《光纤通信技术教学资料》第3章第4节

13.4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(L—I)特性调制特性噪声特性3.4.1L-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（3.4.1--3）可以计算激光器的输出光功率与注入电流的关系，即L—I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的典型值在50K～70K范围内，而对GaAs激光器，T0＞120K。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1.55μm的InGaAsP激光器，一般不能在100℃以上发光。00()exp()thTITIT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。mA1.LD的L-I特性4gsEVIRe(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，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1.2～1.5V;InGaAsP材料，带隙窄，导通电压为0.8～1V；5图3.22展示了一个1.3μmBHInGaAsP激光器在10～130℃范围内不同温度时的L—I特性曲线，由此可得到阈值电流和输出功率。2、温度特性图3.221.3μmBH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，结果使脉冲波形失真，顶部衰减，这就是结发热效应。(3-4-1ＬＤ的出光特性动画示意图)7利用速率方程来讨论L—I曲线的特点和激光器的效率。当I≥Ith时，光子数P随I线性增加()PthPIIq（3.4.6）为光子寿命，激光器辐射功率与光子数的关系为1()2egmirPhp（3.4.7）式中，vgαmir代表能量为ω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。p8●LD的输出光功率（3.4.8）intint()2mirethmirhwPIIq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0.6～0.7；为非全反射端面引起的透射损耗。int为谐振腔内总损耗；mir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，其外量子效率为（3.4.11）2/2/eeextPhwPqIqhwI光子辐射率电子注入率10定义总量子效率为ηtot=2Pe/(V0I)，V0为外加电压，ηtot与ηext的关系为00gtotextextEhqVqV（3.4.13）式中，Eg是禁带宽度。一般外加电压超过Eg/q，因而ηtot＜ηext。对GaAs激光器ηd[微分量子效率，与外量子效率关系为：]超过80%，ηtot近似为50%；相对而言，InGaAsP激光器一般效率较低，ηd约为50%，而ηtot约为20%。(1/)extdthII113.4.2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)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(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。121.小信号调制在阈值以上偏置(Ib-Ith)，且调制信号幅值Im《Ib-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。22()()(0)()()mmmmRRRmRRmRPHPii(3.4.22)类似于LED的情况，可引入变换函数H(ωm)，即13从上式可见：当调制频率远低于弛豫振荡频率时，即ωmΩR时，H(ωm）=1，调制响应平坦无起伏；当ωm=ΩR时，调制响应达到峰值；当ωmΩR时，调制响应则剧烈下降。图3.23展示了一个1.3μmDFB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。RR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3.231.3μmDFB激光器的小信号调制响应152、在数字光波系统中，偏置一般设置在阈值附近:Ib≥Ith，ImIb-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(βc=5)。16图3.24展示了一个Ib=1.1Ith,Im=Ith,ImIb-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（βc=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)