2.2第二讲 半导体光源的工作特性及对通信的影响

1、光纤通信课程光纤通信课程 第一讲第一讲 半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理 第二讲第二讲 半导体光源的结构与工作特性半导体光源的结构与工作特性 第三讲第三讲 数字光发射机数字光发射机 光纤通信课程光纤通信课程 第二讲 半导体光源的结 构与工作特性 ？LED与与LD的比较（原理，结构，工作特性，的比较（原理，结构，工作特性， 在通信中的应用）在通信中的应用） 光纤通信课程光纤通信课程 一、半导体发光二极管一、半导体发光二极管(LED) Light Emitting Diode 结构结构： 面发光、边发光面发光、边发光 工作特性工作特性： 光谱特性、光谱特性、 P-I特性、发光效率、调制特性

2、、发光效率、调制 特性等特性等 光纤通信课程光纤通信课程 1. 发光二极管的结构发光二极管的结构 实际中多采用异质结实际中多采用异质结 根据发光面与根据发光面与PN结的结的结平面平行或垂直结平面平行或垂直 可分为面发光二极管（可分为面发光二极管（SLEDSLED）和边发光）和边发光 二极管（二极管（ELEDELED）两种结构）两种结构 光纤通信课程光纤通信课程 面发光二极管（面发光二极管（SLEDSLED） 光纤通信课程光纤通信课程 光纤通信课程光纤通信课程 面发光：面发光： 从平行于结平面的表面发光。从平行于结平面的表面发光。 特点：特点： 工艺简单工艺简单 发散角大发散角大 效率低效率低

3、调制带宽较窄调制带宽较窄 光纤通信课程光纤通信课程 面发光：面发光： 从结区边缘发光。从结区边缘发光。 特点：发散角，耦合效率，调制带宽均比特点：发散角，耦合效率，调制带宽均比SLED有改善。有改善。 边发光二极管边发光二极管 （ELEDELED） 光纤通信课程光纤通信课程 2. 工作特性工作特性 光谱特性光谱特性 P-I特性特性 发光效率发光效率 调制特性调制特性 光纤通信课程光纤通信课程 光谱特性光谱特性 光纤通信课程光纤通信课程 自发辐射发光，没有谐振腔，发光谱自发辐射发光，没有谐振腔，发光谱 线较宽线较宽 谱宽为半最大值处的全宽度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

4、有源区掺杂浓度的增加而增加 随着温度的升高加宽随着温度的升高加宽 光纤通信课程光纤通信课程 P-I特性特性 光纤通信课程光纤通信课程 P-I特性描述了输出的光功率随注入电特性描述了输出的光功率随注入电 流的变化关系流的变化关系 当注入电流较小时，线性度非常好；当注入电流较小时，线性度非常好； 当注入电流比较大时，由于当注入电流比较大时，由于PN结的发结的发 热，发光效率降低，出现了饱和现象。热，发光效率降低，出现了饱和现象。 温度对温度对PI特性的影响，当温度升高时，特性的影响，当温度升高时， 同一电流下的发射功率要降低同一电流下的发射功率要降低 光纤通信课程光纤通信课程 发光效率发光效率 分

5、为内量子效率和外量子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）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）外量子效率：（材料吸收、波导效应等） 空穴对数单位时间内注入的电子 数单位时间内产生的光子 int 注入的总电子数 输出的光子数 ext 光纤通信课程光纤通信课程 调制特性调制特性 改变发光二极管的注入电流就可以改变发光二极管的注入电流就可以 改变其输出光功率，即可以直接由信号改变其输出光功率，即可以直接由信号 电流来调制光信号电流来调制光信号直接调制或内调直接调制或内调 制制 光纤通信课程光纤通信课程 发光二极管的模拟调制原理图发光二极管的模拟

6、调制原理图 光纤通信课程光纤通信课程 发光二极管的数字调制原理图发光二极管的数字调制原理图 光纤通信课程光纤通信课程 发光二极管的频率响应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fc=1/(2pt)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。 )2(1 1 )0( )( )( tpfP fP fH 光纤通信课程光纤通信课程 发光二极管的频率响应发光二极管的频率响应 光纤通信课程光纤通信课程 二、半导体激光二极

7、管（二、半导体激光二极管（LD） Laser Diode 半导体激光器工作原理半导体激光器工作原理 结构结构： 谐振谐振腔，腔，条形结构条形结构 工作特性工作特性： 光谱特性、光谱特性、P-I特性、调制特性等特性、调制特性等 光纤通信课程光纤通信课程 反 射 镜工 作 物 质部 分 反 射 镜 激 光 输 出 z 1. 激光器的工作原理激光器的工作原理 光纤通信课程光纤通信课程 激光器的三个基本条件：激光器的三个基本条件： （1）工作物质）工作物质 （2）泵浦源）泵浦源 （3）光学谐振腔（与）光学谐振腔（与LEDLED的区别）的区别） 产生激光还必须满足阈值条件及相位条件产生激光还必须满足阈值

8、条件及相位条件 光纤通信课程光纤通信课程 阈值条件（临界条件）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的散射、反射镜的非理想性引起的透射及 散射等损耗情况，散射等损耗情况，只有光在谐振腔内往复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）为值条件（临界条件）为 2 1 ln 2 1 R R L th 光纤通信课程光纤通信课程 相位条件相位条件 谐振腔中，光波是在两块

9、反射镜之间往复传播谐振腔中，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，这种条件称为彼此加强，这种条件称为相位条件相位条件，有，有 q=1，2， 激光器中振荡光频率只能取某些分立值，不同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同的电磁场分布状态，一种分布就是一个激光 器的器的纵模纵模。 nL cq f q 2 光纤通信课程光纤通信课程 2. 激光二极管的结构激光二极管的结构 也采用双异质结结构。

10、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，于结平面，一个端面镀反射膜，另一个端面输出， 构成了激光器的构成了激光器的FP谐振腔。谐振腔。 采用采用条形结构条形结构，在垂直于结平面方向受到限制，在，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，与光纤耦合光子及载流子浓度。称为条形激光器，

11、与光纤耦合 效率较高。效率较高。 两种结构：增益导引条形和折射率导引条形两种结构：增益导引条形和折射率导引条形。 光纤通信课程光纤通信课程 3. 工作特性工作特性 P-I特性特性 光谱特性光谱特性 发光效率发光效率 调制特性调制特性 光纤通信课程光纤通信课程 P-I特性特性 光纤通信课程光纤通信课程 存在阈值电流存在阈值电流Ith：当注入电流小于当注入电流小于Ith时，时， 自发辐射发光；当注入电流超过自发辐射发光；当注入电流超过Ith时，时， 受激辐射发光；输出功率与注入电流基受激辐射发光；输出功率与注入电流基 本保持线性关系。本保持线性关系。 对温度很敏感对温度很敏感：随着温度的升高，阈值

12、随着温度的升高，阈值 电流增大，发光功率降低。需进行温度电流增大，发光功率降低。需进行温度 控制。有控制。有 )exp()( 0 0 T T ITIth 光纤通信课程光纤通信课程 光谱特性光谱特性 光纤通信课程光纤通信课程 主要由其纵模决定主要由其纵模决定 峰值波长峰值波长 谱宽谱宽：功率等于大于峰值波长功率功率等于大于峰值波长功率50%50%的所的所 有波长范围有波长范围 线宽线宽：某一纵模中功率等于大于最大功率一某一纵模中功率等于大于最大功率一 半的所有波长范围半的所有波长范围 边模抑制比边模抑制比( (S SMSR) )：主模功率与最强边模主模功率与最强边模 功率之比功率之比 (Side

13、 Mode Suppression Ratio)(Side Mode Suppression Ratio) )/lg(10 边主 PPSMSR 光纤通信课程光纤通信课程 半导体激光器的发光谱线较为复杂，会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。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，激光器发当注入电流低于阈值电流时，激光器发 出的是出的是荧光荧光，光谱较宽；当电流增大到，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，阈值电流时，光谱突然变窄，强度增强， 出现出现激光激光；当注入电流进一步增大，主；当注入电流进一步增大，主 模的增益增加，

14、而边模的增益减小，振模的增益增加，而边模的增益减小，振 荡模式减少，最后会出现荡模式减少，最后会出现单纵模单纵模。 温度升高时激光器的发射谱的峰值波长温度升高时激光器的发射谱的峰值波长 向长波长方向移动向长波长方向移动 光纤通信课程光纤通信课程 光纤通信课程光纤通信课程 调制特性调制特性 光纤通信课程光纤通信课程 在高速调制情况下，半导体激光器会出现在高速调制情况下，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。速率和通信质量带来影响。 电光延迟电光延迟 张弛振荡张弛振荡 码型效应码型效应 自脉动自脉动 单纵模分裂为多

15、纵模单纵模分裂为多纵模 光纤通信课程光纤通信课程 电光延迟和张弛振荡电光延迟和张弛振荡 电光延迟电光延迟：输出光脉冲和注入电流脉冲之间存输出光脉冲和注入电流脉冲之间存 在的时间延迟，一般为纳秒量级在的时间延迟，一般为纳秒量级。 张弛振荡张弛振荡：当电流脉冲注入后，输出光脉冲表当电流脉冲注入后，输出光脉冲表 现出的衰减式振荡。几百现出的衰减式振荡。几百MHz2Ghz的量级。的量级。 与有源区的电子自发复合寿命和谐振腔内光子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寿命以及注入电流初始偏差量有关。 光纤通信课程光纤通信课程 码型效应码型效应 电光延迟时间与数字调制的码

16、元持续时间为相同数量级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 两个连两个连“1”1”时，第一个脉冲过后，有源区的电子以指数时，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。宽度增大。 消除：增加直流

17、偏置电流。在阈值附近，脉冲持续时和消除：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，以免激光器脉冲的幅度不能过大，以免激光器PN结被反向击穿。结被反向击穿。 光纤通信课程光纤通信课程 2n

18、s 5ns 2ns 电流脉冲 光脉冲 (a)(b)(c) 码型效应码型效应 光纤通信课程光纤通信课程 自脉动自脉动 某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，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，振荡的输出光脉冲出现持续等幅的振荡，振荡的 频率在几百频率在几百MHz到到2GHz 激光器内部存在非线性增益而造成的激光器内部存在非线性增益而造成的 光纤通信课程光纤通信课程 单纵模分裂为多纵模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，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。随导致折射率变化，谐振条件发生变化。随 着调制频率的提