第三讲 光器件ok2

0--增益谱中心波长，由增益介质的能级差决定；--增益谱宽， 由增益介质内原子热运动（多普勒加宽）和原子碰撞（均匀加 宽）造成；g（0）--正比于粒子数反转的最大增益。
在众多的纵模中，只有那些频率落在增益介质的增益曲 线范围内，且增益大于损耗的那些腔模才能在LD的输出中存 在。
C、纵模性质： •对于折射率波导LD，随着电 流增加，纵模数减少，
（1）短腔LD 缩短腔长，增大相邻纵模间隔，使增益谱线范围内只有一个谱 线存在，但同时使透射谱宽增加（即增加了光源线宽），此外 短腔制造困难，LD输出功率低. （2）分布反馈激光器 （3）耦合腔LD
e、影响发射波长的因素：
• 对于DFB 激光器： 管芯温度、工作电流、光反射 • 管芯温度与发射波长的关系：温度升高红移
d dT 0.09nm / C
0
相比之下，折射率波导LD的热稳定性要差得多
d dT 0.5nm/ C
0
•工作电流与发射波长的关系：
dB dn 2 dI d eV dB dn2 dT dI neff dT dI
I I th I I th
• 电流→注入载流子变化→有源区折射率变化 • 大电流→结温升高，正常工作时，起主导作用。 一般为1GHz/mA左右。 其中，B为DFB激光器的布拉格波长，为光栅周期，为场 限制因子，n为折射率，为载流子浓度，为载流子寿命。
•大信号调制下，器件 出现高度的非线性， 引起谐波失真和互调 失真，通过求解速率 方程的数值解进行分 析
b、电光延迟、张弛振荡和自脉动
张弛振荡
自脉动
•电光延迟
产生原因：载流子浓度达到激光阈值需要一定时间(0.5~2.5ns)
降低方法：预偏置在Ith附近
•张弛振荡： 当注入电流从零快速增大到阈值以上时，经电光延迟后产生激 光输出，并在脉冲顶部出现阻尼振荡，经过几个周期后达到平 衡值。采用预偏置在Ith附近的方法，可减小张弛振荡
外微分量子效率e 定义为阈值以上每对复合载流子发射的 光子数，表示为
e i (Gth )
Gth
Gth--阈值增益系数， --腔内损耗
e可从P-I特性的斜率（阈值以上）dP/dI求得
e
d P h q dP dPm W 0.8065 m d I q Eg dI dI m A
二维激光器阵列
Ⅷ 半导体激光器的工作特性
1、P-I特性： a、阈值电流：由单模速率方程的稳态解求得。速率方程:
dN I Rsp (n) G (n) S (t ) dt qV dS S (t ) G(n) S (t ) Rsp (n) dt ph
N(t)--有源区中的电子密度;S(t)--有源区中的光子密度;I--注入有 源区电流;q--电子电荷;V--有源区体积;Rsp--自发辐射的复合速率, 对于高掺杂的有源区，Rsp=N(t)/sp, sp自发复合寿命;G(n)--增益 系数; ph--光子寿命;--自发发射与受激辐射的比.
Eg=hv
Ⅲ F-P腔半导体激光器的结构与分类
1、F-P腔的作用 •方向选择 •光谱选择--相位条件 •阈值器件--振幅条件 相位条件
2kL 2m g int 1 1 ln RR 2L 1 2
振幅条件
2、激光器的结构与分类 按垂直于PN结方向的结构分类: •同质结激光器：无带隙差、折射率差微小（0.1%~1%）， 有源区对载流子和光子的限制很弱，阈值电流高，不能在室 温下连续工作 •单异质结（SH）激光器 •双异质结（DH）激光器： 窄带隙有源区被夹在宽带 隙材料之间，带隙差形成 势垒限制载流子；带隙差 决定的折射率差较大 （~5%）--阈值电流低、 可在室温下连续工作
3、调制特性 数字调制预偏置在阈值附近，模拟调制预偏置在阈值以上P-I特性 的线性区中段 a、频率响应 • LD的小信号频率响应受两个因素限制，一是本征参量，二是寄 生参量。 • 本征参量对频响的影响：可由对速率方程的求解，获得小信号 调制带宽的解析表达式，以及激光器的类共振频率(即谐振频率)
1 fr 2 GS 1 1 0 GS0 ph 2 sp
Ⅴ 分布反馈(DFB)与分布布拉格反射(DBR)激光器
1 结构与原理： • 分布反馈LD的设计思想基于纵模的损耗差，即不同的纵模 具有不同的损耗，某一纵模的损耗最小（净增益最大）而达 到振荡条件。 • 分布式LD分为：分布反馈LD（DFB-LD）和分布布拉格反 射LD（DBR-LD） • 相位光栅在波导中产生折射 率的周期性变化，使正反向传 播的行波产生耦合。当光波长 满足布拉格条件时，耦合达到 最大。 • 在布拉格条件下，入射波几 乎被全反射，起到反射镜作用 （对波长有选择性的反射镜）
第三讲 光器件
一 二 三 四 五 概述 激光器 光探测器 无源光器件 光波长转换器
一
• 作用:
概述
实现光信号的连接、能量分路/合路、波长复用/ 解复用、光路转换、能量衰减、方向阻隔、光电-光转换、光信号放大、光信号调制等功能。 是构成光纤通信系统的必备元件。
•
类型： 无源：光连接器、光衰减器、光耦合器、光复用/ 解复用器、光隔离器、环行器、光滤波器、光调 制器、光开关； 有源：激光器、光检测器、光放大器、光波长转 换器。
•动态多模
d、动态单模半导体激光器
• 实现LD单纵模工作的方法：其一、采用短腔 结构，增大相邻纵模间隔；其二、采用波长选 择反馈，使不同的纵模有不同的损耗，包括： 分布反馈结构和耦合腔结构;
• 单纵模LD的性能通常由边模抑制比（Mode Suppressing Ratio: MSR） 来 表 征 ， 定 义 为 MSR=Pmm/Psm（Pmm 为主模功率；Psm 为最大边 模功率）。一个较好的单纵模LD，MSR应大于 30dB。
dN 0 求稳态解: dt
dS (t ) 0 dt
A、当注入电流在阈值以下和刚好达到阈值时，受激复合与自 发复合项相比可忽略S=0，可得：
I qV
sp
N
( I I th );
I th
qV
sp
Nth
( I I th )
P
分析可得，阈值电流与腔的损耗、尺寸、 有源区材料和厚度等因素有关。
b、纵模--谱线特性
在纵向，光波以驻波形式振荡。
cm 2 nL 相邻纵模的频率间隔: f c 2nL
谐振频率（正入射）:
f
L--腔长，n--材料折射率，m--正整数
透射谱宽: 增益曲线：
f f
1 R R
R--端面反射率
( 0 ) 2 g ( ) g (0) exp 2 2
4P 其中，X--自发辐射的平均速率；P--光功率；--线宽增强因子 • 降低线宽可采取以下措施： 增大光功率 减小自发发射速率 从外部稳定载流子密度 • FP-LD中，=3~5，多模FP-LD的线宽通常达几nm • DFB-LD线宽通常约5~10MHz • 无源外腔式LD最低仅5KHz • MQW-LD中，通过显著降低（1.7~1.5)来降低线宽, 其线宽仅 几十~几百KHz
（对GaAlAs材料）
e一般在0.4~0.5之间
P
e h
q
I I th
c、温度特性
I th I 0 expT T0
T0--LD的特征温度，与器件 的材料、结构等有关。对于 GaAs/GaAlAs-LD T0=100~150K； InGaAsP/InP-LD T0=40~70K e对温度变化不十分敏感
2 1/ 2

1 2
GS0
ph
S0--平均光子密度
可见，提高调制带宽有三条途径： • 增大光增益系数G：冷却至77K，可使G增大5倍，不实用 • 增加光子浓度S0：把LD偏置在较高电流 • 减小光子寿命ph：缩短腔长可减小光子寿命
寄生参量对频响的影 响：产生高频滚降， 减低调制频率; 造成影响的主要参量： 并联寄生电容、串联 电阻
Ⅳ 量子阱半导体激光器
• 有源区厚度薄1~10nm（FP腔100~200nm） • 周期结构，将窄带隙的很薄的有源区夹在宽带隙的半导 体材料之间，形成势能阱 • 多个势能阱--多量子阱（MQW），单个势能阱--单量子 阱（SQW），
特点： • 低阈值电流 • 高输出功率 • 窄线宽 • 频率啁啾改善 • 调制速率高
•自脉动： 不同于张弛振荡，没有阻尼，脉动频率范围为0.2~4GHz,容易 发生在阈值附近和P-I特性的扭曲区。造成自脉动的机理涉及 量子噪声效应、有源区的缺陷及温度感应的变化等因素。抑制 这种现象主要靠控制材料的质量，尽量减少有源区的缺陷。
2 特点： • 动态单纵模 • 窄谱线 • 波长稳定好 • 线性度好
Ⅵ 耦合腔半导体激光器
将LD芯片与另一个无源或 有源外腔耦合形成耦合腔系统， 只有当两个FP腔的纵模相一致 时才可能发生共振，并可获得非 常好的模式选择性，实现单模运 转，线宽窄，而且可用于实现波 长可调谐LD。
Ⅶ 垂直腔面发射激光器 (VCSEL)
B、当受激辐射产生激光时，很小（约102~10-5），忽略自发辐射，可得：
S
ph
qV
( I I th )
P C ( I I th )
Ith
I
• I<Ith，自发辐射，发出的是非相干光； • I>Ith，受激辐射，发出的是相干光。
b、内量子效率和外微分量子效率 内量子效率I=
有源区内每秒钟产生的光子数 有源区内每秒钟注入的电子-空穴对数
半导体材料的能带结构
Valence Band
• PN结及其能带结构： 半导体材料载流子分布
• PN结的能带结构 满足粒子数反转条件，对满足
Eg hv e0V
的光子有放大作用 热平衡系统只能有一个费米能级