《通信用光器件》教學(xué)課件

《通信用光器件》幻燈片本課件PPT僅供大家學(xué)習(xí)使用學(xué)習(xí)完請(qǐng)自行刪除，謝謝！本課件PPT僅供大家學(xué)習(xí)使用學(xué)習(xí)完請(qǐng)自行刪除，謝謝！本課件PPT僅供大家學(xué)習(xí)使用學(xué)習(xí)完請(qǐng)自行刪除，謝謝！本課件PPT僅供大家學(xué)習(xí)使用學(xué)習(xí)完請(qǐng)自行刪除，謝謝！《通信用光器件》幻燈片本課件PPT僅供大家學(xué)習(xí)使用1、有源器件有源器件包括光源、光檢測(cè)器和光放大器，這些器件是光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)和光中繼器的關(guān)鍵器件，和光纖一起決定著根本光纖傳輸系統(tǒng)的水平。1、有源器件2、光無(wú)源器件

光無(wú)源器件主要有連接器、耦合器、光合波器和光分波器、光濾波器和隔離器等。這些器件對(duì)光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴(kuò)展和性能的提高都是不可缺少的。2、光無(wú)源器件

光無(wú)源器件主要有連接器、耦合本章重點(diǎn)要求：

1、了解光源和光檢測(cè)器的概念及其在光纖通信系統(tǒng)中作用；

2、理解激光器的發(fā)光機(jī)理；

3、掌握發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器、光電二極管、雪崩光電二極管等的工作原理及其主要特性。本章重點(diǎn)要求：3.1光源

光源是光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵器件，其功能是把電信號(hào)電流轉(zhuǎn)換為光信號(hào)功率,即實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換。

目前光纖通信廣泛使用的光源主要有半導(dǎo)體激光二極管或稱(chēng)激光器(LD)和發(fā)光二極管或稱(chēng)發(fā)光管(LED)。3.1光源對(duì)光源性能的根本要求1光源發(fā)光波長(zhǎng)必須與光纖低損耗窗口相符石英光纖的損耗特性有三個(gè)低損耗窗口，其中心波長(zhǎng)分別為850nm、1310nm和1550nm。因此，光源的發(fā)光波長(zhǎng)應(yīng)與三個(gè)低損耗窗口相符。對(duì)光源性能的根本要求《通信用光器件》教學(xué)課件2足夠的光輸出功率在室溫下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的光源，必須按光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，能提供足夠的光輸出功率。目前激光二極管能提供500微瓦到10毫瓦的輸出光功率；發(fā)光二極管可提供10微瓦到1毫瓦的輸出光功率。2足夠的光輸出功率3可靠性高、壽命長(zhǎng)現(xiàn)在的激光二極管可靠性比較高，壽命長(zhǎng)。激光二極管壽命105小時(shí)，發(fā)光二極管壽命107小時(shí)。3可靠性高、壽命長(zhǎng)4溫度穩(wěn)定性好

器件應(yīng)能在常溫下以連續(xù)波方式工作，要求溫度穩(wěn)定性好。5調(diào)制特性好允許的調(diào)制速率要高或響應(yīng)速度要快，以滿足系統(tǒng)的大傳輸容量的要求。4溫度穩(wěn)定性好6光譜寬度要窄

光譜單色性要好，即譜線寬度要窄，以減小光纖色散對(duì)帶寬的限制。

LD線寬<2nm；LED線寬在100nm左右。6光譜寬度要窄7與光纖之間的耦合效率高光源發(fā)出的光最終要耦合進(jìn)光纖才能進(jìn)展傳輸，因此希望光源與光纖之間有較高的耦合效率，使入纖功率大，中繼間距加大。目前一般激光的耦合效率為20%~30%較高水平的耦合效率可超過(guò)50%7與光纖之間的耦合效率高8體積小，重量輕要求器件體積小，重量輕，安裝使用方便，價(jià)格廉價(jià)。激光器的工作物質(zhì)可以是氣體、液體、固體。也可以是半導(dǎo)體。由于半導(dǎo)體激光器調(diào)制方便、體積小、便于與光纖耦合，是光纖通信最為適宜的光源。8體積小，重量輕3.1.1半導(dǎo)體激光器工作原理和根本構(gòu)造一、受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布〔一〕根本概念〔1〕半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反響，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。3.1.1半導(dǎo)體激光器工作原理和根本構(gòu)造〔2〕激光激光，其英文LASER就是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(受激輻射的光放大)的縮寫(xiě)。所以討論激光器工作原理要從受激輻射開(kāi)場(chǎng)?！?〕激光〔二〕光和物質(zhì)相互作用有源器件的物理根底是光和物質(zhì)相互作用的效應(yīng)。在物質(zhì)的原子中，存在許多能級(jí)，最低能級(jí)E1稱(chēng)為基態(tài)，能量比基態(tài)大的能級(jí)Ei(i=2,3,4…)稱(chēng)為激發(fā)態(tài)。電子在低能級(jí)E1的基態(tài)和高能級(jí)E2的激發(fā)態(tài)之間的躍遷有三種根本方式。〔二〕光和物質(zhì)相互作用有源器件的物理根底是1917年愛(ài)因斯坦根據(jù)輻射與原子相互作的量子理論提出，光與物質(zhì)的相互作用時(shí)，將發(fā)生:(1)受激吸收(2)自發(fā)輻射(3)受激輻射三種根本物理過(guò)程。1917年愛(ài)因斯坦根據(jù)輻射與原子相(1)受激吸收

在正常狀態(tài)下，電子處于低能級(jí)E1，在入射光作用下，它會(huì)吸收光子的能量躍遷到高能級(jí)E2上，這種躍遷稱(chēng)為受激吸收。受激吸收將使外界光能減少。(1)受激吸收

(2)自發(fā)輻射在高能級(jí)E2的電子是不穩(wěn)定的，即使沒(méi)有外界的作用，也會(huì)自動(dòng)地躍遷到低能級(jí)E1上，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去，這種躍遷稱(chēng)為自發(fā)輻射。(2)自發(fā)輻射(3)受激輻射在高能級(jí)E2的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級(jí)E1上，釋放的能量產(chǎn)生光輻射，這個(gè)過(guò)程是在外界條件刺激下產(chǎn)生的，因而稱(chēng)為受激輻射。受激輻射產(chǎn)生的光子與入射光子疊加，使光得到放大，因而受激輻射是產(chǎn)生激光的最重要的過(guò)程。(3)受激輻射

受激輻射是受激吸收的逆過(guò)程。電子在E1和E2兩個(gè)能級(jí)之間躍遷，吸收的光子能量或輻射的光子能量都要滿足波爾條件，即式中，h=6.628×10-34J·s，為普朗克常數(shù)，

f12為吸收或輻射的光子頻率。受激輻射是受激吸收的逆過(guò)程。電子在E〔三〕相干光和非相干光〔1〕相干光受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的光的特點(diǎn)很不一樣。受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光一樣，這種光稱(chēng)為相干光?！踩诚喔晒夂头窍喔晒狻?〕非相干光自發(fā)輻射的光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產(chǎn)生的，其頻率和方向分布在一定范圍內(nèi)，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱(chēng)為非相干光?！?〕非相干光〔四〕粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布產(chǎn)生受激輻射和產(chǎn)生受激吸收的物質(zhì)是不同的。設(shè)在單位物質(zhì)中，處于低能級(jí)E1和處于高能級(jí)E2(E2>E1)的粒子數(shù)分別為N1和N2。〔四〕粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布在熱平衡條件下，各能級(jí)上的粒子數(shù)分布滿足玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布。式中，k=1.381×10-23J/K，為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在這種狀態(tài)下，總是N1>N2。在熱平衡條件下，各能級(jí)上的粒子數(shù)分布滿足玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)〔1〕吸收物質(zhì)我們把這種N1>N2分布稱(chēng)為粒子數(shù)正常分布,如圖。在熱平衡狀態(tài)下，N1>N2，受激吸收大于受激輻射。當(dāng)光通過(guò)這種物質(zhì)時(shí)，光波總是被吸收，光強(qiáng)按指數(shù)衰減，這種物質(zhì)稱(chēng)為吸收物質(zhì)?！?〕吸收物質(zhì)〔2〕粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布如果N2>N1，即受激輻射大于受激吸收，當(dāng)光通過(guò)這種物質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱(chēng)為激活物質(zhì)。N2>N1的分布，和正常狀態(tài)(N1>N2)的分布相反，所以稱(chēng)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。〔2〕粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布問(wèn)題是:如何實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)呢?問(wèn)題是:〔1〕要在能級(jí)間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，物質(zhì)系統(tǒng)中必須存在3個(gè)能級(jí)或3個(gè)以上的能級(jí)。理論證明，在二能級(jí)的物質(zhì)系統(tǒng)中，能級(jí)間不可能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)。〔2〕在半導(dǎo)體光源器件中，通常是利用外加適當(dāng)?shù)恼螂妷簛?lái)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)的?！?〕要在能級(jí)間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，物質(zhì)系統(tǒng)中必二、PN結(jié)的能帶和電子分布〔一〕能帶概念半導(dǎo)體是由大量原子周期性有序排列構(gòu)成的共價(jià)晶體。在這種晶體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態(tài)擴(kuò)展成能級(jí)連續(xù)分布的能帶。二、PN結(jié)的能帶和電子分布內(nèi)層電子態(tài)之間的交疊小，原子間的影響弱，分成的能帶比較窄；外層電子態(tài)之間的交疊大，原子間的影響強(qiáng)，分成的能帶比較寬。電子填充能帶時(shí)，將從最低能帶開(kāi)場(chǎng)向上依次填充各個(gè)能帶的能級(jí)。內(nèi)層電子態(tài)之間的交疊小，原子間的影響弱，分成的能帶比〔1〕價(jià)帶原子最外層的價(jià)電子所占據(jù)的能帶稱(chēng)為價(jià)帶。〔價(jià)帶中的電子不能導(dǎo)電，價(jià)帶中只有空穴才能導(dǎo)電〕；〔2〕導(dǎo)帶價(jià)帶上面鄰近的空帶，即自由電子占據(jù)的能帶稱(chēng)為導(dǎo)帶。原子的電子與空穴的復(fù)合發(fā)光過(guò)程，主要發(fā)生在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間?！?〕價(jià)帶〔3〕滿帶除了最外層外，內(nèi)層所有能帶都被電子填滿，故稱(chēng)為滿帶。〔4〕禁帶導(dǎo)帶底的能量和價(jià)帶頂?shù)哪芰恐g的能量差稱(chēng)為禁帶寬度或帶隙。電子不可能占據(jù)禁帶?！?〕滿帶〔二〕電子分布根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論，在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級(jí)被電子占據(jù)的概率為費(fèi)米分布：

式中，k為波茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。Ef稱(chēng)為費(fèi)米能級(jí)，它是半導(dǎo)體的一個(gè)參數(shù)?！捕畴娮臃植际街校琸

當(dāng)能級(jí)E<Ef

，p(E)>0.5時(shí)，說(shuō)明這種能級(jí)被電子占據(jù)的概率大于50%；當(dāng)能級(jí)E>Ef，p(E)<0.5時(shí)，說(shuō)明這種能級(jí)被電子占據(jù)的概率小于50%。也就是說(shuō)，低于費(fèi)米能級(jí)Ef的能級(jí)被電子占據(jù)的概率大，高于費(fèi)米能級(jí)Ef的能級(jí)被電子占據(jù)的概率小。

〔三〕P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的能帶〔1〕接觸前P型、N型半導(dǎo)體的能帶圖主要由空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱(chēng)為P型半導(dǎo)體。當(dāng)重?fù)诫s時(shí)，費(fèi)米能級(jí)會(huì)進(jìn)入價(jià)帶，稱(chēng)為簡(jiǎn)并型P型半導(dǎo)體；主要由電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱(chēng)為N型半導(dǎo)體。當(dāng)重?fù)诫s時(shí)，費(fèi)米能級(jí)會(huì)進(jìn)入導(dǎo)帶，稱(chēng)為簡(jiǎn)并型N型半導(dǎo)體。〔三〕P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的能帶〔1接觸前PN半導(dǎo)體的能帶圖接觸前PN半導(dǎo)體的能帶圖〔2〕接觸后P型、N型半導(dǎo)體的能帶圖當(dāng)P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體結(jié)合時(shí)形成PN結(jié)后，由于載流子向?qū)Ψ交ハ鄶U(kuò)散的結(jié)果，使N區(qū)的費(fèi)米能級(jí)降低，P區(qū)的費(fèi)米能級(jí)升高，到達(dá)熱平衡時(shí)，形成了統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。因此在熱平衡狀態(tài)下，高能級(jí)上電子數(shù)少，低能級(jí)上電子數(shù)多，未能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。〔2〕接觸后P型、N型半導(dǎo)體的能帶圖接觸后PN半導(dǎo)體的能帶圖接觸后PN半導(dǎo)體的能帶圖〔3〕外加正向偏壓下PN結(jié)半導(dǎo)體的能帶圖當(dāng)PN結(jié)加上正向偏壓時(shí)，破壞了熱平衡時(shí)統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，在P區(qū)和N區(qū)各自形成了準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)。這時(shí)，導(dǎo)帶中費(fèi)米能級(jí)以下充滿了電子，價(jià)帶中費(fèi)米能級(jí)以上沒(méi)有電子，因此，形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，成為激活區(qū)，稱(chēng)為半導(dǎo)體激光器的有源區(qū)?！?〕外加正向偏壓下PN結(jié)半導(dǎo)體的能帶圖《通信用光器件》教學(xué)課件外加正向偏壓將N區(qū)的電子、P區(qū)的空穴注入到PN結(jié)，實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即使之成為激活物質(zhì)〔PN結(jié)為激活區(qū)〕。在激活區(qū)，電子空穴對(duì)復(fù)合發(fā)射出光。外加正向偏壓將N區(qū)的電子、P區(qū)的空在激活區(qū)，電子空穴對(duì)復(fù)合發(fā)射出光在激活區(qū)，電子空穴對(duì)復(fù)合發(fā)射出光三、激光振蕩和光學(xué)諧振腔粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生受激輻射的必要條件，但還不能產(chǎn)生激光。只有把激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，對(duì)光的頻率和方向進(jìn)展選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。三、激光振蕩和光學(xué)諧振腔1、法布里-珀羅(F-P)諧振腔激光器是由反射率為100%〔R=1〕的全反射鏡與反射率為90%~95%〔R<1〕的局部反射鏡平行放置在工作物質(zhì)兩端以構(gòu)成光學(xué)諧振腔。并被稱(chēng)為法布里-珀羅(FabryPerot，F(xiàn)-P)諧振腔。1、法布里-珀羅(F-P)諧振腔法布里-珀羅(F-P)諧振腔法布里-珀羅(F-P)諧振腔由于諧振腔內(nèi)的激活物質(zhì)具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，可以用它產(chǎn)生的自發(fā)輻射光作為入射光。入射光經(jīng)反射鏡反射，沿軸線方向傳播的光被放大，在諧振腔中沿非軸線方向的光子很快逸出了腔外，而沿軸線方向的光子往復(fù)傳輸，不斷被放大，且方向性、增益不斷改善，最后從反射鏡輸出，即為激光。由于諧振腔內(nèi)的激活物質(zhì)具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，可2、閾值條件及相位條件

要產(chǎn)生激光振蕩還必須滿足閾值條件及相位條件。

2、閾值條件及相位條件〔1〕、閾值條件由于諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)存在吸收，反射鏡存在透射和散射，因此光受到一定損耗。當(dāng)增益和損耗相當(dāng)時(shí)，在諧振腔內(nèi)開(kāi)場(chǎng)建立穩(wěn)定的激光振蕩，光波在諧振腔內(nèi)往返一次應(yīng)保持不變，即〔1〕、閾值條件式中，γth為閾值增益系數(shù)，α為諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù)，L為諧振腔的長(zhǎng)度，R1，R2<1為兩個(gè)反射鏡的反射率。激光振蕩需要滿足的閾值條件為

式中，γth為閾值增益系數(shù)，α為諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù)，例：對(duì)于GaAs材料的半導(dǎo)體激光器，其非涂覆解里面上R1=R2=0.32(也就是32%的輻射光在端面上被反射)，激活物質(zhì)的損耗系數(shù)α=1mm-1，諧振腔長(zhǎng)L=500μm，求閾值增益系數(shù)γth。例：對(duì)于GaAs材料的半導(dǎo)體激光器，其非涂覆解里面上R1=R由閾值條件得閾值增益系數(shù)為

由閾值條件得閾值增益系數(shù)為〔2〕相位條件激光振蕩需要滿足的相位條件為可以寫(xiě)成

或式中，λ為激光波長(zhǎng)，n為激活物質(zhì)的折射率，q=1,2,3…稱(chēng)為縱模模數(shù)?！?〕相位條件可以寫(xiě)成或式中，λ為激光波長(zhǎng)，n為激活物質(zhì)的《通信用光器件》教學(xué)課件縱模

相位條件是：諧振腔的長(zhǎng)度應(yīng)為半波長(zhǎng)的整數(shù)倍。對(duì)于給定的激光器，滿足相位條件的波長(zhǎng)稱(chēng)為激光模式，有一個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)一個(gè)模式，它與前面討論的光纖中的模是不一樣的，前者為波導(dǎo)模式，后者嚴(yán)格地說(shuō)是空間模式，為了區(qū)別開(kāi)，可以稱(chēng)為縱模。縱模相位條件是：諧振腔的長(zhǎng)度應(yīng)四、

PN結(jié)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的原理

四、PN結(jié)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的原理PN結(jié)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的原理

PN結(jié)半導(dǎo)體激光器是用PN結(jié)作激活區(qū)，用半導(dǎo)體天然解里面作為反射鏡組成光子諧振腔，外加正向偏壓作為泵浦源。PN結(jié)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的原理外加正向偏壓將N區(qū)的電子、P區(qū)的空穴注入到PN結(jié)，實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即使之成為激活物質(zhì)〔PN結(jié)為激活區(qū)〕。在激活區(qū)，電子空穴對(duì)復(fù)合發(fā)射出光。外加正向偏壓將N區(qū)的電子、P區(qū)的空穴注入到P

初始的光場(chǎng)來(lái)源于導(dǎo)帶和價(jià)帶的自發(fā)輻射，方向雜亂無(wú)章，其中偏離軸向的光子很快逸出腔外，沿軸向運(yùn)動(dòng)的光子就成為受激輻射的外界因素，使之產(chǎn)生受激輻射而發(fā)射全同光子。

初始的光場(chǎng)來(lái)源于導(dǎo)帶和價(jià)帶的自發(fā)輻射，方向雜這些光子通過(guò)反射鏡往返反射不斷通過(guò)激活物質(zhì)，使受激輻射過(guò)程如雪崩般地加劇，從而使光得到放大。在反射系數(shù)小于1的反射鏡中輸出，這就是經(jīng)受激輻射放大的光。即PN結(jié)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光輸出的工作原理。這些光子通過(guò)反射鏡往返反射不斷通過(guò)激活物質(zhì)，五、異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器PN結(jié)是由同一種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的，P區(qū)、N區(qū)具有一樣的帶隙、接近一樣的折射率〔摻雜后折射率稍有變化，但很小〕，這種PN結(jié)稱(chēng)為同質(zhì)結(jié)。五、異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器同質(zhì)結(jié)導(dǎo)波作用很弱，光波在PN結(jié)兩側(cè)滲透較深，從而致使損耗增大，發(fā)光區(qū)域較寬。因此，同質(zhì)構(gòu)造成的光源有很大的缺點(diǎn)：發(fā)光不集中，強(qiáng)度低，需要較大的注入電流。器件工作時(shí)發(fā)熱非常嚴(yán)重，必須在低溫環(huán)境下工作，不可能在室溫下連續(xù)工作。同質(zhì)結(jié)導(dǎo)波作用很弱，光波在PN結(jié)兩側(cè)滲透較深為了抑制同質(zhì)結(jié)的缺點(diǎn)，需要加強(qiáng)結(jié)區(qū)的光波導(dǎo)作用及對(duì)載流子的限定作用，這時(shí)可以采用異質(zhì)結(jié)構(gòu)造。所謂異質(zhì)結(jié)，就是由帶隙及折射率都不同的兩種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的PN結(jié)。為了抑制同質(zhì)結(jié)的缺點(diǎn)，需要加強(qiáng)結(jié)區(qū)的光波導(dǎo)作異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器與同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器不同。它是利用不同折射率的材料來(lái)對(duì)光波進(jìn)展限制，利用不同帶隙的材料對(duì)載流子進(jìn)展限制。異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器與同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器不同。它是圖給出了雙異質(zhì)結(jié)〔DH〕半導(dǎo)體激光器加正向偏壓時(shí)，能帶的分布。如圖。圖給出了雙異質(zhì)結(jié)〔DH〕半導(dǎo)體激光器加正向偏壓時(shí)，這樣，注入到有源層的電子和空穴被限制在厚0.1~0.3μm的有源層內(nèi)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，這時(shí)只要很小的外加電流，就可以使電子和空穴濃度增大而提高效益。這樣，注入到有源層的電子和空穴被限制在厚0.另一方面，有源層的折射率比限制層高，產(chǎn)生的激光被限制在有源區(qū)內(nèi)，因而電/光轉(zhuǎn)換效率很高，輸出激光的閾值電流很低，很小的散熱體就可以在室溫連續(xù)工作。另一方面，有源層的折射率比限制層高，產(chǎn)生的激3.1.2半導(dǎo)體激光器的主要特性一、發(fā)射波長(zhǎng)和光譜特性半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)取決于導(dǎo)帶的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)所釋放的能量，這個(gè)能量近似等于禁帶寬度Eg(eV)，即3.1.2半導(dǎo)體激光器的主要特性將

f=c/λ，f和λ分別為發(fā)射光的頻率和波長(zhǎng)，

c=3×108m/s為光速，

h=6.628×10-34J·S為普朗克常數(shù)，

1eV=1.6×10-19J。代入上式得到:將f=c/λ，得發(fā)射波長(zhǎng)為：

不同半導(dǎo)體材料有不同的禁帶寬度Eg，因而有不同的發(fā)射波長(zhǎng)。得發(fā)射波長(zhǎng)為：不同半導(dǎo)體材料有不同的禁帶寬度Eg，因而有不鎵鋁砷-鎵砷(GaAlAs-GaAs)材料禁帶寬度Eg=1.47eV，其發(fā)射波長(zhǎng)為：適用于0.85μm波段。0.85μm鎵鋁砷-鎵砷(GaAlAs-GaAs)材銦鎵砷磷-銦磷(InGaAsP-InP)材料禁帶寬度Eg=0.80~0.96eV。適用于1.3~1.55μm波段。銦鎵砷磷-銦磷(InGaAsP-InP)材料禁帶寬度Eg二、光譜特性因?yàn)閷?dǎo)帶和價(jià)帶都是由許多連續(xù)能級(jí)組成的有一定寬度的能帶，兩個(gè)能帶中不同能級(jí)之間電子的躍遷會(huì)產(chǎn)生連續(xù)波長(zhǎng)的輻射光，所以激光器發(fā)射光譜就有一定的譜線寬度。如圖。

二、光譜特性《通信用光器件》教學(xué)課件光源的譜線寬度是衡量光源單色性好壞的一個(gè)物理量。激光器發(fā)射光譜的寬度取決于激發(fā)的縱模數(shù)目，對(duì)于存在假設(shè)干個(gè)縱模的光譜性刻畫(huà)出包絡(luò)線。把光強(qiáng)下降一半時(shí)的兩點(diǎn)間波長(zhǎng)范圍定義為輸出譜線寬度〔半功率點(diǎn)全寬FWHP〕，用表示。光源的譜線寬度是衡量光源單色性好壞的一個(gè)物理《通信用光器件》教學(xué)課件半導(dǎo)體光源的典型性

器件LDLEDDFB工作波長(zhǎng)1.31μm1.55μm1.31μm1.55μm1.31μm1.55μm譜線寬度1~2nm1~3nm50~100nm60~120nm0.1nm左右半導(dǎo)體光源的典型性器件LDLEDDFB工作波長(zhǎng)1.31μ

1、靜態(tài)單縱模激光器隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加，縱模模數(shù)逐漸減少，譜線寬度變窄。這種變化是由于諧振腔對(duì)光波頻率和方向的選擇，使邊模消失、主模增益增加而產(chǎn)生的。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流足夠大時(shí)，多縱模變?yōu)閱慰v模，這種激光器稱(chēng)為靜態(tài)單縱模激光器。1、靜態(tài)單縱模激光器《通信用光器件》教學(xué)課件2、動(dòng)態(tài)單縱模激光器由圖可見(jiàn)，在高速數(shù)字調(diào)制下，隨著調(diào)制電流增大，縱模模數(shù)增多，譜線寬度變寬。用F-P諧振腔可以得到的是直流驅(qū)動(dòng)的靜態(tài)單縱模激光器，但要得到高速數(shù)字調(diào)制的動(dòng)態(tài)單縱模激光器，必須改變激光器的構(gòu)造，例如采用分布反響激光器就可到達(dá)目的。2、動(dòng)態(tài)單縱模激光器三、轉(zhuǎn)換效率和輸出光功率特性

1、轉(zhuǎn)換效率激光器的電/光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率ηd[eta

]表示，其定義是在閾值電流以上，激光器輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量之比，表達(dá)式為三、轉(zhuǎn)換效率和輸出光功率特性

2、輸出光功率特性

由上式此得到激光器的光功率P

為

式中，P和I分別為激光器的輸出光功率和驅(qū)動(dòng)電流，Pth和I

th分別為相應(yīng)的閾值，hf和e分別為光子能量和電子電荷。2、輸出光功率特性式中，P和I分別為激光器的輸出光《通信用光器件》教學(xué)課件激光器的光功率特性通常用P~I曲線表示，圖是典型激光器的光功率特性曲線。當(dāng)I<Ith時(shí),激光器發(fā)出的是自發(fā)輻射光；當(dāng)I>Ith時(shí)，激光器發(fā)出的是受激輻射光，光功率隨驅(qū)動(dòng)電流的增加而增加。激光器的光功率特性通常用P~I曲線表示，四、頻率特性在直接光強(qiáng)調(diào)制下，激光器輸出光功率P和調(diào)制頻率f的關(guān)系為四、頻率特性式中，和[ksi]分別稱(chēng)為弛豫頻率和阻尼因子。激光器調(diào)制頻率特性在處有諧振峰，調(diào)制頻率大于時(shí)，輸出光功率急劇下降。所以，可以把弛豫頻率作為調(diào)制速率的上限。式中，和[ksi]分別稱(chēng)為弛豫頻率和阻尼因子。激《通信用光器件》教學(xué)課件圖為半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性。弛豫頻率

fT是調(diào)制頻率的上限，一般激光器的fT為1~2GHz。在接近fT處，數(shù)字調(diào)制要產(chǎn)生弛豫振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)生非線性失真。圖為半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性。弛豫頻率五、溫度特性

激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個(gè)原因：一是激光器的閾值電流Ith隨溫度升高而增大，二是外微分量子效率ηd隨溫度升高而減小。五、溫度特性溫度升高時(shí)，Ith增大，ηd減小，輸出光功率明顯下降，到達(dá)一定溫度時(shí)，激光器就不激射了當(dāng)以直流電流驅(qū)動(dòng)激光器時(shí)，閾值電流隨溫度的變化更加嚴(yán)重。當(dāng)對(duì)激光器進(jìn)展脈沖調(diào)制時(shí)，閾值電流隨溫度呈指數(shù)變化，在一定溫度范圍內(nèi)，可以表示為溫度升高時(shí)，Ith增大，ηd減小，輸出光功率明顯下降，到式中，I0為常數(shù)，T為結(jié)區(qū)的熱力學(xué)溫度，T0為激光器材料的特征溫度。P-I曲線隨溫度的變化如下圖。式中，I0為常數(shù)，T為結(jié)區(qū)的熱力學(xué)溫度，T0為激光器材料的特《通信用光器件》教學(xué)課件光源是光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵器件，其功能是把電信號(hào)電流轉(zhuǎn)換為光信號(hào)功率,即實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換。

光源是光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵器件，其功能是把電信號(hào)電流轉(zhuǎn)換為3.1.3分布反響激光器如果激光器同時(shí)有多個(gè)模式振蕩,就稱(chēng)為多模激光器。前面討論的F-P腔激光器就是多模激光器。半導(dǎo)體激光器的光譜特性主要由其縱模決定。3.1.3分布反響激光器《通信用光器件》教學(xué)課件：為單模光纖色散系數(shù)。：為光源的譜線寬寬。

單模光纖的色散為：：為單模光纖色散系數(shù)。單模光纖的色散為：由于光纖中存在色散，譜寬很寬對(duì)高速光通信系統(tǒng)是很不利的，因此光源的譜寬應(yīng)盡可能地窄，即希望激光器僅僅工作在單縱模狀態(tài)，這樣的激光器稱(chēng)為單縱模激光器。由于光纖中存在色散，譜寬很寬對(duì)高速光通信系統(tǒng)要求新型半導(dǎo)體激光器的譜線寬度更窄，并在高速率脈沖調(diào)制下保持動(dòng)態(tài)單縱模特性；發(fā)射光波長(zhǎng)更加穩(wěn)定，并能實(shí)現(xiàn)調(diào)諧；閾值電流更低，而輸出光功率更大。要求新型半導(dǎo)體激光器的譜線寬度更窄，并在高速具有這些特性的動(dòng)態(tài)單縱模激光器有多種類(lèi)型，其中性能優(yōu)良并得到廣泛應(yīng)用的是分布反響(DistributedFeedBack,DFB)激光器。具有這些特性的動(dòng)態(tài)單縱模激光器有多種類(lèi)型，其1、構(gòu)造特點(diǎn)DFB激光器構(gòu)造上的特點(diǎn)是：激光器不是由反射鏡面來(lái)提供，而是由折射率周期性變化的波紋構(gòu)造〔波紋光柵〕來(lái)提供，即在有源層的一側(cè)制作波紋光柵。1、構(gòu)造特點(diǎn)《通信用光器件》教學(xué)課件2、工作原理DFB激光器的根本工作原理，可以用布喇格反射來(lái)說(shuō)明。波紋光柵是由于材料折射率周期性變化而形成，它為受激輻射產(chǎn)生的光子提供周期性的反射點(diǎn)，在一定的條件下，所有的反射光同相疊加，形成某方向光的主極強(qiáng)。2、工作原理布喇格反射原理布喇格反射原理分布反響(DFB)激光器(a)構(gòu)造；(b)光反響分布反響(DFB)激光器如下圖，由有源層發(fā)射的光，從一個(gè)方向向另一個(gè)方向傳播時(shí)，一局部在光柵波紋峰反射(如光線a)，另一局部繼續(xù)向前傳播，在鄰近的光柵波紋峰反射(如光線b)。如果光線a和b匹配，相互疊加，那么產(chǎn)生更強(qiáng)的反響，而其他波長(zhǎng)的光將相互抵消。雖然每個(gè)波紋峰反射的光不大，但整個(gè)光柵有成百上千個(gè)波紋峰，反響光的總量足以產(chǎn)生激光振蕩。如下圖，由有源層發(fā)射的光，從一個(gè)方向向另《通信用光器件》教學(xué)課件光柵周期Λ由下式布喇格反射條件確定：

式中，Λ為波紋光柵的周期長(zhǎng)度，也稱(chēng)柵距；ne為材料有效折射率；λB為布喇格波長(zhǎng)；m為整數(shù)，稱(chēng)為衍射級(jí)數(shù)。光柵周期Λ由下式布喇格反射條件確定：當(dāng)波紋光柵的周期長(zhǎng)度為Λ時(shí)，只有滿足布喇格反射條件波長(zhǎng)為λB的光波，才能產(chǎn)生激光震蕩，使激光器得到蛋品輸出。由于分布反響激光器是由光柵選擇單縱模，因而在高速調(diào)制下仍維持單縱模輸出。當(dāng)波紋光柵的周期長(zhǎng)度為Λ時(shí)，只有滿足布喇格反DFB激光器與F-P激光器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①單縱模激光器。DFB激光器的發(fā)射光譜主要由光柵周期Λ決定。Λ相當(dāng)于F-P激光器的腔長(zhǎng)L，每一個(gè)Λ形成一個(gè)微型諧振腔。于是DFB激光器容易設(shè)計(jì)成單縱模振蕩。DFB激光器與F-P激光器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)

②譜線窄，波長(zhǎng)穩(wěn)定性好。由于DFB激光器的每一個(gè)柵距Λ相當(dāng)于一個(gè)F-P腔，所以布喇格反射可以看作多級(jí)調(diào)諧，使得諧振波長(zhǎng)的選擇性大大提高，譜線明顯變窄，可以窄到0.1nm左右。由于光柵的作用有助于使發(fā)射波長(zhǎng)鎖定在諧振波長(zhǎng)上，因而波長(zhǎng)的穩(wěn)定性得以改善②譜線窄，波長(zhǎng)穩(wěn)定性好。③動(dòng)態(tài)譜線好。DFB激光器在高速調(diào)制時(shí)也能保持單模特性，這是F-P激光器無(wú)法比較的。盡管DFB激光器譜線有一定展寬，但比F-P激光器的動(dòng)態(tài)譜線的展寬要改善一個(gè)數(shù)量級(jí)左右。③動(dòng)態(tài)譜線好。

④線性好。DFB激光器的線性非常好，因此廣泛用于模擬調(diào)制的有線電視光纖傳輸系統(tǒng)中。④線性好。

3.1.4發(fā)光二極管1、工作原理

發(fā)光二極管(LED)的工作原理與激光器(LD)有所不同，LD發(fā)射的是受激輻射光-激光，LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光-熒光。

3.1.4發(fā)光二極管2、LED的構(gòu)造LED的構(gòu)造和LD相似，大多是采用雙異質(zhì)結(jié)(DH)芯片，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學(xué)諧振腔，沒(méi)有閾值。

2、LED的構(gòu)造LD的構(gòu)造LD的構(gòu)造LED的構(gòu)造LED的構(gòu)造

和激光器相比，發(fā)光二極管輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低。但發(fā)光二極管性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，輸出光功率線性范圍寬，而且制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。因此，這種器件在小容量短距離系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。和激光器相比，發(fā)光二極管輸出光功率較小

LD和LED一性能LD和LED一性能3.1.5半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用LED通常和多模光纖耦合，用于1.3μm(或0.85μm)波長(zhǎng)的小容量短距離系統(tǒng)。因?yàn)長(zhǎng)ED發(fā)光面積和光束輻射角較大，而多模光纖具有較大的芯徑和數(shù)值孔徑，有利于提高耦合效率，增參加纖功率。3.1.5半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用LD通常和G.652或G.653標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖耦合，用于1.3μm或1.55μm大容量長(zhǎng)距離系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外都得到最廣泛的應(yīng)用。LD通常和G.652或G.653標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖耦合，用于1.分布反響激光器(DFB-LD)主要和G.653或G.654標(biāo)準(zhǔn)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)，這是目前光纖通信開(kāi)展的主要趨勢(shì)。分布反響激光器(DFB-LD)主要和G.653或G.654標(biāo)3.2光-檢測(cè)器光檢測(cè)器的作用是通過(guò)光電效應(yīng)，將接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。目前的光接收機(jī)絕大多數(shù)都是用光電二極管直接進(jìn)展光電轉(zhuǎn)換，其性能的好壞直接影著接收機(jī)的性能指標(biāo)。

3.2光-檢測(cè)器光檢測(cè)器的作用是通過(guò)光電效3.2光-檢測(cè)器光電二極管的種類(lèi)很多，在光纖通信系統(tǒng)中，主要采用半導(dǎo)體PIN光電二極管和雪崩光電二極管〔APD)。3.2光-檢測(cè)器光電二極管的種類(lèi)很多，在光3.2光-檢測(cè)器

3.2.1光電二極管工作原理光電二極管把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能，是由半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。3.2光-檢測(cè)器3.2.1光電二極管工作原理由于PN結(jié)耗盡層只有幾微米，大局部入射光被中性區(qū)吸收，因而光電轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速度慢。為改善器件的特性，在PN結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體(稱(chēng)為I)，這種構(gòu)造便是常用的PIN光電二極管。由于PN結(jié)耗盡層只有幾微米，大局部入射光被中3.2.2PIN光電二極管1、PIN光電二極管構(gòu)造3.2.2PIN光電二極管基于異質(zhì)結(jié)的PIN光電二極管基于異質(zhì)結(jié)的PIN光電二極管2、PIN光電二極管工作原理2、PIN光電二極管工作原理PIN光電二極管工作原理當(dāng)光從P區(qū)一側(cè)入射，那么光能量在被吸收的同時(shí)仍繼續(xù)向N區(qū)一側(cè)延伸吸收，在經(jīng)過(guò)耗盡層時(shí)，由于吸收光子能量，電子從價(jià)帶被鼓勵(lì)到導(dǎo)帶而產(chǎn)生電子空穴對(duì)〔即光生載流子〕，并且在耗盡層空間電場(chǎng)作用下，分別向N型區(qū)和P型區(qū)相互逆方向作漂移運(yùn)動(dòng)，并在外部電路形成光電流。

PIN光電二極管工作原理當(dāng)光從P區(qū)PIN光電二極管工作原理

然而，在耗盡層以外的區(qū)域因?yàn)闆](méi)有電場(chǎng)作用，所以由光電效應(yīng)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)，在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)中相遇發(fā)生復(fù)合，從而消失。由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與漂移運(yùn)動(dòng)相比是一慢過(guò)程，因而由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的光電流不能快速響應(yīng)輸入光強(qiáng)的變化，減少了光電二極管的頻率響應(yīng)。PIN光電二極管工作原理然而，在耗盡層以外3.2.3雪崩光電二極管(APD)

雪崩光電二極管(APD)的的構(gòu)造與PIN不同表現(xiàn)在增加了一個(gè)附加層，以實(shí)現(xiàn)碰撞電離產(chǎn)生二次電子—空穴對(duì)，在反向時(shí)夾在I層和N層間的P層中存在高電場(chǎng)，該層稱(chēng)為倍增區(qū)或增益區(qū)雪崩區(qū)),耗盡層仍為I層，起產(chǎn)生一次電子-空穴對(duì)的作用。3.2.3雪崩光電二極管(APD)1雪崩光電二極管(APD)的的構(gòu)造目前光纖通信系統(tǒng)中，更多的是采用吸收區(qū)與雪崩倍增區(qū)相互別離的APD管，這種APD管稱(chēng)為SAM-APD。SAM-APD管有四層構(gòu)造：1、高摻雜的N+型半導(dǎo)體，為接觸層；2、型半導(dǎo)體，為倍增層〔或稱(chēng)雪崩區(qū)〕；3、輕摻雜半導(dǎo)體I層，為漂移區(qū)〔光吸收區(qū)〕；4、高摻雜的P+型半導(dǎo)體，為接觸層。1雪崩光電二極管(APD)的的構(gòu)造吸收區(qū)與雪崩倍增區(qū)相互別離的APD管的四層構(gòu)造吸收區(qū)與雪崩倍增區(qū)相互別離的APD管的四層構(gòu)造2雪崩光電二極管(APD)的工作原理

當(dāng)外加的反向偏壓(約100V-150V)比PIN情況下高得多時(shí)，這個(gè)電壓幾乎都降到PN結(jié)上。特別是在高阻的PN結(jié)附近，電場(chǎng)強(qiáng)度可高達(dá)，已經(jīng)高出碰撞電離的電場(chǎng)。SAM-APD管在外加的反向偏壓(約50V-150V)下的場(chǎng)分布如下圖。2雪崩光電二極管(APD)的工作原理當(dāng)外2雪崩光電二極管(APD)的工作原理

此時(shí)假設(shè)光從區(qū)照射，那么和PIN一樣，大局部光子將在較厚的I層被吸收，因而產(chǎn)生電子、空穴對(duì)。

2雪崩光電二極管(APD)的工作原理此時(shí)入射光功率產(chǎn)生的電子空穴對(duì)經(jīng)過(guò)高場(chǎng)區(qū)時(shí)不斷被加速而獲得很高的能量，這些高能量的電子或空穴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與價(jià)帶中的束縛電子碰撞，使晶格中的原子電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)。入射光功率產(chǎn)生的電子空穴對(duì)經(jīng)過(guò)高場(chǎng)區(qū)時(shí)不斷被新的電子空穴對(duì)受到同樣加速運(yùn)動(dòng)，又與原子碰撞電離，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，稱(chēng)為二次電子空穴對(duì)。如此重復(fù)，使強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域中的電子和空穴成倍的增加，載流子和反向光生電流迅速增大，產(chǎn)生雪崩現(xiàn)象,這個(gè)物理過(guò)程稱(chēng)為雪崩倍增效應(yīng)。雪崩過(guò)程倍增了一次光生電流，因此，在雪崩光電二極管內(nèi)部就產(chǎn)生了放大作用。雪崩光電二極管就是這樣既可以檢測(cè)光信號(hào)，又能放大光信號(hào)電流。新的電子空穴對(duì)受到同樣加速運(yùn)動(dòng)，又與原子碰撞3.2.4光電二極管的應(yīng)用APD是有增益的光電二極管，在光接收機(jī)靈敏度要求較高的場(chǎng)合，采用APD有利于延長(zhǎng)系統(tǒng)的傳輸距離。但是采用APD要求有較高的偏置電壓和復(fù)雜的溫度補(bǔ)償電路，結(jié)果增加了本錢(qián)。因此在靈敏度要求不高的場(chǎng)合，一般采用PIN光電二極管。3.2.4光電二極管的應(yīng)用《通信用光器件》幻燈片本課件PPT僅供大家學(xué)習(xí)使用學(xué)習(xí)完請(qǐng)自行刪除，謝謝！本課件PPT僅供大家學(xué)習(xí)使用學(xué)習(xí)完請(qǐng)自行刪除，謝謝！本課件PPT僅供大家學(xué)習(xí)使用學(xué)習(xí)完請(qǐng)自行刪除，謝謝！本課件PPT僅供大家學(xué)習(xí)使用學(xué)習(xí)完請(qǐng)自行刪除，謝謝！《通信用光器件》幻燈片本課件PPT僅供大家學(xué)習(xí)使用1、有源器件有源器件包括光源、光檢測(cè)器和光放大器，這些器件是光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)和光中繼器的關(guān)鍵器件，和光纖一起決定著根本光纖傳輸系統(tǒng)的水平。1、有源器件2、光無(wú)源器件

光無(wú)源器件主要有連接器、耦合器、光合波器和光分波器、光濾波器和隔離器等。這些器件對(duì)光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴(kuò)展和性能的提高都是不可缺少的。2、光無(wú)源器件

光無(wú)源器件主要有連接器、耦合本章重點(diǎn)要求：

1、了解光源和光檢測(cè)器的概念及其在光纖通信系統(tǒng)中作用；

2、理解激光器的發(fā)光機(jī)理；

3、掌握發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器、光電二極管、雪崩光電二極管等的工作原理及其主要特性。本章重點(diǎn)要求：3.1光源

光源是光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵器件，其功能是把電信號(hào)電流轉(zhuǎn)換為光信號(hào)功率,即實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換。

目前光纖通信廣泛使用的光源主要有半導(dǎo)體激光二極管或稱(chēng)激光器(LD)和發(fā)光二極管或稱(chēng)發(fā)光管(LED)。3.1光源對(duì)光源性能的根本要求1光源發(fā)光波長(zhǎng)必須與光纖低損耗窗口相符石英光纖的損耗特性有三個(gè)低損耗窗口，其中心波長(zhǎng)分別為850nm、1310nm和1550nm。因此，光源的發(fā)光波長(zhǎng)應(yīng)與三個(gè)低損耗窗口相符。對(duì)光源性能的根本要求《通信用光器件》教學(xué)課件2足夠的光輸出功率在室溫下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的光源，必須按光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，能提供足夠的光輸出功率。目前激光二極管能提供500微瓦到10毫瓦的輸出光功率；發(fā)光二極管可提供10微瓦到1毫瓦的輸出光功率。2足夠的光輸出功率3可靠性高、壽命長(zhǎng)現(xiàn)在的激光二極管可靠性比較高，壽命長(zhǎng)。激光二極管壽命105小時(shí)，發(fā)光二極管壽命107小時(shí)。3可靠性高、壽命長(zhǎng)4溫度穩(wěn)定性好

器件應(yīng)能在常溫下以連續(xù)波方式工作，要求溫度穩(wěn)定性好。5調(diào)制特性好允許的調(diào)制速率要高或響應(yīng)速度要快，以滿足系統(tǒng)的大傳輸容量的要求。4溫度穩(wěn)定性好6光譜寬度要窄

光譜單色性要好，即譜線寬度要窄，以減小光纖色散對(duì)帶寬的限制。

LD線寬<2nm；LED線寬在100nm左右。6光譜寬度要窄7與光纖之間的耦合效率高光源發(fā)出的光最終要耦合進(jìn)光纖才能進(jìn)展傳輸，因此希望光源與光纖之間有較高的耦合效率，使入纖功率大，中繼間距加大。目前一般激光的耦合效率為20%~30%較高水平的耦合效率可超過(guò)50%7與光纖之間的耦合效率高8體積小，重量輕要求器件體積小，重量輕，安裝使用方便，價(jià)格廉價(jià)。激光器的工作物質(zhì)可以是氣體、液體、固體。也可以是半導(dǎo)體。由于半導(dǎo)體激光器調(diào)制方便、體積小、便于與光纖耦合，是光纖通信最為適宜的光源。8體積小，重量輕3.1.1半導(dǎo)體激光器工作原理和根本構(gòu)造一、受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布〔一〕根本概念〔1〕半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反響，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。3.1.1半導(dǎo)體激光器工作原理和根本構(gòu)造〔2〕激光激光，其英文LASER就是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(受激輻射的光放大)的縮寫(xiě)。所以討論激光器工作原理要從受激輻射開(kāi)場(chǎng)?！?〕激光〔二〕光和物質(zhì)相互作用有源器件的物理根底是光和物質(zhì)相互作用的效應(yīng)。在物質(zhì)的原子中，存在許多能級(jí)，最低能級(jí)E1稱(chēng)為基態(tài)，能量比基態(tài)大的能級(jí)Ei(i=2,3,4…)稱(chēng)為激發(fā)態(tài)。電子在低能級(jí)E1的基態(tài)和高能級(jí)E2的激發(fā)態(tài)之間的躍遷有三種根本方式。〔二〕光和物質(zhì)相互作用有源器件的物理根底是1917年愛(ài)因斯坦根據(jù)輻射與原子相互作的量子理論提出，光與物質(zhì)的相互作用時(shí)，將發(fā)生:(1)受激吸收(2)自發(fā)輻射(3)受激輻射三種根本物理過(guò)程。1917年愛(ài)因斯坦根據(jù)輻射與原子相(1)受激吸收

在正常狀態(tài)下，電子處于低能級(jí)E1，在入射光作用下，它會(huì)吸收光子的能量躍遷到高能級(jí)E2上，這種躍遷稱(chēng)為受激吸收。受激吸收將使外界光能減少。(1)受激吸收

(2)自發(fā)輻射在高能級(jí)E2的電子是不穩(wěn)定的，即使沒(méi)有外界的作用，也會(huì)自動(dòng)地躍遷到低能級(jí)E1上，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去，這種躍遷稱(chēng)為自發(fā)輻射。(2)自發(fā)輻射(3)受激輻射在高能級(jí)E2的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級(jí)E1上，釋放的能量產(chǎn)生光輻射，這個(gè)過(guò)程是在外界條件刺激下產(chǎn)生的，因而稱(chēng)為受激輻射。受激輻射產(chǎn)生的光子與入射光子疊加，使光得到放大，因而受激輻射是產(chǎn)生激光的最重要的過(guò)程。(3)受激輻射

受激輻射是受激吸收的逆過(guò)程。電子在E1和E2兩個(gè)能級(jí)之間躍遷，吸收的光子能量或輻射的光子能量都要滿足波爾條件，即式中，h=6.628×10-34J·s，為普朗克常數(shù)，

f12為吸收或輻射的光子頻率。受激輻射是受激吸收的逆過(guò)程。電子在E〔三〕相干光和非相干光〔1〕相干光受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的光的特點(diǎn)很不一樣。受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光一樣，這種光稱(chēng)為相干光?！踩诚喔晒夂头窍喔晒狻?〕非相干光自發(fā)輻射的光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產(chǎn)生的，其頻率和方向分布在一定范圍內(nèi)，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱(chēng)為非相干光?！?〕非相干光〔四〕粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布產(chǎn)生受激輻射和產(chǎn)生受激吸收的物質(zhì)是不同的。設(shè)在單位物質(zhì)中，處于低能級(jí)E1和處于高能級(jí)E2(E2>E1)的粒子數(shù)分別為N1和N2。〔四〕粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布在熱平衡條件下，各能級(jí)上的粒子數(shù)分布滿足玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布。式中，k=1.381×10-23J/K，為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在這種狀態(tài)下，總是N1>N2。在熱平衡條件下，各能級(jí)上的粒子數(shù)分布滿足玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)〔1〕吸收物質(zhì)我們把這種N1>N2分布稱(chēng)為粒子數(shù)正常分布,如圖。在熱平衡狀態(tài)下，N1>N2，受激吸收大于受激輻射。當(dāng)光通過(guò)這種物質(zhì)時(shí)，光波總是被吸收，光強(qiáng)按指數(shù)衰減，這種物質(zhì)稱(chēng)為吸收物質(zhì)?！?〕吸收物質(zhì)〔2〕粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布如果N2>N1，即受激輻射大于受激吸收，當(dāng)光通過(guò)這種物質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱(chēng)為激活物質(zhì)。N2>N1的分布，和正常狀態(tài)(N1>N2)的分布相反，所以稱(chēng)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。〔2〕粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布問(wèn)題是:如何實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)呢?問(wèn)題是:〔1〕要在能級(jí)間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，物質(zhì)系統(tǒng)中必須存在3個(gè)能級(jí)或3個(gè)以上的能級(jí)。理論證明，在二能級(jí)的物質(zhì)系統(tǒng)中，能級(jí)間不可能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)。〔2〕在半導(dǎo)體光源器件中，通常是利用外加適當(dāng)?shù)恼螂妷簛?lái)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)的?！?〕要在能級(jí)間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，物質(zhì)系統(tǒng)中必二、PN結(jié)的能帶和電子分布〔一〕能帶概念半導(dǎo)體是由大量原子周期性有序排列構(gòu)成的共價(jià)晶體。在這種晶體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態(tài)擴(kuò)展成能級(jí)連續(xù)分布的能帶。二、PN結(jié)的能帶和電子分布內(nèi)層電子態(tài)之間的交疊小，原子間的影響弱，分成的能帶比較窄；外層電子態(tài)之間的交疊大，原子間的影響強(qiáng)，分成的能帶比較寬。電子填充能帶時(shí)，將從最低能帶開(kāi)場(chǎng)向上依次填充各個(gè)能帶的能級(jí)。內(nèi)層電子態(tài)之間的交疊小，原子間的影響弱，分成的能帶比〔1〕價(jià)帶原子最外層的價(jià)電子所占據(jù)的能帶稱(chēng)為價(jià)帶。〔價(jià)帶中的電子不能導(dǎo)電，價(jià)帶中只有空穴才能導(dǎo)電〕；〔2〕導(dǎo)帶價(jià)帶上面鄰近的空帶，即自由電子占據(jù)的能帶稱(chēng)為導(dǎo)帶。原子的電子與空穴的復(fù)合發(fā)光過(guò)程，主要發(fā)生在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間?！?〕價(jià)帶〔3〕滿帶除了最外層外，內(nèi)層所有能帶都被電子填滿，故稱(chēng)為滿帶。〔4〕禁帶導(dǎo)帶底的能量和價(jià)帶頂?shù)哪芰恐g的能量差稱(chēng)為禁帶寬度或帶隙。電子不可能占據(jù)禁帶?！?〕滿帶〔二〕電子分布根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論，在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級(jí)被電子占據(jù)的概率為費(fèi)米分布：

式中，k為波茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。Ef稱(chēng)為費(fèi)米能級(jí)，它是半導(dǎo)體的一個(gè)參數(shù)?！捕畴娮臃植际街校琸

當(dāng)能級(jí)E<Ef

，p(E)>0.5時(shí)，說(shuō)明這種能級(jí)被電子占據(jù)的概率大于50%；當(dāng)能級(jí)E>Ef，p(E)<0.5時(shí)，說(shuō)明這種能級(jí)被電子占據(jù)的概率小于50%。也就是說(shuō)，低于費(fèi)米能級(jí)Ef的能級(jí)被電子占據(jù)的概率大，高于費(fèi)米能級(jí)Ef的能級(jí)被電子占據(jù)的概率小。

〔三〕P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的能帶〔1〕接觸前P型、N型半導(dǎo)體的能帶圖主要由空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱(chēng)為P型半導(dǎo)體。當(dāng)重?fù)诫s時(shí)，費(fèi)米能級(jí)會(huì)進(jìn)入價(jià)帶，稱(chēng)為簡(jiǎn)并型P型半導(dǎo)體；主要由電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱(chēng)為N型半導(dǎo)體。當(dāng)重?fù)诫s時(shí)，費(fèi)米能級(jí)會(huì)進(jìn)入導(dǎo)帶，稱(chēng)為簡(jiǎn)并型N型半導(dǎo)體?！踩砅型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的能帶〔1接觸前PN半導(dǎo)體的能帶圖接觸前PN半導(dǎo)體的能帶圖〔2〕接觸后P型、N型半導(dǎo)體的能帶圖當(dāng)P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體結(jié)合時(shí)形成PN結(jié)后，由于載流子向?qū)Ψ交ハ鄶U(kuò)散的結(jié)果，使N區(qū)的費(fèi)米能級(jí)降低，P區(qū)的費(fèi)米能級(jí)升高，到達(dá)熱平衡時(shí)，形成了統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。因此在熱平衡狀態(tài)下，高能級(jí)上電子數(shù)少，低能級(jí)上電子數(shù)多，未能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布?！?〕接觸后P型、N型半導(dǎo)體的能帶圖接觸后PN半導(dǎo)體的能帶圖接觸后PN半導(dǎo)體的能帶圖〔3〕外加正向偏壓下PN結(jié)半導(dǎo)體的能帶圖當(dāng)PN結(jié)加上正向偏壓時(shí)，破壞了熱平衡時(shí)統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，在P區(qū)和N區(qū)各自形成了準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)。這時(shí)，導(dǎo)帶中費(fèi)米能級(jí)以下充滿了電子，價(jià)帶中費(fèi)米能級(jí)以上沒(méi)有電子，因此，形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，成為激活區(qū)，稱(chēng)為半導(dǎo)體激光器的有源區(qū)。〔3〕外加正向偏壓下PN結(jié)半導(dǎo)體的能帶圖《通信用光器件》教學(xué)課件外加正向偏壓將N區(qū)的電子、P區(qū)的空穴注入到PN結(jié)，實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即使之成為激活物質(zhì)〔PN結(jié)為激活區(qū)〕。在激活區(qū)，電子空穴對(duì)復(fù)合發(fā)射出光。外加正向偏壓將N區(qū)的電子、P區(qū)的空在激活區(qū)，電子空穴對(duì)復(fù)合發(fā)射出光在激活區(qū)，電子空穴對(duì)復(fù)合發(fā)射出光三、激光振蕩和光學(xué)諧振腔粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生受激輻射的必要條件，但還不能產(chǎn)生激光。只有把激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，對(duì)光的頻率和方向進(jìn)展選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。三、激光振蕩和光學(xué)諧振腔1、法布里-珀羅(F-P)諧振腔激光器是由反射率為100%〔R=1〕的全反射鏡與反射率為90%~95%〔R<1〕的局部反射鏡平行放置在工作物質(zhì)兩端以構(gòu)成光學(xué)諧振腔。并被稱(chēng)為法布里-珀羅(FabryPerot，F(xiàn)-P)諧振腔。1、法布里-珀羅(F-P)諧振腔法布里-珀羅(F-P)諧振腔法布里-珀羅(F-P)諧振腔由于諧振腔內(nèi)的激活物質(zhì)具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，可以用它產(chǎn)生的自發(fā)輻射光作為入射光。入射光經(jīng)反射鏡反射，沿軸線方向傳播的光被放大，在諧振腔中沿非軸線方向的光子很快逸出了腔外，而沿軸線方向的光子往復(fù)傳輸，不斷被放大，且方向性、增益不斷改善，最后從反射鏡輸出，即為激光。由于諧振腔內(nèi)的激活物質(zhì)具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，可2、閾值條件及相位條件

要產(chǎn)生激光振蕩還必須滿足閾值條件及相位條件。

2、閾值條件及相位條件〔1〕、閾值條件由于諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)存在吸收，反射鏡存在透射和散射，因此光受到一定損耗。當(dāng)增益和損耗相當(dāng)時(shí)，在諧振腔內(nèi)開(kāi)場(chǎng)建立穩(wěn)定的激光振蕩，光波在諧振腔內(nèi)往返一次應(yīng)保持不變，即〔1〕、閾值條件式中，γth為閾值增益系數(shù)，α為諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù)，L為諧振腔的長(zhǎng)度，R1，R2<1為兩個(gè)反射鏡的反射率。激光振蕩需要滿足的閾值條件為

式中，γth為閾值增益系數(shù)，α為諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù)，例：對(duì)于GaAs材料的半導(dǎo)體激光器，其非涂覆解里面上R1=R2=0.32(也就是32%的輻射光在端面上被反射)，激活物質(zhì)的損耗系數(shù)α=1mm-1，諧振腔長(zhǎng)L=500μm，求閾值增益系數(shù)γth。例：對(duì)于GaAs材料的半導(dǎo)體激光器，其非涂覆解里面上R1=R由閾值條件得閾值增益系數(shù)為

由閾值條件得閾值增益系數(shù)為〔2〕相位條件激光振蕩需要滿足的相位條件為可以寫(xiě)成

或式中，λ為激光波長(zhǎng)，n為激活物質(zhì)的折射率，q=1,2,3…稱(chēng)為縱模模數(shù)?！?〕相位條件可以寫(xiě)成或式中，λ為激光波長(zhǎng)，n為激活物質(zhì)的《通信用光器件》教學(xué)課件縱模

相位條件是：諧振腔的長(zhǎng)度應(yīng)為半波長(zhǎng)的整數(shù)倍。對(duì)于給定的激光器，滿足相位條件的波長(zhǎng)稱(chēng)為激光模式，有一個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)一個(gè)模式，它與前面討論的光纖中的模是不一樣的，前者為波導(dǎo)模式，后者嚴(yán)格地說(shuō)是空間模式，為了區(qū)別開(kāi)，可以稱(chēng)為縱模。縱模相位條件是：諧振腔的長(zhǎng)度應(yīng)四、

PN結(jié)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的原理

四、PN結(jié)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的原理PN結(jié)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的原理

PN結(jié)半導(dǎo)體激光器是用PN結(jié)作激活區(qū)，用半導(dǎo)體天然解里面作為反射鏡組成光子諧振腔，外加正向偏壓作為泵浦源。PN結(jié)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的原理外加正向偏壓將N區(qū)的電子、P區(qū)的空穴注入到PN結(jié)，實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即使之成為激活物質(zhì)〔PN結(jié)為激活區(qū)〕。在激活區(qū)，電子空穴對(duì)復(fù)合發(fā)射出光。外加正向偏壓將N區(qū)的電子、P區(qū)的空穴注入到P

初始的光場(chǎng)來(lái)源于導(dǎo)帶和價(jià)帶的自發(fā)輻射，方向雜亂無(wú)章，其中偏離軸向的光子很快逸出腔外，沿軸向運(yùn)動(dòng)的光子就成為受激輻射的外界因素，使之產(chǎn)生受激輻射而發(fā)射全同光子。

初始的光場(chǎng)來(lái)源于導(dǎo)帶和價(jià)帶的自發(fā)輻射，方向雜這些光子通過(guò)反射鏡往返反射不斷通過(guò)激活物質(zhì)，使受激輻射過(guò)程如雪崩般地加劇，從而使光得到放大。在反射系數(shù)小于1的反射鏡中輸出，這就是經(jīng)受激輻射放大的光。即PN結(jié)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光輸出的工作原理。這些光子通過(guò)反射鏡往返反射不斷通過(guò)激活物質(zhì)，五、異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器PN結(jié)是由同一種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的，P區(qū)、N區(qū)具有一樣的帶隙、接近一樣的折射率〔摻雜后折射率稍有變化，但很小〕，這種PN結(jié)稱(chēng)為同質(zhì)結(jié)。五、異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器同質(zhì)結(jié)導(dǎo)波作用很弱，光波在PN結(jié)兩側(cè)滲透較深，從而致使損耗增大，發(fā)光區(qū)域較寬。因此，同質(zhì)構(gòu)造成的光源有很大的缺點(diǎn)：發(fā)光不集中，強(qiáng)度低，需要較大的注入電流。器件工作時(shí)發(fā)熱非常嚴(yán)重，必須在低溫環(huán)境下工作，不可能在室溫下連續(xù)工作。同質(zhì)結(jié)導(dǎo)波作用很弱，光波在PN結(jié)兩側(cè)滲透較深為了抑制同質(zhì)結(jié)的缺點(diǎn)，需要加強(qiáng)結(jié)區(qū)的光波導(dǎo)作用及對(duì)載流子的限定作用，這時(shí)可以采用異質(zhì)結(jié)構(gòu)造。所謂異質(zhì)結(jié)，就是由帶隙及折射率都不同的兩種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的PN結(jié)。為了抑制同質(zhì)結(jié)的缺點(diǎn)，需要加強(qiáng)結(jié)區(qū)的光波導(dǎo)作異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器與同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器不同。它是利用不同折射率的材料來(lái)對(duì)光波進(jìn)展限制，利用不同帶隙的材料對(duì)載流子進(jìn)展限制。異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器與同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器不同。它是圖給出了雙異質(zhì)結(jié)〔DH〕半導(dǎo)體激光器加正向偏壓時(shí)，能帶的分布。如圖。圖給出了雙異質(zhì)結(jié)〔DH〕半導(dǎo)體激光器加正向偏壓時(shí)，這樣，注入到有源層的電子和空穴被限制在厚0.1~0.3μm的有源層內(nèi)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，這時(shí)只要很小的外加電流，就可以使電子和空穴濃度增大而提高效益。這樣，注入到有源層的電子和空穴被限制在厚0.另一方面，有源層的折射率比限制層高，產(chǎn)生的激光被限制在有源區(qū)內(nèi)，因而電/光轉(zhuǎn)換效率很高，輸出激光的閾值電流很低，很小的散熱體就可以在室溫連續(xù)工作。另一方面，有源層的折射率比限制層高，產(chǎn)生的激3.1.2半導(dǎo)體激光器的主要特性一、發(fā)射波長(zhǎng)和光譜特性半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)取決于導(dǎo)帶的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)所釋放的能量，這個(gè)能量近似等于禁帶寬度Eg(eV)，即3.1.2半導(dǎo)體激光器的主要特性將

f=c/λ，f和λ分別為發(fā)射光的頻率和波長(zhǎng)，

c=3×108m/s為光速，

h=6.628×10-34J·S為普朗克常數(shù)，

1eV=1.6×10-19J。代入上式得到:將f=c/λ，得發(fā)射波長(zhǎng)為：

不同半導(dǎo)體材料有不同的禁帶寬度Eg，因而有不同的發(fā)射波長(zhǎng)。得發(fā)射波長(zhǎng)為：不同半導(dǎo)體材料有不同的禁帶寬度Eg，因而有不鎵鋁砷-鎵砷(GaAlAs-GaAs)材料禁帶寬度Eg=1.47eV，其發(fā)射波長(zhǎng)為：適用于0.85μm波段。0.85μm鎵鋁砷-鎵砷(GaAlAs-GaAs)材銦鎵砷磷-銦磷(InGaAsP-InP)材料禁帶寬度Eg=0.80~0.96eV。適用于1.3~1.55μm波段。銦鎵砷磷-銦磷(InGaAsP-InP)材料禁帶寬度Eg二、光譜特性因?yàn)閷?dǎo)帶和價(jià)帶都是由許多連續(xù)能級(jí)組成的有一定寬度的能帶，兩個(gè)能帶中不同能級(jí)之間電子的躍遷會(huì)產(chǎn)生連續(xù)波長(zhǎng)的輻射光，所以激光器發(fā)射光譜就有一定的譜線寬度。如圖。

二、光譜特性《通信用光器件》教學(xué)課件光源的譜線寬度是衡量光源單色性好壞的一個(gè)物理量。激光器發(fā)射光譜的寬度取決于激發(fā)的縱模數(shù)目，對(duì)于存在假設(shè)干個(gè)縱模的光譜性刻畫(huà)出包絡(luò)線。把光強(qiáng)下降一半時(shí)的兩點(diǎn)間波長(zhǎng)范圍定義為輸出譜線寬度〔半功率點(diǎn)全寬FWHP〕，用表示。光源的譜線寬度是衡量光源單色性好壞的一個(gè)物理《通信用光器件》教學(xué)課件半導(dǎo)體光源的典型性

器件LDLEDDFB工作波長(zhǎng)1.31μm1.55μm1.31μm1.55μm1.31μm1.55μm譜線寬度1~2nm1~3nm50~100nm60~120nm0.1nm左右半導(dǎo)體光源的典型性器件LDLEDDFB工作波長(zhǎng)1.31μ

1、靜態(tài)單縱模激光器隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加，縱模模數(shù)逐漸減少，譜線寬度變窄。這種變化是由于諧振腔對(duì)光波頻率和方向的選擇，使邊模消失、主模增益增加而產(chǎn)生的。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流足夠大時(shí)，多縱模變?yōu)閱慰v模，這種激光器稱(chēng)為靜態(tài)單縱模激光器。1、靜態(tài)單縱模激光器《通信用光器件》教學(xué)課件2、動(dòng)態(tài)單縱模激光器由圖可見(jiàn)，在高速數(shù)字調(diào)制下，隨著調(diào)制電流增大，縱模模數(shù)增多，譜線寬度變寬。用F-P諧振腔可以得到的是直流驅(qū)動(dòng)的靜態(tài)單縱模激光器，但要得到高速數(shù)字調(diào)制的動(dòng)態(tài)單縱模激光器，必須改變激光器的構(gòu)造，例如采用分布反響激光器就可到達(dá)目的。2、動(dòng)態(tài)單縱模激光器三、轉(zhuǎn)換效率和輸出光功率特性

1、轉(zhuǎn)換效率激光器的電/光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率ηd[eta

]表示，其定義是在閾值電流以上，激光器輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量之比，表達(dá)式為三、轉(zhuǎn)換效率和輸出光功率特性

2、輸出光功率特性

由上式此得到激光器的光功率P

為

式中，P和I分別為激光器的輸出光功率和驅(qū)動(dòng)電流，Pth和I

th分別為相應(yīng)的閾值，hf和e分別為光子能量和電子電荷。2、輸出光功率特性式中，P和I分別為激光器的輸出光《通信用光器件》教學(xué)課件激光器的光功率特性通常用P~I曲線表示，圖是典型激光器的光功率特性曲線。當(dāng)I<Ith時(shí),激光器發(fā)出的是自發(fā)輻射光；當(dāng)I>Ith時(shí)，激光器發(fā)出的是受激輻射光，光功率隨驅(qū)動(dòng)電流的增加而增加。激光器的光功率特性通常用P~I曲線表示，四、頻率特性在直接光強(qiáng)調(diào)制下，激光器輸出光功率P和調(diào)制頻率f的關(guān)系為四、頻率特性式中，和[ksi]分別稱(chēng)為弛豫頻率和阻尼因子。激光器調(diào)制頻率特性在處有諧振峰，調(diào)制頻率大于時(shí)，輸出光功率急劇下降。所以，可以把弛豫頻率作為調(diào)制速率的上限。式中，和[ksi]分別稱(chēng)為弛豫頻率和阻尼因子。激《通信用光器件》教學(xué)課件圖為半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性。弛豫頻率

fT是調(diào)制頻率的上限，一般激光器的fT為1~2GHz。在接近fT處，數(shù)字調(diào)制要產(chǎn)生弛豫振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)生非線性失真。圖為半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性。弛豫頻率五、溫度特性

激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個(gè)原因：一是激光器的閾值電流Ith隨溫度升高而增大，二是外微分量子效率ηd隨溫度升高而減小。五、溫度特性溫度升高時(shí)，Ith增大，ηd減小，輸出光功率明顯下降，到達(dá)一定溫度時(shí)，激光器就不激射了當(dāng)以直流電流驅(qū)動(dòng)激光器時(shí)，閾值電流隨溫度的變化更加嚴(yán)重。當(dāng)對(duì)激光器進(jìn)展脈沖調(diào)制時(shí)，閾值電流隨溫度呈指數(shù)變化，在一定溫度范圍內(nèi)，可以表示為溫度升高時(shí)，Ith增大，ηd減小，輸出光功率明顯下降，到式中，I0為常數(shù)，T為結(jié)區(qū)的熱力學(xué)溫度，T0為激光器材料的特征溫度。P-I曲線隨溫度的變化如下圖。式中，I0為常數(shù)，T為結(jié)區(qū)的熱力學(xué)溫度，T0為激光器材料的特《通信用光器件》教學(xué)課件光源是光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵器件，其功能是把電信號(hào)電流轉(zhuǎn)換為光信號(hào)功率,即實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換。

光源是光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵器件，其功能是把電信號(hào)電流轉(zhuǎn)換為3.1.3分布反響激光器如果激光器同時(shí)有多個(gè)模式振蕩,就稱(chēng)為多模激光器。前面討論的F-P腔激光器就是多模激光器。半導(dǎo)體激光器的光譜特性主要由其縱模決定。3.1.3分布反響激光器《通信用光器件》教學(xué)課件：為單模光纖色散系數(shù)。：為光源的譜線寬寬。

單模光纖的色散為：：為單模光纖色散系數(shù)。單模光纖的色散為：由于光纖中存在色散，譜寬很寬對(duì)高速光通信系統(tǒng)是很不利的，因此光源的譜寬應(yīng)盡可能地窄，即希望激光器僅僅工作在單縱模狀態(tài)，這樣的激光器稱(chēng)為單縱模激光器。由于光纖中存在色散，譜寬很寬對(duì)高速光通信系統(tǒng)要求新型半導(dǎo)體激光器的譜線寬度更窄，并在高速率脈沖調(diào)制下保持動(dòng)態(tài)單縱模特性；發(fā)射光波長(zhǎng)更加穩(wěn)定，并能實(shí)現(xiàn)調(diào)諧；閾值電流更低，而輸出光功率更大。要求新型半導(dǎo)體激光器的譜線寬度更窄，并在高速具有這些特性的動(dòng)態(tài)單縱模激光器有多種類(lèi)型，其中性能優(yōu)良并得到廣泛應(yīng)用的是分布反響(DistributedFeedBack,DFB)激光器。具有這些特性的動(dòng)態(tài)單縱模激光器有多種類(lèi)型，其1、構(gòu)造特點(diǎn)DFB激光器構(gòu)造上的特點(diǎn)是：激光器不是由反射鏡面來(lái)提供，而是由折射率周期性變化的波紋構(gòu)造〔波紋光柵〕來(lái)提供，即在有源層的一側(cè)制作波紋光柵。1、構(gòu)造特點(diǎn)《通信用光器件》教學(xué)課件2、工作原理DFB激光器的根本工作原理，可以用布喇格反射來(lái)說(shuō)明。波紋光柵是由于材料折射率周期性變化而形成，它為受激輻射產(chǎn)生的光子提供周期性的反射點(diǎn)，在一定的條件下，所有的反射光同相疊加，形成某方向光的主極強(qiáng)。2、工作原理布喇格反射原理布喇格反射原理分布反響(DFB)激光器(a)構(gòu)造；(b)光反響分布反響(DFB)激光器如下圖，由有源層發(fā)射的光，從一個(gè)方向向另一個(gè)方向傳播時(shí)，一局部在光柵波紋峰反射(如光線a)，另一局部繼續(xù)向前傳播，在鄰近的光柵波紋峰反射(如光線b)。如果光線a和b匹配，相互疊加，那么產(chǎn)生更強(qiáng)的反響，而其他波長(zhǎng)的光將相互抵消。雖然每個(gè)波紋峰反射的光不大，但整個(gè)光柵有成百上千個(gè)波紋峰，反響光的總量足以產(chǎn)生激光振蕩。如下圖，由有源層發(fā)射的光，從一個(gè)方向向另《通信用光器件》教學(xué)課件光