第九章光纖通信技術(shù)—2

1、第第9 9章章 光纖通信技術(shù)光纖通信技術(shù) 光纖通信技術(shù)是光纖應(yīng)用技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用方向，它是以光纖技術(shù)、激光技術(shù)和光電集成技術(shù)為基礎(chǔ)而發(fā)展起來(lái)的。光纖通信是以光纖作為傳輸媒介、光波為載頻的一種先進(jìn)的通信手段。即利用近紅外區(qū)域波長(zhǎng)1000nm左右的光波作為信息的載波信號(hào)，把電話(huà)、電視、數(shù)據(jù)等電信號(hào)調(diào)制到光載波上，再通過(guò)光纖傳輸信息的一種通信方式。光纖通信具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，所以光纖一經(jīng)問(wèn)世，就以科技史上罕見(jiàn)的速度迅速發(fā)展而成為有效的通信手段。本章主要介紹了光纖通信的特點(diǎn)、分類(lèi)和光纖通信系統(tǒng)的基本組成，以及光纖通信網(wǎng)絡(luò)和光通信的新技術(shù)。9.2 9.2 光源與光發(fā)送機(jī)光源與光發(fā)送機(jī) 光發(fā)送機(jī)的作用是

2、將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)，并有效地把光信號(hào)送入傳輸光纖。其關(guān)鍵器件是光源，主要功能是產(chǎn)生光載波，完成電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換。目前光纖通信廣泛使用的光源主要有半導(dǎo)體激光二極管（LD）和發(fā)光二極（LED），有些場(chǎng)合也使用固體激光器。本節(jié)首先介紹半導(dǎo)體光源的工作原理、基本結(jié)構(gòu)和主要特性，然后進(jìn)一步介紹光發(fā)送機(jī)各組成部件的工作機(jī)理。9.2.19.2.1光纖通信對(duì)光源器件的要求光纖通信對(duì)光源器件的要求 光纖通信對(duì)光源器件的要求是： 光源器件發(fā)射光波長(zhǎng)與使用光纖的傳輸窗口波長(zhǎng)一致，一般應(yīng)位于光纖的三個(gè)低衰耗窗口，即0.85m、l.31m和1.55m附近。 可以進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制，線性好，帶寬大；發(fā)射光功率足夠高，以

3、便可以傳輸較遠(yuǎn)的距離。光源器件一定要能在室溫下連續(xù)工作，而且其入纖光功率足夠大，最少也應(yīng)有數(shù)百微瓦，甚至達(dá)到1mW（0dBm）以上。 溫度穩(wěn)定性好，即溫度變化時(shí)，輸出光功率以及波長(zhǎng)變化應(yīng)在允許的范圍內(nèi)。光源器件的輸出特性如發(fā)光波長(zhǎng)與發(fā)射光功率大小等，一般來(lái)講隨溫度變化而變化，尤其是在較高溫度下其性能容易劣化。 發(fā)光譜寬窄，以降低光纖色散的影響。光源器件發(fā)射出來(lái)的光的譜線寬度應(yīng)該越窄越好。因?yàn)槿羝渥V線過(guò)寬，會(huì)增大光纖的色散，減小了光纖的傳輸容量與傳輸距離（色散受限制時(shí)）。例如對(duì)于長(zhǎng)距離、大容量的光纖通信系統(tǒng)，其光源的譜線寬度應(yīng)該小于2nm，甚至到亞納米級(jí)。 可靠性高，要求它工作壽命長(zhǎng)，工作穩(wěn)定性

4、好，具有較高的功率穩(wěn)定性、波長(zhǎng)穩(wěn)定性和光譜穩(wěn)定性；光纖通信要求其光源器件長(zhǎng)期連續(xù)工作，因此光源器件的工作壽命越長(zhǎng)越好。目前工作壽命近百萬(wàn)小時(shí)（約100年）的半導(dǎo)體激光器已經(jīng)商用化。 體積小、質(zhì)量輕、與光纖之間有較高的耦合效率。光源器件要安裝在光發(fā)送機(jī)或光中繼器內(nèi)，為使這些設(shè)備小型化，光源器件必須體積小、質(zhì)量輕。由于光纖的幾何尺寸極小（單模光纖的芯徑不足1m） ,所以要求光源器件要具有與光纖較高的耦合效率。 能夠滿(mǎn)足以上要求的光源一般為半導(dǎo)體發(fā)光器，另外全光纖激光器作為一種新型的激光器也有望在光纖通信系統(tǒng)中發(fā)揮其作用。目前，光纖通信中最常用的半導(dǎo)體發(fā)光器件是LED和LD。前者可用于短距離、低容量

5、或模擬系統(tǒng)，其成本低，可靠性高；后者適用于長(zhǎng)距離、高速率的系統(tǒng)。 9.2.29.2.2發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LEDLED）1.LED1.LED的發(fā)光機(jī)理與結(jié)構(gòu)的發(fā)光機(jī)理與結(jié)構(gòu) LED的核心部分是由P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合構(gòu)成的PN結(jié)，為正向工作器件。一般的PN結(jié)由同一種半導(dǎo)體材料構(gòu)成，P區(qū)、N區(qū)具有相同的帶隙和接近相同的折射率，這種PN結(jié)稱(chēng)為同質(zhì)結(jié)。在同質(zhì)結(jié)中，光發(fā)射在結(jié)的兩邊都可以發(fā)生，因此，發(fā)光不集中，強(qiáng)度低，需要較大的注入電流。器件工作時(shí)發(fā)熱非常嚴(yán)重，必須在低溫環(huán)境下工作，不可能在室溫下連續(xù)工作。為了克服同質(zhì)結(jié)的缺點(diǎn)，需要加強(qiáng)結(jié)區(qū)的光波導(dǎo)作用及對(duì)載流子的限定作用，這時(shí)可以采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。所

6、謂異質(zhì)結(jié)，就是由帶隙及折射率都不同的兩種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的PN結(jié)。異質(zhì)結(jié)可分為單異質(zhì)結(jié)（SH）和雙異質(zhì)結(jié)（DH）。異質(zhì)結(jié)是利用不同折射率的材料來(lái)對(duì)光波進(jìn)行限制，利用不同帶隙的材料對(duì)載流子進(jìn)行限制，如圖9.2所示。LED是由P型半導(dǎo)體形成的P層和N型半導(dǎo)體形成的N層，以及在中間由異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的有源層組成。有源層是發(fā)光的區(qū)域，其厚度為0.10.2m。 形成發(fā)光條件的過(guò)程參見(jiàn)圖9.2。由雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)成LED的能帶狀態(tài)，使P層和有源層以及N層的能量差（即帶隙）變大。這個(gè)能量差就是所謂的異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘。在正向偏壓作用下，N區(qū)的電子將向正方向擴(kuò)散進(jìn)入有源層，P區(qū)的空穴也將向負(fù)方向擴(kuò)散進(jìn)入有源層。進(jìn)入有源層的電子和空

7、穴，由于異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘作用而被封閉在有源層內(nèi)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。封閉在有源層內(nèi)并形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的電子，經(jīng)躍遷與空穴 復(fù)合時(shí)，電子從高能級(jí)范圍的導(dǎo)帶躍遷到低能級(jí)范圍的價(jià)帶，并釋放出能量約等于禁帶寬度Eg（導(dǎo)帶與價(jià)帶之差）的光子，即發(fā)出熒光。這種復(fù)合的自發(fā)輻射光通過(guò)外加正向偏置形成的注入電流，源源不斷地向有源層提供電子和空穴得以維持。 LED由于利用正向偏壓下的PN結(jié)在有源層內(nèi)載流子的復(fù)合發(fā)出自發(fā)輻射的光，所以LED的出射光是一種非相干光，其譜線較寬(3060nm) ，輻射角也較大。在低速率的數(shù)字通信和較窄帶寬的模擬通信系統(tǒng)中，LED是可以選用的最佳光源，與LD相比，LED的驅(qū)動(dòng)電路較為簡(jiǎn)單，并

8、且產(chǎn)量高、成本低。LED主要有五種結(jié)構(gòu)類(lèi)型，但在光纖通信中獲得了廣泛應(yīng)用的只有兩種，即面發(fā)光二極管（SLED）和邊發(fā)光二極管（ELED）。 SLED的結(jié)構(gòu)如圖9.3所示，由n-p-p雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)成。雙異質(zhì)結(jié)生長(zhǎng)在LED頂部的nGaAs襯底上，pGaAs有源層厚度僅12m,與其兩邊的nA1GaAs和pA1GaAs構(gòu)成兩個(gè)異質(zhì)結(jié)，限制了有源層中的載流子及光場(chǎng)分布。這種LED有源層發(fā)射面限定在一個(gè)小區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域的橫向尺寸與光纖尺寸相近。有源層中產(chǎn)生的光發(fā)射穿過(guò)襯底耦合入光纖，由于襯底材料的光吸收很大，可利用腐蝕的方法在襯底材料正對(duì)有源區(qū)部位腐蝕出一個(gè)凹坑，使光纖能直接靠近有源區(qū)。另外，在p+GaAs

9、一側(cè)用Si02掩模技術(shù)形成一個(gè)圓形的接觸電極，從而限定了有源層中源區(qū)的電流密度約200A/cm2。這種圓形發(fā)光面發(fā)出的光輻射具有朗伯分布。 SLED輸出的功率較大，一般注入100mA電流時(shí)，就可達(dá)幾個(gè)毫瓦，但光發(fā)散角大，水平和垂直發(fā)散角都可達(dá)到120，與光纖的耦合效率低。為了提高耦合效率，圖圖9.3 SLED9.3 SLED的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)可在發(fā)光面與光纖之間凹陷的區(qū)域注入環(huán)氧樹(shù)脂，并在光纖末端放置微透鏡或形成球透鏡，從而使入纖功率提高23倍。圖圖9.4 ELED9.4 ELED的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) ELED的結(jié)構(gòu)圖如圖9.4所示。這種結(jié)構(gòu)的目的是為了降低有源層中的光吸收并使光束有更好的方向性，光從有源層

10、的端面輸出。ELED利用Si02掩模技術(shù)，在P面形成垂直于端面的條形接觸電極（4050m），從而限定了有源區(qū)的寬度；同時(shí)，增加光波導(dǎo)層，進(jìn)一步提高光的限定能力，把有源區(qū)產(chǎn)生的光輻射導(dǎo)向發(fā)光面，提高與光纖的耦合效率。另外，ELED有源區(qū)一端鍍高反射膜，另一端鍍?cè)鐾改?，以?shí)現(xiàn)單向出光。這種 LED在垂直于結(jié)平面方向，發(fā)散角約為30，具有比SLED高的輸出耦合效率。2.LED2.LED的主要特性的主要特性(1)光功率注入電流(P-I)特性 LED的輸出光功率P與注入電流I的關(guān)系，即P-I特性，如圖9.5所示。LED為非閾值器件，其發(fā)光率隨工作電流增大而增大，當(dāng)注入電流較小時(shí)，線性度非常好；但當(dāng)注入電

11、流比較大時(shí)，由于PN結(jié)的發(fā)熱，發(fā)光效率降低，并在大電流時(shí)出現(xiàn)逐漸飽和現(xiàn)象。在同樣的注入電流下，SLED的輸出功率要比ELED大2.53倍，這是由于ELED受到更多的吸收和界面復(fù)合的影響。 在通常應(yīng)用條件下，LED的工作電流通常為50150mA，偏置電壓1.21.8V，輸出功率約幾毫瓦，但因其與光纖的耦合效率很低，入纖功率要小很多。 溫度對(duì)LED的P-I特性也有影響，如圖9.5所示，當(dāng)工作溫度升高時(shí)，同一電流下的發(fā)射功率要降低，如當(dāng)溫度從20升高到70時(shí)，輸出功率下降約一半。但相對(duì)LD而言，LED的溫度特性較好，在實(shí)際應(yīng)用中，一般可以不加溫度控制。 (2)發(fā)光波長(zhǎng)與光譜特性 LED發(fā)射的光子的能

12、量、波長(zhǎng)取決于半導(dǎo)體材料的帶隙Eg，以電子伏特（eV）表示，發(fā)射波長(zhǎng)為)()(240. 1gmeVE（9.1） 例如，對(duì)于GaAs,Eg1.22eV，用它制作的LED的發(fā)射波長(zhǎng)就為0.87m。不同的半導(dǎo)體材料、不同的材料成分有不同的禁帶寬度Eg ，可以發(fā)射不同波長(zhǎng)的光。LED的工作原理基于半導(dǎo)體的自發(fā)輻射，并且LED沒(méi)有諧振腔實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)的選擇，因此發(fā)光譜線較寬。由于半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶和價(jià)帶都由許多不同的能級(jí)組成，如圖9.6（a）所示。大多數(shù)的載流子復(fù)合發(fā)生在平均帶隙上，但也有一些復(fù)合發(fā)生在最低及最高能級(jí)之間。因此，LED的發(fā)射波長(zhǎng)在其中心值附近占據(jù)較大的范圍。如把光強(qiáng)下降一半時(shí)的兩點(diǎn)間波長(zhǎng)范圍定

13、義為輸出譜線寬度（半功率點(diǎn)全寬FWHP），即光源的線寬，如圖9.6（b）所示。在室溫下，短波長(zhǎng)LED的線寬為2520nm，長(zhǎng)波長(zhǎng)LED的線寬則可達(dá)75100nm。LED的譜線寬度反映了有源區(qū)材料的導(dǎo)帶與價(jià)帶內(nèi)的載流子分布。圖圖9.6 9.6 導(dǎo)體的價(jià)帶能級(jí)間的光發(fā)射及線寬導(dǎo)體的價(jià)帶能級(jí)間的光發(fā)射及線寬圖圖9.7 LED9.7 LED的譜線特性的譜線特性 LED的線寬與許多因素有關(guān)。線寬隨有源層摻雜濃度的增加而增加，如圖9.7（a）所示。通常SLED為重?fù)诫s，ELED為輕摻雜，因此ELED的線寬稍窄。載流子在高溫下有更寬的能量分布，因此，大電流時(shí)隨結(jié)溫升高而線寬加大，同時(shí)峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波移動(dòng)，移動(dòng)

14、速度為0.20.3nm/（短波長(zhǎng)器件）或0.30.5nm/（長(zhǎng)波長(zhǎng)器件），如圖9.7（b）所示。由于LED的線寬大，使光纖色散加重，從而限制了傳輸距離和速率。(3)調(diào)制特性 從LED的P-I特性可見(jiàn)，改變LED的注入電流就可以改變其輸出光功率，如圖9.8所示。這種直接改變光源注入電流實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方式稱(chēng)為直接調(diào)制或內(nèi)調(diào)制（IM）。在數(shù)字調(diào)制時(shí)，可由電流源直接控制LED的通斷；在模擬調(diào)制時(shí)，則先要將LED直流偏置IB。圖圖9.8 LED9.8 LED的調(diào)制原理圖的調(diào)制原理圖 LED的調(diào)制特性主要包括線性和帶寬兩個(gè)參量。從LED的PI特性可知，當(dāng)注入小電流時(shí)，其線性相當(dāng)好，但當(dāng)注入電流較大時(shí)，會(huì)逐漸出

15、現(xiàn)飽和現(xiàn)象，使模擬調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生失真。因此，即使對(duì)于線性要求較高的模擬傳輸來(lái)說(shuō)，LED工作在線性區(qū)時(shí)也是非常合適的光源。但若是對(duì)線性要求特別高（如廣播電視傳輸）時(shí)，則需要利用線性補(bǔ)償電路進(jìn)行線性補(bǔ)償。圖圖9.9 LED9.9 LED的頻率響應(yīng)的頻率響應(yīng) LED調(diào)制特性的另一個(gè)重要參量是調(diào)制帶寬。在調(diào)制頻率較低時(shí)，輸出交流功率正比于調(diào)制電流；但隨著調(diào)制頻率的提高，交流功率會(huì)下降。圖9.9為L(zhǎng)ED的頻率響應(yīng)，圖中顯示出少數(shù)載流子的壽命和截止頻率fc的關(guān)系。對(duì)有源區(qū)為低摻雜濃度的LED，適當(dāng)增加工作電流可以縮短載流子壽命，提高截止頻率。3.LED3.LED的特點(diǎn)的特點(diǎn) LED是光纖通信中應(yīng)用非常廣泛的

16、光源器件之一，因?yàn)樗哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)： 線性度好。LED發(fā)光功率的大小基本上與其中的工作電流成正比關(guān)系，也就是說(shuō)LED具有良好的線性度。 溫度特性好。相對(duì)于LD而言，LED的溫度特性比較好，在溫度變化100的范圍內(nèi)，其發(fā)光功率的降低不會(huì)超過(guò)50%，因此在使用時(shí)一般不需要加溫控措施。 價(jià)格低、壽命長(zhǎng)、使用簡(jiǎn)單。LED是一種非閾值器件，所以使用時(shí)不需要進(jìn)行預(yù)偏置，也不存在閾值電流隨溫度及工作時(shí)間而變化的問(wèn)題，故其使用非常簡(jiǎn)單。此外，與LD相比它價(jià)格低廉，工作壽命也較長(zhǎng)。據(jù)報(bào)道工作壽命近千萬(wàn)小時(shí)（107）的LED已經(jīng)問(wèn)世。同樣，LED也存在以下缺點(diǎn)： 由于LED的發(fā)光機(jī)理是自發(fā)輻射發(fā)光，所發(fā)出的光不是相

17、干光而是熒光，所以其譜線較寬，一般在30100nm范圍，故難以用于大容量的光纖通信之中。 LED和光纖的耦合效率比較低，一般僅有1%2%,最多不超過(guò)10%。光源器件與光纖之間的耦合效率，與光源發(fā)光的輻射圖形、光源出光面積與纖芯面積之比以及兩者之間的對(duì)準(zhǔn)程度、距離等因索有關(guān)。4.LED4.LED的應(yīng)用范圍的應(yīng)用范圍 由于LED譜線較寬、與光纖耦合效率較低，所以難以用于大容量長(zhǎng)距離的光纖通信。但因其使用簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，工作壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，它廣泛地應(yīng)用在較小容量，較短距離的光纖通信之中；而且由于其線性度甚佳，所以也常用于對(duì)線性變要求較高的模擬光纖通信之中。9.2.39.2.3半導(dǎo)體激光器（半導(dǎo)體激光器

18、（LDLD）1.1.半導(dǎo)體激光器的工作原理與結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的工作原理與結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體激光器即激光二極管（LD）是利用在有源區(qū)中受激輻射而發(fā)射光的光器件。LD產(chǎn)生激光輸出的三個(gè)基本條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布、提供光反饋和滿(mǎn)足激光振蕩的閾值條件。 為了產(chǎn)生受激輻射，必須建立粒子非平衡分布，使高能級(jí)的粒子數(shù)大于低能級(jí)的粒子數(shù)，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。使受激輻射大于受激吸收、處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，可采用電或光的泵浦。 在有源區(qū)內(nèi)，開(kāi)始少數(shù)載流子的自發(fā)輻射產(chǎn)生光子。一部分光子一旦產(chǎn)生，就穿出有源區(qū)，得不到放大；而另一 部分光子可能在有源區(qū)內(nèi)傳播，并引起其他電子空穴對(duì)的受激輻射，產(chǎn)激輻射，產(chǎn)生更多的性能相同的光子，得

19、到放大。為了得到激光，必須將激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，如圖9.10所示。通過(guò)腔兩端的反射，向光子提供正反饋。光信號(hào)每通過(guò)一次增益介質(zhì)就得到一次放大。這種光學(xué)結(jié)構(gòu)稱(chēng)為法布里一珀羅諧振腔，簡(jiǎn)稱(chēng)F-P諧振腔。圖圖9.10 FP 9.10 FP 諧振腔諧振腔 由于在諧振腔中，光波是在兩塊反射鏡之間往復(fù)傳輸，這時(shí)只有在滿(mǎn)足特定相位關(guān)系的光波才能得到彼此加強(qiáng)，即相位條件，對(duì)應(yīng)光波頻率為nLmcfm2（9.2）式中，fm為光波的頻率；n為工作介質(zhì)的折射率；c為光速；m=1,2,。由（9.2）式可以看出，激光器中振蕩光頻率只能取某些分立值，一系列不同的m取值對(duì)應(yīng)于沿諧振腔軸向一系列不同的電磁場(chǎng)分布狀態(tài)（駐波）

20、，通常把這種沿諧振腔的軸線方向（縱向）形成的駐波叫做縱模。一般半導(dǎo)體激光器的m值為2000左右。相鄰兩縱模之間的頻率之差：nLcf2（9.3）稱(chēng)為縱模間隔，它與諧振腔長(zhǎng)及工作物質(zhì)有關(guān)。LD中激光振蕩也可以出現(xiàn)在垂直于腔軸線的方向，這是平面波偏離軸向傳輸時(shí)產(chǎn)生的橫向電磁場(chǎng)分布，稱(chēng)為橫模。 在注入電流的作用下，有源區(qū)的受激輻射不斷增強(qiáng)，稱(chēng)為增益。在F-P腔中，每次通過(guò)增益介質(zhì)時(shí)的增益盡管很小，但經(jīng)過(guò)多次振蕩后，增益變得足夠大。LD工作過(guò)程中，光在諧振腔內(nèi)傳播，除了增益介質(zhì)的光放大作用外，還存在工作物質(zhì)的吸收、介質(zhì)不均勻引起的散射，反射鏡的非理想性引起的透射及散射等損耗情況，所以也就只有光波在諧振腔

21、內(nèi)往復(fù)一次的放大增益大于各種損耗引起的衰減，激光器才能建立起穩(wěn)定的激光輸出。因此LD是閾值器件，只有在工作電流超過(guò)閾值電流的條件下，才會(huì)輸出激光。圖圖9.11 LD9.11 LD的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) LD的結(jié)構(gòu)如圖9.11所示。其結(jié)構(gòu)與LED的結(jié)構(gòu)類(lèi)似，通常也是由P層、N層和形成雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的有源層構(gòu)成。和LED所不同的是，為了實(shí)現(xiàn)光的放大反饋，用半導(dǎo)體工藝技術(shù)在垂直于PN結(jié)有源層的兩個(gè)端面加工出兩個(gè)相互平行的反射鏡面，這兩個(gè)反射鏡面與原來(lái)的兩個(gè)結(jié)里面（晶體的天然晶面）構(gòu)成了諧振腔結(jié)構(gòu)。當(dāng)在雙異質(zhì)結(jié)LD兩端加上正偏置電壓時(shí)，像LED一樣在PN結(jié)區(qū)域內(nèi)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生電子與空穴的復(fù)合而釋放光子。只

22、要外加正偏置電流足夠大，光子的往復(fù)運(yùn)動(dòng)就會(huì)激射出更多的、與之頻率相同的光子，即發(fā)生振蕩現(xiàn)象，從而發(fā)出激光。 2.LD2.LD主要特性主要特性 （1） PI特性 LD的PI曲線如圖9.12所示。從圖9.12可以看出，隨著激光器注入電流I的增加，其輸出光功率P增加，但不是成直線關(guān)系，存在一個(gè)閾值電流Ith。當(dāng)注入電流小于閾值電流時(shí)，激光器發(fā)出微弱的自發(fā)輻射光，類(lèi)似于LED的發(fā)光情況，LD發(fā)出的是光譜很寬、相干性很差的自發(fā)輻射光。只有當(dāng)注入電流大于閾值電流后，激光器進(jìn)入受激輻射狀態(tài)發(fā)射出激光，輸出光功率才隨注入電流增加而迅速增加且與注入電流基本保持線性關(guān)系。 （2）溫度特性 LD的P-I特性對(duì)溫度很

23、敏感，圖9.13給出了不同溫度下P-I特性的變化情況。LD的P-I特性隨器件的工作溫度要發(fā)生變化，當(dāng)溫度升高時(shí)，LD的P-I特性發(fā)生變化，閾值電流也會(huì)升高，閾值電流與溫度T的關(guān)系可表示為)exp()(00thTTITI（9.4）式中，T0為器件的特征溫度，T、 T0為熱力學(xué)溫度；I0為T(mén)T0時(shí)閾值電流的1/e。圖圖9.12 LD9.12 LD的的P-IP-I曲線曲線圖圖9.13 LD9.13 LD的的PIPI曲線隨溫度的變化曲線隨溫度的變化 為解決LD溫度敏感的問(wèn)題，可以在驅(qū)動(dòng)電路中進(jìn)行溫度補(bǔ)償，或是采用制冷器來(lái)保持器件的溫度穩(wěn)定。通常將LD與熱敏電阻、半導(dǎo)體制冷器等封裝在一起，構(gòu)成組件。熱敏

24、電阻用來(lái)檢測(cè)器件溫度，控制制冷器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)恒溫。 （3）發(fā)射波長(zhǎng)與光譜特性 LD的發(fā)光原理是位于高能級(jí)（E2）的電子躍遷到低能級(jí)時(shí)釋放出多余的能量而轉(zhuǎn)換為輻射發(fā)光。輻射光的光量子能量等于E2-E1，光的頻率與該能量差成正比，即）（eVEEEhg12（9.5）式中，是光的頻率，h是普朗克常數(shù)，則光波長(zhǎng)由上式得m1024. 161212EEEEhc（9.6） FP-LD通常工作在多縱模狀態(tài)，輸出多縱模激光，光譜較寬（24nm），如圖9.14（a）所示。然而光纖長(zhǎng)距離、大容量的傳輸過(guò)程中，多縱模的存在將使光纖中的色散增加。這種多縱模LD可以工作在1.31m波長(zhǎng)上，速率高達(dá)2Gb/s的第二代

25、光纖通信系統(tǒng)，但不能工作在1.55m波長(zhǎng)的第三代光纖通信系統(tǒng)，除非采用色散位移光纖，或設(shè)計(jì)出單縱模工作的LD，單縱模LD中除了一個(gè)主模外，其他縱模都被抑制，同時(shí)主模的譜線寬度非常窄，通常小于1nm，如圖9.12（b）所示。圖圖9.14 LD9.14 LD的多模（的多模（a a）和單模（）和單模（b b）輸出譜）輸出譜 （4）發(fā)光效率 LD的光功率輸出可表示為式中，I為注入電流；i為內(nèi)量子效率，測(cè)試表明，室溫下其值為0.60.7；d為微分外量子效率，定義為閾值以上光子輸出速率增量與注入電子增量之比，顯然與各種損耗有關(guān)。d可通過(guò)PI特性的斜率P/I來(lái)計(jì)算:thdi0IIehP（9.7）IPEeeI

26、hPgd（9.8）式中，Eg為帶隙能量，為工作波長(zhǎng)。通常LD每個(gè)端面的d的值為0.150.25，高質(zhì)量的LD則可達(dá)0.300.40,但在使用上也不是d越大越好。在高注入電流時(shí)（如I5Ith），d T；而低注入時(shí)則T要下降。另外，LD的轉(zhuǎn)換效率為輸出光功率與輸入電功率之比，通常約為10%，這在激光器中效率是高的。 （5）調(diào)制特性 與LED調(diào)制不同的是，LD由于存在閾值電流，在實(shí)際的調(diào)制電路中，為提高響應(yīng)速度和不產(chǎn)生失真，需要進(jìn)行直流偏置處理。圖9.15為L(zhǎng)D的直接調(diào)制的原理圖。在高速調(diào)制情況下，LD會(huì)出現(xiàn)許多復(fù)雜動(dòng)態(tài)性質(zhì)，如出現(xiàn)電光延遲、弛豫振蕩、自脈動(dòng)和碼型效應(yīng)等現(xiàn)象。這些特性會(huì)對(duì)系統(tǒng)傳輸速率

27、和通信質(zhì)量帶來(lái)影響。thdT1II（9.9）當(dāng)注入電流I在閾值電流Ith以上時(shí)，LD的輸出功率與注入電流近似成線性，其總效率T（外量子效率）可表示為圖圖9.15 LD9.15 LD的直接調(diào)制原理圖的直接調(diào)制原理圖 LD在信號(hào)電流直接調(diào)制下，除了輸出強(qiáng)度發(fā)生變化外，其譜特性也會(huì)發(fā)生變化，如圖9.16所示。在閾值附近，輸出較寬，隨著電流的增大，模式選擇性增大，相鄰模得到抑制。這時(shí)，總的強(qiáng)度不變，但模間相對(duì)強(qiáng)度在改變。這種模間分配效應(yīng)在直接調(diào)制下最明顯，使長(zhǎng)距離光纖系統(tǒng)中因光纖色散而在接收機(jī)內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)度脈動(dòng)，使誤碼率增大。圖圖9.16 GaAs9.16 GaAsLD LD 直直流流 （6）噪聲特性 L

28、D的輸出總伴隨有噪聲分量，表現(xiàn)為強(qiáng)度、相位和頻率的隨機(jī)波動(dòng)，即使在恒定的電流偏置下，這些波動(dòng)亦總是存在。LD的噪聲源于自發(fā)輻射，每個(gè)自發(fā)輻射光子向由受激輻射建立的相干光場(chǎng)疊加一個(gè)相位隨機(jī)變化的小的場(chǎng)分量，從而以隨機(jī)的方式擾動(dòng)了相干光場(chǎng)的振幅和相位，由于LD的自發(fā)輻射速率較大，因而隨機(jī)擾動(dòng)的速率很高，結(jié)果輻射光強(qiáng)度和波動(dòng)速率亦很高。強(qiáng)度的波動(dòng)導(dǎo)致激光器的調(diào)制脈沖輸出信噪比降低。而相位波動(dòng)導(dǎo)致在連續(xù)工作時(shí)有限譜線，在脈沖工作時(shí)導(dǎo)致LD輸出譜線的展寬。圖圖9.17 9.17 單縱模單縱模LDLD的增益和損耗分布的增益和損耗分布3. 單縱模LD 單縱模工作的LD的設(shè)計(jì)思想基于縱模的損耗差，即不同的縱模

29、具有不同的損耗，使某一縱模的損耗最小（凈增益最大）而達(dá)到振蕩條件。圖9.17給出了這種LD的增益和損耗分布，具有最小損耗的縱模首先達(dá)到閾值條件而成為振蕩主模，其他模式由于具有較大的損耗而基本上被抑制掉。 單縱模LD的性能通常由邊模抑制比（MSR）來(lái)表征，其定義為smmmPPMSR （9.10）式中，Pmm為主模的功率，Psm為最大的邊模(次模)的功率。對(duì)于一個(gè)較好的單縱模LD,MSR大于30dB。 分布反饋LD是一種可以產(chǎn)生動(dòng)態(tài)控制的單縱模激光器，這種結(jié)構(gòu)的LD又可分為分布反饋LD（DFB-LD，光柵沿著整個(gè)有源層）和分布布拉格反射LD（DBR-LD，其光柵位于有源層的兩端）。在對(duì)光具有放大作

30、用的有源層附近，表面刻有波紋狀衍射光柵，以形成光的反饋，構(gòu)成一只對(duì)波長(zhǎng)敏感的諧振腔。這種分布反饋結(jié)構(gòu)像是分布著多個(gè)光學(xué)諧振腔，根據(jù)衍射光柵的周期性結(jié)構(gòu)（波紋狀的間距），使LD具有極強(qiáng)的波長(zhǎng)選擇性，實(shí)現(xiàn)了發(fā)光波長(zhǎng)的單縱模工作。 DFB-LD的線寬大約為DBR-LD的線寬的1/10（約0.5nm），如圖9.18所示，從而使波長(zhǎng)色散的影響大為降低，可以實(shí)現(xiàn)速率為數(shù)Gb/s的超高速傳輸。圖圖9.18 9.18 分布反饋分布反饋LDLD4. LD的特點(diǎn)（1）LD的優(yōu)點(diǎn) LD所發(fā)出的光的譜線十分狹窄，有15nm。從而大大降低了光纖系統(tǒng)的色散，增大了光纖的傳輸帶寬。故LD可適用于大容量的光纖通信。 LD所發(fā)

31、出的光的方向一致性好，發(fā)散角小，與光纖的耦合效率較高。一般用直接耦合方式就可達(dá)20%以上，如果采用適當(dāng)?shù)鸟詈洗胧┛蛇_(dá)90%。由于耦合效率高，入纖光功率大，故LD適用于長(zhǎng)距離的光纖通信。 LD是一個(gè)閾值器件，在實(shí)際使用時(shí)必須對(duì)之進(jìn)行預(yù)偏置。對(duì)LD進(jìn)行預(yù)偏置可以減少由于建立和閾值電流相對(duì)應(yīng)的載流子密度所出現(xiàn)的時(shí)延，提高LD的調(diào)制速率，使LD適用于大容量光纖通信。 （2）LD的缺點(diǎn) 和LED相比，LD的溫度特性較差，主要表現(xiàn)在其閾值電流隨溫度的上升而增加。當(dāng)溫度從20上升到50時(shí)，LD的閾值電流會(huì)增加12倍，這樣會(huì)給使用帶來(lái)許多不便。在一般情況下LD要加溫度控制和制冷措施。為了獲得好的高頻調(diào)制性能，驅(qū)動(dòng)電