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1、第四章光源和光发射机本讲稿第一页，共五十七页本章内容本章内容 1.光纤通信对光源的基本要求光纤通信对光源的基本要求2.半导体光源的物理基础半导体光源的物理基础3.半导体激光器半导体激光器4.半导体发光二极管半导体发光二极管5.新型半导体激光器新型半导体激光器6.光发射机光发射机本讲稿第二页，共五十七页光纤通信对光源的基本要求光纤通信对光源的基本要求n光源发射的峰值波长，应在光纤的低损耗窗口之内。n有足够高的、稳定的输出光功率，以满足系统对光中继段距离的要求。n电光转换效率高，低功率驱动，长寿命，高可靠性。n单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高光源和光纤的耦合效率。n易于调制，响应速度快
2、，以利于高速率大容量的数字信号的传输。n强度噪声要小，以提高模拟调制系统的信噪比。n光强对驱动电流的线性要好，以保证有足够多的模拟调制信道。本讲稿第三页，共五十七页最常用的光源最常用的光源n半导体激光器（半导体激光器（LD）n发光二极管（发光二极管（LED）n单单纵纵模模（或或单单频频）LD，在在高高速速率率、大大容容量量的的数数字字光纤系统中得到广泛应用；光纤系统中得到广泛应用；n波波长长可可调调谐谐激激光光器器是是多多信信道道WDM光光纤纤通通信信系系统统的的关键器件。关键器件。本讲稿第四页，共五十七页光子的概念光子的概念n不同频率的光子具有不同的能量，而携带信息的光不同频率的光子具有不同
3、的能量，而携带信息的光波，它所具有的能量只能是波，它所具有的能量只能是hf的整数倍。的整数倍。n当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被吸当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或发射。收或发射。本讲稿第五页，共五十七页孤立原子的能级孤立原子的能级能级图E1E2E3E取决于半导体材料的本征值。取决于半导体材料的本征值。本讲稿第六页，共五十七页半导体材料半导体材料本讲稿第七页，共五十七页半导体的能带半导体的能带n在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶体内部电子的共共有有化化运运动动，使使孤孤立立原原子子中中的的离离散散能能级级变变成成能能带。带。n禁带宽度称为带隙能量，
4、用禁带宽度称为带隙能量，用Eg表示，表示，Ec-Ev=Eg。本讲稿第八页，共五十七页本征半导体和杂质半导体的能带本征半导体和杂质半导体的能带掺入施主杂质掺入受主杂质本讲稿第九页，共五十七页本讲稿第十页，共五十七页本讲稿第十一页，共五十七页P-N结内载流子运动结内载流子运动加正电 ，抵消自建场，扩散 漂移；加负电 ，加强自建场，扩散 漂移；本讲稿第十二页，共五十七页PN结的能带结的能带本讲稿第十三页，共五十七页光与物质的相互作用光与物质的相互作用-光的发射和吸收光的发射和吸收本讲稿第十四页，共五十七页n激光LASER-Light Amplification by Stimulated Emiss
5、ion of Radiationn激光器LD-Laser Diode本讲稿第十五页，共五十七页激光器的构成激光器的构成本讲稿第十六页，共五十七页激光的产生条件激光的产生条件n相位条件相位条件-使谐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阈值条件阈值条件-使腔内获得的光功率正好与使腔内获得的光功率正好与腔内损耗相抵消。腔内损耗相抵消。本讲稿第十七页，共五十七页本讲稿第十八页，共五十七页激光器起振的阈值条件激光器起振的阈值条件受激发射使腔体得到的受激发射使腔体得到的增益增益=腔体损耗腔体损耗本讲稿第十九页，共五十七页激光器起振阈值条件的简化描述激光器起振阈值条件的简化
6、描述本讲稿第二十页，共五十七页半半导导体体激激光光器器的的工工作作原原理理本讲稿第二十一页，共五十七页半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理n用半导体材料作为用半导体材料作为工作物质工作物质的激光器，向半的激光器，向半导体导体PN结结注入正向电流注入正向电流，实现粒子数的反转分，实现粒子数的反转分布，产生受激辐射，再利用布，产生受激辐射，再利用谐振腔谐振腔的正反馈，的正反馈，实现光放大而产生激光振荡。实现光放大而产生激光振荡。FP腔半导体激光器的工作原理？腔半导体激光器的工作原理？本讲稿第二十二页，共五十七页例：一峰值发光波长在例：一峰值发光波长在800nm的的GaAs激光器，其谐振腔激
7、光器，其谐振腔长长400微米，且材料折射率为微米，且材料折射率为3.6，如果增益在，如果增益在750至至850nm的范围内都大于总损耗，试求此激光器中能存在的范围内都大于总损耗，试求此激光器中能存在几个模式？几个模式？n例例4.2.2n例例4.2.3本讲稿第二十三页，共五十七页同质结半导体激光器同质结半导体激光器n同质结激光器阈值电流密度太大，工作时发热非常严重，同质结激光器阈值电流密度太大，工作时发热非常严重，只能在低温环境、脉冲状态下工作。只能在低温环境、脉冲状态下工作。同质结：同质结：由同一种半导体材料构成的由同一种半导体材料构成的PN结。结。本讲稿第二十四页，共五十七页同质结、双异质结
8、同质结、双异质结LD能级图及光子密度分布的比较能级图及光子密度分布的比较有效抑制有效抑制载流子载流子有效抑制有效抑制光波光波异质结：异质结：指具有不同折射率和不同禁带宽度的两种半导指具有不同折射率和不同禁带宽度的两种半导体材料构成的体材料构成的PN结。结。本讲稿第二十五页，共五十七页半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性n1.1.激光器的激光器的P-IP-I特性特性阈值电流阈值电流Ith激光器效率激光器效率本讲稿第二十六页，共五十七页2.激光器的温度特性激光器的温度特性n指半导体激光器的阈值电流、输出光功率和输出光指半导体激光器的阈值电流、输出光功率和输出光波波长随温度变化的特性。波波长
9、随温度变化的特性。本讲稿第二十七页，共五十七页3.激光器的光谱特性激光器的光谱特性发射波长发射波长谱线宽度谱线宽度光谱模数光谱模数本讲稿第二十八页，共五十七页L=250mW=12 mT=300K GaAlAs-DH激光器的光谱特性 (a)直流驱动;(b)300 Mb/s数字调制 0799 800 801 802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI=8 0mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mW830 828 832 830 828 832 830 828 826832 830 828 826 824836 834 832 830 828 826
10、824 822 820(a)(b)本讲稿第二十九页，共五十七页4.激光器的模式特性激光器的模式特性n纵模纵模决定频谱特性决定频谱特性n横模横模决定光场的空间特性决定光场的空间特性本讲稿第三十页，共五十七页在不同注入电流下的横模远场特性在不同注入电流下的横模远场特性本讲稿第三十一页，共五十七页4.激光器的调制特性激光器的调制特性计算出的半导体激光器对计算出的半导体激光器对500 ps方波电流脉冲的大信号调制响应方波电流脉冲的大信号调制响应 频频率率啁啁啾啾实线表示发射的光脉冲形状实线表示发射的光脉冲形状本讲稿第三十二页，共五十七页电光延迟和张弛振荡电光延迟和张弛振荡（严重限制系统传输速率和通信质
11、量）（严重限制系统传输速率和通信质量）解决方法：解决方法：对激光器加直流预偏置对激光器加直流预偏置电光延迟电光延迟 张弛振荡张弛振荡码型效应码型效应限制调制速率限制调制速率本讲稿第三十三页，共五十七页半导体发光二极管半导体发光二极管LEDn没有光学谐振腔没有光学谐振腔n无阈值器件无阈值器件项目激光器（LD）发光二极管（LED）调制频带数GHz数百Hz光输出功率数十mW数mW耦合效率大小频谱宽度窄(数十埃)宽(数百数千埃)线性差较好受温度影响大小发散角小大发光原理受激辐射自发辐射适用系统中远距离、大容量中近距离、中小容量本讲稿第三十四页，共五十七页随着技术的进步，对激光器提出更高的要求：随着技术
12、的进步，对激光器提出更高的要求：n谱线宽度更窄，并在高速率脉冲调制下保持谱线宽度更窄，并在高速率脉冲调制下保持动态单纵模特性；动态单纵模特性；n发射波长更加稳定，并能实现调谐；发射波长更加稳定，并能实现调谐；n阈值电流更低，而输出光功率更大。阈值电流更低，而输出光功率更大。本讲稿第三十五页，共五十七页新型半导体激光器类型新型半导体激光器类型n量子阱激光器（量子阱激光器（QW-LD）n分布反馈激光器（分布反馈激光器（DFB-LD）n分布布拉格反射激光器（分布布拉格反射激光器（DBR-LD）n耦合腔半导体激光器耦合腔半导体激光器n垂直腔表面发射激光器（垂直腔表面发射激光器（VCSEL-LD）本讲稿
13、第三十六页，共五十七页QW(Quantum Well)-LDd典型值典型值10nm（一般（一般FP LD有源层的厚度在有源层的厚度在0.1-0.3微米）。微米）。对载流子的限制对载流子的限制-对电子和空穴允许占据能量状态的限制对电子和空穴允许占据能量状态的限制本讲稿第三十七页，共五十七页MQW-LD本讲稿第三十八页，共五十七页nSLM-LD与与F-P LD 相比，它的谐振腔损耗与模式有关，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。即对不同的纵模具有不同的损耗。单纵模单纵模 DFB 半导体激光器增益和损耗曲线半导体激光器增益和损耗曲线本讲稿第三十九页，共五十七页DFB(Dis
14、tributed Feed Back)-LDDFB的反射结构是由有源区波导上的光栅提供，的反射结构是由有源区波导上的光栅提供，这种反射结构是一种分布式的反馈结构。这种反射结构是一种分布式的反馈结构。本讲稿第四十页，共五十七页DFB与与F-P激光器相比的激光器相比的优点优点 单纵模激光器单纵模激光器 谱线窄，谱线窄，波长稳定性好波长稳定性好 动态谱线好动态谱线好 线性响应好线性响应好本讲稿第四十一页，共五十七页平面波导集成电吸收调制激光器平面波导集成电吸收调制激光器（EML-Electroabsorption Modulated Laser）本讲稿第四十二页，共五十七页DBR(Distribut
15、ed Bragg Reflector)-LD 除有源区外，还紧靠其右側增加了一段除有源区外，还紧靠其右側增加了一段分布式布拉分布式布拉格反射器，它起着衍射光栅的作用。格反射器，它起着衍射光栅的作用。本讲稿第四十三页，共五十七页多层电介质镜工作原理多层电介质镜工作原理电介质镜由数层折射率交替变化的电介质材料组成，从界面上电介质镜由数层折射率交替变化的电介质材料组成，从界面上反射的光相长干涉，使反射光增强，如果层数足够多，波长为反射的光相长干涉，使反射光增强，如果层数足够多，波长为0 的反射系数接近的反射系数接近1。本讲稿第四十四页，共五十七页耦合腔激光器中的纵模选择性耦合腔激光器中的纵模选择性n
16、把光耦合到外腔可实现单纵模工作；把光耦合到外腔可实现单纵模工作；n只有波长与外腔纵模中的一个模相同时才能产生同相反馈只有波长与外腔纵模中的一个模相同时才能产生同相反馈n最接近增益峰，并且具有最低腔体损耗的纵模才变成主模。最接近增益峰，并且具有最低腔体损耗的纵模才变成主模。本讲稿第四十五页，共五十七页C3激光器激光器(Cleaved Coupled Cavity，切开的耦合腔，切开的耦合腔)（a）C3激光器结构示意图激光器结构示意图（b）C3激光器单纵模输出原理激光器单纵模输出原理 本讲稿第四十六页，共五十七页外腔半导体激光器外腔半导体激光器本讲稿第四十七页，共五十七页多腔多腔DBR激光器激光器
17、本讲稿第四十八页，共五十七页商用商用PIC波长可调波长可调LD和调制器和调制器本讲稿第四十九页，共五十七页多多纵纵模模激激光光器器到到单单纵纵模模激激光光器器的的演演化化过过程程本讲稿第五十页，共五十七页垂直腔表面发射激光器垂直腔表面发射激光器VCSEL-Vertical Cavity Surface Emitting Laser本讲稿第五十一页，共五十七页VCSEL激光器阵列激光器阵列本讲稿第五十二页，共五十七页光发射机光发射机n光发射机是让光发射机是让 LD 携带信息信号以便在光纤中传输携带信息信号以便在光纤中传输的装置。的装置。n光发射机有光发射机有直接调制直接调制和和外调制外调制之分。之分。n光发射机通常由光发射机通常由复用复用、编码编码、调制调制、驱动电路和驱动电路和控制电路控制电路等部分组成。等部分组成。本讲稿第五十三页，共五十七页直接调制光发射机直接调制光发射机数字调制有编码电路，模拟调制没有编码电路数字调制有编码电路，模拟调制没有编码电路本讲稿第五十四页，共五十七页模拟信号对模拟信号对 LD 调制调制本讲稿第五十五页，共五十七页数字信号对数字信号对 LD 调制调制本讲稿第五十六页，共五十七页外调制光发射机外调制光发射机本讲稿第五十七页，共五十七页