半导体激光二极管和激光器组件案例.pptx
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1、第第3章章 半导体激光二极管和激光器组件半导体激光二极管和激光器组件u 半导体激光器基础知识半导体激光器基础知识u半导体激光器类型、组件及特性参数半导体激光器类型、组件及特性参数半导体激光二极管和激光器组件半导体激光二极管和激光器组件第第3章章 半导体激光二极管和激光器组件半导体激光二极管和激光器组件第一节第一节 半导体激光器基础知识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。第第3章章 半导体激光二极管和激光器组
2、件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粒子数反转。波尔兹曼分布粒子数反转第第3章章 半导体激光二极管和激光器组件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电或光的泵浦。2、光反馈和激光振荡、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。
3、通过腔两端的反射,向光子提供正反馈提供正反馈。光信号每通过一次增益媒质就得到一次放大。第第3章章 半导体激光二极管和激光器组件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法布里珀罗谐振腔,简称F-P谐振腔谐振腔。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。第第3章章 半导体激光二极管和激光器组件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相位条件,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
4、同的电磁场分布状态,一种分布就是一个激光器的纵模纵模。相邻两纵模之间的频率之差:第第3章章 半导体激光二极管和激光器组件半导体激光二极管和激光器组件称为纵模间隔,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:腔的透射频谱特性如下图:第第3章章 半导体激光二极管和激光器组件半导体激光二极管和激光器组件半功率点全宽为:半功率点全宽为:F为F-P腔的精细度,可表示为:R增大,F增大。第第3章章 半导体激光二极管和激光器组件半导体激光二极管和激光器组件3、激光振荡的阈值条件、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,称为增益增益。在F-P腔中,每次通过增益媒质时的增
5、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:第第3章章 半导体激光二极管和激光器组件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)第第3章章 半导体激光二极管和激光器组件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半导体激光器的工作特性1、P-I特性特性典型的半导体激光器如下图所示图4.14 半导体激光器PI曲线第第3章章 半导体激光二极管和激光器组件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阈值值电电流流Ith。当注入电流小于
6、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。当当注注入入电电流流超超过过阈阈值值,器器件件进进入入受受激激辐辐射射状状态态时时,光光功功率率输输出出迅迅速速增增加加,输输出出功功率率与与注注入入电电流流基基本本保保持持线线性性关系。关系。半导体激光器的PI特性对温度很敏感,下图给出了不同温度下PI特性的变化情况。第第3章章 半导体激光二极管和激光器组件半导体激光二极管和激光器组件图4.15 半导体激光器PI曲线随温度的变化动画演示第第3章章 半导体激光二极管和激光器组件半导体激光二极管和激光器组件 由图可见,随随着着温温度度的的升升高高,阈阈值值电电流流增增大大,发发光功
7、率降低。光功率降低。阈值电流与温度的关系可以表示为: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温度补偿,或是采用制冷器来保持器件的温度稳定温度稳定。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。第第3章章 半导体激光二极管和激光器组件半导体激光二极管和激光器组件2、模式特性与线宽、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)输出谱第第3章章 半导体激光二极管和激光器组件半导体激光二极管和激
8、光器组件 1、模式特性 从使用来说,首先考虑的是模式的稳稳定定性性,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,单单纵纵模模窄窄谱谱宽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为基横模为基横模,TEM10、TEM11等为高次横模。由于TEMTEM0000模模的的光光斑斑与与光光纤纤中中基基模模LPLP0101模模场场光光斑斑相相匹配,故耦合效率最高匹配,故耦合效率最高。同时LD工作在TEM00模时相相干干性性最最好好,因此在LD的设计及结构上都应保证基横模工作保证基横模工作。第第3章章
9、 半导体激光二极管和激光器组件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可表示为:式中,X为自发发射事件的平均速率;P为光功率;为线宽提高因子,表示折射率实部与虚部之比。第第3章章 半导体激光二极管和激光器组件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
10、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。第第3章章 半导体激光二极管和激光器组件半导体激光二极管和激光器组件3、调制特性、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)数字调制数字调制;(b)模拟调制模拟调制第第3章章 半导体激光二极管和激光器组件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,由于存在阈值电阈值电流流,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
11、迟电光延迟、张弛振荡、自脉动张弛振荡、自脉动和码型效应码型效应等现象。这些特性会对系统传输速率和通信质量带来影响。第第3章章 半导体激光二极管和激光器组件半导体激光二极管和激光器组件1)张驰振荡)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的张弛振荡特性第第3章章 半导体激光二极管和激光器组件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
12、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;第第3章章 半导体激光二极管和激光器组件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。但由于电子但由于电子的存储效应,这一轮的填充时间
13、比上次短,电子浓度的存储效应,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。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。第第3章章 半导体激光二极管和激光器组件半导体激光二极管和激光器组件2)电光延迟电光延迟 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
14、电光延迟时间,一般为纳秒量级。光脉冲的电光延迟和张弛振荡光脉冲的电光延迟和张弛振荡第第3章章 半导体激光二极管和激光器组件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(0.52.5ns)。张驰振荡张驰振荡和电光延迟电光延迟与激光器有源区的电子自发有源区的电子自发复合寿命复合寿命和谐振腔内光子寿命谐振腔内光子寿命以及注入电流初始偏置注入电流初始偏置量量有关。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波形严重失真,势必会增加接收机的误误码率码率,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
15、才能保证信息传输的可靠。第第3章章 半导体激光二极管和激光器组件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直流流预预偏偏置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。第第3章章 半导体激光二极管和激光器组件半导体激光二极管和激光器组件3)码型效应)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
16、称为“码码型型效效应应”,如下图(a)、(b)所示。考考虑虑在在两两个个接接连连出出现现的的“1”码码脉脉冲冲调调制制时时,第第一一个个脉脉冲冲过过后后,存存储储在在有有源源区区的的电电子子以以指指数数形形式式衰衰减减,如如果果调调制制速速率率很很高高,脉脉冲冲间间隔隔小小于于其其衰衰减减周周期期,就就会会使使第第二二个个脉脉冲冲到到来来之之时时,前前一一个个电电流流脉脉冲冲注注入入的的电电子子并并没没有有完完全全复复合合消消失失,此此时时有有源源区区电电子子密密度度较较高高,因因此此电电光光延延迟迟时时间间短短,输输出出光光脉脉冲冲幅幅度度和和宽宽度度就就会会增增大大。第第3章章 半导体激光
17、二极管和激光器组件半导体激光二极管和激光器组件码型效应码型效应第第3章章 半导体激光二极管和激光器组件半导体激光二极管和激光器组件 “码型效应”的特点是,在在脉脉冲冲序序列列中中较较长长的的连连“0”码码后后出出现现的的“1”码码,其其脉脉冲冲明明显显变变小小,而而且且连连“0”码数目越多,调制速率越高,这种效应越明显码数目越多,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增加加直直流流偏偏置置电电流流。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双脉冲信号脉冲
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