1、構(gòu)成光纖通信系統(tǒng)三大部分之一的光發(fā)射部分的核心是產(chǎn)生激光或熒光的光源，它包括半導(dǎo)體激光器LD（Laser Diode） 和半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED（Light Emitting Diode），它們的共同特點(diǎn)是：體積小，重量輕，耗電量小。 激光，其英文LASER就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激輻射的光放大)的縮寫。,第三章 半導(dǎo)體激光器與發(fā)光二極管,2020/9/16,2,引言,一、 光纖通信系統(tǒng)對(duì)光源的基本要求： （1）穩(wěn)定性好，可在室溫下連續(xù)工作； （2）尺寸和結(jié)構(gòu)要小； （3）光波應(yīng)匹配光纖的兩個(gè)低損耗波

2、段； （4）信號(hào)調(diào)制容量大。,2020/9/16,3,引言,二、 最常用的發(fā)光器件： （1）LD：半導(dǎo)體激光二極管或稱激光器(LD),發(fā)出的是激光. a. 極窄的光譜帶寬；b. 極大的調(diào)制容量； c 有定向輸出特性；d. 輻射具有光相干特性。 適用于長距離，大容量，高碼速系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn)：輸出特性曲線線性好；使用壽命長；成本低. （2）LED：發(fā)光二極管或稱發(fā)光管(LED),發(fā)出的是熒光。 a. 非相干的自發(fā)輻射； b.結(jié)構(gòu)及工作方式簡單； 適用于短距離，低速，模擬系統(tǒng) 缺點(diǎn)：譜線寬度較寬；調(diào)制速率較低；與光纖的耦合效率較低。,半導(dǎo)體激光器（LD）圖例,紅光點(diǎn)狀光斑激光器 工作參數(shù) 輸出波長： 63

3、5nm 650nm 670nm出光功率： 075mw光斑直徑： 工作電壓：3V 4.5V 5V 6V,圖 3.1*,發(fā)光二極管圖例,圓形發(fā)光二極管工作參數(shù) 波長：470nm 發(fā)光強(qiáng)度： 10004000mcd 正向電壓；3.4v,圖 3.2*,光電檢測(cè)器圖例,圖 3.3* 插拔式光電二極管,圖3.4* APD雪崩光電二極管,一、光子 1950年，愛因斯坦提出光量子學(xué)說。他認(rèn)為光是由能量為hf的光量子組成的，其中，h=6.62610-34 JS，稱為普朗克常數(shù)，f是光波頻率，人們稱這些光量子叫做光子。 不同頻率的光子具有不同的能量，而攜帶信息的光波它具有的能量只能是hf的整數(shù)倍，當(dāng)光與物質(zhì)相互作

4、用時(shí)，光子的能量作為一個(gè)整體被吸收或反射。 光子概念的提出，使人們認(rèn)識(shí)到，光不僅具有波動(dòng)性，而且還具有粒子性，而且兩者不可分割（兩重性）。,3-1 與激光器有關(guān)的概念,二、費(fèi)米能級(jí) 1、 原子能級(jí)的概念 物質(zhì)是由原子組成，而原子又是由原子核和核外電子構(gòu)成，當(dāng)物質(zhì)中原子的內(nèi)部能量變化時(shí)，即可能產(chǎn)生光波。因此要研究激光的產(chǎn)生過程，就應(yīng)了解原子能級(jí)分布。 電子在原子核外按一定的軌道運(yùn)動(dòng)，就具有了一定的電子能量，因此，電子運(yùn)動(dòng)的能量只能有某些允許的數(shù)值，這些允許的數(shù)值，因軌道不同，而一個(gè)個(gè)分開的，即不連續(xù)的，我們把這些分立的能量值，稱為原子的不同能級(jí)。(*04),2、費(fèi)米能級(jí) 物質(zhì)中的電子不停地做無規(guī)

5、則的運(yùn)動(dòng)，他們可以在不同的能級(jí)間躍遷，即對(duì)于某一電子而言，它所具有的能量時(shí)大時(shí)小，不斷變化，而電子按能量大小的分布卻有一定規(guī)律。,在熱平衡條件下，能量為E的能級(jí)被一個(gè)電子占據(jù)的概率為： 式中： （概率） ：為電子的費(fèi)米分布函數(shù) Ko：玻耳茲曼常數(shù) ， T：絕對(duì)溫度 ：費(fèi)米能級(jí)，它只反映電子在各能級(jí)中分布情況的一個(gè)參數(shù)。 根據(jù)上式，我們可以得到圖3.1所示的費(fèi)米分布函數(shù)曲線：,由圖3.1可見：在T0K時(shí) 若E=Ef：則f(E)=1/2，則說明該能級(jí)被電子占據(jù)的概率為50% 若E 1/2 若EEf ：則f(E) 1/2。 故：費(fèi)米統(tǒng)計(jì)規(guī)律是： 物質(zhì)粒子能級(jí)分布的基本規(guī)律，它反映了物質(zhì)中的電子按一定

6、規(guī)律占據(jù)能級(jí)。,三、光與物質(zhì)的三種作用形式 光可以被物質(zhì)吸收，也可以從物質(zhì)中發(fā)射，愛因斯坦指出了三種不同的基本過程如圖3.2所示（下面簡述E1、E2二能級(jí)系統(tǒng)為例）。 （1）自發(fā)輻射 這是一種發(fā)光過程。 設(shè)原子的兩個(gè)能級(jí)E1和E2，E1為低能級(jí)，E2為高能級(jí)，由于處在高能級(jí)的電子不穩(wěn)定，在未受外界激發(fā)的情況下，自發(fā)地躍遷到低能級(jí)，在躍遷的過程中，根據(jù)能量守恒原理，發(fā)射出一個(gè)能量為hf的光子，發(fā)射出的光子能量為兩個(gè)能級(jí)之差：即 ，則發(fā)射光子的頻率：,自發(fā)輻射的特點(diǎn)如下： 1）這個(gè)過程是在沒有外界作用的條件下，而自發(fā)產(chǎn)生的，是自發(fā)躍遷。 2）由于發(fā)射出光子的頻率決定于所躍遷的能級(jí)，而發(fā)生自發(fā)輻射的

7、高能級(jí)不是一個(gè)，而可以是一系列的高能級(jí)，因此輻射光子的頻率亦不同，頻率范圍很寬。 3）即使有些電子是在相同的能級(jí)差間進(jìn)行躍遷，也就是輻射出的光子的頻率相同時(shí)，但由于它們是獨(dú)立的，自發(fā)的輻射，因此，它的發(fā)射方向和相位也是各不相同的，是非相干的。,（2）受激吸收 物質(zhì)在外來光子的的激發(fā)下，低能級(jí)上的電子吸收了外來光子的能量，而躍遷到高能級(jí)上，這個(gè)過程叫受激吸收。 受激吸收的特點(diǎn)： 1這個(gè)過程必須在外來光子的激發(fā)下才能產(chǎn)生，因此是受激躍遷。 2外來光子的能量要等于電子躍遷的能級(jí)之差，如E=E2-E1=hf 3受激躍遷的過程中，不是放出能量，而是消耗外來光能。,（3）受激輻射 這是另一種發(fā)光過程，處于

8、高能級(jí)E2的電子當(dāng)受到外來光子的激發(fā)而躍 遷到低能級(jí)E1，同時(shí)放出一個(gè)能量為2hf的光子，由于這個(gè)過程是在外來光子的激發(fā)下產(chǎn)生的，因此叫受激輻射。,受激輻射的特點(diǎn)： 1外來光子的能量等于躍遷的能級(jí)之差，hf=E2-E1 2受激過程中發(fā)射出來的光子與外來光子不僅頻率相同，而且相位、偏振方向傳播方向都相同，因此稱為全同光子。 3這個(gè)過程可以使光得到放大，這是因?yàn)槭芗み^程中發(fā)射出來的光子與外來光子是全同光子，相疊加的結(jié)果而使光增強(qiáng)，使入射光得到放大。因此，受激輻射引起光放大，是產(chǎn)生激光的一個(gè)重要的基本概念。,3-2 激光器的一般工作原理 激光器是指激光的自激振蕩器。 要使光產(chǎn)生振蕩，必須是使光得到放

9、大，而產(chǎn)生光放大的前題，是物質(zhì)中的受激輻射必須大于受激吸收，因此，受激輻射是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵。 一、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布與光放大之間的關(guān)系 設(shè)低能級(jí)上的粒子密度為N1，高能級(jí)上的粒子密度為N2，正常狀態(tài)下N1N2，則單位時(shí)間內(nèi)，從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)上的粒子數(shù)總是小于從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)的粒子數(shù)，這時(shí)受激吸收大于受激輻射擊，即在熱平衡條件下，物質(zhì)不可能有光放大作用。,要想物質(zhì)能產(chǎn)生光放大，就必須使受激輻射作用大于受激吸收作用，即N2N1，這種粒子數(shù)一反常態(tài)的分布，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 。因此，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)是物質(zhì)產(chǎn)生光放大的必要條件。 我們將粒子數(shù)處于反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的物質(zhì)，稱增益物質(zhì)，或激活物質(zhì)。,二、

10、激光器的基本組成 電振蕩器構(gòu)成的三個(gè)條件：放大、振蕩、反饋。而激光振蕩器也應(yīng)由三部分組成： 1）有能夠產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)（放大）。 2）有能夠使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的激勵(lì)源（振蕩）。 3）有能夠完成頻率選擇及反饋?zhàn)饔玫墓鈱W(xué)諧振腔（反饋）。,1、能夠產(chǎn)生激光的工作物質(zhì) 就是可以處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的工作物質(zhì)（前題），這種物質(zhì)要有確定能級(jí)的原子系統(tǒng)，通過分析可知在三能級(jí)以上系統(tǒng)中即可得到粒子反轉(zhuǎn)分布。 2、泵浦源 使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵(lì)源，叫做泵浦源。 物質(zhì)在泵浦源的作用下，使粒子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，使N2N1，這種情況下，受激輻射大于受激吸收，從而有光放大作用，這時(shí)

11、的工作物質(zhì)已被激活，成為激活物質(zhì)或稱增益物質(zhì)。 3、光學(xué)諧振腔 增益物質(zhì)只能使光放大，要形成激光振蕩器，還需要光學(xué)諧振腔，以提供必要的反饋及進(jìn)行頻率選擇。,（1）光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)（如圖3.3） 在增益物質(zhì)的兩端，適當(dāng)位置，放置兩個(gè)反射鏡M1和M2互相平行，就構(gòu)成了最簡單的光學(xué)諧振腔。如果平面鏡，叫平面腔。如球面鏡，叫球面腔。 對(duì)于兩個(gè)反射鏡，要求其中一個(gè)能全反射，如M1的反射系數(shù)r=1，另一個(gè)為部分反射，如M2的反射系數(shù)r1，產(chǎn)生的激光由此射出。,(2)諧振腔如何產(chǎn)生激光振蕩 當(dāng)工作物質(zhì)在泵浦源的作用下，變?yōu)榧せ钗镔|(zhì)后，即有了放大作用，如果被放大的光有一部分能夠反饋回來，再參加激勵(lì)，這相當(dāng)于電

12、路中用正反饋實(shí)現(xiàn)振蕩，這時(shí)被激勵(lì)的光就產(chǎn)生振蕩，滿足一定條件后，即可發(fā)出激光。 如圖3.4所示：,激光的產(chǎn)生原理： 當(dāng)工作物質(zhì)在泵浦源的作用下，變?yōu)榧せ钗镔|(zhì)以后，即有了放大作用。 將在泵浦源激發(fā)下，處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的工作物質(zhì)，置于光學(xué)諧振腔內(nèi)，腔的軸線應(yīng)與激活物質(zhì)的軸線重合，被放大的光在諧振腔內(nèi)，在兩個(gè)反射鏡之間來回反射，并不斷地激發(fā)出新的光子，進(jìn)一步進(jìn)行放大，但在這個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中也要消耗一部分能量（不沿諧振腔軸線方向的光波會(huì)很快射出腔外，以及M2反射鏡的透射也會(huì)損耗部分能量）。當(dāng)放大足以抵消腔內(nèi)損耗時(shí)，就可以使這種運(yùn)動(dòng)不停地進(jìn)行下去，即形成光振蕩。當(dāng)滿足一定條件后，就會(huì)從反射鏡M2透射出

13、一束筆直的強(qiáng)光激光。,綜上所述：要構(gòu)成一個(gè)激光器，必須具備三要素： 1工作物質(zhì)：又稱增益物質(zhì) 2泵浦源：激發(fā)工作物質(zhì)實(shí)現(xiàn)NcNv的外界能源。 如 正向偏置的PN結(jié)激光器 3光學(xué)諧振腔：提供必要的反饋以及進(jìn)行頻率選擇。 激活物質(zhì)和光學(xué)諧振腔是產(chǎn)生激光振蕩的必要條件。,三、激光的參量 1、平均衰減系數(shù) 在光學(xué)諧振腔內(nèi)產(chǎn)生振蕩的先決條件是放大的光能足以抵消腔內(nèi)的損耗，而腔內(nèi)損耗的大小，用平均衰減系數(shù)表示： 式中： ：除反射鏡M2透射損耗以外的其它損耗所引起的衰減系數(shù)。 ：諧振腔反射鏡M2的透射損耗引起的衰減系數(shù)。 L：諧振腔兩個(gè)反射鏡之間的距離。 r1、r2：諧振腔兩個(gè)反射鏡的功率系數(shù)。,2、增益系

14、數(shù)G 激活物質(zhì)的放大作用，我們用增益系數(shù)G表示。如圖3.5、3.6所示： I0為激活物質(zhì)的輸入光強(qiáng)，經(jīng)過距離之Z后，光強(qiáng)放大到I，到了（ZdZ）處，光強(qiáng)為（IdI），那么，在dZ長度上，光強(qiáng)的增益dI為： 稱G為增益系數(shù)：它表示光通過單位長度的激活物質(zhì)之后，光強(qiáng)增長的百分比。,3、閾值條件 一個(gè)激光器并不是在任何情況下都可以發(fā)出激光的，它需要滿足一定的條件，由衰減系數(shù)的概念可以看出，要使激光器產(chǎn)生自激振蕩，最低限度應(yīng)要求激光器的增益剛好能抵消它的衰減，我們將激光器能產(chǎn)生激光振蕩的最低限度稱為激光器的閾值條件。 即： 其中：Gt 稱為閾值增益系數(shù)。 由上式可見，激光器的閾值條件，只決定于光學(xué)諧振

15、腔的固有損耗i， i 損耗越小，閾值條件Gt越低，激光器就越容易起振。,四、諧振頻率 諧振頻率是光學(xué)諧振腔的重要參數(shù)。 對(duì)平行平面腔而言，由于腔的尺寸可遠(yuǎn)大于工作波長，因此，腔內(nèi)的電磁波可認(rèn)為是均勻平面波，而且在腔內(nèi)往返運(yùn)動(dòng)時(shí)，是垂直于反射鏡而投射，如圖3.7： 由A發(fā)出的平面波M2垂直返回M1返回A時(shí)，波得到加強(qiáng)，如果它們之間的相位差正好是2的整數(shù)倍時(shí)，顯然就達(dá)到了諧振。 設(shè)諧振腔的長度L，諧振腔介質(zhì)中光的波長g，則滿足相位差2的整數(shù)倍時(shí)，有 此式表明，光波在諧振中往返一次，光的距離（2L）恰好為g整數(shù)倍，即相位差2的整數(shù)倍。,故光波長： 這就是光學(xué)諧振腔的諧振條件或稱駐波條件。 當(dāng)光學(xué)諧振

16、腔內(nèi)，工作物質(zhì)折射指數(shù)為n時(shí)，由上式可得出折算到真空光學(xué)諧振腔的諧振波長0g與諧振頻率f0g的關(guān)系為： 當(dāng)光波頻率滿足（3）式時(shí)，即可在腔中達(dá)到諧振。 注：由上面（2）、（3）式可見 10g與光學(xué)諧振腔內(nèi)材料的折射率有關(guān)。 2當(dāng)不同時(shí)，可有不同的f0g值，即有無窮多個(gè)諧振頻率。 ：整數(shù)倍,2020/9/16,30,3-3 半導(dǎo)體激光器（LD）,半導(dǎo)體激光器是利用在有源區(qū)中受激而發(fā)射光的光器件。只有在工作電流越過閾值電流的情況下，才會(huì)輸出激光（相干光），因而是有閾值的器件。 半導(dǎo)體砷化鎵（GaAs)： 在光纖通信中使用的激光物質(zhì)都是GaAs。 GaAs是高摻雜的-族化合物。當(dāng)摻入族Te原子取代A

17、s原子，自由 電子多，形成N型半導(dǎo)體 當(dāng)摻入族Zn原 子取代Ga原子，空穴多， 形成P型半導(dǎo)體。,S,+,-,p,n,laser,reflection,PN結(jié)激光器的示意,2020/9/16,31,現(xiàn)在所用最普遍的激光器是異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 它們的“結(jié)”是由不同的半導(dǎo)體材料制成的。主要目的是為了降低閾值電流，提高效率。目前，光纖通信用的激光器大多是銦鎵砷磷(InGaAsP)雙異質(zhì)結(jié)條形激光器，由剖面圖中可以看出，它是由五層半導(dǎo)體材料構(gòu)成。,一、半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu),2020/9/16,32,其中nInGaAsP是發(fā)光的作用區(qū)，作用區(qū)的上、下兩層稱為限制層，它們和作用區(qū)構(gòu)成光學(xué)諧振腔。限制層和作用

18、區(qū)之間形成異質(zhì)結(jié)。最下面一層nInP是襯底，頂層P+-InGaAsP是接觸層，其作用是為了改善和金屬電極的接觸。頂層上面數(shù)微米寬的窗口為條形電極。,InGaAsP雙異質(zhì)結(jié)條形激光器的基本結(jié)構(gòu),2020/9/16,33,半導(dǎo)體的能帶和電子分布 (a) 本征半導(dǎo)體； (b) N型半導(dǎo)體； (c) P型半導(dǎo)體,二、工作原理 為便于說明半導(dǎo)體激光器的機(jī)理，先介紹半導(dǎo)體的能帶分布： 1、半導(dǎo)體的能帶分布,2、P型和N型半導(dǎo)體的形成 N型半導(dǎo)體：將向本征半導(dǎo)體材料摻入提供電子的雜質(zhì)元素后而形成的半導(dǎo)體材料，叫做N型半導(dǎo)體。它屬于電子導(dǎo)電型。 通常狀態(tài)下：本征半導(dǎo)體的電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的，Ef位于禁帶中央

19、（如圖3.11a）。 N型半導(dǎo)體中的特點(diǎn)是：導(dǎo)帶電子多，價(jià)帶空穴相對(duì)減小，Ef增大（如圖3.11b）。 P型和N型相反。將向本征半導(dǎo)體材料摻入提供空穴的雜質(zhì)元素后而形成的半導(dǎo)體材料，叫做P型半導(dǎo)體。它屬于空穴導(dǎo)電型。特點(diǎn)是：導(dǎo)帶電子減少，價(jià)帶空穴相對(duì)增多，Ef減少（如圖3.11c）。,2020/9/16,35,一般狀態(tài)下，本征半導(dǎo)體的電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的，用Ef 位于禁帶中央來表示， Ef 稱為費(fèi)米能級(jí)，用來描述半導(dǎo)體中各能級(jí)被電子占據(jù)的狀態(tài)。 在本征半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)，稱為N型半導(dǎo)體。 在本征半導(dǎo)體中摻入受主雜質(zhì)，稱為P型半導(dǎo)體。 在P型和N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)界面上，由于存在多數(shù)載流子

20、(電子或空穴)的梯度，因而產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)部電場(chǎng)。 內(nèi)部電場(chǎng)產(chǎn)生與擴(kuò)散相反方向的漂移運(yùn)動(dòng)，直到P區(qū)和N區(qū)的Ef 相同，兩種運(yùn)動(dòng)處于平衡狀態(tài)為止，結(jié)果能帶發(fā)生傾斜。,2020/9/16,36,內(nèi)部電場(chǎng),擴(kuò)散,漂移,P - N結(jié)內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng)； PN結(jié)的能帶和電子分布,2020/9/16,37,勢(shì)壘,能量,E,n,c,N,區(qū),零偏壓時(shí)P - N結(jié)的能帶傾斜；,3、P-N結(jié)外加正偏壓后的能帶分布以及激光的產(chǎn)生 當(dāng)給PN結(jié)外加正向偏壓（P、N）后，P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子不斷地注入PN結(jié)，破壞了原來的熱平衡，在PN結(jié)出現(xiàn)了兩個(gè)費(fèi)米能級(jí)。 當(dāng)外加正向偏壓后,N區(qū)電子向P區(qū)移動(dòng)，P區(qū)空穴向N區(qū)移動(dòng)，能帶傾

21、斜減小，擴(kuò)散增大。獲得N2N1。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，在空穴電子擴(kuò)散過程中，導(dǎo)帶電子躍遷到價(jià)帶和空穴復(fù)合，產(chǎn)生自激輻射光（如圖3.14）。,由圖知： 在N區(qū)，由于EEfN，則各能級(jí)被電子占據(jù)的概率 ，表示處于高能級(jí)N區(qū)的粒子數(shù)增多。 在P區(qū)，由于EEfP ，概率 ，表示處于低能級(jí)P區(qū)的粒子數(shù)減少。 由上述兩點(diǎn)：說明在外加正偏壓后，在PN結(jié)區(qū)，出現(xiàn)了高能級(jí)的粒子多，低能級(jí)粒子少的分布狀態(tài)，這即是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。(*5) 當(dāng)P-N結(jié)上外加的正偏壓足夠大時(shí)，將使得結(jié)區(qū)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，即出現(xiàn)受激輻射大于吸收情況，可產(chǎn)生光的放大作用，被放大的光在由P-N結(jié)構(gòu)成的光學(xué)諧振腔（諧振腔的兩個(gè)反射鏡M1、

22、M2，是由半導(dǎo)體材料的天然解理面形成的。）中來回反射，不斷增強(qiáng)。當(dāng)滿足閾值條件后，即可發(fā)出激光。,2020/9/16,40,正向偏壓下P - N結(jié)能帶圖,獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布,2020/9/16,41,增益區(qū)的產(chǎn)生： 在PN結(jié)上施加正向電壓，產(chǎn)生與內(nèi)部電場(chǎng)相反方向的外加電場(chǎng)，結(jié)果能帶傾斜減小，擴(kuò)散增強(qiáng)。電子運(yùn)動(dòng)方向與電場(chǎng)方向相反，便使N區(qū)的電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，P區(qū)的空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，最后在PN結(jié)形成一個(gè)特殊的增益區(qū)。 增益區(qū)的導(dǎo)帶主要是電子，價(jià)帶主要是空穴，結(jié)果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 在電子和空穴擴(kuò)散過程中，導(dǎo)帶的電子可以躍遷到價(jià)帶和空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射光。,三、半導(dǎo)體激光器的工作特性 半導(dǎo)體激光器屬

23、于二極管的范疇，除具有一般的伏安特性外，還具有以下的特殊的光頻特性（如圖3.15所示）。 1、閾值特性 對(duì)于半導(dǎo)體激光器，當(dāng)外加正向電流達(dá)到某一值時(shí)，輸出光功率將急劇增加，這時(shí)將產(chǎn)生激光振蕩，這個(gè)電流值叫閾值電流。用It表示。 閾值：是光學(xué)諧振腔中的最低振蕩條件，當(dāng)滿足一定的條件（閾值），就產(chǎn)生激光。 當(dāng)IIt時(shí)，激光器發(fā)出的是熒光。 當(dāng)IIt時(shí)，激光器發(fā)出的是激光。 為了使（半導(dǎo)體激光器）通信系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作，希望閾值電流It越小越好。,2、光譜特性 半導(dǎo)體激光器的光譜，隨激勵(lì)電流而變化。 當(dāng)IIt 時(shí)發(fā)熒光，光譜很寬，寬度達(dá)到數(shù)百埃。 當(dāng)IIt 時(shí)發(fā)射光譜突然變窄，譜線中心強(qiáng)度急劇增加。

24、表明發(fā)出激光。 單模激光器是指激光二極管發(fā)出的激光是單縱模，對(duì)應(yīng)光譜只有一根譜線，當(dāng)譜線很多時(shí)，即為多縱模激光器。 中心波長：光譜曲線最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長。 譜線寬度：最高點(diǎn)功率下降3dB時(shí)曲線的寬度。 3、溫度特性 激光器的閾值電流It和光輸出功率P0隨溫度T變化的特性，叫溫度特性（如圖3.16）。It隨T而增大，故實(shí)際電路中，均設(shè)有ATC電路。 當(dāng)然，It也和使用時(shí)間t有關(guān)，tIt。,4、轉(zhuǎn)換效率 半導(dǎo)體激光器是把電功率直接轉(zhuǎn)換成光功率的器件，衡量轉(zhuǎn)換效率的高低，用功率轉(zhuǎn)換效率表示。 定義： 式中： R：是與激光器的內(nèi)部量子效率，激光波長和模式損耗有關(guān)的常數(shù)。 V：工作電壓 It：閾值電流 I

25、：工作電流,四、分布反饋激光器（DFB） 隨著高速率光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展及新型光纖通信系統(tǒng)（如波分復(fù)用系統(tǒng)）的出現(xiàn)，對(duì)激光器提出了更高的要求。 1半導(dǎo)體激光器的譜線寬度更窄。 2在高速脈沖調(diào)制下保持動(dòng)態(tài)單縱模特性。 3發(fā)射光波長更加穩(wěn)定，并能實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。 4閾值電流更低，輸出光功率更大。,具有上述特性的動(dòng)態(tài)單縱模激光器有多種類型，其中性能優(yōu)良并廣泛采用的是分布反饋（DFB）激光器（如圖3.17所示）。,普通激光器用法布里珀羅（FP）諧振腔兩端的反射鏡對(duì)激活物質(zhì)發(fā)出的輻射光進(jìn)行反饋。DFB激光器用靠近有源層（作用區(qū)）沿長度方向制作的周期性結(jié)構(gòu)（波紋狀）衍射光柵實(shí)現(xiàn)光反饋，這種衍射光柵的折射率周期性變

26、化，使光沿有源層分布式反饋，所以稱為分布反饋激光器。 由有源層發(fā)射的光，從一個(gè)方向向另一個(gè)方向傳播時(shí)，一部份在光柵波紋峰反射（如光線a），另一部分繼續(xù)向前位播。在鄰近的光柵波紋峰反射（光線b），如果光線a和b匹配，相互迭加，則產(chǎn)生更強(qiáng)的反饋，而其它波長的光將相互抵消。,雖然每個(gè)波紋峰反射的光不大，但整個(gè)光柵有成千上萬個(gè)波紋峰，反饋光的總量足以產(chǎn)生激光振蕩。 光柵由下式確定： 式中：ne:材料有效折射率 nB:布喇格波長 m:衍射級(jí)數(shù) 在普通光柵的DFB激光器中，發(fā)生激光振蕩的有兩個(gè)閾值最低、增益相同的縱模，其波長為: 其中：L：光柵長度 在普通均勻光柵中，引入一個(gè) 相移變換，使原來的波峰變波谷

27、，可有效提高模式選擇性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)單縱激光器的要求。,(52),3-4半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED） 除半導(dǎo)體激光器（LD）外，還有半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）也是光纖通信中常用的光源，發(fā)光二極管基本上是用直接帶隙（導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的空隙稱為禁帶，也稱帶隙，寬度為Eg）的半導(dǎo)體材料制作的PN結(jié)二極管，它除了沒有光學(xué)諧振腔和閾值外，其它方面與激光器相同，它的發(fā)光只限于自發(fā)輻射，發(fā)出的是熒光（而LD是發(fā)出的受激輻射光）。,2020/9/16,49,LED是無閾值器件，發(fā)熒光。 工作特性： 光譜較寬； 輸出線性好，動(dòng)態(tài)范圍大，適于模擬通信； 壽命長。 LED發(fā)散角較大，與光纖的耦合效率低，適于短距離通

28、信； 溫度特性好，無閾值電流，一般不需要ATC（自動(dòng)溫度控制電路）； 發(fā)光二極管是由P型半導(dǎo)體形成的P層和N型半導(dǎo)體形成的N層，以及在中間由異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的有源層組成。有源層是發(fā)光的區(qū)域，其厚度為0.lum0.2um左右。,一、工作原理 發(fā)光二極管是非相干光源，它的發(fā)射過程主要是對(duì)應(yīng)光的自發(fā)輻射過程，在發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)中，不存在諧振腔，發(fā)光過程中PN結(jié)也不一定要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。當(dāng)注入正向電流時(shí)，注入的非平衡載流子在擴(kuò)散過程中復(fù)合發(fā)光，這就是發(fā)光二極管的基本原理。 LED的工作原理基于半導(dǎo)體的自發(fā)輻射。由于半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶和價(jià)帶都由許多不同的能級(jí)組成。大多數(shù)的載流子復(fù)合發(fā)生在平均帶隙上，但也有一些復(fù)合發(fā)生在最低及最高能級(jí)之間。設(shè)平均帶隙為Eg，則偏移量 Eg在1kT2kT范圍內(nèi)（K為玻爾茲曼常數(shù)，為1.38e-23 焦耳/度，T為結(jié)溫）。因此，LED的發(fā)射波長在其中心值附近占據(jù)較大的范圍。把光強(qiáng)下降一半時(shí)的兩點(diǎn)間波長范圍定義為輸出譜線寬度（半功率點(diǎn)全寬FWHP），如下圖所示。在室溫下，短波長LED的線寬約為25nm40nm，長波長 LED的線寬則可達(dá)75 nm100 nm。,2020/9/16,50,2020/9/16,51,LED的線寬與許多因素有關(guān)，如：線寬隨有源層摻雜濃度的增加而增加。 由于LED的線 寬大，使光纖色 散加重，從而限 制了傳輸距離和 速率。,導(dǎo)體