【正文】 換 ， 使原來的波峰變波谷 ， 波谷變波峰 ， 可以有效地提高模式選擇性和穩(wěn)定性 ， 實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)單縱模激光器的要求 。 光柵周期 Λ由下式確定 Λ=m eBn2? 式中 ， ne為材料有效折射率 ， λB為布喇格波長 ， m為衍射級(jí)數(shù) 。 如果光線 a和 b匹配 ， 相互疊加 ， 則產(chǎn)生更強(qiáng)的反饋 ， 而其他波長的光將相互抵消 。 這種衍射光柵的折射率周期性變化 ， 使光沿有源層分布式反饋 ， 所以稱為分布反饋激光器 。 具有這些特性的動(dòng)態(tài)單縱模激光器有多種類型 ， 其中性能優(yōu)良并得到廣泛應(yīng)用的是分布反饋 (Distributed Feed Back, DFB)激光器 。 2. 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(duì)復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù) )(ed hf thth IIpp ??? ?hfeIpeIIhfpppthth??????/)(/)(由此得到 (DFB) 隨著技術(shù)的進(jìn)步 ， 高速率光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展和新型光纖通信系統(tǒng)例如波分復(fù)用系統(tǒng)的出現(xiàn) ， 都對(duì)激光器提出更高的要求 。 鎵鋁砷 鎵砷 (GaAlAs GaAs)材料適用于 μm波段 ， 銦鎵砷磷 銦磷 (InGaAsP InP)材料適用于 ~ μm波段 。 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(jià)帶時(shí)所釋放的能量 ， 這個(gè)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 這樣 ， 注入到有源層的電子和空穴被限制在厚 ~ μm的有源層內(nèi)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 ， 這時(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 。 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(shì)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(duì)注入電子形成了勢(shì)壘 ， 注入到有源層的電子不可能擴(kuò)散到 P層 。 P層帶隙寬 ， 導(dǎo)帶的能態(tài)比有源層高 ， 對(duì)注入電子形成了勢(shì)壘 ， 注入到有源層的電子不可能擴(kuò)散到 P層 。 圖 DH激光器工作原理 。 結(jié)構(gòu)中間有一層厚 ~ μm的窄帶隙 P型半導(dǎo)體 ， 稱為有源層；兩側(cè)分別為寬帶隙的 P型和 N型半導(dǎo)體 ， 稱為限制層 。 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 。 當(dāng)增益和損耗相當(dāng)時(shí) ， 在諧振腔內(nèi)開始建立穩(wěn)定的激光振蕩 ， 其閾值條件為 圖 (a) 激光振蕩； (b) 光反饋 ?2 n反射鏡光的振幅反射鏡L( a )初始位置光光強(qiáng)輸出O X L( b ) γth=α+ 211ln21RRL 式中 ， γth為閾值增益系數(shù) ， α為諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù) ， L為諧振腔的長度 ， R1， R21為兩個(gè)反射鏡的反射率激光振蕩的相位條件為 L=q qnLn22 ??? 或 式中 ， λ為激光波長 ， n為激活物質(zhì)的折射率 ， q=1, 2, 3 …稱為縱模模數(shù) 。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 。 由于諧振腔內(nèi)的激活物質(zhì)具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 ， 可以用它產(chǎn)生的自發(fā)輻射光作為入射光 。 只有把激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中 ， 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 。 在電子和空穴擴(kuò)散過程中 ， 導(dǎo)帶的電子可以躍遷到價(jià)帶和空穴復(fù)合 ， 產(chǎn)生自發(fā)輻射光 。 電子運(yùn)動(dòng)方向與電場方向相反 ， 便使 N區(qū)的電子向 P區(qū)運(yùn)動(dòng) ， P區(qū)的空穴向 N區(qū)運(yùn)動(dòng) ， 最后在 PN結(jié)形成一個(gè)特殊的增益區(qū) 。 內(nèi)部電場產(chǎn)生與擴(kuò)散相反方向的漂移運(yùn)動(dòng) ， 直到 P區(qū)和 N區(qū)的 Ef相同 ， 兩種運(yùn)動(dòng)處于平衡狀態(tài)為止 ，結(jié)果能帶發(fā)生傾斜 ， 見圖 (b)。 在 P型半導(dǎo)體中 ， Ef減小 ， 導(dǎo)帶的電子減少 ， 價(jià)帶的空穴相對(duì)增多 ， 見圖(c) 。 在 N型半導(dǎo)體中 ， Ef增大 ，導(dǎo)帶的電子增多 ， 價(jià)帶的空穴相對(duì)減少 ， 見圖 (b)。 圖 PN結(jié)的能帶和電 (a) P N結(jié)內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng)；(b) 零偏壓時(shí)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(shì)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(kuò)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(duì)出現(xiàn)的 ， 用 Ef位于禁帶中央來表示 ， 見圖 (a)。 Ef稱為費(fèi)米能級(jí) ， 用來描述半導(dǎo)體中各能級(jí)被電子占據(jù)的狀態(tài) 。 根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論 ， 在熱平衡狀態(tài)下 ， 能量為 E的能級(jí)被電子占據(jù)的概率為費(fèi)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 。 電子不可能占據(jù)禁帶 。 在這種晶體中 ， 由于鄰近原子的作用 ， 電子所處的能態(tài)擴(kuò)展成能級(jí)連續(xù)分布的能帶 ， 如圖 。 問題是如何得到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)呢 ? 這個(gè)問題將在下面加以敘述 。 如果 N2N1， 即受激輻射大于受激吸收 ， 當(dāng)光通過這種物質(zhì)時(shí) ， 會(huì)產(chǎn)生放大作用 ， 這種物質(zhì)稱為激活物質(zhì) 。 如果 N1N2， 即受激吸收大于受激輻射 。 這是因?yàn)殡娮涌偸鞘紫日紦?jù)低能量的軌道 。 當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時(shí) ， ， k= 1023J/K， 為波爾茲曼常數(shù) ， T為熱力學(xué)溫度 。 產(chǎn)生受激輻射和產(chǎn)生受激吸收的物質(zhì)是不同的 。 受激輻射光的頻率 、 相位 、 偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同 ， 這種光稱為相干光 。s， 為普朗克常數(shù) ， f12為吸收或輻射的光子頻率 。 受激輻射是受激吸收的逆過程 。 (2) 在高能級(jí) E2的電子是不穩(wěn)定的 ， 即使沒有外界的作用 ， 也會(huì)自動(dòng)地躍遷到低能級(jí) 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)。 電子在低能級(jí) E1的基態(tài)和高能級(jí) E2的激發(fā)態(tài)之間的躍遷有三種基本方式 (見圖 )： 圖 (a) 受激吸收； (b) 自發(fā)輻射； (c) 受激輻射 hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1( a ) ( b )hf12( c )hf12hf12 (1) 在正常狀態(tài)下 ， 電子處于低能級(jí) E1， 在入射光作用下 ，它會(huì)吸收光子的能量躍遷到高能級(jí) E2上 ， 這種躍遷稱為受激吸收 。 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) 。 激光 ， 其 英 文 LASER 就是 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激輻射的光放大 )的縮寫 。 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(jìn)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(jià)格便宜的發(fā)光管 (LED)。 光源是光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵器件 ， 其功能是把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào) 。 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(duì)光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成 、 功能的擴(kuò)展和性能的提高都是不可缺少的 。第 3 章 光纖器件 返回主目錄 通信用光器件可以分為有源器件和無源器件兩種類型 。 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(jī) 、 光接收機(jī)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 。 本章介紹通信用光器件的工作原理和主要特性， 為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供選擇依據(jù)。 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 。 半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體 PN結(jié)注入電流 ， 實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 ， 產(chǎn)生受激輻射 ， 再利用諧振腔的正反饋 ， 實(shí)現(xiàn)光放大而 產(chǎn) 生 激 光 振 蕩 的 。 所以討論激光器工作原理要從受激輻射開始 。 在物質(zhì)的原子中 ， 存在許多能級(jí) ， 最低能級(jí) E1稱為基態(tài) ， 能量比基態(tài)大的能級(jí) Ei(i=2, 3, 4 …)稱為激發(fā)態(tài) 。 電子躍遷后 ， 在低能級(jí)留下相同數(shù)目的空穴 ，(a)。 (3) 在高能級(jí) E2的電子 ， 受到入射光的作用 ， 被迫躍遷到低能級(jí) E1上與空穴復(fù)合 ， 釋放的能量產(chǎn)生光輻射 ， 這種躍遷稱為受激輻射 ， 見圖 (c)。 電子在 E1和 E2兩個(gè)能級(jí)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 受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的光的特點(diǎn)很不相同 。 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 。 設(shè)在單位物質(zhì)中 ， 處于低能級(jí) E1和處于高能級(jí) E2(E2E1)的原子數(shù)分別為 N1和 N2。 由于 (E2E1)0， T0， 所以在這種狀態(tài)下 ， 總是 N1N2。 受激吸收和受激輻射的速率分別比例于 N1和 N2， 且比例系數(shù) (吸收和輻射的概率 )相等 。 當(dāng)光通過這種物質(zhì)時(shí) ， 光強(qiáng)按指數(shù)衰減 ， 這種物質(zhì)稱為吸收物質(zhì) 。 N2N1的分布 ， 和正常狀態(tài) (N1N2)的分布相反 ， 所以稱為粒子 (電子 )數(shù)反轉(zhuǎn)分布 。 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(jià)晶體 。 能量低的能帶稱為價(jià)帶 ，能量高的能帶稱為導(dǎo)帶 ， 導(dǎo)帶底的能量 Ec和價(jià)帶頂?shù)哪芰?Ev之間的能量差 EcEv=Eg稱為禁帶寬度或帶隙 。 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(jià)帶能量EcEfEgEvEgEcEfEv( a ) ( b ) ( c ) 圖 。 當(dāng) T→ 0時(shí) ， P(E)→ 0， 這時(shí)導(dǎo)帶上幾乎沒有電子 ， 價(jià)帶上填滿電子 。 在費(fèi)米能級(jí) ， 被電子占據(jù)和空穴占據(jù)的概率相同 。 在本征半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì) ， 稱為 N型半導(dǎo)體 。 在本征半導(dǎo)體中 ， 摻入受主雜質(zhì) ， 稱為 P型半導(dǎo)體 。 在 P型和 N型半導(dǎo)體組成的 PN結(jié)界面上 ， 由于存在多數(shù)載流子 (電子或空穴 )的梯度 ， 因而產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) ， 形成內(nèi)部電場 ， 見圖 (a)。 這時(shí)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(kuò)散增強(qiáng) 。 增益區(qū)的導(dǎo)帶主要是電子 ， 價(jià)帶主要是空穴 ， 結(jié)果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 ， 見圖 (c)。 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 。