1、第四章第四章 光源和光发射机光源和光发射机广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信22022年年6月月3日星期五日星期五概述概述；半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理 ；半导体激光器半导体激光器；发光二极管发光二极管；光源的调制及驱动电路光源的调制及驱动电路；LD光发射机的控制电路光发射机的控制电路； 本章思考题本章思考题。第四章的主要内容第四章的主要内容广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信32022年年6月月3日星期五日星期五概述概述光源光源光发射机的核心部件：光发射机的核心部件：半导体激光管半导体激光管LD；半导体发光二极管半导体发光二极管LED。电信号
2、电信号输入电路输入电路驱动驱动电路电路光源光源控制电路控制电路对光源进行调制对光源进行调制辅助电路：稳定信号，控制温度辅助电路：稳定信号，控制温度光信号光信号一、光发射机简单框图一、光发射机简单框图适用于长距离大容量的光纤通信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、大容量的数字光器，在高速率、大容量的数字光纤通信系统中得到广泛应用。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、成本信系统。其制造工艺简单、成本低、可靠性好。
3、低、可靠性好。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信42022年年6月月3日星期五日星期五概述概述 此动画为光发射机工作原理动画，光源在调制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。电流的作用下发光，然后耦合进光纤传输。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信52022年年6月月3日星期五日星期五概述概述二、光发射机的主要指标二、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。绍其主要指标。1. 平均发送功率及其稳定度平均发送功率及其稳定度 平均发送功率是指光源尾
4、纤的平均输出光功率，平均发送功率是指光源尾纤的平均输出光功率，是在是在“0 0”、 “1 1”码等概率调制的情况下，光发送机码等概率调制的情况下，光发送机输出的光功率值，单位为输出的光功率值，单位为dBmdBm。2. 消光比消光比 消光比定义为全消光比定义为全“1”码的输出功率与全码的输出功率与全“0”码码的输出功率之比，取常用对数，通常用符号的输出功率之比，取常用对数，通常用符号EXT表表示：示：广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信62022年年6月月3日星期五日星期五概述概述 光发射机的消光比一般要求大于光发射机的消光比一般要求大于8.2dB8.2dB，即，即“0 0”码
5、光脉冲功率是码光脉冲功率是“1 1”码光脉冲功率的七分之一。码光脉冲功率的七分之一。三、对光源的要求三、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；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；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，电光转换效率高、驱动功率低，同时要求寿命长，可靠性高；可靠性高；4. 单色性和方向性好；单色性和方向性好；110lgPEXTP全全0广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信72022年年6月月3日星期五日星期五概述概述5. 易调制、响应速度快；易调制、响应速度快；6. 光
6、强对驱动电流的线性要好，以保证足够多的信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；号模拟调制光源而不发生畸变；7. 体积小、重量轻。体积小、重量轻。为什么目前多采用半导体光源呢？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。流而实现光波强度调制。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信82022年年6月月3日星期五日星期五半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理一、原子能级跃迁一、原子能级跃迁光源的物理基础光源的物理基础 能级：能级：原子由原子核和核外电子组成，核外
7、电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，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：各代表不同的量子态，即：原子中的电子只能在一原子中的电子只能在一定的量子态中运动定的量子态中运动；在最里层的轨道上量子态的能；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。位能）称为能级。
8、广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信92022年年6月月3日星期五日星期五半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理 能级跃迁：能级跃迁：原子中的电子可通过原子中的电子可通过与外界交换与外界交换能量能量的方式发生量子跃迁，量子跃迁交换的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，分别为有热能、光能，分别为热跃迁热跃迁和和光跃迁光跃迁。 热跃迁：热跃迁：交换的能量是热运动的能量；交换的能量是热运动的能量；光跃迁：光跃迁：交换的能量是光能。交换的能量是光能。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信102022年年6月月3日星期五日星期五半导体光源的工作原理
9、半导体光源的工作原理 考虑双能级的系统，考虑双能级的系统，低能级低能级E1和高能级和高能级E2，设，设处于高能级处于高能级E2和低能级和低能级E1上的电子数分别为上的电子数分别为N2和和N1，当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布：当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布：k=1.38110-23J/K，为波尔兹曼常数，为波尔兹曼常数，T为绝对温度。为绝对温度。 由于由于(E2-E1)0，T0，所以在热平衡状态下，所以在热平衡状态下，总是总是N1N2，这说明，这说明电子总是首先占据能量低的能级电子总是首先占据能量低的能级。1212expNEENKT广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光
10、纤通信112022年年6月月3日星期五日星期五半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理自发辐射：自发辐射：高能级高能级E2上的电子不稳定，会按一定的概率上的电子不稳定，会按一定的概率自发地跃迁到低能级自发地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量以上与空穴复合，释放的能量以光光子子（频率为（频率为，能量为，能量为h= E2- E1 ）的形式辐射。）的形式辐射。所以，自发辐射过程的特点如下：所以，自发辐射过程的特点如下：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；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；由于自发辐射可以发生在一系列的能级之间（如共价晶体中由于自发辐射可以发
11、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；导带向价带的自发辐射），因此材料的发射光谱范围很宽；即使跃迁过程满足相同的能级差（光子频率一致），它们也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。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，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）。各个方向传播，是非相干光（荧光）。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院
12、光纤通信光纤通信122022年年6月月3日星期五日星期五半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理受激吸收受激吸收/跃迁：跃迁：处于低能级上的电子在感应光场的作用处于低能级上的电子在感应光场的作用下（感应光子能量为下（感应光子能量为h= E2- E1 ），吸收一个光子从低），吸收一个光子从低能级能级E1跃迁到高能级跃迁到高能级E2上。上。所以，受激吸收过程的特点如下：所以，受激吸收过程的特点如下：受激吸收时需要消耗外来光能；受激吸收时需要消耗外来光能；受激吸收过程对应光子被吸收，生成电子受激吸收过程对应光子被吸收，生成电子空穴对的空穴对的光电转换过程。光电转换过程。 当某物质与外界处在热平衡状态
13、下，低能级的当某物质与外界处在热平衡状态下，低能级的粒子（电子）数粒子（电子）数N1总是大于高能级的粒子（电子）总是大于高能级的粒子（电子）数数N2，在这种状态下，有感应光场时，必然是受激，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。物质时强度按指数规律衰减，光波被吸收。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信132022年年6月月3日星期五日星期五半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理受激辐射：受激辐射： 处于高能级处于高能级E2的电子在感应光场作用下（感的
14、电子在感应光场作用下（感应光子能量为应光子能量为h= E2- E1 ），发射一个和感应光子），发射一个和感应光子一模一模一样一样的光子，跃迁到低能级的光子，跃迁到低能级E1上。上。所以，所以，受激辐射的特点如下：受激辐射的特点如下： 外来光子的能量等于跃迁的能级之差。外来光子的能量等于跃迁的能级之差。 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，因此称它们是相位、偏振方向和传播方向都相同，因此称它们是全同光子全同光子，是相干光。是相干光。 受激辐射过程受激辐射过程实质实质上是将感应光得到放大。上是将感应
15、光得到放大。 发射光子和感应光子不仅频率相同，而且相位、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。偏振方向和传播方向都相同，是相干光。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信142022年年6月月3日星期五日星期五半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信152022年年6月月3日星期五日星期五半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理每种跃迁是不是独立存在的呢？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
16、现，但对于各种特点的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，光电器件，只有一种机理起主要作用只有一种机理起主要作用，分别对应的，分别对应的是：发光二极管是：发光二极管LED，半导体激光管，半导体激光管LD和光电二极和光电二极管管/光电探测器。光电探测器。光纤通信多数采用光纤通信多数采用LD，则受激辐射的条件和结果？，则受激辐射的条件和结果？广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信162022年年6月月3日星期五日星期五半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理条件条件- -粒子数反转分布状态粒子数反转分布状态: : 如果外界向物质提供了能如果外界向物质提供了能量，就会
17、使得低能级上的电子获得能量大量地激发到高量，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能级上去，像一个泵不断地将低能级上的电子“抽运抽运”到高能级上，我们称这个能量为激励或者泵浦过程，从到高能级上，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而达到高能级上的粒子数N N2 2大于低能级上的粒子数大于低能级上的粒子数N N1 1的的分布状态，这种状态称为分布状态，这种状态称为粒子数反转分布状态粒子数反转分布状态。结果结果- -光放大过程光放大过程: :当物质粒子数反转分布状态下，当物质粒子数反转分布状态下，高高能级上的大量电子就会在受到外来
18、感应光子的激发下，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激发出一个强的出射光的光放大过程光放大过程。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信172022年年6月月3日星期五日星期五半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理二、半导体能带结构和载流子二、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，由于半导体在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半
19、导体晶体内部电子的晶体内部电子的共有化运动共有化运动，晶体能谱分裂成若干组，每，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组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带能带能带。 半导体内部自由运动的电子半导体内部自由运动的电子(简称自由电子简称自由电子)所填充的所填充的能带称为能带称为导带导带；价电子所填充的能带称为；价电子所填充的能带称为价带价带；导带和价；导带和价带之间带之间不允许电子填充不允许电子填充，所以称为，所以称为禁带禁带，其宽度称为，其宽度称为禁带禁带宽度宽度/带隙带隙，用，用Eg表示，单位为电子伏特表示，单位为电子伏特(eV)。Eg =Ec-EvE2E1广东海
20、洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信182022年年6月月3日星期五日星期五半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理 此动画为此动画为晶体的能带晶体的能带动画：导带和价带为光源动画：导带和价带为光源提供了物理基础。提供了物理基础。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信192022年年6月月3日星期五日星期五半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理电子在能级上是如何分布的呢？电子在能级上是如何分布的呢？( (遵循的规律遵循的规律) )电子的能级分布：电子的能级分布：费米费米- -狄拉克统计规律狄拉克统计规律 在热平衡条件下，能量为在热平衡条件下，能量为E的能级被电子占
21、据的概的能级被电子占据的概率率p(E)服从费米分布函数服从费米分布函数费米统计规律是物质粒子能级分布的费米统计规律是物质粒子能级分布的基本规律基本规律，它反映，它反映了物质中的电子了物质中的电子按一定规律占据能级按一定规律占据能级。 费米能级：费米能级：不是一个可以被电子占据的实际存在的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，能级，它是反映电子在各能级中分布情况的参量，具有具有能级的量纲能级的量纲，位置由总电子数能级具体情况决定，对本，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。征半导体，在禁带的中心。()/1( )1ffE EkTp EE
22、e，费米能级广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信202022年年6月月3日星期五日星期五半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理p(E)是电子在各能级分布的概率，所以有是电子在各能级分布的概率，所以有当当E=Ef时，时， p(E) =1/2， 能级能级E被电子占据的概率和空穴占据的概率相等，实际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；上费米能级不存在；当当E1/2， 能级能级E被电子占据的概率比较大，如果被电子占据的概率比较大，如果(Ef-E)kT，则，则p(E) 1，能级几乎被电子占据；，能级几乎被电子占据；当当EEf时，时， p(E)kT，则，则p(E
23、) 0，能级几乎被空穴占据。，能级几乎被空穴占据。()/1( )1ffE EkTp EEe，费米能级广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信212022年年6月月3日星期五日星期五半导体光源的工作原理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根据费米统计规律，可得各种半导体中电子的统计分布：分布：(a) 本征半导体本征半导体(b) 兼并型兼并型P型半导体型半导体 (c) 兼并型兼并型N型半导体型半导体 (d) 双兼并型半导体双兼并型半导体 EfcEfv低温下，本征半导体低温下，本征半导体费米能级的禁带的中费米能级的禁带的中心位置。心位置。对于重掺杂兼并型对
24、于重掺杂兼并型P型半导体，由于受主杂质型半导体，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。穴，费米能级进入半导体的价带。对于重掺杂兼并型对于重掺杂兼并型N型半导体，由于施主型半导体，由于施主杂质的掺入（五价元素的杂质），多数杂质的掺入（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载流子是电子，费米能级进入半导体的导带。导带。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信222022年年6月月3日星期五日星期五半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理 双兼并型半导体，双兼并型半导体，是一种是一种非
25、热平衡状态下非热平衡状态下的情况，因而用两的情况，因而用两种费米能级种费米能级Efc和和Efv来表征载流子的统计分布。在价带中，载流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，而导带中则与兼型半导体的分布相似，而导带中则与兼并型并型N型半导体的情况类似。因此，型半导体的情况类似。因此，Efc和和Efv之间形成了一个之间形成了一个粒子粒子数反转的区域数反转的区域。若有一光波，光子能量满足。若有一光波，光子能量满足Egh (Efc -Efv )，则这束光波经过双兼并型半导体时将被放大（则这束光波经过双兼并型半导体时将被放大（光放大光放大）。）
26、。 半导体激光器半导体激光器LD就是利用这种重掺杂的双兼并型半导体的就是利用这种重掺杂的双兼并型半导体的特点。特点。(d) 双兼并型半导体双兼并型半导体 EfcEfv广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信232022年年6月月3日星期五日星期五半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理三、三、PN结结1. PN结的形成结的形成 P型半导体和型半导体和N型半导体形成型半导体形成PN结时，结时，载流子的载流子的浓度差引浓度差引起扩散运动起扩散运动，P区的空穴向区的空穴向N区扩散，剩下带负电的电离受主，区扩散，剩下带负电的电离受主，从而在靠近从而在靠近PN结界面的区域形成了一个结界面的
27、区域形成了一个带负电的区域带负电的区域；同样，；同样，N区的电子向区的电子向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。这样一来，载流子扩散运动的结果形成了一个空间电荷区空间电荷区/结区结区。空间电荷区的电场方向由。空间电荷区的电场方向由N区指向区指向P区，这个区，这个电场称为电场称为“自建电场自建电场/内建电场内建电场”，与外加电场相反。，与外加电场相反。内建电场内建电场在在P型半导体中存在大量型半导体中存在大量带正电的带正电的空穴空穴，同时还存，同时还存在着等量的带负电的电离在着等
28、量的带负电的电离受主，它们的电性相互抵受主，它们的电性相互抵消而表现出消而表现出电中性电中性。在在N型半导体中存在型半导体中存在大量带负电的大量带负电的电子电子，同时还存在着等量的同时还存在着等量的带正电的电离施主，带正电的电离施主，它们的电性相互抵消它们的电性相互抵消而表现出而表现出电中性电中性。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信242022年年6月月3日星期五日星期五半导体光源的工作原理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，从而使引起）完全抵消了扩散运动，从而使PN结达到结达到动态
29、动态平衡状态平衡状态（热平衡状态），客观上没有电流通过。（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）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，这就要求原来在就要求原来在P区和区和N区高低不同的费米能级达到相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，如果趋向同一高度，如果N区的能级位置不变，那么区的能级位置不变，那么P区区的能级应该提高，从而使的能级应该提高，从而使PN结的结的能带发生倾斜弯曲能带发生倾斜弯曲。 PN结能带的弯曲
30、正结能带的弯曲正反映了空间电荷区的存在反映了空间电荷区的存在。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信252022年年6月月3日星期五日星期五半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信262022年年6月月3日星期五日星期五半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理 在空间电荷区内，自建场从在空间电荷区内，自建场从N区指向区指向P区，这说明区，这说明P区相对于区相对于N区为负电荷，用区为负电荷，用-VD来表示，叫做来表示，叫做接触电位差接触电位差/PN结的势垒高度结的势垒高度，P区所有能级的电子都附加了位能，区所有能级的电子都附加
31、了位能，其值为其值为(-e0).(-VD)=e0 VD，从而使，从而使P区的能带相对于区的能带相对于N区来区来说提高了说提高了 e0 VD。 3. 正向偏置下正向偏置下(PN结施加正向电压结施加正向电压)形成增益区形成增益区/有源区有源区 正向电压施加以后，削弱了原有内建电场，使势垒正向电压施加以后，削弱了原有内建电场，使势垒降低。如果降低。如果N区的能带还保持不变，则区的能带还保持不变，则P区的能带应向下区的能带应向下移动，下降的数值应为移动，下降的数值应为e0 V （ V VD ）。在这种非热平）。在这种非热平衡状态下，费米能级随之发生了分裂，在衡状态下，费米能级随之发生了分裂，在PN结出
32、现了两结出现了两个费米能级，个费米能级，N区和区和P区的费米能级分别为区的费米能级分别为Efc和和Efv 。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信272022年年6月月3日星期五日星期五半导体光源的工作原理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）使空穴向向电压形成）使空穴向N区运动，电子向区运动，电子向P区运动，在区运动，在PN结形成结形成一个特殊的一个特殊的增益区增益区/有源区有源区。在增益区，导带的多数载流子是电。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，结果形成子
33、，价带的多数载流子是空穴，结果形成粒子数反转分布粒子数反转分布。 在满足粒子数反转条件的情况下，当在满足粒子数反转条件的情况下，当EghPth，所以，所以或者用功率表示或者用功率表示exPhIe()/()/thDthPPhPeIIeIhexPIVPNIV， 是激光器的注入电流， 是结上所加电压/()/DthP hIIe()()DDthththhhPPIIIIee广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信592022年年6月月3日星期五日星期五半导体激光器半导体激光器2. 温度特性温度特性 半导体激光器对温度变化敏感，输出光功率随温度半导体激光器对温度变化敏感，输出光功率随温度发生变
34、化，产生变化的原因有两个：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；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，结区温度为区温度为T时的阈值电流时的阈值电流00000( )exp() 1/thTITITTTITTe， 结区的热力学温度，激光器材料的特征温度，在一定温度变化范围是常数, 是常数，为时阈值电流的。()DthhPIIe广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通
35、信602022年年6月月3日星期五日星期五半导体激光器半导体激光器广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信612022年年6月月3日星期五日星期五半导体激光器半导体激光器 另外，温度对激光器数字调制将产生另外，温度对激光器数字调制将产生结发热效应结发热效应。 所谓结发热效应，所谓结发热效应， 是指调制电流的作用引起半导体是指调制电流的作用引起半导体激光器激光器PN结结区的温度发生变化，导致输出光脉冲的形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。状发生变化。结发热效应引起调制失真。 相对于高码速通信，相对于高码速通信，低码速低码速光纤通信系统的光纤
36、通信系统的“结发结发热效应热效应”更加明显，这是因为随着调制速率的提高，码更加明显，这是因为随着调制速率的提高，码元元时间间隔缩短，时间间隔缩短，PN结结区温度来不及发生结结区温度来不及发生变化。变化。电流脉冲光脉冲t0t TI1I0广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信622022年年6月月3日星期五日星期五半导体激光器半导体激光器3. 光谱特性光谱特性单色性单色性（1）发射波长）发射波长 半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃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迁到价带时所释放出的能量，这个能量近似等于禁带宽度带宽度Eg(e
37、V)= h =hc/， (Hz)和和( m)分别为发射分别为发射光的频率和波长，光的频率和波长，1eV=1.601019 J，所以有激光器，所以有激光器的发射波长的发射波长由于带隙由于带隙Eg与半导体材料的成分及其含量有关，因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。此根据这个原理可以制成不同发射波长的激光器。)eV(24. 1gE广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信632022年年6月月3日星期五日星期五半导体激光器半导体激光器 半导体激光器的光谱随着注入电流的变化而变半导体激光器的光谱随着注入电流的变化而变化。当化。当IIth时，发出的
38、是时，发出的是荧光荧光，光谱很宽；当，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，后，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加，此时发出此时发出激光激光，如图所示。，如图所示。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信642022年年6月月3日星期五日星期五半导体激光器半导体激光器（2）激光器的纵模反映器件的光谱特性）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，窄，当驱动
39、电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光器称为这种激光器称为静态单纵模激光器静态单纵模激光器； 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。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；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半导体材料的禁带宽度Eg随着结温升高而随着结温升高而变窄。变窄。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信652022年年6月月3日星期五日星期五半导体激光器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
40、，所对应的光谱只有一根谱线，而好的单纵模谱线，所对应的光谱只有一根谱线，而在高码速调制（脉冲调制）时，动态谱线随调制电在高码速调制（脉冲调制）时，动态谱线随调制电流流Im增加而展宽，甚至其线谱呈现多纵模谱线。增加而展宽，甚至其线谱呈现多纵模谱线。为什么呢？为什么呢？广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信662022年年6月月3日星期五日星期五半导体激光器半导体激光器 对于脉冲调制，调制电流对于脉冲调制，调制电流Im不断变化，使有源区载不断变化，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
41、展宽。器的振荡频率发生漂移，动态谱线展宽。Im不断变化不断变化 载流子浓度变化载流子浓度变化 n变化变化 变化变化 动态谱线展宽对高速光纤通信不利。动态谱线展宽对高速光纤通信不利。一般情况，用一般情况，用F-P谐振腔可以得到的是直流驱动的谐振腔可以得到的是直流驱动的静态单纵模激光器静态单纵模激光器，要得到高速数字调制的要得到高速数字调制的动态单纵模激光器动态单纵模激光器，必须改变激，必须改变激光器的结构，采用分布反馈半导体激光器光器的结构，采用分布反馈半导体激光器DFB等。等。 多模激光多模激光: :光谱有多个峰值波长（中心波长），其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
42、长，该模式也称为中最大峰值波长称为主中心波长，该模式也称为主模主模，其它的模式称为其它的模式称为边模边模。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信672022年年6月月3日星期五日星期五半导体激光器半导体激光器（3）激光器的谱线宽度）激光器的谱线宽度多纵模多纵模LD的谱宽的谱宽单纵模单纵模LD的谱宽的谱宽广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信682022年年6月月3日星期五日星期五半导体激光器半导体激光器多纵模激光器：多纵模激光器： 用均方根谱宽用均方根谱宽 rms或半值满谱宽或半值满谱宽 1/2表示。表示。 对于使用多纵对于使用多纵模激光器的光模激光器的光发射发
43、射机，其谱宽机，其谱宽 rms一般要求在一般要求在210nm范围范围。单纵模激光器：单纵模激光器： 用用3dB或或20dB谱宽谱宽 -20dB表示。表示。 -20dB=6.07 rms，对于对于使用单纵模激光器的光使用单纵模激光器的光发射发射机，其谱宽机，其谱宽 -20dB要求在要求在1nm以下以下。幅度 谱宽1.0 0.61 0 drms0.01 d-20 dB广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信692022年年6月月3日星期五日星期五半导体激光器半导体激光器（4）边模抑制比）边模抑制比 边模抑制比是指主纵模的光功率边模抑制比是指主纵模的光功率P1和最大边模和最大边模光功率
44、光功率P2之比之比一般，光发射机的一般，光发射机的SMSR大于大于30dB，即主纵模的光，即主纵模的光功率是最大边模光功率的功率是最大边模光功率的1000倍以上。倍以上。1210lgPSMSRP广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信702022年年6月月3日星期五日星期五半导体激光器半导体激光器4. 激光束的空间分布激光束的空间分布方向性方向性 激光器的方向性指激光器的方向性指输出光束的空间发散程度。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，称为结平面的方向上，对激
45、光器输出端面的张角大小，称为垂直发散角垂直发散角，用，用 来表示；在平行于来表示；在平行于P-N结平面的方向结平面的方向上，对上，对LD输出端面的张角大小，称为输出端面的张角大小，称为平行发散角平行发散角，用，用 /来表示。来表示。 /。 /O OP P层层N N层层有有源源层层水平发散角和垂直发散角水平发散角和垂直发散角 1 1. .0 00 0. .5 50 00 0- -5 50 05 50 0发发散散 角角 （ 度度 ）垂垂 直直 方方 向向水水 平平 方方 向向 远场光强分布曲线远场光强分布曲线相相对对光光强强广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信712022年年6月
46、月3日星期五日星期五半导体激光器半导体激光器 激光器的横模决定了输出光束的空间分布，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发散角直接影响到器件与光纤的耦合效率与光纤的耦合效率。与纵。与纵模的意义不同，横模反映的是模的意义不同，横模反映的是由于边界条件的存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，有源区厚度很薄异质结结构中，有源区厚度很薄(1m)，通常仅有基垂直横模被激发，而水平横模受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，结条款的影响，一般情况， 30o， /10o。广东海洋大学理学院
47、广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信722022年年6月月3日星期五日星期五半导体激光器半导体激光器5. 瞬态特性瞬态特性 半导体激光二极管（半导体激光二极管（LD）具有电光转换效率高、响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。的理想光源。 但是对于但是对于LD进行脉冲调制时，尤其是高码速光纤进行脉冲调制时，尤其是高码速光纤通信中，通信中，LD往往呈现出复杂的动态性质。往往呈现出复杂的动态性质。P(t)易自脉动现象易自脉动现象广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信732022年年6月月3日
48、星期五日星期五半导体激光器半导体激光器（1）从图中可以看出，）从图中可以看出，LD在脉冲调制中出现的动在脉冲调制中出现的动态特性有态特性有 存在电光延迟，一般为存在电光延迟，一般为ns量级；量级； 出现张弛振荡：出现张弛振荡：LD输出光脉冲会出现输出光脉冲会出现幅度逐渐衰幅度逐渐衰减的振荡减的振荡；-激光器内部光电相互作用所变现的激光器内部光电相互作用所变现的固有固有特性特性 出现自脉动现象：输出光脉冲出现出现自脉动现象：输出光脉冲出现持续等幅的高持续等幅的高频振荡频振荡；LD内部不均与增益或不均与吸收产生，以内部不均与增益或不均与吸收产生，以及及P-I曲线有明显扭折的曲线有明显扭折的LD易出
49、现自脉动现象易出现自脉动现象 是是和和的混合。的混合。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信742022年年6月月3日星期五日星期五半导体激光器半导体激光器（2）产生张弛振荡的原因分析）产生张弛振荡的原因分析 tIth）时，有）时，有源区里电子密度源区里电子密度n增加，但这增加，但这段时间段时间n小于阈值电流密度小于阈值电流密度nth，激光并不会产生，所以光功激光并不会产生，所以光功率存在一个延迟时间，即电率存在一个延迟时间，即电光延迟时间。光延迟时间。 tdtt1 ：当当n增加到增加到nth以后，激光开始以后，激光开始产生，但光子密度产生，但光子密度s存在一个存在一个增加的时
50、间过程，光子密度增加的时间过程，光子密度s达到稳态值之前，达到稳态值之前，n继续增加，继续增加，s达到稳态值时，达到稳态值时，n达到最大达到最大值。值。广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院 光纤通信光纤通信752022年年6月月3日星期五日星期五半导体激光器半导体激光器 t1tt2：当当t1时刻后，光场已经建立，时刻后，光场已经建立，s迅速增加，同时消耗粒子数，迅速增加，同时消耗粒子数，n下降，当下降，当s达到峰值时，达到峰值时，n下下降到降到nth。 t2tt3：当当n下降到下降到nth以后，有源区里以后，有源区里载流子复合仍将持续一段时载流子复合仍将持续一段时间，此时电子密度间，此时电子密
