第三章光源與光發(fā)送機(jī)2013

第3章光源和光發(fā)送機(jī)

光纖通信用光源光發(fā)送機(jī)光源與光纖的耦合3.1光纖通信用光源

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)。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(chǎng)合也使用固體激光器。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(zhǎng)和價(jià)格便宜的發(fā)光管(LED)。光纖技術(shù)用光源的種類光通信半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED－LightEmittingDiode)半導(dǎo)體激光二極管(LD-LaserDiode)光纖傳感半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體激光二極管光纖激光器光波長(zhǎng)是否可調(diào)諧光譜寬度：窄和寬？光功率直接調(diào)制特性（強(qiáng)度、頻率、相位，線性、噪聲）：集成受環(huán)境影響（溫度、振動(dòng)、濕度等）工作壽命價(jià)格光源的一些重要指標(biāo)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。3.1.1半導(dǎo)體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu)有源器件的物理基礎(chǔ)是光和物質(zhì)相互作用的效應(yīng)。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：受激吸收自發(fā)輻射受激輻射

(見圖3.1)1.受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布E2E1E2E1hv

初態(tài)

終態(tài)(b)自發(fā)輻射(a)受激吸收

能級(jí)與電子躍遷示意圖hvhvhvhv受激發(fā)射的光子與原光子具有相同的波長(zhǎng)、相位和傳播方向，相干輻射非相干輻射

hv=E2-E1

h=6.626x10-34Js是普朗克常數(shù)(c)受激輻射光的自發(fā)發(fā)射、受激吸收和受激發(fā)射自發(fā)發(fā)射：大量處于高能級(jí)的粒子，各自分別發(fā)射一列一列頻率為=(E2-E1)/h的光波，但各列光波之間沒有固定的相位關(guān)系，可以有不同的偏振方向，沿所有可能的方向傳播。各光子彼此無關(guān)。受激吸收：處于低能級(jí)E1的粒子受到光子能量為hv的光照射時(shí)，粒子會(huì)吸收這種入射光子，并躍遷到高能級(jí)E2上。受激發(fā)射：處于高能級(jí)E2的粒子受到光子能量為的光照射時(shí)，粒子會(huì)由于這種入射光的刺激而發(fā)射出與入射光一模一樣的光子，并躍遷到低能級(jí)E1上。有相同的偏振方向和傳播方向。受激輻射是受激吸收的逆過程。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E2-E1=hv

受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的光的特點(diǎn)很不相同。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。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。受激輻射和受激吸收的區(qū)別與聯(lián)系自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射的特點(diǎn)自發(fā)發(fā)射的同時(shí)總伴有受激發(fā)射發(fā)生。在熱平衡情況下，自發(fā)發(fā)射占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。當(dāng)外界給系統(tǒng)提供能量時(shí)，如采用光照（即光泵）或電流注入（即電泵），打破熱平衡狀態(tài)，大量粒子處于高能級(jí)，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后，在發(fā)光束方向上的受激發(fā)射比自發(fā)發(fā)射的強(qiáng)度大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。粒子數(shù)正常分布和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在溫度為T的平衡態(tài)時(shí)，原子中的電子處于能級(jí)Ei的數(shù)目Ni為（波爾茲曼分布）原子中處于N2和N1的電子數(shù)目之比為處于低能級(jí)的電子數(shù)大于高能級(jí)的電子數(shù)，這種分布叫做粒子數(shù)的正常分布。k是波爾茲曼常數(shù)=1.38×10－23J/K，T是熱平衡時(shí)絕對(duì)溫度。為了實(shí)現(xiàn)光放大，必須使處于高能級(jí)上的電子數(shù)大于低能級(jí)上的電子數(shù)，這種分布與正常分布相反，故叫做粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)分布，簡(jiǎn)稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。高能態(tài)低能態(tài)高能態(tài)低能態(tài)粒子數(shù)正常分布和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)高能態(tài)低能態(tài)高能態(tài)低能態(tài)

hvs

hvS發(fā)光原理！半導(dǎo)體的光發(fā)射

能帶

量子力學(xué)計(jì)算表明，固體中若有N個(gè)原子，由于各原子間的相互作用，對(duì)應(yīng)于原來孤立原子的每一個(gè)能級(jí),變成了N條靠得很近的能級(jí),稱為能帶。晶體中的電子能級(jí)有什么特點(diǎn)？能帶的寬度記作E

，數(shù)量級(jí)為E～eV一般能帶中兩能級(jí)的間距約10-23eV。一般規(guī)律：

1.越是外層電子，能帶越寬，E越大。

2.點(diǎn)陣間距越小，能帶越寬，E越大。3.兩個(gè)能帶有可能重疊。離子間距a2P2S1SE0能帶重疊示意圖

n型半導(dǎo)體

電子……多數(shù)載流子SiSiSiSiSiSiSiP空穴……少數(shù)載流子在n型半導(dǎo)體中在本征半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)，稱為N型半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體SiSiSiSiSiSiSi+B空穴……多數(shù)載流子電子……少數(shù)載流子在p型半導(dǎo)體中在本征半導(dǎo)體中，摻入受主雜質(zhì)，稱為P型半導(dǎo)體Ｐ-Ｎ結(jié)在一塊n型半導(dǎo)體基片的一側(cè)摻入較高濃度的受主雜質(zhì)，由于雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，該區(qū)就成為ｐ型半導(dǎo)體。由于Ｎ區(qū)的電子向Ｐ區(qū)擴(kuò)散，Ｐ區(qū)的空穴向Ｎ區(qū)擴(kuò)散，在ｐ型半導(dǎo)體和Ｎ型半導(dǎo)體的交界面附近產(chǎn)生了一個(gè)電場(chǎng),稱為內(nèi)建場(chǎng)。內(nèi)建場(chǎng)大到一定程度,不再有凈電荷的流動(dòng)，達(dá)到了新的平衡。在p型n型交界面附近形成的這種特殊結(jié)構(gòu)稱為P-N結(jié)，約0.1m厚。P-N結(jié)n型p型內(nèi)建場(chǎng)阻止電子和空穴進(jìn)一步擴(kuò)散，記作E阻+-

hv+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)的能帶和電子分布能量?jī)r(jià)帶導(dǎo)帶EgEfEf/2Ef/2EgEfEeEvEvEeEgEf(a)本征半導(dǎo)體(b)N型半導(dǎo)體(c)P型半導(dǎo)體空穴電子費(fèi)米能級(jí)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

費(fèi)米能級(jí)——用于描述半導(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。在本征半導(dǎo)體中，

Ef位于禁帶中央；N型半導(dǎo)體中Ef

增大；在P型半導(dǎo)體中Ef

減小，能帶發(fā)生傾斜。勢(shì)壘能量P區(qū)EfN區(qū)零偏壓時(shí)P-N結(jié)的能帶傾斜圖EcPEcnEvpEvnhfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv電子，空穴內(nèi)部電場(chǎng)外加電場(chǎng)正向偏壓下P-N結(jié)能帶圖獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布

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。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。3.激光振蕩和光學(xué)諧振腔激光振蕩的產(chǎn)生：

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布（必要條件)+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=連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出?；镜墓鈱W(xué)諧振腔由兩個(gè)反射率分別為R1和R2的平行反射鏡構(gòu)成(如圖3.4所示)，并被稱為法布里-珀羅(FabryPerot,FP)諧振腔。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。

圖3.4激光器的構(gòu)成和工作原理

(a)激光振蕩；(b)光反饋

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(zhǎng)度，R1，R2<1為兩個(gè)反射鏡的反射率激光振蕩的相位條件為

式中，λ為激光波長(zhǎng)，n為激活物質(zhì)的折射率，q=1,2,3…稱為縱模模數(shù)。在諧振腔內(nèi)開始建立穩(wěn)定的激光振蕩的閾值條件為γth=α+(3.4)L=q(3.5)28可以看出不同q值，激光器諧振波長(zhǎng)不同。兩相鄰諧振波長(zhǎng)差通常稱作波長(zhǎng)間隔或自由光譜區(qū)（FSR）。例：3.1.2、3.1.3（page64）4.半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)多種多樣，基本結(jié)構(gòu)是圖3.5示出的雙異質(zhì)結(jié)(DH)平面條形結(jié)構(gòu)。

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(zhǎng)。圖中標(biāo)出所用材料和近似尺寸。結(jié)構(gòu)中間有一層厚0.1~0.3μm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。三層半導(dǎo)體置于基片(襯底)上，前后兩個(gè)晶體解理面作為反射鏡構(gòu)成法布里-珀羅(FP)諧振腔。

DH激光器工作原理由于限制層的帶隙比有源層寬，施加正向偏壓后，P層的空穴和N層的電子注入有源層。

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。同理，注入到有源層的空穴也不可能擴(kuò)散到N層。這樣，注入到有源層的電子和空穴被限制在厚0.1~0.3μm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。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。

圖3.6DH激光器工作原理(a)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)；(b)能帶；(c)折射率分布；(d)光功率分布異質(zhì)結(jié)

LED發(fā)光原理的PN結(jié)是由同一種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的，P區(qū)、N區(qū)具有相同的帶隙、接近相同的折射率（摻雜后折射率稍有變化，但很?。?，這種PN結(jié)稱為同質(zhì)結(jié)。在同質(zhì)結(jié)中，光發(fā)射在結(jié)的兩邊都可以發(fā)生，因此，發(fā)光不集中，強(qiáng)度低，需要較大的注入電流。器件工作時(shí)發(fā)熱非常嚴(yán)重，必須在低溫環(huán)境下工作，不可能在室溫下連續(xù)工作。為了克服同質(zhì)結(jié)的缺點(diǎn)，需要加強(qiáng)結(jié)區(qū)的光波導(dǎo)作用及對(duì)載流子的限定作用，這時(shí)可以采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。

3.1.2半導(dǎo)體激光器的主要特性

1.發(fā)射波長(zhǎng)和光譜特性半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)等于禁帶寬度Eg(eV)，由式(3.1)得到

hf=Eg(3.6)不同半導(dǎo)體材料有不同的禁帶寬度Eg，因而有不同的發(fā)射波長(zhǎng)λ。鎵鋁砷-鎵砷(GaAlAs-GaAs)材料適用于0.85μm波段銦鎵砷磷-銦磷(InGaAsP-InP)材料適用于1.3~1.55μm波段式中，f=c/λ，f(Hz)和λ(μm)分別為發(fā)射光的頻率和波長(zhǎng)，c=3×108m/s為光速，h=6.628×10-34J·S為普朗克常數(shù)，1eV=1.6×10-19J，代入上式得到

圖3.7是GaAlAs-DH激光器的光譜特性。在直流驅(qū)動(dòng)下，發(fā)射光波長(zhǎng)只有符合激光振蕩的相位條件式(3.5)的波長(zhǎng)存在。這些波長(zhǎng)取決于激光器縱向長(zhǎng)度L，并稱為激光器的縱模。

驅(qū)動(dòng)電流變大，縱模模數(shù)變小，譜線寬度變窄。這種變化是由于諧振腔對(duì)光波頻率和方向的選擇，使邊模消失、主模增益增加而產(chǎn)生的。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流足夠大時(shí)，多縱模變?yōu)閱慰v模，這種激光器稱為靜態(tài)單縱模激光器。圖3.7(b)是300Mb/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。

圖3.7GaAlAs-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10799800801802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI=80mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mWL=250μmW=12μmT=300K830828832830828832830828826832830828826824836834832830828826824822820(a)(b)2.激光束的空間分布激光束的空間分布用近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)來描述。

近場(chǎng)是指激光器輸出反射鏡面上的光強(qiáng)分布；

遠(yuǎn)場(chǎng)是指離反射鏡面一定距離處的光強(qiáng)分布。圖3.8是GaAlAs-DH激光器的近場(chǎng)圖和遠(yuǎn)場(chǎng)圖，近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)是由諧振腔(有源區(qū))的橫向尺寸，即平行于PN結(jié)平面的寬度w和垂直于結(jié)平面的厚度t所決定，并稱為激光器的橫模。由圖3.8可以看出，平行于結(jié)平面的諧振腔寬度w由寬變窄，場(chǎng)圖呈現(xiàn)出由多橫模變?yōu)閱螜M模；垂直于結(jié)平面的諧振腔厚度t很薄，這個(gè)方向的場(chǎng)圖總是單橫模。圖3.8GaAlAs-DH條形激光器的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)圖樣

3.-9典型半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性和遠(yuǎn)場(chǎng)圖樣

(a)光強(qiáng)的角分布；(b)輻射光束

圖3.9為典型半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性，圖中θ‖和θ⊥分別為平行于結(jié)平面和垂直于結(jié)平面的輻射角，整個(gè)光束的橫截面呈橢圓形。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(duì)復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)(3.7a)由此得到(3.7b)式中，P和I分別為激光器的輸出光功率和驅(qū)動(dòng)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。圖3.10是典型激光器的光功率特性曲線。當(dāng)I<Ith時(shí)激光器發(fā)出的是自發(fā)輻射光；當(dāng)I>Ith時(shí)，發(fā)出的是受激輻射光，光功率隨驅(qū)動(dòng)電流的增加而增加。

圖3.10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/InP4.頻率特性在直接光強(qiáng)調(diào)制下，激光器輸出光功率P和調(diào)制頻率f

的關(guān)系為P(f)=(3.8a)(3.8b)式中，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，低摻雜濃度的LD,I′=(0.7~0.8)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3.11半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性

圖3.11示出半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性。弛豫頻率fr

是調(diào)制頻率的上限，一般激光器的fr為1~2GHz。在接近fr處，數(shù)字調(diào)制要產(chǎn)生弛豫振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)生非線性失真。當(dāng)電流脈沖突然加到LD上時(shí)，其光輸出呈現(xiàn)圖示的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，這是注入電子與所產(chǎn)生光子間相互作用的量子力學(xué)過程。

Ith=I0exp(3.9)5.溫度特性對(duì)于線性良好的激光器，輸出光功率特性如式(3.7b)和圖3.10所示。激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個(gè)原因（1）激光器的閾值電流Ith

隨溫度升高而增大（2）外微分量子效率ηd隨溫度升高而減小。溫度升高時(shí)，Ith增大，ηd減小，輸出光功率明顯下降，達(dá)到一定溫度時(shí)，激光器就不激射了。當(dāng)以直流電流驅(qū)動(dòng)激光器時(shí)，閾值電流隨溫度的變化更加嚴(yán)重。當(dāng)對(duì)激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)，閾值電流隨溫度呈指數(shù)變化，在一定溫度范圍內(nèi)，可以表示為

式中，I0為常數(shù)，T為結(jié)區(qū)的熱力學(xué)溫度，T0為激光器材料的特征溫度。

GaAlAs–GaAs激光器T0=100~150KInGaAsP-InP激光器T0=40~70K

所以長(zhǎng)波長(zhǎng)InGaAsP-InP激光器輸出光功率對(duì)溫度的變化更加敏感。外微分量子效率隨溫度的變化不十分敏感。圖3.12示出脈沖調(diào)制的激光器，由于溫度升高引起閾值電流增加和外微分量子效率減小，造成的輸出光功率特性P-I曲線的變化。圖3.12P-I曲線隨溫度的變化48此外，激光器的發(fā)射波長(zhǎng)也隨溫度而變化，這是由于半導(dǎo)體帶隙寬帶及半導(dǎo)體折射率隨溫度變化而引起的。例：3.1.6（page79）

3.1.3分布反饋激光器

分布反饋(DFB)激光器用靠近有源層沿長(zhǎng)度方向制作的周期性結(jié)構(gòu)(波紋狀)衍射光柵實(shí)現(xiàn)光反饋。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。

分布反饋激光器的要求：（1）譜線寬度更窄（2）高速率脈沖調(diào)制下保持動(dòng)態(tài)單縱模特性（3）發(fā)射光波長(zhǎng)更加穩(wěn)定，并能實(shí)現(xiàn)調(diào)諧（4）閾值電流更低（5）輸出光功率更大

圖3.13分布反饋(DFB)激光器

(a)結(jié)構(gòu)；(b)光反饋

如圖3.13所示，由有源層發(fā)射的光，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)。

光柵周期Λ=m(3.10)ne為材料有效折射率，λB為布喇格波長(zhǎng)，m為衍射級(jí)數(shù)。在普通光柵的DFB激光器中，發(fā)生激光振蕩的有兩個(gè)閾值最低、增益相同的縱模，其波長(zhǎng)為(3.11)例：3.1.4及3.1.5（page73）多縱模到單縱模的選頻過程圖3.1.28（page73）DFB激光器與F-P激光器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①單縱模激光器②譜線窄，波長(zhǎng)穩(wěn)定性好③動(dòng)態(tài)譜線好④線性好HitachiHL7851G多量子阱激光二極管輸出光波長(zhǎng)：785nm最大輸出光功率：50mw腔長(zhǎng)：600微米波長(zhǎng)的電流調(diào)諧率：0.004nm/mA波長(zhǎng)的溫度調(diào)諧率：0.05nm/°C增益介質(zhì)GaAlAs標(biāo)稱參數(shù)：工作溫度25°C時(shí)半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用

……信息存儲(chǔ)與處理科學(xué)研究軍事應(yīng)用光通信半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用醫(yī)學(xué)應(yīng)用

3.1.4發(fā)光二極管LD和LED的區(qū)別

LD發(fā)射的是受激輻射光

LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光

LED的結(jié)構(gòu)和LD相似，大多是采用雙異質(zhì)結(jié)(DH)芯片，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學(xué)諧振腔，沒有閾值。

圖3.14兩類發(fā)光二極管(LED)(a)正面發(fā)光型；(b)側(cè)面發(fā)光型發(fā)光二極管的類型：正面發(fā)光型LED和側(cè)面發(fā)光型LED

發(fā)光二極管的特點(diǎn)：輸出光功率較?。蛔V線寬度較寬；調(diào)制頻率較低；性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)；輸出光功率線性范圍寬；制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉；適用于小容量短距離系統(tǒng)發(fā)光二極管的主要工作特性：

(1)光譜特性。發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光，沒有諧振腔對(duì)波長(zhǎng)的選擇，譜線較寬，如圖3.15。

圖3.15LED光譜特性(2)光束的空間分布。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)=P0cosθ，半功率點(diǎn)輻射角θ≈120°。

側(cè)面發(fā)光型LED，θ‖≈120°，θ⊥≈25°~35°。由于θ大，LED與光纖的耦合效率一般小于10%。

正面發(fā)光型LED側(cè)面發(fā)光型LED(3)輸出光功率特性。發(fā)光二極管實(shí)際輸出的光子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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%。兩種類型發(fā)光二極管的輸出光功率特性示于圖3.16。

驅(qū)動(dòng)電流I較小時(shí)，

P-I曲線的線性較好；I過大時(shí)，由于PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使P-I

曲線的斜率減小。43210501001500℃25℃70℃電流/mA輸出功率/mW原理：由正向偏置電壓產(chǎn)生的注入電流進(jìn)行自發(fā)輻射而發(fā)光

式中，f為調(diào)制頻率，P(f)為對(duì)應(yīng)于調(diào)制頻率f的輸出光功率，τe為少數(shù)載流子(電子)的壽命。定義fc為發(fā)光二極管的截止頻率，當(dāng)f=fc=1/(2πτe)時(shí)，|H(fc)|=，最高調(diào)制頻率應(yīng)低于截止頻率。(4)頻率特性。發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)可以表示為|H(f)|=(3.12)

圖3.17示出發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)，圖中顯示出少數(shù)載流子的壽命τe和截止頻率fc

的關(guān)系。對(duì)有源區(qū)為低摻雜濃度的LED，適當(dāng)增加工作電流可以縮短載流子壽命，提高截止頻率。圖3.17發(fā)光二極管(LED)的頻率響應(yīng)3.1.5半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用半導(dǎo)體光源的一般性能表：

3.1和表3.2列出半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)的一般性能。

LED通常和多模光纖耦合，用于1.3μm(或0.85μm)波長(zhǎng)的小容量短距離系統(tǒng)。因?yàn)長(zhǎng)ED發(fā)光面積和光束輻射角較大，而多模SIF光纖或G.651規(guī)范的多模GIF光纖具有較大的芯徑和數(shù)值孔徑，有利于提高耦合效率，增加入纖功率。

LD通常和G.652或G.653規(guī)范的單模光纖耦合，用于1.3μm或1.55μm大容量長(zhǎng)距離系統(tǒng)。

分布反饋激光器(DFB-LD)主要和G.653或G.654規(guī)范的單模光纖或特殊設(shè)計(jì)的單模光纖耦合，用于超大容量的新型光纖系統(tǒng)。表3.1半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)的一般性能-20×50-20×50-20×50-20×50工作溫度/°C壽命t/h30×12030×12020×5020×50輻射角50~15030~100500~2000500~1000調(diào)制帶寬B/MHz0.1~0.30.1~0.21~31~3入纖功率P/mW1~51~35~10