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四激光振荡和光学谐振腔
粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。
只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。
激光器是由反射率为100%（R=1）的全反射镜
讲解
板书课
件演示动
画演示
与反射率为90%-95%（R2：
:
:
1）的部分反射镜平行放置在工作物质两端以构成光学谐振腔。
并被称为法布里■珀罗（FabryPerot，FP）谐振腔，见图演示。
谐振腔中的工作物质在泵浦源的作用下，处在粒子数反转分布状态，自发辐射产生的光子由于受激辐射不断放大，产生的光子在谐振腔中经过反射镜多次反射，在谐振腔中沿非轴线方向的光子很快逸出了腔外，而沿轴线方向的光子往复传输，不断被放大，且方向性、增益不断改善，最后从反射镜输出即为激光。
五PN'卜导烷懿主空严土張光曲原恣
PN结半导体激光器是用PN结作激活区，用半导体天然解里面作为反射镜组成光子谐振腔，外加正向偏压作为泵浦源。
见图演示
外加正向偏压将N区的电子、P区的空穴注入到PN
结，实现了粒子数反转分布，即使之成为激活物质（PN结为激活区）。
在激活区，电子空穴对复合发射出光。
讲解
板书课
件演示动
画演示
初始的光场来源于导带和价带的自发辐射，方向杂乱无章，其中偏离轴向的光子很快逸出腔外，沿轴向运动的光子就成为受激辐射的外界因素，使之产生
受激辐射而发射全同光子。
这些光子通过反射镜往返反射不断通过激活物质，使受激辐射过程如雪崩般地加剧，从而使光得到放大o在反射系数小于1的反射镜中输出，这就是经受激辐射放大的光。
即PN结半导体激光器产生激光输出的工作原理。
章节名称：
第3章3・1光源3.1.2半导体激光器的主要特性（2学时100分钟）
一、教学目的及要求:
2、掌握半导体激光器的基本结构与工作原理；2、掌握LD的P・I特性、光谱特性、方向特性、温度特性及调制特性的特点。
二、教学重点及难点：
重点：
半导体激光器的工作特性参数定义及计算、LD的P・I特性、光谱特性、方向特性、温度特性及调制特性的特点
难点：
LD的工作性能特点
、教学手段:
板书与多媒体课件演示相结合。
四、教学方法：
课堂讲解、演示、提问。
五、作业：
3-5，3・6，3-7°
六、参考资料：
《光纤通信》杨祥林第三章
《光纤通信》刘增基第三章C《光纤通信》GerdKeiser著，李玉权等译第三章
七、教学内容与教学设计：
教学内容
教学设计
备
注
第3章通信用光器件
开场白
5分钟
3・2光源
明确本节课要
3.1.2半导体激光器的主要特f生
学习的内容。
3.1.2半导体激光器的主要特f生
讲解
一发射波长
板书
45分钟
半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg（eV电子伏特）°由公式
hf=E2一B=Eg
人-6.628”OJs（焦耳•秒），为普朗克常数，
/=〜、九分别为发射光的频率和波长Jc=3"0m/s
为光速，1eV-1・6X0d9j（焦耳）（焦耳）-
动画演示
——eV，代入上式得到
1.600」g
he=6.628灯。
3jM3M08m/s
=1.24275灯0上eVm
=1.24275eVPm
e,he
hf—h—Eg，九―
&Eg
124275
发射波长为：
住m）二
Eg（eV）
不冋半导体材料有不冋的禁带宽度Eg,因而有不冋的
发射波长。
傢铝碑-傢碑（GaAIAs-GaAs）材料禁带宽度
Eg=1.47eV，发射波长
、川、1.242751.24275…
）'、!
-1-m）=--------—0.85卩m
Eg（eV）1.47
这种材料适用于0・85卩m波段。
钢傢碑磷-锢磷（InGaAsP-InP）材料禁带宽度
Eg=0.80~0・96eV，这种材料适用于1.3〜1.55卩m
波段。
二光谱特性
讲解
板书课件演
示动画演示
会产生连续波长的辐射光，所以激光器发射光谱就有一定
的谱线宽度。
光源的谱线宽度是衡量光源单色性好坏的一个物理
量。
激光器发射光谱的宽度取决于激发的纵模数目，对于讲解
存在若干个纵模的光谱性刻画出包络线。
把光强下降一半板书课
半导体光源的典型性
LED
LD
输出題率
工作颐
150mA
1.30F〜155/Jni
2mW八10（W
阖值帧
30i[iW~50nW
调制蒂宽
lOGEte队t
乳曲
正问傭压
15V
1.5V
讲解
1H-+5O°C
-10-+50°C
板书课
10Ah
tO'h
件演示
动画演示
1静态单纵模激光器
由图可见，随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线宽度变窄。
这种变化是由于谐振腔对光波频率和方向的选择，使边模消失、主模增益增加而产生的。
当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光器称为静态单纵模激光器。
2动态单纵模激光器
由图可见，在高速数字调制下，随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。
用F・P谐振腔可以得到的是直流驱动的静态单纵模激光器，但要得到高速数字调制的动态单纵模激光器，必须改变激光器的结构，例如采用分布反馈激光器就可达到目的。
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讲解
板书课
件演示
动画演示
三转换效率和输出光功率特f生
1转换效率
激光器的电/光转换效率用外微分量子效率d表
示，其定义是在阈值电流以上，激光器输出光子数的
增量与注入电子数的增两之比，表达式为
•:
P/hf（P・Pth）/hf
-He—（I—lth）/e
2输出光功率特性
由上式此得到激光器的光功率P为
hf
P二Ph亠（l-lth）
e
式中，P和I分别为激光器的输出光功率和驱动电流，Pth和Ith分别为相应的阈值，hf和e分别为光子能量和电子电荷。
激光器的光功率特性通常用P-I曲线表示，图是典型激光器的光功率特T生曲线。
当IIth时，发出的是受激辐射光，光功
率随驱动电流的增加而增加O
讲解
板书课
件演示动画演示
典型半导体激光器的光功率持性
四・・I.■
激光器输出光功率随温度而变化有两个原因：
-
是激光器的阈值电流Ith随温度升高而增大，二是外微分量
子效率d随温度升高而减小。
温度升高时，Ith增大，d减小，输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了°如图所不0
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
讲解
板书课
件演示
流随温度呈指数变化，在一定温度范围内，可以表示为式中，I。
为常数，T为结区的热力学温度，T。
为激光器材料的特征温度。
GaAIAsGaAs激光器T。
二100~150K
动画演示
InGaAsPInP激光器T。
二40-70K
所以长波长InGaAsPInP激光器输出光功率对温
度的变化更加敏感。
外硕力里于致牛随品度旳斐化个十ttSxI&x，例如，
GaAIAsGaAs激光器在77K时nd〜50%，在300K时，
%托30%。
3.1.3才布反馈激光益
普通激光器用FP谐振腔两端的反射镜，对激活物质发出的辐射光进行反馈，
分布反馈（DFB）激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性结构（波纹状）衍射光栅实现光反馈。
这种衍射光栅的折射率周期性变化，使光沿有源层分布式反馈，所以称为分布反馈激光器。
50分钟
分布反馈激光器的要求：
（1）谱线宽度更窄
（2）咼速率脉冲调制下保持动态单纵模特f生
（3）发射光波长更加稳定，并能实现调谐
（4）阈值电流更低
（5）输出光功率更大
讲解
板书课件演示动
画演示
图分布反馈（DFB）1
（a）结构；（b）光反馈
如图所示，由有源层发射的光，从一个方向向另一个方向传播时，一部分在光栅波纹峰
反射（如光线
a），另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰反射（如光线b）。
如果光线a和b匹
配，相互叠加，则产生更强的反馈，而其他波长的光将相互抵消。
虽然每个波纹峰反射的光不大，但整个光栅有成百上讲解
件滴示DFB激光器与F・P激光器相比，具有以下优点：
①单纵模激光器o
F・P激光器的发射光谱是由增益谱和激光器纵模特性共同决定的，由于谐振腔的长度较长，导致纵模间隔小，相邻纵模间的增益差别小，因此要得到单纵模振荡非常困难。
DFB激光器的发射光谱主要由光栅周期A决定。
A相当于F・P激光器的腔长L,每一个
A形成一个微型谐振腔。
由于A的长度很小，所以m阶和（时1）阶模之间的波长间隔比
FP腔大得多，加之多个微型腔的选模作
用，很容易设计成只有一个模式就能获得足够的增益。
于是DFB激光器容易设计成单纵模振荡。
2谱线窄，波长稳定性好。
由于DFB激光器的每个栅距A相当于个FP腔，所以布喇格反射可以看作多级调谐，使得谐振波长的选择性大大提高，谱线明显变窄，町以窄到几个
CUz
由于光栅的作用有助于使发射波长锁定在谐振波长上，因而波长的稳定性得以改善。
3动态谱线好。
DFB激光器在高速调制时也能保持单模特f生，这是FP激光器无法比拟的。
尽管DFB激光器在高速调制时存在碉啾，谱线有一定展宽，但比F-P激光器的动态谱线的展宽要改善一个数量级左右。
4线性好。
DFB激光器的线性非常好，因此广泛用于模拟调制的有线电视光纤传输系统中。
发光二极管（LED）的工作原理与激光器（LD）有所不同，LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光oLED的结构和LD相似，大多是米用双异质结（DH）芯片，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔，没有阈值。
发光极管有两种类型：
一类是正面发光型LED另一类是侧面发光型LED其结构如图所不。
和正面发光型LED相比，侧面发光型LED驱动电流较大，输出光功率较小，但
讲解
板书课件演示动
画演示
由于光束辐射角较小，与光纤的耦合效率较高，因而入纤光功率比正面发光型LED大。
图两类发光二极管
（a）正面发光型；（b）侧面发光型
讲解
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件演示动
画演示
和激光器相比，发光二极管输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。
但发光二极管性能稳定，寿命长，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。
因此，这种器件在小容量短距离系统中发挥了重要作用。
发光二极管具有如下工作特性：
⑴光谱特性
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。
一般短波长GaAIAsGaAsLED谱线宽度为30〜50nm长波InGaAsPInPLED谱线宽度为60〜120nm。
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
団为0.2〜0.3nm/°C和0.3〜0.5nm/°C。
（2）光束的空间分布
在垂直于发光平面上，正面发光型LED辐射图呈朗伯
分布，即P（9）=P0cos9，半功率点辐射角9〜
120°侧面发光型LED011A120°,9丄”25°〜35°由于B大^LED与光纤的耦合效率一般小于10%
（3）输出光功率特性。
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nd小于10%两种类型发光二极管的输出光功率特性如图所示。
驱动电流I较小时，P-I曲线的线性较好；I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。
输出功率/mW
OC
讲解
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件演示动
画演示
50100150
电流/mA
3.1.5半导体光源一般T生能和应用
半导体光源的一般性能表：
LED通常和多模光纤耦合，用于1.3卩m（或0.85卩m）波长
的小容量短距离系统。
因为LED发光面积和光束辐射角较
大，而多模SIF光纤或G.651规范的多模GIF光纤具有较大
的芯径和数值孔径，有利于提高
耦合效率，增加入纤功率。
LD通常和G.652或G・653规范的单模光纤耦合，
用于1.3卩m或1.55卩m大容量长距离系统。
分布反馈激光器（DFB・LD）主要和G.653或G.654
规范的单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于超大容量的新型光纤系统。
章节名称：
第3章3.2光检测器322PIN光电二极管（2
学时100分钟）
一、教学目的及要求：
1、了解系统对光检测器的要求；2、掌握半导体光检测
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