【正文】 ）邊模抑制比 邊模抑制比是指主縱模的光功率 P1和最大邊模光功率 P2之比 一般，光發(fā)射機(jī)的 SMSR大于 30dB，即主縱模的光功率是最大邊模光功率的 1000倍以上。 幅度 譜寬 0 . 61 0 d?rms 0 . 01 d?20 dB 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 單縱模激光器： 用 3dB或 20dB譜寬 Δ ?20dB表示。 43 半導(dǎo)體激光器 多縱模激光器： 用均方根譜寬 Δ?rms或半值滿譜寬 Δ?1/2表示。 43 半導(dǎo)體激光器 （ 3）激光器的譜線寬度 多縱模 LD的譜寬 單縱模 LD的譜寬 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 一般情況，用FP諧振腔可以得到的是直流驅(qū)動(dòng)的 靜態(tài)單縱模激光器 ，要得到高速數(shù)字調(diào)制的 動(dòng)態(tài)單縱模激光器 ，必須改變激光器的結(jié)構(gòu)，采用分布反饋半導(dǎo)體激光器 DFB等。 43 半導(dǎo)體激光器 對(duì)于脈沖調(diào)制，調(diào)制電流 Im不斷變化，使有源區(qū)載流子濃度隨之變化，進(jìn)而導(dǎo)致折射率變化，最終使激光器的振蕩頻率發(fā)生漂移，動(dòng)態(tài)譜線展寬。 為什么呢？ 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 65 2022年 2月 11日星期五 167。 ? 峰值波長(zhǎng)隨結(jié)溫升高而向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)； 半導(dǎo)體材料的禁帶寬度 Eg隨著結(jié)溫升高而變窄。 43 半導(dǎo)體激光器 （ 2）激光器的縱模反映器件的光譜特性 ? 縱模數(shù)隨注入電流（驅(qū)動(dòng)電流）而變。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 43 半導(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器的光譜隨著注入電流的變化而變化。 )eV(gE??廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 43 半導(dǎo)體激光器 3. 光譜特性 —單色性 （ 1）發(fā)射波長(zhǎng) 半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)取決于導(dǎo)帶的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)所釋放出的能量，這個(gè)能量近似等于禁帶寬度 Eg(eV)= hυ =hc/λ， υ (Hz)和 λ(181。 電流脈沖光脈沖t ＝ 0 t ＝ TI1I0廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 結(jié)發(fā)熱效應(yīng)引起調(diào)制失真。 43 半導(dǎo)體激光器 另外，溫度對(duì)激光器數(shù)字調(diào)制將產(chǎn)生 結(jié)發(fā)熱效應(yīng) 。 43 半導(dǎo)體激光器 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 ()D thhP I Ie????廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 59 2022年 2月 11日星期五 167。 光纖通信 58 2022年 2月 11日星期五 167。 用 Rr和 Rnr分別表示輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合的速率，內(nèi)量子效率 ?i可以表示為 外量子效率 ?ex定義為 ηex=(激光器每秒鐘產(chǎn)生的光子數(shù) )/(激光器每秒鐘注入的電子 空穴對(duì)數(shù) )。 43 半導(dǎo)體激光器 量子效率 分為 內(nèi)量子效率 、 外量子效率 和 外微分量子效率 。 2p jsPV I I R? ?? ?激 光 器 輻 射 的 光 功 率功 率 效 率 定 義 為 ：激 光 器 消 耗 的 電 功 率廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 轉(zhuǎn)換效率的表示方法： 采用 功率效率 和 各類量子效率 指標(biāo)來(lái)衡量激光器的換能效率。 光纖通信 56 2022年 2月 11日星期五 167。 閾值電流越小越好還是越大越好？ 越小越好。它是一個(gè)正向電流值，用符號(hào) Ith表示。 光纖通信 55 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導(dǎo)體激光器 四、 半導(dǎo)體激光器的主要特性 1. 輸出光功率特性 光功率隨注入電流變化，所以用 PI特性表示。 43 半導(dǎo)體激光器 4．垂直腔面發(fā)射激光器（ VCSEL ） VCSEL激光器的結(jié)構(gòu) 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 (4) 線性度好 2c ff?? ? ??廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 并且光柵的作用有助于使發(fā)射波長(zhǎng)鎖定在諧振波長(zhǎng)上，使波長(zhǎng)的穩(wěn)定性改善。 光纖通信 52 2022年 2月 11日星期五 167。 很顯然，減小腔長(zhǎng)，可以抑制高階模。 當(dāng)腔長(zhǎng)減小到 L = 20?m時(shí)，模式間距增加到 ，此時(shí)該帶寬內(nèi)的模數(shù)是 FWHM / δλ = 6/= 。 43 半導(dǎo)體激光器 對(duì)于給定的峰值波長(zhǎng)，模式間距 δλ隨 L的減小而增加。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 50 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導(dǎo)體激光器 此動(dòng)畫為 DBR激光器工作原理光路 動(dòng)畫。此時(shí)產(chǎn)生激光輸出的布拉格條件為： ? ? 1 , 2 , 3 / mBm nn??? ? ? ? ? ? ? ?， 其 中 是 波 紋 光 柵 的 周 期 柵 距 ，是 波 紋 光 柵 材 料 的 有 效 折 射 率 ， 是 波 長(zhǎng)s in ( 1 sin )B nm? ????????? ? ? ? ? ? 布 拉 格 反 射 條 件 **2 nm ???廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 48 2022年 2月 11日星期五 167。 波紋光柵為受激輻射產(chǎn)生的光子提供周期性的反射點(diǎn)，在一定條件下，圖中 I， I?， I?等反射光束同相位加強(qiáng)，形成某方向 (θ+90o)的主極強(qiáng)。 光纖通信 47 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導(dǎo)體激光器 2. 工作原理 DFB激光器的周期性溝槽在有源層波導(dǎo)兩外側(cè)的無(wú)源波導(dǎo)層上，這兩個(gè)無(wú)源的光柵波導(dǎo)充當(dāng) Bragg反射鏡的作用； 只有在 Bragg波長(zhǎng) 附近的光波才能滿足振蕩條件 ， 從而發(fā)射激光。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 布拉格反射是指 當(dāng)光波入射到兩種不同介質(zhì)的交界面時(shí)，能夠產(chǎn)生周期性的反射，把這種反射稱為布拉格反射。 ?DFB激光器是在異質(zhì)結(jié)激光器具有光放大作用的有源層附近，刻有波紋狀的周期光柵而構(gòu)成的。 光纖通信 45 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導(dǎo)體激光器 三、 分布反饋 (DFB)和分布布拉格反射 (DBR)半導(dǎo)體激光器 1. 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 特點(diǎn)： 激光振蕩不是由反射鏡提供，而是折射率周期性變化的波紋光柵（波紋結(jié)構(gòu)：在 有源區(qū)一側(cè)生長(zhǎng)波紋結(jié)構(gòu) ，可以取不同形狀，如正弦、三角或方波）提供。 43 半導(dǎo)體激光器 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 43 2022年 2月 11日星期五 超晶格量子阱半導(dǎo)體激光器的特性： ? 閾值電流低； ? 波長(zhǎng)可調(diào)諧； ? 線寬窄，頻率啁啾低； ? 調(diào)制速率高； ? 溫度穩(wěn)定性強(qiáng)。 光纖通信 42 2022年 2月 11日星期五 量子阱半導(dǎo)體激光器： 167。量子阱半導(dǎo)體激光器還可分為單量子阱和多量子阱激光器。 43 半導(dǎo)體激光器 （ 3） 量子阱半導(dǎo)體激光器 量子阱激光器 與一般雙異質(zhì)結(jié)激光器類似 ，只是有源區(qū)的厚度很薄，屬于雙異質(zhì)結(jié)器件。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 異質(zhì)結(jié)的優(yōu)點(diǎn)： ?帶隙差形成的勢(shì)壘對(duì)載流子起限制作用，阻止了有源區(qū)里的載流子逃離出去，此時(shí) 只要很小的外加電流，就可以使電子和空穴濃度增大而提高效益； ?有源層的折射率比限制層高，產(chǎn)生的激光被束縛在有源層內(nèi)。 光纖通信 40 2022年 2月 11日星期五 167。 光纖通信 39 2022年 2月 11日星期五 167。早期的是 GaAs、 GaAlAs。限制層和作用層之間形成 異質(zhì)結(jié) 。 43 半導(dǎo)體激光器 目前，光纖通信用的激光器大多采用銦鎵砷磷（ InGaAsP） 雙異質(zhì)結(jié) 條形激光器。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的 “結(jié)” 是由不同的半導(dǎo)體材料制成，目的是 降低閾值電流 ， 提高效率 。 缺點(diǎn)是 閾值電流高，且不能在室溫下連續(xù)工作，不能實(shí)用。 光纖通信 37 2022年 2月 11日星期五 167。 光纖通信 36 2022年 2月 11日星期五 167。 光纖通信 35 2022年 2月 11日星期五 167。如果用光強(qiáng)（光功率）來(lái)衡量信號(hào)的強(qiáng)弱，那么閾值條件用公式表示 ? th為閾值增益系數(shù)， α為諧振腔內(nèi)部工作物質(zhì)的強(qiáng)度損耗系數(shù)， R1和 R2是鏡面的反射系數(shù)。 光纖通信 34 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導(dǎo)體激光器 由相位條件導(dǎo)出縱模的頻率間隔或波長(zhǎng)間隔為 （ 2）建立穩(wěn)定振蕩的閾值條件 /振幅條件 光在 FP諧振腔內(nèi)的傳播同時(shí)受到增益和衰減兩大相互矛盾因素的共同作用 一方面，在外部激勵(lì)源的作用下，激光器內(nèi)部形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的有源區(qū)，往返傳輸?shù)墓庾硬粩嗾T發(fā)受激輻射，使得 光信號(hào)不斷增強(qiáng) ； 另一方面，腔內(nèi)也存在著 損耗 ，例如鏡面的反射損耗（鏡面反射率總是小于 1）、工作物質(zhì)的吸收和散射損耗等。 ? ?2 2 1 , 2 , 3L q q? ? ?? ? ? ? ? ?縱 模 模 數(shù) ， 相 位 常 數(shù)? ?222 1 , 2 , 3 ,L n k qnLqqn??? ? ?? ? ? ???是 激 活 物 質(zhì) 的 折 射 率廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 32 2022年 2月 11日星期五 167。 作用： ①選擇方向；②建立起穩(wěn)定的振蕩。 光纖通信 31 2022年 2月 11日星期五 167。 有源區(qū)一側(cè)的 波紋結(jié)構(gòu) ： DFB（分布反饋）、 DBR（分布布拉格反射）。 43 半導(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器的 初始光場(chǎng) 由于來(lái)源于導(dǎo)帶和價(jià)帶的自發(fā)輻射，頻譜較寬、方向也雜亂無(wú)章，此時(shí)必須有 光學(xué)諧振機(jī)制 對(duì)光的 頻率和方向進(jìn)行選擇 ，以獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 ?光學(xué)諧振機(jī)制 提供正反饋，并且在有源區(qū)里建立起穩(wěn)定的振蕩。 光纖通信 29 2022年 2月 11日星期五 167。 激活物質(zhì)和光學(xué)諧振腔是產(chǎn)生激光振蕩的 必要條件 。 43 半導(dǎo)體激光器 一、形成激光振蕩的條件 1. 知識(shí)回顧 —激光產(chǎn)生的三個(gè)條件 ?能夠產(chǎn)生激光的 工作物質(zhì) ； ?能夠使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的 泵浦源 ；（激活物質(zhì)） ?能夠完成頻率選擇及反饋?zhàn)饔玫?光學(xué)諧振腔 。 增益區(qū) P + N Efc Efv hυ 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 在增益區(qū)，導(dǎo)帶的多數(shù)載流子是電子，價(jià)帶的多數(shù)載流子是空穴，結(jié)果形成 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 。 光纖通信 27 2022年 2月 11日星期五 167。在這種非熱平衡狀態(tài)下，費(fèi)米能級(jí)隨之發(fā)生了分裂，在 PN結(jié)出現(xiàn)了兩個(gè)費(fèi)米能級(jí)， N區(qū)和 P區(qū)的費(fèi)米能級(jí)分別為 Efc和 Efv 。 3. 正向偏置下 (PN結(jié)施加正向電壓 )形成增益區(qū) /有源區(qū) 正向電壓施加以后，削弱了原有內(nèi)建電場(chǎng)，使勢(shì)壘降低。 光纖通信 26 2022年 2月 11日星期五 167。 光纖通信 25 2022年 2月 11日星期五 167。 PN結(jié)能帶的彎曲正 反映了空間電荷區(qū)的存在 。 2. PN結(jié)的能帶（熱平衡狀態(tài)） 由于一個(gè)熱平衡系統(tǒng)只能有一個(gè)費(fèi)米能級(jí)，這就要求原來(lái)在 P區(qū)和 N區(qū)高低不同的費(fèi)米能級(jí)達(dá)到相同的水平。 光纖通信 24 2022年 2月 11日星期五 167。 在 N型半導(dǎo)體中存在大量帶負(fù)電的電子，同時(shí)還存在著等量的帶正電的電離施主，它們的電性相互抵消而表現(xiàn)出 電中性 ?？臻g電荷區(qū)的電場(chǎng)方向由 N區(qū)指向 P區(qū)，這個(gè)電場(chǎng)稱為“ 自建電場(chǎng) /內(nèi)建電場(chǎng) ”，與外加電場(chǎng)相反。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 三、 PN結(jié) 1. PN結(jié)的形成 P型半導(dǎo)體和 N型半導(dǎo)體形成 PN結(jié)時(shí)， 載流子的 濃度差引起擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) ， P區(qū)的空穴向 N區(qū)擴(kuò)散，剩下帶負(fù)電的電離受主，從而在靠近 PN結(jié)界面的區(qū)域形成了一個(gè) 帶負(fù)電的區(qū)域 ；同樣，N區(qū)的電子向 P區(qū)擴(kuò)散，剩下帶正電的電離施主，從而造成一個(gè)帶正電的區(qū)域 。 (d) 雙兼并型半導(dǎo)體 E fEfc Efv 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 若有一光波，光子能量滿足 Eghυ (Efc Efv )，則這束光波經(jīng)過(guò)雙兼并型半導(dǎo)體時(shí)將被放大（ 光放大 ）。在價(jià)帶中，載流子的統(tǒng)計(jì)分布與兼并型 P型半導(dǎo)體的分布相似，而導(dǎo)帶中則與兼并型 N型半導(dǎo)體的情況類似。 光纖通信 22 2022年 2月 11日星期五 167。 對(duì)于重?fù)诫s