通信用光器件介紹和類型及光源解析

1、通信用光器件介紹和類型及光源解析通信用光器件可以分為兩種類型：1、有源器件: 需要外加能源驅(qū)動(dòng)工作的光電子器件 2、無源器件： 不需要外加能源驅(qū)動(dòng)工作的光電子器件1、有源器件 有源器件包括光源、光檢測器和光放大器，這些器件是光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)和光中繼器的關(guān)鍵器件，和光纖一起決定著基本光纖傳輸系統(tǒng)的水平。2、光無源器件 光無源器件主要有連接器、光纖準(zhǔn)直器、耦合器、波分復(fù)用器/解復(fù)用器、光隔離器、 光環(huán)形器、光開關(guān)、光濾波器、光衰減器等。這些器件對(duì)光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴(kuò)展和性能的提高都是不可缺少的。光器件與電器件的類比本章重點(diǎn)要求： 1、了解光源和光檢測器的概念及其在光纖通信系統(tǒng)中作用； 2

2、、理解激光器的發(fā)光機(jī)理； 3、掌握發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器、光電二極管、雪崩光電二極管等的工作原理及其主要特性； 4、了解并掌握幾類關(guān)鍵的無源器件。3.1 光源 光源是光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵器件，其功能是把電信號(hào)電流轉(zhuǎn)換為光信號(hào)功率,即實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換。 目前光纖通信廣泛使用的光源主要有半導(dǎo)體激光二極管或半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管或稱發(fā)光管(LED)。 3.1.1 半導(dǎo)體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu)一、受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布（一）基本概念 （1）半導(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。（2）激光 激光，其

3、英文 LASER 就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激輻射的光放大)的縮寫。所以討論激光器工作原理要從受激輻射開始。 （二）光和物質(zhì)相互作用 有源器件的物理基礎(chǔ)是光和物質(zhì)相互作用的效應(yīng)。在物質(zhì)的原子中，存在許多能級(jí)，最低能級(jí)E1稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的能級(jí) Ei (i=2, 3, 4 ) 稱為激發(fā)態(tài)。電子在低能級(jí)E1的基態(tài)和高能級(jí)E2的激發(fā)態(tài)之間的躍遷有三種基本方式。 1917年愛因斯坦根據(jù)輻射與原子相互作的量子理論提出，光與物質(zhì)的相互作用時(shí)，將發(fā)生: (1)受激吸收 (2)自發(fā)輻射 (3)受激輻射三種基本物理

4、過程。能級(jí)和電子躍遷(1)受激吸收(2)自發(fā)輻射(3)受激輻射(1)受激吸收 在正常狀態(tài)下，電子處于低能級(jí)E1，在入射光作用下，它會(huì)吸收光子的能量躍遷到高能級(jí)E2上，這種躍遷稱為受激吸收。受激吸收將使外界光能減少。 (2) 自發(fā)輻射 在高能級(jí) E2 的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用，也會(huì)自動(dòng)地躍遷到低能級(jí) E1上，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射。(3) 受激輻射 在高能級(jí) E2 的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級(jí) E1上，釋放的能量產(chǎn)生光輻射，這個(gè)過程是在外界條件刺激下產(chǎn)生的，因而稱為受激輻射。受激輻射產(chǎn)生的光子與入射光子疊加，使光得到放大，因而受激輻射是產(chǎn)生激

5、光的最重要的過程。 受激輻射是受激吸收的逆過程。電子在 E1 和 E2 兩個(gè)能級(jí)之間躍遷，吸收的光子能量或輻射的光子能量都要滿足波爾條件，即式中，h=6.62810-34Js，為普朗克常數(shù)， f12 為吸收或輻射的光子頻率。（三）相干光和非相干光（1）相干光 受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的光的特點(diǎn)很不相同。受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干光。 （2）非相干光 自發(fā)輻射的光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產(chǎn)生的，其頻率和方向分布在一定范圍內(nèi)，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱為非相干光。 怎么保證產(chǎn)生受激輻射而不是受激吸收？（四）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 產(chǎn)生受激輻射和產(chǎn)生受激吸

6、收的物質(zhì)是不同的。設(shè)在單位物質(zhì)中，處于低能級(jí)E1和處于高能級(jí) E2 (E2 E1) 的粒子數(shù)分別為 N1 和 N2。 在熱平衡條件下，各能級(jí)上的粒子數(shù)分布滿足玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布。 式中，k = 1.38110-23 J/K，為玻爾茲曼常數(shù)，T 為絕對(duì)溫度。由于 (E2-E1) 0 ，T 0，在系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)下，總是 N1 N2。這是因?yàn)殡娮涌偸鞘紫日紦?jù)低能量的軌道。（1）正常粒子分布受激吸收 我們把這種 N1 N2 分布稱為粒子數(shù)正常分布。在熱平衡狀態(tài)下，N1 N2，受激吸收大于受激輻射。當(dāng)光通過這種物質(zhì)時(shí)，光波總是被吸收，光強(qiáng)按指數(shù)衰減， 這種物質(zhì)稱為吸收物質(zhì)。 （2）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布受激輻

7、射 如果 N2 N1，即受激輻射大于受激吸收，當(dāng)光通過這種物質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱為 激活物質(zhì)。N2 N1的分布，和正常狀態(tài)( N1 N2 )的分布相反，所以稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)是使物質(zhì)產(chǎn)生光放大而發(fā)光的首要條件。問題是: 如何實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)呢? （1）要在能級(jí)間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，物質(zhì)系統(tǒng)中必須存在3個(gè)能級(jí)或3個(gè)以上的能級(jí)。理論證明，在二能級(jí)的物質(zhì)系統(tǒng)中，能級(jí)間不可能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)。 （2）在半導(dǎo)體光源器件中，通常是利用外加適當(dāng)?shù)恼螂妷簛韺?shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)的。二 、PN結(jié)的能帶和電子分布（一）能帶概念 半導(dǎo)體是由大量原子周期性有序排列

8、構(gòu)成的共價(jià)晶體。在這種晶體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態(tài)擴(kuò)展成能級(jí)連續(xù)分布的能帶。 內(nèi)層電子態(tài)之間的交疊小，原子間的影響弱，分成的能帶比較窄；外層電子態(tài)之間的交疊大，原子間的影響強(qiáng)，分成的能帶比較寬。 電子填充能帶時(shí)，將從最低能帶開始向上依次填充各個(gè)能帶的能級(jí)。 (a) 本征半導(dǎo)體； (b) N型半導(dǎo)體； (c) P型半導(dǎo)體 半導(dǎo)體的能帶和電子分布 能量低的能帶稱為價(jià)帶，能量高的能帶稱為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶底的能量Ec 和價(jià)帶頂?shù)哪芰縀v 之間的能量差Ec-Ev=Eg稱為禁帶寬度或帶隙。（1） 價(jià)帶 原子最外層的價(jià)電子所占據(jù)的能帶稱為價(jià)帶。（價(jià)帶中的電子不能導(dǎo)電，價(jià)帶中只有空穴才能導(dǎo)電）；（2）

9、導(dǎo)帶 價(jià)帶上面鄰近的空帶，即自由電子占據(jù)的能帶稱為導(dǎo)帶。 原子的電子與空穴的復(fù)合發(fā)光過程，主要發(fā)生在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間。 （3）滿帶 除了最外層外，內(nèi)層所有能帶都被電子填滿，故稱為滿帶。 （4）禁帶 導(dǎo)帶底的能量和價(jià)帶頂?shù)哪芰恐g的能量差稱為禁帶寬度或帶隙。電子不可能占據(jù)禁帶。 （二）電子分布 根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論，在熱平衡狀態(tài)下，能量為 E 的能級(jí)被電子占據(jù)的概率為費(fèi)米分布： 式中，k為波茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。Ef 稱為費(fèi)米能級(jí)，它是半導(dǎo)體的一個(gè)參數(shù)。 Ef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)。在費(fèi)米能級(jí)，被電子占據(jù)和空穴占據(jù)的概率相同。 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)

10、的，用Ef位于禁帶中央來表示。 當(dāng)能級(jí) E Ef ，p(E時(shí)，說明這種能級(jí)被電子占據(jù)的概率小于50%。 也就是說，低于費(fèi)米能級(jí)Ef 的能級(jí)被電子占據(jù)的概率大，高于費(fèi)米能級(jí)Ef 的能級(jí)被電子占據(jù)的概率小。 本征半導(dǎo)體正常狀態(tài)：導(dǎo)帶電子數(shù)小于價(jià)帶電子數(shù)，粒子數(shù)未反轉(zhuǎn)。(a) 本征半導(dǎo)體； (b) N型半導(dǎo)體； (c) P型半導(dǎo)體 半導(dǎo)體的能帶和電子分布 能量低的能帶稱為價(jià)帶，能量高的能帶稱為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶底的能量Ec 和價(jià)帶頂?shù)哪芰縀v 之間的能量差Ec-Ev=Eg稱為禁帶寬度或帶隙。（三）P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的能帶 （1）接觸前P型、N型半導(dǎo)體的能帶圖 主要由空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體。當(dāng)重?fù)?/p>

11、雜時(shí)，費(fèi)米能級(jí)會(huì)進(jìn)入價(jià)帶，稱為簡并型P型半導(dǎo)體； 主要由電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。當(dāng)重?fù)诫s時(shí)，費(fèi)米能級(jí)會(huì)進(jìn)入導(dǎo)帶，稱為簡并型N型半導(dǎo)體。 P型和N型半導(dǎo)體狀態(tài)：導(dǎo)帶電子數(shù)小于價(jià)帶電子數(shù)，粒子數(shù)仍未反轉(zhuǎn)。二能級(jí)系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(a) 本征半導(dǎo)體； (b) N型半導(dǎo)體； (c) P型半導(dǎo)體 半導(dǎo)體的能帶和電子分布接觸前PN半導(dǎo)體的能帶圖重?fù)诫s 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(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。 （2）接觸后P型、N型半導(dǎo)體的能帶圖 從載流子的擴(kuò)散漂移角度P區(qū)PN結(jié)空間電荷區(qū)N區(qū)內(nèi)部電場 擴(kuò)散 漂移 內(nèi)部電場產(chǎn)生與擴(kuò)散相反方向的

12、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。零偏壓時(shí)P-N結(jié)的能帶傾斜圖勢(shì)壘能量EpcP區(qū)EncEfEpvN區(qū)Env （2）接觸后P型、N型半導(dǎo)體的能帶圖 從粒子數(shù)反轉(zhuǎn)角度 當(dāng)P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體結(jié)合時(shí)形成PN結(jié)后，由于載流子向?qū)Ψ交ハ鄶U(kuò)散的結(jié)果，使N區(qū)的費(fèi)米能級(jí)降低，P區(qū)的費(fèi)米能級(jí)升高，達(dá)到熱平衡時(shí)，形成了統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。 因此在熱平衡狀態(tài)下，高能級(jí)上電子數(shù)少，低能級(jí)上電子數(shù)多，未能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。接觸后PN半導(dǎo)體的能帶圖重?fù)诫sP和N半導(dǎo)體 （3）外加正向偏壓下 PN 結(jié)半導(dǎo)體的能帶圖 從載流子的擴(kuò)散漂移角度，普通摻雜 增益區(qū)的產(chǎn)生：在PN結(jié)上施加正

13、向電壓，產(chǎn)生與內(nèi)部電場相反方向的外加電場，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。 hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv電子，空穴內(nèi)部電場外加電場正向偏壓下P-N結(jié)能帶圖普通摻雜的P型和N型半導(dǎo)體類型 （3）外加正向偏壓下 PN 結(jié)半導(dǎo)體的能帶圖 從費(fèi)米能級(jí)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)角度，重?fù)诫s 當(dāng)PN結(jié)加上正向偏壓時(shí)，破壞了熱平衡時(shí)統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，在P區(qū)和N區(qū)

14、各自形成了準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)。這時(shí)，導(dǎo)帶中費(fèi)米能級(jí)以下充滿了電子，價(jià)帶中費(fèi)米能級(jí)以上沒有電子，因此，形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，成為激活區(qū)，稱為半導(dǎo)體激光器的有源區(qū)。正向偏壓下P-N結(jié)能帶圖重?fù)诫s的P型和N型半導(dǎo)體類型 外加正向偏壓將N區(qū)的電子、P區(qū)的空穴注入到PN結(jié)，實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即使之成為激活物質(zhì)（PN結(jié)為激活區(qū)）。在激活區(qū)，電子空穴對(duì)復(fù)合發(fā)射出光。在激活區(qū)，電子空穴對(duì)復(fù)合發(fā)射出光三 、激光振蕩和光學(xué)諧振腔 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生受激輻射的必要條件，但還不能產(chǎn)生激光。只有把激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，對(duì)光的頻率和方向進(jìn)行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。 1、法布里-珀羅 (F-P) 諧振腔

15、 激光器是由反射率為100%（R=1）的全反射鏡與反射率為90%95%（R1）的部分反射鏡平行放置在工作物質(zhì)兩端以構(gòu)成光學(xué)諧振腔。并被稱為法布里-珀羅(FabryPerot，F(xiàn)-P)諧振腔。法布里-珀羅 (F-P) 諧振腔 由于諧振腔內(nèi)的激活物質(zhì)具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，可以用它產(chǎn)生的自發(fā)輻射光作為入射光。入射光經(jīng)反射鏡反射，沿軸線方向傳播的光被放大，在諧振腔中沿非軸線方向的光子很快逸出了腔外，而沿軸線方向的光子往復(fù)傳輸，不斷被放大，且方向性、增益不斷改善，最后從反射鏡輸出，即為激光。 2、閾值條件及相位條件 要產(chǎn)生激光振蕩還必須滿足閾值條件及相位條件。 （1）、閾值條件 由于諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)存在吸

16、收，反射鏡存在透射和散射，因此光受到一定損耗。當(dāng)增益和損耗相當(dāng)時(shí)，在諧振腔內(nèi)開始建立穩(wěn)定的激光振蕩，光波在諧振腔內(nèi)往返一次應(yīng)保持不變，即式中，th為閾值增益系數(shù)，為諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù)，L為諧振腔的長度，R1，R2 1 為兩個(gè)反射鏡的反射率。激光振蕩需要滿足的閾值條件為 例：對(duì)于GaAs材料的半導(dǎo)體激光器，其非涂覆解里面上R1=R2(也就是32%的輻射光在端面上被反射)，激活物質(zhì)的損耗系數(shù)=1mm-1，諧振腔長L=500m，求閾值增益系數(shù)th 。由閾值條件得閾值增益系數(shù)為 （2）相位條件 激光振蕩需要滿足的相位條件為可以寫成 或式中，為激光波長，n為激活物質(zhì)的折射率，=nk0，q=1,

17、2, 3 稱為縱模模數(shù)?？v 模 相位條件是：諧振腔的長度應(yīng)為半波長的整數(shù)倍。對(duì)于給定的激光器，滿足相位條件的波長稱為激光模式，有一個(gè)波長對(duì)應(yīng)一個(gè)模式。四、 PN結(jié)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的原理 PN結(jié)半導(dǎo)體激光器是用PN結(jié)作激活區(qū)，用半導(dǎo)體天然解里面作為反射鏡組成光子諧振腔，外加正向偏壓作為泵浦源。PN結(jié)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的原理 外加正向偏壓將N區(qū)的電子、P區(qū)的空穴注入到PN結(jié)，實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即使之成為激活物質(zhì)（PN結(jié)為激活區(qū)）。在激活區(qū)，電子空穴對(duì)復(fù)合發(fā)射出光。 初始的光場來源于導(dǎo)帶和價(jià)帶的自發(fā)輻射，方向雜亂無章，其中偏離軸向的光子很快逸出腔外，沿軸向運(yùn)動(dòng)的光子就成為受激輻射的外界因素

18、， 使之產(chǎn)生受激輻射而發(fā)射全同光子。 這些光子通過反射鏡往返反射不斷通過激活物質(zhì)，使受激輻射過程如雪崩般地加劇，從而使光得到放大。在反射系數(shù)小于1的反射鏡中輸出，這就是經(jīng)受激輻射放大的光 。即PN結(jié)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光輸出的工作原理。 五、異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 PN結(jié)是由同一種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的，P區(qū)、N區(qū)具有相同的帶隙、接近相同的折射率（摻雜后折射率稍有變化，但很?。?，這種PN結(jié)稱為同質(zhì)結(jié)。 同質(zhì)結(jié)導(dǎo)波作用很弱，光波在PN結(jié)兩側(cè)滲透較深，從而致使損耗增大，發(fā)光區(qū)域較寬。 因此，同質(zhì)結(jié)構(gòu)成的光源有很大的缺點(diǎn)：發(fā)光不集中，強(qiáng)度低，需要較大的注入電流。器件工作時(shí)發(fā)熱非常嚴(yán)重，必須在低溫環(huán)境下工作，不可

19、能在室溫下連續(xù)工作。 為了克服同質(zhì)結(jié)的缺點(diǎn)，需要加強(qiáng)結(jié)區(qū)的光波導(dǎo)作用及對(duì)載流子的限定作用，這時(shí)可以采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。所謂異質(zhì)結(jié)，就是由帶隙及折射率都不同的兩種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的PN結(jié)。 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器與同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器不同。它是利用不同折射率的材料來對(duì)光波進(jìn)行限制，利用不同帶隙的材料對(duì)載流子進(jìn)行限制。 圖給出了雙異質(zhì)結(jié)（DH）半導(dǎo)體激光器加正向偏壓時(shí)，能帶的分布。如圖。 這樣，注入到有源層的電子和空穴被限制在厚0.10.3 m的有源層內(nèi)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，這時(shí)只要很小的外加電流，就可以使電子和空穴濃度增大而提高效益。 另一方面，有源層的折射率比限制層高，產(chǎn)生的激光被限制在有源區(qū)內(nèi)，因而電/光

20、轉(zhuǎn)換效率很高，輸出激光的閾值電流很低，很小的散熱體就可以在室溫連續(xù)工作。半導(dǎo)體激光器的主要特性一、 發(fā)射波長和光譜特性 半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長取決于導(dǎo)帶的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)所釋放的能量，這個(gè)能量近似等于禁帶寬度 Eg(eV )，即將 f=c /， f 和分別為發(fā)射光的頻率和波長， c = 3108 m/s為光速， h = 6.62810-34JS為普朗克常數(shù)， 1 eV = 1.610-19 J。代入上式得到:得發(fā)射波長為： 不同半導(dǎo)體材料有不同的禁帶寬度Eg，因而有不同的發(fā)射波長。 鎵鋁砷 -鎵砷 (GaAlAs-GaAs)材料禁帶寬度Eg=1.47 eV，其發(fā)射波長為：適用于0.85 m波段

21、。m銦鎵砷磷 - 銦磷(InGaAsP-InP)材料禁帶寬度Eg=0.800.96 eV 。適用于波段。二 、光譜特性 因?yàn)閷?dǎo)帶和價(jià)帶都是由許多連續(xù)能級(jí)組成的有一定寬度的能帶，兩個(gè)能帶中不同能級(jí)之間電子的躍遷會(huì)產(chǎn)生連續(xù)波長的輻射光，所以激光器發(fā)射光譜就有一定的譜線寬度。如圖。 半導(dǎo)體激光器發(fā)射光譜 光源的譜線寬度是衡量光源單色性好壞的一個(gè)物理量。激光器發(fā)射光譜的寬度取決于激發(fā)的縱模數(shù)目，對(duì)于存在若干個(gè)縱模的光譜性刻畫出包絡(luò)線。 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），用 表示。 1、 靜態(tài)單縱模激光器 隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加，縱模模數(shù)逐漸減少，譜線寬度變窄。這種

22、變化是由于諧振腔對(duì)光波頻率和方向的選擇，使邊模消失、主模增益增加而產(chǎn)生的。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流足夠大時(shí)，多縱模變?yōu)閱慰v模，這種激光器稱為靜態(tài)單縱模激光器。 2 、動(dòng)態(tài)單縱模激光器 由圖可見，在高速數(shù)字調(diào)制下，隨著調(diào)制電流增大，縱模模數(shù)增多，譜線寬度變寬。用 F-P諧振腔 可以得到的是直流驅(qū)動(dòng)的靜態(tài)單縱模激光器，但要得到高速數(shù)字調(diào)制的動(dòng)態(tài)單縱模激光器，必須改變激光器的結(jié)構(gòu)，例如采用分布反饋激光器就可達(dá)到目的。三 、轉(zhuǎn)換效率和輸出光功率特性 1 、轉(zhuǎn)換效率 激光器的電/光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率d eta 表示，其定義是在閾值電流以上，激光器輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量之比，表達(dá)式為 2 、輸出光功率

23、特性 由上式此得到激光器的光功率 P 為 式中，P 和 I 分別為激光器的輸出光功率和驅(qū)動(dòng)電流，Pth 和 I th 分別為相應(yīng)的閾值，hf 和 e 分別為光子能量和電子電荷。 激光器的光功率特性通常用 PI 曲線表示，圖是典型激光器的光功率特性曲線。 當(dāng)I Ith 時(shí)，激光器發(fā)出的是受激輻射光，光功率隨驅(qū)動(dòng)電流的增加而增加。四、頻率特性 在直接光強(qiáng)調(diào)制下，激光器輸出光功率 P 和調(diào)制頻率 f 的關(guān)系為 式中， 和 ksi分別稱為弛豫頻率(弛張頻率) 和阻尼因子。激光器調(diào)制頻率特性在 處有諧振峰，調(diào)制頻率大于 時(shí)，輸出光功率急劇下降。所以，可以把弛豫頻率作為調(diào)制速率的上限。 圖為半導(dǎo)體激光器的

24、直接調(diào)制頻率特性。弛豫頻率 fT 是調(diào)制頻率的上限，一般激光器的 fT 為12 GHz。在接近 fT 處，數(shù)字調(diào)制要產(chǎn)生弛豫振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)生非線性失真。 五、 溫度特性 激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個(gè)原因：一是激光器的閾值電流 Ith 隨溫度升高而增大，二是外微分量子效率d隨溫度升高而減小。溫度升高時(shí)，Ith增大，d 減小， 輸出光功率明顯下降，達(dá)到一定溫度時(shí)，激光器就不激射了。當(dāng)以直流電流驅(qū)動(dòng)激光器時(shí)，閾值電流隨溫度的變化更加嚴(yán)重。當(dāng)對(duì)激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)，閾值電流隨溫度呈指數(shù)變化，在一定溫度范圍內(nèi)，可以表示為式中，I0為常數(shù)，T為結(jié)區(qū)的熱力學(xué)溫度，T0為激光器材料的特征溫度。 P-

25、I 曲線隨溫度的變化如圖所示。 3.1.3 分布反饋激光器 如果激光器同時(shí)有多個(gè)模式振蕩, 就稱為多模激光器。 前面討論的 F-P 腔激光器就是多模激光器。 半導(dǎo)體激光器的光譜特性主要由其縱模決定。：為單模光纖色散系數(shù)。 ：為光源的譜線寬度。 單模光纖的色散為： 由于光纖中存在色散，譜寬很寬對(duì)高速光通信系統(tǒng)是很不利的，因此光源的譜寬應(yīng)盡可能地窄，即希望激光器僅僅工作在單縱模狀態(tài)，這樣的激光器稱為單縱模激光器。 要求新型半導(dǎo)體激光器的譜線寬度更窄，并在高速率脈沖調(diào)制下保持動(dòng)態(tài)單縱模特性；發(fā)射光波長更加穩(wěn)定，并能實(shí)現(xiàn)調(diào)諧（？）；閾值電流更低，而輸出光功率更大。 具有這些特性的動(dòng)態(tài)單縱模激光器有多種

26、類型，其中性能優(yōu)良并得到廣泛應(yīng)用的是分布反饋(Distributed Feed Back, DFB )激光器。 1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn) DFB激光器結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是：激光器不是由反射鏡面實(shí)現(xiàn)光反饋來提供，而是由折射率周期性變化的波紋結(jié)構(gòu)（波紋光柵）來提供，即在靠近有源層的一側(cè)沿長度方向制作波紋光柵來實(shí)現(xiàn)光反饋。 衍射光柵的折射率周期性變化，使光沿有源層分布式反饋。2、工作原理 DFB 激光器的基本工作原理，可以用布喇格反射來說明。波紋光柵是由于材料折射率周期性變化而形成，它為受激輻射產(chǎn)生的光子提供周期性的反射點(diǎn)，在一定的條件下，所有的反射光同相疊加，形成某方向光的主極強(qiáng)。布喇格反射原理 分布反饋(DFB)

27、激光器 (a) 結(jié)構(gòu)； (b) 光反饋 如圖所示，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)，一部分在光柵波紋峰反射(如光線a)， 另一部分繼續(xù)向前傳播，在鄰近的光柵波紋峰反射(如光線b)。如果光線a和b匹配，相互疊加，則產(chǎn)生更強(qiáng)的反饋，而其他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)光柵有成百上千個(gè)波紋峰，反饋光的總量足以產(chǎn)生激光振蕩。 布喇格條件干涉極大布喇格反射原理DFB的光柵周期由下式布喇格反射條件確定： 式中，為波紋光柵的周期長度，也稱柵距；ne為材料有效折射率；B為布喇格波長；m為整數(shù)，稱為衍射級(jí)數(shù)。 當(dāng)波紋光柵的周期長度為時(shí)，只有滿足布喇格反射條件波長為B的光波，

28、才能產(chǎn)生激光震蕩，使激光器得到單頻輸出。由于分布反饋激光器是由光柵選擇單縱模，因而在高速調(diào)制下仍維持單縱模輸出。 DFB激光器與F-P激光器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)： 單縱模激光器。 DFB激光器的發(fā)射光譜主要由光柵周期決定。相當(dāng)于F-P激光器的腔長L，每一個(gè)形成一個(gè)微型諧振腔。 的長度很小，m階和m+1階模之間的波長間隔比F-P腔大，于是DFB激光器容易設(shè)計(jì)成單縱模振蕩。（學(xué)生思考？） 譜線窄， 波長穩(wěn)定性好。 由于DFB激光器的每一個(gè)柵距相當(dāng)于一個(gè)F-P腔，所以布喇格反射可看作多級(jí)調(diào)諧，使得諧振波長的選擇性大大提高（？）， 譜線明顯變窄，可以窄到 0.1 nm 左右（幾個(gè)GHz）。 【 DFB調(diào)

29、諧波長是通過改變有源區(qū)（光柵反射區(qū)）的折射率，而折射率的改變通過改變溫度或電流實(shí)現(xiàn)】 由于光柵的作用有助于使發(fā)射波長鎖定在諧振波長上，因而波長的穩(wěn)定性得以改善。 動(dòng)態(tài)譜線好。 DFB激光器在高速調(diào)制時(shí)也能保持單模特性，這是F-P激光器無法比擬的。盡管DFB激光器在高速調(diào)制時(shí)存在啁啾（？），譜線也有一定展寬，但比F-P激光器的動(dòng)態(tài)譜線的展寬要改善一個(gè)數(shù)量級(jí)左右。啁啾：脈沖傳輸時(shí)中心波長瞬時(shí)偏移的現(xiàn)象 線性好。 DFB激光器的線性非常好， 因此廣泛用于模擬調(diào)制的有線電視光纖傳輸系統(tǒng)中。 3.1.4 發(fā)光二極管1、工作原理 發(fā)光二極管(LED)的工作原理與激光器(LD)有所不同， LD發(fā)射的是受激輻射光-激光，LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光-熒光。 2、LED的結(jié)構(gòu) LED的結(jié)構(gòu)和LD相似，大多是采用雙異質(zhì)結(jié)(DH)芯片，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學(xué)諧振腔， 沒有閾值。 LD的結(jié)構(gòu)LED的結(jié)構(gòu)(a) 正面發(fā)光型； (b) 側(cè)面發(fā)光型 兩類發(fā)光二極管(LED) 和激光器相比，發(fā)光二極管輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低。但發(fā)光二極管性能穩(wěn)定，壽命長，輸出光功率線性范圍寬， 而且制造工藝簡單，價(jià)格低廉。因此， 這種器件在小容量短距離系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。 發(fā)光二極管的主要工作特性 (1) 光譜特性 發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光