通信用光器件

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1、第3章通信用光器件通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。有源器件包括光源、光检测器和光放大器。光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极管(LD)和发光二极管(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。图3.2半导体的能带和电子分布(a)本征半导体；(b)N型半导体；(c)P型半导体本征半导体的电子和空穴是成对出现的。掺入施主杂质，称为N型半导

2、体。在N型半导体中，Ef增大，导带的电子增多，价带的空穴相对减少。掺入受主杂质，称为P型半导体。在P型半导体中，Ef减小，导带的电子减少，价带的空穴相对增多。图3.3PN结的能带和电子分布(a)P-N结内载流子运动；(b)零偏压时P-N结的能带图；(c)正向偏压下P-N结能带图激光振荡和光学谐振腔粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成并被

3、称为法布里-珀罗(FP)谐振腔。基本结构是双异质结(DH)平面条形结构。这种结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。图3.6DH激光器工作原理(a)双异质结构；(b)能带；(c)折射率分布；(d)光功率分布3.1.2半导体激光器的主要特性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hf=Eg符合激光振荡的相位波长存在。这些波长取决于激光器纵向长度L，并称为激光器的纵模。当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光器称为静态单纵模激光器。但随着调制电流

4、增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。用FP谐振腔只可以得到直流驱动的静态单纵模激光器，要得到高速数字调制的动态单纵模激光器，必须改变激光器的结构，例如采用分布反馈激光器。2.激光束的空间分布激光束的空间分布用近场和远场来描述。近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布，远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。近场和远场是由谐振腔(有源区)的横向尺寸，即平行于PN结平面的宽度w和垂直于结平面的厚度t所决定，并称为激光器的横模。平行于结平面的谐振腔宽度w由宽变窄，场图呈现出由多横模变为单横模；垂直于结平面的谐振腔厚度t很

5、薄，这个方向的场图总是单横模。3.转换效率和输出光功率特性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由此得到当IIth时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。图3.10典型半导体激光器的光功率特性(a)短波长AlGaAs/GaAs;(b)长波长InGaAsP/InP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)=τsp为有源区内的电子寿命，τph为谐振腔内的光子寿命。图

6、3.11示出半导体激光器的直接调制频率特性。弛豫频率fr是调制频率的上限，一般激光器的fr为1~2GHz。在接近fr处，数字调制要产生弛豫振荡，模拟调制要产生非线性失真。图3.11半导体激光器的直接调制频率特性5.温度特性对于线性良好的激光器，输出光功率特性如式(3.7b)和图3.10所示。激光器输出光功率随温度而变化有两个原因：一是激光器的阈值电流Ith随温度升高而增大，二是外微分量子效率ηd随温度升高而减小。温度升高时，Ith增大，ηd减小，输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了。当以直流电流驱动

7、激光器时，阈值电流随温度的变化更加严重。图3.12PI曲线随温度的变化3.1.3分布反馈激光器普通激光器用FP谐振腔两端的反射镜，对激活物质发出的辐射光进行反馈，DFB激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性结构(波纹状)衍射光栅实现光反馈。这种衍射光栅的折射率周期性变化，使光沿有源层分布式反馈，所以称为分布反馈激光器。普通均匀光栅中，引入一个λ/4相移变换，使原来的波峰变波谷，波谷变波峰，可以有效地提高模式选择性和稳定性，实现动态单纵模激光器的要求。DFB激光器与FP激光器相比，具有以下优点：①单纵模激光器。②

8、谱线窄，波长稳定性好。③动态谱线好。④线性好。3.1.4发光二极管发光二极管(LED)的工作原理与激光器(LD)有所不同，LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光。LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结(DH)芯片，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔，没有阈值。发光二极管有两种类型：一类是正面发光型LE