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1、光源光源调制器调制器调制器调制器驱动电路驱动电路驱动电路驱动电路放大器放大器光电二光电二极管极管判决器判决器光纤光纤光纤光纤光纤光纤光纤光纤中继器中继器中继器中继器光发射机光发射机光发射机光发射机将电信号转变为光信号将电信号转变为光信号将电信号转变为光信号将电信号转变为光信号Chapter 3 Optical Source and Light Transmitter 光源和光发射机光源和光发射机 光源可实现从电信号到光信号的转换，是光源可实现从电信号到光信号的转换，是光发射机以及光纤通信系统的核心器件，它的光发射机以及光纤通信系统的核心器件，它的性能直接关系到光纤通信系统的性能和质量指性能直接
2、关系到光纤通信系统的性能和质量指标。本章主要对半导体发光二极管标。本章主要对半导体发光二极管(LED)和半和半导体激光器导体激光器(LD)这两种光源的工作原理、应用这两种光源的工作原理、应用以及相关的调制进行介绍。以及相关的调制进行介绍。第三章第三章 光源和光发射机光源和光发射机p激光二极管激光二极管 p发光二极管发光二极管p光发射机光发射机p光源的调制方式光源的调制方式导带导带：电子不：电子不受原子的约束，受原子的约束，可以自由活动。可以自由活动。价带价带：空穴不：空穴不受约束，可以受约束，可以自由活动自由活动。光的自发辐射、受激吸收和受激辐射光的自发辐射、受激吸收和受激辐射n n工作物质和
3、泵浦源工作物质和泵浦源工作物质和泵浦源工作物质和泵浦源是实现光的自发辐射、受激吸收和受激辐是实现光的自发辐射、受激吸收和受激辐是实现光的自发辐射、受激吸收和受激辐是实现光的自发辐射、受激吸收和受激辐射的最基本条件。射的最基本条件。射的最基本条件。射的最基本条件。n n自发辐射自发辐射自发辐射自发辐射：大量处于高能级的粒子，各自分别发射一列一列：大量处于高能级的粒子，各自分别发射一列一列：大量处于高能级的粒子，各自分别发射一列一列：大量处于高能级的粒子，各自分别发射一列一列频率为频率为频率为频率为 =(E E2 2-E-E1 1)/h)/h的光波，但各列光波之间没有固定的相的光波，但各列光波之间
4、没有固定的相的光波，但各列光波之间没有固定的相的光波，但各列光波之间没有固定的相位关系，可以有不同的偏振方向，沿所有可能的方向传播。位关系，可以有不同的偏振方向，沿所有可能的方向传播。位关系，可以有不同的偏振方向，沿所有可能的方向传播。位关系，可以有不同的偏振方向，沿所有可能的方向传播。各光子各光子各光子各光子彼此无关。彼此无关。彼此无关。彼此无关。双能级原子系统的三种跃迁双能级原子系统的三种跃迁h h E E2 2E E1 1自发辐射跃迁自发辐射跃迁自发辐射跃迁自发辐射跃迁光的自发辐射、受激吸收和受激辐射光的自发辐射、受激吸收和受激辐射n n工作物质和泵浦源工作物质和泵浦源工作物质和泵浦源工
5、作物质和泵浦源是实现光的自发辐射、受激吸收和受激辐是实现光的自发辐射、受激吸收和受激辐是实现光的自发辐射、受激吸收和受激辐是实现光的自发辐射、受激吸收和受激辐射的最基本条件。射的最基本条件。射的最基本条件。射的最基本条件。n n自发辐射自发辐射自发辐射自发辐射：大量处于高能级的粒子，各自分别发射一列一列：大量处于高能级的粒子，各自分别发射一列一列：大量处于高能级的粒子，各自分别发射一列一列：大量处于高能级的粒子，各自分别发射一列一列频率为频率为频率为频率为 =(E E2 2-E-E1 1)/h)/h的光波，但各列光波之间没有固定的相的光波，但各列光波之间没有固定的相的光波，但各列光波之间没有固
6、定的相的光波，但各列光波之间没有固定的相位关系，可以有不同的偏振方向，沿所有可能的方向传播。位关系，可以有不同的偏振方向，沿所有可能的方向传播。位关系，可以有不同的偏振方向，沿所有可能的方向传播。位关系，可以有不同的偏振方向，沿所有可能的方向传播。各光子各光子各光子各光子彼此无关。彼此无关。彼此无关。彼此无关。n n受激辐射受激辐射受激辐射受激辐射：处于高能级：处于高能级：处于高能级：处于高能级E E2 2的粒子受到光子能量为的粒子受到光子能量为的粒子受到光子能量为的粒子受到光子能量为 的光照射的光照射的光照射的光照射时，粒子会由于这种入射光的刺激而辐射出与入射光时，粒子会由于这种入射光的刺激
7、而辐射出与入射光时，粒子会由于这种入射光的刺激而辐射出与入射光时，粒子会由于这种入射光的刺激而辐射出与入射光一模一一模一一模一一模一样样样样的光子，并跃迁到低能级的光子，并跃迁到低能级的光子，并跃迁到低能级的光子，并跃迁到低能级E E1 1上。有上。有上。有上。有相同的偏振方向和传播相同的偏振方向和传播相同的偏振方向和传播相同的偏振方向和传播方向方向方向方向。双能级原子系统的三种跃迁双能级原子系统的三种跃迁h h E E2 2E E1 1自发发射跃迁自发发射跃迁自发发射跃迁自发发射跃迁E E2 2E E1 1受激吸收跃迁受激吸收跃迁受激吸收跃迁受激吸收跃迁h h h h E E2 2E E1
8、1受激辐射跃迁受激辐射跃迁受激辐射跃迁受激辐射跃迁h h h h 受激辐射的光子受激辐射的光子受激辐射的光子受激辐射的光子与原光子具有相与原光子具有相与原光子具有相与原光子具有相同的波长、相位同的波长、相位同的波长、相位同的波长、相位和传播方向和传播方向和传播方向和传播方向自发辐射和受激辐射的特点自发辐射和受激辐射的特点n n自发辐射的同时总伴有受激辐射发生。自发辐射的同时总伴有受激辐射发生。自发辐射的同时总伴有受激辐射发生。自发辐射的同时总伴有受激辐射发生。n n在热平衡情况下，自发辐射占绝对优势。在热平衡情况下，自发辐射占绝对优势。在热平衡情况下，自发辐射占绝对优势。在热平衡情况下，自发辐
9、射占绝对优势。n n当外界给系统提供能量时，如采用光照（即光泵）或电流当外界给系统提供能量时，如采用光照（即光泵）或电流当外界给系统提供能量时，如采用光照（即光泵）或电流当外界给系统提供能量时，如采用光照（即光泵）或电流注入（即电泵），打破热平衡状态，大量粒子处于高能级，注入（即电泵），打破热平衡状态，大量粒子处于高能级，注入（即电泵），打破热平衡状态，大量粒子处于高能级，注入（即电泵），打破热平衡状态，大量粒子处于高能级，即即即即粒子数反转粒子数反转粒子数反转粒子数反转后，在发光束方向上的受激辐射比自发辐射后，在发光束方向上的受激辐射比自发辐射后，在发光束方向上的受激辐射比自发辐射后，在发光
10、束方向上的受激辐射比自发辐射的强度大几个数量级。的强度大几个数量级。的强度大几个数量级。的强度大几个数量级。n n总结受激辐射的首要条件：总结受激辐射的首要条件：总结受激辐射的首要条件：总结受激辐射的首要条件：n n工作物质工作物质工作物质工作物质（即能实现粒子跃迁的晶体材料，如（即能实现粒子跃迁的晶体材料，如（即能实现粒子跃迁的晶体材料，如（即能实现粒子跃迁的晶体材料，如GaAsGaAs和和和和InGaAsPInGaAsP）n n外界供给能量外界供给能量外界供给能量外界供给能量满足满足满足满足粒子数反转粒子数反转粒子数反转粒子数反转（常采用电流注入法）（常采用电流注入法）（常采用电流注入法）
11、（常采用电流注入法）n n激光器被视为激光器被视为20世纪的三大发明之一，特世纪的三大发明之一，特别是半导体激光器别是半导体激光器LD倍受重视倍受重视。n n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和和发光二极管发光二极管LED。n n主要差别：主要差别：n n发光二极管输出非相干光发光二极管输出非相干光发光二极管输出非相干光发光二极管输出非相干光(自发辐射自发辐射自发辐射自发辐射)；n n半导体激光器输出相干光半导体激光器输出相干光半导体激光器输出相干光半导体激光器输出相干光(受激辐射受激辐射受激辐射受激辐射)。n n3.1.1 工作原理工作原理n n1.
12、发光原理发光原理n nLDLD是基于是基于受激辐射受激辐射的原理工作的，光的受激的原理工作的，光的受激辐射过程中必须保持能量和动量的守恒。辐射过程中必须保持能量和动量的守恒。3.1 激光器二极管激光器二极管LD原子轨道原子轨道导带导带禁带禁带价带价带原子能级原子能级共有化态能带共有化态能带n n2.LD结构结构电极电极出光面出光面N-GaAs前端镜面前端镜面电极电极N-AlGaAsP-GaAsP-AlGaAsN-GaAs限制层限制层有源层有源层限制层限制层双异质结双异质结端镜面端镜面端镜面端镜面激光器两端是端镜面，两者是平行的，同时激光器两端是端镜面，两者是平行的，同时激光器两端是端镜面，两者
13、是平行的，同时激光器两端是端镜面，两者是平行的，同时又是非常平坦光亮的，它可以使有源层产生又是非常平坦光亮的，它可以使有源层产生又是非常平坦光亮的，它可以使有源层产生又是非常平坦光亮的，它可以使有源层产生的光部分逸出，因此端镜面和有源层构成了的光部分逸出，因此端镜面和有源层构成了的光部分逸出，因此端镜面和有源层构成了的光部分逸出，因此端镜面和有源层构成了光的容器。光的容器。光的容器。光的容器。注入电注入电子子有源层有源层电子势垒电子势垒电子能电子能量量折射率折射率空穴势空穴势垒垒注入注入空穴空穴双异质结发光器件双异质结发光器件把有源层夹在把有源层夹在P型和型和N型限制层间型限制层间LD发射激光
14、的首要条件-粒子数反转n n另一个条件是半导体激光器中另一个条件是半导体激光器中另一个条件是半导体激光器中另一个条件是半导体激光器中必须存在必须存在必须存在必须存在光学谐振腔光学谐振腔光学谐振腔光学谐振腔，并在谐，并在谐，并在谐，并在谐振腔里建立起稳定的振荡。振腔里建立起稳定的振荡。振腔里建立起稳定的振荡。振腔里建立起稳定的振荡。n n有源区里实现了粒子数反转后，有源区里实现了粒子数反转后，有源区里实现了粒子数反转后，有源区里实现了粒子数反转后，受激发射占据了主导地位，但受激发射占据了主导地位，但受激发射占据了主导地位，但受激发射占据了主导地位，但是，激光器初始的光场来源于是，激光器初始的光场
15、来源于是，激光器初始的光场来源于是，激光器初始的光场来源于导带和价带的自发辐射，频谱导带和价带的自发辐射，频谱导带和价带的自发辐射，频谱导带和价带的自发辐射，频谱较宽，方向也杂乱无章。较宽，方向也杂乱无章。较宽，方向也杂乱无章。较宽，方向也杂乱无章。n n为了得到单色性和方向性好的为了得到单色性和方向性好的为了得到单色性和方向性好的为了得到单色性和方向性好的激光输出，必须构成光学谐振激光输出，必须构成光学谐振激光输出，必须构成光学谐振激光输出，必须构成光学谐振腔。腔。腔。腔。LD 发射激光的发射激光的第二个条件第二个条件-光学谐振腔光学谐振腔光在谐振腔里建立稳定振荡的条件相位条件相位条件-使谐
16、振腔内的前向和后向光使谐振腔内的前向和后向光波发生相干波发生相干；n n阈值条件阈值条件-使腔内获得的光功率正好与腔内使腔内获得的光功率正好与腔内损耗相抵消损耗相抵消。n n只有谐振腔里的只有谐振腔里的光增益光增益和和损耗值损耗值保持相等，保持相等，并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，才能在谐振腔的两个端面输出谱线很窄的相才能在谐振腔的两个端面输出谱线很窄的相干光束。干光束。n nLD阈值条件阈值条件n n设增益介质的设增益介质的增益增益和和损耗损耗分别为分别为G和和，谐振腔内光功率随距离谐振腔内光功率随距离z的变化的变化：n n光束在腔内一个来回时
17、，两次通过增益介光束在腔内一个来回时，两次通过增益介质质，这时的光增益为：，这时的光增益为：n n建立光振荡的条件建立光振荡的条件n n产生激光的阈值条件产生激光的阈值条件n n光与半导体物质的相互作用光与半导体物质的相互作用可用可用速率方速率方程程来描述：来描述：增益介质增益介质增益介质增益介质的损耗的损耗的损耗的损耗通过反射通过反射通过反射通过反射镜的损耗镜的损耗镜的损耗镜的损耗n n物理意义物理意义：在单位时间内，总光子数目取在单位时间内，总光子数目取决于决于受激辐射产生光子数目受激辐射产生光子数目、自发辐射产生自发辐射产生光子数目光子数目、激光腔损耗造成的光子损失数目激光腔损耗造成的光
18、子损失数目；在单位时间内，总电子数目取决于在单位时间内，总电子数目取决于注入载注入载流子数目流子数目、自发辐射导致导带的电子损失数自发辐射导致导带的电子损失数目目、受激辐射导致导带的电子损失数目受激辐射导致导带的电子损失数目n n使使s值增加，值增加，n值要大于阈值值要大于阈值nth。n nnth可由阈值电流密度来可由阈值电流密度来jth表示，实际上表示，实际上jth是光子数目是光子数目s=0时，保持粒子数反转所需时，保持粒子数反转所需的电流密度的电流密度。n n稳定状态下，粒子数不再变化：稳定状态下，粒子数不再变化：n=nth，3.1.2 LD的工作特性的工作特性 n nPI特性特性n n光
19、谱特性光谱特性n n调制特性调制特性 一、一、半导体激光器的半导体激光器的PI特性特性典型的典型的PI曲线曲线P PI I曲线：曲线：曲线：曲线：激光二极管激光二极管激光二极管激光二极管的总发射光功率的总发射光功率的总发射光功率的总发射光功率P P与注入与注入与注入与注入电流电流电流电流I I的关系曲线。的关系曲线。的关系曲线。的关系曲线。阈值电流阈值电流阈值电流阈值电流I Ithth：开始发射受激开始发射受激开始发射受激开始发射受激辐射的电流值。辐射的电流值。辐射的电流值。辐射的电流值。阈值电流与阈值电流与阈值电流与阈值电流与腔的损耗、尺寸、有源区材腔的损耗、尺寸、有源区材腔的损耗、尺寸、有
20、源区材腔的损耗、尺寸、有源区材料和厚度等因素有关。料和厚度等因素有关。料和厚度等因素有关。料和厚度等因素有关。IIII Ithth，受激辐射，发出的是相干光受激辐射，发出的是相干光受激辐射，发出的是相干光受激辐射，发出的是相干光n nT0-LD的特征温度，与器件的材料、结构等的特征温度，与器件的材料、结构等有关。有关。T0代表代表Ith对温度的灵敏度，也可解释对温度的灵敏度，也可解释为激光二极管的热稳定性。较高的为激光二极管的热稳定性。较高的T0意味着意味着当温度快速增加时，激光二极管当温度快速增加时，激光二极管Ithn n激光二极管激光二极管Ithn n 增加不大。增加不大。不同温度下的不同
21、温度下的不同温度下的不同温度下的P PI I曲线曲线曲线曲线温度特性：温度特性：温度升高时性能下降，阈值电流温度升高时性能下降，阈值电流温度升高时性能下降，阈值电流温度升高时性能下降，阈值电流随温度按指数增长。随温度按指数增长。随温度按指数增长。随温度按指数增长。表示激光器件把注入的表示激光器件把注入的电子空穴对电子空穴对（注（注入电荷）转换成从器件发射的入电荷）转换成从器件发射的光子光子的的效率效率。是一个以百分数（）度量的性能系数。是一个以百分数（）度量的性能系数。n n D可从可从P-I特性的斜率（阈值以上）特性的斜率（阈值以上）dP/dI求求得得：2.光电效率光电效率外微分量子效率外微
22、分量子效率 D：n n内量子效率内量子效率内量子效率内量子效率 i i是衡量激光二极管把电子空穴对（注入是衡量激光二极管把电子空穴对（注入是衡量激光二极管把电子空穴对（注入是衡量激光二极管把电子空穴对（注入电流）转换成光子能力的一个参数电流）转换成光子能力的一个参数电流）转换成光子能力的一个参数电流）转换成光子能力的一个参数。n n与与与与 D D不同的的是，不同的的是，不同的的是，不同的的是，i i与激光二极管的几何尺寸无关与激光二极管的几何尺寸无关与激光二极管的几何尺寸无关与激光二极管的几何尺寸无关，是，是，是，是评价评价评价评价激光二极管半导体晶片质量的主要参数激光二极管半导体晶片质量的
23、主要参数激光二极管半导体晶片质量的主要参数激光二极管半导体晶片质量的主要参数。n n i i和和和和 D D既有关系又有差别。既有关系又有差别。既有关系又有差别。既有关系又有差别。i i是是是是激光二极管把电子空激光二极管把电子空激光二极管把电子空激光二极管把电子空穴对（注入电流）转换成光子效率的直接表示，但要注穴对（注入电流）转换成光子效率的直接表示，但要注穴对（注入电流）转换成光子效率的直接表示，但要注穴对（注入电流）转换成光子效率的直接表示，但要注意，并非所有光子都出射成为输出光，有些光子由于各意，并非所有光子都出射成为输出光，有些光子由于各意，并非所有光子都出射成为输出光，有些光子由于
24、各意，并非所有光子都出射成为输出光，有些光子由于各种内部损耗而被重新吸收。种内部损耗而被重新吸收。种内部损耗而被重新吸收。种内部损耗而被重新吸收。D D是激光二极管把电子是激光二极管把电子是激光二极管把电子是激光二极管把电子空穴对（注入电流）转换成输出光的效率象征。空穴对（注入电流）转换成输出光的效率象征。空穴对（注入电流）转换成输出光的效率象征。空穴对（注入电流）转换成输出光的效率象征。D D总总总总是比是比是比是比 i i小小小小。内量子效率内量子效率内量子效率内量子效率 i i=有源区内每秒钟产生的光子数有源区内每秒钟产生的光子数有源区内每秒钟产生的光子数有源区内每秒钟产生的光子数有源区
25、内每秒钟注入的电子有源区内每秒钟注入的电子有源区内每秒钟注入的电子有源区内每秒钟注入的电子-空穴对数空穴对数空穴对数空穴对数内量子效率内量子效率内量子效率内量子效率 i i：LD的模式特性首先取决于光腔的的模式特性首先取决于光腔的三个三个线度（横向、侧向、纵向的尺寸）线度（横向、侧向、纵向的尺寸）及及介质特介质特性性。通常腔内能存在许多模式，但只有获得。通常腔内能存在许多模式，但只有获得净增益（满足阈值条件）净增益（满足阈值条件）的那些模式才能被的那些模式才能被激励，它的频率才会出现在输出光中。在实激励，它的频率才会出现在输出光中。在实际应用中，际应用中，模式的稳定性和线宽模式的稳定性和线宽是
26、对系统性是对系统性能影响较大的两个参量。能影响较大的两个参量。二、半导体激光器的光谱特性二、半导体激光器的光谱特性1、激光器纵模的概激光器纵模的概念：念：激光器的纵模反映激光器的光谱性质激光器的纵模反映激光器的光谱性质激光器的纵模反映激光器的光谱性质激光器的纵模反映激光器的光谱性质。对于半。对于半。对于半。对于半导体激光器，当注入电流低于阈值时，发射光谱是导体激光器，当注入电流低于阈值时，发射光谱是导体激光器，当注入电流低于阈值时，发射光谱是导体激光器，当注入电流低于阈值时，发射光谱是导带和价带的自发辐射谱，谱线较宽；只有当激光导带和价带的自发辐射谱，谱线较宽；只有当激光导带和价带的自发辐射谱
27、，谱线较宽；只有当激光导带和价带的自发辐射谱，谱线较宽；只有当激光器的注入电流大于阈值后，谐振腔里的增益才大于器的注入电流大于阈值后，谐振腔里的增益才大于器的注入电流大于阈值后，谐振腔里的增益才大于器的注入电流大于阈值后，谐振腔里的增益才大于损耗，自发辐射谱线中满足驻波条件的光频率才能损耗，自发辐射谱线中满足驻波条件的光频率才能损耗，自发辐射谱线中满足驻波条件的光频率才能损耗，自发辐射谱线中满足驻波条件的光频率才能在谐振腔里振荡，在谐振腔里振荡，在谐振腔里振荡，在谐振腔里振荡，使激光器的输出光谱呈现出以一使激光器的输出光谱呈现出以一使激光器的输出光谱呈现出以一使激光器的输出光谱呈现出以一个或几
28、个模式振荡，这种振荡称之为激光器个或几个模式振荡，这种振荡称之为激光器个或几个模式振荡，这种振荡称之为激光器个或几个模式振荡，这种振荡称之为激光器的的的的纵模纵模纵模纵模m-m-正整数；正整数；正整数；正整数；L-L-腔长；腔长；腔长；腔长；n-n-材料折射。材料折射。材料折射。材料折射。谐振条件（正入射）谐振条件（正入射）:谐振频率（正入射）谐振频率（正入射）:相邻纵模的频率间隔相邻纵模的频率间隔:2.光谱特性光谱特性n n p p为具有最大辐射功率的纵模峰值所对应的波长为具有最大辐射功率的纵模峰值所对应的波长为具有最大辐射功率的纵模峰值所对应的波长为具有最大辐射功率的纵模峰值所对应的波长，
29、称为称为称为称为峰值波长峰值波长峰值波长峰值波长。n n为为为为LDLD的的的的谱宽谱宽谱宽谱宽，其定义为，其定义为，其定义为，其定义为纵模包络下降到最大纵模包络下降到最大纵模包络下降到最大纵模包络下降到最大值一半时对应的波长宽度值一半时对应的波长宽度值一半时对应的波长宽度值一半时对应的波长宽度，也称，也称，也称，也称半高全宽光谱宽半高全宽光谱宽半高全宽光谱宽半高全宽光谱宽度度度度。n n L L是一个是一个是一个是一个纵模中光谱辐射功率为其最大值一半纵模中光谱辐射功率为其最大值一半纵模中光谱辐射功率为其最大值一半纵模中光谱辐射功率为其最大值一半的谱线两点间的波长间隔的谱线两点间的波长间隔的谱
30、线两点间的波长间隔的谱线两点间的波长间隔。波长波长0相相对对功功率率LED和LD的光谱特性I=67mAI=67mAI=75mAI=75mAI=100mAI=100mAP=10mWP=10mWI=95mAI=95mAP=6mWP=6mWI=80mAI=80mAP=4mWP=4mW随着电流增加，主模的增益增加，而边模的增益减小，随着电流增加，主模的增益增加，而边模的增益减小，随着电流增加，主模的增益增加，而边模的增益减小，随着电流增加，主模的增益增加，而边模的增益减小，纵模数减少，一个模式开始占优势，直到出现单个窄纵模数减少，一个模式开始占优势，直到出现单个窄纵模数减少，一个模式开始占优势，直到出
31、现单个窄纵模数减少，一个模式开始占优势，直到出现单个窄线宽的光谱为止。线宽的光谱为止。线宽的光谱为止。线宽的光谱为止。3、纵模数随注入电流而变纵模数随注入电流而变：三、半导体激光器的瞬态性质三、半导体激光器的瞬态性质n n半导体激光器具有半导体激光器具有电光转换效率高电光转换效率高、响应响应速度快速度快、可以进行、可以进行直接调制直接调制的优点，被视的优点，被视为光纤通信中的理想光源。但在对半导体为光纤通信中的理想光源。但在对半导体激光器进行脉冲调制时，激光器往往呈现激光器进行脉冲调制时，激光器往往呈现出复杂的动态性质出复杂的动态性质光电瞬态响应。光电瞬态响应。n n电光延迟电光延迟n n张弛
32、振荡张弛振荡n n自脉动自脉动1.电光延迟电光延迟原因：原因：原因：原因：激光输出与注入电脉冲之间存在一个时激光输出与注入电脉冲之间存在一个时激光输出与注入电脉冲之间存在一个时激光输出与注入电脉冲之间存在一个时间延迟间延迟间延迟间延迟，一般为纳秒量级。，一般为纳秒量级。，一般为纳秒量级。，一般为纳秒量级。降低方法：降低方法：降低方法：降低方法：预偏置在预偏置在预偏置在预偏置在I Ithth附近。附近。附近。附近。电光延迟电光延迟0注入电流注入电流光输出光输出tdt张弛振荡张弛振荡持续振荡持续振荡直流预偏直流预偏直流预偏直流预偏置电流置电流置电流置电流张弛振荡：张弛振荡：张弛振荡：张弛振荡：当电
33、流当电流当电流当电流脉冲注入激光器以脉冲注入激光器以脉冲注入激光器以脉冲注入激光器以后，输出光脉冲表后，输出光脉冲表后，输出光脉冲表后，输出光脉冲表现出衰减式振荡。现出衰减式振荡。现出衰减式振荡。现出衰减式振荡。是激光器内部光电是激光器内部光电是激光器内部光电是激光器内部光电相互作用所表现出相互作用所表现出相互作用所表现出相互作用所表现出来的固有特性。来的固有特性。来的固有特性。来的固有特性。自脉动：自脉动：自脉动：自脉动：某些激某些激某些激某些激光器在某些注入光器在某些注入光器在某些注入光器在某些注入电流下发生的一电流下发生的一电流下发生的一电流下发生的一种持续振荡。种持续振荡。种持续振荡。
34、种持续振荡。张弛振荡和自脉动张弛振荡和自脉动张弛振荡和自脉动张弛振荡和自脉动的结合。的结合。的结合。的结合。激光器激激光器激激光器激激光器激射以后，先出现一射以后，先出现一射以后，先出现一射以后，先出现一个张弛振荡的过程，个张弛振荡的过程，个张弛振荡的过程，个张弛振荡的过程，随后则开始持续自随后则开始持续自随后则开始持续自随后则开始持续自脉动。脉动。脉动。脉动。光电瞬态响应波形光电瞬态响应波形当注入电流从零当注入电流从零当注入电流从零当注入电流从零快速增大到阈值以快速增大到阈值以快速增大到阈值以快速增大到阈值以上时，经电光延迟上时，经电光延迟上时，经电光延迟上时，经电光延迟后产生激光输出，后产
35、生激光输出，后产生激光输出，后产生激光输出，并在脉冲顶部出现并在脉冲顶部出现并在脉冲顶部出现并在脉冲顶部出现阻尼振荡，经过几阻尼振荡，经过几阻尼振荡，经过几阻尼振荡，经过几个周期后达到平衡个周期后达到平衡个周期后达到平衡个周期后达到平衡值。值。值。值。采用采用采用采用预偏置在预偏置在预偏置在预偏置在I Ithth附近的方法附近的方法附近的方法附近的方法，可减，可减，可减，可减小张弛振荡小张弛振荡小张弛振荡小张弛振荡2.张弛振荡张弛振荡不同于张弛振荡不同于张弛振荡不同于张弛振荡不同于张弛振荡,容容容容易发生在阈值附近和易发生在阈值附近和易发生在阈值附近和易发生在阈值附近和P-IP-I特性的扭曲区
36、。特性的扭曲区。特性的扭曲区。特性的扭曲区。造成自脉动的机理造成自脉动的机理造成自脉动的机理造成自脉动的机理涉及量子噪声效应、涉及量子噪声效应、涉及量子噪声效应、涉及量子噪声效应、有源区的缺陷及温度有源区的缺陷及温度有源区的缺陷及温度有源区的缺陷及温度感应的变化等因素。感应的变化等因素。感应的变化等因素。感应的变化等因素。抑制这种现象主要抑制这种现象主要抑制这种现象主要抑制这种现象主要靠控制材料的质量，靠控制材料的质量，靠控制材料的质量，靠控制材料的质量，尽量减少有源区的缺尽量减少有源区的缺尽量减少有源区的缺尽量减少有源区的缺陷。陷。陷。陷。3.自脉动自脉动(持续振荡持续振荡)n n激光二极管
37、的激光二极管的啁啾特性啁啾特性：在：在直接调制直接调制激光二激光二极管时，不仅输出光功率随调制电流发生变极管时，不仅输出光功率随调制电流发生变化，而且化，而且光的频率也会发生波动光的频率也会发生波动。n n带有频率啁啾的信号在单模光纤中传播时，带有频率啁啾的信号在单模光纤中传播时，在色散作用下，将增大在色散作用下，将增大非线性失真非线性失真。n n随着调制速率增加，啁啾现象愈加严重。随着调制速率增加，啁啾现象愈加严重。n n解决办法解决办法：采用：采用外部调制器外部调制器。4、啁啾啁啾LDLD的噪声源主要有：的噪声源主要有：的噪声源主要有：的噪声源主要有：（1 1）相位噪声）相位噪声）相位噪声
38、）相位噪声（2 2）工作不稳定引起的噪声（如自脉动）工作不稳定引起的噪声（如自脉动）工作不稳定引起的噪声（如自脉动）工作不稳定引起的噪声（如自脉动）（3 3）光纤端面与）光纤端面与）光纤端面与）光纤端面与LDLD之间互作用引起的噪声之间互作用引起的噪声之间互作用引起的噪声之间互作用引起的噪声（4 4）模噪声（单模）模噪声（单模）模噪声（单模）模噪声（单模LD+LD+多模光纤系统）与模分配噪多模光纤系统）与模分配噪多模光纤系统）与模分配噪多模光纤系统）与模分配噪声（多模声（多模声（多模声（多模LD+LD+单模光纤系统）单模光纤系统）单模光纤系统）单模光纤系统）通过模式稳定及光隔离器来减低或消除通
39、过模式稳定及光隔离器来减低或消除通过模式稳定及光隔离器来减低或消除通过模式稳定及光隔离器来减低或消除四、半导体激光器的噪声特性四、半导体激光器的噪声特性由于由于由于由于LDLD谐振腔内载流子和光子密度的量子起伏谐振腔内载流子和光子密度的量子起伏谐振腔内载流子和光子密度的量子起伏谐振腔内载流子和光子密度的量子起伏，造成输出光波中存在着固有的量子噪声，一般用造成输出光波中存在着固有的量子噪声，一般用造成输出光波中存在着固有的量子噪声，一般用造成输出光波中存在着固有的量子噪声，一般用相对噪声强度相对噪声强度相对噪声强度相对噪声强度RINRIN来度量，即光强度脉动的均方根来度量，即光强度脉动的均方根来
40、度量，即光强度脉动的均方根来度量，即光强度脉动的均方根与平均光强度平方之比。与平均光强度平方之比。与平均光强度平方之比。与平均光强度平方之比。LD的类型的类型n n1.法布里法布里-珀罗型激光器珀罗型激光器F-P LDn nF-P LD是最常见最普通的是最常见最普通的LD.n n由有源层和有源层两边的限制层构成，谐振由有源层和有源层两边的限制层构成，谐振腔由晶体的两个解腔由晶体的两个解 理面构成。通常为理面构成。通常为 双异质结双异质结LD。n n激光器实质上是一个激光器实质上是一个 受激发射的光振荡放受激发射的光振荡放 大器。大器。F-P LD基本工作原理基本工作原理n n实现实现F-P L
41、D激射工作的激射工作的四个基本条件：四个基本条件：n n要有能实现电子和光场相互作用的工作要有能实现电子和光场相互作用的工作物质物质n n要有注入能量的泵浦源（光泵或者电泵要有注入能量的泵浦源（光泵或者电泵浦）浦）n n要有一个要有一个F-P谐振腔谐振腔n n要满足振荡条件要满足振荡条件F-P谐振腔谐振腔n n将已实现粒子数反转分布将已实现粒子数反转分布 的系统置于严格平行的一的系统置于严格平行的一 对反射镜之对反射镜之间便形成间便形成F-P谐振腔。光在两个反射镜之谐振腔。光在两个反射镜之间往返多次过程中，得到放大。间往返多次过程中，得到放大。振荡条件振荡条件n n当增益超过由部分反射和散射等
42、多种因素引起的当增益超过由部分反射和散射等多种因素引起的当增益超过由部分反射和散射等多种因素引起的当增益超过由部分反射和散射等多种因素引起的总损耗，经过谐振腔的选频作用，特定频率的光总损耗，经过谐振腔的选频作用，特定频率的光总损耗，经过谐振腔的选频作用，特定频率的光总损耗，经过谐振腔的选频作用，特定频率的光波在谐振腔内积累能量并通过反射镜射出，形成波在谐振腔内积累能量并通过反射镜射出，形成波在谐振腔内积累能量并通过反射镜射出，形成波在谐振腔内积累能量并通过反射镜射出，形成激光（相干光）激光（相干光）激光（相干光）激光（相干光）。n n相位条件：相位条件：相位条件：相位条件：n-n-有源层折射率
43、；有源层折射率；有源层折射率；有源层折射率；L-L-腔长腔长腔长腔长m-m-任意整数；任意整数；任意整数；任意整数；-波长波长波长波长满足相位条件的频率有无限多个，只有那些在谱线满足相位条件的频率有无限多个，只有那些在谱线满足相位条件的频率有无限多个，只有那些在谱线满足相位条件的频率有无限多个，只有那些在谱线中心附近的频率才能满足振荡条件，所以激光器的中心附近的频率才能满足振荡条件，所以激光器的中心附近的频率才能满足振荡条件，所以激光器的中心附近的频率才能满足振荡条件，所以激光器的振荡频率只能取有限个分立值。振荡频率只能取有限个分立值。振荡频率只能取有限个分立值。振荡频率只能取有限个分立值。窄
44、谱宽半导体激光器n n分布反馈激光器分布反馈激光器是单纵模是单纵模(SLM)LD，即频，即频谱特性只有一个纵模（谱线）的谱特性只有一个纵模（谱线）的 LD。n nSLM LD与法布里与法布里-珀罗珀罗 LD 相比，它的谐振相比，它的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗。同的损耗。n n这是通过改进结构设计，使分布反馈这是通过改进结构设计，使分布反馈 LD 内内部部具有一个对波长有选择性的衍射光栅具有一个对波长有选择性的衍射光栅，从，从而使只有而使只有满足布拉格波长条件的光波满足布拉格波长条件的光波才能建才能建立起振荡立起振荡分布反馈分布反馈
45、LD的分类的分类n n分布反馈式激光器分布反馈式激光器DFB:Distributed Feed Back n n分布布拉格反射式激光器分布布拉格反射式激光器DBR:Distributed Bragg Reflector 2.Distributed-FeedbackLaserDiode分布反馈激光器(DFBLD)n nDFB LDDFB LD同同同同F-P LDF-P LD的主要区别的主要区别的主要区别的主要区别：DFB LDDFB LD没有专门没有专门没有专门没有专门的谐振腔反射镜，它的反射机构是由有源区波导的谐振腔反射镜，它的反射机构是由有源区波导的谐振腔反射镜，它的反射机构是由有源区波导的
46、谐振腔反射镜，它的反射机构是由有源区波导上的上的上的上的BraggBragg光栅提供的。光栅提供的。光栅提供的。光栅提供的。n n分布式反馈分布式反馈分布式反馈分布式反馈 l非常好的单色性和方向性非常好的单色性和方向性DFB LD基本工作原理基本工作原理n n在有源区介质表面上使用在有源区介质表面上使用在有源区介质表面上使用在有源区介质表面上使用全息光刻法做成周期性全息光刻法做成周期性全息光刻法做成周期性全息光刻法做成周期性的波纹形状的波纹形状的波纹形状的波纹形状。n n用泵浦（光泵浦或电泵浦）激发，造成足够的粒用泵浦（光泵浦或电泵浦）激发，造成足够的粒用泵浦（光泵浦或电泵浦）激发，造成足够的
47、粒用泵浦（光泵浦或电泵浦）激发，造成足够的粒子数反转，子数反转，子数反转，子数反转，具备增益条件具备增益条件具备增益条件具备增益条件n n只有波长满足只有波长满足只有波长满足只有波长满足“BraggBragg反射条件反射条件反射条件反射条件”的光波才能在介的光波才能在介的光波才能在介的光波才能在介质中来回反射，得到不断的加强和增长。质中来回反射，得到不断的加强和增长。质中来回反射，得到不断的加强和增长。质中来回反射，得到不断的加强和增长。l lDBF激光器比其他常规激光器有更好的温度激光器比其他常规激光器有更好的温度特性；特性；l l窄线宽特性（典型值为窄线宽特性（典型值为）l l光栅起到稳定
48、输出波长的作用光栅起到稳定输出波长的作用l l线性响应好线性响应好2.分布反馈激光器分布反馈激光器(DFB LD)DFB LD已成为中长距离光纤通信已成为中长距离光纤通信应用的主要激光器应用的主要激光器3.分布分布Bragg反射型激光器反射型激光器DBR LDn nDBR LDDBR LD的周期性沟槽不在有源波导表面上，而是的周期性沟槽不在有源波导表面上，而是的周期性沟槽不在有源波导表面上，而是的周期性沟槽不在有源波导表面上，而是在有源层波导两外侧的无源波导层上，这两个无在有源层波导两外侧的无源波导层上，这两个无在有源层波导两外侧的无源波导层上，这两个无在有源层波导两外侧的无源波导层上，这两个
49、无源的光栅波导充当源的光栅波导充当源的光栅波导充当源的光栅波导充当BraggBragg反射镜的作用。由于有源反射镜的作用。由于有源反射镜的作用。由于有源反射镜的作用。由于有源波导的增益特性和无源周期波导的波导的增益特性和无源周期波导的波导的增益特性和无源周期波导的波导的增益特性和无源周期波导的BraggBragg发射，只发射，只发射，只发射，只有在有在有在有在BraggBragg频率附近的光波才能满足振荡条件，从频率附近的光波才能满足振荡条件，从频率附近的光波才能满足振荡条件，从频率附近的光波才能满足振荡条件，从而发射出激光。而发射出激光。而发射出激光。而发射出激光。5.Vertical-Ca
50、vitySurface-EmittingLaserDiodes垂直腔表面发射激光器n n垂直腔表面发射激光器（VCSEL,VerticalCavitySurfaceEmittingLaser）n n它的光发射方向与腔体垂直，而不是像普通激光器那样，与腔体平行。这种激光器的光腔轴线与注入电流方向相同。VCSEL激光器示意图n n这种激光器的光这种激光器的光这种激光器的光这种激光器的光腔轴线与注入电腔轴线与注入电腔轴线与注入电腔轴线与注入电流方向相同。流方向相同。流方向相同。流方向相同。n n有源区的长度有源区的长度有源区的长度有源区的长度L L与边发射器件比与边发射器件比与边发射器件比与边发射器