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半导体激光器(LD)的特性

       一个人在科学探索的道路上走过弯路犯过错误并不是坏事,更不是什么耻辱,要在实践中勇于承认和改正错误。
                                                    ——爱因斯坦(A.Einstein)

LD的波长特性

       激光器的波长特性可以用中心波长、光谱宽度以及光谱模数三个参数来描述。光谱范围内辐射强度最大值所对应的波长叫中心波长λ0。光谱范围内辐射强度最大值下降50%处所对应的波长宽度叫作谱线宽度Δλ,有时简称为线宽。图6.3.1为激光器的典型光谱特性,为了便于比较,在图中也标出了LED的光谱特性。
LED和LD的光谱特性
图6.3.1  LED和LD的光谱特性
a)LED的光谱特性b)多模LD的光谱特性c)单模LD的光谱特性
       对于大多数非相干通信系统,对光源的选择,最关心的是中心波长对光纤损耗的影响,以及光谱宽度对光纤色散或带宽的影响。
(1) LED波长特性
        LED本质上是非相干光源,它的发射光谱就是半导体材料导带和价带的自发辐射谱线,所以谱线较宽。对于用GaAlAs材料制作的LED,发射光谱宽度约为30~50nm,而对长波长InGaAsP材料制作的LED,发射谱线为60~120nm。因为LED的光谱很宽,所以光在光纤中传输时,材料色散和波导色散较严重,这对光纤通信非常不利。
(2) 多模激光器光谱特性
        多模激光器指的是多纵模或多频激光器,模间距为0.13~0.9nm,频谱宽度为2~5nm。
(3) 单模激光器光谱特性
       单模激光器的频谱宽度因为很窄(≤0.02nm),所以称为线宽,它与有源区的设计密切相关。
       对于相干光纤通信,特别是对于QPSK和QAM调制,单模激光器的线宽是一个重要参数。不但要求静态线宽窄,而且要求在规定的功率输出和高比特速率调制下,仍能保持窄的线宽(动态线宽)。对于半导体激光器,不仅要求单纵模工作,而且要求它的波长能在相当宽的范围内调谐,同时保持窄的线宽(约1MHz或者更窄)。
半导体激光器(LD)的特性(图2)

LD模式特性——纵模决定频谱特性,横模决定空间特性

       半导体激光器的模式特性可分成纵模和横模两种。纵模决定频谱特性,而横模决定光场的空间特性,如图6.3.2a所示。图6.3.2b给出1.3μm的双异质结(BH)半导体激光器在不同的注入电流下沿x和y方向的远场分布,通常用角度分布函数的半最大值全宽θx、θy来表示远场分布,对于BH激光器,θx和θy的典型值分别在10°~20°和25°~40°。尽管此角度与LED的辐射角相比已经大大减小,但相对于其他类型的激光器来说,半导体激光器的辐射角还是相当大的,半导体激光器椭圆形的光斑加上较大的辐射角,使得它与光纤的耦合效率不高,通常只能达到30%~50%。
BH半导体激光器横模特性
图6.3.2 BH半导体激光器横模特性
a)横模决定的近场图案和远场光斑b)不同注入电流下沿结平面的远场分布