【正文】 其中只有符合激光振蕩的相位條件式 ()的波長存在 。 參看圖 (b)。 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 。 同理 ， 注入到有源層的空穴也不可能擴散到 N層 。 三層半導(dǎo)體置于基片 (襯底 )上 ， 前后兩個晶體解理面作為反射鏡構(gòu)成法布里 珀羅 (FP)諧振腔 。 4. 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)多種多樣 ， 基本結(jié)構(gòu)是圖 雙異質(zhì)結(jié) (DH)平面條形結(jié)構(gòu) 。 入射光經(jīng)反射鏡反射 ， 沿軸線方向傳播的光被放大 ， 沿非軸線方向的光被減弱 。 3. 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 。 這時在 PN結(jié)上施加正向電壓 ， 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 ， 擴散增強 。 在本征半導(dǎo)體中 ， 摻入受主雜質(zhì) ， 稱為 P型半導(dǎo)體 。 在費米能級 ， 被電子占據(jù)和空穴占據(jù)的概率相同 。 圖 (a) 本征半導(dǎo)體； (b) N型半導(dǎo)體； (c) P型半導(dǎo)體 Eg/2Eg/2EfEcEvEg導(dǎo)帶價帶能量EcEfEgEvEgEcEfEv( a ) ( b ) ( c ) 圖 。 2. PN 半導(dǎo)體是由大量原子周期性有序排列構(gòu)成的共價晶體 。 當光通過這種物質(zhì)時 ， 光強按指數(shù)衰減 ， 這種物質(zhì)稱為吸收物質(zhì) 。 由于 (E2E1)0， T0， 所以在這種狀態(tài)下 ， 總是 N1N2。 自發(fā)輻射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 。 電子在 E1和 E2兩個能級之間躍遷 ， 吸收的光子能量或輻射的光子能量都要滿足波爾條件 ， 即 E2E1=hf12 () 式中 ， h= 1034J 電子躍遷后 ， 在低能級留下相同數(shù)目的空穴 ，(a)。 所以討論激光器工作原理要從受激輻射開始 。 目前光纖通信廣泛使用的光源主要有半導(dǎo)體激光二極管或稱激光器 (LD)和發(fā)光二極管或稱發(fā)光管 (LED)， 有些場合也使用固體激光器 ， 例如摻釹釔鋁石榴石 (Nd:YAG)激光器 。 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 、 光接收機和光中繼器的關(guān)鍵器件 ， 和光纖一起決定著基本光纖傳輸系統(tǒng)的水平 。 光無源器件主要有連接器 、 耦合器 、 波分復(fù)用器 、 調(diào)制器 、 光開關(guān)和隔離器等 ， 這些器件對光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成 、 功能的擴展和性能的提高都是不可缺少的 。 本節(jié)首先介紹半導(dǎo)體激光器 (LD)的工作原理 、 基本結(jié)構(gòu)和主要特性 ， 然后進一步介紹性能更優(yōu)良的分布反饋激光器 (DFB LD)， 最后介紹可靠性高 、 壽命長和價格便宜的發(fā)光管 (LED)。 1. 有源器件的物理基礎(chǔ)是光和物質(zhì)相互作用的效應(yīng) 。 (2) 在高能級 E2的電子是不穩(wěn)定的 ， 即使沒有外界的作用 ， 也會自動地躍遷到低能級 E1上與空穴復(fù)合 ， 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 ， 見圖 (b)。s， 為普朗克常數(shù) ， f12為吸收或輻射的光子頻率 。 產(chǎn)生受激輻射和產(chǎn)生受激吸收的物質(zhì)是不同的 。 這是因為電子總是首先占據(jù)低能量的軌道 。 如果 N2N1， 即受激輻射大于受激吸收 ， 當光通過這種物質(zhì)時 ， 會產(chǎn)生放大作用 ， 這種物質(zhì)稱為激活物質(zhì) 。 在這種晶體中 ， 由于鄰近原子的作用 ， 電子所處的能態(tài)擴展成能級連續(xù)分布的能帶 ， 如圖 。 根據(jù)量子統(tǒng)計理論 ， 在熱平衡狀態(tài)下 ， 能量為 E的能級被電子占據(jù)的概率為費米分布 )e x p (11)(kTEEEp f??? 式中 ， k為波茲曼常數(shù) ， T為熱力學(xué)溫度 。 圖 PN (a) P N結(jié)內(nèi)載流子運動； (b) 零偏壓時 P N結(jié)的能帶圖； (c) 正向偏壓下 P N結(jié)能帶圖 h fh fEpcEpfEpvEncEnfEnv內(nèi)部電場外加電場電子， 空穴( c )勢壘能量EpcP 區(qū)EncEfEpvN 區(qū)Env( b )P 區(qū)PN結(jié)空間電荷區(qū)N 區(qū)內(nèi)部電場 擴散 漂移( a ) 一般狀態(tài)下 ， 本征半導(dǎo)體的電子和空穴是成對出現(xiàn)的 ， 用 Ef位于禁帶中央來表示 ， 見圖 (a)。 在 P型半導(dǎo)體中 ， Ef減小 ， 導(dǎo)帶的電子減少 ， 價帶的空穴相對增多 ， 見圖(c) 。 電子運動方向與電場方向相反 ， 便使 N區(qū)的電子向 P區(qū)運動 ， P區(qū)的空穴向 N區(qū)運動 ， 最后在 PN結(jié)形成一個特殊的增益區(qū) 。 只有把激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中 ， 對光的頻率和方向進行選擇 ， 才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出 。反射光經(jīng)多次反饋 ， 不斷得到放大 ， 方向性得到不斷改善 ， 結(jié)果增益大幅度得到提高 。 這種結(jié)構(gòu)由三層不同類型半導(dǎo)體材料構(gòu)成 ， 不同材料發(fā)射不同的光波長 。 圖 DH激光器工作原理 。 圖 (a) 短波長； (b) 長波長 (a) 雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)； (b) 能帶； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布 PG a1 － xAlxA sPG a A sNGa1 － yAlyA s復(fù)合空穴異質(zhì)勢壘E能量( a )( b )( c )n折射率～ 5%( d )P光＋ －電子 P層帶隙寬 ， 導(dǎo)帶的能態(tài)比有源層高 ， 對注入電子形成了勢壘 ， 注入到有源層的電子不可能擴散到 P層 。 1. 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)帶的電子躍遷到價帶時所釋放的能量 ， 這個能量近似等于禁帶寬度 Eg(eV)， 由式()得到 hf=Eg 式中 ， f=c/λ， f(Hz)和 λ(μm)分別為發(fā)射光的頻率和波長 ， c=3 108 m/s為光速 ， h= 1034J 圖 GaAlAs DH激光器的光譜特性 。 這些波長取決于激光器縱向長度 L， 并稱為激光器的縱模 。 圖 (b)是 300 Mb/s數(shù)字調(diào)制的光譜特性 ， 由圖可見 ， 隨著調(diào)制電流增大 ， 縱模模數(shù)增多 ， 譜線寬度變寬 。 近場是指激光器輸出反射鏡面上的光強分布 ， 遠場是指離反射鏡面一定距離處的光強分布 。 3. 轉(zhuǎn)換效率和輸出光功率特性 激光器的電 /光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率 ηd表示 ， 其定義是在閾值電流以上 ， 每對復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù) )(edhf thth IIpp ??? ?hfeIpeIIhfpppthth??????/)(/)(由此得到 (a) 光強的角分布； (b) 輻射光束 ?⊥?∥1 . 00 . 80 . 60 . 40 . 2080 60 40 20 0 20 40 60 80T ＝ 3 0 0 K輻 射 角 ? ( 度 )相對光強( a )⊥∥( b ) 式中 ， P和 I分別為激光器的輸出光功率和驅(qū)動電流 ， Pth和 Ith分別為相應(yīng)的閾值 ， hf和 e分別為光子能量和電子電荷 。 (b) 長波長 InGaAsP/InP 1098765432100 20 40 60 80工 作 電 流 I / m A單面輸出功率P / mW3 . 53 . 02 . 52 . 01 . 51 . 00 . 500 50 1 0 0 1 5 0Ith工 作 電 流 I / m A輸出功率P / mW( a ) ( b ))1(121 0 ??????IIIIfthhpsp ???? 式中 ， fr和 ξ分別稱為弛豫頻率和阻尼因子 ， Ith和 I0分別為閾值電流和偏置電流； I′是零增益電流 ， 高摻雜濃度的 LD， I′=0， LD, I′=(~)Ith； τsp為有源區(qū)內(nèi)的電子壽命 ， τph為諧振腔內(nèi)的光子壽命 。 圖 半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性 0 . 0 1 0 . 1 1 100 . 11101 0 0fr調(diào) 制 頻 率 f / G H z相對光功率 5. 對于線性良好的激光器 ， 輸出光功率特性如式 ()和圖 。 GaAlAsGaAs激光器 T0=100~150 K、 InGaAsPInP激光器 T0=40~70 K， 所以長波長 InGaAsP InP激光器輸出光功率對溫度的變化更加敏感 。 和由 FP諧振腔構(gòu)成的 DH激光器相比 ， 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)制下保持動態(tài)單縱模特性；發(fā)射光波長更加穩(wěn)定 ， 并能實現(xiàn)調(diào)諧；閾值電流更低 ， 而輸出光功率更大 。 如圖 ， 由有源層發(fā)射的光 ， 從一個方向向另一個方向傳播時 ， 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)。 在普通光柵的 DFB激光器中 ， 發(fā)生激光振蕩的有兩個閾值最低 、 增益相同的縱模 ， 其波長為 圖 (DFB) (a) 結(jié)構(gòu)； (b) 光反饋 衍 射 光 柵有 源 層N 層P 層輸 出 光光柵有 源 層b a∧( a ) ( b ) 式中 L為光柵長度 ， 其他符號和式 () 意義相同 。 DFB激光器的發(fā)射光譜主要由光柵周期 Λ決定 。 ② 譜線窄 ， 波長穩(wěn)定性好 。 DFB激光器在高速調(diào)制時也能保持單模特性 ， 這是 FP激光器無法比擬的 。 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 ， LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光 。 圖 (LED) (a) 正面發(fā)光型； (b) 側(cè)面發(fā)光型 球 透 鏡環(huán) 氧 樹 脂P 層n 層有 源 層發(fā) 光 區(qū)微 透 鏡P 型 限 制 層n 型 限 制 層有 源 層波 導(dǎo) 層 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 。 發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光 ， 沒有諧振腔對波長的選擇 ， 譜線較寬 ， 如圖 。 在垂直于發(fā)光平面上 ， 正面發(fā)光型 LED輻射圖呈朗伯分布 ， 即 P(θ)=P0 cosθ， 半功率點輻射角 θ≈120176。 ~35176。 發(fā)光二極管實際輸出的光子數(shù)遠遠小于有源區(qū)產(chǎn)生的光子數(shù) ， 一般外微分量子效率 ηd小于 10%。 圖 發(fā)光二極管 (LED)的 P I特性 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0051015正 面 發(fā) 光側(cè) 面 發(fā) 光電