光纤通信系统 第4版 第3章 光源和光发送机.ppt

本章知识点小结激光的产生机理能级和能带跃迁及其类型粒子数正常及反转分布pn结半导体光源器件发光二极管：结构和工作特性半导体激光器：工作原理、工作特性和类型光源调制直接调制间接调制光发送机直接调制光发送机间接调制光发送机3.3.2半导体激光器用半导体材料做激光物质的激光器，称为半导体激光器（LD），根据发光波长可以分为可见光半导体材料激光器和红外激光半导体材料激光器。目前在光纤通信方面用得较多的是砷化镓（GaAs）类半导体材料，如镓铝砷－镓砷（GaAlAs-GaAs）和铟镓砷磷－铟磷（InGaAsP-InP）等。1.半导体激光器工作原理以法布里-帕罗（Fabry-Perot）激光器为例，其核心部分是一个半导体pn结，pn结的两个端面是按晶体的天然晶面剖切开的，表面非常光滑，成为两个平行的反射镜面，也称之为解理面，两个解理面之间构成了一个典型的法布里-帕罗谐振腔（resonantcavity）。当pn结上施加足够的正向电压并保证注入电流足够大时，p型半导体中的空穴和n型半导体中的电子大量地注入空间电荷区，空间电荷区中形成电子反转分布的区域，称为有源区。有源区内，由于电子分布满足粒子数反转分布，受激辐射大于受激吸收和各种损耗，不断产生的受激辐射光子在谐振腔内进行运动并最终从腔内射出，形成激光。2.半导体激光器工作特性（1）阈值（2）转换效率（3）温度特性（4）时间退化特性（5）光谱特性（6）调制特性（1）阈值半导体激光器是一个阈值器件，其工作状态随注入电流而变化。只有当外部激励超过某一临界值时，pn结中的粒子数反转达到了一定程度，激光器才能克服光谐振腔内的损耗而产生激光，此临界值就称为激光器的阈值。对于半导体激光器而言，其阈值一般用阈值电流Ith描述。阈值可以用激光器的输出特性曲线（也称P-I特性曲线）描述，如右图所示。对激光器而言，希望其阈值电流越小越好。因为阈值电流小，要求的外加激励能源就小，激光器工作中发热就少，也利于系统长时间连续稳定工作。（2）转换效率（3）温度特性（4）时间退化特性激光器的阈值电流不仅随温度变化，而且还与器件的老化程度有关。随着激光器工作时间增长，器件老化，会出现性能退化特性。通常将阈值电流增加50%的时间定义为寿命终了点，此时需要更换激光器。图中给出了半导体激光器P-I特性曲线随器件老化而变化的情况。可见随器件的老化，其阈值电流变大，而且其P-I特性曲线的斜率也会变小。（5）光谱特性半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)。不同的半导体材料有不同的禁带宽度，因而有不同的发射波长，一般镓铝砷－镓砷（GaAlAs-GaAs）材料适用于0.85μm波长段，铟镓砷磷－铟磷（InGaAsP-InP）材料适用于1.3～1.5μm波段。半导体激光器的光谱特性激励电流的变化而变化，当激励电流小于阈值电流时，激光器发出的是荧光，此时的谱线宽度很宽；当激励电流大于阈值电流后，激光器发出的是激光，此时谱线宽带变窄，谱线中心出现明显的峰值，如图所示。（6）调制特性由于激光器是阈值器件，通常可以采用先加直流偏置再加调制信号的方法以获得较好的调制响应。直流偏置电流大小的选取一般略小于阈值电流，这样，激光器即处于近阈值状态。当外加的调制信号加在激光器上时，较小的调制信号电流即可获得足够的激光输出，同时响应时间较短。对于采用间接调制（外调制）方案而言，调制响应主要是由调制器件性能决定。3.半导体激光器类型半导体激光器是现代光纤通信系统中最主要的光源器件，目前实用化较多的主要包括分布反馈（DFB）激光器、分布布拉格反射（DBR）激光器和量子阱激光器（QW）等。DFB激光器在靠近有源层沿长度方向刻有光栅，反馈是通过折射率周期性变化的光栅产生的布拉格衍射得到，并使正向和反向传播的光波相互耦合使其产生激光振荡。DBR激光器将光栅刻在有源区的外部，相当于在有源区的一侧或两侧加了一段分布式布拉格反射器，起到了衍射光栅的作用，因此也可以将其看成是端面反射率随波长变化的激光器。DFB和DBR激光器的有源层厚度一般远大于激光器的工作波长，通常可达100~200nm。当把有源层的厚度减小到10nm级别时，有源层中的载流子运动会呈现量子特性，其动能量子化为离散的能级。由于这一现象类似于一维势能阱的量子力学问题，因此将此类器件称为量子阱激光器。3.2光源调制3.2.1直接调制直接调制（DML）方法是把要传送的信息转变为驱动电流信号注入LD或LED，从而获得发光功率相应变化的光信号。直接调制的基本思想是使光源发出的光功率大小在时间上随驱动电流变化而变化，也称为强度调制（IM）。