温度特性
对于线性良好的激光器，输出光功率特性 如下式和下图所示。 激光器输出光功率随温 度而变化有两个原因： 一是激光器的阈值电
流率ηd减Iηdth随小随，温温输度度出升升光高高功而而率减增明小大显。，下温二降度是，升外达高微到时分一，量定I子th温增效度大，
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，阈值电流随温度呈指数变化，在一定温 度范围内，可以表示为
结构，可调谐光纤激光器的调谐通常使用可调
谐滤波器来实现。可调谐激光器不仅可以用作 DWDM系统的光源，还可以用作分组交换器 件、接入波长路由器等，在光通信中具有非常
大的应用潜力，最终将会代替目前通信市场上 占主流地位的固定波长激光器。
• 可调谐DFB激光器一般是通过温度来实现波长 调谐，但随着调谐温度的上升，会使激光器的 有效输出功率下降，所以单个DFB激光器的调 谐范围受到限制，大约5nm左右，这远不能满 足光通信中对波长调谐范围的要求。为了扩大 DFB激光器的调谐范围，组合多个DFB激光器 形成DFB阵列是一种有效的方法。北电网络等 人报导了他们将三个DFB串联而成的可覆盖 34个ITU标准信道（50GHz信道间隔）的可 调谐激光器模块。美国Santur公司等人也研 制出了由12个DFB并联形成的DFB阵列。
I
th＝I0
T exp(
T0
• 常规的激光器都是禁带宽度决定波长，因此要 用不同的材料来获得不同的波长。
量子阱激光器QW
• 半导体激光器的结构可以分为同质结和 异质结。同质结只有一个简单的PN结， P区和N区都采用同一种半导体材料。异 质结由不同材料，例如GaAs和GaALAs 构成的PN结－－异质结。
• 量子阱激光器采用双异质结结构。有源层的 厚度在0.1~0.2微米左右，当有源层的厚度小 到某一数值时，就会出现所谓的量子阱效应， 即有源层与两边相邻的能带不连续，在有源层 的异质结上出现导带和价带的突变，这样窄带 隙的有源区为导带中的电子和价带中的空穴创 造了一个势能阱，将载流子限制在很薄的有源 区内，使有源区内的粒子数反转浓度非常高， 这是受激辐射发光的必要条件。
即平行于PN结平面的宽度w和垂直于结平面的 厚度t所决定，并称为激光器的横模。由图可 以看出，平行于结平面的谐振腔宽度w由宽变
窄，场图呈现出由多横模变为单横模；垂直于
结平面的谐振腔厚度t很薄，这个方向的场图
总是单横模。
GaAlAs-DH条形激光器的近场和远场图样
下图为典型半导体激光器的远场辐射特性，图中θ‖和θ⊥ 反射点，当光照射在反射点上将产生周期性的 反射。
• 激光器的输出波长：＝2nA/m，其中A为两 反射点间的距离。
三电极DBR-LD结构示意图
单片分布反馈激光器DFB
• 用布喇格反射原理制成的另一种激光器是DFB • DFB激光器和DBR激光器结构不同，DFB的光栅和有
• 腔体积减小使得其自发辐射因子较普通端面发射激光 器高几个数量级，这导致许多物理特性大为改善，
• 可以在片测试，极大降低了开发成本 • 出光方向垂直衬底，可实现高密度二维面阵的集成， • 最吸引人的是它的制造工艺与发光二级管LED兼容，
大规模制造的成本很低。
VCSEL的研究水平及应用
• 650～670nm波段 • 这个波段的VCSEL可应用在基于塑料光纤的数据通信
阱有源区，氧化
层有助于形成良
好的电流及光场
限制结构，电流 由P、N电极注 入，光由箭头方 向发出。
VCSEL的特点
• VCSEL与传统边发射激光器不同的结构带来了许多优 势：
• 小的发射角和圆形对成的远、近场分布使其与光纤的 耦合效率大大提高，现已证实其与多模光纤的耦合效 率竟能大于90％，
• VCSEL的光腔长度极短，导致其纵模间距拉大，可在 较宽的温度范围内实现单纵模工作，动态调制频率高，
成本低、易于集成和批量生产，因此是 一种比较有前途的通信用可调谐光源。
• 可调谐外腔半导体激光器ECDL是一种新型可 调谐光源，由于它大功率输出时可以具有超宽 带的可调谐范围（超过100nm），因而成为新 一代光源的研究热点。ECDL通常由外部镜面 或光栅与半导体激光二极管构成谐振腔，有单
边结构和双边结构之分，外部镜面或光栅的调 节目前一般结合使用MEMS技术，因此具有较 好的调谐精度和波长调谐速度。
PPthdehf(IIth)
• 式中，P和I分别为激光器的输出光功率 和 hf驱和动e分电别流为，光Pt子h和能I量th分和别电为子相电应荷的。阈激值光， 器的光功率特性通常用P-I曲线表示，图
3.10是典型激光器的光功率特性曲线。
当 当 率II随<>II驱tthh动时时电激，流光 发的器 出增发 的加出 是而的 受增是 激加自辐。发射辐光射，光光；功
半导体激光器的主要特性
发射波长和光谱特性
波长特性
• 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），我们可以得出
•
=1.24/Eg
• 不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有 不同的发射波长。
光谱特性
• 在直流驱动下，发射光波长有一定的分布，谱 线具有明显的模式结构。这种结构的产生是因 为导带和价带都是由许多连续能级组成的有一 定宽度的能带，两个能带中不同能级之间电子 的跃迁会产生连续波长的光辐射。其中只有符 合激光振荡相位条件的波长存在。这些波长取 决于激光器纵向长度L，称之为激光器的纵模。
VCSEL的结构
• 典型的VCSEL由高反射率分布式布拉格 反射镜面、有源层和金属接触层组成。 量子阱有源层夹在n－DBR和p－DBR之 间。DBR反射镜由光学厚度为/4的高 折射率层和低折射率层交替生长而成。
VCSEL的典型示意图
• 其上下分别为分 布布拉格反射 (DBR)介质反射 镜，中间为量子
• 用这种原理做成的激光器就叫做量子阱激光器 或量子限制激光器。这种激光器还可以细分单 量子阱激光器、多量子阱激光器、量子线激光 器和量子点激光器。
量子阱激光器小结：
• 三明治的结构 • 波长由有源区厚度决定，而不是材料 • 输出功率比较高 • 寿命长，可靠性好
VCSEL 垂直腔面发射激光器
• 1979年提出VCSEL思想至今，研究单位和科学家们已 经从材料、结构、器件性能和波长范围方面做了长期 深入的研究。特别是近年来，由于人们对超长距离、 超高速、超大容量的光纤网络和高性能、低成本的光 互连网络不断提出更高要求，从而极大推动了VCSEL 的发展。虽然目前通信市场萎缩，但据美国 ElectroniCast公司最近预测，全球用于光通信的 VCSEL激光收发机的需求量在未来5年内仍将以每年 35％的速率递增，到2006年将达到20亿美元。
别为平行于结平面和垂直于结平面的辐射角，整个光束的横 截面呈椭圆形。
(a) 光强的角分布；(b) 辐射光束
转换效率和输出光功率特性
• 外微分量子效率ηd • 激光器的电/光转换效率用外微分量子效率ηd
表示，其定义是在阈值电流以上，每对复合 载流子产生的光子数
d
(PPth)/hfΔP e (IIth)/e ΔI hf
GaAlAs-DH (a) 直流驱动; (b) 300 Mb/s数字调制
• 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，这种激光器成为静态单纵模激光器。 图 (b)是300 Mb/s数字调制的光谱特性，由 图可见，随着调制电流增大，纵模模数增多， 光谱宽度变宽。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，要得
(a) 短波长GaAlAs-GaAs; (b) 长波长InGaAsP-InP
频率特性
在直接光强调制下，激光器输出
光功率P和调制信号频率f的关系为
P(f)
P(0)
[1(f/fr)2]242(f/fr)2
fr
1 2π
1 ( I0 I 1)
sp hp IthI
• 式I益th中 电和， 流I0f，分r和高别ξ掺为分杂阈别浓值称度电为的流弛L和张D偏，频置I率′=电和0，流阻低；尼掺I因′是杂子零浓，增度 的子L寿D命，，I′=τp(h0.7～0.8)Ith；τsp为有源区内的电
系统中 • 850nmVCSEL • 技术已经相当成熟，批量生产成本较低，由于其优异
的性能，850nm的VCSEL已经主宰了单通道短距离光 学互连的市场，如IEEE802.3千兆以太网1000BaseSx系列标准中就采用低成本850nmVCSEL作为光源， 用在并行传输多通道发送机模块中的一维VCSEL阵列 也有产品进入市场。 • 1300、1550nm
第三章 通信用光器件
FP Laser
• 可以发射多纵模的激光器 • 最经典的激光器
基本参数： • 主要用在850nm 1310nm • 输出功率有几个毫瓦 • 频谱宽度3~20nm • 模式间距离0.7~2nm • 相干长度1～100mm • 可以高效的耦合进光纤
单片布喇格激光器DBR
• DBR内部用布喇格光栅做反射器来获得谱线更 窄的激光。
• VCSEL发展到今天，从器件性能到覆盖波长， 从实验研究到工业应用，各方面都显示出它作 为新一代半导体光源的潜力，可以说，面发射 激光器是未来实现大规模的并行光处理所必须 的器件。作为单个器件，它本身可在极低阈值 下工作，并有单一波长，圆形的窄输出光束， 可以高速调制，若集成成二维面阵，则可实现 多波长阵列，高功率阵列，并能大量生产，而 且由于利用MEMS技术使层叠集成成为可能， 新的器件可能会不断出现，随着外延生长技术 的不断提高，对材料物理特性研究的不断深入， 以及新材料、新结构的不断应用，VCSEL定会 有辉煌的未来，成为光子信息时代的新型光源。