1、第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件u 半導體激光器基礎知識半導體激光器基礎知識u半導體激光器類型、組件及特性參數(shù)半導體激光器類型、組件及特性參數(shù)半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件第一節(jié)第一節(jié) 半導體激光器基礎知識半導體激光器基礎知識一、半導體激光器的工作原理 半導體激光器產(chǎn)生激光輸出的基本條件：粒子數(shù)反轉光反饋閾值條件1、粒子數(shù)反轉 在熱平衡條件下，二能級原子系統(tǒng)中上能級的粒子要比下能級少得多，服從波爾茲曼分布。此時不會發(fā)生受激發(fā)射。第第3章章 半導體激光二極管和激光器組

2、件半導體激光二極管和激光器組件 為了產(chǎn)生受激輻射，必須建立非平衡得分布，即使上能級的粒子數(shù)大于下能級的粒子數(shù)，使受激發(fā)射大于受激吸收，這種狀態(tài)叫做粒子數(shù)反轉粒子數(shù)反轉。波爾茲曼分布粒子數(shù)反轉第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件 激光器的粒子數(shù)反轉狀態(tài)可采用電或光的泵浦電或光的泵浦。2、光反饋和激光振蕩、光反饋和激光振蕩 在有源區(qū)內，開始少數(shù)載流子的自發(fā)輻射產(chǎn)生光子。一部分光子一旦產(chǎn)生，就穿出有源區(qū)，得不到放大；另一部分光子可能在有源區(qū)內傳播，并引起其他電子空穴對的受激輻射，產(chǎn)生更多的性能相同的光子，得到放大。 為了得到激光，必須將激活物質置于光學諧振腔中，如下圖

3、。 通過腔兩端的反射，向光子提供正反饋提供正反饋。光信號每通過一次增益媒質就得到一次放大。第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件激光器中的光反饋及FP腔 這種光學結構稱為法布里珀羅諧振腔法布里珀羅諧振腔，簡稱F-P諧振腔諧振腔。 在LD中，作為增益媒質晶體兩端的自然解理面形成反射鏡，即光腔。第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件 由于在諧振腔中，光波是在兩塊反射鏡之間往復傳輸?shù)模@時只有在滿足特定相位關系的光波才能得到彼此加強，因此這種條件稱為相位條件相位條件，2qcqfnL 激光器中振蕩光頻率只能取某些分立值，不同q的一系列取值對應

4、于沿諧振腔軸向一系列不同的電磁場分布狀態(tài)，一種分布就是一個激光器的縱模縱模。相鄰兩縱模之間的頻率之差：第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件2cfnL稱為縱模間隔，它與諧振腔長及工作物質有關。F-P腔的透射頻譜特性如下圖：腔的透射頻譜特性如下圖：第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件半功率點全寬為：半功率點全寬為：Fff/2/1RRF1F為F-P腔的精細度，可表示為：R增大，F(xiàn)增大。第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件3、激光振蕩的閾值條件、激光振蕩的閾值條件 在注入電流的作用下，有源區(qū)的受激輻射不斷增

5、強，稱為增益增益。 在F-P腔中，每次通過增益媒質時的增益盡管很小，但經(jīng)過多次振蕩后，增益變得足夠大。 當腔內增益超過總損耗腔內增益超過總損耗（包括載流子吸收、缺陷散射及端面輸出）時，就產(chǎn)生了激光。 見下圖：第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件FP-LD的增益曲線(a)腔模(b)及輸出的縱模(c)第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件半導體激光器的工作特性半導體激光器的工作特性1、P-I特性特性典型的半導體激光器如下圖所示0Ith100150注入電流 / mA功率 / mW3.53.02.52.01.51.00.5050圖4.14

6、半導體激光器PI曲線第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件 從圖上可以看出，半導體激光器存在閾值電流閾值電流Ith。當注入電流小于閾值電流時，器件發(fā)出微弱的自發(fā)輻射光，類似于發(fā)光二極管的發(fā)光情況。當注當注入電流超過閾值，器件進入受激輻射狀態(tài)時，光功入電流超過閾值，器件進入受激輻射狀態(tài)時，光功率輸出迅速增加，輸出功率與注入電流基本保持線率輸出迅速增加，輸出功率與注入電流基本保持線性關系。性關系。 半導體激光器的PI特性對溫度很敏感，下圖給出了不同溫度下PI特性的變化情況。第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件05010015080706

7、050403022注入電流 / mA功率 / mW654321圖4.15 半導體激光器PI曲線隨溫度的變化動畫演示第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件 由圖可見，隨著溫度的升高，閾值電流增大，發(fā)隨著溫度的升高，閾值電流增大，發(fā)光功率降低。光功率降低。閾值電流與溫度的關系可以表示為：00( )exp()thTITIT 其中,T為器件的絕對溫度；T0為激光器的特征溫度；I0為常數(shù)。 為解決半導體激光器溫度敏感的問題，可以在驅動電路中進行溫度補償溫度補償，或是采用制冷器來保持器件的溫度穩(wěn)定溫度穩(wěn)定。 通常將半導體激光器與熱敏電阻、半導體制冷器等封裝在一起，構成組件。熱

8、敏電阻用來檢測器件溫度，控制制冷器，實現(xiàn)閉環(huán)負反饋自動恒溫。第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件2、模式特性與線寬、模式特性與線寬LD輸出譜特性，或為多縱模或為單縱模，如下圖。LD的多模(a)及單模(b)輸出譜第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件 1、模式特性 從使用來說，首先考慮的是模式的穩(wěn)定性穩(wěn)定性，它隨時間、電流的任何變化都會給系統(tǒng)附加噪聲。其次，對高速光纖通信系統(tǒng)來說，單縱模窄譜寬單縱模窄譜寬的光源有利于減小光纖色散的影響。 在模式特性上還要注意到橫模的問題。 激光振蕩也可能出現(xiàn)在垂直于腔軸的平面內，其中TEM00為基橫模

9、為基橫模，TEM10、TEM11等為高次橫模。 由于TEMTEM0000模的光斑與光纖中基模模的光斑與光纖中基模LPLP0101模場光斑相模場光斑相匹配，故耦合效率最高匹配，故耦合效率最高。 同時LD工作在TEM00模時相干性最好相干性最好，因此在LD的設計及結構上都應保證基橫模工作保證基橫模工作。 第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件2、線寬LD輸出的有限線寬來自于兩個因素： 一、是激光腔內自發(fā)發(fā)射事件引起的光場相位脈動。 二、是載流子濃度脈動引起的折射率變化，使光腔庇振頻率產(chǎn)生變化。簡化理論推導的光源線寬可表示為：PX41式中，X為自發(fā)發(fā)射事件的平均速率；P

10、為光功率；為線寬提高因子，表示折射率實部與虛部之比。 第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件由上式可知，為了降低LD的線寬，可采取下列措施：增大光功率（或腔內總光子數(shù)）。 減小自發(fā)發(fā)射速率。從外部穩(wěn)定載流子密度以使幅值-相位耦合最小。 第一點可通過改變腔結構、增加總體積、增加單位體積內儲能（如增加端面反射系數(shù)）或增加輸出功率來實現(xiàn)。 第二點可通過注入鎖定來實現(xiàn)。 第三點，通過驅動電流的反饋控制來穩(wěn)定載流子密度，有效減少激光場的幅值-個位耦合。 第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件3、調制特性、調制特性 如下圖為半導體激光器的直接調制

11、的原理圖。 激光二極管的調制原理圖 (a)數(shù)字調制數(shù)字調制；(b)模擬調制模擬調制光功率輸 出 功 率信號電流電 流時 間(b)時間光功率輸 出 功 率信號電流電 流時 間(a)時間第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件 與發(fā)光二極管的調制不同的是，由于存在閾值電閾值電流流，在實際的調制電路中，為提高響應速度及不失真，需要進行直流偏置處理。 在高速調制情況下，半導體激光器會出現(xiàn)許多復雜動態(tài)性質，如出現(xiàn)電光延遲電光延遲、張弛振蕩、自脈張弛振蕩、自脈動動和碼型效應碼型效應等現(xiàn)象。這些特性會對系統(tǒng)傳輸速率和通信質量帶來影響。第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體

12、激光二極管和激光器組件1）張馳振蕩）張馳振蕩 當電流脈沖突然加到LD上時，其光輸出呈現(xiàn)下圖所示的動態(tài)相應，這是注入電子與所產(chǎn)生光子簡相互作用的量子力學過程。LD的張弛振蕩特性第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件 當注入電流從零快速增大到閾值以上時，經(jīng)電光延遲后產(chǎn)生激光輸出，并在脈沖頂部出現(xiàn)阻尼振蕩，經(jīng)過幾個周期后達到平衡值。 這種特性可定性解釋如下： 當階躍電流加到LD時，有源層中的電子濃度迅速增加。在未達到閾值時沒有激光輸出，但經(jīng)過電子延遲時間td后電子濃度達到閾值，并馬上產(chǎn)生激光輸出。而在光子濃度到穩(wěn)態(tài)值前，電子濃度仍在增大，直到電子濃度達到最大值，而光子濃

13、度達到穩(wěn)態(tài)值。由于導帶內超量儲存電子，受激復合過程進一步增大，直到光子濃度升到最大值，而電子濃度則降到閾值； 第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件由于光子壽命，及逸出腔外需要一定時間，使有源區(qū)內的過量復合仍維持一段時間，電子濃度進一步下降到閾值以下，光子濃度也開始迅速下降。當電子濃度下降到最低點，有源層中的激射可能減弱甚至停止。緊接著又開始新一輪導帶電子填充過程。但由于電子但由于電子的存儲效應，這一輪的填充時間比上次短，電子濃度的存儲效應，這一輪的填充時間比上次短，電子濃度和光子濃度的過沖量也比上次小。和光子濃度的過沖量也比上次小。這種衰減振蕩過程重復多次，直到

14、輸出光功率達到穩(wěn)態(tài)值。 顯然，如果LD預偏置在閾值附近，光脈沖上升時預偏置在閾值附近，光脈沖上升時間及張弛振蕩的幅度都會顯著降低間及張弛振蕩的幅度都會顯著降低。 另外，在結構上具有橫向光波導的LD（如隱埋導質結LD），其張弛振蕩較弱。 第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件2)電光延遲電光延遲 半導體激光器在高速脈沖調制下，輸出光脈沖瞬態(tài)響應波形如下圖所示。輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在一個時間延遲，稱為電光延遲時間電光延遲時間，一般為納秒量級。光脈沖電脈沖光脈沖的電光延遲和張弛振蕩光脈沖的電光延遲和張弛振蕩第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極

15、管和激光器組件 電光延遲的原因是由于載流子濃度達到激光閾值需要一定的時間（0.52.5ns)。 張馳振蕩張馳振蕩和電光延遲電光延遲與激光器有源區(qū)的電子自發(fā)有源區(qū)的電子自發(fā)復合壽命復合壽命和諧振腔內光子壽命諧振腔內光子壽命以及注入電流初始偏置注入電流初始偏置量量有關。 當信號的調制頻率接近張弛振蕩頻率時，將會使輸出光信號的波形嚴重失真波形嚴重失真，勢必會增加接收機的誤誤碼率碼率，所以，半導體激光器的張弛振蕩和電光延遲的存在限制了信號的調制速率應低于張弛振蕩頻率，這樣才能保證信息傳輸?shù)目煽俊?第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件 可以通過在半導體激光器脈沖調制時加直

16、流預偏直流預偏置置的方法來使脈沖到來之前將有源區(qū)內的電子密度提高到一定程度，從而使脈沖到來時，電光延遲時間大大減小，而且張馳振蕩現(xiàn)象可以得到一定程度的抑制。隨著直流預偏置電流的增大，電光延遲時間逐漸減小。增加直流預偏置電流也有利于抑制張馳振蕩。第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件3）碼型效應）碼型效應 電光延遲還會產(chǎn)生碼型效應。 當電光延遲時間與數(shù)字調制的碼元持續(xù)時間為相同數(shù)量級時，會使后一個光脈沖幅度受到前一個脈沖的影響，這種影響現(xiàn)象稱為“碼型效應碼型效應”，如下圖 (a)、(b)所示。考慮在兩個接連出現(xiàn)的考慮在兩個接連出現(xiàn)的“1”碼脈沖調制時，碼脈沖調制時，

17、第一個脈沖過后，存儲在有源區(qū)的電子以指數(shù)形式衰第一個脈沖過后，存儲在有源區(qū)的電子以指數(shù)形式衰減，減，如果調制速率很高，脈沖間隔小于其衰減周期，如果調制速率很高，脈沖間隔小于其衰減周期，就會使第二個脈沖到來之時，前一個電流脈沖注入的就會使第二個脈沖到來之時，前一個電流脈沖注入的電子并沒有完全復合消失電子并沒有完全復合消失，此時有源區(qū)電子密度較高，此時有源區(qū)電子密度較高，因此電光延遲時間短，因此電光延遲時間短，輸出光脈沖幅度和寬度就會增輸出光脈沖幅度和寬度就會增大大。第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件2ns5ns2ns電流脈沖光脈沖(a)(b)(c)碼型效應碼型效

18、應第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件 “碼型效應”的特點是，在脈沖序列中較長的連在脈沖序列中較長的連“0”碼后出現(xiàn)的碼后出現(xiàn)的“1”碼，其脈沖明顯變小，而且連碼，其脈沖明顯變小，而且連“0”碼數(shù)目越多，調制速率越高，這種效應越明顯碼數(shù)目越多，調制速率越高，這種效應越明顯。 消除碼型效應最簡單的方法就是增加直流偏置電增加直流偏置電流流。當激光器偏置在閾值附近時，脈沖持續(xù)時間和脈沖過后有源區(qū)內電子密度變化不大，電子存儲的時間大大減小，碼型效應就可得到抑制。 還可以采用在每一個正脈沖后跟一個負脈沖的雙雙脈沖信號脈沖信號進行調制的方法，如上圖 (c)所示：第第3章章

19、半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件 正脈沖產(chǎn)生光脈沖，負脈沖來消除有源區(qū)內的存儲電子。但負脈沖的幅度不能過大，以免激光器PN結被反向擊穿。 4）調制譜特性 LD在信號電流直接調制下，除了輸出強度發(fā)生變化外，其譜特性也會發(fā)生變化，如下圖。 在閾值附近，輸出較寬，隨著電流的增大，模式選在閾值附近，輸出較寬，隨著電流的增大，模式選擇性增大，相鄰模得到抑制。擇性增大，相鄰模得到抑制。這時，總的強度不變，但模間相對強度在改變。 這種模間分配效應在直接調制下最明顯，使長距離光纖系統(tǒng)中因光纖色散而在接收機內產(chǎn)生強度脈動，使誤碼率增大。第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二

20、極管和激光器組件GaAs-LD直流光輸出譜特性第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件下圖示出了1ns單個脈沖持續(xù)周期內的模式脈動現(xiàn)象。脈沖持續(xù)期內的動態(tài)譜特性第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件 4、波長調諧特性、波長調諧特性 在波分復用及相干光纖傳輸系統(tǒng)中，光源常常需要調諧。下面介紹幾種調諧方法。 熱調諧：是利用不同溫度下諧振腔尺寸的變化，引起諧振頻率的變化，調諧靈敏度為1020GHz/oC。 外腔機械調諧：是將作為增益媒質的LD芯片，置于一外腔中，改變外腔尺寸而實現(xiàn)波長調諧。 外腔結構有光柵、光纖或自聚焦透鏡等，如下圖：第第3章

21、章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件光柵外腔可調諧半導體激光器 LD芯片的一個端面增透鍍覆，從該端面出來的光由一個透鏡準直后與光柵形成外腔，激射頻率由旋轉光柵來粗調，軸向移動光柵來細調。 當外腔長為25cm時，這種結構在1.55m波長上獲得了40nm的調諧。 同時，外腔也使輸出線寬大大壓縮，達到5kHz左右。第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件激光二極管驅動電路激光二極管驅動電路 與LED相比，LD的驅動要復雜得多。尤其在高速調制系統(tǒng)中，驅動條件的選擇、調制電路的形式和工藝、激光器的控制等都對調制性能至關重要。 偏置電流的選擇直接影響偏置

22、電流的選擇直接影響LD的高速調制特性。的高速調制特性。選擇直流預偏置電流時應考慮：選擇直流預偏置電流時應考慮： （1）增大直流預偏置電流(Ib)使其逼近閾值，可以減小電光延遲時間，抑制張馳振蕩；(Ib =(0.850.9)Ith ) （2）當激光器偏置在閾值附近時，較小的調制脈沖電流就能得到足夠的輸出光脈沖，這樣可以大大減小碼型效應；第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件 （3）加大直流偏置電流，使激光器在發(fā)“0”和發(fā)“1”時的光功率之比（即消光比）增大，從而影響接收機的靈敏度。 因此，偏置電流的選擇要兼顧電光延遲、張馳振偏置電流的選擇要兼顧電光延遲、張馳振蕩、碼

23、型效應以及消光比等各種因素蕩、碼型效應以及消光比等各種因素。第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件LD無偏置(a)及有偏置(b)時脈沖瞬態(tài)波形及光譜第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件 在使用中，LD結溫的變化結溫的變化及老化老化都會使Ith增大，微分外量子效率下降，兩者會使輸出光脈沖幅度產(chǎn)生變化,如下圖。LD閾值電流(a)及微分外量子效率(b)變化時的光輸出第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件自動溫度控制（自動溫度控制（ATC） 隨著溫度的變化，半導體光源的特性會發(fā)生變化。特別是對于LD，隨著溫度的

24、升高，閾值電流增加，發(fā)光功率降低，發(fā)射波長向長波長移動等。 溫度控制由微型制冷器微型制冷器、熱敏元件熱敏元件及控制電路控制電路組成，如下圖所示。熱敏元件監(jiān)測激光器的結溫，與設定的基準溫度比較，根據(jù)溫度差異的情況，驅動制冷器的控制電路改變制冷效果，從而使激光器在恒定的溫度下工作。第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件控制電路激光器制冷器熱敏電阻自動溫度控制方框圖第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件自動功率控制（自動功率控制（APC） 半導體激光器的輸出功率不僅與溫度的變化有關，而且與器件的老化有關。隨著器件的老化，LD的閾值上升，輸出

25、光功率下降。為了進一步穩(wěn)定輸出光功率，除了采取溫度控制措施外，一般還采取自動功率控制。 如下圖，從LD背向輸出的光功率，經(jīng)PD檢測器檢測，運算放大器A1放大后送到比較器A3的反相輸入端。同時，輸入信號參考電壓和直流參考電壓經(jīng)A2比較放大后，送到A3的同相輸入端。A3和V3組成直流恒流源以調節(jié)LD的偏流，使輸出光功率穩(wěn)定。第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件 A2A1A3UinV1V2 ULDPD信 號 參 考直 流 參 考 UV3Ib自動功率控制的電路原理圖自動功率控制的電路原理圖第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件光源的保護和告

26、警光源的保護和告警 光源的保護是指保護光源不要因為外界因素而光源的保護是指保護光源不要因為外界因素而受到損害受到損害。由于光源特別是LD是易損器件，要求溫度、電流必須在一定的范圍內才能正常工作，否則會降低器件壽命甚至損壞器件，因此必須采取保護措施。光源的保護包括兩個方面：溫度和電流溫度和電流。上面介紹的自動溫度控制實際上也是溫度保護。 電流保護包括電流接通時的保護，工作過程中的過流保護以及反向沖擊電流保護等。第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件a、電流接通時的保護電流接通時的保護 電流接通時的保護是為了防止在系統(tǒng)開機接通電電流接通時的保護是為了防止在系統(tǒng)開機接通

27、電源瞬間，由于電路因素引起的沖擊電流可能對源瞬間，由于電路因素引起的沖擊電流可能對LD造成造成的損壞。的損壞。實際系統(tǒng)中LD的驅動部分與其它電路是共用一個電源，因此光源的偏置電流必須緩慢增加，以起因此光源的偏置電流必須緩慢增加，以起到保護作用。到保護作用。b、工作過程中的過流保護工作過程中的過流保護 工作過程中的過流保護的方法很多，基本思想是利用反饋控制使通過光源的電流不超過某一限定值，從而起到保護的作用。第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件c、反向沖擊電流保護、反向沖擊電流保護 為防止光源受到反向沖擊電流或電壓的破壞，一般在光源上并聯(lián)一個肖特基二極管。這樣當反

28、向沖擊電流或電壓出現(xiàn)時，肖特基二極管迅速導通，就可以實現(xiàn)對光源的保護。 完整的光發(fā)射機除了上述各種控制、保護之外，還應包括告警電路告警電路，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障或工作不正常時及時發(fā)送告警信號，提醒設備維護人員及時進行相應的處理。一般包括無光告警無光告警、壽命告警壽命告警、溫度告警溫度告警等第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件光源與光纖的耦合光源與光纖的耦合 在光發(fā)射機中，光源發(fā)出的光信號要送入光纖中去，這就涉及到光源與光纖的耦合問題，如下圖。光源與光纖的耦合效率與光源的類型和光纖的類型有關。 一般說來，LD與單模光纖的耦合效率可以達到30%50%，LED與單模光纖的耦

29、合效率非常低，只有百分之幾甚至更小。光源與光纖耦合示意圖第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件 影響耦合效率的主要因素是光源的發(fā)散角光源的發(fā)散角和光纖光纖的數(shù)值孔徑的數(shù)值孔徑。發(fā)散角大，耦合效率低；數(shù)值孔徑大，發(fā)散角大，耦合效率低；數(shù)值孔徑大，耦合效率高。耦合效率高。此外，光源發(fā)光面和光纖端面的尺寸、光源發(fā)光面和光纖端面的尺寸、形狀及兩者之間的距離都會影響到耦合效率形狀及兩者之間的距離都會影響到耦合效率。 光源與光纖的耦合一般采用兩種方法，即直接耦直接耦合合與透鏡耦合透鏡耦合。 直接耦合是將光纖端面直接對準光源發(fā)光面進行耦合的方法。當光源發(fā)光面積大于纖芯面積時，這

30、是一種唯一有效的方法。這種直接耦合的方法結構簡單，但耦合效率低。第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件 當光源發(fā)光面積小于纖芯面積時，可在光源與光纖之間放置透鏡，使更多的發(fā)散光線會聚進入光纖來提高耦合效率，如下圖。50 m2 m20 m0.7 m光纖球端P電極微透鏡InP透鏡N-InP襯底(a)(b)(c)面發(fā)光二極管與光纖的透鏡耦合(a) 光纖端部做成球透鏡、光纖端部做成球透鏡、 (b) 采用截頭透鏡、采用截頭透鏡、 4.31(c)采用集成微透鏡采用集成微透鏡第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件 對于發(fā)散光束非對稱的邊發(fā)光二極管和

31、半導體激光器可以利用圓柱透鏡圓柱透鏡的方法，如下圖 (a)、(b)所示。 或者利用大數(shù)值孔徑的自聚焦透鏡自聚焦透鏡（GRIN），其耦合效率可以提高到60%，甚至更高。 單模光纖和半導體激光器的耦合可以采用如下圖 (c)所示自聚焦透鏡或者在光纖端面用電弧放電形成半球透鏡的方法。光源柱透鏡光纖(a)光源柱透鏡球面透鏡光纖(b)光源自聚焦透鏡光纖(c)光源與光纖的透鏡耦合光源與光纖的透鏡耦合第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件黃章勇黃章勇光纖通信用光電子器件和組件光纖通信用光電子器件和組件課本內容課本內容l Page 23： 半導體LD和其它激光器相比其優(yōu)點l Pag

32、e 24： 半導體激光二極管按結構分類有那些l Page 25： FP DH LD大致結構l Page 27： 激光模式的含義，LD的水平橫模、垂 直橫模、縱模的含義。第第3章章 半導體激光二極管和激光器組件半導體激光二極管和激光器組件l Page 27-28 LD模式的控制： 公式3-3、3-4、3-5、 3-6 補充：隱埋異質結的含義：有源層埋于寬帶隙材料中，并且有源層四周由外延生長的低折射率包層所包圍。l Page 29 LD在高速調制下，或在溫度和注入電流變化時，不再維持原激射模式，而會出現(xiàn)模式跳躍和譜線展寬，這對高速應用十分不利。l Page 29：DFB LD結構特點第第3章章 半導體激光二極管和