【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 激勵(lì)源，稱為泵浦源。物質(zhì)在泵浦源的作用下，使粒子數(shù)從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，使得在這種情況下受激輻射大于受激吸收，從而有光的放大作用。這時(shí)的工作物質(zhì)已被激活，成為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)。 3）有能夠完成頻率選擇及反饋?zhàn)饔?的光學(xué)諧振腔。 激活物質(zhì)只能使光放大，只有把激活物置于光學(xué)諧振腔中，以提供必要的反饋及對(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。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與光增益 對(duì)于處于泵浦條件下的原子系統(tǒng)，當(dāng)滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件時(shí)即將會(huì)產(chǎn)生占優(yōu)勢(shì)的（超過受激吸收）受激輻射。在半導(dǎo)體激光器中，這個(gè)條件是通過向 p 型和n 型限制層重?fù)诫s是費(fèi) 米 能級(jí)間隔在 pn 結(jié)正向偏置下超過帶隙實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)有源層載流子濃度超過一定值（稱為透明值），就實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，由此在有源區(qū)產(chǎn)生了光增益，在半導(dǎo)體內(nèi)傳播的輸入信號(hào)將得到放大，放大倍數(shù)為 exp(gz)， g為增益系數(shù)。 增益的產(chǎn)生表明有源區(qū)發(fā)生的受激輻射速率 stR 超過了受激吸收速率 abR ，因而有關(guān)系 g? ( stR abR )。圖 25 展示了不同注入（泵浦）載流子濃度 N 時(shí)計(jì)算所得 m? InGaAs 有源層的光增益曲線。由圖 25（ a）可見，當(dāng) 318101 ?? cmN *時(shí)，由于尚未達(dá)到離子數(shù)反轉(zhuǎn)條件，材料吸收占優(yōu)勢(shì)， g0。當(dāng) N 增加時(shí)， g 隨本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 著 N 增加，在一段光譜區(qū)內(nèi)變?yōu)檎?，峰?Pg 向高光子能量方向移動(dòng)。圖 25（ b）展示了隨 N 的變化，當(dāng) N* 31810 ?cm 時(shí)， Pg 幾乎 隨線性變化，當(dāng)N2* 31810 ?cm 時(shí)， Pg 超過了 300cm1? ?？梢娨坏珜?shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，光增益將迅速增大。正是有這么高的增益，所以能制造尺寸小于 1mm 的半導(dǎo)體激光器。 圖 25 m? InGaAsP 有源層光增益系數(shù) g與注入載流子濃度 N 的關(guān)系 （ a）作為光子能量函數(shù)的增益系數(shù) （ b）增益系數(shù)隨 N 的變化 從圖 25（ b）數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知， Pg 近乎隨 N 線性增大，因而峰值增益可近似表示為 Pg = )( Tg NN ?? ， TN 表示截流子濃度的透明值， g? 稱為增益橫截面，亦成為微分增益系數(shù)。對(duì) InGaAs 激光器， N T 和 g? 的典型值分別在1~* 31810 ?cm 和 2~3* 21610 cm? 范圍內(nèi)。大部分半導(dǎo)體激光器工作于 Pg 〉100 1?cm 的高增益區(qū)，所以 Pg 的近似計(jì)算公式是合理的。 增益橫截面或增益微分系數(shù)對(duì)激光器性能的影響很大，高的 g? 意味著為得到同樣增益，可在較低的載流子濃度，即較低注入電流實(shí)現(xiàn)，所以在 LD 的設(shè)計(jì)中應(yīng)設(shè)法提高 g? 。量子阱半導(dǎo)體 激光器的有源層厚度很薄，其典型值約 10nm為，導(dǎo)致電子 —空穴對(duì)好像備限制在量子阱中，這樣導(dǎo)致了能帶能量電子化為了本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 13 次能帶，使結(jié)合態(tài)密度 CV? 稱為梯級(jí)狀結(jié)構(gòu)，態(tài)密度的這種變更改變了自發(fā)輻射和受激輻射速率，增益的線性近似仍能在有限范圍內(nèi)滿足，但 g? 的有效值比厚度為 m? 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的有源層增大了兩倍。有時(shí)用厚 5~10nm 的多個(gè)有源層提高器件性能，這種激光器稱為多量子阱 (MQW)激光器，這種激光器中，由于降低了載流子導(dǎo)致折射率變化，因而具有更窄的線寬和更優(yōu)良的調(diào)制特性 [7]。 光學(xué)諧振腔與激光器的閾值條件 激光器是一種光學(xué)振蕩器，為使得激光器穩(wěn)定工作，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生光收益式必要條件，另一個(gè)重要條件必須提供光的反饋，將光放大器轉(zhuǎn)換為振蕩器。如圖 26 所示，大部分激光器的反饋用將增益介質(zhì)放入一個(gè)光學(xué)諧振腔或簡(jiǎn)稱光腔內(nèi)來提供，光腔由兩塊反射鏡來組成，一般稱為法布里 —珀羅腔或 FP 腔。在半導(dǎo)體激光器中，兩端的解理面即起反射鏡的作用，不必外加反射鏡。反射鏡的反射率為 211)( ??? nnRm 。式中式增益介質(zhì)的折射率，其典型值為 ，因而解理面的發(fā)射率為 30%。 圖 26 半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)與光學(xué)諧振腔 設(shè)一振幅為 0E ，頻率為 ? ，波數(shù)為 k=n? /c 的平面波，在長(zhǎng)度為 L，功率增益系數(shù)為 g 的光腔中往返一次后，其幅度增大 exp[(g/2)(2L)]倍，相位變化為2kL，考慮到激光器內(nèi)的各種吸收和散射損耗及端面投射輸出，其幅度變化為（ 1R 2R ） exp/21 （ inta L）， 1R ， 2R 為端面反射率， inta 為腔內(nèi)總損耗率。在穩(wěn)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 定工作時(shí)，平面波在腔內(nèi)往返一次應(yīng)保持不變，于是可得 0int2/1210 )2e x p ()e x p ())(e x p ( EikLLaRRgLE ?? （ 21） 式中， i 為相位關(guān)系。令等式兩邊振幅和相位相等，則得 cmirRRLg ???? ????? int21int )1ln (21 （ 22） nLmcmkL m 2/或22 ??? ??? （ 23） 式中， k=2? n? /c； m 為整數(shù)； )1ln(21 21int RRL??為非全反射端面引起的射透損耗（輸出）， c? 代表包含這兩項(xiàng)的光腔總損耗。式 (22)和式 (23)完整的表述了激光器穩(wěn)定工作的兩個(gè)條件 ——幅值和相位條件，前者規(guī)定增益和電流最低值，后者規(guī)定激光器振蕩頻率 v 必為 m? =mc/2nL 中的一個(gè)頻率。這些頻率對(duì)應(yīng)于縱向模式，并與光腔長(zhǎng)度 L 有關(guān)。若忽略 n 與頻率的關(guān)系，各縱模的頻率間隔 L?? =c/2nL 是常 數(shù)。當(dāng)考慮材料色散時(shí)， L?? =c/2 gn L 為群折射率，gn =n+? (dn/d? )，典型值 L=200~400 m? ， L?? =100~200GHz。 受激輻射的增益譜特性是由有源區(qū)增益介質(zhì)的能級(jí)決定的，而在半導(dǎo)體激光器重則是由帶隙決定的，因此增益譜分布有一定寬度，并非單色的，如圖 27(a)所示。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 15 圖 27 半導(dǎo)體激光器的模式增益譜 （ a）增益譜分布； （ b）腔膜分布； （ c）工作模式的決定 光腔 (FP)中滿足諧振條件的縱橫是均勻分布的，間隔為 L?? =c/2nL，如圖 27 (b)所示。通常這些模式都能同時(shí)獲得增益，最靠近增益峰的模式為主導(dǎo)模式。理想條件下，其他模式的增益不應(yīng)達(dá)到閾值，即期增益應(yīng)低于光纖總 損耗，因?yàn)槠湓鲆姹葥p耗低，如圖 27 (c)所示。實(shí)際中增益差別甚小 ( 110 ?? cm. )或其他模式增益亦大于腔體損耗，因此主模臨近激光器的輸出普特特性較寬，典型值為~，用于光波系統(tǒng)時(shí)受到光淺色散的限制，其比特率 —距離積（ BL）限制在 10(Gb/s)km 以下。但是它技術(shù)成熟，價(jià)格便宜，已經(jīng)在 565/622Mb/s 速率低于此速率的光波系統(tǒng)普遍采用，將 LD 設(shè)計(jì)在單縱模式工作能進(jìn)一步提高 BL積。這個(gè)問題將在下節(jié)討論 [8]。 激光器的結(jié)構(gòu) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 最簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體激光器由一個(gè)薄有源層（ m?? 厚）、 P 型和 N 型限制層構(gòu)成。有源層夾在 P 型和 N 型限制層中間，由此產(chǎn)生的 PN 異質(zhì)結(jié)通過歐姆接觸正向偏置，電流在覆蓋整個(gè)激光器芯片寬度（ ? 100 m? ）的較大面積注入， 圖 28所示。這樣的激光器面積大，其產(chǎn)生的激光以面積接近 2100*1 m? 的橢圓斑點(diǎn)從兩端解理面輻射，而在垂直與結(jié)平面的方向受雙異質(zhì)結(jié)的限制，斑點(diǎn)尺寸較?。?? 1 m? ），而且有源層折射率比限制層高（ ? n? ），起平面光波到的作用，并承載一定數(shù)量的模式，成為橫模。由于實(shí)際有源層很薄（ m?? ），因而實(shí)際上只承載單個(gè)橫模。但是在平行于結(jié)平面的側(cè)向并無光限制結(jié)構(gòu)，沿著激光器的整個(gè)寬度上都存在光輻射，損耗太大，閾值電流較高，這是大面積激光器的主要缺點(diǎn)。為解決側(cè)面光輻射和 光限制問題，下面介紹兩種實(shí)際激光器的結(jié)構(gòu)：增益導(dǎo)引半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)和折射率導(dǎo)引半導(dǎo)體激光器。 圖 28 大面積激光器 半導(dǎo)體激光器的特性 （ 1）發(fā)射波長(zhǎng)。 有源區(qū)中導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴復(fù)合時(shí)所發(fā)射的光子能量近似等于禁帶寬度 gE ，因此半導(dǎo)體材料的禁帶寬度決定了激光器的發(fā)射波長(zhǎng)，即 gEhf? （ 24) 式中， h 衛(wèi)普朗克常數(shù)， f 為光子頻率，由于光波長(zhǎng) fC/?? ，于是式（ 24）可表示為 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 17 gEhC?? （ 25） 式中， C 為真空中光速。 光通信中用的半導(dǎo)體材料，在短波長(zhǎng)段（ m? ），采用 GaAlA 和 GaAs材料構(gòu)成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)；在長(zhǎng)波長(zhǎng)波段（ m? 和 m? ），采用 InGaAsP 和 InP材料 s 構(gòu)成異質(zhì)結(jié)構(gòu)。 （ 2）閾值性質(zhì)。 對(duì)于半導(dǎo)體激光器，只有注入電流達(dá)到一定值后，才能既實(shí)現(xiàn)粒子束反轉(zhuǎn)分布，又滿足諧振腔里光振蕩的閾值條件，發(fā)射出譜線尖銳、模式明確的激光光束。所以半導(dǎo)體激光器是一個(gè)閾值器件，其功率 電流（ PI）特性曲線如圖 29 所示。從圖中可見： LD 的 PI 特性曲線中存在一個(gè)閾值電流 Ith，它是激光器開始激射的注入電流；當(dāng)注入電流小于閾值電流即 IIth時(shí)， LD 發(fā)射普通的熒光，其譜線較寬，功率很??；而當(dāng)注入電流大于閾值電流即 IIth 時(shí)，LD 開始發(fā)射激光，而且其激光器隨之如電流的增大而增加。常用單模激光器的閾值電流 Ith≈ 50mA。 圖 29 半導(dǎo)體激光器的 PI 曲線 半導(dǎo)體激光器的閾值電流對(duì)溫度的變化十分敏感，如圖 210 所示。當(dāng)溫度升高時(shí)， LD 的閾值電流將隨之增大，反之則減小。閾值電流 Ith與溫度 T 的關(guān)系可用下式表示： Ith=I0eT/T0 (26) 式中， I0 是溫度是的閾值 T=T0 電流； T0 是閾值電流的溫度敏感參數(shù)，在AlGaAs 激光器中， T0 =120~150K；在 InGaAsP 激光器中， T0 =50~70K。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 18 圖 210 激光器閾值電流隨溫度的變化 （ 3）激光器的效率。 激光器的電光轉(zhuǎn)化效率通常用外微分量子效率衡量，其定義為： ?P? hfeIPeI hfP ?????? // (27) 式中， P? 為外微分量子效率， P? 為光功率輸出增量， I? 為注入電流的增量， P? / I? 實(shí)際上就是 PI 曲線中的斜率。 e 為電子電荷， hf 為光子能量。顯然，PI 特性曲線斜率越大，外微分量子效率越大，說明激光器電光轉(zhuǎn)化效率越高 [9]。 LD 激光器組件 與 LED 相比， LD 的調(diào)制問題要復(fù)雜的多，尤其是在高速調(diào)制系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)條件的選擇、調(diào)制電路的形式和工藝，都對(duì)調(diào)制性能至關(guān)重要。由于半導(dǎo)體激光器對(duì)溫度的變化是很敏感的，穩(wěn)定激光器的輸出光信號(hào)是必須研究的問題。溫度變化和器件的老化會(huì)給激光器帶來很多的不穩(wěn)定性。主要表現(xiàn)為激光器的閾值電流隨溫度呈指數(shù)規(guī)律變化，并隨器件的老化而增加，從而使輸出光功率發(fā)生很大的變化。另外，線路中出現(xiàn)的長(zhǎng)連 0 和長(zhǎng)連 1 也會(huì)影響定時(shí)信號(hào)的提取，長(zhǎng)連 1還會(huì)增加光源的負(fù)擔(dān)，減少光源的壽命。 因?yàn)橐陨系倪@些應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題，人們應(yīng)用自動(dòng)溫度控制電路（ ATC）和自 動(dòng)功率控制電路（ APC）來解決它們。又為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制造和商用化的方便，人們制作了集成 LD 和上述所有部件的集成電路，形成一個(gè)完整的 LD 組件。LD 組件加上外圍電路，能實(shí)現(xiàn) ATC 和 APC 的所有功能，使用起來十分方便。關(guān)于 LD 組件的具體介紹，將在下一章中描述。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 19 第三章 光發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì) 一般來說，調(diào)制技術(shù)可以分為直接調(diào)制與間接調(diào)制。直接調(diào)制適用于半導(dǎo)體光源，它將要傳送的信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)注入光源，獲得相應(yīng)的光信號(hào)輸出，輸出光波電場(chǎng)幅值的平方與調(diào)制信號(hào)成正比，是一種光強(qiáng)度調(diào)制（ IM）。直接調(diào)制具有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、容 易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，是光纖通信中最常采用的調(diào)制方式，這種方式適用于半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管，因?yàn)榘l(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器的輸出光功率（對(duì)激光器來說是指閾值以上線性部分）基本上與輸入電流成正比，而且電流的變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)調(diào)制也呈線性，所以可以通過改變注入電流來實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度調(diào)制。間接調(diào)制是利用晶體的電光、磁光和聲光效應(yīng)等性質(zhì)對(duì)光幅進(jìn)行調(diào)制，既適用于半導(dǎo)體光源，也適用于其他類型的光源。間接調(diào)制最常用的是外調(diào)制的方法，既在光輻射產(chǎn)生后再加載調(diào)制信號(hào)，其具體方法是在激光器輸出端外的光路上放置光調(diào)制器，在調(diào)制器上加調(diào)制電壓，通過 調(diào)制器的光束得到調(diào)制。本文只介紹直接調(diào)制。 從調(diào)制信號(hào)的形式來說，光調(diào)制又可以分為模擬調(diào)制與數(shù)字調(diào)制。模擬信號(hào)調(diào)制是直接用連續(xù)的模擬信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，連續(xù)的模擬信號(hào)電流疊加在直流偏置電流上。在光纖通信中，現(xiàn)在常用的是數(shù)字