第五章半导体激光器原理介绍

1、第五章 半导体激光器原理深圳大学光电工程学院目录n5.1 5.1 半导体中的光发射半导体中的光发射n 5.1.1 5.1.1 光的吸收与发射光的吸收与发射n 5.1.2 5.1.2 半导体的光发射半导体的光发射n5.2 5.2 半导体激光器原理与结构半导体激光器原理与结构n5.3 5.3 半导体激光器的特性半导体激光器的特性n5.4 5.4 光源与光纤的耦合光源与光纤的耦合5.1 5.1 半导体中的光发射半导体中的光发射原子是由原子核和核外电子构成 ,原子核由正电的质子和中子构成；电子带负电，质量为9.1091x10-28克 在没有外加激发条件下最外层电子处于原子的能量最低状态在没有外加激发条

2、件下最外层电子处于原子的能量最低状态 在外加激发条件下最外层电子处于原子的能量高能态在外加激发条件下最外层电子处于原子的能量高能态 光子与物质（电子）的相互作用光子与物质（电子）的相互作用5.1.1 5.1.1 光的吸收与发射光的吸收与发射 电子在两个能级之间的跃迁是能量为能量为hf=Ehf=E2 2-E-E1 1的光子的光子被吸收和发射的过程图3.1.1基态基态激发态激发态(a)、光的受激吸收3-1-112W-受激吸收几率【1/s】3-1-2f-入射光波的能量密度【W/m3Hz】12B-爱因斯坦受激吸收系数1212fWB2121dNW Ndt 333318exp() 1:081exp() 1

3、:RRfRfdnfndfhfhfckTnhfhfckTk半导体材料的折射率，若色散为 ，则：普朗克常数3-1-3普朗克公式：推导思路：利用光波在光学腔内稳定振荡的驻波条件-每个波矢k（E）决定了光子的两个状态（TE、TM），求出单位体积与单位波矢间隔的光子状态数，在乘上每个状态被光子占据的几率（玻色-爱因斯坦分布）就可得到公式3-1-3入射光波的能量密度入射光波的波长(b)、光的自发发射3-1-42212dNA Ndt 21A-爱因斯坦自发发射系数【1/s】，表示每个原子单位时间内从上能级跃迁到下能级的自发发射几率2212dNA dtN 0022212( )exp()exp()sptN tNA

4、 tN211/spA-E2的自发发射寿命。意义？上能级处的原子数目减少到初始值的上能级处的原子数目减少到初始值的1/e1/e所需要的时间所需要的时间完全由原子系统决定完全由原子系统决定与入射信号无关的随机发射非相干光与入射信号无关的随机发射非相干光(c)、光的受激发射2212dNW Ndt 3-1-6 2121fWB3-1-7 -受激发射几率 21W-爱因斯坦受激发射系数 21B 由原子系统与入射光信号决定由原子系统与入射光信号决定 与入射光同态与入射光同态-相干光相干光(d)、爱因斯坦关系热平衡时上下能级处的原子数目一定-单位时间因受激吸收而在E2能级增加的原子数=因受激发射和自发发射而在E

5、2能级减少的原子数121212212ffBNA NBN3-1-8热平衡下在能级Ei处的原子数服从波尔兹曼分布0exp()iiiiENg NkT求出212121212fA NB NB N12121212/(/)exp()gEENNggkTg、为两能级的兼并度3-1-9得：1221BB3213218()AhfBc3-1-13两能级兼并度相同g1=g2，受激发射几率B21=受激吸收几率B123381exp() 1fhfhfckT21hfEE122121(/)Bgg B2111221212211exp() 1fAg BEEBg BkT比较普朗克公式3-1-12自发发射几率A21比上受激发射几率B21为

6、常数结论结论1 1：热平衡时不可能产生受激发射为主的光发射，除非必须满足热平衡时不可能产生受激发射为主的光发射，除非必须满足 N N2 2 N N1 1-粒子数反转粒子数反转21221211ffB NNB NN受激发射速率受激吸收速率3-1-142122121221ffB NBA NA受激发射速率自发发射速率3-1-15结论结论2 2：可能产生受激发射为主的光发射的另一条件是要有足够强：可能产生受激发射为主的光发射的另一条件是要有足够强的输入光场的输入光场 f f书中例题3.1.1（p82），白炽灯发出光的成分2113213 10fBA 受激发射速率自发发射速率5.1.2 半导体中的光发射 1

7、 1、pnpn结及电致发光结及电致发光n能带能带n费米能级及载流子分布的规律费米能级及载流子分布的规律n掺杂掺杂n能带图及能带图及pnpn结的电流电压特性结的电流电压特性n载流子的复合与发光载流子的复合与发光半导体？ 导电特性介于导体与绝缘体之间 一种晶体 基态及激发态的表述、分布规律？ 如何实现粒子数反转？EcEvEcEFpMEFneVopnEoEvnp(a)VInpEoEe(VoV)eVEcEFnEvEvEcEFp(b)(c)Vrnpe(Vo+Vr)EcEFnEvEvEcEFpEo+E(d)I = Very SmallVrnpThermalgenerationEcEFnEvEcEFpEve

8、(Vo+Vr)Eo+EEnergy band diagrams for a pn junction under (a) open circuit, (b) forwardbias and (c) reverse bias conditions. (d) Thermal generation of electron holepairs in the depletion region results in a small reverse current.SCL 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)pnpn结能带图与单向导电特性结能带图与单

9、向导电特性正向特性正向特性反向特性势垒高度势垒高度2ln()/adDigN NkTVenEe正向偏置正向偏置V V反向偏置反向偏置nAIShockley equationSpace charge layergeneration.VmAReverse I-V characteristics of apn junction (the positive andnegative current axes havedifferent scales)I = Ioexp(eV/kBT) 1 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)V-IV-I曲线曲线正

10、向扩散电流正向扩散电流反向漏电流反向漏电流V VD D0exp(/) 1BIIeV k T反向击穿反向击穿反向击穿电压反向击穿电压V VB BV VB Bp pn0n0n np0p0n np pp pn0n0p pn nn np0p0载流子的载流子的与与扩散长度扩散长度L L与复合与复合辐射复合辐射复合发光区发光区（有源区）（有源区）非辐射复合非辐射复合正向偏置下载流子的电正向偏置下载流子的电注入与发光过程注入与发光过程L LL L发光区发光区电子由导带跃迁至价带电子由导带跃迁至价带空穴并释放相应能量的过程空穴并释放相应能量的过程电子由导带跃迁至价带电子由导带跃迁至价带空穴并释放相应能量光子的

11、过程空穴并释放相应能量光子的过程电子由导带跃迁至价带电子由导带跃迁至价带空穴并释放相应能量声子的过程空穴并释放相应能量声子的过程热热发光发光空间电荷区空间电荷区同质结发光的缺点：同质结发光的缺点：1.1. 发光范围宽、效率低发光范围宽、效率低2. 2. 无波导效应、传光范围宽无波导效应、传光范围宽3. 3. 光子再吸收效应光子再吸收效应n np pp pn n载流子（过剩EHP）的复合 复合 外加电压引起pn结的载流子注入，产生“过剩载流子-过剩的电子空穴对”，处于“高能态”的它们必须以某种能量交换的方式恢复到稳定的“低能态”，把“高能态”电子（如导带、施主杂质能级ED等）跃迁到相应的价带(E

12、A)、同时释放能量的过程叫做复合； 辐射复合 “高能态”电子（如导带、施主杂质能级ED等）跃迁到相应的价带(EA) 、同时释放能量等于其高低能量差的光子 非辐射复合 不伴随光辐射的复合过程复合模型 光子 用量子力学描述的能量为hv（v为光波频率）的不带电粒子 声子 用量子力学描述的能量为hvk（vk为声波频率）的不带电粒子， hvk0.06eV，晶格的振动-热 激子 在某种能量作用下使得原子处于激发态，其电子能级处于Ec以下附近（空穴能级处于Ev以上附近）（电子的波函数在禁带两端有拖尾-类似光波导的能量分布） 复合模型：“碰撞” 电子和空穴的辐射复合本征辐射跃迁与涉及杂质能级的辐射复合本证辐射

13、跃迁-帯间跃迁 、自由激子湮灭、能带势能起伏处的激子复合涉及杂质能级的辐射复合低温、低过剩载流子密度直接带隙半导体中的辐射复合跃迁 间接带隙半导体中的辐射复合跃迁复合跃迁过程遵循：能量守恒、动量守恒（对能带结构提出要求），对间接带隙材料的跃迁复合是三粒子过程，效率很低；例外：海森堡不确定性h k x C ，掺N、O的GaP，i16%导带电子被杂质能级俘获形成束缚态激子，x范围内动量守恒定律可能被破坏22222122eeekEm vhmpm vk 两粒子过程-内量子效率高 非辐射复合 阶段性放出声子的复合完全把电子从导带跃迁到价带的能量转换到声子（需要20个声子）概率太小，通过一个或少数几个声子

14、过程转移到杂质能级的概率更大 俄歇复合 电子间碰撞，跃迁至更高能态，回落时以声子形式 表面复合 表面缺陷更多，周期性势场 也破坏，深杂质能级多-覆盖介质膜 过剩载流子的复合时间e-复合率由图可知p区瞬态载流子分布少子(平衡态电子+注入产生的过剩电子）：多子(平衡态电子+注入产生的过剩空穴）：ppopppopnnnppn单位时间注入的载流子正比于该时间的瞬态载流子量pppthermalthermalnBn pGtBG 直接复合俘获系数单位时间的热生载流子数20BpppthermalthermalpopoinBn pGtGBnpn ()pppppopoeennB n pnpt 过剩少子复合时间（寿

15、命） 弱注入,()1/ppoppoppoappopppppppopoapeeanpppnpNnnnnnnB n pnpBNntBN 强注入2,()()1/ppoppoppppopppppppopopeepnpppnnnnnnnnB n pnpBntB n 辐射复合率Rr与辐射复合寿命r 定义： 单位时间发生辐射复合的载流子数为辐射复合率/rrrRn 辐射复合寿命弱注入AnNrRB强注入2nrRB（）非辐射复合率Rnr与非辐射复合寿命nr 定义： 单位时间发生非辐射复合的载流子数为辐射复合率nrnrn/nrR 非辐射复合寿命 载流子总复合率R和总寿命11nn(+)rnrrnrRRR 总复合率R总

16、寿命111(+)rnr讨论内量子效率i直接带隙半导体材料的内量子效率i1111(+)1rrirrnrrrnrnrRRR间接带隙半导体材料的内量子效率i3/23/2111expexpirXXLLnrBBmEmEmk Tmk TXLXLXLXLmmmEE、分别是价带 、 、 能谷的有效质量，、分别是价带 、 态与 态能谷的能量差5.2 5.2 半导体激光器原理与结构半导体激光器原理与结构5.2.1 半导体激光器工作原理 半导体激光器也叫激光二半导体激光器也叫激光二极管极管(Laser Diode，) 基本结构基本结构：激励源、工作（增益）物质及谐振腔 激光振荡基本条件激光振荡基本条件：、提供、满足

17、激光振荡的FP-LDFP-LD结构图结构图重掺杂与大的电流注入重掺杂与大的电流注入图3.3.1 (a)绝对零度时本征半导体平衡状态电子发布 (b)高载流子注入下电子的能量与状态分布图3.3.2 重掺杂 pn 结 ( a)无偏压； (b)正向偏置下有源区的形成受激发射必要条件受激发射必要条件（粒子数反转条件）（粒子数反转条件）)cvFFgEEhfE（电注入发光：电注入发光：通过给通过给pnpn结加正向偏压实现粒子数反转结加正向偏压实现粒子数反转N2N12 2、FPFP腔与光反馈腔与光反馈-纵向模式纵向模式( (纵模）纵模）图3.3.3 激光器中的光反馈及 FP 腔纵向模式振荡条件纵向模式振荡条件

18、-腔内形成驻波腔内形成驻波3.3.9n1m纵向模式数某一族波长光波的能量空间分布纵模：纵模：满足驻波条件的一族波长的光能量在满足驻波条件的一族波长的光能量在FPFP腔轴向的空腔轴向的空间分布，模式数间分布，模式数m m01()2mLn驻波条件驻波条件-腔长为半波长的整数倍腔长为半波长的整数倍n n1 1102( )expexpexpexpiinE zjzgzjzgzE(z)E(z)m=0m=0m=2m=2 纵模的模式间隔纵模的模式间隔 相邻模式的间隔相邻模式的间隔212n L3.3.10 纵模的谐振频率间隔12cfn L3.3.11例子例子(p95)(p95)：AlAl0.030.03GaGa

19、0.970.97As/GaAs LDAs/GaAs LD，工作波长，工作波长850nm850nm，n n1 1=3.57=3.57，L=300L=300 m m，则，则m=2520m=2520，模式间隔，模式间隔 =0.337nm=0.337nm 精细度精细度F F每个模式半宽每个模式半宽f f1/21/2R R增加，增加，F F变大，变大，R=0.97R=0.97时时F=100F=100；自然；自然解理的解理的GaAsGaAs的的R0.32R0.32，则，则F2.5F2.5；f f1/21/2越宽，光谱纯越宽，光谱纯度越差度越差1RFR3.3.132221(1)(1)4 sin ( /2)4

20、costiPRPRRn L为光束入射角1m1mm850.337850.337850nm 850nm 849.663849.6633 3、激光振荡的阈值条件、激光振荡的阈值条件 自由载流子吸收、缺陷散射，用i表示1/cm 端面透射对光信号的损失，用m表示1/cm 载流子注入有源区使得受激发生增强的状态，用g表示1/cmn ( )(0)exp() iE zEgz 为光约束因子=有源层内光功率/芯片总光功率相当于光纤的波导效率正向偏压下正向偏压下DHDH的载流子注入的载流子注入g giZ Z激光在腔内往返一周激光在腔内往返一周12(2 )exp()2 (0)iELR RgLE 3.3.15激光激射的

21、阈值（起始）条件激光激射的阈值（起始）条件12exp2() 1iR RgL 3.3.16阈值增益系数为阈值增益系数为1211ln2thigLR R3.3.174 4、激光振荡模式、激光振荡模式半导体材料的半导体材料的增益性质增益性质 粒子数反转产生增益，粒子数反转产生增益，输入电流越大，增益越高输入电流越大，增益越高； 粒子数反转不在粒子数反转不在单能级间，而是能带间，故单能级间，而是能带间，故有增益谱线宽度有增益谱线宽度； 同样注入条件下，同样注入条件下，量子量子阱材料的增益比体材料高，增益线宽更窄阱材料的增益比体材料高，增益线宽更窄是均方根增益谱宽， 0叫中心波长2002()()() ex

22、p2gg3.3.18（E E） 0 0 0 0I1I3I2(a) Optical gain vs. wavelength characteristics (called the optical gain curve) of thelasing medium. (b) Allowed modes and their wavelengths due to stationary EM waveswithin the optical cavity. (c) The output spectrum (relative intensity vs. wavelength) isdetermined by s

23、atisfying (a) and (b) simultaneously, assuming no cavity losses.( (c c) )Relative intensitymOptical GainAllowed Oscillations (Cavity Modes)m( (b b) ) LStationary EM oscillationsMirrorMirrorDopplerbroadeningm(/2) = L( (a a) ) 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)FP-LDFP-LD纵模选模机理及光谱曲线纵模选模机理

24、及光谱曲线FP-LDFP-LD是多模半导体激光器！光谱半宽大！是多模半导体激光器！光谱半宽大！光源多纵模对光纤通信系统的影响？光源多纵模对光纤通信系统的影响？D色散产生的脉冲展宽FP腔：纵模选模腔：纵模选模+增益增益如何获得单纵模工作？FP-LD工作原理n112/BnmB为光栅的布拉格波长n1为光栅材料折射率为光栅周期m为光栅衍射级数5.2.2 半导体激光器结构与发散角-有源波导中的光波场Schematic illustration of the the structure of a double heterojunction stripecontact laser diodeOxide in

25、sulatorStripe electrodeSubstrateElectrodeActive region where J Jth.(Emission region)p-GaAs (Contacting layer)n-GaAs (Substrate)p-GaAs (Active layer)CurrentpathsLWCleaved reflecting surfaceEllipticallaserbeamp-AlxGa1-xAs (Confining layer)n-AlxGa1-xAs (Confining layer)123Cleaved reflecting surfaceSubs

26、trate 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)图3-3-10 条形FP-LD结构及发射光束LD的有源层截面垂直于结平面方向很薄（约0.1-0.2m），而平行于结平面方向则要宽得多(对于BH-LD约2-3m)；因此相应的远场光斑呈现椭圆形 /10-3010-30， 30-5030-50nFP-LD管芯DFB-LD光纤微透镜热沉焊料300m400m100m250 m350 m5.3 5.3 半导体激光器的工作特性半导体激光器的工作特性5.3.1 P-I-V5.3.1 P-I-V（L-I-VL-I-V）特性）特性5.3.2 5.3.2 模

27、式特性与线宽模式特性与线宽5.3.3 5.3.3 调制特性调制特性5.3.4 波长调节特性5.3.5 5.3.5 噪声特性噪声特性5.3.6 5.3.6 安全使用安全使用物理意义物理意义：LDLD工作时光腔中工作时光腔中某模式某模式的光场与电子的相互作用的规律的光场与电子的相互作用的规律N N、S S分别是电子浓度和某个模式的光子浓度，分别是电子浓度和某个模式的光子浓度，J J注入电流密度，注入电流密度，d d有源区厚度，有源区厚度， spsp、 phph分别是载流子自发发射寿命和腔内光子寿命，分别是载流子自发发射寿命和腔内光子寿命， -进入激光模式的自发发射进入激光模式的自发发射分量系数（很

28、小，可以忽略），分量系数（很小，可以忽略），g(N)-g(N)-增益函数增益函数 电子增加速率电子增加速率( / ) ( )phspdSSNc n g N Sdt( / ) ()spdNJNc n g N Sdted3.4.2电流注入引起电子增加速率电流注入引起电子增加速率3.4.1受激辐射引起电子减少速率受激辐射引起电子减少速率自发辐射引起电子减少速率自发辐射引起电子减少速率电光耦合速率方程简称速率方程电光耦合速率方程简称速率方程腔内损耗引起光子减少速率腔内损耗引起光子减少速率光子寿命12111ln2thiphccgnnLR R：有源区内的光子在被吸收或通过端面被辐射出LD之前在谐振腔中平均

29、驻留时间：gth=501/cm，n=3.5，L=0.3mm，ph=3ps而自发发射寿命spns阈值以下S=0ththspspededJNJN()eiithphShfPhfIIe0()()mmeithdthmimihfhfPPIIIIee3.4.83.4.110.8065 ()dgPePPhfmIEIIe 3.4.14可直接测量！可直接测量！()()phphththSSVJJlwdIIede1211ln2thimigLR REgEg的单位！的单位！mdimimdimiSlope efficiencyPI阈值电流阈值电流I Ithth输出光功率输出光功率P(I)P(I)工作电流工作电流I I斜率斜

30、率斜率斜率P/I与微分量子效率与微分量子效率线性度线性度温度特性温度特性I Ithth(T)(T)、P(TP(T） Eg Eg电驱动参数电驱动参数微分串联电阻微分串联电阻芯片、器件品质芯片、器件品质gDssEVVIRIRe光功率电流(L-I)曲线图3.4.1 LD的L-I-V特性LD的其它效率：斜率效率=P/I，外量子效率=(P0/hf)/(I/e)电流电压(I-V)曲线自发发射部分自发发射部分受激发射部分受激发射部分图图5.13 5.13 LDLD的的P-IP-I特性特性实验测定阈值电流实验测定阈值电流Ith(T)的方法的方法1 1、交叉线法、交叉线法2 2、延长线法、延长线法3 3、2 2

31、阶微分法阶微分法 FP-LD FP-LD的的温度特性AlGaAs体材料120190KInGaAsP体材料5080KInGaAsP量子阱材料200K图3.4.2a LD 在各种温度下的P-I特性图3.4.2 FP-LD 在各种温度下P-I特性00()exp()thTJTJTT0为特征温度特征温度特征温度T T0 0几种典型FP-LD的特征温度为何要关注为何要关注LDLD的的温度特性？驱动电驱动电路设计路设计5.3.2 5.3.2 模式特性与线宽模式特性与线宽n纵模纵模单纵模单纵模n光谱宽度，影响色散光谱宽度，影响色散n横模横模基横模基横模n光场横向分布，影响耦合效率光场横向分布，影响耦合效率近场

32、近场用光斑尺寸描述用光斑尺寸描述远场远场图3.3.11 掩埋异质结半导体激光器 ( a ) EMBH-LD ; (b) DCPBH-LD ; (c) CSBH-LD波导的形成机理：波导的形成机理：有源区侧面不同折射率材料构成光波导有源区侧面不同折射率材料构成光波导特点：阈值电流低；强波导，几乎不变化特点：阈值电流低；强波导，几乎不变化光场分布：光场分布： /10-3010-30， 30-5030-50LD的波导结构：波导的形成机理：受激发射特性取决于提供光增益的载流子分布，而光场的横向分布又取决于光增益分布特点：弱波导，易变化；阈值电流高光场分布：/10-30， 30-50电流注入分布 增益波

33、导光谱线宽光谱线宽n引起线宽引起线宽v v增大的因素增大的因素n自发发射引起的相位无序变化n载流子变化-折射率变化光腔谐振频率变化n载流子分布(1)4XPX X自发发射平均速率，自发发射平均速率，P P光功率，光功率， 为线宽展宽因子（有效折射率的实部比虚部）为线宽展宽因子（有效折射率的实部比虚部）3.4.183.4.18 减小线宽减小线宽v v的方法的方法增大光功率增大光功率减少自发发射速率减少自发发射速率稳定载流子密度（外调制）稳定载流子密度（外调制）图3.4.4 光源的谱宽EEcEvCarrier concentrationper unit energyElectrons in CBHo

34、les in VBh10EghhhCBVBRelative intensity10hRelative intensity(a)(b)(c)(d)Eg + kBT(2.5-3)kBT1/2kBTEg1232kBT(a) Energy band diagram with possible recombination paths. (b) Energy distribution ofelectrons in the CB and holes in the VB. The highest electron concentration is (1/2) kBT aboveEc . (c) The rel

35、ative light intensity as a function of photon energy based on (b). (d) Relativeintensity as a function of wavelength in the output spectrum based on (b) and (c). 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)形成光谱半宽的原因掺杂使得光谱曲线对称Eg(E)fE)EFnE(E) or pE(E)EEForelectronsFor holes1f(E)nE(E)pE(E)Area = pA

36、rea = nE(E)dE = nEcEvEvEc0Ec+EFVBCB( (a a) )( (b b) )( (c c) )( (d d) )g(E) (EEc)1/2(a) Energy band diagram. (b) Density of states (number of states per unit energy perunit volume). (c) Fermi-Dirac probability function (probability of occupancy of astate). (d) The product of g(E) and f(E) is the ene

37、rgy density of electrons in the CB(number of electrons per unit energy per unit volume). The area under nE(E) vs. E isthe electron concentration.?1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)E/hvhc体材料的光谱宽，量子阱材料的窄图3.3.14 不同阱宽时的激光发射谱5.3.3 5.3.3 调制特性调制特性直接电流调制是直接电流调制是LDLD的最大优点之一的最大优点之一调制特性推导思路：调制特性推

38、导思路： 设 直流分量带入稳态速率方程求解出S0 交流分量幅值带入瞬态速率方程求解出S1（）0100001111( )exp(), ,x txxj txN S JxNSJxN S J瞬态值直流分量交流分量幅值图3.4.5 LD 瞬态过程的 张弛振荡特性调制特性包括：调制特性包括： 光电延迟时间+阈值效应 阻尼振荡pn结电子存储效应 谐振频率 LD最大响应频率r t td d电子稳态值光子稳态值光子稳态值LDLD上载流子瞬态脉冲形状上载流子瞬态脉冲形状谐振频率r输入电信号输入电信号101200/()(1/)/spphJ gSedSjgSgS3.4.273.4.272000111()(1)2rph

39、spphspphthgSgSIgSI 3.4.303.4.30谐振频率光子数交流幅值与频率的关系图3.4.7 LD芯片的小信号调制响应特性减小减小 phph-芯片设计芯片设计增大光增益增大光增益g-g-芯片设计与芯片设计与 应用方法应用方法增大稳态光子浓度增大稳态光子浓度-应用方应用方法（增加偏置电流）法（增加偏置电流）光电延迟（阈值之前的速率方程求出dN-dt,积分到阈值)：3.4.333.4.33lnlnpdspspthpbthIJtJJIII12111ln2thiphccgnnLR R10-9s10-12sLD封装分布参数的影响DFB-LDDFB-LD小信号等效电路小信号等效电路同轴（同

40、轴（TOTO）封装）封装DFB-LDDFB-LD器件结构示意图器件结构示意图蝶形（蝶形（BF)BF)封装封装DFB-LDDFB-LD器件结构示意图器件结构示意图封装的分布参数严重封装的分布参数严重影响影响LDLD器件的带宽器件的带宽解决方法解决方法-微波光电微波光电子封装技术子封装技术图3.4.8 GaAs-LD 的直流光输出谱特性图3.4.9 脉冲持续期内的动态谱特性-模式分配引起；产生色散-接收机的强度脉动t t静态光谱静态光谱动态光谱动态光谱原因：原因：I增加，g增大，模式间竞争加剧-模式抑制与增强模式脉动效应模式脉动效应5.3.5 5.3.5 噪声特性噪声特性n噪声源噪声源n相位或频率

41、噪声-分立和随机的自发发射（LD固有)，1/f，1MHz以上平坦n扭折和自脉动等引起的-模式的跳变（LD固有)n光纤端面与LD端面反射引起的（外部)n模噪声增益导引LD横模变化引起多模光纤中光场分布的抖动（外部）n模分配噪声-纵模变化在单模光纤中引起色散的脉冲宽度的随机变化（外部）n噪声表示方法噪声表示方法-相对强度噪声相对强度噪声22()(/)10lgPRIN dB HzPf3.4.36均方功率脉动平均光功率 噪声范围：噪声范围：FP-LDFP-LD：-110-130dB/Hz-110-130dB/HzDFB-LD: -130-160dB/HzDFB-LD: -130-160dB/Hz如何减小如何减小RINRIN： 选用选用RINRIN小的小的LDLD（如折射率导引大大优于增益导引）（如折射率导引大大优于增益导引） 增加工作电流可以明显减少增加工作电流可以明显减少RINRIN调制频率小于数百兆调制频率小于数百兆RINRIN平坦，平坦， 再提高会出现再提高会出现RINRIN的谐振峰的谐振峰光纤反射将使光纤反射将使RINRIN增大增大1020dB1020dB，对，对RINRIN要求高的场合要求高的场合 必须使用光隔离器必须使用光隔离器311b