半导体激光器(LD)-Read.PPT

* * 发光二极管实际输出的光子数远远小于有源区产生的光子数，一般外微分量子效率小于10%。两种类型发光二极管的输出光功率特性示于图4.2.4。驱动电流I较小时，P-I曲线的线性较好；电流过大时，由于PN结发热产生饱和现象，使P-I 曲线的斜率减小。在通常工作条件下，LED工作电流为50~100mA, 输出光功率为几mW，由于光束辐射角大，入纤光功率只有几百uW。 * 工作电流过大会发生饱和 * * 基本的光学谐振腔由两个反射率分别为100%和90%-95%的平行反射镜构成(如图4.1.0.3所示) 。由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入射光。入射光经反射镜反射，沿轴线方向传播的光被放大，沿非轴线方向的光被减弱。反射光经多次反馈，不断得到放大，方向性得到不断改善，增益大幅度得到提高。 * * * * 宽带长途传输系统的应用要求光源只输出一个波长而且要求谱宽很窄 * 宽带长途传输系统的应用要求光源只输出一个波长而且要求谱宽很窄 * * 这种结构只对载流子和光子形成纵向约束，为了得到更好的性能需要对它们进行横向约束。根据横向约束方法的不同，这种结构进一步可以分成两种类型。 * 这种激光器的性能受注入电流的强度的影响，而注入电流容易引起一些非线性过程。 * * 抑制横模是为了提高光源输出光束的亮度，同时减小光斑尺寸。为了将激光器用于高速系统中，还需要对纵模进行约束，即输出单个波长。 * 出现于1990年 * 边模抑制可以达到30dB，且对电流和温度变化不太敏感，而且P-I曲线线性度好 理想对称的DFB激光器会同时发射两个0阶模。但实际中可以通过人为地使结构不对称导致模式增益的退化，最终导致单模操作 * * * 因此，在LD上持续加一个IBias = Ith可以避免这个时延，另外加偏置可以使LD始终在线性区 (受激辐射状态)。 考虑在两个接连出现的“1”码脉冲调制时，第一个脉冲过后，存储在有源区的电子以指数形式衰减，如果调制速率很高，脉冲间隔小于其衰减周期，就会使第二个脉冲到来之时，前一个电流脉冲注入的电子并没有完全复合消失，此时有源区电子密度较高，因此电光延迟时间短，输出光脉冲幅度和宽度就会增大。 * 当阶跃电流加到LD时，有源层中的电子浓度迅速增加。在未达到阈值时没有激光输出，但经过电子延迟时间td后电子浓度达到阈值，并马上产生激光输出。而在光子浓度到稳态值前，电子浓度仍在增大，直到电子浓度达到最大值，而光子浓度达到稳态值。由于导带内超量储存电子，受激复合过程进一步增大，直到光子浓度升到最大值，而电子浓度则降到阈值；由于光子寿命，及逸出腔外需要一定时间，使有源区内的过量复合仍维持一段时间，电子浓度进一步下降到阈值以下，光子浓度也开始迅速下降。当电子浓度下降到最低点，有源层中的激射可能减弱甚至停止。紧接着又开始新一轮导带电子填充过程。但由于电子的存储效应，这一轮的填充时间比上次短，电子浓度和光子浓度的过冲量也比上次小。这种衰减振荡过程重复多次，直到输出光功率达到稳态值。 显然，如果LD预偏置在阈值附近，光脉冲上升时间及张弛振荡的幅度都会显著降低。 * * * 长波长光源比短波长光源对温度更敏感 特征温度 GaAlAs/GaAs (短)：T0=100~150 K InGaAsP/InP (长)：T0=40~70 K * 长波长光源比短波长光源对温度更敏感 特征温度 GaAlAs/GaAs (短)：T0=100~150 K InGaAsP/InP (长)：T0=40~70 K 若在每次脉冲调制之后都完全停止发光，则自发辐射载流子 寿命 tsp成为主要限制因素，因为在幅度为Ip的电脉冲开始作 用之前，激光器需要一个时延 td来获得足以克服光损耗的增 益。电光时延的主要后果是码型效应： 内调制速率限制：电光时延 解决的办法是在LD上持续加一个IBias = Ith 激光场的张弛振荡频率为： 直接调制频率小于张弛振荡频率。否则，数字调制要产生张弛振荡，模拟调制要产生非线性失真。 张驰振荡：当电流脉冲突然加到LD上时，其光输出呈现图示的动态响应，这是注入电子与所产生光子间相互作用的量子力学过程。 内调制速率限制：张弛振荡 解决的办法是在LD上持续加一个IBias 内调制技术：信号啁啾 LD内调制 - 改变LD驱动电流 - 谐振腔内载流子浓度发生变化 - 谐振腔折射率发生变化 - 谐振腔相位条件选频特性发生改变 - LD输出光的中心波长发生漂移 - 信号啁啾 啁啾的直接后果是导致系统色散性能的恶化 内调制技术：失真 1. 激射区线性度不高，将对信号带 来谐波失真和互调失真。