通信用光器件 通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。 ——— 光纤通信中，需要有光源发光，将电信号转变为光信号，还要有光接收器件，将光信号转化为电信号。这种发光器件和光接收器件统称为光电器件，或有源器件。 —— 对光信号进行处理的器件称为无源器件。

通信用光器件 有源器件包括光源、光检测器和光放大器。 光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等。 光源 —— 光纤通信的“心脏”

第四章 光源 4.1 光源的物理基础 4.2 光通信光源基本要求 4.3 半导体光源的工作原理 4.4 光源的工作特性

4.1 光源的物理基础 4.1.1 孤立原子的能级和半导体的能带

1. 孤立原子的能级 原子是由原子核和围绕原子核旋转的电子构成。围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特定的离散值，这种现象称为电子能量的量子化。 E 原子核 低能级 高能级 电子

2. 半导体的能带 在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶体内部电子的共有化运动，使孤立原子中离散能级变成能带。较低的能级构成价带，较高的能级构成导带。

在图4.2中，半导体内部自由运动的电子(简称自由电子)所填充的能带称为导带；价电子所填充的能带称为价带；导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带，其宽度称为禁带宽度，用Eg表示，单位为电子伏特(eV)。 图4.2 半导体的能带结构

4.1.2 光与物质的相互作用 1. 自发辐射 处于高能级的电子状态是不稳定的，它将自发地从高能级(在半导体晶体中更多是指导带的一个能级)运动(称为跃迁)到低能级(在半导体晶体中更多是指价带的一个能级)与空穴复合，同时释放出一个光子。由于不需要外部激励，所以该过程称为自发辐射。

h f12=E2-E1 根据能量守恒定律，自发辐射光子的能量为： 式中：h为普朗克常数，其值为6.626×10-34J·s；f12为光子的频率；E2为高能级能量；E1为低能级能量。

E 初态 2 hf12 E 1 E 终态 2 E 1 (a) 自发辐射

2. 受激辐射 在外来光子的激励下，电子从高能级跃迁到低能级与空穴复合，同时释放出一个与外来光子同频、同相的光子。由于需要外部激励，所以该过程称为受激辐射。 E 初态 2 hf12 E 1 E 终态 2 E 1 (b) 受激辐射

3. 受激吸收 在外来光子激励下，电子吸收外来光子能量而从低能级跃迁到高能级，变成自由电子。 (c) 受激吸收 E 初态 hf12 E E 终态 2 E 1 (c) 受激吸收

受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。 自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。 物体成为发光体需要光辐射 > 光吸收

4.1.3 粒子数反转分布状态 1. 粒子数正常分布状态 设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2>E1)的电子数分别为N1和N2。 当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布 式中， k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。 这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。

受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。 N2>N1的分布，和正常状态(N1>N2)的分布相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。

2. 粒子数反转分布状态 为了使物质发光，就必须使其内部的自发辐射和/或受激辐射几率大于受激吸收的几率。 有多种方法可以实现能级之间的粒子数反转分布状态，这些方法包括光激励方法、电激励方法等。

4.1.4 PN结的能带和电子分布 图4.4 半导体的能带和电子分布 本征半导体 N型半导体 P型半导体

图4.4示出不同半导体的能带和电子分布图。根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布 式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef 称为费米能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。 在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。

一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用Ef 位于禁带中央来表示，见图4.4(a)。 在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体，见图4.4(b)。 在本征半导体中，掺入受主杂质，称为P型半导体，见图4.4(c)。

本征半导体材料 Si 受热时，Si电子受到热激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对 出现。此时外加电场，发生电子/空穴移动导电。  硅的晶格结构 (平面图) 在高温时，热振动可以打断共价键。当一些键被打断时，所产生的自由电子可以参与电的传导。而一个自由电子产生时，会在原处产生一个空缺。此空缺可由邻近的一个电子填满，从而产生空缺位置的移动，并可被看作与电子运动方向相反的正电荷，称为空穴(hole)。 硅的晶格结构 电子和空穴是成对出现的 受热时，Si电子受到热激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对 出现。此时外加电场，发生电子/空穴移动导电。

本征半导体的能带图 电子浓度分布 电子 导带 EC 电子态数量 电子跃迁 带隙 Eg = 1.1 eV 空穴态数量 － 空穴 价带 EV Ef 空穴态数量 － 空穴 价带 EV 空穴浓度分布 电子向导带跃迁相当于空穴向价带反向跃迁

本征载流子浓度 电子或空隙的浓度为: 其中 为材料的特征常数 T为绝对温度 kB 为玻耳兹曼常数, h为普朗克常数 me 电子的有效质量 其中 为材料的特征常数 T为绝对温度 kB 为玻耳兹曼常数, h为普朗克常数 me 电子的有效质量 mh 空穴的有效质量 Eg 带隙能量 例：在300 K时，GaAs的电子静止质量为m = 9.11×10-31 kg， me = 0.068m = 6.19×10-32 kg mh = 0.56m = 5.1×10-31 kg Eg = 1.42 eV 可根据上式得到本征载流子浓度为 2.62×1012 m-3

非本征半导体材料：n型 第V族元素(如磷P, 砷As, 锑Sb)掺入Si晶体后，产生的多余电子 键之外，还剩余一个 电子 A s + 第V族元素(如磷P, 砷As, 锑Sb)掺入Si晶体后，产生的多余电子 受到的束缚很弱，只要很少的能量DED (0.04~0.05eV)就能让它 挣脱束缚成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。 2

N型材料，施主能级 第V族元素称为施主杂质，被它束缚住的多余电子所处的能级 称为施主能级。由于施主能级上的电子吸收少量的能量DED后 电子能量 电子浓度分布 导带 EC 施主能级 Ef 价带 EV 空穴浓度分布 在n型半导体中，电子填充的高能带的水平比较高，因此相比本征半导体，整个费米能级上移 施主能级 施主杂质电离使导带 电子浓度增加 第V族元素称为施主杂质，被它束缚住的多余电子所处的能级 称为施主能级。由于施主能级上的电子吸收少量的能量DED后 可以跃迁到导带，因此施主能级位于离导带很近的禁带。 2

非本征半导体材料：p型 第III族元素 (如铟In,镓Ga,铝Al) 掺入Si晶体后，产生多余的空 由于B只有3个价电 子，因此B和周围4 个Si的共价键还少1 个电子 B容易抢夺周围Si原 子的电子成为负离 子并产生多余空穴 B – 第III族元素 (如铟In,镓Ga,铝Al) 掺入Si晶体后，产生多余的空 穴，它们只受到微弱的束缚，只需要很少的能量 DEA < Eg 就 可以让多余孔穴自由导电。

P型材料，受主能级 第III族元素容易抢夺Si的电子而被称为受主杂质。被它束缚的 空穴所处的能级称为受主能级EA。当空穴获得较小的能量DEA 电子能量 导带 EC 电子浓度分布 Ef 受主能级 价带 EV 空穴浓度分布 受主能级 受主能级电离使导带 空穴浓度增加 在p型半导体中，电子填充的高能带的水平比较低，因此相比本征半导体，整个费米能级下移 第III族元素容易抢夺Si的电子而被称为受主杂质。被它束缚的 空穴所处的能级称为受主能级EA。当空穴获得较小的能量DEA 之后就能摆脱束缚，反向跃迁到价带成为导电空穴。因此，受 主能级位于靠近价带EV的禁带中。

PN结 耗尽层

在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场， 见图4.5(a)。 区 PN 结空 间电 荷区 N 内部电场 扩散 漂移 （a）P - N结内载流子运动； 图 4.5 PN结的能带和电子分布

内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区的Ef 相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜，见图4.5(b)。 势垒 能量 E p c P 区 n f v N (b) 零偏压时P - N结的能带倾斜图；

PN结: 1. 浓度的差别导致载流子的扩散运动 2. 内建电场的驱动导致载流子做反向漂移运动 耗 尽区 扩散电子 pn结 内建电场 p n Ef - + U 电势 平衡时，中间形成一个特殊的区域-pn结，它阻挡了载流子的扩散运动，因此也称为耗尽区。 1. 浓度的差别导致载流子的扩散运动 2. 内建电场的驱动导致载流子做反向漂移运动 4

当PN结两端加上反向偏置电压时，耗尽区加宽，势垒加强。 VCC 当PN结两端加上反向偏置电压时，耗尽区加宽，势垒加强。

(a) 反向偏压使耗尽区加宽 少数载流子漂移 扩散运动被抑制 只存在少数载流子的漂移运动 U 5

P-N结施加正向电压 VCC 当PN结两端加上正向偏置电压时，产生与内部电场相反方向的外加电场，耗尽区变窄，势垒降低。使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动。少数载流子与多数载流子复合，产生光辐射。

(b) 正向偏压使耗尽区变窄 耗尽区变窄 n p U 扩散 > 漂移 正向偏压使耗尽区变窄，便于n型（或者p型）半导体的多少载流子向对方扩善，导致p型（或者n型）内的少数载流子浓度大大增加。 U 扩散 > 漂移 5

在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布，见图4.5(c)。 h f E p c v n 电子， 空穴 内部电场 外加电场 (c) 正向偏压下P - N结能带图 外加电场  注入载流子  粒子数反转  载流子复合发光

总结 固体材料中，核外电子相互影响，能级分裂为能带 半导体是禁带宽度较小的非导体，导电载流子为导带电子和价带空穴 能带中的载流子按照费米统计分布，能级越低被电子占据的几率越大 费米能级是电子在能级中分布情况的参量 当PN结两端加上正向偏置电压时，产生与内部电场相反方向的外加电场，耗尽区变窄，势垒降低。获得粒子数反转分布。少数载流子与多数载流子复合，产生光辐射。

4.2 光通信光源基本要求 4.2.1 材料的发光波长 不同材料有不同的能级差和发光波长。不同波长光通信系统应选用不同材料光源。 4.2 光通信光源基本要求 4.2.1 材料的发光波长 不同材料有不同的能级差和发光波长。不同波长光通信系统应选用不同材料光源。 半导体发光二极管(Light-emitting Diode，LED)基本应用GaAlAs（三元合金，砷化镓掺铝）和InGaAsP（四元合金，磷化铟掺砷化镓）材料，可以覆盖整个光纤通信系统使用波长范围，典型值为0.85μm、1.31μm及1.55μm。

4.2.2 光通信光源基本要求 （1）合适的发光波长——1.55 μm ； （2）足够的输出功率——大于1mW； （3）可靠性高，寿命长——平均寿命106小时； （4）输出功率高——大于10％； （5）光谱宽度窄； （6）聚光性好； （7）调制性好； （8）价格低廉。

4.2.3 产生激光的条件 4.2.4 激光的特点 （1）受激发射； （2）工作物质具有亚稳态能级； （3）形成粒子数反转。 （1）单色性好； （2）相干性高； （3）方向性强。

4.3 半导体光源的工作原理 4.3.1 发光二极管的工作原理 1. 发光二极管(LED)的类型结构 4.3 半导体光源的工作原理 4.3.1 发光二极管的工作原理 1. 发光二极管(LED)的类型结构 LED也多采用双异质结芯片，不同的是LED没有解理面，即没有光学谐振腔。由于不是激光振荡，所以没有阈值。

双异质结LED(DH-LED)

同质PN结的问题 两边采用相同的半导体 材料的PN结称为同质PN结。 同质PN结两边具有相同的带 隙结构和相同的光学性能。 散形成。 1~10 mm p n 1. 由电子空穴扩散产生的结区太厚，很难把载流子约束在相对 小的区域，从而结区无法形成较高的载流子密度 2. 无法对产生的光进行约束 4

典型的GaAlAs双异质结LED剖面图 异质结： 为提高辐射功率，需 要对载流子和辐射光 产生有效约束 1. 不连续的带隙结构 折射率 电子能量 有源区 注入电子 电子势垒 电子-空穴复合 注入空穴 空穴势垒 波导区 异质结： 为提高辐射功率，需 要对载流子和辐射光 产生有效约束 1. 不连续的带隙结构 2. 折射率不连续分布 － － － 两边采用相同的半导体材料的pn结称为同质pn结。同质pn结两边具有相同的带隙结构和相同的光学性能。pn结区的完全由载流子的扩散形成。 1. 由电子空穴扩散产生的结区太厚，很难把载流子约束在相对 小的区域，从而结区无法形成较高的载流子密度 2. 无法对产生的光进行约束 双异质结构中间有一层窄带隙N型半导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后，P层的空穴和N层的电子注入有源层。P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。同理，注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。 + + 双异质结构

2. 发光二极管的工作原理 LED的工作原理可以归纳如下：当给LED外加合适的正向电压时，Pp结之间的势垒(相对于空穴)和Np结之间的势垒(相对于电子)降低，大量的空穴和电子分别从P区扩散到p区和从N区扩散到p区(由于双异质结构，p区中外来的电子和空穴不会分别扩散到P区和N区)，在有源区形成粒子数反转分布状态，最终克服受激吸收及其他衰减而产生自发辐射的光输出。

按照器件输出光的方式，可以将LED分为两大类：一类是面发光型LED，另一类是边发光型LED，其结构示意图如图4.6所示。

面发光二极管 优点：LED到光纤的耦合效率高 圆形腐蚀孔 焊接材料 金属电极 双异质结层 限制层 热层 有源区 圆形金属接触面 衬底 绝缘层 面发光二极管中，有源发光面与光纤轴垂直。这种结构中，在器件的衬底腐蚀了一个小孔，然后用环氧树脂材料固定插入小孔的光纤，这样能以尽可能高的效率接收发射出来的光。 朗伯光源：各个方向上的亮度(光功率密度)都相同，因此，每个角度的光功率与观察方向角相关，令I为功率密度，方向角对应的空间面积为dAd{omg}cosq 优点：LED到光纤的耦合效率高

边发光二极管 优点：与面发光LED比，光出射方向性好 缺点：需要较大的驱动电流、发光功率低 导光层 衬底 金属电极 热沉 绝缘层 双异质结层 非相干输出光束 条形接触面 50~70 mm 有源区100~150 mm 120° 30° 边发光二极管由一个产生非相干光的有源结区和两个导光层组成。导光层的折射率要低于有源区，但比周围的材料折射率高。这种结构形成了一个波导通道，使辐射光的出射方向朝向光纤的纤芯。边发光二极管要比面发光二极管具有更好的方向性，主要体现在边发光二极管的与pn结垂直方向上的光的方向性好。缺点是需要较大驱动电流，且发光功率低。 优点：与面发光LED比，光出射方向性好 缺点：需要较大的驱动电流、发光功率低

LED光源的材料和工作波长 单质半导体材料都不是直接带隙材料，因此不适合做光源；很多化合物，尤其是III-V族化合物是直接带隙的，比如由Al、Ga、In和P、As、Sb构成的化合物。 不同材料有不同的能级差和发光波长。不同波长光通信系统应选用不同材料光源。 LED基本材料： Ga1-xAlxAs (砷化镓掺铝) 800~850 nm短波长光源 In1-xGaxAsyP1-y (磷化铟掺砷化镓) 1000~1700 nm长波长光源 x和y的值决定了材料的带隙，也就决定了发光波长

合金比率与发光波长的关系

LED的输出光谱 相对输出功率 面发光LED 边发光LED 特点：自发辐射光、谱线较宽 温度升高或驱动电流增大导致峰值波长红移且谱线变宽 长波长光源谱宽比短光源宽 1310 nm 相对输出功率 面发光LED 发光二极管发射的是自发辐射光，没有谐振腔对波长的选择，谱线较宽，如图4.2.5。一般短波长GaAlAs/GaAs LED谱线宽度为30~50 nm，长波InGaAsP/InP LED谱线宽度为60~120 nm。随着温度升高或驱动电流增大，谱线加宽，且峰值波长向长波长方向移动，短波长和长波长LED的移动分别为0.2~0.3 nm/℃ 和0.3~0.5 nm/℃。 边发光LED 短波长GaAlAs/GaAs LED谱线宽度为30~50 nm 长波长InGaAsP/InP LED谱线宽度为60~120 nm

关于LED的小结 原理：外加电场实现粒子数反转，大量的电子-空穴对的自发复合导致发光 为什么要使用LED： 1. 驱动电路简单 2. 不需要温控电路 3. 成本低、产量高 优点： 输出光功率线性范围宽 (P-I特性) 性能稳定 寿命长 制造工艺简单、价格低廉 缺点： 输出光功率较小: 几个毫瓦 谱线宽度较宽:几十个纳米到上百纳米 调制频率较低 这种器件在小容量、短距离系统中发挥了重要作用

4.2.2 激光二极管的工作原理 在结构上，半导体激光二极管(Laser Diode，LD)与其他类型的激光器是相同的，都主要由三部分构成：激励源、工作物质及谐振腔。

1. 激光二极管的工作原理 (1) LD的能带结构 LD与LED结构类似，也是由P层、N层和形成双异质结构的有源层构成，不同的是它在有源层结构中，还有使光发生振荡的谐振腔。而LED没有谐振腔。

光学谐振腔的结构 在激活物质的两端的适当位置，放置两个反射系数分别为r1和r2的平行反射镜M1和M2，就构成了最简单的光学谐振腔。 如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是球面镜，则称为球面腔，如图4.7所示。对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，另一个为部分反射。 图4.7 光学谐振腔的结构

谐振腔产生激光振荡过程 如图4.8所示，当工作物质在泵浦源的作用下，已实现粒子数反转分布，即可产生自发辐射。如果自发辐射的方向不与光学谐振腔轴线平行，就被反射出谐振腔。只有与谐振腔轴线平行的自发辐射才能存在，继续前进。 基本的光学谐振腔由两个反射率分别为100%和90%-95%的平行反射镜构成(如图4.1.0.3所示) 。由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入射光。入射光经反射镜反射，沿轴线方向传播的光被放大，沿非轴线方向的光被减弱。反射光经多次反馈，不断得到放大，方向性得到不断改善，增益大幅度得到提高。 图4.8 激光器示意图

当它遇到一个高能级上的粒子时，将使之感应产生受激跃迁，在从高能级跃迁到低能级中放出一个全同的光子，为受激辐射。 当受激辐射光在谐振腔内来回反射一次，相位的改变量正好是2π的整数倍时，则向同一方向传播的若干受激辐射光相互加强，产生谐振。达到一定强度后，就从部分反射镜M2透射出来，形成一束笔直的激光。 当达到平衡时，受激辐射光在谐振腔中每往返一次由放大所得的能量，恰好抵消所消耗的能量时，激光器即保持稳定的输出。

(2) LD的工作原理 LD的工作原理可以归纳如下：当给LD外加适当的正向电压时，由于有源区粒子数的反转分布而首先发生自发辐射现象，那些传播方向与谐振腔高反射率界面垂直的自发辐射光子会在有源层内部边传播、边发生受激辐射放大(其余自发辐射光子均被衰减掉)，直至传播到高反射率界面又被反射回有源层，再次向另一个方向传播受激辐射放大。如此反复，直到放大作用足以克服有源层和高反射率界面的损耗后，就会向高反射率界面外面输出激光。

2.常用激光器的基本结构 有两种方式构成的激光器：F-P腔激光器和分布反馈型（DFB）激光器。 图4.9 半导体激光器的结构示意图

（1）同质结半导体激光器。 其核心部分是一个P-N结，由结区发出激光。 缺点是阈值电流高，且不能在室温下连续工作，不能实用。 （2）异质半导体激光器 异质半导体激光器包括单异质和双异质半导体激光器两种。 异质半导体激光器的“结”是由不同的半导体材料制成的，目的是降低阈值电流，提高效率。 特点是对电子和光子产生限制作用，减少了注入电流，增加了发光强度。

图4.10 InGaAsP双异质结条形激光器的基本结构 这种结构只对载流子和光子形成纵向约束，为了得到更好的性能需要对它们进行横向约束。根据横向约束方法的不同，这种结构进一步可以分成两种类型。 图4.10 InGaAsP双异质结条形激光器的基本结构 n—InGaAsP是发光的作用区，其上、下两层称为限制层，它们和作用区构成光学谐振腔。限制层和作用层之间形成异质结。最下面一层n—InP是衬底，顶层P+—InGaAsP是接触层，其作用是为了改善和金属电极的接触。

横向约束的双异质结构：增益引导型 机制：从顶层一个窄的条形欧姆接触区进行载流子注入，改 变有源区的折射率，从而对光子形成横向的约束，能 1~5 mm 光强 -20° 0° 20° n(I) I 这种激光器的性能受注入电流的强度的影响，而注入电流容易引起一些非线性过程。 机制：从顶层一个窄的条形欧姆接触区进行载流子注入，改 变有源区的折射率，从而对光子形成横向的约束，能 有效抑制横模。 特点：1) 辐射功率高，但有2)散光性，且3)工作不稳定

横向约束的双异质结构：折射率引导型 机制：1) 在横向引入一个折射率分布实现对光模式的限制 光强 -10° 0° 10° 机制：1) 在横向引入一个折射率分布实现对光模式的限制 2) 在横向将电流严格地限制在有源区，使得 >60% 的注 入电流用于发光 特点：输出光束具有很好的准直性、能工作在基横模

单纵模激光器 上面的式子和光谱图告诉我们，将激光器的辐射光限制成单 纵模的一条途径是减少谐振腔长，增加模式之间的波长间隔。 使Dl大于增益线宽。 抑制横模是为了提高光源输出光束的亮度，同时减小光斑尺寸。为了将激光器用于高速系统中，还需要对纵模进行约束，即输出单个波长。 Dl 但是缩短腔长使得 发射功率大大降低

垂直腔表面发射激光器 (VCSEL) VCSEL出现于1990年。它阈值电流低 (< 100 mA)；类似于面 LED，发光面大，故具有很高的耦合效率；而且体积小、易 于集成，适合在WDM多波长系统中应用。

垂直腔面发射激光器（VCSEL) 波长：650～1600nm 850nm成熟 腔长：～1m 单纵模 低阈值、低驱动电流 圆形发射截面易于光纤耦合 易于制作激光阵列 低价格 研究热点长波长发射 二维激光器阵列

分布反馈式 (DFB) 激光器 在腔体中使用布拉格光栅 (FBG) 会对特定波长发生强烈反射。 有源区 限制层 衬底 波纹反馈光栅 激光 输出 > 20 dB 在腔体中使用布拉格光栅 (FBG) 会对特定波长发生强烈反射。 这些特定的波长称为布拉格波长： 。DFB激光器就是利 用FBG的这种特性选频，只有符合反射条件的频率的光会得到 强烈反射产生激光。其输出的波长为： 边模抑制可以达到30dB，且对电流和温度变化不太敏感，而且P-I曲线线性度好 光栅(不同波长的光有不同反射方向）

光 纤 透 镜 光 栅 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1+ 2+ 3 光栅

分布布拉格反射 (DBR) 激光器 DBR激光器是将光栅刻在有源区的外面，它相当于在有源区的 一侧或两侧加了一段分布式布拉格反射器，起着衍射光栅的作 用，因此可以将它看成是端面反射率随波长变化而变化的特殊 激光器。DBR激光器的特点和工作特性与DFB激光器类似。但 其阈值电流要比DFB激光器的阈值电流高。 DBR原理与DFB相似，其特色在于拥有一种输出波长调整机制 DBR的Active region中，设计了三個的区块分别为：gain, phase, Bragg。 藉此由三个输入电流分别控制此三个区块，达到调整输出波长和功率的目的

可调谐DBR激光器 Bragg Section: 大范围调节 Phase Section:精细调节 二段式 调谐范围：～10nm 三段式

取样光栅可调谐DBR激光器 工作原理： 调谐范围： ～100nm 结构：

外腔DBR激光器： 线宽几十KHz 光纤式外腔激光器： 线宽～50KHz

激光二极管组件 器件封装 组件外观 管脚连接

4.4 光源的工作特性 4.4.1 LED的工作特性 1.量子效率与LED功率 4.4 光源的工作特性 4.4.1 LED的工作特性 1.量子效率与LED功率 额外载流子的复合包括辐射性（发射能量为hv的光子）和非辐射性，量子效率指辐射性复合电子-空穴所占的比例。

LED的内部量子效率和内部功率 内量子效率 hint 那么LED的内部发光功率为：

例 一双异质结InGaAsP材料的LED，其峰值波长为1310 nm，辐射 性复合时间和非辐射型复合时间分别为30 ns和100 ns，驱动电 流为40 mA。可以得到： 可以得到LED的内部发光功率为：

LED的外部量子效率和外部功率 假定外界介质为空气 (n2 = 1)，可以得到： 和 限制层 出射光 n1 > n2 光的产生和波导区 LED 解理面 其中T(f) 为菲涅尔透射系数，f = 0时： 反射光 限制层 并非所有产生的光都能输出：光出射锥 假定外界介质为空气 (n2 = 1)，可以得到： 例：LED典型的折射率为3.5，那么其外量子效率为1.41%，这 说明光功率仅有很小的一部份能够从LED中发射出去。 和

2. P-I特性 LED的P-I 特性如图4.13所示。P表示输出光功率(mW), I表示注入电流(mA)。 图4.13 LED的P-I特性

总的来说，驱动电流较小时，LED P-I特性曲线具有非常优良的线性； 电流过大时，由于PN结发热产生饱和现象，使曲线的斜率减小。 通常，LED工作电流为50~100mA，输出光功率为几mW。 发光二极管实际输出的光子数远远小于有源区产生的光子数，一般外微分量子效率小于10%。两种类型发光二极管的输出光功率特性示于图4.13。驱动电流I较小时，P-I曲线的线性较好；电流过大时，由于PN结发热产生饱和现象，使P-I 曲线的斜率减小。在通常工作条件下，LED工作电流为50~100mA, 输出光功率为几mW，由于光束辐射角大，入纤光功率只有几百uW。

3. 光谱特性 LED的光谱特性如图4.14所示。在图中，λ0为LED的峰值工作波长(典型值为0.85μm、1.31μm和1.55μm)；Δλ为谱线宽度，其定义为光强度下降到最大值一半时对应的波长宽度。 LED谱线宽度∆λ比激光器宽得多。

图4.14 InGaAsP LED的光谱特性

4. 调制特性 LED的频率响应可以表示为 式中为调制频率，P()为对应于调制频率的输出光功率，e为注入载流子的寿命。 当 = c = 1/e时，P(c) = 0.707P(0)。在接收机中，检测电流正比于光功率，光功率下降到 0.707 时，接收电功率下降到0.7072 = 0.5倍，即下降了3 dB。因此，c定义为截止频率。

不同载流子寿命下的LED调制曲线 一般地： f面 = 20~30 MHz， f边 = 100~150 MHz 适当增加工作电流 调制带宽增加 工作电流过大会发生饱和 适当增加工作电流 调制带宽增加 载流子寿命缩短

5. 温度特性 温度特性主要影响到LED的平均发送光功率、P-I特性的线性及工作波长。 由于LED是无阈值器件，因此温度特性较好。

4.4.2 LD的工作特性 1. LD的P-I特性 LD的P-I特性如图4.15所示。对于LD，当外加正向电流达到某一数值时，输出光功率急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流称为阈值电流，用Ith表示。阈值电流越小越好。 就P-I特性曲线整体而言，由于存在阈值现象，整体线性不如LED。

图4.15 LD的P-I特性

从P-I特性还可以引出两个基本参数：微分量子效率和功率转换效率。微分量子效率可以定义为输出光子数的增量与注入电子数的增量之比，表达式为：

功率转换效率定义为输出光功率与消耗的电功率之比，可以表示为： 式中：V是PN结的正向电压；Rs是LD的串联电阻(包括半导体材料的体电阻和接触电阻)。

2. 光谱特性 LD的光谱随着激励电流的变化而变化。当I＜Ith时，发出的是荧光，光谱很宽，如图4.16（a）所示。当I＞ Ith后，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加，表明发出激光，如图4.16（b）所示。 图4.16 GaAlAs-GaAs激光器的光谱

LD的光谱特性如图4. 17所示。在图中，λ0为LED的峰值波长(典型值为0. 85μm、1. 31μm和1 LD的光谱特性如图4.17所示。在图中，λ0为LED的峰值波长(典型值为0.85μm、1.31μm和1.55μm)；Δλ为谱线宽度，其定义为纵模包络或主模光强度下降到最大值一半时对应的波长宽度。 图4.17 LD的光谱特性

3. 调制特性 在对LD进行直接调制时，激光二极管的输出功率与调制信号频率的关系为： 式中：P(0)是频率为0时LD输出的光功率值；fr为LD的类共振频率，ζ是LD的阻尼因子。

4. 温度特性 激光器的阈值电流和输出光功率随温度变化的特性为温度特性。温度升高，阈值电流呈指数增长，而输出功率则明显下降，当达到一定温度时LD不激射。因此，温控至关重要。 温度升高时，输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了。当以直流电流驱动激光器时，阈值电流随温度的变化更加严重。当对激光器进行脉冲调制时，阈值电流随温度呈指数变化。长波长InGaAsP/InP激光器输出光功率对温度的变化更加敏感。 图4.18 激光器阈值电流随温度变化的曲线

与LED比较，温度主要对LD的阈值电流、输出光功率及峰值工作波长影响较大。为了降低温度对LD的影响，可以采用两种方法：选择温度特性优异的新型LD，或通过一个外加的自动温度控制电路，使LD的温度特性能够满足系统的要求。

4.4.3 光源的主要技术指标及比较 1. 光源的主要技术指标 几种国产半导体光源的主要技术指标如表4.1所示。

2. LED与LD 比较 LED与LD相比，LED输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。但LED性能稳定，寿命长，使用简单，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。 LED通常和多模光纤耦合，用于1.31μm或0.85μm波长的小容量、短距离的光通信系统。 LD通常和单模光纤耦合，用于1.31μm或1.55μm大容量、长距离光通信系统。 分布反馈半导体激光器（DFB-LD）主要也和单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于1.55μm超大容量的新型光纤系统，这是目前光纤通信发展的主要趋势。

作业 4.6，4.8