第三章光源與光檢測(cè)器

第三章光源與光檢測(cè)器激光二極管LD

發(fā)光二極管LED半導(dǎo)體光源的物理基礎(chǔ)光纖通信對(duì)光源的要求本節(jié)內(nèi)容2問題的提出光纖通信系統(tǒng)中利用什么來(lái)攜帶信息?光纖通信系統(tǒng)中需要什么樣的光源?3光源是光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，它產(chǎn)生光通信系統(tǒng)所需要的光載波，其特性的好壞直接影響光纖通信系統(tǒng)的性能。4光纖通信系統(tǒng)對(duì)光源的要求合適的發(fā)光波長(zhǎng)；足夠的輸出功率；光譜寬度窄；溫度特性好；可靠性高、壽命長(zhǎng)；體積小，重量輕；輸出效率高；聚光性好；調(diào)制方便；價(jià)格低廉。5需要什么樣的光源實(shí)用光纖通信系統(tǒng)對(duì)光源有以下要求：（1）合適的發(fā)光波長(zhǎng)光源的發(fā)光波長(zhǎng)必須在光纖的低損耗區(qū)，包括0.85μm、1.31μm和1.55μm波長(zhǎng)窗口。也就是說(shuō)，光源的發(fā)光波長(zhǎng)應(yīng)與光纖的工作窗口相一致。在目前的光通信系統(tǒng)中作為第一窗口的0.85μm短波長(zhǎng)窗口已基本不用，1.31μm的第二窗口正在大量應(yīng)用，并且光纖通信系統(tǒng)正在逐漸向1.55μm的第三窗口轉(zhuǎn)移。6需要什么樣的光源（2）足夠的輸出功率光源的輸出功率必須足夠大，光源輸出功率的大小直接影響光通信系統(tǒng)的中繼距離。光源的輸出功率越大，系統(tǒng)的中繼續(xù)距離就越長(zhǎng)。但這個(gè)結(jié)論是有條件的，即如果光源的輸出功率太大，使光纖工作于非線性狀態(tài)，則是光纖通信系統(tǒng)補(bǔ)允許的。當(dāng)然，目前的問題不是光纖的功率太大，而是不夠。因此，還應(yīng)努力提高光源輸入光纖的光功率，以增大中繼距離。一般光源的輸出功率大于1mW。7需要什么樣的光源（3）可靠性高，壽命長(zhǎng)光源的工作壽命長(zhǎng)，通信才可靠。目前通信工程要求光源平均工作壽命為106小時(shí)（約100年），一般不允許中斷通信。設(shè)一個(gè)通信系統(tǒng)中有10個(gè)光源，假如其中一個(gè)光源發(fā)生故障，會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)中斷工作。從故障的概率來(lái)說(shuō)，該系統(tǒng)發(fā)生中斷通信故障的時(shí)間間隔為10萬(wàn)小時(shí)（10年左右）。這是實(shí)用通信工程對(duì)元器件的要求。8需要什么樣的光源（4）輸出效率高輸出光功率與所消耗的直流電功率的比值叫做輸出效率。要求輸出效率盡量高，即耗電盡量省，而且要在低電壓下工作。這樣，對(duì)無(wú)人中繼站的供電就較方便了。目前輸出效率的標(biāo)準(zhǔn)是大于10%，將來(lái)希望達(dá)到50%。9需要什么樣的光源（5）光譜寬度窄光譜寬度是光源的發(fā)光波長(zhǎng)范圍。人們希望光波也能夠和無(wú)線電波一樣，只在一個(gè)頻率振蕩。實(shí)際上這很難做到，只能要求光譜盡量短。光源的光譜寬度直接影響到系統(tǒng)的傳輸帶寬，它與光纖的色散效應(yīng)相結(jié)合，就產(chǎn)生了噪聲，影響系統(tǒng)的傳輸容量和中繼距離。10需要什么樣的光源（6）聚光性好要求光源發(fā)光盡量集中，匯聚到一點(diǎn)，盡可能多的把光送進(jìn)光纖，即耦合效率高。這樣進(jìn)入光纖的功率大，系統(tǒng)中繼距離就可增加。（7）調(diào)制方便調(diào)制即是把話音等信息附載在光波上。如何高效的用電信號(hào)來(lái)調(diào)制光波是決定系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。11需要什么樣的光源（8）價(jià)格低廉光纖通信系統(tǒng)在價(jià)格上低于其他現(xiàn)用系統(tǒng)，這與光源的可靠性和批量生產(chǎn)性直接相關(guān)。光源應(yīng)該價(jià)格低廉，能批量生產(chǎn)，同時(shí)體積小、重量輕，便于在各種場(chǎng)合應(yīng)用。12現(xiàn)用光源LD和LEDLD的優(yōu)點(diǎn)：輸出功率高、調(diào)制頻帶寬、發(fā)光譜線窄。LED的優(yōu)點(diǎn)：線性好，使用壽命長(zhǎng)，成本低。LED的確定：譜線寬度寬，調(diào)制速率較低，與光纖的耦合效率低。LD適用于長(zhǎng)距離、大容量的傳輸系統(tǒng)。LED適用于短距離、小容量的傳輸系統(tǒng)。13半導(dǎo)體光源的物理基礎(chǔ)光子與光波；原子的內(nèi)能與能級(jí)；普朗克公式；光的吸收與輻射；半導(dǎo)體光源。14光量子學(xué)說(shuō)1905年，愛因斯坦提出光量子學(xué)說(shuō)，認(rèn)為：

光是由能量為hf的光子組成的h=6.626×10-34J·S，稱為普朗克常數(shù)，f是光波頻率。整體性：攜帶信息的光波，它所具有的能量只能是hf的整數(shù)倍。當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí)，光子的能量作為一個(gè)整體被吸收或發(fā)射。15光的波粒兩重性光具有波動(dòng)、粒子兩重性波動(dòng)性和粒子性是不可分割的統(tǒng)一體它是指光在不同場(chǎng)合下表現(xiàn)出來(lái)兩種同樣屬性：當(dāng)光在空間傳播時(shí)主要表現(xiàn)出波動(dòng)性；當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí)，光的行為又表現(xiàn)出粒子性。16能級(jí)物質(zhì)組成：分子、原子、電子。電子既繞原子核旋轉(zhuǎn)，又作自旋運(yùn)動(dòng)。電子通過與外接交換能量從一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)于每一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)說(shuō)，都具有一定的內(nèi)能（位能與動(dòng)能之和）。內(nèi)能是一些不連續(xù)的特定值，對(duì)應(yīng)電子運(yùn)動(dòng)的特定軌道。這些特定軌道稱為能級(jí)。17光與物質(zhì)的三種作用形式光與物質(zhì)的相互作用有三種不同的基本過程：自發(fā)輻射、受激吸收、受激輻射下面以兩能級(jí)系統(tǒng)為例加以說(shuō)明。設(shè)原子的兩個(gè)能級(jí)為E1和E2。E1為低能級(jí)（價(jià)帶）E2為高能級(jí)（導(dǎo)帶）18處于高能級(jí)的電子是不穩(wěn)定的，在未受到外界激發(fā)的情況下，自發(fā)地躍遷到低能級(jí)，在躍遷的過程中，根據(jù)能量守恒原理，發(fā)射出一個(gè)能量為hf的光子，發(fā)射出的光子能量為兩個(gè)能級(jí)之差，即hf=E2-E1則發(fā)射光子的頻率為f=（E2-E1）/h△E=E2-E1(禁帶寬度)自發(fā)輻射19沒有外界作用的條件下自發(fā)產(chǎn)生的。發(fā)射出光子的頻率決定于所躍遷的能級(jí)。發(fā)生自發(fā)輻射的高能級(jí)不是一個(gè)，而是一系列的高能級(jí)時(shí)，輻射光子的頻率，頻率范圍可能很寬。對(duì)于在相同的能級(jí)差間發(fā)生的躍遷，輻射出的光子也只是頻率相同，發(fā)射方向和相位是各不相同的，因此是非相干光。例如LED發(fā)光和LD在外加小于閾值電流時(shí)。自發(fā)輻射20圖3.1自發(fā)輻射hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1自發(fā)輻射21物質(zhì)在外來(lái)光子的激發(fā)下，低能級(jí)上的電子吸收了外來(lái)光子的能量，而躍遷到高能級(jí)上，這個(gè)過程叫做受激吸收。受激吸收過程必須在外來(lái)光子的激發(fā)下才會(huì)產(chǎn)生，外來(lái)光子的能量必須等于電子躍遷的能級(jí)之差，即E=E2-E1=hf。顯然，受激躍遷的過程中，沒有多余的能量放出來(lái)。如光檢測(cè)器受激吸收22受激吸收hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1

圖3.2受激吸收能級(jí)和電子躍遷23處于高能級(jí)的電子，當(dāng)受到外來(lái)光子的激發(fā)而躍遷到低能級(jí)，同時(shí)放出一個(gè)能量為hf的光子，由于這個(gè)過程是在外來(lái)光子的激發(fā)下產(chǎn)生的，因此叫做受激輻射。受激輻射24hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1圖3.3受激輻射受激輻射25外來(lái)光子的能量等于躍遷的能級(jí)之差受激過程中發(fā)射出來(lái)的光子與外來(lái)光子：頻率相同、相位相同、偏振方向相同、傳播方向相同，稱它們是全同光子。受激過程中發(fā)射出來(lái)的光子與外來(lái)光子是全同光子，相疊加的結(jié)果而使光增強(qiáng)。這個(gè)過程使光得到放大。受激輻射的光放大作用，是產(chǎn)生激光的一個(gè)重要的基礎(chǔ)概念。如LD激光器。

受激輻射的光放大26半導(dǎo)體激光二極管(LD)LD是一種光學(xué)自激振蕩器，也是一種PN結(jié)。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。產(chǎn)生受激輻射的基本條件：使光產(chǎn)生振蕩使光得到一定的放大，放大量至少應(yīng)當(dāng)?shù)窒锌赡艽嬖诘膿p耗同時(shí)還要有一定的機(jī)制使得振蕩頻率單純和穩(wěn)定。27產(chǎn)生受激輻射和產(chǎn)生受激吸收的物質(zhì)是不同的。設(shè)在單位物質(zhì)中，處于低能級(jí)E1和處于高能級(jí)E2(E2>E1)的原子數(shù)分別為N1和N2。當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，存在下面的分布

(3.2)式中，k=1.381×10-23J/K，為波爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在這種狀態(tài)下，總是N1>N2。這是因?yàn)殡娮涌偸鞘紫日紦?jù)低能量的軌道。28粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布與光放大受激輻射能產(chǎn)生光放大，是產(chǎn)生激光的必要條件。在正常狀態(tài)下，在熱平衡系統(tǒng)中，低能級(jí)上的電子多，高能級(jí)上的電子少。在單位時(shí)間內(nèi)，從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)上的粒子數(shù)，總是少于從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)上的粒子數(shù)。因此，這時(shí)受激吸收大于受激輻射。也就是說(shuō)，在熱平衡條件下的物質(zhì)，不可能有光的放大作用。29粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布與光放大要讓物質(zhì)能夠產(chǎn)生光的放大，就必須使物質(zhì)中的受激輻射作用大于受激吸收作用。必須使高能級(jí)上的電子多于低能級(jí)上的電子，這種粒子數(shù)反常狀態(tài)的分布，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)是使物質(zhì)產(chǎn)生光放大的必要條件。處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的物質(zhì)稱為增益物質(zhì)或激活物質(zhì)。30

圖3.4半導(dǎo)體的能帶和電子分布(a)本征半導(dǎo)體；(b)N型半導(dǎo)體；(c)P型半導(dǎo)體

在半導(dǎo)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。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)哪芰縀v之間的能量差Ec-Ev=Eg稱為禁帶寬度或帶隙。電子不可能占據(jù)禁帶。PN結(jié)的能帶和電子分布31

圖3.2示出不同半導(dǎo)體的能帶和電子分布圖。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

式中，k為波茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。Ef稱為費(fèi)米能級(jí)，用來(lái)描述半導(dǎo)體中各能級(jí)被電子占據(jù)的狀態(tài)。在費(fèi)米能級(jí)，被電子占據(jù)和空穴占據(jù)的概率相同。(3.3)32P區(qū)PN結(jié)空間電荷區(qū)N區(qū)內(nèi)部電場(chǎng)擴(kuò)散漂移

P-N結(jié)內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng)；圖3.5PN結(jié)的能帶和電子分布33勢(shì)壘能量EpcP區(qū)EncEfEpvN區(qū)Env圖3.6零偏壓時(shí)P-N結(jié)的能帶傾斜圖34hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv電子，空穴內(nèi)部電場(chǎng)外加電場(chǎng)圖3.7正向偏壓下P-N結(jié)能帶圖獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布

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增益區(qū)的產(chǎn)生：在PN結(jié)上施加正向電壓，產(chǎn)生與內(nèi)部電場(chǎng)相反方向的外加電場(chǎng)，結(jié)果能帶傾斜減小，擴(kuò)散增強(qiáng)。電子運(yùn)動(dòng)方向與電場(chǎng)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)。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3.3(c)。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。

36閾值條件光子的傳播和反射等運(yùn)動(dòng)過程中要消耗一部分能量，光子向不希望的方向運(yùn)動(dòng)，會(huì)很快離開使光子總量減少。此外還有產(chǎn)生聲子（晶格振動(dòng)）的損耗等。無(wú)論如何，激活物質(zhì)產(chǎn)生的光增益應(yīng)足以抵消所有的損耗，振蕩才可能發(fā)生。這里將振蕩開始出現(xiàn)凈增益的條件稱為閾值條件（反映為閾值電流）。37選頻機(jī)制構(gòu)成一個(gè)振蕩器，必須包括某種選頻機(jī)構(gòu)，一種最簡(jiǎn)單的選頻結(jié)構(gòu)是光學(xué)諧振腔。光學(xué)諧振腔能提供必要的反饋以及進(jìn)行頻率選擇。在增益物質(zhì)兩端適當(dāng)?shù)奈恢?，放置兩個(gè)互相平行的反射鏡，就構(gòu)成了最簡(jiǎn)單的光學(xué)諧振腔，稱為F-P腔。38圖3.8激光器的構(gòu)成和工作原理(a)激光振蕩；(b)光反饋39選頻機(jī)制當(dāng)工作物質(zhì)在向LD提供能量的泵浦源的作用下，變?yōu)榧せ钗镔|(zhì)以后，即有了放大作用，如果被放大的光有一部分能夠反饋回來(lái)再參加激勵(lì)，這就構(gòu)成正反饋。被激勵(lì)的光就可產(chǎn)生振蕩，滿足閾值條件后，即可發(fā)出激光。40選頻機(jī)制諧振波長(zhǎng)是光學(xué)諧振腔的重要參數(shù)。腔的尺寸遠(yuǎn)大于工作波長(zhǎng)——腔內(nèi)的電磁波可認(rèn)為是均勻平面波。設(shè)從A點(diǎn)出發(fā)的平面波，垂直投射到反射鏡M1，由M1反射后又垂直投射向M2。再回到A點(diǎn)時(shí)，如果它們之間的相位差是2π的整數(shù)倍，顯然就達(dá)到了諧振。如果設(shè)L為諧振腔的長(zhǎng)度，λ為諧振腔介質(zhì)中光波的波長(zhǎng)，則應(yīng)有L=q×λ/2其中q=1，2，3，……41選頻機(jī)制可得出光波長(zhǎng)的表示式為λ=2L/q此式即為光學(xué)諧振腔的諧振條件或稱駐波條件。當(dāng)光學(xué)諧振腔材料的折射率為n時(shí)，折算到真空的光學(xué)諧振腔的諧振波長(zhǎng)為λ=2nL/q顯然諧振波長(zhǎng)與光學(xué)諧振腔材料的折射率n有關(guān)。當(dāng)q不同時(shí)，可有不同的λ值，即有無(wú)窮多個(gè)諧振波長(zhǎng)。42LD的結(jié)構(gòu)N型解理面有源層金屬接觸層P型100μm100μm300μm大面積激光器電流43LD的結(jié)構(gòu)和工作特性LD結(jié)構(gòu)上是一種半導(dǎo)體PN結(jié)，可分為：同質(zhì)結(jié)LD單異質(zhì)結(jié)LD雙異質(zhì)結(jié)LD44同質(zhì)結(jié)早期研制的激光器PN結(jié)兩邊材料相同，僅摻雜不同由結(jié)區(qū)發(fā)出激光對(duì)光場(chǎng)無(wú)限制作用要求閾值電流太高幾乎不能在室溫下工作45異質(zhì)結(jié)結(jié)兩邊是由不同的半導(dǎo)體材料制成的。為了降低閾值電流，提高效率。46半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖47LD的結(jié)構(gòu)光纖通信用的LD大多是如圖3.9所示的銦鎵砷磷(InGaAsP)雙異質(zhì)結(jié)條形LD，由剖面圖3.9中可以看出，它是由五層半導(dǎo)體材料構(gòu)成。中間n---InGaAsP是發(fā)光的作用區(qū)，作用區(qū)的上、下兩層稱為限制層，它們和作用區(qū)構(gòu)成光學(xué)諧振腔。限制層和作用區(qū)之間形成異質(zhì)結(jié)。最下面一層n---InP是襯底，頂層P+---InGaAsP是接觸層，其作用是為了改善和金屬電極的接觸。頂層上面微米寬的窗口為條形電極。48InGaAsP雙異質(zhì)結(jié)條形激光器示意圖49雙異質(zhì)結(jié)的特性窄帶隙的有源區(qū)材料被夾在寬帶隙的限制層中，帶隙差形成的勢(shì)壘對(duì)載流子有限制作用。折射率的分布滿足導(dǎo)波條件折射率差5%左右，——強(qiáng)導(dǎo)波光場(chǎng)限制強(qiáng)室溫連續(xù)工作5051異質(zhì)結(jié)LD這種LD的優(yōu)點(diǎn)是減小了注入電流，增加了發(fā)光強(qiáng)度。LD具有PN結(jié)的基本結(jié)構(gòu)，在電路中的一般特性（主要是伏安特性）與二極管相似。但它具有特殊的光特性。52雙異質(zhì)結(jié)的特性P-N結(jié)的兩個(gè)端面是按照晶體的天然解理面切開的天然解理面相當(dāng)于反射面，一般反射系數(shù)為0.32天然解理面表面鍍膜可以得到很高的反射系數(shù)，組成光學(xué)諧振腔53半導(dǎo)體激光器工作原理54實(shí)用LD的外形55LD的特性參數(shù)閾值特性光譜特性轉(zhuǎn)換效率溫度特性時(shí)間效應(yīng)56閾值特性對(duì)于LD，當(dāng)注入電流（外加正向電流）達(dá)到一定值時(shí)，將產(chǎn)生激光振蕩，輸出光功率將急劇增加，這個(gè)電流值稱為閾值電流，用Ith表示。如圖3.9所示，當(dāng)I<Ith時(shí)，LD才發(fā)出激光。這個(gè)曲線即是LD的輸出特性曲線，常稱為P-I曲線。為了使光纖通信系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作，希望閾值電流越小越好。目前，最好的半導(dǎo)體LD的閾值電流可小于10mA。57

圖3.9典型半導(dǎo)體激光器的光功率特性(a)短波長(zhǎng)AlGaAs/GaAs(b)長(zhǎng)波長(zhǎng)InGaAsP/InP58光譜特性光譜曲線最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，為中心波長(zhǎng)比最高點(diǎn)光功率低3dB（50%）時(shí)曲線上的寬度為譜線寬度。LD的光譜，隨著激勵(lì)電流而變化。當(dāng)I<Ith時(shí)，發(fā)出的是熒光，因此，光譜很寬，其寬度常達(dá)數(shù)百倍。當(dāng)I>Ith后，發(fā)射光譜突然變窄，譜線中心強(qiáng)度急劇增加，表明發(fā)出激光。59光譜特性LD產(chǎn)生的激光有多模和單模。單模LD是指激光二極管發(fā)出的激光是單縱模多模LD是指激光二極管發(fā)出的激光是多縱模單模LD的譜線寬度可以做到0.1nm以下60

圖3.10GaAlAs-DH激光器的光譜特性(a)直流驅(qū)動(dòng);(b)300Mb/s數(shù)字調(diào)制0799800801802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI=80mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mWL=250μmW=12μmT=300K830828832830828832830828826832830828826824836834832830828826824822820(a)(b)61轉(zhuǎn)換效率LD是把電功率直接轉(zhuǎn)換成光功率的器件衡量轉(zhuǎn)換效率的高低常用功率轉(zhuǎn)換效率來(lái)表示功率轉(zhuǎn)換效率定義為：輸出光功率與消耗的電功率之比。用ηp來(lái)表示。

ηp=R(1-Ith/I)/V其中：R是與LD的內(nèi)部量子效率、激光波長(zhǎng)和模式損耗有關(guān)的常數(shù)；V是工作電壓；Ith是閾值電流；I是工作電流。62轉(zhuǎn)換效率ηp

=R(1-Ith/I)/Vηp

=R(I-Ith)/IV與LD的內(nèi)部量子效率，激光波長(zhǎng)和模式損耗有關(guān)的常數(shù)光功率發(fā)光電流電功率63溫度特性LD的閾值電流和光輸出功率隨溫度變化的特性為溫度特性。閾值電流隨溫度的升高而加大，其變化情況如圖所示。由曲線中可以看出，溫度對(duì)LD的閾值電流影響很大，所以，為了使光纖通信系統(tǒng)穩(wěn)定，可靠地工作，一般都要采用各種自動(dòng)溫度控制電路，來(lái)穩(wěn)定LD的閾值電流和輸出光功率。64圖3.11

P-I曲線隨溫度的變化65時(shí)間效應(yīng)另外，LD的閾值電流也和使用時(shí)間有關(guān)，隨著激光管使用時(shí)間的增加，閾值電流也會(huì)逐漸加大。目前，國(guó)內(nèi)制造的激光二極管芯片的壽命已達(dá)到106小時(shí)以上，經(jīng)耦合、封裝后的器件壽命可達(dá)到2×105小時(shí)以上。66LD的發(fā)光波長(zhǎng)LD波長(zhǎng)：λ=hc/(E2-E1)=1.2398/(E2-E1)禁帶寬度決定LD的輻射波長(zhǎng)通過選擇半導(dǎo)體材料來(lái)改變從可見光到紅外區(qū)67LD的發(fā)光波段短波長(zhǎng)波段：采用GaAlAs/GaAs—LD材料以GaAs作為激活層改變GaAlAs中Al的含量來(lái)改變激光發(fā)射波長(zhǎng)發(fā)射波長(zhǎng)范圍：0.75—0.92μm這種LD的使用壽命一般為10萬(wàn)小時(shí)?？捎糜趥鬏斁嚯x長(zhǎng)、傳輸速率較高(如140Mb/s)的系統(tǒng)。68LD的發(fā)光波段長(zhǎng)波長(zhǎng)波段InGaAsP/InP波長(zhǎng)范圍：1.0-1.7μmGaInAs/GaInP波長(zhǎng)范圍：1.06-1.70μmGaAsSb/GaAlSb波長(zhǎng)范圍：0.87-1.68μm通過改變各元素的含量改變激光波長(zhǎng)發(fā)射光功率較大，輸出功率為幾μW到幾mW譜線較窄(約3nm)與光纖耦合效率較高(可達(dá)50%左右)使用壽命有上105h以上69單縱模LD光纖的材料色散和波段色散與光源的譜線寬度成正比要求激光器的帶寬越窄越好即要求激光器工作在單一縱模70半導(dǎo)體光源

光纖通信中使用的光源均為半導(dǎo)體光源。半導(dǎo)體材料與其他材料（金屬與絕緣體）不同，它具有能帶結(jié)構(gòu)而不是能級(jí)結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體材料的能帶分為導(dǎo)帶、價(jià)帶與禁帶。電子從高能級(jí)范圍的導(dǎo)帶躍遷到低能級(jí)范圍的價(jià)帶，會(huì)釋放光子而發(fā)光。半導(dǎo)體光源是由P型半導(dǎo)體材料和N型半導(dǎo)體材料制成，在兩種材料的交界處形成了PN結(jié)。若在其兩端加上正向偏置電壓，則N區(qū)中的電子與P區(qū)中的空穴會(huì)流向PN結(jié)區(qū)并復(fù)合，復(fù)合時(shí)釋放出能量等于禁帶寬度的光子。71半導(dǎo)體光源中心輻射波長(zhǎng)中心輻射波長(zhǎng)由有源層的禁帶寬度Eg決定：

Eg=E2－E1=hν=hc/λλ=hc/Eg=1.24/Eg(ev)(μm)短波長(zhǎng)半導(dǎo)體光源：GaAsAlEg=1.424～1.549ev，其發(fā)光波長(zhǎng)在0.81～0.87μm范圍內(nèi)。長(zhǎng)波長(zhǎng)半導(dǎo)體光源材料：InGaAsPEg=0.75～1.24ev，其發(fā)光波長(zhǎng)在1.0～1.65μm范圍內(nèi)。

72光學(xué)諧振腔LPiPfR1R2反射面反射面腔體軸線12EfEi激光輸出激光輸出

如果諧振腔內(nèi)的激光材料已達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件，那么諧振腔兩端面之間來(lái)回反射的光在傳播過程中不斷激發(fā)出凈受激輻射，由凈受激輻射產(chǎn)生的光子加入到傳播方向平行于共振腔的激發(fā)光行列中，這一過程使產(chǎn)生凈受激躍遷的光場(chǎng)越來(lái)越強(qiáng)。73半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的條件

74LD的光譜特性75LD的優(yōu)點(diǎn)發(fā)光譜線窄：僅有1～5nm，有的甚至小于1nm。波長(zhǎng)和尺寸與光纖尺寸適配，與光纖的耦合效率高；尺寸小；響應(yīng)速度快；可直接調(diào)制，相干性好。76LD的缺點(diǎn)溫度特性較差；線性度較差；工作壽命較短。77使用半導(dǎo)體激光器的注意事項(xiàng)

激光器必須有保護(hù)電路，以防止電流過沖。電氣設(shè)備在開關(guān)機(jī)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高的電壓（電流）浪涌，很容易造成激光器損傷和失效。在各種場(chǎng)合下應(yīng)防止激光器的靜電擊穿。在滿足工作的要求前提下，應(yīng)盡量低功率輸出工作。

78發(fā)光二極管LED

發(fā)光二極管