平時(shí)課件、參考及答案-8 .第四章復(fù)習(xí)

LD與LED結(jié)構(gòu)類似，也是由P層、N層和形成雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的有源層構(gòu)成，不同的是它在有源層結(jié)構(gòu)中，還有使光發(fā)生振蕩的諧振腔。而LED沒有諧振腔。

LD的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光二極管LD的工作原理法布里－珀羅(F-P)諧振腔1.將工作物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔(F-P腔)2.少數(shù)載流子的自發(fā)輻射產(chǎn)生光子

1)偏離軸向的光子產(chǎn)生后穿出有源區(qū)，得不到放大

2)沿腔軸向傳播的光子，并引起其它“電子－空穴”對(duì)的

受激輻射，產(chǎn)生更多的性能相同的光子(方向選擇)3.通過來回反射，特定波長的光最終得到放大，并被輸出法布里－珀羅(F-P)諧振腔100%90%4.3.1當(dāng)給LD外加適當(dāng)?shù)恼螂妷簳r(shí)，由于有源區(qū)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布而首先發(fā)生自發(fā)輻射現(xiàn)象。當(dāng)自發(fā)輻射出的光子遇上一個(gè)高能級(jí)上的粒子時(shí)，將導(dǎo)致產(chǎn)生受激躍遷，在從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)中放出一個(gè)全同的光子，為受激輻射。當(dāng)受激輻射光在諧振腔內(nèi)來回反射一次，相位的改變量正好是2π的整數(shù)倍時(shí)，則向同一方向傳播的若干受激輻射光相互加強(qiáng)，產(chǎn)生諧振。達(dá)到一定強(qiáng)度后，就從部分反射鏡M2透射出來，形成一束筆直的激光。當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，受激輻射光在諧振腔中每往返一次由放大所得的能量，恰好抵消所消耗的能量時(shí)，激光器即保持穩(wěn)定的輸出。LD的產(chǎn)生激光的過程

有兩種方式構(gòu)成的激光器：F-P腔激光器/Fabry-PerotResonatorcavitylaserdiode分布反饋型（DFB）激光器/distributed–feedbacklaserdiode。

半導(dǎo)體激光器的基本類型（一）法布里-珀羅(F-P)激光器立體圖同質(zhì)結(jié)和(雙)異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)優(yōu)點(diǎn)：限制載流子和光子，降低對(duì)閾值電流的要求4.3.1InGaAsP雙異質(zhì)結(jié)條形激光器的基本結(jié)構(gòu)

n—InGaAsP是發(fā)光的作用區(qū)，其上、下兩層稱為限制層，它們和作用區(qū)構(gòu)成光學(xué)諧振腔。限制層和作用層之間形成異質(zhì)結(jié)。最下面一層n—InP是襯底，頂層P+—InGaAsP是接觸層，其作用是為了改善和金屬電極的接觸。目前，光纖通信用的激光器大多采用如圖所示的銦鎵砷磷（InGaAsP）雙異質(zhì)結(jié)條形激光器。有源區(qū)限制層襯底波紋反饋光柵激光輸出（二）分布反饋式(DFB)激光器立體圖DistributedFeedBackLasers在腔體中使用布拉格光柵(FBG)

會(huì)對(duì)特定波長發(fā)生強(qiáng)烈反射。這些特定的波長稱為布拉格波長：。DFB激光器就是利用FBG的這種特性選頻，只有符合反射條件的頻率的光會(huì)得到強(qiáng)烈反射產(chǎn)生激光。其輸出的波長為：>20dB

設(shè)增益介質(zhì)的增益系數(shù)G和損耗系數(shù)α，諧振腔內(nèi)光功率隨距離z的變化可表示為

式中，P(0)為z＝0處的光功率。光束在腔內(nèi)一個(gè)來回時(shí)，兩次通過增益介質(zhì)，這時(shí)的光增益為

式中，L為腔長。設(shè)兩個(gè)鏡面的反射系數(shù)為rl和r2，建立光振蕩的條件為

可得

也即

這就是產(chǎn)生激光的閾值條件。LD閾值條件式中第一項(xiàng)是增益介質(zhì)的損耗，第二項(xiàng)表示通過反射鏡的損耗。在半導(dǎo)體激光器中，只有當(dāng)注入電流滿足閾值條件時(shí)，才迅速出現(xiàn)激光輸出。Opticaloutputvs.drivecurrentOpticalFibercommunications,3rded.,G.Keiser,McGrawHill,2000內(nèi)量子效率i是衡量激光二極管把電子－空穴對(duì)（注入電流）轉(zhuǎn)換成光子能力的一個(gè)參數(shù)。內(nèi)量子效率i一般很難準(zhǔn)確確定，長期的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)表明，在室溫條件下，內(nèi)量子效率一般為hint≈0.6~0.7。與e不同的的是，i與激光二極管的幾何尺寸無關(guān)，是評(píng)價(jià)激光二極管半導(dǎo)體晶片質(zhì)量的主要參數(shù)。內(nèi)量子效率i=有源區(qū)內(nèi)每秒鐘產(chǎn)生的光子數(shù)有源區(qū)內(nèi)每秒鐘注入的電子-空穴對(duì)數(shù)內(nèi)量子效率i：4.3.3激光器的量子效率

外量子效率可以通過下面的式子來定義：在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中，外量子效率一般通過P-I曲線的直線部分來估算，即：4.3.3激光器的量子效率4.3.3外量子效率表示激光器件把注入的電子－空穴對(duì)（注入電荷）轉(zhuǎn)換成從器件發(fā)射的光子（輸出光）的效率。是一個(gè)以百分?jǐn)?shù)（％）度量的性能系數(shù)。一個(gè)把100％注入電流轉(zhuǎn)換成輸出光的理想假設(shè)器件(即器件沒有以熱形式消耗)，在理論上應(yīng)具有100％的e。對(duì)GaALAs材料，e可從P-I特性的斜率（閾值以上）dP/dI求得：外量子效率e：標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體激光器，外量子效率典型值為15%~20%。內(nèi)量子效率i和外量子效率e的關(guān)系i和e既又關(guān)系又有差別。

i是半導(dǎo)體激光器把電子－空穴對(duì)（注入電流）轉(zhuǎn)換成光子（光）效率的直接表示，但要注意，并非所有光子都出射成為輸出光，有些光子由于各種內(nèi)部損耗而被重新吸收。e是半導(dǎo)體激光器把電子－空穴對(duì)（注入電流）轉(zhuǎn)換成輸出光的效率象征。外量子效率e總是比內(nèi)量子效率i小。幅度條件和相位條件4.3.4在兩平面反射鏡之間形成了一穩(wěn)定的振蕩，振蕩頻率可由諧振條件得到4.3.4諧振頻率閾值條件說明在諧振腔中，光波是在兩平面反射鏡之間往復(fù)傳輸?shù)?，只有平面鏡間距離是半波長的整數(shù)倍時(shí)，光波才能得到彼此加強(qiáng)λ為光波的波長，nc為增益介質(zhì)的折射率表明，對(duì)應(yīng)于m，激光器只能產(chǎn)生一些離散的波長。每個(gè)波長稱為激光器的一個(gè)縱模。相鄰兩波長(縱模)之間的波長之差約為：增益與波長的關(guān)系：其中l(wèi)0為中心波長輸出光譜：縱模選擇如果需要激光器工作在單縱模狀態(tài)就需要模式選擇技術(shù)4.3.4增益線寬σLED與LD的光譜比較LEDF-P腔濾波器F-P的諧振波長Dl為諧振峰的間隔：F-P自由譜寬頻域采樣4.3.4(N)InGaAsP：發(fā)光的作用區(qū)，其上下兩層稱為限制層，它們 一起形成異質(zhì)結(jié)并構(gòu)成光學(xué)諧振腔根據(jù)對(duì)橫模限制機(jī)制的不同進(jìn)一步可分為：增益引導(dǎo)型和折射率引導(dǎo)型銦鎵砷磷(InGaAsP)雙異質(zhì)結(jié)條形激光器：波長1300~1600nm4.3.5半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)橫向約束的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)：增益引導(dǎo)型機(jī)制：從頂層一個(gè)窄的條形歐姆接觸區(qū)進(jìn)行載流子注入，改 變有源區(qū)的折射率，從而對(duì)光子形成橫向的約束，能 有效抑制橫模特點(diǎn)：1)輻射功率高，但有2)散光性，且3)工作不穩(wěn)定In(I)1~5mm光強(qiáng)-20°0°20°機(jī)制：1)在橫向引入一個(gè)折射率分布實(shí)現(xiàn)對(duì)光模式的限制 2)在橫向?qū)㈦娏鲊?yán)格地限制在有源區(qū)，使得>60%的注 入電流用于發(fā)光特點(diǎn)：輸出光束具有很好的準(zhǔn)直性、能工作在基橫模橫向約束的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)：折射率引導(dǎo)型光強(qiáng)-10°0°10°4.3.6單縱模激光器Single-Modelasers式子和光譜圖表明：實(shí)現(xiàn)單模輸出的一條途徑是減少諧振腔長，增加模式之間的波長間隔，使Dl大于增益線寬

(即增加濾波器自由譜寬)Dl增益線寬4.3.6分布反饋式(DFB)激光器內(nèi)置布拉格光柵FBG：只有符合反射條件的光會(huì)得到強(qiáng)烈反射經(jīng)歷放大過程輸出的波長為：m是縱模的階數(shù)4.3.6單縱模激光器之二LED與LD相比，LED輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低。但LED性能穩(wěn)定，壽命長，使用簡單，輸出光功率線性范圍寬，而且制造工藝簡單，價(jià)格低廉。LED通常和多模光纖耦合，用于1310nm或850nm波長的小容量、短距離的光通信系統(tǒng)。

LD通常和單模光纖耦合，用于1310nm或1550nm大容量、長距離光通信系統(tǒng)。這是目前光纖通信發(fā)展的主要趨勢(shì)。LED與LD的比較4.4光發(fā)射機(jī)

在光纖通信系統(tǒng)中，必須將電信號(hào)經(jīng)過發(fā)射機(jī)變換為光信號(hào)耦合進(jìn)光纖才能傳輸?shù)浇邮斩恕Ｒ虼?，光發(fā)射機(jī)是系統(tǒng)的重要組成部分。

光發(fā)射機(jī)的示意圖一光發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)和指標(biāo)防止LD輸出的激光反射，實(shí)現(xiàn)光的單向傳輸保持LD組件內(nèi)恒定的溫度，保證激光參數(shù)的穩(wěn)定性使LD有恒定的光輸出功率數(shù)據(jù)電接口線路編碼驅(qū)動(dòng)電路調(diào)制器光隔離器LD功控溫控光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)

(1)輸出光功率及其穩(wěn)定性。發(fā)射機(jī)的輸出光功率，實(shí)際上是從其尾光纖的出射端測(cè)得的光功率，因此應(yīng)稱為出纖光功率。光功率的單位為μW或mW。在工程用相對(duì)值表示，即相對(duì)于1mW光功率的分貝數(shù)(1mW光功率定義為0dB)，即：

光發(fā)射機(jī)主要的有以下四項(xiàng)指標(biāo)

(2)消光比EXT。消光比是指全“0”碼時(shí)的平均光功率P0和全“1”碼時(shí)的平均光功率P1之比，即

消光比的大小有兩種意義：一是反映光發(fā)射機(jī)的調(diào)制狀態(tài)，消光比值太大，表明光發(fā)射機(jī)調(diào)制不完善，電光轉(zhuǎn)換效率低；二是影響接收機(jī)的接收靈敏度。

(3)光脈沖的上升時(shí)間tr,下降時(shí)間tf以及開通延遲時(shí)間td。這些時(shí)間都是為了使光脈沖成為輸入數(shù)字信號(hào)的準(zhǔn)確重現(xiàn)，即有相適應(yīng)的響應(yīng)速度。

(4)無張弛振蕩。若加的電信號(hào)脈沖速率較高，則輸出光脈沖可能引起張弛振蕩，這時(shí)必須加以阻尼，以使發(fā)射機(jī)能正常工作。

數(shù)據(jù)電接口線路編碼驅(qū)動(dòng)電路調(diào)制器光隔離器LD功控溫控光發(fā)射機(jī)三半導(dǎo)體激光器的調(diào)制方式光源的調(diào)制方式？4.3.74.3.9內(nèi)調(diào)制：信息流直接控制激光器的驅(qū)動(dòng)電流(<40GHz)調(diào)制外調(diào)制：使用調(diào)制器(如電光調(diào)制器)對(duì)輸出的光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制光源的調(diào)制內(nèi)調(diào)制速率限制：自發(fā)/受激輻射載流子壽命

信號(hào)啁啾4.3.74.3.9根據(jù)調(diào)制與光源的關(guān)系，調(diào)制方式可分為直接調(diào)制(內(nèi)調(diào)制)和間接調(diào)制（外調(diào)制）兩大類。直接調(diào)制/內(nèi)調(diào)制直接調(diào)制的特點(diǎn)：將要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)注入LD或LED調(diào)制后的光波振幅的平方比例于調(diào)制信號(hào)（強(qiáng)度調(diào)制）簡單、經(jīng)濟(jì)、容易實(shí)現(xiàn)響應(yīng)帶寬有限（~2.5Gb/s）引入調(diào)制啁啾直接調(diào)制是用電信號(hào)直接調(diào)制光源器件的偏置電流，使光源發(fā)出的光功率隨信號(hào)而變化。直接調(diào)制后的光波電場(chǎng)振幅的平方與調(diào)制信號(hào)成一定比例關(guān)系，是一種光強(qiáng)度調(diào)制(IM)的方法，僅適用于半導(dǎo)體光源(LD和LED)。內(nèi)調(diào)制基本依據(jù)：P-I曲線例：OTIP的超短脈沖光源U2TTMLL1550閾值電流在40mA左右LD的調(diào)制是通過改變其驅(qū)動(dòng)電流的辦法實(shí)現(xiàn)的4.3.7

間接調(diào)制是利用晶體的電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、聲光效應(yīng)等性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)對(duì)激光幅射的調(diào)制，這種調(diào)制方式既適應(yīng)于半導(dǎo)體激光器，也適應(yīng)于其它類型的激光器。

間接調(diào)制方式需要調(diào)制器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但可獲得優(yōu)良的調(diào)制性能，特別適合高速率光通信系統(tǒng)間接調(diào)制最常用的是外調(diào)制的方法，即在激光形成以后加載調(diào)制信號(hào)，其具體方法激光器諧振腔外的光路上放置調(diào)制器，在調(diào)制器上加調(diào)制電壓，使調(diào)制器的某些物理特性發(fā)生相應(yīng)的變化，當(dāng)激光通過它時(shí)，得到調(diào)制。間接調(diào)制/外調(diào)制光源的間接調(diào)制技術(shù)外調(diào)制技術(shù)：電光外調(diào)制器/馬赫-曾德調(diào)制器00p01.