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1、激光器纵模的概念: 激光器的纵模反映激光器的光谱性质。对于半导体激光器,当注入电流低于阈值时,发射光谱是导带和价带的自发发射谱,谱线较宽;只有当激光器的注入电流大于阈值后,谐振腔里的增益才大于损耗,自发发射谱线中满足驻波条件的光频率才能在谐振腔里振荡并建立起场强,这个场强使粒子数反转分布的能级间产生受激辐射,而其他频率的光却受到抑制,使激光器的输出光谱呈现出以一个或几个模式振荡,这种振荡称之为激光器的纵模。 I=67mA P=1.2mW I=75mA P=2.5mW I=100mA P=10mW I=95mA P=6mW I=80mA P=4mW 随着电流增加,主模的增益增加,而边模的增益减小,纵模数减少,一个模式开始占优势,直到出现单个窄线宽的光谱为止。 2、纵模数随注入电流而变: 在众多的纵模中,只有那些频率落在增益介质的增益曲线范围内,且增益大于损耗的那些腔模才能在LD的输出中存在。 3、谱线特性: 在纵向,光波以驻波形式振荡。 谐振频率(正入射): m--正整数;L--腔长; n--材料折射。 相邻纵模的频率间隔: 增益曲线: ?0--增益谱中心波长,由增益介质的能级差决定;?--增益谱宽,由增益介质内原子热运动(多普勒加宽)和原子碰撞(均匀加宽)造成;g(0)--正比于粒子数反转的最大增益 4、峰值波长随温度变化: 半导体激光器的发射波长随结区温度而变化。当结温升高时,半导体材料的禁区带宽变窄,因而使激光器发射光谱的峰值波长移向长波长。 InGaAsP/InP激光器的发射波长随注入电流漂移的情况,此激光器没加温度控制,由于电流的热效应,使结温度升高,从而使发射波长漂移。 5、动态谱线展宽: 动态谱线展宽对高速光纤通信非常不利,各种动态单模激光器已得到迅速发展?DFB LD及DBR LD。 对激光器进行直接强度调制会使发射谱线增宽,振荡模数增加。这是因为对激光器进行脉冲调制时,注入电流不断变化,使有源区里载流子浓度随之变化,进而导致折射率随之变化,激光器的谐振频率发生漂移,动态谱线展宽。调制速率越高,调制电流越大,谱线展宽的越多。 激光器的发射光谱随调制电流变化的情况 6、动态单模半导体激光器: 实现LD单纵模工作的方法: 采用短腔结构,增大相邻纵模间隔,使增益谱线范围内只有一个谱线存在,短腔制造困难,LD输出功率低。 采用波长选择反馈,使不同的纵模有不同的损耗,包括:分布反馈结构和耦合腔结构。 单纵模LD的性能通常由边模抑制比(MSR)来表征,定义为MSR=Pmm/Psm Pmm为主模功率; Psm为最大边模功率。 一个较好的单纵模LD, MSR应大于30dB。 7. 影响发射波长的因素: 对于DFB激光器,影响发射波长的因素:管芯温度;工作电流;光反射(利用隔离器减小) 比较而言,温度变化是波长漂移的主要因素。 管芯温度与发射波长的关系:温度升高红移 相比之下,折射率波导LD的热稳定性差得多,其 这种特性在泵浦激光器中是有用的,可以通过精确地控制温度,把LD的发射波长调节到特定波长上,以满足应用要求。 线宽是LD输出光谱的另一个重要参量。窄的线宽有利于减小光纤的色散。LD输出的有限线宽源于两个因素: 一是激光腔内自发辐射引起的光场相位脉动 二是载流子浓度脉动引起的折射率变化,使光腔谐振频率发生变化。 简化理论推导的光源线宽为: X--自发发射事件的平均速率; P--光功率;?--线宽增强因子 8、线宽 降低线宽可采取以下措施: 增大光功率 减小自发发射速率 从外部稳定载流子密度 FP-LD的线宽通常达几nm DFB-LD线宽通常约5~10MHz MQW-LD线宽仅几十~几百KHz 三、半导体激光器的瞬态性质 半导体激光器具有电光转换效率高、响应速度快、可以进行直接调制的优点,被视为光纤通信中的理想光源。但在对半导体激光器进行脉冲调制时,激光器往往呈现出复杂的动态性质——光电瞬态响应。 电光延迟 张弛振荡 自脉动 张弛振荡:当电流脉冲注入激光器以后,输出光脉冲表现出衰减式振荡。是激光器内部光电相互作用所表现出来的固有特性。 自脉动:某些激光器在某些注入电流下发生的一种持续振荡。 张弛振荡和自脉动的结合。激光器激射以后,先出现一个张弛振荡的过程,随后则开始持续自脉动。 光电瞬态响应波形: 1. 电光延迟 原因:激光输出与注入电脉冲之间存在一个时间延迟,一般为纳秒量级。 降低方法:预偏置在Ith附近。 上升时间:从额定功率的10%升到90%所需的时间 下降时间:从额定功率的90%降到10%所需的时间 当注入电流从零快速增大到阈值以上时,经电光延迟后产生激光输出,并在脉冲顶部出现阻尼振荡,经过几个周期后达到平衡值。 采用预偏置在Ith附近的方法,可减小张弛振荡 2. 张弛振荡 不同于张弛振荡,没有阻
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