光发射机资料

1、1第第4章章 光源和光发射机光源和光发射机4.1 概述概述4.2 发光机理发光机理4.3 分布反馈激光器分布反馈激光器4.4 半导体激光器的特性半导体激光器的特性24.1 概述概述 在光纤通信中，将电信号转变为光信号在光纤通信中，将电信号转变为光信号是由光发射机来完成的。是由光发射机来完成的。 光发射机的关键器件是光源：光发射机的关键器件是光源：光发射二极管（光发射二极管（LED）激光二极管（激光二极管（LD）3光纤通信对光源的要求光纤通信对光源的要求 光源发射的峰值波长，应在光纤低损耗窗口之内光源发射的峰值波长，应在光纤低损耗窗口之内; 有足够高的、稳定的输出光功率，以满足系统对光传有足够高

2、的、稳定的输出光功率，以满足系统对光传播距离的要求播距离的要求; 电光转换效率高，驱动功率低，寿命长，可靠性高电光转换效率高，驱动功率低，寿命长，可靠性高; 单色性和方向性好，与光纤的耦合效率高；单色性和方向性好，与光纤的耦合效率高； 易于调制，响应速度快，以利于高速率、大容量数字易于调制，响应速度快，以利于高速率、大容量数字信号的传输信号的传输; 噪声小，以提高系统的信噪比噪声小，以提高系统的信噪比; 光强对驱动电流的线性要好。光强对驱动电流的线性要好。光纤通信（第3版）原荣 编著4最常用的光源最常用的光源 光纤通信中最常用的光源是光纤通信中最常用的光源是:半导体激光器（半导体激光器（LD）

3、发光二极管（发光二极管（LED） 尤其是单纵模（或单频）尤其是单纵模（或单频）LD，在高速率、，在高速率、大容量的数字光纤系统中得到广泛应用；大容量的数字光纤系统中得到广泛应用； 近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是多近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是多信道信道WDM光纤通信系统的关键器件，越来光纤通信系统的关键器件，越来越受到人们的关注。越受到人们的关注。5常用的调制方法常用的调制方法 直接调制直接调制注入调制电流实现光波强度调制注入调制电流实现光波强度调制 外调制外调制通过外腔通过外腔调制器调制器对光的强度、相位或频对光的强度、相位或频率进行调制率进行调制6模模拟拟信信号号对对 LD 直直接

4、接调调制制P激激光光器器输输出出功功率率IthI输输入入电电信信号号曲曲线线IP-IbPb输输出出光光信信号号驱驱动动电电流流tt7光纤通信（第3版）原荣 编著8数数字字信信号号对对 LD 调调制制PI曲曲线线IP-激激光光器器输输出出功功率率Ith驱驱动动电电流流输输入入电电脉脉冲冲输输出出光光脉脉冲冲tPth9直接调制直接调制输入输入电信号电信号光源光源控制控制 输出 输出光信号光信号驱动驱动电路电路LEDLED或LD或LD(a)直接调制(a)直接调制10外调制外调制编码编码外调外调制器制器光源光源 输出 输出光信号光信号驱动驱动输入输入电信号电信号LD(b)外调制(b)外调制光纤通信（第

5、3版）原荣 编著114.2.1 发光机理发光机理 白炽灯白炽灯是把被加热钨原子的一部分热激励能转是把被加热钨原子的一部分热激励能转变成光能，发出宽度为变成光能，发出宽度为1000 nm 以上的白色连续以上的白色连续光谱。光谱。 发光二极管发光二极管（LED）却是通过电子在能带之间）却是通过电子在能带之间的跃迁，发出频谱宽度在几百的跃迁，发出频谱宽度在几百 nm 以下的光。以下的光。 在构成在构成半导体半导体晶体的原子内部，存在着不同的晶体的原子内部，存在着不同的能带。如果占据高能带（导带）的电子跃迁到能带。如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带低能带（价带）

6、上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出。这时发出的光，其波能量）以光的形式放出。这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。长基本上由能带差所决定。12第第4章章 光源和光发射机光源和光发射机4.1 概述概述4.2 发光机理发光机理4.3 分布反馈激光器分布反馈激光器4.4 半导体激光器的特性半导体激光器的特性光纤通信（第3版）原荣 编著13 在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带；在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带； 如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出；上，就将其

7、间的能量差（禁带能量）以光的形式放出； 发射光的波长由能量差决定。（发射光的波长由能量差决定。（P53）半导体发光原理半导体发光原理EcEvEg能能量量E空穴空穴电子电子导带费米能级导带费米能级价带费米能级价带费米能级光子光子eVhvEFnEFp状态密度状态密度vcgEEE hvE vc hcEE 1 2398.（ m） 14自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激吸收光的自光的自发辐射发辐射Ec cEvh h 光的受光的受激发射激发射Ec ch Evh 输入输入输出输出(a) 发光二极管光的自发辐射发光二极管光的自发辐射(b) 激光器光的受激发射激光器光的受激发射Ec c吸收光子

8、后吸收光子后产生电子产生电子Ev光子光子h 输入输入(输出电流)(输出电流)(c) 光探测器件光的吸收光探测器件光的吸收15光的自光的自发辐射发辐射Ec cEvh h 发光二极管光的自发辐射发光二极管光的自发辐射自发辐射自发辐射-LED工作原理工作原理 如果把如果把电流注入电流注入到半导体中的到半导体中的P-N结上，则原子结上，则原子中占据低能带的电子被激励到高能带后；中占据低能带的电子被激励到高能带后； 当电子从高能带跃迁到低能带时，将自发辐射出当电子从高能带跃迁到低能带时，将自发辐射出一个光子，其能量为一个光子，其能量为 hv。 电子从高能带跃迁到低能带把电能转变成光能。电子从高能带跃迁到

9、低能带把电能转变成光能。光纤通信（第3版）原荣 编著16自发辐射自发辐射-LED工作原理工作原理 当电子返回低能级时，它们各自独立地分当电子返回低能级时，它们各自独立地分别发射一个一个的光子。因此，这些光波别发射一个一个的光子。因此，这些光波可以有不同的相位和不同的偏振方向，它可以有不同的相位和不同的偏振方向，它们可以向各自方向传播。们可以向各自方向传播。 同时，高能带上的电子可能处于不同的能同时，高能带上的电子可能处于不同的能级，它们自发辐射到低能带的不同能级上，级，它们自发辐射到低能带的不同能级上，因而使发射光子的能量有一定的差别，使因而使发射光子的能量有一定的差别，使这些光波的波长并不完

10、全一样。这些光波的波长并不完全一样。 因此，自发辐射的光是一种非相干光。因此，自发辐射的光是一种非相干光。17Ec c吸收光子后吸收光子后产生电子产生电子Ev光子光子h 输入输入(输出电流)(输出电流)(c) 光探测器件光的吸收光探测器件光的吸收 光照射到占据低能带的电子上；光照射到占据低能带的电子上； 则该电子吸收光子能量后，激励而跃迁到则该电子吸收光子能量后，激励而跃迁到较高的能带上。较高的能带上。 在半导体结上外加电场后（反向电压），在半导体结上外加电场后（反向电压），可以在外电路上取出处于高能带上的电子，可以在外电路上取出处于高能带上的电子，使光能转变为电流（光电流）。使光能转变为电流

11、（光电流）。受激吸收受激吸收-探测器工作原理探测器工作原理18受激发射和受激吸收受激发射和受激吸收 受激发射受激发射-能量等于导带和价带能级差的能量等于导带和价带能级差的光所激发而发出与之同频率、同相位的光；光所激发而发出与之同频率、同相位的光； 受激吸收受激吸收-有光场存在时，处在低能带某有光场存在时，处在低能带某能级上的电子在入射光场的作用下，吸收能级上的电子在入射光场的作用下，吸收一个光子而跃迁到高能带某能级上。一个光子而跃迁到高能带某能级上。光纤通信（第3版）原荣 编著19 在光场作用下，受激发射和受激吸收过程同时在光场作用下，受激发射和受激吸收过程同时发生，受激发射和受激吸收发生的概

12、率相同，发生，受激发射和受激吸收发生的概率相同，都满足能量守恒定律。都满足能量守恒定律。 哪个过程是主要的，取决于电子密度在两个能哪个过程是主要的，取决于电子密度在两个能带上的分布：若高能带上电子密度高于低能带带上的分布：若高能带上电子密度高于低能带上的电子密度，则受激发射是主要的，反之受上的电子密度，则受激发射是主要的，反之受激吸收是主要的。激吸收是主要的。 此外，激光器工作在正向偏置下，当注入正向此外，激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时，高能带中的电子密度增加，这些电子电流时，高能带中的电子密度增加，这些电子自发地由高能带跃迁到低能带发出光子，形成自发地由高能带跃迁到低能带发出光子，

13、形成激光器中初始的光场。激光器中初始的光场。20半导体激光器的工作原理（半导体激光器的工作原理（P50）（a） 没有偏置时的能带图没有偏置时的能带图（b） 正向偏置足够大时的能带图，此时引起粒子数反转，发生受正向偏置足够大时的能带图，此时引起粒子数反转，发生受激发射激发射 EcEvEFpEFnp+n+EcEgEceV+-hvEv粒子数反转区EFnEFpEcEv价带空穴导带电子p+n+结电子21LD发射激光的首要条件发射激光的首要条件-粒子数反转粒子数反转若注入电流增加到一定值后若注入电流增加到一定值后，使使vcNN ，受激发射占主导地位受激发射占主导地位，光场迅速增强光场迅速增强，此时的此时的

14、 P-N 结区成为对光场有放大作用的区域结区成为对光场有放大作用的区域(称为有源称为有源区区)，从而形成激光发射。从而形成激光发射。半导体材料在通常状态下半导体材料在通常状态下，总是总是vcNN ，因此称因此称vcNN 的状态为粒子数反转。的状态为粒子数反转。使有源区产使有源区产生足够多的粒子数反转生足够多的粒子数反转，这是使半导体激光器发这是使半导体激光器发射激光的首要条件。射激光的首要条件。22LR1R2反射波相互干涉反射波相互干涉M1M2反反射射镜镜反反射射镜镜ABab 有源区里实现了粒子数反转有源区里实现了粒子数反转后，受激发射占据了主导地后，受激发射占据了主导地位，但是，激光器初始的

15、光位，但是，激光器初始的光场来源于导带和价带的自发场来源于导带和价带的自发辐射，频谱较宽，方向也杂辐射，频谱较宽，方向也杂乱无章。乱无章。 为了得到单色性和方向性好为了得到单色性和方向性好的激光输出，必须构成光学的激光输出，必须构成光学谐振腔，并在谐振腔里建立谐振腔，并在谐振腔里建立起稳定的振荡。起稳定的振荡。 LD 发射激光的第二个条件发射激光的第二个条件-光学谐振腔光学谐振腔23 Fabry(18671945) Perot(18631925)法国物理学家法国物理学家光纤通信（第3版）原荣 编著24法布里法布里-珀罗（珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器）光学谐振器 镀有反射镜面的光学谐

16、振腔只有在特定的频率内镀有反射镜面的光学谐振腔只有在特定的频率内能够储存能量，这种谐振腔就叫做法布里能够储存能量，这种谐振腔就叫做法布里-珀罗珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器。）光学谐振器。 它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。当谐振它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。当谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，就保持振荡，腔内的前向和后向光波发生相干时，就保持振荡，形成和腔体端面平行的等相面驻波。此时的增益形成和腔体端面平行的等相面驻波。此时的增益就是激光器的就是激光器的阈值增益阈值增益，达到该增益所要求的注，达到该增益所要求的注入电流称作入电流称作阈值电流阈值电流。LR1R2反反射射波波

17、相相互互干干涉涉M1M2反反射射镜镜反反射射镜镜ABab光纤通信（第3版）原荣 编著25光在谐振腔里建立稳定振荡的条件光在谐振腔里建立稳定振荡的条件与电谐振一样，光也有谐振。要使光在谐振腔里建立与电谐振一样，光也有谐振。要使光在谐振腔里建立起稳定的振荡，必须满足一定的相位条件和阈值条件。起稳定的振荡，必须满足一定的相位条件和阈值条件。 相位条件相位条件-使谐振腔内的前向和后向光波发使谐振腔内的前向和后向光波发生相干；生相干； 阈值条件阈值条件-使腔内获得的光功率（增益）正使腔内获得的光功率（增益）正好与腔内损耗相抵消。好与腔内损耗相抵消。 满足以上两个条件时才能在谐振腔的两个端满足以上两个条件

18、时才能在谐振腔的两个端面输出面输出谱线很窄的相干光束谱线很窄的相干光束。光纤通信（第3版）原荣 编著26LD的的工工作作原原理理有源区有源区电流注入电流注入型型型光光hv光光hv解理面解理面(a)半导体激光器(a)半导体激光器 L1 2 34R1 1增益介质增益介质R2 2光的驻波光的驻波折射率折射率反反射射镜镜反反射射镜镜(b)纵模驻波(b)纵模驻波 2nnPNm m-m+ (c)纵模共振光谱(c)纵模共振光谱增益差增益差11光光增增益益 o(a) 腔内允许产生的模式腔内允许产生的模式 m m( ) /2= L(b)mn 相相对对光光强强 m (a)+(b)=(c)(c)半导体激光器的输出光

19、谱(c)半导体激光器的输出光谱光增益与波长的关系光增益与波长的关系 m m解理面解理面 = 0Z = xZ 27光在法布里光在法布里 珀罗珀罗(F-P)谐振腔中的干涉谐振腔中的干涉驻波驻波(b) 只有特定波长的驻波(b) 只有特定波长的驻波 允许在谐振腔内存在 允许在谐振腔内存在1 m2 m6 m(c) 不同反射系数的(c) 不同反射系数的驻波强度和频率的关系驻波强度和频率的关系1相相对对强强度度mvfvv1 mv1 mv8.0 R4.0 Rmv 反射系数反射系数ILR1R2(a) 反射波干涉(a) 反射波干涉M1M2反反射射镜镜反反射射镜镜ABab28激光器起振的相位条件激光器起振的相位条件

20、29多纵模多纵模 ( 多频多频 ) 激光器激光器-谐振腔长度谐振腔长度 L 比波长大很多比波长大很多30激光器光腔越长，模式越多激光器光腔越长，模式越多光纤通信（第3版）原荣 编著31例题例题4.2.2 激光器光腔越长，模式越多激光器光腔越长，模式越多32发射发射主模主模纵模纵模增益增益频率频率gthg( ) 损耗损耗增益增益 ( ( ) ) 4.2.3 激光器起振的阈值条件激光器起振的阈值条件增益增益 = 腔体损耗腔体损耗光纤通信（第3版）原荣 编著33F-P光腔谐振器光腔谐振器光光hv光光hv反射面反射面反射面反射面R2R1xEiEfPfPiL稳态光波稳态光波12n介质介质起始起始反馈反馈

21、fm-1fmfm+1fm+2c2LnFSR=34衰减倍数与放大倍数相等衰减倍数与放大倍数相等光纤通信（第3版）原荣 编著35半导体激光器的增益频谱半导体激光器的增益频谱 g( ) 相当宽（约相当宽（约10 THz），在），在 F-P 谐振谐振腔内同时存在着许多纵模，但只有接近增益峰的纵模变成主模。腔内同时存在着许多纵模，但只有接近增益峰的纵模变成主模。在理想条件下，其它纵模不应该达到阈值，因为它们的增益总是比在理想条件下，其它纵模不应该达到阈值，因为它们的增益总是比主模小。实际上，增益差相当小，主模两边相邻的一、二个模与主主模小。实际上，增益差相当小，主模两边相邻的一、二个模与主模一起携带着激

22、光器的大部分功率。模一起携带着激光器的大部分功率。这种激光器就称作这种激光器就称作多模半导体多模半导体激光器激光器。激光器增益谱和损耗曲线激光器增益谱和损耗曲线阈值增益为两曲线相交时的增益值阈值增益为两曲线相交时的增益值发射发射主模主模纵模纵模增益增益频率频率gthg( ) 损耗损耗增益增益 ( ( ) ) 频率频率增益增益g 0法布里法布里 - 珀罗珀罗 LD 通常发射多个纵模的光通常发射多个纵模的光36阈值条件的微观描述阈值条件的微观描述NcNv_NcNv_()thNcNv_PoP阈值阈值粒子数粒子数翻转翻转光光输输出出功功率率阈值电流阈值电流光输出光输出功率功率高、低高、低能带上能带上的

23、电子的电子密度差密度差泵浦电流泵浦电流 I37激光器光腔越长，模式越多激光器光腔越长，模式越多光纤通信（第3版）原荣 编著38小小 结结-光在谐振腔里建立稳定振荡的条件光在谐振腔里建立稳定振荡的条件 在半导体激光器里，由两个起反射镜作用在半导体激光器里，由两个起反射镜作用的晶体解理面构成的法布里的晶体解理面构成的法布里 珀罗谐振腔，珀罗谐振腔，它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。 当受激发射使腔体得到的放大增益等于腔当受激发射使腔体得到的放大增益等于腔体损耗时（体损耗时（阈值条件阈值条件），并且谐振腔内的），并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时（前向和后向

24、光波发生相干时（相干条件相干条件），），就保持振荡，形成等相面和腔体端面平行就保持振荡，形成等相面和腔体端面平行的驻波，然后穿透谐振腔的两个端面，输的驻波，然后穿透谐振腔的两个端面，输出谱线很窄的相干光束。出谱线很窄的相干光束。39第第4章章 光源和光发射机光源和光发射机4.1 概述概述4.2 发光机理发光机理4.3 分布反馈激光器分布反馈激光器4.4 半导体激光器的特性半导体激光器的特性404.3.3 分布反馈激光器分布反馈激光器(DFB) DFB激光器是单纵模激光器是单纵模(SLM) LD，即频谱特性只有一个，即频谱特性只有一个纵模（谱线）的纵模（谱线）的 LD。 DFB与与F-P LD

25、相比，它的谐振腔损耗与模式有关，即对相比，它的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗。不同的纵模具有不同的损耗。 这是通过改进结构设计，使这是通过改进结构设计，使DFB 内部具有一个对波长有内部具有一个对波长有选择性的衍射光栅，从而使只有满足布拉格波长条件的选择性的衍射光栅，从而使只有满足布拉格波长条件的光波才能建立起振荡。光波才能建立起振荡。光纤通信（第3版）原荣 编著41 DFB谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗。增益曲线使具有最小损耗曲线的模开始起振，并且变损耗。增益曲线使具有最小损耗曲线的模开始起振，并且变成主模

26、。其它相邻模式由于其损耗较大，不能达到阈值，因成主模。其它相邻模式由于其损耗较大，不能达到阈值，因而也不会从自发辐射中建立起振荡。而也不会从自发辐射中建立起振荡。DFB 的增益和损耗的增益和损耗发射发射主模主模纵模纵模频率频率gth 增益增益g( ) 损耗损耗 B增益增益DFBDFB普通LD普通LD42DFB 的分类 分布反馈激光器分布反馈激光器DFB: Distributed Feed Back 分布布拉格反射激光器分布布拉格反射激光器DBR: Distributed Bragg Reflector 光纤通信（第3版）原荣 编著43 DFB 的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有的谐振腔

27、损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗。不同的损耗。 DFB 内部具有一个内部具有一个对波长有选择性的衍射光栅对波长有选择性的衍射光栅，从而，从而使只有满足布拉格波长条件的光波才能建立起振荡。使只有满足布拉格波长条件的光波才能建立起振荡。DFB的结构和原理的结构和原理PN光栅波导区光栅波导区有源区有源区 光输出光输出 B (nm)0.1nm光光功功率率L44布拉格布拉格 Bragg（18901971） 澳大利亚出澳大利亚出生的英国物生的英国物理学家，理学家，25岁时发明了岁时发明了有名的布拉有名的布拉格方程，获格方程，获得了诺贝尔得了诺贝尔奖奖光纤通信（第3版）原荣 编著45PN有源区有

28、源区激话区激话区波纹电介质光栅波纹电介质光栅分布式分布式布拉格反射器布拉格反射器光输出光输出入射光入射光反射光反射光AB mnB 2 （a）DBR激光器的结构（a）DBR激光器的结构(b)部分反射波A和B具有路程差(b)部分反射波A和B具有路程差 2 时才发生相长干涉 2 时才发生相长干涉 DBR的结构和原理的结构和原理DBR除有源区外，还在紧靠其右側增加了一段分布式布拉格反射除有源区外，还在紧靠其右側增加了一段分布式布拉格反射器，它起着衍射光栅的作用。器，它起着衍射光栅的作用。DBR的输出是反射光相长干涉的结果。只有当波长等于两倍光栅的输出是反射光相长干涉的结果。只有当波长等于两倍光栅间距间距 时，反射波才相互加强，发生相长干涉。即当反射波时，反射波才相互加强，发生相长干涉。即当反射波 A 和和 B 具有路程差具有路程差 2 时，它们才发生相长干涉。时，它们才发生相长干涉。46第第4章章 光源和光发射机光源和光发射机4.1 概述概述4.2 发光机理发光机理4.3 分布反馈激光器分布反馈激光器4.4 半导体激光器的特性半导体激光器的特性47阈值电流温度特性阈值电流温度特性激光器的阈值电流和输出功率