光纖通信第二章3-瞬態(tài)性質(zhì)

1、北京郵電大學(xué)顧畹儀1第第2.3講講 半導(dǎo)體激光器的瞬態(tài)性質(zhì)半導(dǎo)體激光器的瞬態(tài)性質(zhì)一、瞬態(tài)現(xiàn)象一、瞬態(tài)現(xiàn)象二、速率方程組及其解二、速率方程組及其解三、結(jié)發(fā)熱效應(yīng)三、結(jié)發(fā)熱效應(yīng)四、自脈動(dòng)現(xiàn)象四、自脈動(dòng)現(xiàn)象北京郵電大學(xué)顧畹儀2一、瞬態(tài)現(xiàn)象一、瞬態(tài)現(xiàn)象1、瞬態(tài)現(xiàn)象:半導(dǎo)體激光器在進(jìn)行直接調(diào)制時(shí)顯示出來(lái)的現(xiàn)象。 （1）張弛振蕩和電光延遲：固有的瞬態(tài)現(xiàn)象 （2）自脈動(dòng)現(xiàn)象：內(nèi)部不均勻所致北京郵電大學(xué)顧畹儀32、瞬態(tài)過(guò)程的物理解釋電子和光子相互作用 t=0: 階躍電流脈沖注入 0-td: 對(duì)導(dǎo)帶底部填充電子， 使電子密度達(dá)到nthtd t1： 激光器開(kāi)始激射，光場(chǎng)建立，導(dǎo)帶中電子的超量填充t1 t2 ：有源

2、區(qū)過(guò)量復(fù)合t2 t3： 過(guò)量復(fù)合持續(xù)，電子密度降到nth 以下，S也下降t3以后： 重新對(duì)導(dǎo)帶底部填充電子北京郵電大學(xué)顧畹儀4二、速率方程組及其解二、速率方程組及其解1、簡(jiǎn)化速率方程組（1）簡(jiǎn)化條件注入電流均勻恒定，不需考慮梯度場(chǎng)和漂移場(chǎng)的影響不需考慮光場(chǎng)的側(cè)向漏出忽略非輻射復(fù)合的影響閾值以上單縱模振蕩北京郵電大學(xué)顧畹儀5n(t)和s(t): 分別為有源區(qū)里自由電子和光子密度j: 注入電流密度e0：電子電荷d: 有源區(qū)的厚度Rsp：自發(fā)發(fā)射的速率，Rsp = n(t)/ spg(n): 增益函數(shù)ph：光子的壽命時(shí)間： 自發(fā)發(fā)射進(jìn)入激光模式的系數(shù)0( )( )( ) ( )( )( )( )(

3、) ( )spphspdn tjn tg n s tdte dds ts tn tg n s tdt北京郵電大學(xué)顧畹儀62、速率方程組的穩(wěn)態(tài)解、速率方程組的穩(wěn)態(tài)解（1）穩(wěn)態(tài)條件（2）穩(wěn)態(tài)方程000spphspjngse dsngs0, 0dndsdtdt北京郵電大學(xué)顧畹儀7（3）穩(wěn)態(tài)方程的解00, 0,ee, ( )()thththspspjjsdndnjjnjg na nn jng)(35, 0 (1010 )1thphjjg1)2)增益函數(shù)發(fā)生飽和，n=nth北京郵電大學(xué)顧畹儀8)(e0,0thphthjjdsjj3)3、速率方程組的瞬態(tài)解速率方程組的瞬態(tài)解（1）小信號(hào)近似解小信號(hào)近似解s

4、pphspnsgsdtdsgsndjdtdn0e北京郵電大學(xué)顧畹儀9, , , ()()()ththnsnnnnnnsssssgggggggggnsnnsn 小信號(hào)近似小信號(hào)近似代入速率方程代入速率方程, 得到得到:北京郵電大學(xué)顧畹儀10nsngdtsdsnsngdtndspnphspn)(1)(angnnag)(方程兩邊再次求導(dǎo)方程兩邊再次求導(dǎo), 利用關(guān)系式利用關(guān)系式為常數(shù)為常數(shù), 得到得到北京郵電大學(xué)顧畹儀110)(11)(11)(2222nsngdtndsngdtnddtsddtndsngdtndspnphspnphspntisstinn)exp()()exp()(00)(11)(212

5、2spnphspnsngsng式中式中北京郵電大學(xué)顧畹儀122/122)1(1)(121)(21thphspththphspthspthspjjjjjjjjjjjj小結(jié)：小結(jié)： 張弛振蕩的衰減時(shí)間0 = 1/，與sp 同一數(shù)量級(jí)，并隨注入電流的增加而減?。?張弛振蕩的角頻率與sp和ph 有關(guān)，并隨注入電流的增加而升高。sp10-9sph10-12s北京郵電大學(xué)顧畹儀13（2）電光延遲時(shí)間閾值以下時(shí)thdtnspspspspjjjtdjndndtndjdtdndthlne/esp0000 電光延遲時(shí)間與自發(fā)發(fā)射壽命時(shí)間同數(shù)量級(jí), 隨注入電流的增加而減小。北京郵電大學(xué)顧畹儀1400000sp0sp

6、00, / eln, 0thspmnspdspnmdmththdjjjjne ddntnjdjtjjjjjt 直流預(yù)偏值電流的作用若則 所以，直流預(yù)偏值電流可以大大減小電光延遲時(shí)間，也可抑制張弛振蕩。北京郵電大學(xué)顧畹儀15 4、碼型效應(yīng)原因：電光延遲 有源區(qū)里電子的 存儲(chǔ)時(shí)間特點(diǎn)：調(diào)制速率越高、 連零數(shù)越長(zhǎng)， 碼型效應(yīng)越明 顯。抑制方法：適當(dāng)?shù)卦黾?直流預(yù)偏置電流北京郵電大學(xué)顧畹儀16三、結(jié)發(fā)熱效應(yīng)三、結(jié)發(fā)熱效應(yīng)1、結(jié)區(qū)熱方程式、結(jié)區(qū)熱方程式 C 結(jié)區(qū)的熱容量（J/K） R LD的熱阻（K/W）2、注入穩(wěn)定電流注入穩(wěn)定電流I 達(dá)到熱平衡時(shí)， = R（Vj I + I2 Rs ） Ith = I

7、th0 expR（Vj I + I2 Rs ）/ K0 ( )d ttQ tCdtR22(1)()pjsjsQV II RV II R0()/exDthphIIe北京郵電大學(xué)顧畹儀173、進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)(1) 當(dāng)當(dāng)0 t 初始條件：初始條件： (2) 當(dāng)當(dāng) t 0200( )()()mjmmsIIIQ tV IIIIR , ( ) , , thttIp200(0)()jstR V II R200( ) , ( ), , jsthQ tV II RttIp北京郵電大學(xué)顧畹儀184、小結(jié)、小結(jié)結(jié)發(fā)熱效應(yīng)的特點(diǎn)：低頻調(diào)制（碼元持續(xù)時(shí)間與熱時(shí)間結(jié)發(fā)熱效應(yīng)的特點(diǎn)：低頻調(diào)制（碼元持續(xù)時(shí)間與熱

8、時(shí)間 常數(shù)常數(shù)C R相當(dāng)）時(shí)明顯相當(dāng)）時(shí)明顯抑制方法：適當(dāng)增加直流偏制電流抑制方法：適當(dāng)增加直流偏制電流北京郵電大學(xué)顧畹儀19四、自脈動(dòng)現(xiàn)象四、自脈動(dòng)現(xiàn)象1、自脈動(dòng)現(xiàn)象的特點(diǎn)自脈動(dòng)現(xiàn)象的特點(diǎn)持續(xù)、等幅、歸零振持續(xù)、等幅、歸零振動(dòng)動(dòng)等間距、窄脈沖等間距、窄脈沖與注入的總電流有關(guān)，與注入的總電流有關(guān)，與調(diào)制狀態(tài)無(wú)關(guān)與調(diào)制狀態(tài)無(wú)關(guān)往往對(duì)應(yīng)往往對(duì)應(yīng)P-I曲線(xiàn)的扭曲線(xiàn)的扭折區(qū)折區(qū)北京郵電大學(xué)顧畹儀20北京郵電大學(xué)顧畹儀21 2、自脈動(dòng)現(xiàn)象的機(jī)理、自脈動(dòng)現(xiàn)象的機(jī)理 非線(xiàn)性增益非線(xiàn)性增益 增益小于損耗增益小于損耗,不激射區(qū)不激射區(qū)出現(xiàn)超線(xiàn)性增益出現(xiàn)超線(xiàn)性增益 phstthphdssgsdtsRg s穩(wěn)態(tài)情況

9、下：北京郵電大學(xué)顧畹儀22超線(xiàn)性增益可能的機(jī)制超線(xiàn)性增益可能的機(jī)制 不均勻電注入（增益不均勻，不均勻串聯(lián)電阻，不均勻閾值）本征可飽和吸收區(qū) 高密度體內(nèi)可飽和吸收中心（帶尾或雜質(zhì)缺陷） 不均勻吸收（暗線(xiàn)，暗區(qū)，表面耗盡層組分不均勻等） 光絲耦合 增益不穩(wěn)定空間燒洞北京郵電大學(xué)顧畹儀233、雙區(qū)共腔結(jié)構(gòu)、雙區(qū)共腔結(jié)構(gòu)1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：電學(xué)特性：兩個(gè)區(qū)域電學(xué)特性：兩個(gè)區(qū)域 r1 = L1 / L r2 = L2 / L光學(xué)特性：兩區(qū)共處光學(xué)特性：兩區(qū)共處 在同一諧振腔里在同一諧振腔里2) 速率方程組速率方程組 必要條件：必要條件： g1 0, g2 0 或或 g1 0, g2 03）物理解釋物理解釋北京郵電大學(xué)顧畹儀244)