《光纤通信技术教学资料》第3章第4节.ppt

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1、1,3.4 半导体激光器的输出特性,本节进一步讨论光波系统应用中更直接关注的一些问题：电光转换输出功率(LI)特性 调制特性 噪声特性,3.4.1 L-I 转换输出特性 半导体激光器的基本功能是借助泵浦电流注入有源区，通过电子空穴复合发光。利用速率方程（）可以计算激光器的输出光功率与注入电流的关系，即LI特性曲线，由此可得到阈值电流和输出功率。,2,例如，在室温下，阈值电流 Ith=20mA，在注入电流 I=100mA时，从激光器每端面能发射10mW输出功率。温度提高时性能下降，阈值电流随温度按指数增长：,其中，I0是常数；T0是特征温度，代表Ith对温度的灵敏度。对InGaAsP激光器，T0

2、的典型值在50K70K范围内，而对GaAs激光器，T0120K。可见，InGaAsP激光器的性能对温度比较敏感，需用内装热电致冷器控制。工作于1.55m的InGaAsP激光器，一般不能在100以上发光。,3,由A，B两段组成：A段：工作电流小于阈值电流 Ith，属于自发辐射光，光能量很低；B段：工作电流大于阈值电流 Ith 时产生激光输出。对典型的应用，取工作电流为:Ith+20mA，相应的光功率输出被认为是LD的输出功率。图右侧纵坐标为LD的管压降，它与横坐标构成LD的伏安特性。,mA,1.LD的L-I特性,4,(2)LD的管压降：,pn结压降（导通电压）,串联电阻压降,在IIth 条件下，

3、LD的管压降接近为常数。从伏安特性可以求出Rs值，通常小于5。,通常:GaAlAs材料，带隙宽，导通电压为1.21.5V;InGaAsP材料，带隙窄，导通电压为0.81V；,5,图3.22展示了一个1.3mBH InGaAsP激光器在10130范围内不同温度时的LI特性曲线，由此可得到阈值电流和输出功率。,2、温度特性,图3.22 1.3m BH激光器的输出功率电流(L-I)特性曲线,6,可见LD的 Ith 对工作温度是十分敏感的，随着工作温度的提高，P-I特性曲线向右移动，这时阈值电流增大，斜率减小，见右图。在进行脉冲调制时，在脉冲持续期内，结温及阈值电流随时间增加，输出功率则随时间减小，结

4、果使脉冲波形失真，顶部衰减，这就是结发热效应。(3-4-1的出光特性动画示意图),7,利用速率方程来讨论LI曲线的特点和激光器的效率。当 IIth 时，光子数 P 随 I 线性增加,（）,为光子寿命，激光器辐射功率与光子数的关系为,（）,式中，vgmir 代表能量为的光子从两端辐射的速率、p为光子数。通过以上公式，可以求得辐射功率和激光器输出效率。,8,LD的输出光功率,（）,式中：I为注入电流；int 为内量子效率，测试表明，室温下其值为0.60.7；,为非全反射端面引起的透射损耗。,为谐振腔内总损耗；,9,外量子效率(总效率)在阈值电流Ith以上，LD的输出功率与注入电流近似成线性，其外量

5、子效率为,（）,10,定义总量子效率为tot=2Pe/(V0I)，V0为外加电压，tot与ext的关系为,（）,式中，Eg是禁带宽度。一般外加电压超过Eg/q，因而 totext。对GaAs激光器d 微分量子效率，与外量子效率关系为：超过80%，tot近似为 50%；相对而言，InGaAsP 激光器一般效率较低，d 约为50%，而tot约为 20%。,11,3.4.2 调制特性 半导体激光器调制特性直接影响着光发送机和光波通信系统的性能，调制特性可从直接求解具有时变电流的速率方程(3.4.1)进行研究。实际激光器存在的两种物理机制对速率方程的影响：(1)增益饱和效应。当注入电流增大，因而光子数

6、P增大时，G（光增益）出现饱和现象，这一因素导致P增大时G的减小。(2)线性调频效应。当注入电流为时变电流对激光器进行调制时，载流子数、光增益和有源区折射率均随之而变，载流子数的变化导致模折射率和传播常数的变化，因此产生了相位调制。,12,1.小信号调制,在阈值以上偏置(Ib-Ith)，且调制信号幅值 ImIb-Ith 时，可作为小信号调制而求得解析解。设时变电流为 I(t)=Ib+Imfp(t)(3.4.16)式中，fp(t)为调制电流脉冲的形状。,(3.4.22),类似于LED的情况，可引入变换函数H(m)，即,13,从上式可见：当调制频率远低于弛豫振荡频率时，即 m R 时，调制响应则剧

7、烈下降。图3.23展示了一个1.3m DFB 激光器在几个不同偏置电流下的调制特性。,式中 与 分别为弛豫振荡的频率和阻尼率，这两个参数对半导体激光器的动态响应有重要影响，特别是当频率远超过弛豫振荡频率时，调制效率大大降低。,14,一些专门设计的 InGaAsP 激光器，其调制带宽可达20GHz以上。然而大多数半导体激光器，由于输入电路和封装引入的寄生电容的影响，实际的调制带宽很难超过10GHz。,当偏置电流高于阈值电流的7.7倍时，其 f3dB可达14GHz。,图3.23 1.3m DFB激光器的小信号调制响应,15,2、大信号调制 在数字光波系统中，偏置一般设置在阈值附近:IbIth，Im

8、Ib-Ith 这对应于大信号调制状态。在大信号调制条件下，不能用使速率方程线性化的方法求解析解，而只能应用数值方法求解。图3.24中实线表示发射光脉冲形状，虚线表示载流子感应折射率变化导致的频率啁啾(c=5)。,16,图3.24展示了一个 Ib=1.1Ith,Im=Ith,Im Ib-Ith，脉宽为500ps，比特率为2Gb/s的矩形电流脉冲调制激光器时所产生的发射光脉冲的形状。可见，与输入电脉冲波形相比，输出光脉冲发生了一定的畸变，产生了约100ps的前沿，300ps的后沿及初始过冲，前者是调制带宽不够宽而引起的，后者是弛豫振荡现象引起的。,虚线表示载流子感应折射率变化导致的频率啁啾（c=5）,实线表示发射光脉冲形状,图3.24 半导体激光器的大信号调制响应(输入矩形电流脉冲脉宽500ps),