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半导体激光器的调制技术及电路设计摘要:随着光通信技术的快速发展，使得对半导体激光调制技术的要求越来越高，而激光调制源是光通信系统中发信装置的核心部分,它产生光通信系统所需要的光载波,其特性的好坏直接影响通信系统的性能，在本文中的光调制系统中核心部分是电光调制。 调制是光电系统中的一个重要环节。光辐射的调制是指改变光波振幅、强度、相位或频率、偏振等参数使之携带信息的过程。调制的目的是对所需处理的信号或被传输的信息进行某种形式的变换，使之便于处理、传输和检测。目前用得较多的是电光调制、声光调制等方法。文中介绍的电光调制模块主要是验证电光调制原理以及介绍电光调制在激光通信方面的应用，通过此系统了解晶体电光调制的原理，以便在此系统中测量晶体的半波电压、电光系数和消光比等参量。本文还运用矢量折射定律、光线追迹等分析方法对激光器输出的激光的准直设计了两种方法。通过比较改善后得出：当不考虑半导体激光器的固有像散时，非球面透镜加棱镜组准直系统理论上能将空间任意一条点光源发出光线完全准直；当考虑固有像散时，相互正交的柱透镜组准直系统理论上能将激光光束子午和弧矢面上的光线完全准直。并且，两种设计方案均可将半导体激光器发出的椭圆光斑准直整形为一个直径约为2cm的对称圆光斑，有效提高了激光器光束质量。本课题研究了各种激光调制的原理和技术现状,针对光通信中面临的低速率、光功率小以及光信号传输距离短等技术难题，使用间接调制的方法。同时，基于对激光准直技术的理论分析和比较，得出一种适合该课题的准直方案。最后，使用zmax对激光准直模块进行了计算机仿真实验。关键词：激光调制技术，半导体激光器，激光准直，电光调制目 录第一章 绪论11.1课题研究意义11.2 半导体激光器调制技术的国内外研究现状21.2.1激光调制技术国外现状21.2.2激光调制技术国内现状31.3本论文的结构和个章内容安排5第二章 半导体激光器及调制62.1 半导体激光器62.1.1半导体激光器工作原理72.1.2 半导体激光器的输出光功率-电流特性82.2 半导体激光调制技术102.2.1半导体激光器直接调制技术102.2.2 半导体激光器的外调制技术122.3半导体激光调制方式选取14第三章 半导体激光器调制源的设计153.1 半导体激光调制关键技术153.2 半导体激光调制源设计173.3 通信中激光调制与信号携带的关系183.3.1电光调制原理193.3.2电光调制系统总体设计213.3.3电光调制在光通信中的应用223.4 本章小结22第四章 半导体激光器准直模块的设计234.1 准直设计理论分析244.1.1 入射面剖面为凸双曲线244.1.2 入射面剖面为凹椭圆曲线254.2 点源半导体光束准直系统设计（不考虑固有像散）264.2.1准直系统设计方案264.3考虑固有像散半导体光束准直系模块计284.3.1准直模块设计方案294.3.2准直系统设计模块及性能分析314.4 本章小结32第五章 全文总结33参考文献34致谢36第ii页 共ii页第36页 共36页第一章 绪论1.1课题研究意义随着人类科学技术的不断进步和信息流量的爆炸性增长，信息的传输和交换技术不断的获得发展和飞跃,以往的通信技术逐渐暴露出其自身的弱点。在此背景下，人们自然把目光转移到了光通信领域，期待依靠光通信来解决问题。随着科技发展的日新月异，光通信技术已经成为现代通信技术发展的新热点。与此同时，由于半导体激光器具有其它类型激光器无法比拟的特性,已经成为最重要的一类激光器并被广泛应用于光通信领域。而半导体激光调制源是光通信系统中发信装置的核心部分,它产生光通信系统所需要的光载波,其特性的好坏直接影响通信系统的性能，因此必须研究半导体激光器调制源。激光技术的出现产生了许多新的技术现象。在通信传输领域中，半导体激光调制技术展现出前所未有和不可替代的技术成就，正处在一个飞跃发展的时期。调制是在发送端将调制信号运载到载波上的过程。激光调制分为内调制和外调制两类。内调制是指加载的调制信号在激光震荡的过程中进行，以调制信号的规律去改变震荡的参数，从而达到改变激光输出特性实现调制的目的。由半导体激光器的特点可知，用高频信号或脉冲信号来调制电流，使注入到有源层内的载流子密度或反转分布得到调制，反映在受激复合辐射的速度上，并且发射出强度被调制的激光。对于通信用半导体激光器的情况，驱动电流约为几十毫安，端电压约为1v，因此调制需要的功率很小。内调制也可在激光谐振腔内放置调制元件，用信号控制调制元件以改变谐振腔的参数，从而改变激光输出特性实现调制。外调制是指加载调制信号在激光形成以后进行的，即调制器置于激光谐振腔外，在调制器上加调制信号电压使调制器的某些物理特性发生相应的变化，当激光通过时即得到调制。外调制不是改变激光器参数，而是改变已经输出的激光的参数。外调制设备速率高，输出功率大，可用在于远距离通信，是当前使用较多的一种调制方法，但是外调制体积大，损耗大，成本高。内调制虽然速率相对低，输出功率小，但是设备体积小，携带方便，可进行中远距离的传输。为降低系统成本及复杂度，在通信速率要求不太高的情况下可采用直接调制方式。因此，半导体激光调制源的高效化研究和直接调制技术研究是当前光通信研究的主要课题之一。1.2 半导体激光器调制技术的国内外研究现状1.2.1激光调制技术国外现状 在各种调制器技术中，linbo3电光(eo)m-z调制器和电吸收(ea)调制器是二种倍受关注的竞争技术。1.2.1.1 linbo3光调制器 ln光调制器是高速光通信系统中最有前途的器件，一直是国内外研发的热门器件。目前，国际上ln光调制器的调制带宽已达到100ghz以上，还开发出一些新型ln调制器。1.2.1.2电吸收型半导体光调制器 电吸收(ea)型半导体光调制器有高速、低啁啾、易与激光器集成的优点。美国加利福尼亚大学研制出级联行波ea光调制器，通过mocvd生长技术，采用在半绝缘inp衬底上的应变补偿ingaasp量子阱结构，获得了大于-25dbm的平均光输出功率50db的高消光比和高达30ghz的光开关容量。这种级联调制器配上色散为-6ps/nm的色散补偿光纤(dcf)，脉冲可被线性压缩到4.2ps，适用于大于100gb/s otdm系统中的光脉冲源。 cyoptics公司利用inp技术开发出具有36ghz带宽的40g调制器，其尺寸小于1英寸，功耗只有以前的1/4。1.2.1.3其它调制器 聚合物高速光强度调制器已广泛用于模拟光纤传输系统、公共接入电视分配系统及wdm光纤长途通信系统。电光(eo)聚合物m-z调制器已实现大于100ghz的带宽。用发色团聚胺脂交联合成的新型eo聚合物调制器，在1.34m工作波长获得了3.6v的低开关电压和26db的高消光比。 美国得克萨斯大学和南加利福尼亚大学还开发出采用12y型定向波导耦合器的聚合物eo调制器。1.2.1.4 光调制器集成与模块 光调制器发展方向是实现更高数据率和增加集成密度。光调制器模块是在组件基础上发展的实用化功能组件，已开发了光调制器与可变光衰减器(voa)的集成、相位调制器集成、mzi与相位调制器串联集成、调制器与激光二极管(ld)集成、调制器与光电二极管(pd)集成等多种集成器件与模块。 可调谐激光器与ln光调制器的集成是全光网络中最有希望的光源，已实现了ln调制器与固定波长连续波(cw)激光器和可调谐激光器的集成。jdsu推出了业界第一个全可调激光调制器通用型的集成可调激光调制器(tlm)，在一个模块中集成了宽范围可调激光源、10g ln光调制器、波长锁定器、voa和pd五种不同功能的分立光器件。 目前，10gb/s的ea调制器集成模块技术已成熟，正在发展下一代低成本的40gb/s ea光调制器集成模块。行波电极ea调制器与dfb ld的单片集成技术是高速宽带光通信网络系统的最新发展方向。已有将ea调制器与8个dfb激光器集成的光源芯片。美加州大学开发出ea调制器/宽调谐激光器集成光源，注入电流为75ma时输出功率为1.2mw，cw可调范围为41nm,可产生51个不同的波长信道，在整个调谐范围内smsr35db。 小型光通信系统还需要将pd与ln芯片一起集成封装的光强度调制器。日本soc新技术研究室实现了将监视pd与ln 调制器的集成封装。 如今，大多数城域网和区域网dwdm系统集成商都采用符合msa协议的转发模块技术，外调制的光转发模块包括电吸收(ea)调制和ln调制等。随着“通用转发器”概念的日益兴盛，ln光调制器极有可能成为未来标准的调制器方案。目前，由多家企业就10gb/s 转发器的光、电和机械性能标准达成的协议大大提高了器件性价比。集成的转发器模块尺寸比传统的插盘缩小了1/10，功耗下降2/3，而价格1仅为原来的1/3。1.2.2激光调制技术国内现状我国的光调制器技术也取得许多新进展。重庆航伟光电科技有限公司、浙江大学、南京大学以及上海交通大学等均都开发出达到国内先进水平光调制器。1.2.2.1ln光调制器 我国的ln光调制器从器件设计、工艺制作到性能都取得了较大的进展。清华大学采用低损耗的t型复合行波电极结构技术，制作出40ghz ln光调制器，其半波电压小于5v，调制器在2938ghz区域(8mm波段)内相对调制指数变化小于3.5db。该大学还采用厚电极共面波导(cpw)行波电极技术研制出60ghz带宽ln光调制器，使小尺寸电极实现了宽带调制。 北京世维通光通讯技术有限公司研制出具有自主知识产权的10gb/s ln调制器，具有光插入损耗低、调制消光比高、零啁啾或可调啁啾、调制速度高、工作带宽大、性能对波长敏感性小的特点，在低损耗钛扩散波导制作、窄间距厚电极制作和衬底模抑制等方面都有所创新，可用于sdh、dwdm光通信系统等应用领域。此外，该公司还建立了国内首条可生产高速ln光调制器的产业化生产线。 我国在其它光调制器方面的新进展有：华东师范大学采用一个可移动抗反射膜的si机械式抗反射开关(mars)器件结构技术研制出具有插损低和入射与反射对比度高的微型f-p机械式光调制器，可用于高数据传输速率、较宽频谱和较低总封装成本的光纤到家系统。该大学还采用表面微机械工艺技术，在掺磷的硅衬底上研制出具有f-p结构的新型微机械光调制器。 中科院半导体所通过合理选择soi光波导的埋层和包层的厚度，设计和制作了综合性能良好的多模干涉m-z soi热光调制器，其调制深度为91%，功耗为0.35w，调制速度2约为27s。 此外，浙江大学、北京邮电大学等研制的40ghz超高速qw行波ea光调制器也取得较大进展。 1.2.2.2 光调制器集成与模块 由于我国光子集成(pic)和光电集成(oeic)器件技术已取得较大突破，在dfb-ld与ea型外调制器集成方面有显著进展，已研制出2.5g和10gb/s dfb qw ld+ ea调制器pic组件和单片光集成器件技术。 中科院半导体所和清华大学研制出高速dfbea集成光源芯片及模块，单片集成单脊条形ea调制dfb激光器的阈值为26ma，最大光功率可达9mw，消光比达16db。该所又通过在激光器条形的侧面淀积一个薄膜加热器，研制出波长可热调谐的单脊条形ea调制dfb激光器，实现了2.2nm的连续调谐，采用相调制可实现3.2nm的连续调谐。成都电子科技大学采用x切ln基片湿腐蚀刻槽技术和大厚度电极制作技术，研制出x切ln脊形结构的集成电光mz波导调制器，大大提高了调制带宽；东南大学也研制出基于行波电极ea调制的高速光脉冲发生模块。 总之，光调制器的发展趋势是实现更高数据率和增加集成密度。随着光传输系统和网络的复杂性继续增长，光调制器技术将进一步得到发展和提高，并将在光通信中发挥重要的作用。1.3本论文的结构和个章内容安排课题要求了解各种光辐射调制技术的原理和技术现状，掌握调制电路的设计，了解光通信当中光强调制和信号的携带关系。围绕上述主题思想，本文的具体章节安排如下：第一章：介绍了课题研究意义，并简单介绍了半导体激光器的调制技术及其发展和国内外研究现状。第二章：介绍了半导体激光器基本理论。对调制技术做了比较并进行选取。第三章：本章主要说明了激光调制的关键技术，以及电光调制系统的设计和光强调制与信号的携带关系。第四章：介绍了半导体激光器的准直模块，考虑到固有象散设计了两种准直方案并进行了选取及优化。第二章 半导体激光器及调制2.1 半导体激光器半导体激光器(简称ld)是利用半导体材料导带中的电子和价带中的空穴的复合来产生受激辐射，具有良好的辐射特性和空间相干性，是光发射机的核心器件。半导体激光器实际上是一个极小的芯片。从其电气性能上来看，ld是一个pn结二极管，如图2.1。具体讲它由三层半导体组成，上、下层分别为n型和p型半导体。中间层为发光层，也称有源层，构成了带状的光波导，其宽度为数微米，厚度在1m以下，长度为0.2mm-0.5mm左右。这个光波导将光波封闭在光波导的内部，并使光波沿着纵向传播。 图 2.1 半导体激光器结构示意图 半导体激光工作物质有几十种，目前已制成激光器的半导体材料有砷化稼(gaas)、砷化锢(inas)、氮化镓（gan)、锑化锢(insb)、硫化镉(cds)、碲化镉(cdte)、硒化铅(pbse)、碲化铅(pbte)、铝镓砷(a1gaas)、锢磷砷(inpas)等。半导体激光器的激励方式主要有三种，即:电注入式、光泵式和高能电子束激励式。绝大多数半导体激光器的激励方式是电注入，即给pn结加正向电压，使得在结平面区域产生受激发射，也就是说是个正向偏置的二极管，因此半导体激光器又称为半导体激光二极管。对半导体来说，由于电子是在各能带之间进行跃迁，而不是在分立的能级之间跃迁，所以跃迁能量不是个确定值，这使得半导体激光器的输出波长分布在一个很宽的范围上。它们所发出的波长在0.3-34m之间，其波长范围决定于所用材料的能带间隙，最常见的是algaas:双异质结激光器，其输出波长为750-890nm。世界上第一只半导体激光器是1962年问世的，经过几十年来的研究，半导体激光器得到了惊人的发展，它的波长从红外、红光到蓝绿光，被盖范围逐渐扩大，各项性能参数也有了很大的提高。其制作技术经历了由扩散法到液相外延法(lpe)，气相外延法(vpe)，分子束外延法(mbe),mocvd方法(金属有机化合物汽相淀积)，化学束外延法(cbe)以及它们的各种结合型等多种工艺。其激射阈值电流由几百毫安降到几十毫安，直到亚毫安，其寿命由几百到几万小时，乃至百万小时从最初的低温(77k)下运转发展到在常温下连续工作，输出功率由毫瓦级提高到千瓦级(阵列器件)。它具有效率高、体积小、重量轻、结构简单、能将电能直接转换为激光能、功率转换效率高(已达10%以上、最大可达50%)，便于直接调制、省电等优点，因此应用领域日益扩大。目前，固定波长半导体激光器的使用数量居所有激光器之首，某些重要的应用领域过去常用的其他激光器已逐渐为半导体激光器所取代3。尽管如此，半导体激光器也有其自身的缺点，最重要的是激光性能受温度影响大，光束的发散角较大(一般在几度到二十度之间)，所以在方向性、单色性和相干性等方面较差。但随着科学技术的迅速发展，这些缺点已作为半导体激光器的研究课题正向纵深方向推进，另一方面正在开发回避这些问题的方法，使半导体激光器的性能不断提高。2.1.1半导体激光器工作原理 半导体激光器是一种相干辐射光源,要使它能产生激光,必须具备三个基本条件： (1)增益条件:建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布,在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带,因此在半导体中要实现粒子数反转,必须在两个能带区域之间,处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多,这靠给同质结或异质结加正向偏压,向有源层内注入必要的载流子来实现,将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时,便产生受激发射作用。(2)要实际获得相干受激辐射,必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡,激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的,通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜,而出光面镀上减反膜。对法布里-珀罗(f-p)半导体激光器可以很方便地利用晶体的与pn结平面相垂直的自然解理面面构成f-p腔。法布里-珀罗(f-p)谐振腔如图2.2。 图 2.2 光学谐振腔示意图(3)为了形成稳定振荡,激光媒质必须能提供足够大的增益,以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗,不断增加腔内的光场。这就必须要有足够强的电流注入,即有足够的粒子数反转,粒子数反转程度越高,得到的增益就越大,即要求必须满足一定的电流阀值条件: (2.1)式(2.1)中为阈值时的增益系数；为谐振腔内部工作物质的损耗系数；r为谐振腔两个镜面的反射率之积。阈值条件说明，激光器的阈值条件只决定于光学谐振腔内的固有损耗。损耗越小，阈值条件越低，激光器就越容易起振。当激光器达到阀值时,具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大,最后形成激光而连续地输出。可见在半导体激光器中,电子和空穴的偶极子跃迁是基本的光发射和光放大过程。由于半导体激光器具有半导体和固态物质的共同优点：体积小、重量轻、结构简单、效率高、价格便宜、寿命长、可连续发射,并且其工作电压和电流与集成电路兼容。最重要的特性是,半导体激光器直接调制响应速度快,调制频率高。因此具有其它类型激光器无法比拟的特性,已经成为最重要的一类激光器,广泛应用于远距离通讯、激光雷达、数字光信号的存储和恢复、激光测距测速、机器人、全息应用、医学诊断等许多方面。2.1.2 半导体激光器的输出光功率-电流特性当半导体激光器的注入电流发生改变时,其输出特性随之变化，如图2.3:图 2.3 半导体激光器的光功率-电流特性曲线当半导体激光器的调制电流超过阈值电流时，ld输出的光功率将急剧增加。而阈值电流越小，则ld工作的电流越小。阈值以上的部分为ld的工作区，电流增加时ld的输出功率也将增强。当激光器电流超过额定值时会出现输出的饱和区，并产生失真或损坏等现象。所以半导体激光器线性输出最大光功率()对于信号传输系统是一个很重要的指标，调制范围应控制在一定的非线性失真内。根据用途的不同，要求输出的光功率也不同。对光源的调制信号可以是模拟信号，也可以是数字信号。下面分析半导体激光器的调制电流与输出调制光之间的关系：设有源层体积为v,注入有源层的电流为j。在忽略自发辐射对光子密度的贡献的情况下,有源层内载流子密度s和光子密度n随时间t的变化关系为： (2.2)式中为有源层内载流子的寿命,为光腔内光子的寿命,是半导体介质有源区对光无吸收时的载流子密度；a是常数,含a项为受激项；是约束因子。如果注入电流取简谐变化的形式： (2.3) 式中为注入的调制电流的角频率。为运算简便,写成复数形式： (2.4)有源层内的载流子密度s和光子密度n分别为： (2.5)运算结果取其实部,利用上式可得： (2.6)式中 (2.7)这表明,调制时的变化特征是:在低频端响应平坦；在处取最大值： (2.8)再后随的增大而急剧减小。 综上所述，可以得出： (1)当注入电流大于半导体激光器的阈值后,输出光为激光。且随着电流值的增加,会有模跳变现象发生。任意两个相邻跳模间的线性区域不同,调制系数不同； (2)根据注入调制电流频率的大小,可将半导体激光器的输出光频特性分为线性区和非线性区。理想的线性关系,较大的线性区是所期望的。但半导体激光器的线性区大多都比较小,在阀值以上有多个跳模存在。因此,恰当地选择线性段,避免跳模的影响是关键；(3)注入电流增加,输出光功率增大,谱线宽度变窄,相干长度上升。注入电流的增加是有一定限制的,最高工作电流不应超过阀值电流的四倍,否则器件会迅速老化。2.2 半导体激光调制技术调制技术是光通信中的一项关键技术。根据调制与光源的关系，光调制可分为直接调制和间接调制两大类。下面对半导体激光调制技术进行详细讨论。2.2.1半导体激光器直接调制技术直接调制仅适用于半导体光源(ld和led)，这种方法是把要传送的信息转变为电流信号注入ld或led，从而获得相应的光信号，是电源调制方法。直接调制具有简单经济、容易实现等优点，是通信中常采用的调制方式。直接调制原理框图如图2.4。 图 2.4 直接光调制系统通常在讨论半导体激光器的动态性能时采用速率方程，它建立了光子和载流子之间的相互关系。首先假设单一的纵向或横向工作模式，并认为在腔体长度上光子密度与载体(电子)密度是均匀的，这时电子浓度n和单个模内光子密度s随时间变化的藕合速率方程为: (2.9)其中和是电子和光子密度，是微分增益，是透明的载体密度，和分别是电子和光子的生存时间，是光限制因子，是表示非线性的特征参量，是经过激活层的电流，e是电子电荷，v是激活层的容量。上式中，和均是时间的函数，电流将信息调制在信号源上。上式第一个方程的右边第一项对应于进人激活区的新载体速率，第二项确定由于发射引起的载体损耗，最后一项表示激励发射损耗。第二个方程的推导从麦克斯韦尔方程开始，其右边各项从物理现象上讲包括了光子产生的所有方面:比例激励发射(第一项)，经过腔体的光子损耗(第二项)和自由发射的光子产生等。 激光器输出端产生复杂的电场，其复包络为: (2.10)这里，是量子效率，h是planck常数，相位为： (2.11) 其中 (2.12)式中是谱线宽度增强因子，是电子密度的平均值，瞬时频率是偏离正常光频率的偏移量4。当半导体激光器加上电脉冲后，会产生激射光脉冲相对于电脉冲的延迟和瞬态振荡。经过仿真实验发现，在电子数与光子数达到其稳态值之前都出现振荡现象。其振荡频率处在ghz范围。同时激光器的光响应延迟近似等于载流子的复合时间(约2ns-3ns)，这使得当调制脉冲的电流宽度与光响应延迟相当时会使脉冲调制畸变，甚至失效5。在激光二极管的数字调制应用中，大都使激光器的偏置略高于阀值，同时采用相当大幅度的正电流脉冲来进行调制。此时，半导体激光器的输出幅度不仅产生瞬态振荡而且由于输入电流的变化载流子的浓度也随之变化，使得光频率偏离中心频率从而产生光频率啁啾。2.2.2 半导体激光器的外调制技术间接调制是利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射的调制。这种调制方式既适用于半导体激光器也适用于其它类型的激光器。间接调制最常用的是外调制方式。外调制方式是在激光形成以后加载调制信号，其具体方法是在激光器谐振腔外的光路上放置调制器。在调制器上加调制电压，使调制器的某些物理特性发生相应的变化，当激光通过它时得到调制。在采用外调制技术时，对于电光调制器来说，晶体的电光效应本身不会限制调制器的频率特性，因为晶格的振荡频率可达1thz，因此调制器的调制特性主要受外电路参数的限制，其频率啁啾特性主要受渡越时间的影响且与调制信号的速率关系不大，从而增大了传输距离。总体来说间接调制的优点就是高速率、大消光比、大光功率和消除半导体激光器内调制产生的光功率跳变的啁啾现象。使用外调制技术可提高信号的传输速率，实现光信号的远距离传输，中继距离可延长到至少300km以上。其调制系统的原理框图如图2.5。 图 2.5 外调制系统原理图下面以马赫-曾德尔(mz)干涉型电光调制器(如图2.6)说明外调制器工作原理6。 图 2.6 mz干涉型电光调制器示意图电光调制的物理基础是电光效应，即某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变，这种现象称为电光效应。介质的介电常量与晶体中的电荷分布有关，当晶体上施加电场之后，将引起介电常量的变化，最终导致晶体折射率的变化，折射率成为外加电场e的函数，这时晶体折射率可用施加电场e的幂级数表示: (2.13)式中，和为常量，为未加电场时的折射率。由一次项引起的折射率变化，称为线性电光效应;由二次项引起的折射率变化，称为二次电光效应。对大多数电光晶体材料一次效应比二次效应显著，故只讨论线性电光效应7。激光二极管输出的载波信号为: (2.14) 由分支波导等分到两条状波导中，经过长为l的条状波导后，两波导的输出电场为： (2.15)当波导外加电压为零时调制器输出端电场为： (2.16)当波导外加电压不为零时，两波导输出电场产生相位差 (2.17)使两波导相位差，则调制器输出电场为零，从而实现开关键控8。由于光波通过晶体存在渡越时间问题，渡越时间:，在实现开关键控时，两波导输出电场产生的相位差由零变为需要一定的时间(即为渡越时间)。这一现象将引起调制的延时与光源的频率啁啾。2.3半导体激光调制方式选取调制是光电系统中的一个重要环节。光辐射的调制是指改变光波振幅、强度、相位或频率、偏振等参数使之携带信息的过程。调制的目的是对所需处理的信号或被传输的信息进行某种形式的变换，使之便于处理、传输和检测。目前用得较多的是电光调制、声光调制等方法。下文选择的电光调制系统主要是验证电光调制原理以及介绍电光调制在激光通信方面的应用。第三章 半导体激光器调制源的设计3.1 半导体激光调制关键技术在进行半导体激光调制源优化设计之前，必须分析半导体激光直接调制的技术难点，可以归纳为阈值电流、调制频率、输出功率三者之间的关系。激光阈值电流与调制频率的关系 随着调制频率的增加，半导体激光器的阈值电流会随之发生变化，在3khz以下,阈值电流较低且保持常数，基本上与连续的情况下相同。随着调制频率的进一步提高,阈值电流成上升趋势。 （2）半导体激光输出功率与调制频率的关系 描述激光器的动态特性通常采用激光器的速率方程组，可以表示为： (3.1) (3.2) (3.3) 式中为光子密度，为载流子密度，为透明载流子浓度，为光限制系数，为增益系数，为增益饱和系数，为光子寿命，为载流子寿命，为自发辐射系数，为注入电流，为有源区体积9。一般情况下，阈值载流子密度，当注入电流小于阈值电流，即时,可忽略（3.2）式中的，得到阈值以下载流子与光子密度的表达式，。因此阈值电流密度为： (3.4)从（3.4）式可以看出，阈值电流与阈值载流子浓度成正比，与载流子寿命成反比。随着调制频率的提高，非平衡载流子的浓度加大，载流子寿命降低，从而阈值电流升高。在阈值以上由于腔内光强增加而需考虑增益抑制项，如果忽略增益色散，增益系数可以表示为： (3.5)当注入电流大于激光阈值电流时,载流子和光子密度为： (3.6)其中为阈值增益，由(3.6)式可以看出，调制频率的提高导致阈值电流加大和载流子寿命减小，这都将使光子密度降低，所以激光输出功率会随着调制频率的提高而降低，随着调制频率的增加,半导体激光器的平均功率呈下降趋势。而且通过实验还发现，与连续状态下的输出功率相比较，调制状态下激光平均输出功率要低10。除此之外，半导体激光器在直接电流调制时也会伴随一些不良效应，其中对通信质量影响较大的是驰豫振荡(如图3.1)和码型效应(如图3.2)。 图 3.1 驰豫振荡 图 3.2 码型效应 提高半导体激光器的阈值电流能抑制这两种效应，然而会恶化激光器输出光脉冲比，影响光接收机的灵敏度，因此在设计时要综合考虑，选择合适的ld阈值电流11。3.2 半导体激光调制源设计 对外调制电路设计调制源，如图3.3所示： 图 3.3 调制源电路由图3.3可知，交流调制信号和直流偏置电压信号通过放大器和在a点叠加，经放大器按合适比例放大，再经给提供一个载有信号的电压，是调制电路中的电光晶体12。调制电路经protel软件仿真后得到pcb板图及3d效果图，如图3.4、3.5所示。 图 3.4 调制电路pcb板图图 3.5 3d效果图调制源电路用multisim软件仿真后得到图3.6仿真图：图中的波形由低到高依次是:输入信号、一次放大信号和二次放大信号。 图 3.6 调制源电路仿真图3.3 通信中激光调制与信号携带的关系 当给晶体或液体加上电场后，该晶体或液体的折射率发生变化，这种现象称为电光效应。电光效应在工程技术和科学研究中有许多重要应用，它有很短的响应时间，可以在高速摄影中用做快门或在光速测量中用做光束斩波器等。在激光出现以后，电光效应的研究和应用得到迅速发展，电光器件被广泛应用在激光通信当中。本文就将利用电光调制系统来解释在光通信中光强调制和信号携带的关系。 3.3.1电光调制原理晶体在外加电场的作用下，其折射率随外加电场的改变而发生变化，此现象称为晶体的电光效应。晶体在外加电场的作用下其折射率的改变()与外加电场的函数关系可以表示为。式中、中为常量，为未加电场时晶体的折射率，第一项称为线性电光效应或泡克尔斯(pockels)效应，第二项称为二次电光效应或克尔(kerr)效应。大多数晶体，一次效应要比二次效应显著，特别是在外加电场不是很强时，往往可以略去二次效应，只考虑线性电光效应。依据外加电场的方向不同，晶体的电光效应又可分为纵向效应（外加电场的方向与光束传输的方向一致）和横向效应（外加电场的方向与光束传输的方向垂直）。一束线偏振光进入晶体中，一般可分解为两个振动分量，由于电光效应，光束通过晶体后，其两个振动分量会产生附加的位相差，利用此特性可以实现对光束的强度或相位调制，即所谓的电光调制。电光调制在光信息传输应用中占有重要地位13。加在晶体上的电场方向与光在晶体里传播方向相垂直时产生的电光效应，称为横向电光效应。铌酸锂(linbo3)晶体是单轴晶体，通常将集体切割成长方形，x,y,z轴为晶体的主轴，且z轴为光轴，如图3.7所示。当光沿z轴方向传播时，在x方向(横向)加上电场后，晶体将由单轴变为双轴，其主轴(x和y)绕z轴转，成为新的主轴x,y,z轴(又称感应轴)。这时，垂直于z轴的折射率椭球面由圆变成了椭圆，对其解析表达式进行主轴变换后得到，在x轴方向加电场时，感应轴方向折射率的表达式为： (3.7)其中，为加在x方向上的电场强度，为晶体的电光系数。图 3.7 晶体横向电光调制原理示意图通过检偏器后输出光的强度为： (3.8)由(3.7)式得相位差应满足 (3.9)而，则(3.9)式可写成 (3.10)当电压v增加到某一值时，x,y方向的偏振光经过晶体后产生的光程差，相位差，此时相对透过率,这一电压叫半波电压，记为由（3.10）式得 (3.11)其中d和l分别为晶体的x方向的厚度和z方向的长度，则 (3.12)因此 (3.13)由(3.13)式可知，透射光的强度由电压v决定。则当时，有；当时，有，当v取其它值时，i介于0和之间。令，其中为直流偏压(决定工作点)，为调制信号(在此为正弦信号，也可以为其它类型的信号)，由式(3.13)得 (3.14)可以看出，改变或，输出特性将相应的有变化，如图3.8所示。由于i与v的关系是非线性的，若工作点选择不合适，会使输出信号发生畸变。但在附近有一近似直线部分，这一直线部分称作线性工作区。由图3.8可以看出，当时，。图 3.8 i-v关系曲线3.3.2电光调制系统总体设计基于电光调制原理设计出此电光调制系统，用以研究电场和光场相互作用的物理过程，也适用于光通信与物理的实验研究。电光调制系统结构见图3.8。 图 3.8 电光调制系统结构激光器电源供给激光器正常工作的电压，确保激光器稳定工作。由激光器产生的激光经起偏器后成线偏振光。线偏振光通过电光晶体的同时，给电光晶体外加一个电压，此电压就是需要调制的信号。当给电光晶体加上电压后，晶体的折射率及其光学性能发生变化，改变了光波的偏振状态，线偏振光变成了椭圆偏振光。为了选择合适的调制工作点，在电光晶体之后插入一个波片，使通过电光晶体的两束光线的相位延迟，使调制器工作在线性部分，通过检偏器检测输出光的偏振方向，最后用光电探测器检测调制后的光信号，并将其转换为电信号用示波器观察。此系统中，激光器使用氦氖激光器。氦氖激光管是一种特殊的气体放电光源，与其他光源相比，它具有极好的单色性、高度的相干性和很强的方向性(发散角很小)，激光器电源首先将220 v输入电压通过变压器升到1 000 v，再将该电压通过倍压电路提升到约5 000 v，然后通过限流电阻直接给激光管供电。当电源开关刚打开时，激光管中气体还没有电离，内阻相当于无穷大，此时电源输出约 5 000 v高压，这就是激光管的点火电压，使得激光管中的气体电离，激光管开始工作，这时激光管的电阻将会大大下降。也就是说，负载电流上升，激光器的电源输出电压也会下降14。3.3.3电光调制在光通信中的应用本系统是用光波传递声音信息，由激光器产生的激光经起偏器后成为线偏振光，再经过波片变成圆偏振光，使得2个偏振分量(o光和e光)在进入电光晶体之前产生的相位差，使调制器工作在近似线性区域。在激光通过电光晶体的同时，给电光晶体加一个外加电压，此电压是需要传输的信号。当给电光晶体加上电压后，晶体的折射率及其他光学性能发生变化，改变了光波的偏振状态，因此，圆偏振光变成椭圆偏振光，再经检偏器又成为线偏振光，光强被调制。此时的光波载有信号信息并在自由空间传播，在接收地用光电探测器接收被调制的光信号，然后进行电路转换，将光信号转换成电信号，用解调器将信号还原，最终完成信号的光传输。外加电压为被传输的信号，此信号实际上就是一个随时间变化的电压信号153.4 本章小结通过以上电光调制系统验证电光调制技术进行激光通信是可行的，而且此种通信方法传输速度快，抗干扰能力强，保密性好，结构简单，成本低廉，易于实现。第四章 半导体激光器准直模块的设计半导体激光器由于具有体积小、重量轻、寿命长、电光转换效率高等优点，广泛应用于信息、材料加工、医学、检测和军事等领域。但是，由于半导体激光器输出光束发散角比较大，在正交的两个方向上极其不对称并且存在固有像散，在应用之前需要对光束质量进行改善，如图4.1所示。 图 4.1 半导体激光器发散特性通常，在近距离的准直应用如光盘刻录等领域，需要考虑光束的形状，进行整形设计：对较远距离的激光测距和雷达探测，则必须大倍率地压缩半导体激光束的发散角，保障接收点获得足够的光功率。常用的准直方法中，用圆柱透镜对半导体激光快轴方向光束进行准直，简单易行，成本低廉，有一定效果。但是由于有球差存在，准直效果仍有待改善。非球面透镜在用于半导体激光束准直时，理论上可以达到完全准直的效果16。光学准直系统设计可用物理或几何光学方法实现。没有任何单一的方法适用于一切情形，对于单模高斯光束，计算参数将有助于判断所研究的准直系统该使用几何光学或物理光学方法进行研究： (4.1)其中是激光波长，是高斯光束腰半径，是出射光束的半宽度，而是聚焦光学系统的焦距或光学系统与接收面的工作距离。对于准直光学系统，有文献研究提出了以下规则进行判断。如果，光束准直(整形)系统设计不会产生满意的准直效果。当，衍射效应显著，使用物理光学方法进行设计可实现较好的准直效果。而当满足条件时，使用几何方法即可实现较好的激光束准直效果。基于这样的规则，有大量利用几何光学进行准直系统设计的文献报道。几何光学在分析光学现象时，撇开了光的波动本性，而仅以光的直线传播性质为基础来研究光学传播问题。光的直线传播定律是光实际行为的一种近似，故以它为基础的几何光学所给出的结果，也具有近似的性质，并且只能在有限的范围内应用。关于光传播问题的严格的解，可由波动光学来给出，几何光学只是波动光学在一定条件下的近似。由于工程技术中的实际问题，往往并不要求给出完全严格的解，同时几何光学应用简便，所以它至今仍然是研究光传播问题的有力工具，可以解决应用光学中相当大的一部分问题，对指导光学系统的设计具有重要作用。因此本章准直设计中将采用几何光学和光线追迹理论来进行研究。4.1 准直设计理论分析采用几何光学进行准直时，我们在研究中发现点光源发出光线经过如下两种二次曲面折射后能成为平行光。4.1.1 入射面剖面为凸双曲线 一点光源位于折射率为的介质中由轴上的点处向轴的正方向发出发散光束，经过入射面剖面为一凸曲线后，得到准直的平行光束，其中，光线由光疏介质折射入光密介质，图4.2为光路图。 图 4.2 入射面剖面为凸曲线光路图 根据费马原理和几何关系，有 (4.2) (4.3) 联立式(4.2)和式(4.3)，可得 (4.4) 由解析几何可知，式(4.4)为以z轴为极轴，为极点的双曲线极坐标方程。由此可知：当一点光源发散光由光疏介质射入光密介质，且入射面剖面为一凸双曲线，双曲线偏心率为时，可将光线完全准直为平行于光轴光线。4.1.2 入射面剖面为凹椭圆曲线一点光源位于折射率为的介质中，由轴上的点处向轴的正方向发出发散光束，经过入射面剖面为一凹曲线后，得到准直的平行光束，其中，光线由光密介质折射入光疏介质，图4.3为光路图。 图 4.3 入射面剖面为凹曲面光路图 根据费马原理和几何关系，有 (4.5) (4.6) 联立式(4.5)和式(4.6)，可得 (4.7) 由解析几何可知， 式(4.7)为以轴为极轴，为极点的椭圆极坐标方程。由此可知：当一点光源发散光由光密介质射入光疏介质，且入射面剖面为一凹椭圆曲线，椭圆偏心率为时，可将光线完全准直为平行于光轴光线17-22。4.2 点源半导体光束准直系统设计（不考虑固有像散） 4.2.1准直系统设计方案 设计中采用ld26-1型870nm半导体激光器，其，固有像散为纳米量级，将其近似为点源。半导体激光器准直整形系统整体结构如图4.4所示，由准直和整形两部分组成。其中准直部分为一绕光轴旋转对称的非球面透镜，用于压缩激光光束发散角；整形部分为一对棱镜组，用于将慢轴方向上的平行光束进行扩柬，使得光束由椭圆光束变为圆光束。 图 4.4 准直系统示意图先对准直透镜进行分析，由以上理论分析可将准直透镜前表面设计为一绕光轴旋转的旋转双曲面，且凸面向前，设为s面。后表面为一平面。图4.5为子午面光路图(x-z面)，弧矢面(y-z面)光路与子午面类似23。 图 4.5 准直透镜子午面光路图由式(4.7)可知，曲线s为双曲线的一支，其直角坐标形式如下 (4.8) 由此可知双曲线参数，。且o点是双曲线另一支一侧的焦点。旋转双曲面方程为 (4.9)然后对准直透镜孔径和厚度进行分析与计算，通常情况下光束传过孔径时，出射光和入射光光能之比为 (4.10)透镜厚度为 (4.12)激光器光束经过非球面透镜准直后变为平行的椭圆光束，子午面束宽远大于弧矢面束宽。采用整形棱镜组将弧矢面光束宽度扩束到与子午面等宽，则可形成一个对称的圆光斑。整形棱镜组原理如图4.6所示。 图 4.6 三棱镜组整形原理图根据几何光学折射定律 (4.13)则 (4.14)由几何关系，可知，且扩束倍数 (4.15)则 (4.16)根据以上推导，在已知扩束倍数的情况下，即可求出棱镜夹角。 此准直系统能有效压缩半导体激光光束快、慢轴发散角，并在几和光学理论上可将光线完全准直为平行光并且能将半导体激光器发出的椭圆光斑准直整形为一个直径约为2cm的圆光斑，有效提高了激光器光束质量。当然，在实际情况下由于衍射极限的存在折射后角度是不可能压缩至0度的，但是通过计算机的仿真可知系统具有十分优良的准直性能24。4.3考虑固有像散半导体光束准直系模块计 在前一节所讲的设计方案中，由于未考虑激光器的固有像散，必将会在准直上出现一定误差，因此我们在下面的设计中将固有像散纳入考虑。4.3.1准直模块设计方案 研究中采用ld26-l型870nm半导体激光器，其，固有像散。仿真中空气折射率，透镜玻璃采用bk7材料，折射率。半导体激光器准直整形模块整体结构如图4.7所示，系统由相互正交的柱透镜组(均为平凸透镜)组成。其中第一柱透镜主要实现对快轴方向光线的准直，第二柱透镜主要实现对慢轴方向光线的准直。 图 4.7 准直系统示意图 对于前透镜的设计，由以上理论分析可将准直透镜前表面设计为一平行于 x-y面的双曲柱面，且凸面向前，设为面，曲面方程由子午面光线计算确定，曲面方程为 (4.17) 其中，。且点是双曲线另一支一侧的焦点。对于后透镜的设计，由于后透镜主要是对弧矢面光线进行准直，透镜后表面设为曲面，曲面方程由弧矢面光线计算确定，弧矢面光线如图4.8所示。 图 4.8 准直系统弧失面光路图 根据几何光学和几何关系可得 (4.18) (4.19) (4.20) 由费马定律可得 (4.21)对曲面运用费马定律，同时假设曲面左侧为单一玻璃介质，右侧为空气介。有 (4.22)联立式(4.18)至(4.22)，可推导出 (4.23) (4.24) (4.25)由解析几何可知，式(4.24)为以q点为极坐标顶点(q点为折射光线mn的反向延长线与光轴夹角)，z轴为极轴的椭圆极坐标方程，将其化为直角坐标形式，且将坐标原点移至点，可得椭圆方程为 (4.26)由式(4.26)可知椭圆参数，且点位于椭圆的左焦点处。 在理想情况下，我们希望光源发出的每一条光线都能被完全准直。设计中快轴方向上光线能理想准直，但是慢轴方向光线对于不同发散角的l值(q点到后透镜前表面距离)将稍微变化25-27。4.3.2准直系统设计模块及性能分析由上面准直模块设计看出，虽然经过系统作用后子午和弧矢面角度都能有效准直，但是其角度压缩的效果并不相同对于子午面发散角可在理论上完全准直(以几何光学考虑)。而弧矢面由于折射光线mn其反向延长线与光轴的交点q对于不同的出射角度不是同一点，因此出射面采用椭圆面并不能完全准直。为此，我们考虑将出射面改变，换成一理想曲面，并对曲面方程进行推导，光路与图4.8相同29-33。经过计算机的仿真，得到改进后的准直模块的各个结构的参数如表4.1所示。表 4.1 改进后的准直系统各个结构的参数(单位：mm)10.003.984.5115.0044.407.00 利用几何光学原理对光线进行严格的光线追迹仿真，如图4.9所示。根据仿真结果可知，当光源处在透镜前表面双曲线左焦点时，快、慢轴方向光线经透镜折射后发散角仿真求得角度均小于rad(在理论上均可压缩为0度)，透镜无球差，可获得极为理想的准直效果。同时光束光腰半径扩束为9.63mm，这样原先发散的椭圆光束便被准直为剖面近似为2cm圆光斑的平行光束28。 图 4.9 改进后弧失面准直模块光线追迹图4.4 本章小结根据几何光学基本原理，对于半导体激光器，当不考虑固有像散准直时，设计了非球面透镜加棱镜组组合系统，用于准直和整形半导体激光束，并运用矢量折射定律、光线追迹等分析方法对系统各部分准直整形效果进行了计算机仿真分析。当考虑固有像散时，采用相互正交的柱透镜组作为设计模型，并对入射和出射两个非球面进行了推导和优化，对子午和弧矢面上的光线进行了严格的计算仿真。仿真分析结果均表明，设计的两种准直系统均能有效压缩半导体激光光束快、慢轴发散角，并使得半导体激光器发出的椭圆光斑准直整形为一个直径约为2cm的圆光斑，有效提高了激光器光束质量。全文总结本文通过阅读大量技术文献，对该课题的研究现状、关键技术等方面进行了研究和调研。光辐射的调制是指改变光波的振幅、强度、频率、位相和偏振等参量使之载携信息的技术过程，它在光通信、光信息处理、光测量和控制等方面有着十分重要的作用。本文主要内容是针激光外调制技术原理并对调制电路进行设计，对光源模块的选取包括光路的准直和圆化，还有在光通信中光强调制和信号携带的关系。针对上述情况，该论文主要研究了以下内容: 1.激光外调制技术的总体设计，为了保证调制电路能正常工作，还需要向其提供直流偏置电流，直流偏置电流和调制电流叠