光纤通信第3章

1、一般工作原理一般工作原理 体激光器体激光器 3.3 3.3 半导半导 光电器件一般工作原理光电器件一般工作原理 半导体激光器半导体激光器 ：原理、特性、结构，典型：原理、特性、结构，典型 的半导体激光器的半导体激光器 半导体发光二极管半导体发光二极管 ：原理、结构、特性：原理、结构、特性 光电检测器光电检测器 ：PIN 、APD 体积小体积小 效率高效率高 可靠性高可靠性高 工作波长与光纤低损耗窗口相对应工作波长与光纤低损耗窗口相对应 便于与光纤耦合便于与光纤耦合 工作速率高工作速率高 光辐射与光吸收光辐射与光吸收 能级理论：能级理论： 原子由原子核和核外沿固定轨道旋转的电子组原子由原子核和核

2、外沿固定轨道旋转的电子组 成；成； 能级所对应的能量值是离散的。能级所对应的能量值是离散的。 电子在特定的能级中运动，并通过与外界交换能电子在特定的能级中运动，并通过与外界交换能 量发生能级跃迁；量发生能级跃迁； 原子中的电子可以通过和外界交换能量的方式原子中的电子可以通过和外界交换能量的方式 发生量子跃迁，或称能级的跃迁。若交换的能量是发生量子跃迁，或称能级的跃迁。若交换的能量是 光能，则称为光跃迁。光跃迁同时存在着光的自发光能，则称为光跃迁。光跃迁同时存在着光的自发 辐射、受激辐射和受激吸收三种不同的基本过程。辐射、受激辐射和受激吸收三种不同的基本过程。 自发辐射：自发辐射： 处于高能态的

3、电子按照处于高能态的电子按照 一定的概率自发地跃迁到低一定的概率自发地跃迁到低 能态上，并发射一个能量为能态上，并发射一个能量为 E2-E1的光子；的光子； 光子随机光子随机 地向各个方向地向各个方向 发射，每次发发射，每次发 射没有确定的射没有确定的 相位相位非相干非相干 光。光。LEDLED发光。发光。 受激辐射受激辐射 ： 处在高能态的电子在外界处在高能态的电子在外界 光场的感应下，发射一个和感光场的感应下，发射一个和感 应光子相同光子态的光子，跃应光子相同光子态的光子，跃 迁到低能态。迁到低能态。 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

4、，光子能量就，光子能量就 会被吸收，同时基态上的电会被吸收，同时基态上的电 子跃迁到高能态。半导体光子跃迁到高能态。半导体光 检测器基于这种效应。检测器基于这种效应。 称为激活物质。激活物质。 )exp( 12 1 2 kT EE N N 式中，式中， k=1.38110-23J/K为波尔兹曼常数，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。为热力学温度。 由于由于(E2-E1)0，T0，所以在这种状态下，总是，所以在这种状态下，总是N1N2。 电子电子 总是首先占据低能量的轨道。总是首先占据低能量的轨道。 能带理论能带理论针对半导体材料针对半导体材料 导带导带 禁带禁带 价带价带 N型半导体中过剩电子占

5、据了导带型半导体中过剩电子占据了导带 P型半导体中过剩空穴占据了价带型半导体中过剩空穴占据了价带 PN结结 在在P型和型和N型半导体组成的型半导体组成的PN结界面上，由于存结界面上，由于存 在多数载流子浓度梯度，因而产生扩散运动，形成在多数载流子浓度梯度，因而产生扩散运动，形成内内 部电场部电场 内部电场支持少数载流子的漂移运动，最终两种内部电场支持少数载流子的漂移运动，最终两种 运动处于平衡状态运动处于平衡状态 P 区 PN 结空 间电 荷区 N 区 扩散 漂移 PN结结 费米能级表征电子在导带和价带的占居几率。费米能级表征电子在导带和价带的占居几率。在 费米能级，被电子占据和空穴占据的概率

6、相同。 处于热平衡状态时，处于热平衡状态时， PN结两侧的费米能级相等。结两侧的费米能级相等。 内建电内建电 场由场由N 区指向区指向 P区区 PN结结 当正向电压加大到某一值后，当正向电压加大到某一值后， PN结里出现增益区（有结里出现增益区（有 源区）。源区）。 在在Efc和和Efv之间价带主要由空穴占据，导带主要由电子之间价带主要由空穴占据，导带主要由电子 占据，即实现了占据，即实现了粒子数反转分布粒子数反转分布。 势垒降低，费米能势垒降低，费米能 级分裂级分裂 LD 适合于作高速长距离光纤通信系统的光适合于作高速长距离光纤通信系统的光 源。源。 优点：辐射功率高；发散角窄；与单模光纤耦

7、合优点：辐射功率高；发散角窄；与单模光纤耦合 效率高；辐射光谱窄；能进行高速直接调制。效率高；辐射光谱窄；能进行高速直接调制。 激光二极管激光二极管LD通过受激辐射发光；通过受激辐射发光； LD可以发出可以发出单色性和定向性好、强度和相干性高单色性和定向性好、强度和相干性高 的光的光 放大器：放大器： 有源区（又称为增益有源区（又称为增益 区）是实现粒子数反区）是实现粒子数反 转分布、有光增益的转分布、有光增益的 区域区域 光反馈装置光反馈装置 ： 光学谐振腔提供必要光学谐振腔提供必要 的正反馈以促进激光的正反馈以促进激光 振荡振荡 半导体激光器是一种半导体激光器是一种PN结构成的二极结构成的

8、二极 管结构，通过注入正向电流进行泵浦，当管结构，通过注入正向电流进行泵浦，当 注入电流达到一定的阈值后，在结区形成注入电流达到一定的阈值后，在结区形成 一个一个粒子数反转分布的区域粒子数反转分布的区域，价带主要由，价带主要由 空穴占据，而导带主要由电子占据。对于空穴占据，而导带主要由电子占据。对于 光子能量满足光子能量满足Eghve0V 的光子有的光子有光放光放 大大作用，这个区域被称为有源区，半导体作用，这个区域被称为有源区，半导体 激光器的激光器的光激射光激射就发生在这个区域就发生在这个区域 F-P谐振腔是一种最简单的光学反馈装置，它谐振腔是一种最简单的光学反馈装置，它 由一对平行放置的

9、平面反射镜（通常直接利用半导由一对平行放置的平面反射镜（通常直接利用半导 体晶体材料的天然解理面）组成体晶体材料的天然解理面）组成 。往返反射构成往返反射构成 正反馈正反馈。 实现稳定振荡必须满足的实现稳定振荡必须满足的 振幅条件振幅条件 相位条件相位条件 m为整数为整数 G和和F分别为基本放大器和反馈网络的正分别为基本放大器和反馈网络的正 向传输函数向传输函数 振幅条件振幅条件 光在F-P谐振腔内的传播同时受到增益和 衰减两大相互矛盾因素的共同作用 1GF 2GFm 一方面，在外部激励源的作用下，激光一方面，在外部激励源的作用下，激光 器内部形成粒子数反转的有源区，器内部形成粒子数反转的有源

10、区，往返传输往返传输 的光子不断诱发受激辐射的光子不断诱发受激辐射，使得光信号不断，使得光信号不断 增强。增强。 另一方面，腔内也存在着衰减，例如镜另一方面，腔内也存在着衰减，例如镜 面的反射衰减（镜面反射率总是小于面的反射衰减（镜面反射率总是小于1）、）、 工作物质的吸收和散射衰减等工作物质的吸收和散射衰减等 当光信号往返传输一周幅度不发生变化当光信号往返传输一周幅度不发生变化 时称为达到阈值状态。时称为达到阈值状态。 l相位条件相位条件 沿轴向发射的光在谐振腔中往返一周的光程差 为2nL（L为腔长，n为介质的折射率），对应的相 位延迟为2(2nL/) 则发生相长干涉相长干涉的条件： 2(2

11、nL/)q 2 q为整数 即： 2nL/q 又： =c/ 则 谐振腔的选频特性谐振腔的选频特性 nL c q q 2 nL c q 2 谐振腔的选方向性谐振腔的选方向性 在轴向自发辐射的诱发下，在轴向产生光的在轴向自发辐射的诱发下，在轴向产生光的 受激发射，从而获得光的受激放大。被受激放大受激发射，从而获得光的受激放大。被受激放大 的光在腔镜处反射后，又继续在轴向获得受激放的光在腔镜处反射后，又继续在轴向获得受激放 大。大。 非轴向的自发辐射经有限次往返反射后，逃非轴向的自发辐射经有限次往返反射后，逃 逸出腔外。逸出腔外。 F-P腔中满足谐腔中满足谐 振条件的纵模是均振条件的纵模是均 匀分布的

12、：匀分布的： l纵模数随注入电流变化纵模数随注入电流变化 (电流增加纵模数减小）电流增加纵模数减小） l峰值波长随温度变化峰值波长随温度变化 (电流增大，结温升高，禁带电流增大，结温升高，禁带 变窄，波长变长变窄，波长变长) l动态谱线展宽动态谱线展宽 （脉冲调制，电流变，有源区载（脉冲调制，电流变，有源区载 流子浓度变，折射率变，激光器的谐振频率变，动态谱线流子浓度变，折射率变，激光器的谐振频率变，动态谱线 展宽）展宽） 仅有主模能够产生振荡。仅有主模能够产生振荡。 绝大部分功率都集中在绝大部分功率都集中在 一个纵模上一个纵模上; 谱宽较窄，谱宽较窄， 单色性较单色性较 当驱动电流足够大时，

13、主当驱动电流足够大时，主 模的增益增加，边模的增模的增益增加，边模的增 益减小，益减小，多纵模多纵模变为变为单纵单纵 模模，这种激光器称为，这种激光器称为静态静态 单纵模激光器单纵模激光器。 是一种稳定的电磁场分布；是一种稳定的电磁场分布； 表现为激光器输出能量在空间上的稳定分布表现为激光器输出能量在空间上的稳定分布 近场近场是指激光器输出是指激光器输出 远场远场是指离反是指离反 反射镜面上的光强分布反射镜面上的光强分布 射射镜面一定距镜面一定距离离 处的光强分布。处的光强分布。 （1）阈值电流（阈值电流（Ith） 在在P-I曲线中，激光器由自发辐射到开始受激振荡曲线中，激光器由自发辐射到开始

14、受激振荡 时的临界注入电流，称为时的临界注入电流，称为阈值电流阈值电流。它是一个正向电。它是一个正向电 流值，用符号流值，用符号Ith表示表示 下图为利用下图为利用P-I曲线求解曲线求解Ith的三种做法（双斜率法的三种做法（双斜率法 ）、）、 （反向延长法（反向延长法 ）、（二阶求导法）、（二阶求导法 ） （2）功率线性度功率线性度 理论偏离程度理论偏离程度 （3）光输出饱和度光输出饱和度 光输出跌落光输出跌落 （4）激光器效率激光器效率 采用功率效率和各类量子效率指标来衡量激光采用功率效率和各类量子效率指标来衡量激光 器的换能效率器的换能效率 功率效率功率效率定义为定义为 Pex为激光器发射

15、的光功率，为激光器发射的光功率，Vj为激光器的结电为激光器的结电 压，压，Rs为激光器的串联电阻，为激光器的串联电阻，I为注入电流为注入电流 ex p 2 js P VII R 激光器辐射的光功率 激光器消耗的电功率 量子效率量子效率分为内量子效率、外量子效率和外分为内量子效率、外量子效率和外 微分量子效率微分量子效率 内量子效率内量子效率定义为定义为 用用Rr和和Rnr分别表示辐射复合和非辐射复合分别表示辐射复合和非辐射复合 （能量差，释放声子，变为晶格振动）（能量差，释放声子，变为晶格振动）的速率，内量子的速率，内量子 效率效率 i可以表示为可以表示为 i 有源区里每秒钟产生的光子数 有源

16、区里每秒钟注入的电子空穴对数 r i nrr R RR 外量子效率外量子效率 ex定义为定义为 由于由于 所以所以 I是激光器的注入电流，是激光器的注入电流，V是是PN结上的外加电压结上的外加电压 定义定义外微分量子效率外微分量子效率 D为为 由于由于 , 所以所以 ex 激光器每秒钟发射的光子数 激光器每秒钟注入的电子空穴对数 g0 hEe V ex ex P IV exth D th0 () / / PPh IIe exth PP ex D th0 / / Ph IIe ex 0 / / Ph I e （5）热稳定性热稳定性 激光器的变温激光器的变温P-I曲线曲线 外微分外微分量子效量子效

17、 率率随温度的升随温度的升 高而下降高而下降 阈值电流阈值电流随温随温 度的升高而加度的升高而加 大大 （1）峰值波长（）峰值波长（ p）：强度最大的光谱波长）：强度最大的光谱波长 （2）中心波长（）中心波长（ c）：峰值半功率点所限定的波谱范围）：峰值半功率点所限定的波谱范围 中点对中点对 应的波长应的波长 （4）边模抑制）边模抑制 比（比（SSR） （5）模式跳跃）模式跳跃 （3）谱宽与线宽）谱宽与线宽 ： 包含所有振荡模式在内的发射谱总宽度包含所有振荡模式在内的发射谱总宽度-谱宽谱宽 单独模式的宽度称为单独模式的宽度称为线宽线宽。 单频激光器的谱宽等于线宽单频激光器的谱宽等于线宽 有源区

18、的结构有源区的结构 半导体激光器的复合发光区域是有源区。有源区通半导体激光器的复合发光区域是有源区。有源区通 常由一个或多个垂直方向的常由一个或多个垂直方向的PN结构成。结构成。 根据根据PN结的性质不同，分为结的性质不同，分为 同质结：同质结： PN结的两边使用相同的半导体材料。结的两边使用相同的半导体材料。 双异质结：双异质结：在宽带隙的在宽带隙的P 型和型和N型半导体材料之间插型半导体材料之间插 进一薄层窄带隙的材料。进一薄层窄带隙的材料。 异质结：异质结：带隙差形成 的势垒将电子和空穴 限制在有源区复合发 光；折射率使光场 （光子）有效地限制 在有源区。 大面积激光器大面积激光器 使用

19、较少使用较少 增益导引半导体激光器增益导引半导体激光器使用较少使用较少 折射率导引半导体激光器折射率导引半导体激光器 广泛使用广泛使用 弱折射率导引脊形波导激光器弱折射率导引脊形波导激光器 强折射率导引强折射率导引掩埋异质结激光器掩埋异质结激光器 大面积激光器 是结构最简单的是结构最简单的LD：一：一 个薄的有源层夹在个薄的有源层夹在P型和型和 N型限制层中间。型限制层中间。 正向电流在较大面积正向电流在较大面积 注入，所以称为大面积注入，所以称为大面积 激光器激光器 缺点：缺点：沿激光器整个宽沿激光器整个宽 度上都存在光辐射，因度上都存在光辐射，因 此损耗大，阈值电流高。此损耗大，阈值电流高

20、。 F-P腔激光腔激光 器的构成器的构成 N、P：重：重 掺杂掺杂 强折射率导引：强折射率导引： 结构特点：结构特点：有源区被若有源区被若 干低折射率层从各个方向干低折射率层从各个方向 掩埋。掩埋。 优点优点:侧向折射率差较大，侧向折射率差较大， 对光场限制作用强；光空对光场限制作用强；光空 间分布稳定性高，被大多间分布稳定性高，被大多 数光波系统采用。数光波系统采用。 横截面示意图横截面示意图 最早商用最早商用 结构简单、容易制造结构简单、容易制造 基本为多纵模工作方式基本为多纵模工作方式 直接调制时动态谱线展宽明显直接调制时动态谱线展宽明显 不适合现代大容量长距离光纤传输和波不适合现代大容

21、量长距离光纤传输和波 分复用系统分复用系统 DFB激光器的基本原理激光器的基本原理 无集总式的无集总式的 谐振腔反射镜装谐振腔反射镜装 置，光栅反馈、置，光栅反馈、 选频改善单色性，选频改善单色性， 不使用晶体解理不使用晶体解理 面，易集成（如面，易集成（如 多频多频DFB激光器激光器 阵列）阵列） DFB和和DBR激光器的构成激光器的构成 波导分区设计，避免晶格损伤 DFB的优点的优点 l波长选择性波长选择性 纵模间隔远大于增益谱宽，易实现单纵模工纵模间隔远大于增益谱宽，易实现单纵模工 作，改变作，改变 可选波长可选波长 l线宽窄，波长稳定性好线宽窄，波长稳定性好 光栅波长选择性比光栅波长选

22、择性比F-P反射面好；反射面好； 锁定在给定波长锁定在给定波长 l动态单纵模动态单纵模 调制时谱展宽（啁啾）比调制时谱展宽（啁啾）比F-P腔小一个量级左腔小一个量级左 右右 l高线性度高线性度 适合模拟调制，广泛用于有线电视（适合模拟调制，广泛用于有线电视（CATV ） 光纤传输系统光纤传输系统 基于波纹光栅的光学谐振器，材料折射率在空间某方基于波纹光栅的光学谐振器，材料折射率在空间某方 向上呈现周期变化（正弦或三角波、方波），为受激辐射向上呈现周期变化（正弦或三角波、方波），为受激辐射 光子提供周期性反射点。光子提供周期性反射点。 图中图中I，I ，I 等光束满足同相位相加的条件为等光束满足

23、同相位相加的条件为 是波纹光栅的周期，也称为是波纹光栅的周期，也称为栅距栅距；m为整数；为整数；n为材料为材料 等效折射率；等效折射率； 为波长为波长 由图中所示由图中所示B， ， 的几何关系，上式也可表示为的几何关系，上式也可表示为 上式即为上式即为布喇格反射条件。形成该方向上的主极强布喇格反射条件。形成该方向上的主极强 当当 时时 布喇格布喇格条件简化为条件简化为 有源区的光在栅条间来回振荡，每有源区的光在栅条间来回振荡，每 相对于微相对于微F-P腔腔 2 /Bmn 1sinnm mn2 与与F-P腔相比，采用布喇格反射器作为激光器的光腔相比，采用布喇格反射器作为激光器的光 学谐振装置存在

24、如下学谐振装置存在如下优点优点 l发射光谱主要由光栅周期发射光谱主要由光栅周期 决定决定， 对应对应F-P腔腔LD 的腔长的腔长L，每一个，每一个 形成一个微型谐振腔。由于形成一个微型谐振腔。由于 的的 长度很小，所以长度很小，所以m阶和（阶和（m + 1）阶模之间的）阶模之间的波长波长 间隔比间隔比F-P腔大得多腔大得多，加之，加之多个微型谐振腔的选模多个微型谐振腔的选模 作用作用，很容易设计成单纵模（单频）振荡，很容易设计成单纵模（单频）振荡 l布喇格反射可比作布喇格反射可比作多级调谐多级调谐，使谐振波长的选择使谐振波长的选择 性大大提高，谱线明显变窄性大大提高，谱线明显变窄。并且光栅的作

25、用有助。并且光栅的作用有助 于使发射波长锁定在谐振波长上，使波长的稳定性于使发射波长锁定在谐振波长上，使波长的稳定性 改善。改善。 实现光反馈，提供精细的频率选择实现光反馈，提供精细的频率选择 量子阱方案的能带示意图量子阱方案的能带示意图 与与DH LD比较，超晶格结构给量子阱激光器比较，超晶格结构给量子阱激光器 带带 来的优越特性：来的优越特性： l阈值电流低阈值电流低 阱结构中态密度阱结构中态密度“浴盆浴盆”底部平坦，底部平坦， 小电流也能获得大增益，小电流也能获得大增益，Ith低至亚毫安，易于驱动低至亚毫安，易于驱动 或输出大更大功率或输出大更大功率 l波长可调谐波长可调谐 导带和价带中

26、的基态间的能级差随势导带和价带中的基态间的能级差随势 阱宽度而变化，调势阱宽度可调波长阱宽度而变化，调势阱宽度可调波长 l线宽窄，频率啁啾低线宽窄，频率啁啾低 直接调制时，注入电流变化直接调制时，注入电流变化 载流子浓度变化，折射率变化，激射谱展宽，啁啾载流子浓度变化，折射率变化，激射谱展宽，啁啾 和线宽增强因子相关，而其和有源区厚度有关。一和线宽增强因子相关，而其和有源区厚度有关。一 般般FPLD的的60% l调制速率高调制速率高 QW结构提高微分增益，提高张弛振结构提高微分增益，提高张弛振 荡频率，改善频响特性，适合高速系统荡频率，改善频响特性，适合高速系统 l温度稳定性强温度稳定性强 子

27、能带间存在禁带，温度变化不会子能带间存在禁带，温度变化不会 引起载流子分布的扩展引起载流子分布的扩展 lMQW-DFB MQW-DBR 多量子阱有源层上制作多量子阱有源层上制作 光栅，单频、窄线宽、小啁啾、无跳模的工作特性光栅，单频、窄线宽、小啁啾、无跳模的工作特性 VCSEL激光器的结构 前面是边发光器件，前面是边发光器件， 发射方向平行于发射方向平行于 PN结的结平面，结的结平面， 面积大，不利于二面积大，不利于二 维或三维集成。维或三维集成。 VCSEL：电流和发：电流和发 射光束方向都与芯射光束方向都与芯 片表面垂直片表面垂直 VCSEL的主要优点的主要优点 l激射性能：激射性能：阈值

28、低、发光效率高、波长可选阈值低、发光效率高、波长可选 易于动态单模工作易于动态单模工作 l耦合性能：耦合性能：窄圆柱形高斯光束，和光纤最佳窄圆柱形高斯光束，和光纤最佳 耦合耦合 l封装性能：封装性能：体积小，易于制成阵列体积小，易于制成阵列 l调制性能：调制性能：速度快，到吉比特速度快，到吉比特/秒，温度稳定秒，温度稳定 性好性好 l制作性能：制作性能：模块化强、工艺简单，易于集成模块化强、工艺简单，易于集成 发光二极管发光二极管是非相干光源是非相干光源，它的发射过程，它的发射过程 主要对应光的主要对应光的自发辐射自发辐射过程。在发光二极管的结过程。在发光二极管的结 构中不存在谐振腔，发光过程

29、中构中不存在谐振腔，发光过程中PN结也不一定结也不一定 需要实现粒子数反转。当注入正向电流时，需要实现粒子数反转。当注入正向电流时，注入注入 的非平衡载流子的非平衡载流子在扩散过程中复合发光。在扩散过程中复合发光。 发 光 二 极发 光 二 极 管 可 分 为管 可 分 为 边 发 射 型边 发 射 型 和 面 发 射和 面 发 射 型型 面发光面发光LED： 从平行于结平面的表面发光。从平行于结平面的表面发光。 工艺简单、发散角大、效率低、调制带宽较窄工艺简单、发散角大、效率低、调制带宽较窄 为提高面发光为提高面发光LED与光纤的耦合效率：与光纤的耦合效率： 在井中放置一个截球透镜；在井中放

30、置一个截球透镜； 或者将光纤末端形成球透镜。或者将光纤末端形成球透镜。 发散角、耦合发散角、耦合效率和调制带发散角、耦合发散角、耦合效率和调制带 效率和调制带宽均比面发光效率和调制带宽均比面发光LED有改善有改善 l发射谱线和发散角发射谱线和发散角 边边: =1200， =300,面面: 1200;自发自发辐射谱线：导带和价带包含许多能级，辐射谱线：导带和价带包含许多能级， GaAlAs的的LED谱宽谱宽30-50 nm, InGaAsPLED 谱宽谱宽60- 120 nm，耦合效率低、光纤传输色散严重，耦合效率低、光纤传输色散严重 l响应速度响应速度 受载流子自发辐射寿命时间限制受载流子自发

31、辐射寿命时间限制,高掺高掺 杂或高注入电流减小自发辐射寿命时间。杂或高注入电流减小自发辐射寿命时间。LD吉赫吉赫 兹、兹、LED数百兆数百兆 l热特性热特性 LED不是阈值器件，不是阈值器件，GaAlAs LED输出功输出功 率变化率率变化率 小，可不温控小，可不温控 l优点优点 寿命长，可靠性高，调制电路简单，成本低寿命长，可靠性高，调制电路简单，成本低 半导体光源一般性能和应用半导体光源一般性能和应用 LED通常和通常和多模光纤多模光纤耦合，用于耦合，用于1.3 m(或或0.85 m)波长的小容量短距离系统。因为波长的小容量短距离系统。因为LED发光面积发光面积 和和光束辐射角光束辐射角较

32、大，而多模较大，而多模SIF光纤或光纤或G.651规范的规范的 多模多模GIF光纤具有较大的芯径和数值孔径，有利于光纤具有较大的芯径和数值孔径，有利于 提高提高耦合效率耦合效率，增加，增加入纤功率入纤功率。 LD通常和通常和G.652或或G.653规范的规范的单模光纤单模光纤耦合，耦合， 用于用于1.3 m或或1.55 m大容量长距离系统。大容量长距离系统。 分布反馈激光器分布反馈激光器(DFB-LD)主要和主要和G.653或或 G.654规范的单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，规范的单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合， 用于超大容量的新型光纤系统。用于超大容量的新型光纤系统。 半导体激光器和发

33、光二极管的一般性能半导体激光器和发光二极管的一般性能 -2050 -2050-2050 -2050工作温度 /C 寿命 t/h 30120 30120 2050 2050辐射角 50150 301005002000 5001000调制带宽 B/MHz 0.10.3 0.10.213 13入纤功率 P/mW 15 13510 510输出功率 P/mW 100150 100150工作电流 I/mA 2030 3060阀值电流 Ith/mA 50100 6012012 13谱线宽度 1.3 1.551.3 1.55工作波长 LEDLD / nm/ )/( 76 1010 65 1010 8 10 7

34、 10 / m 分布反馈激光器一般性能分布反馈激光器一般性能 /nm 2040 1530输出功率 P/mW (连续单纵模,25C) 20 15外量子效率 /% 1520 2030阀值电流 Ith/mA 0.08频谱漂移 /(nm/C) 3035边模抑制比 /dB 0.040.5(Gb/s,RZ)直接调制单纵模 连续波单纵模 谱线宽度 1.3 1.55工作波长m/ d 34 1010 /m 1光与物质间的作用有哪三种基本过程？它们各自的光与物质间的作用有哪三种基本过程？它们各自的 特点是什么？特点是什么？ 2什么是粒子数反转分布？什么是粒子数反转分布？ 3构成激光器必须具备哪些功能部件？构成激光

35、器必须具备哪些功能部件？ 4什么是激光器的阈值条件？什么是激光器的阈值条件？ 5异质结激光器是怎样降低阀值电流的？异质结激光器是怎样降低阀值电流的？ 6半导体激光器发射光子的能量近似等于材料的禁带半导体激光器发射光子的能量近似等于材料的禁带 宽度，已知宽度，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，求它们的发射波长。（，求它们的发射波长。（eV是能量单位，是能量单位， 表示一个电子在表示一个电子在1伏特电压差下所具有的能量）伏特电压差下所具有的能量） 光纤通信中对光电检测器最重要的几点要求如光纤通信中对光电检测器最重要的几点要求如

36、下：下： l l 在所用光源的波长范围内有较高的响应度；在所用光源的波长范围内有较高的响应度； l l 较小的噪声；较小的噪声； l l 响应速度快；响应速度快； l l 对温度变化不敏感；对温度变化不敏感； l l 与光纤尺寸匹配；与光纤尺寸匹配； l l 工作寿命长工作寿命长 l光电检测的原理光电检测的原理 lPIN光电二极管：原理、结构和工作特性光电二极管：原理、结构和工作特性 l雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD）：原理、结构）：原理、结构 l光电检测器的噪声光电检测器的噪声 在 光 的 照 射在 光 的 照 射 下，材料的电学性下，材料的电学性 质发生变化的现象质发生变化的现象

37、叫做叫做光电效应光电效应。半。半 导体材料零偏导体材料零偏PN 结产生光生电动势结产生光生电动势 的现象称为的现象称为光伏效光伏效 应应。 受激吸收受激吸收 光电检测的原理光电检测的原理 无光照时，同一无光照时，同一 般的二极管；般的二极管； 光照射时，零偏光照射时，零偏 或反偏时，内建或反偏时，内建 场作用下少子的场作用下少子的 漂移运动产生光漂移运动产生光 电流，光电流方电流，光电流方 向在向在p-n结内由结内由p 区指向区指向n区，为区，为 反向电流，因此反向电流，因此 曲线向下平移。曲线向下平移。 V(V) I(A) Voc Isc 反向偏压反向偏压Vb 反向电流反向电流 E E 增增

38、 大大 Ip=SEE E=0 E1 E2 光伏效应器件伏安特性光伏效应器件伏安特性 曲线曲线 光伏效应 加反向偏压后光电二极管及其能带结构加反向偏压后光电二极管及其能带结构 PIN光电二极管的原理和结构光电二极管的原理和结构 （1）上截止波长）上截止波长 光电效应必须满足条件光电效应必须满足条件 hvEg 或或 c是真空中的光速，是真空中的光速， 是入射光的波长，是入射光的波长，h是普朗克常量是普朗克常量 入射光的波长必须小于某个临界值，才会发生光电效入射光的波长必须小于某个临界值，才会发生光电效 应，这个临界值就叫做应，这个临界值就叫做上截止波长上截止波长，定义为，定义为 g hc E gg

39、 1 .2 4 c h c EE （2）响应波长的下限）响应波长的下限 设设x = 0时，光功率为时，光功率为p(0)，材料吸收系数为，材料吸收系数为 ( ) 经过经过 x 距离后吸收的光功率可以表示为距离后吸收的光功率可以表示为 下降，材料表面层的吸收严重，电子下降，材料表面层的吸收严重，电子-孔穴对在中孔穴对在中 性区被复合。性区被复合。 0e x p xp1 常用常用量子效率量子效率和和响应度响应度衡量衡量光电转换效率光电转换效率 当入射功率为当入射功率为P0时，时，光生电流光生电流可以表示为可以表示为 r是入射表面的反射率，是入射表面的反射率，w1是零电场的表面层的厚度，是零电场的表面

40、层的厚度， w是耗尽区的厚度是耗尽区的厚度 量子效率量子效率表示入射光子能够转换成光电流的概率表示入射光子能够转换成光电流的概率 0 01 1exp1 exp p e Ir pww h 0 1 0 1exp1-exp p I / e =-r-w-w p / h 要要提高量子效率提高量子效率，必须采取如下措施：，必须采取如下措施： 尽量减小光子在表面层的反射率，增加入射到尽量减小光子在表面层的反射率，增加入射到 光电二极管中的光子数；光电二极管中的光子数； 尽量减小中性区的厚度，增加耗尽区的宽度，尽量减小中性区的厚度，增加耗尽区的宽度， 使光子在耗尽区被充分地吸收使光子在耗尽区被充分地吸收 光电转换效率也可以直接用光生电流光电转换效率也可以直接用光生电流Ip和入射和入射 光功率光功率p0的比值来表示的比值来表示,称其为称其为响应度响应度 0 0 p I e R ph 响应速度常用响应时间（上升时间和下降时响应速度常用响应时间（上升时间和下降时 间）（间）（1090）来表示。）来表示。 影响响应速度的主要因素有影响响应速度的主要因素有3点点 ： （