光纤通信

单纵模激光器：只有主模能够震荡
2. 激光束的空间分布
3. 转换效率
激光器的电/光转换效率用外微分量子效率ηd表示，其定义 是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数
ηP= = =
每秒钟输出的光子数增量 每秒钟注入的电子数增量 ΔP/ hf ΔI/e ΔP e
ΔI
hf
( p pth ) / hf p e d ( I I th ) / e I hf
p(0) [1 ( f / f r )2 ]2 4 2 ( f / f r )2
1 f 2
1 I0 I ( 1) sp hp I th I
fr：弛张频率 ξ：阻尼因子 Ith：阈值电流 I0：偏置电流 I′是零增益电流，高掺杂浓度的LD， I′=0， 低掺杂浓度的LD, I′=(0.7~0.8)Ith； τsp为有源区内的电子寿命 τhp为谐振腔内的光子寿命
吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部而产生大 量电子—空穴对，大幅度提高了光电转换效率。
两侧重掺杂 P+层和 N+层：很薄，吸收入射光的比例
很小，I层几乎占据整个耗尽层， 因而光生电流中漂移 分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。
hf d p pth ( I I th ) e
式中，P和I分别为激光器的输出光功率和驱 动电流，Pth和Ith分别为相应的阈值，hf和e 分别为光子能量和电子电荷。
光功率特性:P-I特性—电光转换
I<Ith 自发辐射光 荧光 I>Ith 受激辐光 激光
4. 频率特性
在直接光强调制下， 激光器输出光功率P和调制频率f的关系为 P(f)=
当连接的电路闭合时，N区过剩的电子通过外部电
路流向P区。P区的空穴流向N区，便形成了光生电 流。
外加反向偏压 光声电流的扩散相当慢 会引起时间响应畸变 增加耗尽层的宽度，从而 怎么办？ 减小光生电流中的扩散分量。
由于载流子扩散运动比漂
移运动慢得多，所以减小扩 散分量的比例便可显著提高 响应速度。
3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构
1 受激辐射和粒子数反转分布
系统处于热平衡状态时，原子数分布从玻尔兹曼统计分布
N2 E 2 E1 e xp( ) N1 kT T :热力学温度 k :玻尔兹曼常数
N1>N2：
在热平衡状态下，自发辐射占支配地位，不能发射相 干光。 吸收物质
光源的功能：将电信号转换成光信号（E/O）

对光源的要求： 1）光源的发射波长应在光纤低损耗窗口之内 2）有足够高的、稳定的输出光功率 3）电光转换效率高,驱动功率低,寿命长,可靠性高 4）单色性好(谱窄),以减少光纤的材料色散； 5）方向性好(辐射角小),以提高耦合效率； 6）易于调制,响应速度快,线性好,带宽大。



峰值波长: 强度最大的光谱波长 中心波长：峰值半功率点所限定的波谱范围中 点对应的波长 谱宽： 包含所有振荡模式在内的发射普总宽度 线宽： 单独模式的宽度 单模激光器的谱宽等于线宽 边模抑制比(SSR)：主模和最大边摸的功率比值
随着驱动电流增加， 纵模模数逐渐减少， 谱线宽度变窄。 随着调制电流增加， 纵模模数逐渐增多， 谱线宽度变宽。 GaAlAs-DH激光器的光谱特性 (a) 直流驱动; (b) 300 Mb/s数字调制
3.1.5 半导体光源一般性能和应用

LED通常和多模光纤耦合，用于1.3 μm(或0.85
μm)波长的小容量短距离系统。

LD通常和G.652或G.653规范的单模光纤耦合，用 于1.3 μm或1.55 μm大容量长距离系统.

分布反馈激光器(DFB - LD)主要和G.653或G.654 规范的单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用 于超大容量的新型光纤系统.
4 3 2 1 0
22℃ 30℃ 40℃ 50℃ 60℃
5
LD的阈值电流 随温度的增高而加大
80℃
不激 射 50
外微分量子效率随温 度升高而减小
70 ℃
1 00
I / mA
T I th I 0 e xp( ) T0
激光器的寿命： Ith= 1.5 Ith0
3.1.3 分布反馈(DFB)激光器 F-P激光器
2. 光束的空间分布 正面发光型的半功率点辐射角为120o，侧面 发光型的平行发射角为120o，垂直发射角为 25o～35o。LED与光纤的耦合效率一般低于 10%。
3.输出光功率特性
正面发光 发射 光功率 侧面发光
P/mw
0
100
200
300
400
500
电) 1 P(0) 1 (2 f e )2
N2>N1：
受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，产生 放大作用。 激活物质 这种分布和正常状态的分布相反称为粒子数反转分布.
2 PN结的能带和电子分布
费米能级 统计规 律：
电子占据各个能级的概率是不等的， 占据低能级的电子多，占据高能级的电子少。
1 p( E ) E Ef 1 exp( ) kT
自发辐射
沿轴向运动的光子
受激辐射
激活物质
光放大
反射镜反射
全同光子
激光
R2<1的反射镜中输出

激光振荡的阈值条件为
1 1 th ln 2 L R1 R2
γ th为阈值增益系数， α 谐振腔内激活物质的损耗系数， L为谐振腔的长度， R1,R2<1为两个反射镜的反射率
阈值条件规定了增益和电流的最低值
主要光源：
半导体激光器（LD） 发光二极管（LED）
半导体激光器是向半导体PN结注入电流， 实现粒
子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正
反馈，实现光放大而产生激光振荡的。 LASER:
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
空穴向P区运动， 形成漂移电流。
在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，
部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层。
然后在电场作用下，
形成和漂移电流相同方向的 扩散电流。漂移电流分量和扩散电流分量的总和即 为光生电流。
当与P层和N层连接的电路开路时，便在两端产生
电动势，这种效应称为光电效应。
但是提高反向偏压，加宽耗尽层，又会增加载流子
漂移的渡越时间， 使响应速度减慢。
为了解决此矛盾，改进PN结光电二极管的结构。
3.2.2 PIN光电检测器
由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性 区吸收， 因而光电转换效率低，响应速度慢。
中间的 I 层： N 型掺杂浓度很低的本征半导体，很厚，
3.2.1 光电二极管 工作原理
在PN结界面上， 由于内部电场使 能带发生倾斜， 在PN结界面附近 形成耗尽层。
当入射光作用在PN结时，如果光子的能量大于或
等于带隙，便发生受激吸收，即价带的电子吸收光子 的能量跃迁到导带形成光生电子 - 空穴对。
在耗尽层，由于内部电场的作用，电子向 N区运动，
1. 发射波长和光谱特性
半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价 带时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg .
hf E g hc 1.24 Eg Eg
不同半导体材料有不同的Eg， 因而有不同的发射波长λ
镓铝砷 -镓砷材料适用于0.85 μm波段， 铟镓砷磷 - 铟磷材料适用于1.3~1.55 μm波段。
纵模 定义：在谐振腔平行方向（纵向Z）的电磁场 分布的模式。 反映激光器光强随波长变化情况 即光谱特性----单色性
横模 定义：在谐振腔轴垂直方向（横向X、Y）的 电磁场分布的模式。 反映激光器输出光束的空间分布----方向特性
光谱特性
FP腔中满足谐振条件的 纵模是均匀分布的 qc q 2nl c 2nl
最早商用 结构简单，容易制造 基本为多纵模工作方式长距离通信 直接调制时动态谱线展宽明显 不适合现代大容量长距离通信及波分复用系统
谱线宽度更窄
并在高速率脉冲调制下保持动态单纵模特性
发射光波长更加稳定，并能实现调谐 阈值电流更低， 而输出光功率更大。
1. 结构 激光振荡不是由反射镜面来提供，而是由折 射率周期性变化的波纹结构（波纹光栅）来 提供，即在有源区的一侧刻有波纹光栅。
2. 原理
布喇格反射

( a )
B
ne 2 2m
特例： 90 ,
0
光在栅条间来回震荡
m
ne (1 sin ) mB
B
2ne
由有源层发射的光，从一个方向向另一个方向 传播时，一部分在光栅波纹峰反射 ( 如光线 a) ， 另 一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰反射 ( 如光线b)。如果光线a和b匹配，相互叠加，则产生 更强的反馈，而其他波长的光将相互抵消。虽然每 个波纹峰反射的光不大， 但整个光栅有成百上千个 波纹峰，反馈光的总量足以产生激光振荡。

激光振荡的相位条件为
2nL Lq 或 2n q
λ为激光波长， n为激活物质的折射率， q＝1, 2, 3 … 为纵模模数。
相位条件规定了激光器的震荡频率必为其

中的一个频率
谐振腔的作用： 提供光的正反馈 选频特性 选方向性
4 半导体激光器基本结构
3.1.2 LD的主要特性
3. DFB激光器优点 ① 单纵模激光器
纵模间隔远大于增益谱宽，
易实现单纵模工作， 改变

可选择波长
c 2nl
c 2 n
'
l
v v
'
② 谱线窄， 波长稳定性好
由于DFB激光器的每一个栅距Λ相当于一个FP腔，所以布 喇格反射可以看作多级调谐，使得谐振波长的选择性大大提高， 谱线明显变窄由于光栅的作用有助于使发射波长锁定在谐振波 长上，因而波长的稳定性得以改善。