第二讲 半导体光源的工作特性及对通信的影响综述

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,光纤通信课程,第一讲 半导体光源的工作原理,第二讲 半导体光源的结构与工作特性,第三讲 数字光发射机,第二讲 半导体光源的结构与工作特性,？,LED,与,LD,的比较（原理，结构，工作特性，在通信中的应用）,一、半导体发光二极管,(LED),Light Emitting Diode,结构,：,面发光、边发光,工作特性,：,光谱特性、,P-I,特性、发光效率、调制特性等,1.,发光二极管的结构,实际中多采用异质结,根据发光面与,PN,结的,结平面平行或垂直可分为面发光二极管（,SLED,）和边发光二极管（,ELED,）两种结构,面发光二极管（,SLED,）,面发光：,从平行于结平面的表面发光。,特点：,工艺简单,发散角大,效率低,调制带宽较窄,面发光：,从结区边缘发光。,特点：发散角，耦合效率，调制带宽均比,SLED,有改善。,边发光二极管（,ELED,）,2.,工作特性,光谱特性,P-I,特性,发光效率,调制特性,光谱特性,自发辐射发光，没有谐振腔，发光谱线较宽,谱宽为半最大值处的全宽度,随有源区掺杂浓度的增加而增加,随着温度的升高加宽,P-I,特性,P-I,特性描述了输出的光功率随注入电流的变化关系,当注入电流较小时，线性度非常好；,当注入电流比较大时，由于,PN,结的发热，发光效率降低，出现了饱和现象。,温度对,PI,特性的影响，当温度升高时，同一电流下的发射功率要降低,发光效率,分为内量子效率和外量子效率,内量子效率：（存在非辐射复合）,外量子效率：（材料吸收、波导效应等）,调制特性,改变发光二极管的注入电流就可以改变其输出光功率，即可以直接由信号电流来调制光信号,直接调制或内调制,发光二极管的模拟调制原理图,发光二极管的数字调制原理图,发光二极管的频率响应,PN,结存在结电容及杂散电容，发光二极管的调制特性随着调制的频率提高而变化。频率响应可表示为,t,为载流子的寿命,随着调制频率的提高，输出光功率下降。,要提高截止频率,f,c,=1/(2,pt,),以增加调制带宽，要缩短载流子的寿命，可以通过有源区重掺杂以及高注入等方法来改进。,发光二极管的频率响应,二、半导体激光二极管（,LD,）,Laser Diode,半导体激光器工作原理,结构,：,谐振,腔，,条形结构,工作特性,：,光谱特性、,P-I,特性、调制特性等,1.,激光器的工作原理,激光器的三个基本条件：,（,1,）工作物质,（,2,）泵浦源,（,3,）光学谐振腔（与,LED,的区别）,产生激光还必须满足阈值条件及相位条件,阈值条件（临界条件）,存在工作物质的吸收、介质不均匀引起的散射、反射镜的非理想性引起的透射及散射等损耗情况，,只有光在谐振腔内往复一次的放大增益大于各种损耗引起的衰减,，激光器才能建立起稳定的激光输出，其阈值条件（临界条件）为,相位条件,谐振腔中，光波是在两块反射镜之间往复传播的，只有在满足特定相位关系的光波才能得到彼此加强，这种条件称为,相位条件,，有,q,=1,，,2,，,激光器中振荡光频率只能取某些分立值，不同,q,的一系列取值对应于沿谐振腔轴向一系列不同的电磁场分布状态，一种分布就是一个激光器的,纵模,。,2.,激光二极管的结构,也采用双异质结结构。,纵向的两个端面是晶体的解理面，相互平行且垂直于结平面，一个端面镀反射膜，另一个端面输出，构成了激光器的,FP,谐振腔。,采用,条形结构,，在垂直于结平面方向受到限制，在平行于结平面的水平方向也有波导效应，使光子及载流子局限在一个较窄及较薄的条形区域内，提高光子及载流子浓度。称为条形激光器，与光纤耦合效率较高。,两种结构：增益导引条形和折射率导引条形,。,3.,工作特性,P-I,特性,光谱特性,发光效率,调制特性,P-I,特性,存在阈值电流,I,th,：,当注入电流小于,I,th,时，自发辐射发光；当注入电流超过,I,th,时，受激辐射发光；输出功率与注入电流基本保持线性关系。,对温度很敏感,：,随着温度的升高，阈值电流增大，发光功率降低。需进行温度控制。有,光谱特性,主要由其纵模决定,峰值波长,谱宽,：,功率等于大于峰值波长功率,50%,的所有波长范围,线宽,：,某一纵模中功率等于大于最大功率一半的所有波长范围,边模抑制比,(,S,MSR,),：,主模功率与最强边模功率之比,(Side Mode Suppression Ratio),半导体激光器的发光谱线较为复杂，会随着工作条件的变化而发生变化。,当注入电流低于阈值电流时，激光器发出的是,荧光,，光谱较宽；当电流增大到阈值电流时，光谱突然变窄，强度增强，出现,激光,；当注入电流进一步增大，主模的增益增加，而边模的增益减小，振荡模式减少，最后会出现,单纵模,。,温度升高时激光器的发射谱的峰值波长向长波长方向移动,调制特性,在高速调制情况下，半导体激光器会出现许多复杂动态性质，这些特性会对系统传输速率和通信质量带来影响。,电光延迟,张弛振荡,码型效应,自脉动,单纵模分裂为多纵模,电光延迟和张弛振荡,电光延迟,：,输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在的时间延迟，一般为纳秒量级,。,张弛振荡,：,当电流脉冲注入后，输出光脉冲表现出的衰减式振荡。几百,MHz,2Ghz,的量级。,与有源区的电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命以及注入电流初始偏差量有关,。,码型效应,电光延迟时间与数字调制的码元持续时间为相同数量级时，使后一个光脉冲幅度受到前一个脉冲的影响的效应,两个连“,1”,时，第一个脉冲过后，有源区的电子以指数形式衰减。调制速率很高，脉冲间隔小于衰减周期，使第二个脉冲到来时，前一电流脉冲注入的电子并没有完全复合消失，有源区电子密度较高，输出光脉冲幅度和宽度增大。,消除：增加直流偏置电流。在阈值附近，脉冲持续时和脉冲过后有源区内电子密度变化不大，电子存储的时间大大减小，码型效应得到抑制。还可以采用在每一正脉冲后跟一负脉冲的双脉冲信号进行调制的方法，正脉冲产生光脉冲，负脉冲来消除有源区内的存储电子。单负脉冲的幅度不能过大，以免激光器,PN,结被反向击穿。,码型效应,自脉动,某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，输出光脉冲出现持续等幅的振荡，振荡的频率在几百,MHz,到,2GHz,激光器内部存在非线性增益而造成的,单纵模分裂为多纵模,直接调制使激光器的注入电流不断发生变化，有源区载流子浓度随之发生变化，导致折射率变化，谐振条件发生变化。随着调制频率的提高和调制深度的加大，会使主模的强度下降，邻近边模的强度增强，单纵模分裂为多纵模，而且线宽也增大，调制速率越高，调制深度越大，谱线展宽越多。,高速调制时激光器的输出谱线,3.,动态单纵模激光器,为降低光纤色散，希望光源的谱宽尽可能窄，要求激光器工作在单纵模状态。,在,高速调制,下仍然可以工作在单纵模的半导体激光器称为,动态,单纵模,激光器。,实现动态单纵模的方法很多，应用最为广泛的是分布反馈式激光器。,DFB,LD,、,DBR,LD,等。,分布反馈式激光器,结构与,F,P,激光器不同，不靠解理面形成的谐振腔工作，而是依赖沿纵向分布的光栅工作。,分布反馈激光器（,DFB,LD,）,分布布拉格反射激光器（,DBR,LD,）,