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1、第第3章激光器及光发射机章激光器及光发射机本讲稿第一页，共五十九页激光器及光发射机激光器及光发射机光纤通信原理第三章光纤通信原理第三章本讲稿第二页，共五十九页光源光源调制器调制器调制器调制器驱动电路驱动电路驱动电路驱动电路放大器放大器光电二极光电二极管管判决器判决器光纤光纤光纤光纤光纤光纤光纤光纤中继器中继器中继器中继器光发射机光发射机将电信号转变为光信号将电信号转变为光信号本讲稿第三页，共五十九页第三章第三章 激光器及光发射机激光器及光发射机3.1 3.1 半导体激光器半导体激光器半导体激光器半导体激光器 4.1.1 4.1.1 法布里法布里法布里法布里-珀罗型激光器珀罗型激光器珀罗型激光器
2、珀罗型激光器F-P LDF-P LD 4.1.2 4.1.2 分布反馈激光器分布反馈激光器分布反馈激光器分布反馈激光器DFB LDDFB LD 4.1.3 4.1.3 分布分布分布分布BraggBragg反射型激光器反射型激光器反射型激光器反射型激光器DBR LDDBR LD 4.1.4 4.1.4 量子阱激光器量子阱激光器量子阱激光器量子阱激光器QW LDQW LD 4.1.5 4.1.5 垂直腔面发射激光器垂直腔面发射激光器垂直腔面发射激光器垂直腔面发射激光器VCSELVCSEL3.2 3.2 半导体激光器的工作特性半导体激光器的工作特性3.3 3.3 光发射机光发射机光发射机光发射机本讲
3、稿第四页，共五十九页3.1 半导体激光器半导体激光器LDn n激光器被视为激光器被视为20世纪的三大发明（还有半世纪的三大发明（还有半导体和原子能）之一，特别是半导体激光导体和原子能）之一，特别是半导体激光器器LD倍受重视倍受重视。n n光纤通信中最常用的光源是半导体激光器光纤通信中最常用的光源是半导体激光器LD和发光二极管和发光二极管LED。n n主要差别：主要差别：n n发光二极管输出非相干光；发光二极管输出非相干光；n n半导体激光器输出相干光。半导体激光器输出相干光。本讲稿第五页，共五十九页发光二极管发光二极管LEDn n对于光纤通信系统，如果使用多模光纤且对于光纤通信系统，如果使用多
4、模光纤且信息比特率在信息比特率在100200Mb/s以下，同以下，同时只要求几十微瓦的输入光功率，那么时只要求几十微瓦的输入光功率，那么LED是可选用的最佳光源。是可选用的最佳光源。n n比起半导体激光器，因为比起半导体激光器，因为LED不需要热稳不需要热稳定和光稳定电路，所以定和光稳定电路，所以LED的的驱动电路相驱动电路相对简单对简单，另外其制作，另外其制作成本低成本低、产量高产量高。本讲稿第六页，共五十九页n nLED的主要工作原理对应光的自发发射过的主要工作原理对应光的自发发射过程，因而是一种程，因而是一种非相干光源非相干光源。n nLED发射光的谱线较宽、方向性较差，本发射光的谱线较
5、宽、方向性较差，本身的响应速度又较慢，所以只身的响应速度又较慢，所以只适用于速率适用于速率较低的通信系统较低的通信系统。n n在高速、大容量的光纤通信系统中主要采在高速、大容量的光纤通信系统中主要采用用半导体激光器半导体激光器作光源。作光源。发光二极管发光二极管LED本讲稿第七页，共五十九页半导体激光器半导体激光器LDn n半导体激光器的优点半导体激光器的优点半导体激光器的优点半导体激光器的优点：尺寸小，耦合效率高，响应：尺寸小，耦合效率高，响应：尺寸小，耦合效率高，响应：尺寸小，耦合效率高，响应速度快，波长和尺寸与光纤尺寸适配，可直接调制，速度快，波长和尺寸与光纤尺寸适配，可直接调制，速度快
6、，波长和尺寸与光纤尺寸适配，可直接调制，速度快，波长和尺寸与光纤尺寸适配，可直接调制，相干性好。相干性好。相干性好。相干性好。n n按结构分类按结构分类按结构分类按结构分类：F-P LDF-P LD、DFB LD DFB LD、DBR LD DBR LD、QW LDQW LD、VCSEL VCSELn n按波导机制分类按波导机制分类按波导机制分类按波导机制分类：增益导引：增益导引LDLD和折射率导引和折射率导引和折射率导引和折射率导引LDLDn n按性能分类按性能分类按性能分类按性能分类：低阈值：低阈值：低阈值：低阈值LDLD、超高速超高速超高速超高速LDLD、动态单模动态单模动态单模动态单模
7、LDLD、大功率大功率大功率大功率LDLD本讲稿第八页，共五十九页3.1.1 法布里法布里-珀罗型激光器珀罗型激光器F-P LDn nF-P LDF-P LD是最常见最普通的是最常见最普通的LD.LD.n n由外延生长的有源层和有源层两边的限制层构成，谐振由外延生长的有源层和有源层两边的限制层构成，谐振由外延生长的有源层和有源层两边的限制层构成，谐振由外延生长的有源层和有源层两边的限制层构成，谐振腔由晶体的两个解理面构成。通常为双异质结腔由晶体的两个解理面构成。通常为双异质结腔由晶体的两个解理面构成。通常为双异质结腔由晶体的两个解理面构成。通常为双异质结（DHDH）LDLD。n n激光器实质上
8、是一个受激发射的光振荡放大器。激光器实质上是一个受激发射的光振荡放大器。激光器实质上是一个受激发射的光振荡放大器。激光器实质上是一个受激发射的光振荡放大器。本讲稿第九页，共五十九页F-P LD基本工作原理基本工作原理n n实现实现F-P LD激射工作的激射工作的四个基本条件：四个基本条件：n n要有能实现电子和光场相互作用的工作物质要有能实现电子和光场相互作用的工作物质n n要有注入能量的泵浦源（光泵或者电泵浦）要有注入能量的泵浦源（光泵或者电泵浦）n n要有一个要有一个F-P谐振腔谐振腔n n要满足振荡条件要满足振荡条件本讲稿第十页，共五十九页1.光的自发发射、受激吸收和受激发射光的自发发射
9、、受激吸收和受激发射n n工作物质和泵浦源工作物质和泵浦源工作物质和泵浦源工作物质和泵浦源是实现光的自发发射、受激吸收和受激发是实现光的自发发射、受激吸收和受激发是实现光的自发发射、受激吸收和受激发是实现光的自发发射、受激吸收和受激发射的最基本条件。射的最基本条件。射的最基本条件。射的最基本条件。n n自发发射自发发射：大量处于高能级的粒子，各自分别发射一：大量处于高能级的粒子，各自分别发射一列一列频率为列一列频率为=(E E2 2-E-E1 1)/h)/h的光波，但各列光波之间没的光波，但各列光波之间没的光波，但各列光波之间没的光波，但各列光波之间没有固定的相位关系，可以有不同的偏振方向，沿
10、所有可能的有固定的相位关系，可以有不同的偏振方向，沿所有可能的有固定的相位关系，可以有不同的偏振方向，沿所有可能的有固定的相位关系，可以有不同的偏振方向，沿所有可能的方向传播。各光子方向传播。各光子方向传播。各光子方向传播。各光子彼此无关。彼此无关。彼此无关。彼此无关。n n受激发射受激发射受激发射受激发射：处于高能级：处于高能级E E2 2的粒子受到光子能量为的粒子受到光子能量为的粒子受到光子能量为的粒子受到光子能量为 的光照的光照的光照的光照射时，粒子会由于这种入射光的刺激而发射出与入射光射时，粒子会由于这种入射光的刺激而发射出与入射光射时，粒子会由于这种入射光的刺激而发射出与入射光射时，
11、粒子会由于这种入射光的刺激而发射出与入射光一模一模一模一模一样一样一样一样的光子，并跃迁到低能级的光子，并跃迁到低能级的光子，并跃迁到低能级的光子，并跃迁到低能级E E1 1上。有上。有上。有上。有相同的偏振方向和相同的偏振方向和相同的偏振方向和相同的偏振方向和传播方向传播方向传播方向传播方向。本讲稿第十一页，共五十九页双能级原子系统的三种跃迁双能级原子系统的三种跃迁h h E E2 2E E1 1自发发射跃迁自发发射跃迁自发发射跃迁自发发射跃迁E E2 2E E1 1受激吸收跃迁受激吸收跃迁受激吸收跃迁受激吸收跃迁h h h h E E2 2E E1 1受激发射跃迁受激发射跃迁受激发射跃迁受
12、激发射跃迁h h h h 受激发射的光子与受激发射的光子与受激发射的光子与受激发射的光子与原光子具有相同的原光子具有相同的原光子具有相同的原光子具有相同的波长、相位和传播波长、相位和传播波长、相位和传播波长、相位和传播方向方向方向方向本讲稿第十二页，共五十九页自发发射和受激发射的特点自发发射和受激发射的特点n n自发发射的同时总伴有受激发射发生。自发发射的同时总伴有受激发射发生。自发发射的同时总伴有受激发射发生。自发发射的同时总伴有受激发射发生。n n在热平衡情况下，自发发射占绝对优势。在热平衡情况下，自发发射占绝对优势。在热平衡情况下，自发发射占绝对优势。在热平衡情况下，自发发射占绝对优势。
13、n n当外界给系统提供能量时，如采用光照（即光泵）当外界给系统提供能量时，如采用光照（即光泵）或电流注入（即电泵），打破热平衡状态，大量粒或电流注入（即电泵），打破热平衡状态，大量粒子处于高能级，即子处于高能级，即粒子数反转粒子数反转粒子数反转粒子数反转后，在发光束方向上的后，在发光束方向上的后，在发光束方向上的后，在发光束方向上的受激发射比自发发射的强度大几个数量级。受激发射比自发发射的强度大几个数量级。受激发射比自发发射的强度大几个数量级。受激发射比自发发射的强度大几个数量级。n n总结激光发射的首要条件：总结激光发射的首要条件：n n工作物质工作物质工作物质工作物质（即能实现粒子跃迁的晶
14、体材料，如（即能实现粒子跃迁的晶体材料，如（即能实现粒子跃迁的晶体材料，如（即能实现粒子跃迁的晶体材料，如GaAsGaAs和和和和InGaAsPInGaAsP）n n外界供给能量外界供给能量外界供给能量外界供给能量满足满足满足满足粒子数反转粒子数反转粒子数反转粒子数反转（常采用电流注入法）（常采用电流注入法）（常采用电流注入法）（常采用电流注入法）本讲稿第十三页，共五十九页2.F-P谐振腔谐振腔n n只有增益介质而无光学只有增益介质而无光学只有增益介质而无光学只有增益介质而无光学反馈装置，便不能形成激光反馈装置，便不能形成激光反馈装置，便不能形成激光反馈装置，便不能形成激光n n将已实现粒子数
15、反转分布将已实现粒子数反转分布将已实现粒子数反转分布将已实现粒子数反转分布的系统置于严格平行的一对的系统置于严格平行的一对的系统置于严格平行的一对的系统置于严格平行的一对反射镜之间便形成反射镜之间便形成反射镜之间便形成反射镜之间便形成F-PF-P谐振腔。谐振腔。谐振腔。谐振腔。光在两个反射镜之间往返多光在两个反射镜之间往返多光在两个反射镜之间往返多光在两个反射镜之间往返多次过程中，得到放大。次过程中，得到放大。本讲稿第十四页，共五十九页3.振荡条件振荡条件n n当增益超过由部分反射和散射等多种因素引起的总损耗，当增益超过由部分反射和散射等多种因素引起的总损耗，当增益超过由部分反射和散射等多种因
16、素引起的总损耗，当增益超过由部分反射和散射等多种因素引起的总损耗，经过谐振腔的选频作用，特定频率的光波在谐振腔内积累经过谐振腔的选频作用，特定频率的光波在谐振腔内积累经过谐振腔的选频作用，特定频率的光波在谐振腔内积累经过谐振腔的选频作用，特定频率的光波在谐振腔内积累能量并通过反射镜射出，形成激光（相干光）。能量并通过反射镜射出，形成激光（相干光）。能量并通过反射镜射出，形成激光（相干光）。能量并通过反射镜射出，形成激光（相干光）。n n振幅条件振幅条件振幅条件振幅条件n n相位条件：相位条件：相位条件：相位条件：n-n-有源层折射率；有源层折射率；有源层折射率；有源层折射率；L-L-腔长腔长腔
17、长腔长m-m-任意整数；任意整数；任意整数；任意整数；-波长波长波长波长满足相位条件的频率有无限多个，满足相位条件的频率有无限多个，满足相位条件的频率有无限多个，满足相位条件的频率有无限多个，只有那些在谱线中心附近的频率才只有那些在谱线中心附近的频率才只有那些在谱线中心附近的频率才只有那些在谱线中心附近的频率才能满足振荡条件，所以激光器的振能满足振荡条件，所以激光器的振能满足振荡条件，所以激光器的振能满足振荡条件，所以激光器的振荡频率只能取有限个分立值。荡频率只能取有限个分立值。荡频率只能取有限个分立值。荡频率只能取有限个分立值。本讲稿第十五页，共五十九页Modes produced in a
18、 Typical Fabry-Perot LaserModes produced in a Typical Fabry-Perot LaserSpectral width and Linewidth at FWHM(Full Width Half Maximum)Spectral width and Linewidth at FWHM(Full Width Half Maximum)本讲稿第十六页，共五十九页Output spectrum changes as power is appliedOutput spectrum changes as power is appliedTypical
19、mode hopping behaviorTypical mode hopping behaviorF-P LDF-P LD在高速调制下，或在温度和注入电流变化时，不再维持原在高速调制下，或在温度和注入电流变化时，不再维持原在高速调制下，或在温度和注入电流变化时，不再维持原在高速调制下，或在温度和注入电流变化时，不再维持原激射模式，而会出现模式跳跃和谱线展宽，这对高速应用很不利。激射模式，而会出现模式跳跃和谱线展宽，这对高速应用很不利。激射模式，而会出现模式跳跃和谱线展宽，这对高速应用很不利。激射模式，而会出现模式跳跃和谱线展宽，这对高速应用很不利。为了维持单模，减小光谱展宽，需研究动态单模激
20、光器为了维持单模，减小光谱展宽，需研究动态单模激光器为了维持单模，减小光谱展宽，需研究动态单模激光器为了维持单模，减小光谱展宽，需研究动态单模激光器DFB LDDFB LD及及及及DBR LDDBR LD（光纤通信最有前途的实用化器件）光纤通信最有前途的实用化器件）光纤通信最有前途的实用化器件）光纤通信最有前途的实用化器件）本讲稿第十七页，共五十九页FP LD的结构的结构很难将光导很难将光导很难将光导很难将光导引到光纤引到光纤引到光纤引到光纤增益导引半导体激光器：增益导引半导体激光器：增益导引半导体激光器：增益导引半导体激光器：沿激光长度方向放置一沿激光长度方向放置一沿激光长度方向放置一沿激光
21、长度方向放置一个窄的条形电极，将注个窄的条形电极，将注个窄的条形电极，将注个窄的条形电极，将注入电流限制在一个窄条入电流限制在一个窄条入电流限制在一个窄条入电流限制在一个窄条里。里。里。里。缺点：光功率增大缺点：光功率增大缺点：光功率增大缺点：光功率增大时，光斑尺寸不稳时，光斑尺寸不稳时，光斑尺寸不稳时，光斑尺寸不稳定，模式稳定性亦定，模式稳定性亦定，模式稳定性亦定，模式稳定性亦不高。不高。不高。不高。折射率导引半导体激光器，折射率导引半导体激光器，折射率导引半导体激光器，折射率导引半导体激光器，引入折射率差。结构简单，引入折射率差。结构简单，引入折射率差。结构简单，引入折射率差。结构简单，制
22、造工艺不太复杂，辐射光制造工艺不太复杂，辐射光制造工艺不太复杂，辐射光制造工艺不太复杂，辐射光空间分布稳定性高，被大多空间分布稳定性高，被大多空间分布稳定性高，被大多空间分布稳定性高，被大多数光波系统使用。数光波系统使用。数光波系统使用。数光波系统使用。本讲稿第十八页，共五十九页3.1.2 分布反馈激光器分布反馈激光器DFB LDn nDFB LD同同同同F-P LDF-P LD的主要区别：的主要区别：的主要区别：的主要区别：DFB LDDFB LD没有集总的没有集总的没有集总的没有集总的谐振腔反射镜，它的反射机构是由有源区波导上的谐振腔反射镜，它的反射机构是由有源区波导上的谐振腔反射镜，它的
23、反射机构是由有源区波导上的谐振腔反射镜，它的反射机构是由有源区波导上的BraggBragg光栅提供的。光栅提供的。光栅提供的。光栅提供的。n n分布式反馈分布式反馈分布式反馈分布式反馈 非常好的单色性和方向性非常好的单色性和方向性非常好的单色性和方向性非常好的单色性和方向性本讲稿第十九页，共五十九页DFB LD基本工作原理基本工作原理n n在有源区介质表面上使用全息光刻法做成周期性的在有源区介质表面上使用全息光刻法做成周期性的波纹形状波纹形状。n n用泵浦（光泵浦或电泵浦）激发，造成足够的粒子数反用泵浦（光泵浦或电泵浦）激发，造成足够的粒子数反用泵浦（光泵浦或电泵浦）激发，造成足够的粒子数反用
24、泵浦（光泵浦或电泵浦）激发，造成足够的粒子数反转，转，转，转，具备增益条件具备增益条件具备增益条件具备增益条件n n只有波长满足只有波长满足“Bragg反射条件反射条件反射条件反射条件”的光波才能在介质中的光波才能在介质中的光波才能在介质中的光波才能在介质中来回反射，得到不断的加强和增长。来回反射，得到不断的加强和增长。来回反射，得到不断的加强和增长。来回反射，得到不断的加强和增长。DFB LD已成为中长距离光纤通信应用已成为中长距离光纤通信应用的主要激光器的主要激光器本讲稿第二十页，共五十九页3.1.3 分布分布Bragg反射型激光器反射型激光器DBR LDn nDBR LDDBR LD的周
25、期性沟槽不在有源波导表面上，而是在有源层波导两外的周期性沟槽不在有源波导表面上，而是在有源层波导两外的周期性沟槽不在有源波导表面上，而是在有源层波导两外的周期性沟槽不在有源波导表面上，而是在有源层波导两外侧的无源波导层上，这两个无源的光栅波导充当侧的无源波导层上，这两个无源的光栅波导充当侧的无源波导层上，这两个无源的光栅波导充当侧的无源波导层上，这两个无源的光栅波导充当BraggBragg反射镜的作反射镜的作反射镜的作反射镜的作用。由于有源波导的增益特性和无源周期波导的用。由于有源波导的增益特性和无源周期波导的用。由于有源波导的增益特性和无源周期波导的用。由于有源波导的增益特性和无源周期波导的
26、BraggBragg发射，只有发射，只有发射，只有发射，只有在在在在BraggBragg频率附近的光波才能满足振荡条件，从而发射出激光。频率附近的光波才能满足振荡条件，从而发射出激光。频率附近的光波才能满足振荡条件，从而发射出激光。频率附近的光波才能满足振荡条件，从而发射出激光。GaAs/AlGaAs DBRGaAs/AlGaAs DBR激光二极管激光二极管激光二极管激光二极管本讲稿第二十一页，共五十九页3.1.4 量子阱激光器量子阱激光器QW LD特点：特点：特点：特点：低阈值电流低阈值电流低阈值电流低阈值电流 高输出功率高输出功率高输出功率高输出功率 窄线宽窄线宽窄线宽窄线宽 频率啁啾改善
27、频率啁啾改善频率啁啾改善频率啁啾改善 调制速率高调制速率高调制速率高调制速率高 有源区厚度薄有源区厚度薄有源区厚度薄有源区厚度薄110110nmnm（FPFP腔腔腔腔100200100200nmnm）周期结构，将窄带隙的很薄的有源区夹在宽带隙的半导周期结构，将窄带隙的很薄的有源区夹在宽带隙的半导周期结构，将窄带隙的很薄的有源区夹在宽带隙的半导周期结构，将窄带隙的很薄的有源区夹在宽带隙的半导体材料之间，形成势能阱体材料之间，形成势能阱体材料之间，形成势能阱体材料之间，形成势能阱 多个势能阱多个势能阱-多量子阱（多量子阱（MQW），），单个势能阱单个势能阱单个势能阱单个势能阱-单单单单量子阱（量子
28、阱（量子阱（量子阱（SQW）本讲稿第二十二页，共五十九页3.1.5 垂直腔面发射激光器垂直腔面发射激光器VCSELn nVertical Cavity Surface Emitting Lasern n垂直于衬底方向出光的面发射激光器垂直于衬底方向出光的面发射激光器垂直于衬底方向出光的面发射激光器垂直于衬底方向出光的面发射激光器n n优点：优点：n n发光效率高发光效率高发光效率高发光效率高(850(850nmnm的的的的VCSELVCSEL，10mA10mA驱动驱动驱动驱动1.51.5mWmW输出光功率输出光功率输出光功率输出光功率)n n工作阈值极低工作阈值极低工作阈值极低工作阈值极低（工
29、作电流（工作电流（工作电流（工作电流515515mAmA，简化了驱动电路的设计）简化了驱动电路的设计）简化了驱动电路的设计）简化了驱动电路的设计）n n可单纵模也可多纵模工作可单纵模也可多纵模工作可单纵模也可多纵模工作可单纵模也可多纵模工作（应用于以多模光纤为传输媒介底（应用于以多模光纤为传输媒介底（应用于以多模光纤为传输媒介底（应用于以多模光纤为传输媒介底 局域网中或局域网中或局域网中或局域网中或VSRVSR）n n调制速率高调制速率高调制速率高调制速率高n n寿命长（寿命长（寿命长（寿命长（HoneywellHoneywell进行了可靠性实验）进行了可靠性实验）进行了可靠性实验）进行了可靠
30、性实验）n n价格低、产量高价格低、产量高价格低、产量高价格低、产量高本讲稿第二十三页，共五十九页n n可任意配置高密度二维激光阵列。可任意配置高密度二维激光阵列。二维激光器阵列二维激光器阵列二维激光器阵列二维激光器阵列本讲稿第二十四页，共五十九页第三章第三章 激光器及光发射机激光器及光发射机3.1 3.1 半导体激光器半导体激光器 4.1.1 4.1.1 法布里法布里法布里法布里-珀罗型激光器珀罗型激光器珀罗型激光器珀罗型激光器F-P LDF-P LD 4.1.2 4.1.2 分布反馈激光器分布反馈激光器分布反馈激光器分布反馈激光器DFB LDDFB LD 4.1.3 4.1.3 分布分布分
31、布分布BraggBragg反射型激光器反射型激光器反射型激光器反射型激光器DBR LDDBR LD 4.1.4 4.1.4 量子阱激光器量子阱激光器量子阱激光器量子阱激光器QW LDQW LD 4.1.5 4.1.5 垂直腔面发射激光器垂直腔面发射激光器垂直腔面发射激光器垂直腔面发射激光器VCSELVCSEL3.2 半导体激光器的工作特性半导体激光器的工作特性半导体激光器的工作特性半导体激光器的工作特性3.3 3.3 光发射机光发射机光发射机光发射机本讲稿第二十五页，共五十九页3.2 半导体激光器的工作特性半导体激光器的工作特性n n激光器件的绝对最大额定值：激光器件的绝对最大额定值：n n光
32、输出功率光输出功率（Po和和Pf）：）：从一个未损伤器件可从一个未损伤器件可辐射出的最大连续光输出功率。辐射出的最大连续光输出功率。Po是从器件端是从器件端面输出的光功率，面输出的光功率，Pf是从带有尾纤器件输出的是从带有尾纤器件输出的光功率。光功率。n n正向电流正向电流（IF）：）：可以施加到器件上且不产生可以施加到器件上且不产生器件损伤的最大连续正向电流。器件损伤的最大连续正向电流。n n反向电压反向电压（VR）：）：可以施加到器件上且不产生可以施加到器件上且不产生器件损伤的最大方向电压。器件损伤的最大方向电压。本讲稿第二十六页，共五十九页一、半导体激光器的一、半导体激光器的PI特性特性
33、典型的典型的PI曲线曲线P PI I曲线：曲线：曲线：曲线：激光二极管的总发激光二极管的总发激光二极管的总发激光二极管的总发射光功率射光功率射光功率射光功率P P与注入电流与注入电流与注入电流与注入电流I I的关系的关系的关系的关系曲线。曲线。曲线。曲线。随注入电流增加，激光二极管随注入电流增加，激光二极管随注入电流增加，激光二极管随注入电流增加，激光二极管首先是渐渐地增加自发发射，首先是渐渐地增加自发发射，首先是渐渐地增加自发发射，首先是渐渐地增加自发发射，直至开始发射受激发射。直至开始发射受激发射。直至开始发射受激发射。直至开始发射受激发射。1.1.阈值电流阈值电流阈值电流阈值电流I It
34、hth：开始发射受激开始发射受激开始发射受激开始发射受激发射的电流值。发射的电流值。发射的电流值。发射的电流值。阈值电流与腔阈值电流与腔阈值电流与腔阈值电流与腔的损耗、尺寸、有源区材料和的损耗、尺寸、有源区材料和的损耗、尺寸、有源区材料和的损耗、尺寸、有源区材料和厚度等因素有关。厚度等因素有关。厚度等因素有关。厚度等因素有关。IIIIIIthth，受激辐射，发出的是相干光受激辐射，发出的是相干光受激辐射，发出的是相干光受激辐射，发出的是相干光本讲稿第二十七页，共五十九页 表示激光器件把注入的电子空穴对（注入电荷）表示激光器件把注入的电子空穴对（注入电荷）表示激光器件把注入的电子空穴对（注入电荷
35、）表示激光器件把注入的电子空穴对（注入电荷）转换成从器件发射的光子（输出光）的效率。是一个转换成从器件发射的光子（输出光）的效率。是一个转换成从器件发射的光子（输出光）的效率。是一个转换成从器件发射的光子（输出光）的效率。是一个以百分数（）度量的性能系数。以百分数（）度量的性能系数。以百分数（）度量的性能系数。以百分数（）度量的性能系数。n n一个把一个把一个把一个把100100注入电流转换成输出光的理想假设器件注入电流转换成输出光的理想假设器件注入电流转换成输出光的理想假设器件注入电流转换成输出光的理想假设器件(即器件没有以热即器件没有以热即器件没有以热即器件没有以热形式消耗形式消耗形式消耗
36、形式消耗)，在理论上应具有，在理论上应具有，在理论上应具有，在理论上应具有100100的的的的 e e。n n e可从可从可从可从P-IP-I特性的斜率（阈值以上）特性的斜率（阈值以上）特性的斜率（阈值以上）特性的斜率（阈值以上）dP/dIdP/dI求得：求得：（对（对（对（对GaALAsGaALAs材料）材料）材料）材料）2.外微分量子效率外微分量子效率 e：本讲稿第二十八页，共五十九页n n内量子效率内量子效率内量子效率内量子效率 i i是衡量激光二极管把电子空穴对（注入电流）转换是衡量激光二极管把电子空穴对（注入电流）转换是衡量激光二极管把电子空穴对（注入电流）转换是衡量激光二极管把电子
37、空穴对（注入电流）转换成光子能力的一个参数。成光子能力的一个参数。成光子能力的一个参数。成光子能力的一个参数。n n与与与与 e e不同的的是，不同的的是，不同的的是，不同的的是，i i与激光二极管的几何尺寸无关，是评价激光与激光二极管的几何尺寸无关，是评价激光与激光二极管的几何尺寸无关，是评价激光与激光二极管的几何尺寸无关，是评价激光二极管半导体晶片质量的主要参数。二极管半导体晶片质量的主要参数。二极管半导体晶片质量的主要参数。二极管半导体晶片质量的主要参数。n n i i和和和和 e e既又关系又有差别。既又关系又有差别。既又关系又有差别。既又关系又有差别。i i是是是是激光二极管把电子空
38、穴对（注激光二极管把电子空穴对（注激光二极管把电子空穴对（注激光二极管把电子空穴对（注入电流）转换成光子（光）效率的直接表示，但要注意，并非所有入电流）转换成光子（光）效率的直接表示，但要注意，并非所有入电流）转换成光子（光）效率的直接表示，但要注意，并非所有入电流）转换成光子（光）效率的直接表示，但要注意，并非所有光子都出射成为输出光，有些光子由于各种内部损耗而被重新吸收。光子都出射成为输出光，有些光子由于各种内部损耗而被重新吸收。光子都出射成为输出光，有些光子由于各种内部损耗而被重新吸收。光子都出射成为输出光，有些光子由于各种内部损耗而被重新吸收。e e是激光二极管把电子空穴对（注入电流）
39、转换成输出光是激光二极管把电子空穴对（注入电流）转换成输出光是激光二极管把电子空穴对（注入电流）转换成输出光是激光二极管把电子空穴对（注入电流）转换成输出光的效率象征。的效率象征。的效率象征。的效率象征。e e总是比总是比总是比总是比 i i小小小小。内量子效率内量子效率内量子效率内量子效率 i i=有源区内每秒钟产生的光子数有源区内每秒钟产生的光子数有源区内每秒钟产生的光子数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有源区内每秒钟注入的电子有源区内每秒钟注入的电子有源区内每秒钟注入的电子-空穴对数空穴对数空穴对数空穴对数3.3.内量子效率内量子效率内量子效率内量子效率 i i：本讲稿
40、第二十九页，共五十九页n nT T0 0-LD-LD的特征温度，与器件的材料、结构等有关。的特征温度，与器件的材料、结构等有关。的特征温度，与器件的材料、结构等有关。的特征温度，与器件的材料、结构等有关。T T0 0代表代表代表代表I Ithth对对对对温度的灵敏度，也可解释为激光二极管的热稳定性。较高的温度的灵敏度，也可解释为激光二极管的热稳定性。较高的温度的灵敏度，也可解释为激光二极管的热稳定性。较高的温度的灵敏度，也可解释为激光二极管的热稳定性。较高的T T0 0意意意意味着当温度快速增加时，激光二极管味着当温度快速增加时，激光二极管味着当温度快速增加时，激光二极管味着当温度快速增加时，
41、激光二极管I Ithth增加不大。增加不大。增加不大。增加不大。对于对于对于对于GaAs/GaALAs LD GaAs/GaALAs LD T T0 0=100150K=100150K；InGaAsP/InP-LD InGaAsP/InP-LD T T0 0=4070K=4070K。不同温度下的不同温度下的不同温度下的不同温度下的P PI I曲线曲线曲线曲线 4.温度特性：温度特性：温度升高时性能下降，阈值电流随温温度升高时性能下降，阈值电流随温温度升高时性能下降，阈值电流随温温度升高时性能下降，阈值电流随温度按指数增长。度按指数增长。度按指数增长。度按指数增长。本讲稿第三十页，共五十九页 L
42、D LD的模式特性首先取决于光腔的三个线度（横向、的模式特性首先取决于光腔的三个线度（横向、的模式特性首先取决于光腔的三个线度（横向、的模式特性首先取决于光腔的三个线度（横向、侧向、纵向的尺寸）及介质特性。通常腔内能存在许多侧向、纵向的尺寸）及介质特性。通常腔内能存在许多侧向、纵向的尺寸）及介质特性。通常腔内能存在许多侧向、纵向的尺寸）及介质特性。通常腔内能存在许多模式，但只有获得净增益（满足阈值条件）的那些模式模式，但只有获得净增益（满足阈值条件）的那些模式模式，但只有获得净增益（满足阈值条件）的那些模式模式，但只有获得净增益（满足阈值条件）的那些模式才能被激励，它的频率才会出现在输出光中。
43、在实际应才能被激励，它的频率才会出现在输出光中。在实际应才能被激励，它的频率才会出现在输出光中。在实际应才能被激励，它的频率才会出现在输出光中。在实际应用中，用中，用中，用中，模式的稳定性和线宽模式的稳定性和线宽模式的稳定性和线宽模式的稳定性和线宽是对系统性能影响较大的两个参是对系统性能影响较大的两个参是对系统性能影响较大的两个参是对系统性能影响较大的两个参量。量。量。量。LD LD工作在基横模时，相干性最好，因此要求工作在基横模时，相干性最好，因此要求工作在基横模时，相干性最好，因此要求工作在基横模时，相干性最好，因此要求LDLD在设在设在设在设计和结构上计和结构上计和结构上计和结构上保证基
44、横模工作保证基横模工作保证基横模工作保证基横模工作。根据基横模的条件通过对光载。根据基横模的条件通过对光载。根据基横模的条件通过对光载。根据基横模的条件通过对光载流子的横向以及垂直向限制、减小有源区宽度和厚度等措流子的横向以及垂直向限制、减小有源区宽度和厚度等措流子的横向以及垂直向限制、减小有源区宽度和厚度等措流子的横向以及垂直向限制、减小有源区宽度和厚度等措施可以实现施可以实现施可以实现施可以实现LDLD的基横模工作。的基横模工作。的基横模工作。的基横模工作。(详见激光原理详见激光原理详见激光原理详见激光原理)二、半导体激光器的模式特性二、半导体激光器的模式特性本讲稿第三十一页，共五十九页1
45、 1、激光器纵模的概念：激光器纵模的概念：激光器纵模的概念：激光器纵模的概念：激光器的纵模反映激光器的光谱性质。对于半导激光器的纵模反映激光器的光谱性质。对于半导体激光器，当注入电流低于阈值时，发射光谱是导带体激光器，当注入电流低于阈值时，发射光谱是导带和价带的自发发射谱，谱线较宽；只有当激光器的注和价带的自发发射谱，谱线较宽；只有当激光器的注入电流大于阈值后，谐振腔里的增益才大于损耗，自入电流大于阈值后，谐振腔里的增益才大于损耗，自发发射谱线中满足驻波条件的光频率才能在谐振腔里发发射谱线中满足驻波条件的光频率才能在谐振腔里振荡并建立起场强，这个场强使粒子数反转分布的能振荡并建立起场强，这个场
46、强使粒子数反转分布的能级间产生受激辐射，而其他频率的光却受到抑制，使级间产生受激辐射，而其他频率的光却受到抑制，使激光器的输出光谱呈现出以一个或几个模式振荡，这激光器的输出光谱呈现出以一个或几个模式振荡，这种振荡称之为激光器的纵模。种振荡称之为激光器的纵模。本讲稿第三十二页，共五十九页I=67mAI=67mAP=1.2mWP=1.2mWI=75mAI=75mAP=2.5mWP=2.5mWI=100mAI=100mAP=10mWP=10mWI=95mAI=95mAP=6mWP=6mWI=80mAI=80mAP=4mWP=4mW随着电流增加，主模的增益增加，而边模的增益减小，纵模数减少，一个随着电
47、流增加，主模的增益增加，而边模的增益减小，纵模数减少，一个随着电流增加，主模的增益增加，而边模的增益减小，纵模数减少，一个随着电流增加，主模的增益增加，而边模的增益减小，纵模数减少，一个模式开始占优势，直到出现单个窄线宽的光谱为止。模式开始占优势，直到出现单个窄线宽的光谱为止。模式开始占优势，直到出现单个窄线宽的光谱为止。模式开始占优势，直到出现单个窄线宽的光谱为止。2 2、纵模数随注入电流而变：纵模数随注入电流而变：纵模数随注入电流而变：纵模数随注入电流而变：本讲稿第三十三页，共五十九页 在众多的纵模中，只有那些频率落在增益介质的在众多的纵模中，只有那些频率落在增益介质的在众多的纵模中，只有
48、那些频率落在增益介质的在众多的纵模中，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增益曲线范围内，且增益大于损耗的那些腔模才能增益曲线范围内，且增益大于损耗的那些腔模才能增益曲线范围内，且增益大于损耗的那些腔模才能在在在在LDLD的输出中存在。的输出中存在。3、谱线特性：谱线特性：谱线特性：谱线特性：本讲稿第三十四页，共五十九页在纵向，光波以驻波形式振荡。在纵向，光波以驻波形式振荡。在纵向，光波以驻波形式振荡。在纵向，光波以驻波形式振荡。谐振频率（正入射）谐振频率（正入射）谐振频率（正入射）谐振频率（正入射）:m-m-正整数；正整数；正整数；正整数；L-L-腔长；腔长
49、；腔长；腔长；n-n-材料折射。材料折射。材料折射。材料折射。相邻纵模的频率间隔相邻纵模的频率间隔相邻纵模的频率间隔相邻纵模的频率间隔:增益曲线：增益曲线：增益曲线：增益曲线：0 0-增益谱中心波长，由增益介质的能级差决定；增益谱中心波长，由增益介质的能级差决定；增益谱中心波长，由增益介质的能级差决定；增益谱中心波长，由增益介质的能级差决定；-增益谱宽，由增益增益谱宽，由增益增益谱宽，由增益增益谱宽，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；介质内原子热运动（多普勒加宽）和原子碰撞（均匀加宽）造成；介质内原子热运动（多普勒加宽）和原子碰撞（均匀加宽）造成；介质内原子热运动
50、（多普勒加宽）和原子碰撞（均匀加宽）造成；g(0)-g(0)-正比于粒子数反转的最大增益正比于粒子数反转的最大增益正比于粒子数反转的最大增益正比于粒子数反转的最大增益本讲稿第三十五页，共五十九页4、峰值波长随温度变化：峰值波长随温度变化：峰值波长随温度变化：峰值波长随温度变化：半导体激光器的发射波长随结区温度半导体激光器的发射波长随结区温度半导体激光器的发射波长随结区温度半导体激光器的发射波长随结区温度而变化。当结温升高时，半导体材料而变化。当结温升高时，半导体材料而变化。当结温升高时，半导体材料而变化。当结温升高时，半导体材料的禁区带宽变窄，因而使激光器发射的禁区带宽变窄，因而使激光器发射的