平时课件、参考及答案-8 .第四章复习

LD与LED结构类似，也是由P层、N层和形成双异质结构的有源层构成，不同的是它在有源层结构中，还有使光发生振荡的谐振腔。而LED没有谐振腔。

LD的结构半导体激光二极管LD的工作原理法布里－珀罗(F-P)谐振腔1.将工作物质置于光学谐振腔(F-P腔)2.少数载流子的自发辐射产生光子

1)偏离轴向的光子产生后穿出有源区，得不到放大

2)沿腔轴向传播的光子，并引起其它“电子－空穴”对的

受激辐射，产生更多的性能相同的光子(方向选择)3.通过来回反射，特定波长的光最终得到放大，并被输出法布里－珀罗(F-P)谐振腔100%90%4.3.1当给LD外加适当的正向电压时，由于有源区粒子数的反转分布而首先发生自发辐射现象。当自发辐射出的光子遇上一个高能级上的粒子时，将导致产生受激跃迁，在从高能级跃迁到低能级中放出一个全同的光子，为受激辐射。当受激辐射光在谐振腔内来回反射一次，相位的改变量正好是2π的整数倍时，则向同一方向传播的若干受激辐射光相互加强，产生谐振。达到一定强度后，就从部分反射镜M2透射出来，形成一束笔直的激光。当达到平衡时，受激辐射光在谐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时，激光器即保持稳定的输出。LD的产生激光的过程

有两种方式构成的激光器：F-P腔激光器/Fabry-PerotResonatorcavitylaserdiode分布反馈型（DFB）激光器/distributed–feedbacklaserdiode。

半导体激光器的基本类型（一）法布里-珀罗(F-P)激光器立体图同质结和(双)异质结双异质结优点：限制载流子和光子，降低对阈值电流的要求4.3.1InGaAsP双异质结条形激光器的基本结构

n—InGaAsP是发光的作用区，其上、下两层称为限制层，它们和作用区构成光学谐振腔。限制层和作用层之间形成异质结。最下面一层n—InP是衬底，顶层P+—InGaAsP是接触层，其作用是为了改善和金属电极的接触。目前，光纤通信用的激光器大多采用如图所示的铟镓砷磷（InGaAsP）双异质结条形激光器。有源区限制层衬底波纹反馈光栅激光输出（二）分布反馈式(DFB)激光器立体图DistributedFeedBackLasers在腔体中使用布拉格光栅(FBG)

会对特定波长发生强烈反射。这些特定的波长称为布拉格波长：。DFB激光器就是利用FBG的这种特性选频，只有符合反射条件的频率的光会得到强烈反射产生激光。其输出的波长为：>20dB

设增益介质的增益系数G和损耗系数α，谐振腔内光功率随距离z的变化可表示为

式中，P(0)为z＝0处的光功率。光束在腔内一个来回时，两次通过增益介质，这时的光增益为

式中，L为腔长。设两个镜面的反射系数为rl和r2，建立光振荡的条件为

可得

也即

这就是产生激光的阈值条件。LD阈值条件式中第一项是增益介质的损耗，第二项表示通过反射镜的损耗。在半导体激光器中，只有当注入电流满足阈值条件时，才迅速出现激光输出。Opticaloutputvs.drivecurrentOpticalFibercommunications,3rded.,G.Keiser,McGrawHill,2000内量子效率i是衡量激光二极管把电子－空穴对（注入电流）转换成光子能力的一个参数。内量子效率i一般很难准确确定，长期的测试经验表明，在室温条件下，内量子效率一般为hint≈0.6~0.7。与e不同的的是，i与激光二极管的几何尺寸无关，是评价激光二极管半导体晶片质量的主要参数。内量子效率i=有源区内每秒钟产生的光子数有源区内每秒钟注入的电子-空穴对数内量子效率i：4.3.3激光器的量子效率

外量子效率可以通过下面的式子来定义：在实际的实验中，外量子效率一般通过P-I曲线的直线部分来估算，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电子－空穴对（注入电荷）转换成从器件发射的光子（输出光）的效率。是一个以百分数（％）度量的性能系数。一个把100％注入电流转换成输出光的理想假设器件(即器件没有以热形式消耗)，在理论上应具有100％的e。对GaALAs材料，e可从P-I特性的斜率（阈值以上）dP/dI求得：外量子效率e：标准的半导体激光器，外量子效率典型值为15%~20%。内量子效率i和外量子效率e的关系i和e既又关系又有差别。

i是半导体激光器把电子－空穴对（注入电流）转换成光子（光）效率的直接表示，但要注意，并非所有光子都出射成为输出光，有些光子由于各种内部损耗而被重新吸收。e是半导体激光器把电子－空穴对（注入电流）转换成输出光的效率象征。外量子效率e总是比内量子效率i小。幅度条件和相位条件4.3.4在两平面反射镜之间形成了一稳定的振荡，振荡频率可由谐振条件得到4.3.4谐振频率阈值条件说明在谐振腔中，光波是在两平面反射镜之间往复传输的，只有平面镜间距离是半波长的整数倍时，光波才能得到彼此加强λ为光波的波长，nc为增益介质的折射率表明，对应于m，激光器只能产生一些离散的波长。每个波长称为激光器的一个纵模。相邻两波长(纵模)之间的波长之差约为：增益与波长的关系：其中l0为中心波长输出光谱：纵模选择如果需要激光器工作在单纵模状态就需要模式选择技术4.3.4增益线宽σLED与LD的光谱比较LEDF-P腔滤波器F-P的谐振波长Dl为谐振峰的间隔：F-P自由谱宽频域采样4.3.4(N)InGaAsP：发光的作用区，其上下两层称为限制层，它们 一起形成异质结并构成光学谐振腔根据对横模限制机制的不同进一步可分为：增益引导型和折射率引导型铟镓砷磷(InGaAsP)双异质结条形激光器：波长1300~1600nm4.3.5半导体激光器的基本结构横向约束的双异质结构：增益引导型机制：从顶层一个窄的条形欧姆接触区进行载流子注入，改 变有源区的折射率，从而对光子形成横向的约束，能 有效抑制横模特点：1)辐射功率高，但有2)散光性，且3)工作不稳定In(I)1~5mm光强-20°0°20°机制：1)在横向引入一个折射率分布实现对光模式的限制 2)在横向将电流严格地限制在有源区，使得>60%的注 入电流用于发光特点：输出光束具有很好的准直性、能工作在基横模横向约束的双异质结构：折射率引导型光强-10°0°10°4.3.6单纵模激光器Single-Modelasers式子和光谱图表明：实现单模输出的一条途径是减少谐振腔长，增加模式之间的波长间隔，使Dl大于增益线宽

(即增加滤波器自由谱宽)Dl增益线宽4.3.6分布反馈式(DFB)激光器内置布拉格光栅FBG：只有符合反射条件的光会得到强烈反射经历放大过程输出的波长为：m是纵模的阶数4.3.6单纵模激光器之二LED与LD相比，LED输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。但LED性能稳定，寿命长，使用简单，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。LED通常和多模光纤耦合，用于1310nm或850nm波长的小容量、短距离的光通信系统。

LD通常和单模光纤耦合，用于1310nm或1550nm大容量、长距离光通信系统。这是目前光纤通信发展的主要趋势。LED与LD的比较4.4光发射机

在光纤通信系统中，必须将电信号经过发射机变换为光信号耦合进光纤才能传输到接收端。因此，光发射机是系统的重要组成部分。

光发射机的示意图一光发射机结构和指标防止LD输出的激光反射，实现光的单向传输保持LD组件内恒定的温度，保证激光参数的稳定性使LD有恒定的光输出功率数据电接口线路编码驱动电路调制器光隔离器LD功控温控光发射机光发射机的结构

(1)输出光功率及其稳定性。发射机的输出光功率，实际上是从其尾光纤的出射端测得的光功率，因此应称为出纤光功率。光功率的单位为μW或mW。在工程用相对值表示，即相对于1mW光功率的分贝数(1mW光功率定义为0dB)，即：

光发射机主要的有以下四项指标

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

消光比的大小有两种意义：一是反映光发射机的调制状态，消光比值太大，表明光发射机调制不完善，电光转换效率低；二是影响接收机的接收灵敏度。

(3)光脉冲的上升时间tr,下降时间tf以及开通延迟时间td。这些时间都是为了使光脉冲成为输入数字信号的准确重现，即有相适应的响应速度。

(4)无张弛振荡。若加的电信号脉冲速率较高，则输出光脉冲可能引起张弛振荡，这时必须加以阻尼，以使发射机能正常工作。

数据电接口线路编码驱动电路调制器光隔离器LD功控温控光发射机三半导体激光器的调制方式光源的调制方式？4.3.74.3.9内调制：信息流直接控制激光器的驱动电流(<40GHz)调制外调制：使用调制器(如电光调制器)对输出的光信号进行调制光源的调制内调制速率限制：自发/受激辐射载流子寿命

信号啁啾4.3.74.3.9根据调制与光源的关系，调制方式可分为直接调制(内调制)和间接调制（外调制）两大类。直接调制/内调制直接调制的特点：将要传送的信息转变为电流信号注入LD或LED调制后的光波振幅的平方比例于调制信号（强度调制）简单、经济、容易实现响应带宽有限（~2.5Gb/s）引入调制啁啾直接调制是用电信号直接调制光源器件的偏置电流，使光源发出的光功率随信号而变化。直接调制后的光波电场振幅的平方与调制信号成一定比例关系，是一种光强度调制(IM)的方法，仅适用于半导体光源(LD和LED)。内调制基本依据：P-I曲线例：OTIP的超短脉冲光源U2TTMLL1550阈值电流在40mA左右LD的调制是通过改变其驱动电流的办法实现的4.3.7

间接调制是利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光幅射的调制，这种调制方式既适应于半导体激光器，也适应于其它类型的激光器。

间接调制方式需要调制器，结构复杂，但可获得优良的调制性能，特别适合高速率光通信系统间接调制最常用的是外调制的方法，即在激光形成以后加载调制信号，其具体方法激光器谐振腔外的光路上放置调制器，在调制器上加调制电压，使调制器的某些物理特性发生相应的变化，当激光通过它时，得到调制。间接调制/外调制光源的间接调制技术外调制技术：电光外调制器/马赫-曾德调制器00p01.