuǎn)的電子

2、組成；成； 能級(jí)所對(duì)應(yīng)的能量值是離散的。能級(jí)所對(duì)應(yīng)的能量值是離散的。 電子在特定的能級(jí)中運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)與外界交換能電子在特定的能級(jí)中運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)與外界交換能量發(fā)生能級(jí)躍遷；量發(fā)生能級(jí)躍遷； 原子中的電子可以通過(guò)和外界交換能量的方式原子中的電子可以通過(guò)和外界交換能量的方式發(fā)生量子躍遷，或稱(chēng)能級(jí)的躍遷。若交換的能量是發(fā)生量子躍遷，或稱(chēng)能級(jí)的躍遷。若交換的能量是光能，則稱(chēng)為光躍遷。光躍遷同時(shí)存在著光的自發(fā)光能，則稱(chēng)為光躍遷。光躍遷同時(shí)存在著光的自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收三種不同的基本過(guò)程。輻射、受激輻射和受激吸收三種不同的基本過(guò)程。自發(fā)輻射：自發(fā)輻射： 處于高能態(tài)的電子按照處于高能態(tài)的電子按照一定的

3、概率自發(fā)地躍遷到低一定的概率自發(fā)地躍遷到低能態(tài)上，并發(fā)射一個(gè)能量為能態(tài)上，并發(fā)射一個(gè)能量為E2-E1的光子；的光子； 光子隨機(jī)光子隨機(jī)地向各個(gè)方向地向各個(gè)方向發(fā)射，每次發(fā)發(fā)射，每次發(fā)射沒(méi)有確定的射沒(méi)有確定的相位相位非相干非相干光。光。LEDLED發(fā)光。發(fā)光。受激輻射受激輻射 ： 處在高能態(tài)的電子在外界處在高能態(tài)的電子在外界光場(chǎng)的感應(yīng)下，發(fā)射一個(gè)和感光場(chǎng)的感應(yīng)下，發(fā)射一個(gè)和感應(yīng)光子相同光子態(tài)的光子，躍應(yīng)光子相同光子態(tài)的光子，躍遷到低能態(tài)。遷到低能態(tài)。受激吸收受激吸收 ： 如果入射光子的能量如果入射光子的能量h 近似等于近似等于E2-E1，光子能量就，光子能量就會(huì)被吸收，同時(shí)基態(tài)上的電會(huì)被吸收，同

4、時(shí)基態(tài)上的電子躍遷到高能態(tài)。半導(dǎo)體光子躍遷到高能態(tài)。半導(dǎo)體光檢測(cè)器基于這種效應(yīng)。檢測(cè)器基于這種效應(yīng)。稱(chēng)為激活物質(zhì)。激活物質(zhì)。 )exp(1212kTEENN式中，式中， k=1.38110-23J/K為波爾茲曼常數(shù)，為波爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。為熱力學(xué)溫度。由于由于(E2-E1)0，T0，所以在這種狀態(tài)下，總是，所以在這種狀態(tài)下，總是N1N2。 電子電子總是首先占據(jù)低能量的軌道?？偸鞘紫日紦?jù)低能量的軌道。能帶理論能帶理論針對(duì)半導(dǎo)體材料針對(duì)半導(dǎo)體材料 導(dǎo)帶導(dǎo)帶 禁帶禁帶 價(jià)帶價(jià)帶 N型半導(dǎo)體中過(guò)剩電子占據(jù)了導(dǎo)帶型半導(dǎo)體中過(guò)剩電子占據(jù)了導(dǎo)帶 P型半導(dǎo)體中過(guò)?？昭ㄕ紦?jù)了價(jià)帶型半導(dǎo)體中過(guò)?？昭ㄕ紦?jù)

5、了價(jià)帶PN結(jié)結(jié) 在在P型和型和N型半導(dǎo)體組成的型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)界面上，由于存結(jié)界面上，由于存在多數(shù)載流子濃度梯度，因而產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成在多數(shù)載流子濃度梯度，因而產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)內(nèi)部電場(chǎng)部電場(chǎng) 內(nèi)部電場(chǎng)支持少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，最終兩種內(nèi)部電場(chǎng)支持少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，最終兩種運(yùn)動(dòng)處于平衡狀態(tài)運(yùn)動(dòng)處于平衡狀態(tài)P 區(qū)PN結(jié)空間電荷區(qū)N 區(qū) 擴(kuò)散 漂移PN結(jié)結(jié)費(fèi)米能級(jí)表征電子在導(dǎo)帶和價(jià)帶的占居幾率。費(fèi)米能級(jí)表征電子在導(dǎo)帶和價(jià)帶的占居幾率。在費(fèi)米能級(jí)，被電子占據(jù)和空穴占據(jù)的概率相同。處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，處于熱平衡狀態(tài)時(shí)， PN結(jié)兩側(cè)的費(fèi)米能級(jí)相等。結(jié)兩側(cè)的費(fèi)米能級(jí)相等。內(nèi)建電內(nèi)建電場(chǎng)由場(chǎng)由N區(qū)

6、指向區(qū)指向P區(qū)區(qū)PN結(jié)結(jié)當(dāng)正向電壓加大到某一值后，當(dāng)正向電壓加大到某一值后， PN結(jié)里出現(xiàn)增益區(qū)（有結(jié)里出現(xiàn)增益區(qū)（有源區(qū)）。源區(qū)）。 在在Efc和和Efv之間價(jià)帶主要由空穴占據(jù)，導(dǎo)帶主要由電子之間價(jià)帶主要由空穴占據(jù)，導(dǎo)帶主要由電子占據(jù)，即實(shí)現(xiàn)了占據(jù)，即實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 勢(shì)壘降低，費(fèi)米能勢(shì)壘降低，費(fèi)米能級(jí)分裂級(jí)分裂 LD 適合于作高速長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)的光適合于作高速長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)的光源。源。優(yōu)點(diǎn)：輻射功率高；發(fā)散角窄；與單模光纖耦合優(yōu)點(diǎn)：輻射功率高；發(fā)散角窄；與單模光纖耦合效率高；輻射光譜窄；能進(jìn)行高速直接調(diào)制。效率高；輻射光譜窄；能進(jìn)行高速直接調(diào)制。激光二極管激光二

7、極管LD通過(guò)受激輻射發(fā)光；通過(guò)受激輻射發(fā)光；LD可以發(fā)出可以發(fā)出單色性和定向性好、強(qiáng)度和相干性高單色性和定向性好、強(qiáng)度和相干性高的光的光放大器：放大器：有源區(qū)（又稱(chēng)為增益有源區(qū)（又稱(chēng)為增益區(qū)）是實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反區(qū)）是實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布、有光增益的轉(zhuǎn)分布、有光增益的區(qū)域區(qū)域光反饋裝置光反饋裝置 ： 光學(xué)諧振腔提供必要光學(xué)諧振腔提供必要的正反饋以促進(jìn)激光的正反饋以促進(jìn)激光振蕩振蕩 半導(dǎo)體激光器是一種半導(dǎo)體激光器是一種PN結(jié)構(gòu)成的二極結(jié)構(gòu)成的二極管結(jié)構(gòu)，通過(guò)注入正向電流進(jìn)行泵浦，當(dāng)管結(jié)構(gòu)，通過(guò)注入正向電流進(jìn)行泵浦，當(dāng)注入電流達(dá)到一定的閾值后，在結(jié)區(qū)形成注入電流達(dá)到一定的閾值后，在結(jié)區(qū)形成一個(gè)一個(gè)粒子數(shù)反

8、轉(zhuǎn)分布的區(qū)域粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的區(qū)域，價(jià)帶主要由，價(jià)帶主要由空穴占據(jù)，而導(dǎo)帶主要由電子占據(jù)。對(duì)于空穴占據(jù)，而導(dǎo)帶主要由電子占據(jù)。對(duì)于光子能量滿足光子能量滿足Eghve0V 的光子有的光子有光放光放大大作用，這個(gè)區(qū)域被稱(chēng)為有源區(qū)，半導(dǎo)體作用，這個(gè)區(qū)域被稱(chēng)為有源區(qū)，半導(dǎo)體激光器的激光器的光激射光激射就發(fā)生在這個(gè)區(qū)域就發(fā)生在這個(gè)區(qū)域 F-P諧振腔是一種最簡(jiǎn)單的光學(xué)反饋裝置，它諧振腔是一種最簡(jiǎn)單的光學(xué)反饋裝置，它由一對(duì)平行放置的平面反射鏡（通常直接利用半導(dǎo)由一對(duì)平行放置的平面反射鏡（通常直接利用半導(dǎo)體晶體材料的天然解理面）組成體晶體材料的天然解理面）組成 。往返反射構(gòu)成往返反射構(gòu)成正反饋正反饋。 實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定

9、振蕩必須滿足的實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定振蕩必須滿足的振幅條件振幅條件 相位條件相位條件 m為整數(shù)為整數(shù) G和和F分別為基本放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)的正分別為基本放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)的正向傳輸函數(shù)向傳輸函數(shù)振幅條件振幅條件 光在F-P諧振腔內(nèi)的傳播同時(shí)受到增益和衰減兩大相互矛盾因素的共同作用1GF 2GFm 一方面，在外部激勵(lì)源的作用下，激光一方面，在外部激勵(lì)源的作用下，激光器內(nèi)部形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的有源區(qū)，器內(nèi)部形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的有源區(qū)，往返傳輸往返傳輸?shù)墓庾硬粩嗾T發(fā)受激輻射的光子不斷誘發(fā)受激輻射，使得光信號(hào)不斷，使得光信號(hào)不斷增強(qiáng)。增強(qiáng)。 另一方面，腔內(nèi)也存在著衰減，例如鏡另一方面，腔內(nèi)也存在著衰減，例如鏡面的反射衰減（鏡面

10、反射率總是小于面的反射衰減（鏡面反射率總是小于1）、）、工作物質(zhì)的吸收和散射衰減等工作物質(zhì)的吸收和散射衰減等 當(dāng)光信號(hào)往返傳輸一周幅度不發(fā)生變化當(dāng)光信號(hào)往返傳輸一周幅度不發(fā)生變化時(shí)稱(chēng)為達(dá)到閾值狀態(tài)。時(shí)稱(chēng)為達(dá)到閾值狀態(tài)。l相位條件相位條件 沿軸向發(fā)射的光在諧振腔中往返一周的光程差為2nL（L為腔長(zhǎng)，n為介質(zhì)的折射率），對(duì)應(yīng)的相位延遲為2(2nL/) 則發(fā)生相長(zhǎng)干涉相長(zhǎng)干涉的條件： 2(2nL/)q 2 q為整數(shù)即： 2nL/q 又： =c/ 則諧振腔的選頻特性諧振腔的選頻特性nLcqq2nLcq2諧振腔的選方向性諧振腔的選方向性 在軸向自發(fā)輻射的誘發(fā)下，在軸向產(chǎn)生光的在軸向自發(fā)輻射的誘發(fā)下，在軸

11、向產(chǎn)生光的受激發(fā)射，從而獲得光的受激放大。被受激放大受激發(fā)射，從而獲得光的受激放大。被受激放大的光在腔鏡處反射后，又繼續(xù)在軸向獲得受激放的光在腔鏡處反射后，又繼續(xù)在軸向獲得受激放大。大。 非軸向的自發(fā)輻射經(jīng)有限次往返反射后，逃非軸向的自發(fā)輻射經(jīng)有限次往返反射后，逃逸出腔外。逸出腔外。 F-P腔中滿足諧腔中滿足諧振條件的縱模是均振條件的縱模是均勻分布的：勻分布的： l縱模數(shù)隨注入電流變化縱模數(shù)隨注入電流變化 (電流增加縱模數(shù)減?。╇娏髟黾涌v模數(shù)減小） l峰值波長(zhǎng)隨溫度變化峰值波長(zhǎng)隨溫度變化 (電流增大，結(jié)溫升高，禁帶電流增大，結(jié)溫升高，禁帶變窄，波長(zhǎng)變長(zhǎng)變窄，波長(zhǎng)變長(zhǎng)) l動(dòng)態(tài)譜線展寬動(dòng)態(tài)譜線展

12、寬 （脈沖調(diào)制，電流變，有源區(qū)載（脈沖調(diào)制，電流變，有源區(qū)載流子濃度變，折射率變，激光器的諧振頻率變，動(dòng)態(tài)譜線流子濃度變，折射率變，激光器的諧振頻率變，動(dòng)態(tài)譜線展寬）展寬）僅有主模能夠產(chǎn)生振蕩。僅有主模能夠產(chǎn)生振蕩。絕大部分功率都集中在絕大部分功率都集中在一個(gè)縱模上一個(gè)縱模上; 譜寬較窄，譜寬較窄，單色性較單色性較當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流足夠大時(shí)，主當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流足夠大時(shí)，主模的增益增加，邊模的增模的增益增加，邊模的增益減小，益減小，多縱模多縱模變?yōu)樽優(yōu)閱慰v單縱模模，這種激光器稱(chēng)為，這種激光器稱(chēng)為靜態(tài)靜態(tài)單縱模激光器單縱模激光器。LD的橫模是一種穩(wěn)定的電磁場(chǎng)分布；是一種穩(wěn)定的電磁場(chǎng)分布；表現(xiàn)為激光器輸出能量在空

13、間上的穩(wěn)定分布表現(xiàn)為激光器輸出能量在空間上的穩(wěn)定分布近場(chǎng)近場(chǎng)是指激光器輸出是指激光器輸出 遠(yuǎn)場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)是指離反是指離反反射鏡面上的光強(qiáng)分布反射鏡面上的光強(qiáng)分布 射射鏡面一定距鏡面一定距離離 處的光強(qiáng)分布。處的光強(qiáng)分布。（1）閾值電流（閾值電流（Ith） 在在P-I曲線中，激光器由自發(fā)輻射到開(kāi)始受激振蕩曲線中，激光器由自發(fā)輻射到開(kāi)始受激振蕩時(shí)的臨界注入電流，稱(chēng)為時(shí)的臨界注入電流，稱(chēng)為閾值電流閾值電流。它是一個(gè)正向電。它是一個(gè)正向電流值，用符號(hào)流值，用符號(hào)Ith表示表示下圖為利用下圖為利用P-I曲線求解曲線求解Ith的三種做法（雙斜率法的三種做法（雙斜率法 ）、）、 （反向延長(zhǎng)法（反向延長(zhǎng)法 ）、（二

14、階求導(dǎo)法）、（二階求導(dǎo)法 ）（2）功率線性度功率線性度 理論偏離程度理論偏離程度 （3）光輸出飽和度光輸出飽和度 光輸出跌落光輸出跌落（4）激光器效率激光器效率 采用功率效率和各類(lèi)量子效率指標(biāo)來(lái)衡量激光采用功率效率和各類(lèi)量子效率指標(biāo)來(lái)衡量激光器的換能效率器的換能效率 功率效率功率效率定義為定義為 Pex為激光器發(fā)射的光功率，為激光器發(fā)射的光功率，Vj為激光器的結(jié)電為激光器的結(jié)電壓，壓，Rs為激光器的串聯(lián)電阻，為激光器的串聯(lián)電阻，I為注入電流為注入電流exp2jsPVII R激光器輻射的光功率激光器消耗的電功率 量子效率量子效率分為內(nèi)量子效率、外量子效率和外分為內(nèi)量子效率、外量子效率和外微分量子

15、效率微分量子效率 內(nèi)量子效率內(nèi)量子效率定義為定義為 用用Rr和和Rnr分別表示輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合分別表示輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合（能量差，釋放聲子，變?yōu)榫Ц裾駝?dòng)）（能量差，釋放聲子，變?yōu)榫Ц裾駝?dòng)）的速率，內(nèi)量子的速率，內(nèi)量子效率效率 i可以表示為可以表示為i有源區(qū)里每秒鐘產(chǎn)生的光子數(shù)有源區(qū)里每秒鐘注入的電子空穴對(duì)數(shù)rinrrRRR 外量子效率外量子效率 ex定義為定義為 由于由于 所以所以 I是激光器的注入電流，是激光器的注入電流，V是是PN結(jié)上的外加電壓結(jié)上的外加電壓 定義定義外微分量子效率外微分量子效率 D為為由于由于 , 所以所以 ex激光器每秒鐘發(fā)射的光子數(shù)激光器每秒鐘注入的電子空穴對(duì)數(shù)

16、g0hEe VexexPIVexthDth0() /PPhIIeexthPPexDth0/PhIIeex0/PhI e（5）熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性 激光器的變溫激光器的變溫P-I曲線曲線 外微分外微分量子效量子效率率隨溫度的升隨溫度的升高而下降高而下降 閾值電流閾值電流隨溫隨溫度的升高而加度的升高而加大大 （1）峰值波長(zhǎng)（）峰值波長(zhǎng)（ p）：強(qiáng)度最大的光譜波長(zhǎng)）：強(qiáng)度最大的光譜波長(zhǎng)（2）中心波長(zhǎng)（）中心波長(zhǎng)（ c）：峰值半功率點(diǎn)所限定的波譜范圍）：峰值半功率點(diǎn)所限定的波譜范圍中點(diǎn)對(duì)中點(diǎn)對(duì) 應(yīng)的波長(zhǎng)應(yīng)的波長(zhǎng)（4）邊模抑制）邊模抑制比（比（SSR）（5）模式跳躍）模式跳躍 （3）譜寬與線寬）譜寬與線寬

17、： 包含所有振蕩模式在內(nèi)的發(fā)射譜總寬度包含所有振蕩模式在內(nèi)的發(fā)射譜總寬度-譜寬譜寬單獨(dú)模式的寬度稱(chēng)為單獨(dú)模式的寬度稱(chēng)為線寬線寬。單頻激光器的譜寬等于線寬單頻激光器的譜寬等于線寬有源區(qū)的結(jié)構(gòu)有源區(qū)的結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體激光器的復(fù)合發(fā)光區(qū)域是有源區(qū)。有源區(qū)通半導(dǎo)體激光器的復(fù)合發(fā)光區(qū)域是有源區(qū)。有源區(qū)通常由一個(gè)或多個(gè)垂直方向的常由一個(gè)或多個(gè)垂直方向的PN結(jié)構(gòu)成。結(jié)構(gòu)成。根據(jù)根據(jù)PN結(jié)的性質(zhì)不同，分為結(jié)的性質(zhì)不同，分為同質(zhì)結(jié)：同質(zhì)結(jié)： PN結(jié)的兩邊使用相同的半導(dǎo)體材料。結(jié)的兩邊使用相同的半導(dǎo)體材料。雙異質(zhì)結(jié)：雙異質(zhì)結(jié)：在寬帶隙的在寬帶隙的P 型和型和N型半導(dǎo)體材料之間插型半導(dǎo)體材料之間插進(jìn)一薄層窄帶隙的材料。

18、進(jìn)一薄層窄帶隙的材料。異質(zhì)結(jié)：異質(zhì)結(jié)：帶隙差形成的勢(shì)壘將電子和空穴限制在有源區(qū)復(fù)合發(fā)光；折射率使光場(chǎng)（光子）有效地限制在有源區(qū)。LD的結(jié)構(gòu)依據(jù)光波導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)大面積激光器大面積激光器 使用較少使用較少 增益導(dǎo)引半導(dǎo)體激光器增益導(dǎo)引半導(dǎo)體激光器使用較少使用較少折射率導(dǎo)引半導(dǎo)體激光器折射率導(dǎo)引半導(dǎo)體激光器 廣泛使用廣泛使用 弱折射率導(dǎo)引脊形波導(dǎo)激光器弱折射率導(dǎo)引脊形波導(dǎo)激光器 強(qiáng)折射率導(dǎo)引強(qiáng)折射率導(dǎo)引掩埋異質(zhì)結(jié)激光器掩埋異質(zhì)結(jié)激光器 大面積激光器是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的LD：一：一個(gè)薄的有源層夾在個(gè)薄的有源層夾在P型和型和N型限制層中間。型限制層中間。 正向電流在較大面積正向電流在較大面積注入，所

19、以稱(chēng)為大面積注入，所以稱(chēng)為大面積激光器激光器缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：沿激光器整個(gè)寬沿激光器整個(gè)寬度上都存在光輻射，因度上都存在光輻射，因此損耗大，閾值電流高。此損耗大，閾值電流高。F-P腔激光腔激光器的構(gòu)成器的構(gòu)成 N、P：重：重?fù)诫s摻雜掩埋異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器掩埋異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器強(qiáng)折射率導(dǎo)引：強(qiáng)折射率導(dǎo)引：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：有源區(qū)被若有源區(qū)被若干低折射率層從各個(gè)方向干低折射率層從各個(gè)方向掩埋。掩埋。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):側(cè)向折射率差較大，側(cè)向折射率差較大，對(duì)光場(chǎng)限制作用強(qiáng)；光空對(duì)光場(chǎng)限制作用強(qiáng)；光空間分布穩(wěn)定性高，被大多間分布穩(wěn)定性高，被大多數(shù)光波系統(tǒng)采用。數(shù)光波系統(tǒng)采用。 橫截面示意圖橫截面示意圖最早商用最早商

20、用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制造結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制造基本為多縱模工作方式基本為多縱模工作方式直接調(diào)制時(shí)動(dòng)態(tài)譜線展寬明顯直接調(diào)制時(shí)動(dòng)態(tài)譜線展寬明顯不適合現(xiàn)代大容量長(zhǎng)距離光纖傳輸和波不適合現(xiàn)代大容量長(zhǎng)距離光纖傳輸和波分復(fù)用系統(tǒng)分復(fù)用系統(tǒng)DFB激光器的基本原理激光器的基本原理 無(wú)集總式的無(wú)集總式的諧振腔反射鏡裝諧振腔反射鏡裝置，光柵反饋、置，光柵反饋、選頻改善單色性，選頻改善單色性，不使用晶體解理不使用晶體解理面，易集成（如面，易集成（如多頻多頻DFB激光器激光器陣列）陣列） DFB和和DBR激光器的構(gòu)成激光器的構(gòu)成波導(dǎo)分區(qū)設(shè)計(jì)，避免晶格損傷DFB的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)l波長(zhǎng)選擇性波長(zhǎng)選擇性 縱模間隔遠(yuǎn)大于增益譜寬，易實(shí)現(xiàn)

21、單縱模工縱模間隔遠(yuǎn)大于增益譜寬，易實(shí)現(xiàn)單縱模工作，改變作，改變 可選波長(zhǎng)可選波長(zhǎng)l線寬窄，波長(zhǎng)穩(wěn)定性好線寬窄，波長(zhǎng)穩(wěn)定性好 光柵波長(zhǎng)選擇性比光柵波長(zhǎng)選擇性比F-P反射面好；反射面好；鎖定在給定波長(zhǎng)鎖定在給定波長(zhǎng) l動(dòng)態(tài)單縱模動(dòng)態(tài)單縱模 調(diào)制時(shí)譜展寬（啁啾）比調(diào)制時(shí)譜展寬（啁啾）比F-P腔小一個(gè)量級(jí)左腔小一個(gè)量級(jí)左右右l高線性度高線性度 適合模擬調(diào)制，廣泛用于有線電視（適合模擬調(diào)制，廣泛用于有線電視（CATV ）光纖傳輸系統(tǒng)光纖傳輸系統(tǒng) 基于波紋光柵的光學(xué)諧振器，材料折射率在空間某方基于波紋光柵的光學(xué)諧振器，材料折射率在空間某方向上呈現(xiàn)周期變化（正弦或三角波、方波），為受激輻射向上呈現(xiàn)周期變化（

22、正弦或三角波、方波），為受激輻射光子提供周期性反射點(diǎn)。光子提供周期性反射點(diǎn)。圖中圖中I，I ，I 等光束滿足同相位相加的條件為等光束滿足同相位相加的條件為 是波紋光柵的周期，也稱(chēng)為是波紋光柵的周期，也稱(chēng)為柵距柵距；m為整數(shù)；為整數(shù)；n為材料為材料等效折射率；等效折射率； 為波長(zhǎng)為波長(zhǎng)由圖中所示由圖中所示B， ， 的幾何關(guān)系，上式也可表示為的幾何關(guān)系，上式也可表示為上式即為上式即為布喇格反射條件。形成該方向上的主極強(qiáng)布喇格反射條件。形成該方向上的主極強(qiáng) 當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)布喇格布喇格條件簡(jiǎn)化為條件簡(jiǎn)化為有源區(qū)的光在柵條間來(lái)回振蕩，每有源區(qū)的光在柵條間來(lái)回振蕩，每 相對(duì)于微相對(duì)于微F-P腔腔2 /Bmn1

23、sinnmmn2與與F-P腔相比，采用布喇格反射器作為激光器的光腔相比，采用布喇格反射器作為激光器的光學(xué)諧振裝置存在如下學(xué)諧振裝置存在如下優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)l發(fā)射光譜主要由光柵周期發(fā)射光譜主要由光柵周期 決定決定， 對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)F-P腔腔LD的腔長(zhǎng)的腔長(zhǎng)L，每一個(gè)，每一個(gè) 形成一個(gè)微型諧振腔。由于形成一個(gè)微型諧振腔。由于 的的長(zhǎng)度很小，所以長(zhǎng)度很小，所以m階和（階和（m + 1）階模之間的）階模之間的波長(zhǎng)波長(zhǎng)間隔比間隔比F-P腔大得多腔大得多，加之，加之多個(gè)微型諧振腔的選模多個(gè)微型諧振腔的選模作用作用，很容易設(shè)計(jì)成單縱模（單頻）振蕩，很容易設(shè)計(jì)成單縱模（單頻）振蕩 l布喇格反射可比作布喇格反射可比作多級(jí)調(diào)諧

24、多級(jí)調(diào)諧，使諧振波長(zhǎng)的選擇使諧振波長(zhǎng)的選擇性大大提高，譜線明顯變窄性大大提高，譜線明顯變窄。并且光柵的作用有助。并且光柵的作用有助于使發(fā)射波長(zhǎng)鎖定在諧振波長(zhǎng)上，使波長(zhǎng)的穩(wěn)定性于使發(fā)射波長(zhǎng)鎖定在諧振波長(zhǎng)上，使波長(zhǎng)的穩(wěn)定性改善。改善。 實(shí)現(xiàn)光反饋，提供精細(xì)的頻率選擇實(shí)現(xiàn)光反饋，提供精細(xì)的頻率選擇 量子阱方案的能帶示意圖量子阱方案的能帶示意圖 與與DH LD比較，超晶格結(jié)構(gòu)給量子阱激光器比較，超晶格結(jié)構(gòu)給量子阱激光器 帶帶來(lái)的優(yōu)越特性：來(lái)的優(yōu)越特性：l閾值電流低閾值電流低 阱結(jié)構(gòu)中態(tài)密度阱結(jié)構(gòu)中態(tài)密度“浴盆浴盆”底部平坦，底部平坦，小電流也能獲得大增益，小電流也能獲得大增益，Ith低至亞毫安，易于驅(qū)

25、動(dòng)低至亞毫安，易于驅(qū)動(dòng)或輸出大更大功率或輸出大更大功率l波長(zhǎng)可調(diào)諧波長(zhǎng)可調(diào)諧 導(dǎo)帶和價(jià)帶中的基態(tài)間的能級(jí)差隨勢(shì)導(dǎo)帶和價(jià)帶中的基態(tài)間的能級(jí)差隨勢(shì)阱寬度而變化，調(diào)勢(shì)阱寬度可調(diào)波長(zhǎng)阱寬度而變化，調(diào)勢(shì)阱寬度可調(diào)波長(zhǎng)l線寬窄，頻率啁啾低線寬窄，頻率啁啾低 直接調(diào)制時(shí)，注入電流變化直接調(diào)制時(shí)，注入電流變化 載流子濃度變化，折射率變化，激射譜展寬，啁啾載流子濃度變化，折射率變化，激射譜展寬，啁啾和線寬增強(qiáng)因子相關(guān)，而其和有源區(qū)厚度有關(guān)。一和線寬增強(qiáng)因子相關(guān)，而其和有源區(qū)厚度有關(guān)。一般般FPLD的的60%l調(diào)制速率高調(diào)制速率高 QW結(jié)構(gòu)提高微分增益，提高張弛振結(jié)構(gòu)提高微分增益，提高張弛振蕩頻率，改善頻響特性，

26、適合高速系統(tǒng)蕩頻率，改善頻響特性，適合高速系統(tǒng)l溫度穩(wěn)定性強(qiáng)溫度穩(wěn)定性強(qiáng) 子能帶間存在禁帶，溫度變化不會(huì)子能帶間存在禁帶，溫度變化不會(huì)引起載流子分布的擴(kuò)展引起載流子分布的擴(kuò)展lMQW-DFB MQW-DBR 多量子阱有源層上制作多量子阱有源層上制作光柵，單頻、窄線寬、小啁啾、無(wú)跳模的工作特性光柵，單頻、窄線寬、小啁啾、無(wú)跳模的工作特性VCSEL激光器的結(jié)構(gòu) 前面是邊發(fā)光器件，前面是邊發(fā)光器件，發(fā)射方向平行于發(fā)射方向平行于PN結(jié)的結(jié)平面，結(jié)的結(jié)平面，面積大，不利于二面積大，不利于二維或三維集成。維或三維集成。VCSEL：電流和發(fā)：電流和發(fā)射光束方向都與芯射光束方向都與芯片表面垂直片表面垂直VCS

27、EL的主要優(yōu)點(diǎn)的主要優(yōu)點(diǎn) l激射性能：激射性能：閾值低、發(fā)光效率高、波長(zhǎng)可選閾值低、發(fā)光效率高、波長(zhǎng)可選易于動(dòng)態(tài)單模工作易于動(dòng)態(tài)單模工作 l耦合性能：耦合性能：窄圓柱形高斯光束，和光纖最佳窄圓柱形高斯光束，和光纖最佳耦合耦合l封裝性能：封裝性能：體積小，易于制成陣列體積小，易于制成陣列l(wèi)調(diào)制性能：調(diào)制性能：速度快，到吉比特速度快，到吉比特/秒，溫度穩(wěn)定秒，溫度穩(wěn)定性好性好 l制作性能：制作性能：模塊化強(qiáng)、工藝簡(jiǎn)單，易于集成模塊化強(qiáng)、工藝簡(jiǎn)單，易于集成 發(fā)光二極管發(fā)光二極管是非相干光源是非相干光源，它的發(fā)射過(guò)程，它的發(fā)射過(guò)程主要對(duì)應(yīng)光的主要對(duì)應(yīng)光的自發(fā)輻射自發(fā)輻射過(guò)程。在發(fā)光二極管的結(jié)過(guò)程。在發(fā)

28、光二極管的結(jié)構(gòu)中不存在諧振腔，發(fā)光過(guò)程中構(gòu)中不存在諧振腔，發(fā)光過(guò)程中PN結(jié)也不一定結(jié)也不一定需要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)注入正向電流時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)注入正向電流時(shí)，注入注入的非平衡載流子的非平衡載流子在擴(kuò)散過(guò)程中復(fù)合發(fā)光。在擴(kuò)散過(guò)程中復(fù)合發(fā)光。發(fā) 光 二 極發(fā) 光 二 極管 可 分 為管 可 分 為邊 發(fā) 射 型邊 發(fā) 射 型和 面 發(fā) 射和 面 發(fā) 射型型 面發(fā)光面發(fā)光LED：從平行于結(jié)平面的表面發(fā)光。從平行于結(jié)平面的表面發(fā)光。工藝簡(jiǎn)單、發(fā)散角大、效率低、調(diào)制帶寬較窄工藝簡(jiǎn)單、發(fā)散角大、效率低、調(diào)制帶寬較窄為提高面發(fā)光為提高面發(fā)光LED與光纖的耦合效率：與光纖的耦合效率：在井中放置一個(gè)截

29、球透鏡；在井中放置一個(gè)截球透鏡；或者將光纖末端形成球透鏡?；蛘邔⒐饫w末端形成球透鏡。邊發(fā)光 LED：從結(jié)區(qū)的邊緣發(fā)光發(fā)散角、耦合發(fā)散角、耦合效率和調(diào)制帶發(fā)散角、耦合發(fā)散角、耦合效率和調(diào)制帶效率和調(diào)制帶寬均比面發(fā)光效率和調(diào)制帶寬均比面發(fā)光LED有改善有改善l發(fā)射譜線和發(fā)散角發(fā)射譜線和發(fā)散角 邊邊: =1200， =300,面面: 1200;自發(fā)自發(fā)輻射譜線：導(dǎo)帶和價(jià)帶包含許多能級(jí)，輻射譜線：導(dǎo)帶和價(jià)帶包含許多能級(jí)，GaAlAs的的LED譜寬譜寬30-50 nm, InGaAsPLED 譜寬譜寬60-120 nm，耦合效率低、光纖傳輸色散嚴(yán)重，耦合效率低、光纖傳輸色散嚴(yán)重l響應(yīng)速度響應(yīng)速度 受載流

30、子自發(fā)輻射壽命時(shí)間限制受載流子自發(fā)輻射壽命時(shí)間限制,高摻高摻雜或高注入電流減小自發(fā)輻射壽命時(shí)間。雜或高注入電流減小自發(fā)輻射壽命時(shí)間。LD吉赫吉赫茲、茲、LED數(shù)百兆數(shù)百兆l熱特性熱特性 LED不是閾值器件，不是閾值器件，GaAlAs LED輸出功輸出功率變化率率變化率 小，可不溫控小，可不溫控 l優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 壽命長(zhǎng)，可靠性高，調(diào)制電路簡(jiǎn)單，成本低壽命長(zhǎng)，可靠性高，調(diào)制電路簡(jiǎn)單，成本低半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用 LED通常和通常和多模光纖多模光纖耦合，用于耦合，用于1.3 m(或或0.85 m)波長(zhǎng)的小容量短距離系統(tǒng)。因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)的小容量短距離系統(tǒng)。因?yàn)長(zhǎng)ED發(fā)光面積發(fā)光面積和和

31、光束輻射角光束輻射角較大，而多模較大，而多模SIF光纖或光纖或G.651規(guī)范的規(guī)范的多模多模GIF光纖具有較大的芯徑和數(shù)值孔徑，有利于光纖具有較大的芯徑和數(shù)值孔徑，有利于提高提高耦合效率耦合效率，增加，增加入纖功率入纖功率。 LD通常和通常和G.652或或G.653規(guī)范的規(guī)范的單模光纖單模光纖耦合，耦合，用于用于1.3 m或或1.55 m大容量長(zhǎng)距離系統(tǒng)。大容量長(zhǎng)距離系統(tǒng)。 分布反饋激光器分布反饋激光器(DFB-LD)主要和主要和G.653或或G.654規(guī)范的單模光纖或特殊設(shè)計(jì)的單模光纖耦合，規(guī)范的單模光纖或特殊設(shè)計(jì)的單模光纖耦合，用于超大容量的新型光纖系統(tǒng)。用于超大容量的新型光纖系統(tǒng)。 半導(dǎo)

32、體激光器和發(fā)光二極管的一般性能半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管的一般性能-2050 -2050-2050 -2050工作溫度 /C壽命 t/h30120 30120 2050 2050輻射角50150 301005002000 5001000調(diào)制帶寬 B/MHz0.10.3 0.10.213 13入纖功率 P/mW15 13510 510輸出功率 P/mW100150 100150工作電流 I/mA2030 3060閥值電流 Ith/mA50100 6012012 13譜線寬度1.3 1.551.3 1.55工作波長(zhǎng)LEDLD/nm/)/(761010651010810710 / m分布反饋激光器一般

33、性能分布反饋激光器一般性能 /nm 2040 1530輸出功率 P/mW (連續(xù)單縱模,25C) 20 15外量子效率 /% 1520 2030閥值電流 Ith/mA0.08頻譜漂移 /(nm/C)3035邊模抑制比 /dB0.040.5(Gb/s,RZ)直接調(diào)制單縱模連續(xù)波單縱模譜線寬度 1.3 1.55工作波長(zhǎng)m/d341010/m1光與物質(zhì)間的作用有哪三種基本過(guò)程？它們各自的光與物質(zhì)間的作用有哪三種基本過(guò)程？它們各自的特點(diǎn)是什么？特點(diǎn)是什么？2什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布？什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布？3構(gòu)成激光器必須具備哪些功能部件？構(gòu)成激光器必須具備哪些功能部件？4什么是激光器的閾值條件？什么是激光

34、器的閾值條件？5異質(zhì)結(jié)激光器是怎樣降低閥值電流的？異質(zhì)結(jié)激光器是怎樣降低閥值電流的？6半導(dǎo)體激光器發(fā)射光子的能量近似等于材料的禁帶半導(dǎo)體激光器發(fā)射光子的能量近似等于材料的禁帶寬度，已知寬度，已知GaAs材料的材料的Eg=1.43 eV,某一某一InGaAsP材料材料的的Eg=0.96 eV，求它們的發(fā)射波長(zhǎng)。（，求它們的發(fā)射波長(zhǎng)。（eV是能量單位，是能量單位，表示一個(gè)電子在表示一個(gè)電子在1伏特電壓差下所具有的能量）伏特電壓差下所具有的能量） 光纖通信中對(duì)光電檢測(cè)器最重要的幾點(diǎn)要求如光纖通信中對(duì)光電檢測(cè)器最重要的幾點(diǎn)要求如下：下：l l 在所用光源的波長(zhǎng)范圍內(nèi)有較高的響應(yīng)度；在所用光源的波長(zhǎng)范圍

35、內(nèi)有較高的響應(yīng)度；l l 較小的噪聲；較小的噪聲；l l 響應(yīng)速度快；響應(yīng)速度快；l l 對(duì)溫度變化不敏感；對(duì)溫度變化不敏感；l l 與光纖尺寸匹配；與光纖尺寸匹配；l l 工作壽命長(zhǎng)工作壽命長(zhǎng) l光電檢測(cè)的原理光電檢測(cè)的原理lPIN光電二極管：原理、結(jié)構(gòu)和工作特性光電二極管：原理、結(jié)構(gòu)和工作特性l雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（APD）：原理、結(jié)構(gòu)）：原理、結(jié)構(gòu)l光電檢測(cè)器的噪聲光電檢測(cè)器的噪聲 在 光 的 照 射在 光 的 照 射下，材料的電學(xué)性下，材料的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做叫做光電效應(yīng)光電效應(yīng)。半。半導(dǎo)體材料零偏導(dǎo)體材料零偏PN結(jié)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)結(jié)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象

36、稱(chēng)為的現(xiàn)象稱(chēng)為光伏效光伏效應(yīng)應(yīng)。受激吸收受激吸收光電檢測(cè)的原理光電檢測(cè)的原理無(wú)光照時(shí)，同一無(wú)光照時(shí)，同一般的二極管；般的二極管；光照射時(shí)，零偏光照射時(shí)，零偏或反偏時(shí)，內(nèi)建或反偏時(shí)，內(nèi)建場(chǎng)作用下少子的場(chǎng)作用下少子的漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生光漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生光電流，光電流方電流，光電流方向在向在p-n結(jié)內(nèi)由結(jié)內(nèi)由p區(qū)指向區(qū)指向n區(qū)，為區(qū)，為反向電流，因此反向電流，因此曲線向下平移。曲線向下平移。V(V)I(A)VocIsc反向偏壓反向偏壓Vb反向電流反向電流E E增增大大Ip=SEEE=0E1E2光伏效應(yīng)器件伏安特性光伏效應(yīng)器件伏安特性曲線曲線光伏效應(yīng)加反向偏壓后光電二極管及其能帶結(jié)構(gòu)加反向偏壓后光電二極管及其能

37、帶結(jié)構(gòu) PIN光電二極管的原理和結(jié)構(gòu)光電二極管的原理和結(jié)構(gòu) （1）上截止波長(zhǎng)）上截止波長(zhǎng) 光電效應(yīng)必須滿足條件光電效應(yīng)必須滿足條件 hvEg 或或 c是真空中的光速，是真空中的光速， 是入射光的波長(zhǎng)，是入射光的波長(zhǎng)，h是普朗克常量是普朗克常量 入射光的波長(zhǎng)必須小于某個(gè)臨界值，才會(huì)發(fā)生光電效入射光的波長(zhǎng)必須小于某個(gè)臨界值，才會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)，這個(gè)臨界值就叫做應(yīng)，這個(gè)臨界值就叫做上截止波長(zhǎng)上截止波長(zhǎng)，定義為，定義為ghcEgg1 .2 4ch cEE（2）響應(yīng)波長(zhǎng)的下限）響應(yīng)波長(zhǎng)的下限 設(shè)設(shè)x = 0時(shí)，光功率為時(shí)，光功率為p(0)，材料吸收系數(shù)為，材料吸收系數(shù)為 ( )經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò) x 距離后吸收的光

38、功率可以表示為距離后吸收的光功率可以表示為 下降，材料表面層的吸收嚴(yán)重，電子下降，材料表面層的吸收嚴(yán)重，電子-孔穴對(duì)在中孔穴對(duì)在中性區(qū)被復(fù)合。性區(qū)被復(fù)合。 0e xp xp1 常用常用量子效率量子效率和和響應(yīng)度響應(yīng)度衡量衡量光電轉(zhuǎn)換效率光電轉(zhuǎn)換效率當(dāng)入射功率為當(dāng)入射功率為P0時(shí)，時(shí)，光生電流光生電流可以表示為可以表示為r是入射表面的反射率，是入射表面的反射率，w1是零電場(chǎng)的表面層的厚度，是零電場(chǎng)的表面層的厚度，w是耗盡區(qū)的厚度是耗盡區(qū)的厚度量子效率量子效率表示入射光子能夠轉(zhuǎn)換成光電流的概率表示入射光子能夠轉(zhuǎn)換成光電流的概率 0011exp1 exp peIr pwwh0101exp1-expp

39、I / e=-r-w-wp / h 要要提高量子效率提高量子效率，必須采取如下措施：，必須采取如下措施： 盡量減小光子在表面層的反射率，增加入射到盡量減小光子在表面層的反射率，增加入射到光電二極管中的光子數(shù)；光電二極管中的光子數(shù)； 盡量減小中性區(qū)的厚度，增加耗盡區(qū)的寬度，盡量減小中性區(qū)的厚度，增加耗盡區(qū)的寬度，使光子在耗盡區(qū)被充分地吸收使光子在耗盡區(qū)被充分地吸收 光電轉(zhuǎn)換效率也可以直接用光生電流光電轉(zhuǎn)換效率也可以直接用光生電流Ip和入射和入射光功率光功率p0的比值來(lái)表示的比值來(lái)表示,稱(chēng)其為稱(chēng)其為響應(yīng)度響應(yīng)度 00pIeRph 響應(yīng)速度常用響應(yīng)時(shí)間（上升時(shí)間和下降時(shí)響應(yīng)速度常用響應(yīng)時(shí)間（上升時(shí)間和下降時(shí)間）（間）（1090）來(lái)表示。）來(lái)表示。 影響響應(yīng)速度的主要因素有影響響應(yīng)速度的主要因素有