半导体激光器衣发光二极管

1.光纤通信系统对光源的要求

光纤通信系统对于光源的要求可以概括为：

•光源的发射波长应该与光纤的低损耗窗口一致，即850nm、1310nm和1550nm三个低损耗窗口；

•光源有足够高的、稳定的输出光功率，以满足系统中继距离的要求，一般为数十微瓦至数毫瓦为宜；

•光源的光谱线宽要窄，即单色性好，以减小光纤色散对信号传输质量的影响；

•调制方法简单，且要响应速度快，以满足高速率传输的需要；

•电光转换效率要高；

•能够室温连续工作；

•体积小、重量轻、寿命长，工作稳定可靠。

目前，满足上述要求的光源器件是半导体激光器（LD）和半导体发光二极管（LED）,它们在不同的光纤通信系统中用作光发送机的光源。

2.半导体激光器

（1）基本原理

            受激辐射是半导体激光器的基本工作原理。半导体激光器是由共价单晶体所制成的。在半导体材料中，原子是紧密地按一定规则排列的。由于电子的共有化运动，使能级产生了分裂.并形成了能带，如图9.9所示。晶体中电子填充能带遵守泡利不相容原理和能量最小原理。低能带首先被占满，称为满带；价电子占据的能带称为价带；价带上面的自由电子占据的能带称为导带；导带和价带之间是不能被电子占据的禁带,通常用E”表示导带和价带之间的能量差，称为禁带宽度式（9-20）中为导带底的能量；旦为价带顶的能量。

            一般来说，处于高能态的一导带的电子是不稳定的，它们会向低能态一价带跃迁，而将能量以光子的形式释放出来。这种发光过程可以通过自发辐射和受激辐射这两个基本形式而进行。但受激辐射的产生还必须有光场的激发，自发辐射则不需要。在自发辐射中，产生的是非相干光。半导体发光二极管（LED）正是利用了自发辐射的效应而发光。在受激辐射中产生的是相干光，半导体激光器（LD）正是利用这个原理制成的。当晶体中有光场存在，且光子的能量hf^E_c-EAf为光子的频率）时，处于导带上的电子在光场的激发下跃迁到价带上，同时发射出一个和激发光子一模一样的光子。这一过程即为受激辐射。受激辐射使原来的光场加强，光波被放大。要产生激光必须使受激辐射占主导地位，这就需要导带上的电子密度高于价带上的电子密度一实现粒子数反转分布。实现粒子数反转分布需要给半导体激光器外加激励（泵浦），采用的方式是对PN结加正向电流。在半导体激光器内部实现粒子数反转分布、具有光放大的区域称为有源区。

（2）半导体激光器的结构
            半导体光源的核心是PN结，它由高掺杂浓度的P型半导体材料和N型半导体材料组成。半导体激光器的基本结构如图9-10所示。在P区和N区之间的PN结区为有源区（或激活区），这种结构称为异质结构；两个端面为自然解理面形成平行反射镜，构成光学谐振腔。有源区为光提供增益，而谐振腔的作用是提供光学正反馈，并控制激光束的特性。半导体激光器要产生稳定的激光振荡必须满足一定的条件，即阈值条件和相位条件。由于激光器有源区内各种损耗机制及谐振腔损耗的存在，激光器的注入电流必须大于一定值才能产生激光振荡，这一最小注入电流就是激光器的阈值电流。此外，激光振荡还必须满足谐振腔决定的相位条件。