光源与光发射机课件

光源与光发射机课件112九月2023§4-1概述；§4-2半导体光源的工作原理；§4-3半导体激光器；§4-4发光二极管；§4-5光源的调制及驱动电路；§4-5LD光发射机的控制电路；

本章思考题。第四章的主要内容25七月2023§4-1概述；第四章的主要内容12九月2023§4-1概述光源—光发射机的核心部件：半导体激光管LD；半导体发光二极管LED。电信号输入电路驱动电路光源控制电路对光源进行调制辅助电路：稳定信号，控制温度光信号一、光发射机简单框图适用于长距离大容量的光纤通信系统，尤其是单纵模半导体激光器，在高速率、大容量的数字光纤通信系统中得到广泛应用。适用于短距离、低码速的数字光纤通信系统，或者是模拟光纤通信系统。其制造工艺简单、成本低、可靠性好。25七月2023§4-1概述光源—光发射机的核心部件：12九月2023§4-1概述

此动画为光发射机工作原理动画，光源在调制电流的作用下发光，然后耦合进光纤传输。25七月2023§4-1概述此动画为光12九月2023§4-1概述二、光发射机的主要指标光发射机的指标很多，我们仅从应用的角度介绍其主要指标。1.平均发送功率及其稳定度平均发送功率是指光源尾纤的平均输出光功率，是在“0”、“1”码等概率调制的情况下，光发送机输出的光功率值，单位为dBm。2.消光比消光比定义为全“1”码的输出功率与全“0”码的输出功率之比，取常用对数，通常用符号EXT表示：25七月2023§4-1概述二、光发射机的主要指标12九月2023§4-1概述

光发射机的消光比一般要求大于8.2dB，即“0”码光脉冲功率是“1”码光脉冲功率的七分之一。三、对光源的要求1.光源发射的峰值波长应在光纤的低损耗窗口内；2.有足够高和稳定的输出功率；3.电光转换效率高、驱动功率低，同时要求寿命长，可靠性高；4.单色性和方向性好；25七月2023§4-1概述12九月2023§4-1概述5.易调制、响应速度快；6.光强对驱动电流的线性要好，以保证足够多的信号模拟调制光源而不发生畸变；7.体积小、重量轻。为什么目前多采用半导体光源呢？半导体光源可以直接进行调制，即注入调制电流而实现光波强度调制。25七月2023§4-1概述5.易调制、响应速度快；12九月2023§4-2半导体光源的工作原理一、原子能级跃迁—光源的物理基础

能级：原子由原子核和核外电子组成，核外电子围绕原子核旋转，每个电子的运行轨道并不相同，各代表不同的量子态，即：原子中的电子只能在一定的量子态中运动；在最里层的轨道上量子态的能量最低，电子受原子核束缚最强，最外层的轨道量子态能量最高，电子受原子核束缚最弱，这些不同的轨道运行时相应的能量值（包括电子的动能和电位能）称为能级。25七月2023§4-2半导体光源的工作原理一、原子能12九月2023§4-2半导体光源的工作原理

能级跃迁：原子中的电子可通过与外界交换能量的方式发生量子跃迁，量子跃迁交换的能量有热能、光能，分别为热跃迁和光跃迁。

热跃迁：交换的能量是热运动的能量；光跃迁：交换的能量是光能。√25七月2023§4-2半导体光源的工作原理12九月2023§4-2半导体光源的工作原理

考虑双能级的系统，低能级E1和高能级E2，设处于高能级E2和低能级E1上的电子数分别为N2和N1，当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布：k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为绝对温度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在热平衡状态下，总是N1>N2，这说明电子总是首先占据能量低的能级。25七月2023§4-2半导体光源的工作原理12九月2023§4-2半导体光源的工作原理自发辐射：高能级E2上的电子不稳定，会按一定的概率自发地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量以光子（频率为υ，能量为hυ=E2-E1

）的形式辐射。所以，自发辐射过程的特点如下：①处于高能级电子的自发行为，与是否存在外界激励作用无关；②由于自发辐射可以发生在一系列的能级之间（如共价晶体中导带向价带的自发辐射），因此材料的发射光谱范围很宽；③即使跃迁过程满足相同的能级差（光子频率一致），它们也是独立的、随机的辐射，是一种非相干光。分裂的能带，这些光子仅仅能量相同而彼此无关，可以有不同的相位和不同的偏振方向，可以向空间各个方向传播，是非相干光（荧光）。25七月2023§4-2半导体光源的工作原理自发辐射：12九月2023§4-2半导体光源的工作原理受激吸收/跃迁：处于低能级上的电子在感应光场的作用下（感应光子能量为hυ=E2-E1

），吸收一个光子从低能级E1跃迁到高能级E2上。所以，受激吸收过程的特点如下：①受激吸收时需要消耗外来光能；②受激吸收过程对应光子被吸收，生成电子—空穴对的光电转换过程。

当某物质与外界处在热平衡状态下，低能级的粒子（电子）数N1总是大于高能级的粒子（电子）数N2，在这种状态下，有感应光场时，必然是受激吸收占主要地位，不会出现发光现象，光波经过该物质时强度按指数规律衰减，光波被吸收。25七月2023§4-2半导体光源的工作原理受激吸收/12九月2023§4-2半导体光源的工作原理受激辐射：处于高能级E2的电子在感应光场作用下（感应光子能量为hυ=E2-E1

），发射一个和感应光子一模一样的光子，跃迁到低能级E1上。所以，受激辐射的特点如下：

①外来光子的能量等于跃迁的能级之差。②受激过程中发射出来的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，因此称它们是全同光子，是相干光。③受激辐射过程实质上是将感应光得到放大。

发射光子和感应光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，是相干光。25七月2023§4-2半导体光源的工作原理受激辐射：12九月2023§4-2半导体光源的工作原理25七月2023§4-2半导体光源的工作原理12九月2023§4-2半导体光源的工作原理每种跃迁是不是独立存在的呢？实际上，在光电器件中，自发辐射、受激辐射和受激吸收过程总是同时出现，但对于各种特点的光电器件，只有一种机理起主要作用，分别对应的是：发光二极管LED，半导体激光管LD和光电二极管/光电探测器。

光纤通信多数采用LD，则受激辐射的条件和结果？25七月2023§4-2半导体光源的工作原理每种跃迁是12九月2023§4-2半导体光源的工作原理条件-粒子数反转分布状态:如果外界向物质提供了能量，就会使得低能级上的电子获得能量大量地激发到高能级上去，像一个泵不断地将低能级上的电子“抽运”到高能级上，我们称这个能量为激励或者泵浦过程，从而达到高能级上的粒子数N2大于低能级上的粒子数N1的分布状态，这种状态称为粒子数反转分布状态。结果-光放大过程:当物质粒子数反转分布状态下，高能级上的大量电子就会在受到外来感应光子的激发下，发射出与入射光子的频率、相位、偏振方向、传播方向完全相同的相干光，这样，就实现了用一个弱的入射光激发出一个强的出射光的光放大过程。25七月2023§4-2半导体光源的工作原理条件-粒子12九月2023§4-2半导体光源的工作原理二、半导体能带结构和载流子在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶体内部电子的共有化运动，晶体能谱分裂成若干组，每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带—能带。半导体内部自由运动的电子(简称自由电子)所填充的能带称为导带；价电子所填充的能带称为价带；导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带，其宽度称为禁带宽度/带隙，用Eg表示，单位为电子伏特(eV)。Eg=Ec-EvE2E125七月2023§4-2半导体光源的工作原理二、半导体12九月2023§4-2半导体光源的工作原理

此动画为晶体的能带动画：导带和价带为光源提供了物理基础。25七月2023§4-2半导体光源的工作原理12九月2023§4-2半导体光源的工作原理电子在能级上是如何分布的呢？(遵循的规律)电子的能级分布：费米-狄拉克统计规律

在热平衡条件下，能量为E的能级被电子占据的概率p(E)服从费米分布函数费米统计规律是物质粒子能级分布的基本规律，它反映了物质中的电子按一定规律占据能级。

费米能级：不是一个可以被电子占据的实际存在的能级，它是反映电子在各能级中分布情况的参量，具有能级的量纲，位置由总电子数能级具体情况决定，对本征半导体，在禁带的中心。25七月2023§4-2半导体光源的工作原理电子在能级12九月2023§4-2半导体光源的工作原理p(E)是电子在各能级分布的概率，所以有①当E=Ef时，p(E)=1/2，能级E被电子占据的概率和空穴占据的概率相等，实际上费米能级不存在；②当E<Ef时，p(E)>1/2，能级E被电子占据的概率比较大，如果(Ef-E)>>kT，则p(E)→1，能级几乎被电子占据；③当E>Ef时，p(E)<1/2，能级E被电子占据的概率比较小，如果(E-Ef)>>kT，则p(E)→0，能级几乎被空穴占据。25七月2023§4-2半导体光源的工作原理p(E)是12九月2023§4-2半导体光源的工作原理

根据费米统计规律，可得各种半导体中电子的统计分布：(a)本征半导体(b)兼并型P型半导体

(c)兼并型N型半导体

(d)双兼并型半导体

EfcEfv低温下，本征半导体费米能级的禁带的中心位置。对于重掺杂兼并型P型半导体，由于受主杂质的掺入（三价元素的杂质），多数载流子是空穴，费米能级进入半导体的价带。对于重掺杂兼并型N型半导体，由于施主杂质的掺入（五价元素的杂质），多数载流子是电子，费米能级进入半导体的导带。25七月2023§4-2半导体光源的工作原理根12九月2023§4-2半导体光源的工作原理

双兼并型半导体，是一种非热平衡状态下的情况，因而用两种费米能级Efc和Efv来表征载流子的统计分布。在价带中，载流子的统计分布与兼并型P型半导体的分布相似，而导带中则与兼并型N型半导体的情况类似。因此，Efc和Efv之间形成了一个粒子数反转的区域。若有一光波，光子能量满足Eg<hυ<(Efc-Efv)，则这束光波经过双兼并型半导体时将被放大（光放大）。半导体激光器LD就是利用这种重掺杂的双兼并型半导体的特点。(d)双兼并型半导体

EfcEfv25七月2023§4-2半导体光源的工作原理12九月2023§4-2半导体光源的工作原理三、PN结1.PN结的形成

P型半导体和N型半导体形成PN结时，载流子的浓度差引起扩散运动，P区的空穴向N区扩散，剩下带负电的电离受主，从而在靠近PN结界面的区域形成了一个带负电的区域；同样，N区的电子向P区扩散，剩下带正电的电离施主，从而造成一个带正电的区域。这样一来，载流子扩散运动的结果形成了一个空间电荷区/结区。空间电荷区的电场方向由N区指向P区，这个电场称为“自建电场/内建电场”，与外加电场相反。内建电场在P型半导体中存在大量带正电的空穴，同时还存在着等量的带负电的电离受主，它们的电性相互抵消而表现出电中性。在N型半导体中存在大量带负电的电子，同时还存在着等量的带正电的电离施主，它们的电性相互抵消而表现出电中性。25七月2023§4-2半导体光源的工作原理三、PN结12九月2023§4-2半导体光源的工作原理

自建电场逐渐加强，直到漂移运动（自建电场引起）完全抵消了扩散运动，从而使PN结达到动态平衡状态（热平衡状态），客观上没有电流通过。2.PN结的能带（热平衡状态）由于一个热平衡系统只能有一个费米能级，这就要求原来在P区和N区高低不同的费米能级达到相同的水平。在走向热平衡状态的过程中，费米能级趋向同一高度，如果N区的能级位置不变，那么P区的能级应该提高，从而使PN结的能带发生倾斜弯曲。PN结能带的弯曲正反映了空间电荷区的存在。25七月2023§4-2半导体光源的工作原理12九月2023§4-2半导体光源的工作原理25七月2023§4-2半导体光源的工作原理12九月2023§4-2半导体光源的工作原理

在空间电荷区内，自建场从N区指向P区，这说明P区相对于N区为负电荷，用-VD来表示，叫做接触电位差/PN结的势垒高度，P区所有能级的电子都附加了位能，其值为(-e0).(-VD)=e0VD，从而使P区的能带相对于N区来说提高了e0VD。3.正向偏置下(PN结施加正向电压)形成增益区/有源区

正向电压施加以后，削弱了原有内建电场，使势垒降低。如果N区的能带还保持不变，则P区的能带应向下移动，下降的数值应为e0V（V<VD

）。在这种非热平衡状态下，费米能级随之发生了分裂，在PN结出现了两个费米能级，N区和P区的费米能级分别为Efc和Efv

。25七月2023§4-2半导体光源的工作原理12九月2023§4-2半导体光源的工作原理

正向偏置的作用下，热平衡状态被破坏，外加电场区（正向电压形成）使空穴向N区运动，电子向P区运动，在PN结形成一个特殊的增益区/有源区。在增益区，导带的多数载流子是电子，价带的多数载流子是空穴，结果形成粒子数反转分布。在满足粒子数反转条件的情况下，当Eg<hυ<(Efc-Efv)时（自发辐射的光波），则光子能量为hυ的这束光波经过双兼并型半导体时将被放大。增益区P+N-EfcEfvhυ25七月2023§4-2半导体光源的工作原理12九月2023§4-3半导体激光器一、形成激光振荡的条件1.知识回顾—激光产生的三个条件能够产生激光的工作物质；能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的泵浦源；（激活物质）能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。工作物质在泵浦源的作用下发生粒子数反转分布，成为激活物质（将处于粒子数反转分布状态的物质称为激活物质/增益物质），从而有光的放大作用。激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。25七月2023§4-3半导体激光器一、形成激光振荡的12九月2023§4-3半导体激光器2.半导体激光器形成激光振荡条件工作物质--重掺杂的双兼并型PN结；激活物质/增益物质--产生粒子数反转分布；正向偏置的重掺杂PN结。光学谐振机制--提供正反馈，并且在有源区里建立起稳定的振荡。当PN结加上正向电压后，P区和N区注入的非平衡载流子在扩散过程中不断地复合，这种电子—空穴复合发出荧光（自发辐射），形成半导体激光器中的初始光场。25七月2023§4-3半导体激光器2.半导体激光器12九月2023§4-3半导体激光器

半导体激光器的初始光场由于来源于导带和价带的自发辐射，频谱较宽、方向也杂乱无章，此时必须有光学谐振机制对光的频率和方向进行选择，以获得连续的光放大和激光振荡输出。光学谐振机制谐振腔：晶体的天然解理面形成F-P腔。有源区一侧的波纹结构：DFB（分布反馈）、DBR（分布布拉格反射）。25七月2023§4-3半导体激光器半导12九月2023§4-3半导体激光器二、F-P腔半导体激光器1.原理结构

F-P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平面反射镜（通常直接利用半导体晶体材料的天然解理面：高度平行）组成。作用：①选择方向；②建立起稳定的振荡。

稳定的光振荡需要满足什么样的条件？P侧(+)N侧(-)前镜面后镜面L热沉（铜）25七月2023§4-3半导体激光器二、F-P腔半导体12九月2023§4-3半导体激光器（1）光振荡需要满足的相位条件

一束光（一个光子）走一周的相位因此，只有确定波长的光能在谐振腔内建立稳定的振荡，使激光器的发射光谱呈现出谱线尖锐的结构。25七月2023§4-3半导体激光器（1）光振荡需要满12九月2023§4-3半导体激光器由相位条件导出纵模的频率间隔或波长间隔为（2）建立稳定振荡的阈值条件/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:

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，往返传输的光子不断诱发受激辐射，使得光信号不断增强；另一方面，腔内也存在着损耗，例如镜面的反射损耗（镜面反射率总是小于1）、工作物质的吸收和散射损耗等。25七月2023§4-3半导体激光器由相位条件导出纵模12九月2023§4-3半导体激光器

阈值条件的物理意义：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。如果用光强（光功率）来衡量信号的强弱，那么阈值条件用公式表示

th为阈值增益系数，α为谐振腔内部工作物质的强度损耗系数，R1和R2是镜面的反射系数。

25七月2023§4-3半导体激光器阈值12九月2023§4-3半导体激光器F-P腔激光器的基本原理

25七月2023§4-3半导体激光器F-P腔激光器的基12九月2023§4-3半导体激光器2.双异质结（DH）结构—实际应用型结构

实际上，F-P腔激光二极管从结构上可分为3种，如下图所示25七月2023§4-3半导体激光器2.双异质结（D12九月2023§4-3半导体激光器（1）同质结半导体激光器

核心部分是一个PN结，由结区发出激光。

缺点是阈值电流高，且不能在室温下连续工作，不能实用。（2）异质结半导体激光器异质结半导体激光器包括单异质结和双异质结半导体激光器两种。异质结半导体激光器的“结”是由不同的半导体材料制成，目的是降低阈值电流，提高效率。

特点是对电子和光子产生限制作用，减少了注入电流，增加了发光强度。25七月2023§4-3半导体激光器（1）同质结半导体12九月2023§4-3半导体激光器

目前，光纤通信用的激光器大多采用铟镓砷磷（InGaAsP）双异质结条形激光器。N-InGaAsP是发光的作用区--有源区，其上、下两层称为限制层，它们和有源区构成光学谐振腔。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。早期的是GaAs、GaAlAs。前后两个晶体解理面作为反射镜构成(F-P)谐振腔.窄带隙材料宽带隙材料25七月2023§4-3半导体激光器目前12九月2023§4-3半导体激光器EgEg‘Eg‘~5%能带折射率光强25七月2023§4-3半导体激光器EgEg‘Eg‘~12九月2023§4-3半导体激光器

因此，从能带图可以看出，窄带隙的有源区材料被夹在宽带隙之间，施加正向电压以后，注入到有源区的电子和空穴被限制在有源区内形成反转粒子分布，有源区电子-空穴对复合辐射出激光。异质结的优点：带隙差形成的势垒对载流子起限制作用，阻止了有源区里的载流子逃离出去，此时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益；有源层的折射率比限制层高，产生的激光被束缚在有源层内。（折射率差由带隙差决定，约5%）结果：DH半导体激光器的阈值电流很低，散热量很小，可在室温下持续工作，而且电/光转换效率很高。25七月2023§4-3半导体激光器因此12九月2023§4-3半导体激光器（3）量子阱半导体激光器量子阱激光器与一般双异质结激光器类似，只是有源区的厚度很薄，属于双异质结器件。理论分析表明，当有源区的厚度非常小时，则在有源层与两边相邻层的能带将出现不连续现象，在有源区的异质结将产生一个势能阱，因此将产生这种量子效应的激光器称为量子阱半导体激光器。结构中这种“阱”的作用使得电子和空穴被限制在极薄的有源区内，因此有源区内粒子数反转分布的浓度很高。量子阱半导体激光器还可分为单量子阱和多量子阱激光器。25七月2023§4-3半导体激光器（3）量子阱半导体12九月2023量子阱半导体激光器：§4-3半导体激光器25七月2023量子阱半导体激光器：§4-3半导体激光12九月2023超晶格量子阱半导体激光器的特性：阈值电流低；波长可调谐；线宽窄，频率啁啾低；调制速率高；温度稳定性强。§4-3半导体激光器25七月2023超晶格量子阱半导体激光器的特性：§4-312九月2023§4-3半导体激光器三、分布反馈(DFB)和分布布拉格反射(DBR)半导体激光器1.结构特点特点：激光振荡不是由反射镜提供，而是折射率周期性变化的波纹光栅（波纹结构：在有源区一侧生长波纹结构，可以取不同形状，如正弦、三角或方波）提供。注入电流注入电流波纹光栅25七月2023§4-3半导体激光器三、分布反馈(D12九月2023§4-3半导体激光器DFB激光器是一种可以产生动态控制的单纵模激光器，即在高速调制下仍能单纵模工作的半导体激光器。DFB激光器是在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近，刻有波纹状的周期光栅而构成的。DFB激光器的结构和工作原理(基于布拉格反射原理)与DBR激光器类似(阈值电流要比DFB激光器的)，不同的是DBR激光器的波纹结构在有源区的外面，从而避免光栅制作过程中造成晶格损伤。

布拉格反射是指当光波入射到两种不同介质的交界面时，能够产生周期性的反射，把这种反射称为布拉格反射。在有源区的一侧或两侧加了一段分布式布拉格反射器，起着衍射光栅的作用，因此可以将它看成是端面反射率随波长变化而变化的特殊激光器。25七月2023§4-3半导体激光器DFB激光器是一种12九月2023§4-3半导体激光器2.工作原理

DFB激光器的周期性沟槽在有源层波导两外侧的无源波导层上，这两个无源的光栅波导充当Bragg反射镜的作用；只有在Bragg波长附近的光波才能满足振荡条件，从而发射激光。25七月2023§4-3半导体激光器2.工作原理12九月2023§4-3半导体激光器

因此，DFB和DBR的工作原理可以用Bragg反射来说明。波纹光栅为受激辐射产生的光子提供周期性的反射点，在一定条件下，图中I，I

，I

等反射光束同相位加强，形成某方向(θ+90o)的主极强。25七月2023§4-3半导体激光器因12九月2023§4-3半导体激光器根据光栅方程Δ=mλ，反射光束同相加强的条件为由图中所示B，

，

的几何关系，上式也可表示为

DFB或DBR激光器的分布反馈是θ=π/2的布拉格反射，这时有源区的光在栅条间来回振荡。此时产生激光输出的布拉格条件为：25七月2023§4-3半导体激光器根据光栅方程Δ=m12九月2023§4-3半导体激光器

此动画为DBR激光器工作原理光路动画。25七月2023§4-3半导体激光器此12九月2023§4-3半导体激光器3.DFB激光器相对于F-P腔(包括DH激光二极管)的优点(1)单纵模振荡

发射光谱主要由光栅周期

决定，由于DFB的

的长度很小，所以m阶和（m

+

1）阶模之间的波长间隔（纵模间隔）比F-P腔大得多，多个微型谐振腔也起到选模作用，很容易设计成单纵模（单频）振荡。25七月2023§4-3半导体激光器3.DFB激光器12九月2023§4-3半导体激光器

对于给定的峰值波长，模式间距δλ随L的减小而增加。当L=200

m时，δλ=λ2/2nL=0.547nm,在该带宽内的模数是FWHM/δλ=6/0.547=10nm。当腔长减小到L=20

m时，模式间距增加到5.47nm，此时该带宽内的模数是FWHM/δλ=6/5.47=1.1nm。因此只有一个模式。很显然，减小腔长，可以抑制高阶模。25七月2023§4-3半导体激光器对12九月2023§4-3半导体激光器(2)谱线窄，波长稳定性好

DFB激光器的每个栅距相当于一个F-P腔，其布喇格反射可比作多级调谐，使谐振波长的选择性大大提高，谱线明显变窄，可以窄到几GHz。并且光栅的作用有助于使发射波长锁定在谐振波长上，使波长的稳定性改善。(3)动态谱线好

DFB激光器在高速调制时谱线有所展宽（啁啾），但依然保持单纵模特性。(4)线性度好25七月2023§4-3半导体激光器(2)谱线窄，波12九月2023§4-3半导体激光器4．垂直腔面发射激光器（VCSEL）

VCSEL激光器的结构25七月2023§4-3半导体激光器12九月2023§4-3半导体激光器四、半导体激光器的主要特性1.输出光功率特性

光功率随注入电流变化，所以用P-I特性表示。典型的激光器P-I特性：25七月2023§4-3半导体激光器四、半导体激光器12九月2023§4-3半导体激光器（1）阈值电流（Ith）在P-I曲线中，激光器由自发辐射到开始受激振荡时的临界注入电流，称为阈值电流（外加正向电流达到某一数值时，输出光功率急剧增加）。它是一个正向电流值，用符号Ith表示。下图为利用P-I曲线求解Ith常用的简单方法：双斜率法和反向延长法。

阈值电流越小越好还是越大越好？越小越好。25七月2023§4-3半导体激光器（1）阈值电流（I12九月2023§4-3半导体激光器（2）功率线性度

（3）光输出饱和度（4）激光器的光电转换效率P-I特性曲线中的斜率表征η。转换效率的表示方法：

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。P为激光器的输出功率，Vj为激光器的结电压，Rs为激光器的串联电阻，I为注入电流。25七月2023§4-3半导体激光器（2）功率线性度12九月2023§4-3半导体激光器

量子效率分为内量子效率、外量子效率和外微分量子效率。

内量子效率定义为ηi=(有源区里每秒钟产生的光子数)/(有源区里每秒钟注入的电子-空穴对数)。用Rr和Rnr分别表示辐射复合和非辐射复合的速率，内量子效率

i可以表示为

外量子效率

ex定义为ηex=(激光器每秒钟产生的光子数)/(激光器每秒钟注入的电子-空穴对数)。25七月2023§4-3半导体激光器量子12九月2023§4-3半导体激光器所以，外量子效率可以表示为由于hυ≈Eg≈eV，所以有

定义外微分量子效率

D为由于P>>Pth，所以或者用功率表示25七月2023§4-3半导体激光器所以，外量子效率可12九月2023§4-3半导体激光器2.温度特性

半导体激光器对温度变化敏感，输出光功率随温度发生变化，产生变化的原因有两个：首先，表现出外微分量子效率随温度升高而下降；对于线性度良好的激光器，输出光功率可以表示为其次，阈值电流随温度的升高而加大，呈指数变化，结区温度为T时的阈值电流25七月2023§4-3半导体激光器2.温度特性12九月2023§4-3半导体激光器25七月2023§4-3半导体激光器12九月2023§4-3半导体激光器

另外，温度对激光器数字调制将产生结发热效应。所谓结发热效应，是指调制电流的作用引起半导体激光器PN结结区的温度发生变化，导致输出光脉冲的形状发生变化。结发热效应引起调制失真。

相对于高码速通信，低码速光纤通信系统的“结发热效应”更加明显，这是因为随着调制速率的提高，码元时间间隔缩短，PN结结区温度来不及发生变化。25七月2023§4-3半导体激光器另12九月2023§4-3半导体激光器3.光谱特性—单色性（1）发射波长

半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放出的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)=hυ=hc/λ，υ

(Hz)和λ(µm)分别为发射光的频率和波长，1eV=1.60×10−19J，所以有激光器的发射波长由于带隙Eg与半导体材料的成分及其含量有关，因此根据这个原理可以制成不同发射波长的激光器。25七月2023§4-3半导体激光器3.光谱特性—单12九月2023§4-3半导体激光器

半导体激光器的光谱随着注入电流的变化而变化。当I＜Ith时，发出的是荧光，光谱很宽；当I＞Ith后，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加，此时发出激光，如图所示。25七月2023§4-3半导体激光器半12九月2023§4-3半导体激光器（2）激光器的纵模反映器件的光谱特性纵模数随注入电流（驱动电流）而变。随着注入电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线宽度变窄，当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光器称为静态单纵模激光器；随注入电流的增加，主模的增益增加而边模的增加减少，振荡模数减少。峰值波长随结温升高而向长波长移动；半导体材料的禁带宽度Eg随着结温升高而变窄。25七月2023§4-3半导体激光器（2）激光器的纵模12九月2023§4-3半导体激光器普通激光器工作在直流或低码速情况下，它具有良好的单纵模谱线，所对应的光谱只有一根谱线，而在高码速调制（脉冲调制）时，动态谱线随调制电流Im增加而展宽，甚至其线谱呈现多纵模谱线。为什么呢？25七月2023§4-3半导体激光器普通激光器工作在直12九月2023§4-3半导体激光器

对于脉冲调制，调制电流Im不断变化，使有源区载流子浓度随之变化，进而导致折射率变化，最终使激光器的振荡频率发生漂移，动态谱线展宽。Im不断变化→载流子浓度变化→n变化→

λ变化

动态谱线展宽对高速光纤通信不利。一般情况，用F-P谐振腔可以得到的是直流驱动的静态单纵模激光器，要得到高速数字调制的动态单纵模激光器，必须改变激光器的结构，采用分布反馈半导体激光器DFB等。

多模激光:光谱有多个峰值波长（中心波长），其中最大峰值波长称为主中心波长，该模式也称为主模，其它的模式称为边模。25七月2023§4-3半导体激光器对12九月2023§4-3半导体激光器（3）激光器的谱线宽度多纵模LD的谱宽单纵模LD的谱宽25七月2023§4-3半导体激光器（3）激光器的谱线12九月2023§4-3半导体激光器多纵模激光器：

用均方根谱宽Δrms或半值满谱宽Δ1/2表示。

对于使用多纵模激光器的光发射机，其谱宽Δrms一般要求在2~10nm范围。单纵模激光器：

用3dB或20dB谱宽Δ

-20dB表示。Δ-20dB=6.07Δrms，对于使用单纵模激光器的光发射机，其谱宽Δ

-20dB要求在1nm以下。幅度

谱宽1.0

0.61

0

dlrms0.01

dl-20dB25七月2023§4-3半导体激光器多纵模激光器：幅度12九月2023§4-3半导体激光器（4）边模抑制比

边模抑制比是指主纵模的光功率P1和最大边模光功率P2之比一般，光发射机的SMSR大于30dB，即主纵模的光功率是最大边模光功率的1000倍以上。25七月2023§4-3半导体激光器（4）边模抑制比12九月2023§4-3半导体激光器4.激光束的空间分布—方向性

激光器的方向性指输出光束的空间发散程度。远场光强下降到最大值一半之处时，在垂直于P-N结平面的方向上，对激光器输出端面的张角大小，称为垂直发散角，用

来表示；在平行于P-N结平面的方向上，对LD输出端面的张角大小，称为平行发散角，用

//来表示。

>

//。^q

//OP层N层有源层水平发散角和垂直发散角1.00.500-5050发散角（度）垂直方向水平方向

远场光强分布曲线相对光强25七月2023§4-3半导体激光器4.激光束的空间12九月2023§4-3半导体激光器

激光器的横模决定了输出光束的空间分布，发散角直接影响到器件与光纤的耦合效率。与纵模的意义不同，横模反映的是由于边界条件的存在对腔内电磁场形态的横向空间约束作用。异质结结构中，有源区厚度很薄(<1µm)，通常仅有基垂直横模被激发，而水平横模受PN结条款的影响，一般情况，

<30o，

//<10o。25七月2023§4-3半导体激光器激12九月2023§4-3半导体激光器5.瞬态特性

半导体激光二极管（LD）具有电光转换效率高、响应速度快、可进行直接调制等优点，被视为光纤通信中的理想光源。但是对于LD进行脉冲调制时，尤其是高码速光纤通信中，LD往往呈现出复杂的动态性质。P(t)易自脉动现象25七月2023§4-3半导体激光器5.瞬态特性P(12九月2023§4-3半导体激光器（1）从图中可以看出，LD在脉冲调制中出现的动态特性有①存在电光延迟，一般为ns量级；②出现张弛振荡：LD输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡；--激光器内部光电相互作用所变现的固有特性③出现自脉动现象：输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡；LD内部不均与增益或不均与吸收产生，以及P-I曲线有明显扭折的LD易出现自脉动现象④是②和③的混合。25七月2023§4-3半导体激光器（1）从图中可以看12九月2023§4-3半导体激光器（2）产生张弛振荡的原因分析①t<td：当阶跃电流I（I>Ith）时，有源区里电子密度n增加，但这段时间n小于阈值电流密度nth，激光并不会产生，所以光功率存在一个延迟时间，即电光延迟时间。②td<t<t1

：当n增加到nth以后，激光开始产生，但光子密度s存在一个增加的时间过程，光子密度s达到稳态值之前，n继续增加，s达到稳态值时，n达到最大值。25七月2023§4-3半导体激光器（2）产生张弛振荡12九月2023§4-3半导体激光器③t1<t<t2：当t1时刻后，光场已经建立，s迅速增加，同时消耗粒子数，n下降，当s达到峰值时，n下降到nth。④t2<t<t3：当n下降到nth以后，有源区里载流子复合仍将持续一段时间，此时电子密度n继续下降到nth以下，s也开始下降，下降到稳态值时，n已达到最小，激光停止或减弱，此刻又开始电子的填充。由于电子的存储效应，电子的填充时间比上次短，电子密度和光子密度的过冲也上次小。25七月2023§4-3半导体激光器③t1<t<t212九月2023§4-3半导体激光器（3）分析瞬态过程的出发点出发点是LD速率方程组的瞬态解。由速率方程组(简化)得到的张弛振荡频率wr及其幅度衰减时间τ0和电光延迟时间td的表达式为式中，τ0表示张弛振荡的幅度衰减为初始值1/e的时间，i和ith分别为注入电流密度和阈值电流密度。τsp和τph分别为电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命。25七月2023§4-3半导体激光器（3）分析瞬态过程12九月2023§4-3半导体激光器由以上三式可以得到：张弛振荡的角频率wr随谐振腔内光子寿命

ph和自发辐射寿命时间

sp的减小而增加，并随注入电流的增加而升高；张弛振荡的衰减时间与自发辐射的寿命时间

sp同数量级，并随注入电流的增加而减小；电光延迟时间td与自发辐射的寿命时间

sp为相同数量级，并随注入电流i的增加而减小。25七月2023§4-3半导体激光器12九月2023§4-3半导体激光器（4）对LD进行脉冲调制时，减小电光延迟时间行之有效的方法

在发射机电路中施加直流预偏置电流。直流预偏置电流在脉冲到来时，电光延迟的时间大大减少，而且张弛振荡现象也可得到一定程度的抑制。简化的速率方程组是基于下列条件提出的：注入电流均匀恒定，即电流密度i为常数，电子和光子密度在腔内处处均匀，因而可以不考虑梯度场和漂移场的作用；光子完全被介质波导限制在有源区中，不需要考虑侧向光场的漏出；忽略非辐射复合的影响；激光器在阈值之上单纵模振荡。25七月2023§4-3半导体激光器（4）对LD进行12九月2023§4-3半导体激光器（5）电光延迟和张弛振荡的后果是限制调制速率：①电光延迟要产生码型效应当电光延迟时间td与数字调制的码元持续时间T/2为相同数量级时，会使“0”码过后的第一个“1”码的脉冲宽度变窄，幅度变小，严重时可能使单个“1”丢失。--码型效应电脉冲光脉冲25七月2023§4-3半导体激光器（5）电光延迟和张12九月2023§4-3半导体激光器码型效应的特点：在脉冲序列中较长的连“0”码后出现的“1”码，其脉冲明显显效，而且连“0”码越多，调制速率越高，则码型效应越明显。为什么？原因分析：在两个接连出现的“1”码中，第一个脉冲到来之前，有较长的连“0”码，由于电光延迟时间长和光脉冲上升时间的影响，因此脉冲变小。第二个脉冲到来时，由于第一脉冲的电子空穴复合尚未完全消失，有源区电子密度较高，因此电光延迟时间短，脉冲较大。码型效应对光纤通信不利，那么如何消除呢？25七月2023§4-3半导体激光器码型效应的特点：12九月2023§4-3半导体激光器消除码型效应的方法：第一，增加直流偏置电流，使LD偏置在Ith附近。--最简单的方法当LD偏置在Ith附近时，脉冲持续时和脉冲过后有源区里电子密度变化不大，从而使电子存储时间大大减少。第二，双脉冲信号进行调制。每一个正脉冲跟随一个负脉冲，正脉冲产生光脉冲，负脉冲消除有源区里的存储电荷，但是负脉冲不能过大，否则PN结将被击穿。②当最高调制频率接近张弛振荡频率时，波形严重失真，以至于使光接收机在抽样判决时增加误码率，因此实际使用的最高调制速率应低于张弛振荡频率。25七月2023§4-3半导体激光器消除码型效应的方法12九月2023§4-3半导体激光器（6）自脉动现象作为一种高频干扰严重地威胁到激光器高速脉冲调制的性能①自脉动现象的出现与调制状态无关，即注入电流与注入脉冲电流都可能出现自脉动现象，只是与注入的总电流有关；②自脉动现象是目前激光器在某些注入电流值的情况下发生的现象，且振荡频率随注入电流的增加而升高；③自脉动现象经常出现在P-I特性曲线扭折处。25七月2023§4-3半导体激光器（6）自脉动现象作12九月2023§4-4发光二极管一、工作原理

发光二极管是非相干光源（荧光），它的发射过程主要对应光的自发辐射过程。在发光二极管的结构中不存在谐振腔，当PN结注入正向电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中复合发光，发光过程中PN结也不一定需要实现粒子数反转。25七月2023§4-4发光二极管一、工作原理12九月2023§4-4发光二极管二、结构与分类

发光二极管不需要谐振腔，并且为了获得高辐射亮度，LED常采用双异质结结构。按照光输出的位置不同，LED可分为边发射型LED、面发射型LED和超辐射发光二极管(SLED)。25七月2023§4-4发光二极管二、结构与分类12九月2023§4-4发光二极管三、基本特性1.输出光功率特性（P-I特性）

没有阈值，其输出功率基本上与注入电流成正比，适合短距离和模拟光纤通信中；实际上也存在非线性区域。LED的工作电流通常50mA~100mA。IP25七月2023§4-4发光二极管三、基本特性IP12九月2023§4-4发光二极管2.温度特性

温度对LED影响不大，实际使用中也可以不进行温度控制，如果需要，确保实验系统或使用设备的稳定，可以加装散热装置。另外，温度升高时，LED的输出功率也将降低。3.光谱特性

自发辐射光，没有谐振腔对波长的选择，为非相干光，谱线较宽，在30~120nm，光谱约300~1600nm。25七月2023§4-4发光二极管2.温度特性12九月2023§4-4发光二极管4.光束空间分布

辐射角大，LED与光纤的耦合效率通常小于10％，一般只适用于短距离通信，边发光型和面发光型不一样，见图。5.响应速度

时域上的概念，在频域上对应为带宽，调制频率比LD低很多，面发光型LED的可调制频率仅为几十MHz，边发光型LED的可调制频率可达200MHz。25七月2023§4-4发光二极管4.光束空间分布12九月2023§4-4发光二极管四、优点与应用

尽管发光二极管的输出光功率较低，光谱较宽，但由于使用简单、寿命长、可靠性高、调制电路简单、制造工艺简单、成本低等优点。

LED通常和多模光纤耦合，在1.31μm或0.85μm波长的小容量、中低速率、短距离的光纤数字通信系统和光纤模拟信号传输系统中得到了广泛应用。

LD通常和单模光纤耦合，用于1.31μm或1.55μm大容量、长距离光通信系统。

DFB和DBR主要也和单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于1.55μm超大容量的新型光纤系统，这是目前光纤通信发展的主要趋势。25七月2023§4-4发光二极管四、优点与应用12九月2023激光二极管

发光二极管

1．输出光功率较大，几mW一几十mw。

输出光功率较小，一般仅1mw一2mW。

2．带宽大，调制速率高，几百MHz一几十GHz。

带宽小，调制速率低，几十一200MHz。

3．光束方向性强，发散度小。

方向性差，发散度大。

4．与光纤的耦合效率高，可高达80％以上。

与光纤的耦合效率低，仅百分之几。

5．光谱较窄。

光谱较宽。

6．制造工艺难度大，成本高。

制造工艺难度小，成本低。

7．在要求光功率较稳定时，需要APC和ATC。

可在较宽的温度范围内正常工作。

8．输出特性曲线的线性度较好。

在大电流下易饱和。

9．可靠性一般。

可靠性较好。

10．工作寿命短。

工作寿命长。

§4-4发光二极管25七月2023激光二极管发光二极管1．输出光功率较12九月2023§4-5光源的调制及驱动电路一、调制方式1.光调制

将光信号加载到光源的发射光束上。调制后的光波经过光纤信道送至接收端，由光接收机鉴别出它的变化，再现出原来的信息，称为光解调。2.调制方式的分类（1）直接调制/内调制--仅适用于半导体光源(LD和LED)

把要传送的信息转变为电流信号注入LD或LED，从而获得相应的光信号，采用的是电源调制方法。直接调制后的光波电场振幅的平方比例于调制信号，是一种光强度（IM）的方法。DIM25七月2023§4-5光源的调制及驱动电路一、调制方12九月2023§4-5光源的调制及驱动电路（2）间接调制/外调制

对光源的输出信号进行调制。

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辐射信号的调制，这种调制方法适合于半导体激光器，也适应于其他类型的激光器。间接调制也可采用内调制。用集成光学的方法把激光器和调制器集成在一起，用调制信号控制调制元件的物理性质，从而改变激光输出特性以实现调制LD调制器(晶体)光信号调制信号：谐振腔的外面放置调制器25七月2023§4-5光源的调制及驱动电路（2）间接12九月2023§4-5光源的调制及驱动电路25七月2023§4-5光源的调制及驱动电路12九月2023§4-5光源的调制及驱动电路间接调制/外调制与直接调制/内调制的区别：光源直接调制的优点是简单、经济、容易实现，但调制速率受载流子寿命及高速率下的性能退化的限制。外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。目前已提出的间接调制方式有电光调制、声光调制和磁光调制。

25七月2023§4-5光源的调制及驱动电路间接调制/12九月2023§4-5光源的调制及驱动电路①电光调制电光调制的基本工作原理是利用晶体的电光效应。电光效应是指由外加电压引起的晶体的折射率发生变化的现象。基本工作原理：利用电光晶体（如铌酸锂晶体等）的电光效应，当外加电场变化时，将引起晶体折射率n随之变化的现象，折射率的变化又将引起光波相位的变化。其中电场变化实际上就是对应于调制电压的变化（即需要传输的信号的变化）。这样，调制电压的变化最终将得到光波的相位的变化，从而达到电光调相的结果。25七月2023§4-5光源的调制及驱动电路①电光调12九月2023§4-5光源的调制及驱动电路

当一个Asin(wt+φ0)的光波入射到光波调制器(Z=0)，经过长度为L的外电场作用区后，输出光场(Z=L)即已调制光波为Asin(wt+φ0+Δφ)，相位变化因子

φ受外电压的控制从而实现相位调制。

普科尔（Pockel）效应(常用)与克尔（Kerr）效应。Pockel：当晶体的折射率与外加电场幅度成线性变化；Kerr：当晶体的折射率与外加电场幅度的平方成比例变化。25七月2023§4-5光源的调制及驱动电路12九月2023§4-5光源的调制及驱动电路②声光调制声光调制器是利用介质的声光效应制成的。声光调制的工作原理：当调制电信号变化时，由于压电效应，使压电晶体产生机械振动形成超声波，这个声波引起声光介质的密度发生变化，使介质折射率跟着变化，从而形成一个变化的光栅，由于光栅的变化，使光强随之发生变化，结果使光波受到调制。25七月2023§4-5光源的调制及驱动电路②声光调12九月2023§4-5光源的调制及驱动电路③磁光调制磁光调制磁光调制是利用法拉第效应得到的一种光间接调制；

基本原理：入射光信号经过起偏器，使入射光变为偏振光，这束偏振光通过YIG磁棒时，其偏置方向随绕在上面线圈的调制信号而变化，当偏振方向与后面的检偏器相同时，输出光强最大，当偏振方向与检偏器方向垂直时，输出光强最小，从而使输出光强随调制信号变化，实现了光的间接调制。25七月2023§4-5光源的调制及驱动电路③磁光调12九月2023§4-5光源的调制及驱动电路外调制器放大器

电信号调制光电调制信号调制后的光波LDLD输出连续光波25七月2023§4-5光源的调制及驱动电路外调制器放12九月2023§4-5光源的调制及驱动电路二、光源的模拟信号调制直接用连续的模拟信号（如话音、电视等信号）对光源进行调制。

LED模拟调制原理：连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上，适当选择直流偏置的大小，使静态工作点位于发光管特性曲线线性段的中点，可以减小光信号的非线性失真。在所有通信系统中，用LED作为光源时，均采用直接强度调制。25七月2023§4-5光源的调制及驱动电路二、光源的12九月2023§4-5光源的调制及驱动电路光源的模拟信号调制25七月2023§4-5光源的调制及驱动电路光源的模拟12九月2023§4-5光源的调制及驱动电路典型的模拟模拟调制电路电流放大电路：放大倍数α=ΔIc/ΔIb，ALEDV+usV+25七月2023§4-5光源的调制及驱动电路典型的模拟12九月2023§4-5光源的调制及驱动电路三、光源的数字调制

数字调制主要是指PCM编码调制。信号电流为单向二进制数字信号，用单向脉冲电流的“有”、“无”(“1”码和“0”码)控制发光管的发光与否。1.LED的数字调制

LED数字系统都是通过控制流经发光管电流的办法达到调制输出光功率的目的。

LED的数字调制电路采用电流开关电路，最常用的是差分电流开关电路，提高调制速率。25七月2023§4-5光源的调制及驱动电路三、光源的12九月2023§4-5光源的调制及驱动电路

数字信号从基极输入，通过集电极的电流驱动LED，“0”码时三极管截止，“1”码时三极管导通。

对于LED的二值码调制信号，其直流偏置可以选择在零点，即输入信号为零时，输出功率也为零。因此驱动电路中可以没有直流偏置调整电路。uiV+25七月2023§4-5光源的调制及驱动电路12九月2023§4-5光源的调制及驱动电路LED的数字信号调制25七月2023§4-5光源的调制及驱动电路LED的数12九月2023§4-5光源的调制及驱动电路2.LD的数字调制

LD数字系统通常用于高速系统，且是阈值器件，它的温度稳定性较差，与LED相比，其调制问题要复杂的多，驱动条件的选择、调制电路的形式和工艺，都对调制性能至关重要。

LD驱动电路中必须有直流偏置电流，因此驱动LD器件发光的是Ib+Im共同作用的结果。

Im的选择应考虑光源输出光脉冲的幅度，又要考虑自脉动现象。PIIbIm25七月2023§4-5光源的调制及驱动电路2.LD12九月2023§4-5光源的调制及驱动电路

此动画为LD的数字调制动画：注意与LED数字调制时其P-I特性曲线的区别。25七月2023§4-5光源的调制及驱动电路12九月2023§4-5光源的调制及驱动电路uinVB(参考电压)IbV-V3V1V2

LD数字驱动电路通过差分电流开关提高开关速度，V1、V2是一对差分管，一个导通、一个截止，组成一个电流开关，数字电信号uin从V1的基极输入，VB是直流参考电压施加在V2的基极上，V3是恒流源。25七月2023§4-5光源的调制及驱动电路uinVB12九月2023§4-5光源的调制及驱动电路（1）LD的输出功率监控方法

由于温度变化和工作时间加长，LD的输出功率会发生变化(降低)，采用控制电路的反馈电流使输出功率稳定，控制电路的功能是动态地调整其偏置电流，从而实现输出功率稳定。①利用LD输出光纤的功率，由Y型光纤耦合器分流出一小部分光功率进行监控。②LD的后解理面发射的光通常被用于这种监控目的。LD主输出光反馈光25七月2023§4-5光源的调制及驱动电路（1）LD12九月2023§4-5光源的调制及驱动电路LDuinVBIbV-V3V1V2PIN输出监控慢启动1~10ms25七月2023§4-5光源的调制及驱动电路LDuin12九月2023§4-5光源