光纤通信的基本器件1常用的两种光源器件,即半导体激光器和半导体发光二极管。半导体发光机理半导体发光机理(a)自发辐射（点击动画）9半导体发光机理半导体发光机理二、半导体激光器（LD）（1）工作物质要使受激辐射过程成为主导过程，必要条件是在介质中造成粒子数反转分布。（2）泵浦源使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源N2>N1,受激辐射>受激吸收，从而有光的放大作用。工作物质已被激活，成为激活物质或称增益物质。（3）光学谐振腔提供必要的反馈以及进行频率选择，光学谐振腔是由两个反射镜组成，其一是全反（M1）的，另一个是部分透过（M2）的。3、半导体激光器用半导体材料作为工作物质的激光器,称为半导体激光器(LD)。常用的有F-P腔(法不里-泊罗腔)激光器和分布反馈型激光器(DFB)。下面介绍F-P腔激光器中的同质结和双异质结半导体激光器。1)同质结砷化镓半导体激光器在光纤通信中,F-P腔激光器采用的工作物质(半导体材料)一般是砷化镓(GaAs)或铟镓砷磷(InGaAsP)。如图3-3所示为同质结砷化镓半导体激光器的结构。图3–3同质结砷化镓半导体激光器同质结砷化镓半导体激光器结构简单,由PN结发光;其阈值电流(激光器开始产生激光时的注入电流)较大;在室温下工作发热严重,无法做到连续的激光输出;室温下只能工作在脉冲状态,且脉冲的重复频率不高,约为几十千赫兹,脉冲的宽度很窄,约为100ns;适合在小容量、低速率光纤通信系统中使用。2)双异质结半导体激光器双异质结半导体激光器结构如图3-4所示,(N)InGaAsP是发光的作用区(有源区),其上、下两层称为限制层,它们和作用区构成光学谐振腔。限制层和作用层之间形成异质结。最下面一层N型InP是衬底,顶层(P+)InGaAsP是接触层,其作用是为了改善和金属电极的接触。特点:双异质结半导体激光器克服了同质结半导体激光器缺点,有源区厚度加大,阈值电流降低(30mA～80mA),波长范围为1.27μm～1.33μm。图3–4双异质结半导体激光器结构图3–5DFB-LD激光器结构5、半导体激光器的工作特性1)阈值特性阈值电流(Ith)是指使LD输出光功率急剧增加,产生激光振荡的激励电流。某半导体激光器P-I曲线如图3-6所示。当激励电流I<Ith时,有源区无法达到粒子数反转,也无法达到谐振条件,自发辐射为主,输出功率很小,发出的是荧光;当激励电流I>Ith时,有源区不仅有粒子数反转,而且达到了谐振条件,受激辐射为主,输出功率急剧增加,发出的是激光,此时P-I曲线是线性变化的。对于激光器来说,要求阈值电流越小越好。2)光谱特性半导体激光器输出光光谱特性曲线如图3-7所示,从光谱特性曲线可以发现半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变化。当激励电流I<Ith时,说明发出的是荧光,光谱很宽(几十纳米);当激励电流I>Ith时,光谱突然变窄(几纳米),谱线中心强度也急剧增加,说明发出的是激光。对于半导体激光器来说,要求其输出光谱越窄越好。3)温度特性半导体激光器对于温度很敏感,其输出功率随温度变化而变化,产生这种变化的主要原因是半导体激光器外微分量子效率和阈值电流受到温度的影响。6、半导体发光二极管(LED)半导体发光二极管是利用半导体PN结进行自发辐射器件的统称。如电子仪表等产品的指示灯使用的就是一般的半导体发光二极管。一般的半导体发光二极管与光纤通信专用的半导体发光二极管的异同如下:·共同点——都是使用PN结,利用自发辐射的原理发光,属于无阈值器件,体积小巧、重量轻。·不同点——主要是制造工艺和价格有区别,另外光纤通信专用的发光二极管亮度更高、响应速度更快。半导体发光二极管与半导体激光器的区别发光二极管没有光学谐振腔,采用自发辐射,发出的是荧光(非相干光),不是激光,光谱的谱线宽,发散角大。而半导体激光器有光学谐振腔,采用受激辐射,发出的是激光(相干光),光谱的谱线窄,发散角很小。虽然发光二极管无法发出激光,但它还是有很多优点,如：使用寿命长,理论推算可达108～1010小时;受温度影响小;输出光功率与激励电流线性关系好;驱动电路简单;价格低等。这些优点使发光二极管在中短距离、中小容量的光纤通信系统中得到广泛应用。1）.LED的结构为了获得高辐射度,LED常采用双异质结芯片(但没有光学谐振腔),构成材料主要有GaAs、InGaAsP、AlGaAs等。①面发光型LED结构图3-9所示是采用双异质结GaAs的面发光型LED结构。发光区是呈圆柱形的有源区,其直径约为50μm,厚度约为2.5μm,能够发出波长为0.8μm～0.9μm的辐射光,圆形光束反散角为120°。图3–9面发光型LED结构②边发光型L