半导体激光二极管和激光器组件影响耦合效率的主要因素是光源

第3章半导体激光二极管和激光器组件半导体激光器基础知识半导体激光器类型、组件及特性参数半导体激光二极管和激光器组件第3章半导体激光二极管和激光器组件第一节半导体激光器基础知识一、半导体激光器的工作原理半导体激光器产生激光输出的基本条件：粒子数反转光反馈阈值条件1、粒子数反转在热平衡条件下，二能级原子系统中上能级的粒子要比下能级少得多，服从波尔兹曼分布。此时不会发生受激发射。第3章半导体激光二极管和激光器组件为了产生受激辐射，必须建立非平衡得分布，即使上能级的粒子数大于下能级的粒子数，使受激发射大于受激吸收，这种状态叫做粒子数反转。波尔兹曼分布粒子数反转第3章半导体激光二极管和激光器组件激光器的粒子数反转状态可采用电或光的泵浦。2、光反馈和激光振荡在有源区内，开始少数载流子的自发辐射产生光子。一部分光子一旦产生，就穿出有源区，得不到放大；另一部分光子可能在有源区内传播，并引起其他电子－空穴对的受激辐射，产生更多的性能相同的光子，得到放大。为了得到激光，必须将激活物质置于光学谐振腔中，如下图。通过腔两端的反射，向光子提供正反馈。光信号每通过一次增益媒质就得到一次放大。第3章半导体激光二极管和激光器组件激光器中的光反馈及FP腔这种光学结构称为法布里－珀罗谐振腔，简称F-P谐振腔。在LD中，作为增益媒质晶体两端的自然解理面形成反射镜，即光腔。第3章半导体激光二极管和激光器组件由于在谐振腔中，光波是在两块反射镜之间往复传输的，这时只有在满足特定相位关系的光波才能得到彼此加强，因此这种条件称为相位条件，2qcqfnL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。相邻两纵模之间的频率之差：第3章半导体激光二极管和激光器组件2cfnL称为纵模间隔，它与谐振腔长及工作物质有关。F-P腔的透射频谱特性如下图：第3章半导体激光二极管和激光器组件半功率点全宽为：Fff/2/1RRF1F为F-P腔的精细度，可表示为：R增大，F增大。第3章半导体激光二极管和激光器组件3、激光振荡的阈值条件在注入电流的作用下，有源区的受激辐射不断增强，称为增益。在F-P腔中，每次通过增益媒质时的增益尽管很小，但经过多次振荡后，增益变得足够大。当腔内增益超过总损耗（包括载流子吸收、缺陷散射及端面输出）时，就产生了激光。见下图：第3章半导体激光二极管和激光器组件FP-LD的增益曲线(a)腔模(b)及输出的纵模(c)第3章半导体激光二极管和激光器组件半导体激光器的工作特性1、P-I特性典型的半导体激光器如下图所示0Ith100150注入电流/mA功率/mW3.53.02.52.01.51.00.5050图4.14半导体激光器P―I曲线第3章半导体激光二极管和激光器组件从图上可以看出，半导体激光器存在阈值电流Ith。当注入电流小于阈值电流时，器件发出微弱的自发辐射光，类似于发光二极管的发光情况。当注入电流超过阈值，器件进入受激辐射状态时，光功率输出迅速增加，输出功率与注入电流基本保持线性关系。半导体激光器的P―I特性对温度很敏感，下图给出了不同温度下P―I特性的变化情况。第3章半导体激光二极管和激光器组件05010015080℃70℃60℃50℃40℃30℃22℃注入电流/mA功率/mW654321图4.15半导体激光器P―I曲线随温度的变化动画演示第3章半导体激光二极管和激光器组件由图可见，随着温度的升高，阈值电流增大，发光功率降低。阈值电流与温度的关系可以表示为：00()exp()thTITIT其中,T为器件的绝对温度；T0为激光器的特征温度；I0为常数。为解决半导体激光器温度敏感的问题，可以在驱动电路中进行温度补偿，或是采用制冷器来保持器件的温度稳定。通常将半导体激光器与热敏电阻、半导体制冷器等封装在一起，构成组件。热敏电阻用来检测器件温度，控制制冷器，实现闭环负反馈自动恒温。第3章半导体激光二极管和激光器组件2、模式特性与线宽LD输出谱特性，或为多纵模或为单纵模，如下图。LD的多模(a)及单模(b)输出谱第3章半导体激光二极管和激光器组件1、模式特性从使用来说，首先考虑的是模式的稳定性，它随时间、电流的任何变化都会给系统附加噪声。其次，对高速光纤通信系统来说，单纵模窄谱宽的光源有利于减小光纤色散的影响。在模式特性上还要注意到横模的问题。激光振荡也可能出现在垂直于腔轴的平面内，其中TEM00为基横模，TEM10、TEM11等为高次横模。由于TEM00模的光斑与光纤中基模LP01模场光斑相匹配，故耦合效率最高。同时LD工作在TEM00模时相干性最好，因此在LD的设计及结构上都应保证基横模工作。第3章半导体激光二极管和激光器组件2、线宽LD输出的有限线宽来自于两个因素：一、是激光腔内自发发射事件引起的光场相位脉动。二、是载流子浓度脉动引起的折射率变化，使光腔庇振频率产生变化。简化理论推导的光源线宽Δν可表示为：PX41式中，X为自发发射事件的平均速率；P为光功率；α为线宽提高因子，表示折射率实部与虚部之比。第3章半导体激光二极管和激光器组件由上式可知，为了降低LD的线宽，可采取下列措施：增大光功率（或腔内总光子数）。减小自发发射速率。从外部稳定载流子密度以使幅值-相位耦合最小。第一点可通过改变腔结构、增加总体积、增加单位体积内储能（如增加端面反射系数）或增加输出功率来实现。第二点可通过注入锁定来实现。第三点，通过驱动电流的反馈控制来稳定载流子密度，有效减少激光场的幅值-个位耦合。第3章半导体激光二极管和激光器组件3、调制特性如下图为半导体激光器的直接调制的原理图。激光二极管的调制原理图(a)数字调制；(b)模拟调制光功率输出功率信号电流电流时间(b)时间光功率输出功率信号电流电流时间(a)时间第3章半导体激光二极管和激光器组件与发光二极管的调制不同的是，由于存在阈值电流，在实际的调制电路中，为提高响应速度及不失真，需要进行直流偏置处理。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，如出现电光延迟、张弛振荡、自脉动和码型效应等现象。这些特性会对系统传输速率和通信质量带来影响。第3章半导体激光二极管和激光器组件1）张驰振荡当电流脉冲突然加到LD上时，其光输出呈现下图所示的动态相应，这是注入电子与所产生光子简相互作用的量子力学过程。LD的张弛振荡特性第3章半导体激光二极管和激光器组件当注入电流从零快速增大到阈值以上时，经电光延迟后产生激光输出，并在脉冲顶部出现阻尼振荡，经过几个周期后达到平衡值。这种特性可定性解释如下：当阶跃电流加到LD时，有源层中的电子浓度迅速增加。在未达到阈值时没有激光输出，但经过电子延迟时间td后电子浓度达到阈值，并马上产生激光输出。而在光子浓度到稳态值前，电子浓度仍在增大，直到电子浓度达到最大值，而光子浓度达到稳态值。由于导带内超量储存电子，受激复合过程进一步增大，直到光子浓度升到最大值，而电子浓度则降到阈值；第3章半导体激光二极管和激光器组件由于光子寿命，及逸出腔外需要一定时间，使有源区内的过量复合仍维持一段时间，电子浓度进一步下降到阈值以下，光子浓度也开始迅速下降。当电子浓度下降到最低点，有源层中的激射可能减弱甚至停止。紧接着又开始新一轮导带电子填充过程。但由于电子的存储效应，这一轮的填充时间比上次短，电子浓度和光子浓度的过冲量也比上次小。这种衰减振荡过程重复多次，直到输出光功率达到稳态值。显然，如果LD预偏置在阈值附近，光脉冲上升时间及张弛振荡的幅度都会显著降低。另外，在结构上具有横向光波导的LD（如隐埋导质结LD），其张弛振荡较弱。第3章半导体激光二极管和激光器组件2)电光延迟半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光脉冲瞬态响应波形如下图所示。输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个时间延迟，称为电光延迟时间，一般为纳秒量级。光脉冲电脉冲光脉冲的电光延迟和张弛振荡第3章半导体激光二极管和激光器组件电光延迟的原因是由于载流子浓度达到激光阈值需要一定的时间（0.5－2.5ns)。张驰振荡和电光延迟与激光器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置量有关。当信号的调制频率接近张弛振荡频率时，将会使输出光信号的波形严重失真，势必会增加接收机的误码率，所以，半导体激光器的张弛振荡和电光延迟的存在限制了信号的调制速率应低于张弛振荡频率，这样才能保证信息传输的可靠。第3章半导体激光二极管和激光器组件可以通过在半导体激光器脉冲调制时加直流预偏置的方法来使脉冲到来之前将有源区内的电子密度提高到一定程度，从而使脉冲到来时，电光延迟时间大大减小，而且张驰振荡现象可以得到一定程度的抑制。随着直流预偏置电流的增大，电光延迟时间逐渐减小。增加直流预偏置电流也有利于抑制张驰振荡。第3章半导体激光二极管和激光器组件3）码型效应电光延迟还会产生码型效应。当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，会使后一个光脉冲幅度受到前一个脉冲的影响，这种影响现象称为“码型效应”，如下图(a)、(b)所示。考虑在两个接连出现的“1”码脉冲调制时，第一个脉冲过后，存储在有源区的电子以指数形式衰减，如果调制速率很高，脉冲间隔小于其衰减周期，就会使第二个脉冲到来之时，前一个电流脉冲注入的电子并没有完全复合消失，此时有源区电子密度较高，因此电光延迟时间短，输出光脉冲幅度和宽度就会增大。第3章半导体激光二极管和激光器组件2ns5ns2ns电流脉冲光脉冲(a)(b)(c)码型效应第3章半导体激光二极管和激光器组件“码型效应”的特点是，在脉冲序列中较长的连“0”码后出现的“1”码，其脉冲明显变小，而且连“0”码数目越多，调制速率越高，这种效应越明显。消除码型效应最简单的方法就是增加直流偏置电流。当激光器偏置在阈值附近时，脉冲持续时间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，码型效应就可得到抑制。还可以采用在每一个正脉冲后跟一个负脉冲的双脉冲信号进行调制的方法，如上图(c)所示：第3章半导体激光二极管和激光器组件正脉冲产生光脉冲，负脉冲来消除有源区内的存储电子。但负脉冲的幅度不能过大，以免激光器PN结被反向击穿。4）调制谱特性LD在信号电流直接调制下，除了输出强度发生变化外，其谱特性也会发生变化，如下图。在阈值附近，输出较宽，随着电流的增大，模式选择性增大，相邻模得到抑制。这时，总的强度不变，但模间相对强度在改变。这种模间分配效应在直接调制下最明显，使长距离光纤系统中因光纤色散而在接收机内产生强度脉动，使误码率增大。第3章半导体激光二极管和激光器组件GaAs-LD直流光输出谱特性第3章半导体激光二极管和激光器组件下图示出了1ns单个脉冲持续周期内的模式脉动现象。脉冲持续期内的动态谱特性第3章半导体激光二极管和激光器组件4、波长调谐特性在波分复用及相干光纤传输系统中，光源常常需要调谐。下面介绍几种调谐方法。热调谐：是利用不同温度下谐振腔尺寸的变化，引起谐振频率的变化，调谐灵敏度为10－20GHz/oC。外腔机械调谐：是将作为增益媒质的LD芯片，置于一外腔中，改变外腔尺寸而实现波长调谐。外腔结构有光栅、光纤或自聚焦透镜等，如下图：第3章半导体激光二极管和激光器组件光栅外腔可调谐半导体激光器LD芯片的一个端面增透镀覆，从该端面出来的光由一个透镜准直后与光栅形成外腔，激射频率由旋转光栅来粗调，轴向移动光栅来细调。当外腔长为25cm时，这种结构在1.55μm波长上获得了40nm的调谐。同时，外腔也使输出线宽大大压缩，达到5kHz左右。第3章半导体激光二极管和激光器组件激光二极管驱动电路与LED相比，LD的驱动要复杂得多。尤其在高速调制系统中，驱动条件的选择、调制电路的形式和工艺、激光器的控制等都对调制性能至关重要。偏置电流的选择直接影响LD的高速调制特性。选择直流预偏置电流时应考虑：（1）增大直流预偏置电流(Ib)使其逼近阈值，可以减小电光延迟时间，抑制张驰振荡；(Ib=(0.85－0.9)Ith)（2）当激光器偏置在阈值附近