光纤通信导论-光纤激光器南开大学.ppt

4. 热光效应光调制器 常用材料：硅 5. 光吸收效应光调制器（电吸收调制器） 2.9.3 光调制器的性能参量 消光比、调制速率、插入损耗,第三章 光有源器件,3.1 半导体发光二极管,3.1.1 半导体发光工作原理,3.1.2 半导体发光二极管工作原理,无阈值、发光强度低、效率低、方向性差、调制频率低、响应速度慢。,3.2.1 类型,3.2 半导体激光器/激光二极管,3.2.2 半导体激光器的基本特性 阈值特性 (2) 斜率效率 (3) 最大输出功率 (4) 转换效率 (5) 模式特性 (6) 温度特性,3.2.3 几种主要的半导体激光器 1.分布反馈(DFB：Distributed Feed Back)半导体激光器,DFB半导体激光器示意图,（1）动态单纵模窄线宽振荡 DFB激光器只有满足Bragg反射条件=mm/2的特定波长的光才能受到强烈反射而形成振荡。多个微型谐振腔同步振荡、共同选模，实现单纵模振荡。 （2）波长稳定性好 温度漂移约为0.08nm/。 （3）频率和强度噪声低 （4）边模抑制比高 (5) 啁啾,DFB激光器的特点：,2.分布布喇格反射(DBR：Distributed Bragg Reflection)半导体激光器,DBR半导体激光器示意图,DBR激光器的特点： 反射器和增益区分离，所以可以分别控制DBR激光器的输出功率（通过改变流过激射区的电流）和发射波长（通过改变流过光栅段的电流）。所以DBR激光器比DFB激光器更易于控制和调整。,3. 量子阱(QW：Quantum Well)半导体激光器 多量子阱、渐变折射率波导限制型单量子阱、带有超晶格缓冲层的渐变折射率波导限制型单量子阱,量子阱激光器能带示意图,多量子阱,渐变折射率波导 限制型单量子阱,带有超晶格缓冲层的 渐变折射率波导限制型单量子阱,QW激光器的优点： (1) 阈值电流低。由于量子阱的作用，有源区内粒子数反转浓度很高，因而大大降低了阈值电流，从而功耗低、温度特性好。 (2) 与双异质结激光器相比，谱线线宽可以缩小一半。 (3) 频率啁啾小，动态单纵模特性好，横模控制能力强。,4. 垂直腔面发光激光器(VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 电流和发射光束方向都与芯片表面垂直,VCSEL结构示意图,垂直腔面发光激光器的优点： 发光效率很高； 工作阈值极低； 动态单纵模运转； 温度稳定性高； 寿命长，可达1.4106小时； 可任意配置高密度激光器阵列； 与不同芯径的光纤匹配损耗低； 价格低。,3.3 光纤激光器,半导体激光器的缺点： 半导体激光器对温度敏感。环境温度的变化和注入电流的热效应都会使激光器的阈值电流以及输出光功率发生变化，这种现象称为激光器的结发热效应。为此必须采取各种复杂的控制措施和插入各种必要的辅助设备。 半导体激光器与光纤的耦合比较困难，需要很高的工艺水平，即便如此，仍有较大的耦合损耗。 某些半导体激光器在一定注入电流下，输出光会出现自脉动现象，严重影响着激光器的高速脉冲调制性能。 半导体激光器一致性很差，因此在作为WDM系统用光源时筛选难度大。,光纤激光器的优点： 光纤激光器具有波导式结构，可以在光纤纤芯中产生较高的功率密度，使得激光效率大幅度提高；它所基于的SiO2光纤的生产工艺现在也已经非常成熟，可以制作出高精度、低损耗的光纤。 光纤激光器基质是SiO2，具有极好的温度稳定性；而光纤结构具有较高的面积体积比，所以其散热效果很好。 光纤激光器与常规光纤具有自然的通融性和兼容性，因此易于进行光纤集成，与通信线路耦合损耗低，使用方便可靠。,3.3.1 光纤激光器基本结构 3.3.2 增益介质与能级结构 增益介质：掺杂稀土离子光纤 稀土元素：钕（Nd）、铒（Er）、镱（Yb） 、铥（Tm）、钬（Ho）、钐（Sm）、钍（Tu）,1. 三能级系统的能级结构,2. 四能级系统的能级结构,钕离子（Nd3+）能级结构,4G7/2,4F5/2,4F3/2,4I15/2,4I13/2,4I11/2,4I9/2,800nm 泵浦,920nm,1060nm,1350nm,激发态吸收 1330nm,无辐射跃迁,下能级,高能态,亚稳态,3. 上转换系统的能级结构,3.3.3 光纤激光器谐振腔结构 1. Fabry-Perot腔,光纤光栅Fabry-Perot腔,环形镜,光纤环形镜Fabry-Perot腔,环形镜反射率R为：R=4f(1-f),Sagnac干涉仪,2. 环形腔,光纤光栅滤波器型环形腔掺铒光纤激光器结构图,并列光栅型环形腔掺铒光纤激