第4章-光发送机2

1、光纤通信技术光纤通信技术 南昌航空大学南昌航空大学 万生鹏万生鹏 第第 4 4 章章 光发送机光发送机 通信用光器件可以分为通信用光器件可以分为有源器件有源器件和和无源器件无源器件两种类型。两种类型。 有源器件有源器件包括包括光源光源、光检测器光检测器和和光放大器光放大器。 光无源器件光无源器件主要有主要有连接器连接器、耦合器耦合器、波分复用器波分复用器、调制调制 器器、光开关光开关和和隔离器隔离器等。等。 4.1 4.1 光源光源 光源光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换 为光信号。为光信号。 目前光纤通信广泛使用的光源主要有目前光纤通信广

2、泛使用的光源主要有半导体激光二极半导体激光二极 管或称激光器管或称激光器(LD)和发光二极管或称发光管和发光二极管或称发光管(LED)， 有些有些 场合也使用场合也使用固体激光器固体激光器。 光纤通信系统对光源的要求光纤通信系统对光源的要求 o 1、合适的发光波长、合适的发光波长 o 2、足够的输出功率、足够的输出功率 o 3、可靠性高，寿命长、可靠性高，寿命长 o 4、输出效率高、输出效率高 o 5、光谱宽度窄、光谱宽度窄 o 6、聚光性好、聚光性好 o 7、调制方便、调制方便 o 8、价格低廉、价格低廉 4.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器工作原理和基本结构 半导体激光器

3、半导体激光器是向半导体是向半导体PN结注入电流，结注入电流， 实现实现粒子数反粒子数反 转分布转分布，产生，产生受激辐射受激辐射，再利用谐振腔的，再利用谐振腔的正反馈正反馈，实现，实现光放大光放大 而产生而产生激光振荡激光振荡的。的。 受激辐射和粒子数反转分布受激辐射和粒子数反转分布 有源器件有源器件的物理基础是的物理基础是光和物质相互作用的效应光和物质相互作用的效应。 在物质的原子中，存在许多能级，最低能级在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称称 为基态，能量比基态大的能级为基态，能量比基态大的能级Ei(i=2, 3, 4 )称为激发态。称为激发态。 电子在低能级电子在低能级E1的基态

4、和高能级的基态和高能级E2的激发态之间的激发态之间 的跃迁有三种基本方式：的跃迁有三种基本方式： hf12 E2 E1 E2 E1 (a) 受激吸收；受激吸收； 能级和电子跃迁能级和电子跃迁 (b) 自发辐射；自发辐射； hf12 E2 E1 E2 E1 hf12 E2 E1 E2 E1 (c) 受激辐射 (1)受激吸收受激吸收 在正常状态下，电子处于低能级在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会吸收光，在入射光作用下，它会吸收光 子的能量跃迁到高能级子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为上，这种跃迁称为受激吸收受激吸收。电子跃迁后，在。电子跃迁后，在 低能级留下相同数目的空穴

5、。低能级留下相同数目的空穴。 (2)自发辐射自发辐射 在高能级在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，的电子是不稳定的，即使没有外界的作用， 也会自动地也会自动地 跃迁到低能级跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种 跃迁称为跃迁称为自发辐射自发辐射。 (3)受激辐射受激辐射 在高能级在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与上与 空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射受激辐射。 受激辐射受激辐

6、射和和受激吸收受激吸收的区别与联系的区别与联系 受激辐射受激辐射是是受激吸收受激吸收的逆过程。电子在的逆过程。电子在E1和和E2两个能级之间跃迁，吸两个能级之间跃迁，吸 收的光子能量或辐射的光子能量都要满足收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件波尔条件，即，即 E2-E1=hf12 式中，式中，h=6.62810-34Js，为，为普朗克常数普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。为吸收或辐射的光子频率。 受激辐射受激辐射和和自发辐射自发辐射产生的光的特点很不相同。产生的光的特点很不相同。 受激辐射受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光光的频率、相位、偏振态和传播方

7、向与入射光相同，这种光 称为称为相干光相干光。 自发辐射自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方 向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光非相干光。 产生产生受激辐射受激辐射和产生和产生受激吸收受激吸收的物质是不同的。的物质是不同的。 设在单位物质中，处设在单位物质中，处 于低能级于低能级E1和处于高能级和处于高能级E2(E2E1)的原子数分别为的原子数分别为N1和和N2。 当系统处于当系统处于热平衡状态热平衡状态时，存在下面的分布时，存在下面的分布

8、)exp( 12 1 2 kT EE N N 式中，式中， k=1.38110-23J/K，为波尔兹曼常数，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于为热力学温度。由于 (E2-E1)0，T0，所以在这种状态下，总是，所以在这种状态下，总是N1N2。 这是因为电子总是首先这是因为电子总是首先 占据低能量的轨道。占据低能量的轨道。 受激吸收和受激辐射的速率分别与受激吸收和受激辐射的速率分别与N1和和N2成正比，且比例系数成正比，且比例系数(吸收吸收 和辐射的概率和辐射的概率)相等。相等。 如果如果N1N2，即，即受激吸收大于受激辐射受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光。当光通过这种物质时，光

9、强按指数衰减，强按指数衰减， 这种物质称为这种物质称为吸收物质吸收物质。 如果如果N2N1，即，即受激辐射受激辐射大于大于受激吸收受激吸收，当光通过这种物质时，会产，当光通过这种物质时，会产 生放大作用，这种物质称为生放大作用，这种物质称为激活物质激活物质。 N2N1的分布，和正常状态的分布，和正常状态(N1N2)的分布相反，所以称为的分布相反，所以称为粒子粒子(电子电子) 数反转分布数反转分布。 问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢? 这个问题将在下面加以这个问题将在下面加以 叙述。叙述。 图图 半导体的能带和电子分布半导体的能带和电子分布 (a) 本征半

10、导体；本征半导体； (b) N型半导体；型半导体； (c) P型半导体型半导体 Eg/2 Eg/2 Ef Ec Ev Eg 导 带 价 带 能 量 Ec Ef Eg Ev Eg Ec Ef Ev (a)(b)(c) 2. PN结的能带和电子分布结的能带和电子分布 在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分 布的能带。能量低的能带称为布的能带。能量低的能带称为价带价带，能量高的能带称为，能量高的能带称为导带导带，导带底的能量，导带底的能量 Ec 和价带顶的能量和价带顶的能量Ev 之间的能量差之间的能量差Ec-Ev=

11、Eg称为称为禁带宽度禁带宽度或或带隙带隙。电子不可。电子不可 能占据禁带。能占据禁带。 根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概的能级被电子占据的概 率为费米分布率为费米分布 式中，式中，k为波兹曼常数，为波兹曼常数，T为热力学温度。为热力学温度。Ef 称为称为费米能级费米能级，用来描，用来描 述半导体中各能级被电子占据的状态。述半导体中各能级被电子占据的状态。 在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。 )exp(1 1 )( kT EE Ep f 一般状态下，本征半导体的电子和空穴是

12、成对出现的，用一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用Ef 位于禁带位于禁带 中央来表示，见上图。中央来表示，见上图。 在本征半导体中掺入施主杂质，称为在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体型半导体。 在本征半导体中，掺入受主杂质，称为在本征半导体中，掺入受主杂质，称为P型半导体型半导体。 在在P型和型和N型半导体组成的型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流子结界面上，由于存在多数载流子(电子或电子或 空穴空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场内部电场， 见上图。见上图。 内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到内部电场产生与扩散相反方

13、向的漂移运动，直到P区和区和N区的区的Ef 相同，相同， 两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜，见上图。两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜，见上图。 P 区 PN 结空 间电 荷区 N 区 内部电场 扩散 漂移 势垒势垒 能量能量 E p c P区 区 E n c E f E p v N区 区 E n v 零偏压时零偏压时P - N结的能带倾斜图结的能带倾斜图 hf hf E f E p c E p f E p v E n c n E n v 电子，电子，空穴空穴 内部电场内部电场 外加电场外加电场 正向偏压下正向偏压下P - N结能带图结能带图 获得粒子数反转分布获得粒子数反转

14、分布 增益区的产生：增益区的产生： 在在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果 能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电区的电 子向子向P区运动，区运动，P区的空穴向区的空穴向N区运动，最后在区运动，最后在PN结形成一个特殊的结形成一个特殊的增益区增益区。 增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分粒子数反转分 布布，见上图。，见上图。 在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可

15、以跃迁到价带和空穴复合，在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合， 产生产生自发辐射光自发辐射光。 3. 激光振荡和光学谐振腔激光振荡和光学谐振腔 激光振荡的产生：激光振荡的产生： 粒子数反转分布粒子数反转分布（必要条件必要条件)+激活物质置于光学谐振腔中，对光的频激活物质置于光学谐振腔中，对光的频 率和方向进行选择率和方向进行选择=连续的光放大和激光振荡输出。连续的光放大和激光振荡输出。 基本的基本的光学谐振腔光学谐振腔由两个反射率分别为由两个反射率分别为R1和和R2的平行反射镜构成的平行反射镜构成 (如图如图3.4所示所示)，并被称为法布里，并被称为法布里 - 珀罗珀罗(

16、Fabry-Perot, FP)谐振腔。谐振腔。 由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发自发 辐射光辐射光作为入射光。作为入射光。 图 激光器的构成和工作原理 (a) 激光振荡； (b) 光反馈 l 2n 反射镜 光的振幅 反射镜 L (a) 初 始 位 置 光 光 强 输出 OXL (b) 式中，式中，th 为阈值增益系数，为阈值增益系数，为谐振腔内激活物质的损耗系数，为谐振腔内激活物质的损耗系数，L为谐为谐 振腔的长度，振腔的长度，R1，R21为两个反射镜的反射率为两个反射镜的反射率 激光振荡的相位条件为激光振荡

17、的相位条件为 式中，式中，为激光波长，为激光波长，n为激活物质的折射率，为激活物质的折射率，q=1, 2, 3 称为纵模模数。称为纵模模数。 在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为阈值条件为 th =+ 21 1 ln 2 1 RRL L= q q nL n 2 2 或 4. 半导体激光器基本结构半导体激光器基本结构 驱动电源驱动电源 工作物质工作物质 谐振腔谐振腔 注入式注入式 光子激励光子激励 电子束激励电子束激励 PN结（同质结）结（同质结） 异质结异质结 单异质结单异质结 双异质结（双异质结（DH） 解理面解理面 布拉格反馈布拉格反馈 分布反馈式

18、分布反馈式DFB 分布布拉格反射式分布布拉格反射式DBR 最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约0.1m）、）、 P型和型和N型限制层构成，如下图所示。型限制层构成，如下图所示。 解 理解 理 面面 金属接金属接 触触 电流电流 有 源有 源 层层 P型型 N型型 300 m 100 m 200 m 大面积半导体激光器大面积半导体激光器 1）、同质结（）、同质结（PN结）半导体激光器结）半导体激光器 同质结就是同质结就是 同一种半导同一种半导 体形成的结体形成的结 PN能带能带 正向电压正向电压V时形成的双简并能带时形成的双简并能带 结构结构 PN

19、结结LD的特点：阈值电流高，常温下不能连续工作的特点：阈值电流高，常温下不能连续工作 所加的正向偏压必须满足所加的正向偏压必须满足 e E e EE V g FF 1）、同质结半导体激光器）、同质结半导体激光器 2 2）、异质结半导体激光器）、异质结半导体激光器 同质结、异质结结构示意图同质结、异质结结构示意图 为了获得高势垒为了获得高势垒, ,要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。 半导体激光器的结构多种多样，基本结构是双异质结半导体激光器的结构多种多样，基本结构是双异质结(DH)平面条形结构。平面条形结构。 这种结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发

20、射不同的光波长。这种结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。 图中标出所用材料和近似尺寸。结构中间有一层厚图中标出所用材料和近似尺寸。结构中间有一层厚0.10.3 m的窄带隙的窄带隙P 型半导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的型半导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的P型和型和N型半导体，称为限制层。型半导体，称为限制层。 三层半导体置于基片三层半导体置于基片(衬底衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里 - 珀罗珀罗(FP)谐振腔。谐振腔。 3 3）、双异质结（）、双异质结（DHDH）半导体激光器）半导体激光器 DHDH激光

21、器工作原理激光器工作原理 由于限制层的带隙比有源层宽，施加由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压正向偏压后，后， P P层的空穴和层的空穴和N N层的层的 电子电子注入注入有源层有源层。 P P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子电子形成了势垒，注入到形成了势垒，注入到 有源层的电子不可能扩散到有源层的电子不可能扩散到P P层。层。 同理，同理， 注入到有源层的注入到有源层的空穴空穴也不可能扩散到也不可能扩散到N N层。层。 这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.1-0.3 m0.1-0.3 m的有源层

22、内形的有源层内形 成成粒子数反转分布粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度 增大而提高效益。增大而提高效益。 另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区有源区内内 ，因而电，因而电/ /光转换效率很高，输出激光的光转换效率很高，输出激光的阈值电流阈值电流很低，很小的散热体就很低，很小的散热体就 可以在室温连续工作。可以在室温连续工作。 图图 DH激光器工作原理激光器工作原理 (a) 双异质结构；双异质结构； (b) 能带；能带； (c) 折射率分布；折

23、射率分布； (d) 光功率分布光功率分布 P Ga 1x Al xA s P GaA s N Ga 1y Al yA s 复合 空穴 异质势垒 E 能 量 (a) (b) (c) n 折 射 率 5% (d) P 光 电子 4.1.2 半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性 1. 发射波长和光谱特性发射波长和光谱特性 半导体激光器的半导体激光器的发射波长发射波长等于等于禁带宽度禁带宽度Eg(eV) h f =Eg gg EE hc24. 1 不同半导体材料有不同的不同半导体材料有不同的禁带宽度禁带宽度Eg，因而有不同的，因而有不同的发射波长发射波长。 镓铝砷镓铝砷-镓砷镓砷(GaAlAs

24、-GaAs)材料适用于材料适用于0.85 m波段波段 铟镓砷磷铟镓砷磷 - 铟磷铟磷(InGaAsP-InP)材料适用于材料适用于1.3-1.55 m波段波段 式中，式中，f=c/，f (Hz)和和(m)分别为发射光的频率和波长，分别为发射光的频率和波长， c=3108 m/s为光为光 速，速，h=6.62810-34JS为普朗克常数，为普朗克常数， 1eV=1.610-19 J，代入上式得到，代入上式得到 峰值波长峰值波长：在规定输出光功率时，激光器受激辐射发出的若干发射模式中：在规定输出光功率时，激光器受激辐射发出的若干发射模式中 最大强度的光谱波长。最大强度的光谱波长。 中心波长中心波长

25、：在激光器发出的光谱中，连接：在激光器发出的光谱中，连接50最大幅度值线段的中点所对最大幅度值线段的中点所对 应的波长。应的波长。 1. 发射波长和光谱特性发射波长和光谱特性 图图 GaAlAs-DH GaAlAs-DH激光器的光谱特性激光器的光谱特性 (a) (a) 直流驱动直流驱动; (b) 300 Mb/s; (b) 300 Mb/s数字调制数字调制 0 799 800 801 802 Im/mA 40 35 30 25 I=100mA Po=10mW I=85mA Po=6mW I= 8 0mA Po=4mW I=75mA Po=2.3mW L=250m W=12 m T=300K 8

26、30 828 832 830 828 832 830 828 826 832 830 828 826 824 836 834 832 830 828 826 824 822 820 (a)(b) 在直流驱动下，在直流驱动下， 发射光波长发射光波长只有符合激光振荡的只有符合激光振荡的相位条件相位条件的波长存在。的波长存在。 这些波长取决于这些波长取决于激光器纵向长度激光器纵向长度L，并称为激光器的，并称为激光器的纵模纵模。 驱动电流变大，纵模模数变小驱动电流变大，纵模模数变小 ，谱线宽度变窄。，谱线宽度变窄。 这种变化是由于谐振腔对这种变化是由于谐振腔对光波频率光波频率和和方向方向的选择，使的选

27、择，使边模消失边模消失、主模增主模增 益益增加而产生的。增加而产生的。 当驱动电流足够大时，当驱动电流足够大时，多纵模多纵模变为变为单纵模单纵模，这种激光器称为，这种激光器称为静态单纵模静态单纵模 激光器激光器。 上图右图是上图右图是300 Mb/s数字调制的光谱特性，数字调制的光谱特性， 由图可见，随着调制电流增由图可见，随着调制电流增 大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。 2. 激光束的空间分布激光束的空间分布 激光束的空间分布用激光束的空间分布用近场近场和和远场远场来描述。来描述。 近场近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布；是指激光器输出反射镜面上的光强分布

28、； 远场远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。是指离反射镜面一定距离处的光强分布。 下图是下图是GaAlAs-DH激光器的近场图和远场图，近场和远场是由谐振腔激光器的近场图和远场图，近场和远场是由谐振腔 (有源区有源区)的横向尺寸，即平行于的横向尺寸，即平行于PN结平面的宽度结平面的宽度w和垂直于结平面的厚度和垂直于结平面的厚度t 所决定，并称为激光器的所决定，并称为激光器的横模横模。 由图可以看出，平行于结平面的谐振腔宽度由图可以看出，平行于结平面的谐振腔宽度w由宽变窄，场图呈现出由由宽变窄，场图呈现出由 多横模变为单横模；垂直于结平面的谐振腔厚度多横模变为单横模；垂直于结平面的谐振腔厚度

29、t很薄，这个方向的场图总很薄，这个方向的场图总 是是单横模单横模。 图图 GaAlAs-DH GaAlAs-DH条形激光器的近场和远场图样条形激光器的近场和远场图样 W 10 m 20 m 20 m 30 m 30 m 50 m 10 m 近 场 图 样 0.1rad 远 场 图 样 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 80604020 020 406080 T 300 K 辐 射 角 (度 ) 相 对 光 强 (a) (b) 左图为典型半导体激光器的远左图为典型半导体激光器的远 场辐射特性，图中场辐射特性，图中和和 分别为 分别为 平行于结平面和垂直于结平面的平行于结平面和垂直于结平

30、面的 辐射角，整个光束的横截面呈椭辐射角，整个光束的横截面呈椭 圆形。圆形。 (a) 光强的角分布；光强的角分布； (b) 辐射光束辐射光束 3. 3. 转换效率和输出光功率特性转换效率和输出光功率特性 激光器的电激光器的电/ /光转换效率可用功率效率和量子效率表示。量子效率又分为光转换效率可用功率效率和量子效率表示。量子效率又分为 内量子效率、外量子效率以及外微分量子效率。内量子效率、外量子效率以及外微分量子效率。 hf e I p eII hfpp th th d / )( / )( 由此得到由此得到 )( e th d th II hf pp 式中，式中，P P和和I I分别为激光器的输

31、出光功率和驱动电流，分别为激光器的输出光功率和驱动电流，P Pth th 和 和I Ith th 分别为相应的 分别为相应的 阈值，阈值，h h f f 和和e e分别为光子能量和电子电荷。分别为光子能量和电子电荷。 外微分量子效率外微分量子效率d d其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子光子 数数 eI hfp ex / / 空穴对数激光器每秒注入的电子 数激光器每秒发射的光子 图图 典型半导体激光器的光功率特性典型半导体激光器的光功率特性 (a) 短波长短波长AlGaAs/GaAs (b) 长波长长波长InGaAsP/InP 10 9

32、8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 20 4060 80 I / mA P / mW 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 050100 150Ith I / mA P / mW (a) (b) 4 3 2 1 0 50 100 150 0 25 70 电流电流/mA 输出功率输出功率/ mW LED的的P-I特性特性 5 4 3 2 1 0 0 50 100 I /mA 发 射发 射 光 功光 功 率率 P / m W 22 50 70 LD的的P-I特性特性 4. 温度特性温度特性 半导体激光器对温度十分敏感，其输出功率随温度会发生很大变化，其主要半导体激光器对温

33、度十分敏感，其输出功率随温度会发生很大变化，其主要 原因为：原因为： （1）激光器的）激光器的阈值电流阈值电流Ith 随随温度温度升高而升高而增大；增大； （2）外微分）外微分量子效率量子效率d随随温度温度升高而升高而减小减小; （3）温度对输出光脉冲会产生温度对输出光脉冲会产生 “结发热效应结发热效应”-激光器结区温度的变化导激光器结区温度的变化导 致的输出光脉冲变化。致的输出光脉冲变化。 温度升高时，温度升高时，Ith 增大，增大，d减小，减小， 输出光功率明显下降，达到一定温度时，激输出光功率明显下降，达到一定温度时，激 光器就不再受激辐射了。当以直流电流驱动激光器时，阈值电流随温度的变

34、光器就不再受激辐射了。当以直流电流驱动激光器时，阈值电流随温度的变 化更加严重。当对激光器进行脉冲调制时，阈值电流随温度呈指数变化，在化更加严重。当对激光器进行脉冲调制时，阈值电流随温度呈指数变化，在 一定温度范围内，可以表示为一定温度范围内，可以表示为 )( 0 T T Ith=I0 exp PP I I 20。 。C 25。 。C 20。 。C 70。 。C 阈值电流引起的光输出的变化；阈值电流引起的光输出的变化； 外微分量子效率引起的光输出的变化外微分量子效率引起的光输出的变化 I1 I0 t=0t=T 图图 结发热效应结发热效应 电流脉冲电流脉冲 光脉冲光脉冲 4.1.3 分布反馈半导

35、体激光器分布反馈半导体激光器 分布反馈分布反馈(DFB)激光器用靠近激光器用靠近有源层有源层沿长度方向制作的周期性结构沿长度方向制作的周期性结构(波纹波纹 状状)衍射光栅衍射光栅实现光反馈。这种实现光反馈。这种衍射光栅衍射光栅的折射率周期性变化，使光沿有的折射率周期性变化，使光沿有 源层分布式反馈。源层分布式反馈。 分布反馈激光器分布反馈激光器的要求：的要求： （1）谱线宽度谱线宽度更窄更窄 （2）高速率脉冲调制下保持）高速率脉冲调制下保持动态单纵模特性动态单纵模特性 （3）发射）发射光波长光波长更加稳定，并能实现调谐更加稳定，并能实现调谐 （4） 阈值电流阈值电流更低更低 （5）输出）输出光

36、功率光功率更大更大 图图 分布反馈分布反馈(DFB)(DFB)激光器激光器 (a) (a) 结构；结构； (b) (b) 光反馈光反馈 衍 射 光 栅 有 源 层 N层 P层 输 出 光 光 栅 有 源 层 b a (a)(b) 如图所示，由如图所示，由有源层有源层发射的光，一部分在发射的光，一部分在光栅波纹峰光栅波纹峰反射反射(如光线如光线a)， 另一另一 部分继续向前传播，在邻近的部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰光栅波纹峰反射反射(如光线如光线b)。 光栅周期光栅周期=m e B n2 ne 为材料有效折射率，为材料有效折射率，B为布喇格波长，为布喇格波长，m为衍射级数。为衍射级数。

37、在普通光栅的在普通光栅的DFB激光器中，发生激光器中，发生激光振荡激光振荡的有两个的有两个阈值阈值最低、增益相同最低、增益相同 的的纵模纵模，其波长为，其波长为 ) 22 1 ( 2 2, 1 Lne B B /2Lmn DFBDFB激光器与激光器与F-PF-P激光器相比，激光器相比， 具有以下具有以下优点：优点： 易形成单纵模振荡；易形成单纵模振荡； 谱线窄，谱线窄， 方向行性好；方向行性好； 高速调制时动态谱线展宽很小，单模稳定性好；高速调制时动态谱线展宽很小，单模稳定性好； 输出线性度好。输出线性度好。 LD 的特点及应用的特点及应用 特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜在飞机、

38、军舰、坦特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜在飞机、军舰、坦 克上应用以及步兵随身携带，如在飞机上作测距仪来瞄准敌机。其缺克上应用以及步兵随身携带，如在飞机上作测距仪来瞄准敌机。其缺 点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光 和红外区域。和红外区域。 LD 和和LED的主要区别的主要区别 LD发射的是发射的是受激辐射光受激辐射光 LED发射的是发射的是自发辐射光自发辐射光 LED的结构和的结构和LD相似，大多是采用相似，大多是采用双异质结双异质结(DH)芯片芯片，把有源层夹，把有源层夹 在在P型和型和N型限

39、制层中间，不同的是型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔，不需要光学谐振腔， 没有阈值。没有阈值。 半导体激光器半导体激光器(LD)和发光二极管和发光二极管(LED)的一般性能的一般性能 -2050 -2050-2050 -2050工作温度工作温度 /C 寿命寿命 t/h 30120 30120 2050 2050辐射角辐射角 50150 301005002000 5001000调制带宽调制带宽 B/MHz 0.10.3 0.10.213 13入纤功率入纤功率 P/mW 15 13510 510输出功率输出功率 P/mW 100150 100150工作电流工作电流 I/mA 2030 3

40、060阀值电流阀值电流 Ith/mA 50100 6012012 13谱线宽度谱线宽度 1.3 1.551.3 1.55工作波长工作波长 LEDLD /m nm/ )/( 76 1010 65 1010 8 10 7 10 分布反馈激光器分布反馈激光器(DFB - LD)一般性能一般性能 /nm 2040 1530输出功率输出功率 P/mW (连续单纵模连续单纵模,25C) 20 15外量子效率外量子效率 /% 1520 2030阀值电流阀值电流 Ith/mA 9595），但插），但插 入损入损 耗大，稳定性较差，需要几千伏的高压，产生耗大，稳定性较差，需要几千伏的高压，产生 的电子干扰大。的

41、电子干扰大。 980nm 抽运抽运隔离器隔离器 输入耦合器输入耦合器 掺铒光纤掺铒光纤 透镜透镜 偏振器偏振器 电光电光 调制器调制器 75% 输出镜输出镜 A.非光纤型：可饱和吸收体被动调非光纤型：可饱和吸收体被动调Q 特点：在特点：在1.53mm得到得到0.1mJ能量，开关速度慢，插入损耗大能量，开关速度慢，插入损耗大 SESAM dichroic filter f=4.5mmf=18mm dichroic mirror LMA fiber(60cm) pump (=2W at 980nm) output B. 光纤型光纤型Q开关：光纤迈克尔逊干涉仪调开关：光纤迈克尔逊干涉仪调Q 特点：开

42、关速度较慢，能产生特点：开关速度较慢，能产生ms量级脉冲，要求两臂光纤量级脉冲，要求两臂光纤 光栅完全相同，这样的两个光纤光栅比较难制作，光栅完全相同，这样的两个光纤光栅比较难制作， 消光比不高消光比不高 1 2 B.光纤型光纤型Q开关：光纤马赫曾特干涉仪调开关：光纤马赫曾特干涉仪调Q 特点：全光纤型主动调特点：全光纤型主动调Q，可产生，可产生ms脉冲，低插入损耗，但开关时间较慢脉冲，低插入损耗，但开关时间较慢 EDF 980/1550nm WDM 980nm LD Ref PZT output Isolator 3dB3dB 3dB FBG PZT Controller 锁模光纤激光器可作为

43、高速通信系统的光源，有着光明的锁模光纤激光器可作为高速通信系统的光源，有着光明的 前途。前途。 高速光纤通信要求超短脉冲光源的脉宽为高速光纤通信要求超短脉冲光源的脉宽为ps，重复频率，重复频率 1GHz100GHz，同时输出波长可调谐，因此研究工作集中在，同时输出波长可调谐，因此研究工作集中在 ：高重复速率谐波锁模技术；多波长和可调谐锁模光纤激光器：高重复速率谐波锁模技术；多波长和可调谐锁模光纤激光器 ；锁模光纤激光稳频技术；输出脉冲窄化和超连续谱光纤激光；锁模光纤激光稳频技术；输出脉冲窄化和超连续谱光纤激光 器。器。 所谓锁模就是相位锁定，光纤激光器同时运转在位于增益所谓锁模就是相位锁定，光

44、纤激光器同时运转在位于增益 带宽内的大量纵模上，当各纵模相位同步，任意相邻纵模相位带宽内的大量纵模上，当各纵模相位同步，任意相邻纵模相位 差恒定为一常数值时，就实现了锁模。差恒定为一常数值时，就实现了锁模。 锁模光纤激光器锁模光纤激光器 超短脉冲技术是物理学、化学、生物学、光电子学，以及激光超短脉冲技术是物理学、化学、生物学、光电子学，以及激光 光谱学等学科对微观世界进行研究和揭示新的超快过程的重要手段。光谱学等学科对微观世界进行研究和揭示新的超快过程的重要手段。 调调Q Q技术所能获得的最窄脉冲约为技术所能获得的最窄脉冲约为1010-9 -9s s，而在非线性光学、受控核 ，而在非线性光学、

45、受控核 聚变、等离子体诊断、高精度测量等领域中，往往需要更窄的脉冲聚变、等离子体诊断、高精度测量等领域中，往往需要更窄的脉冲 （1010-15 -15s s 1010-12 -12s s），因此必须采用锁模技术。 ），因此必须采用锁模技术。 为什么要锁模为什么要锁模 等幅光频信号的频谱等幅光频信号的频谱 000 costEtE tEta ss cos 000 coscos1ttMEtE sA 设调制信号是一个时间的余弦函数，即设调制信号是一个时间的余弦函数，即 ，则幅度调制信号可写为：，则幅度调制信号可写为： 000 000000 cos 2 cos 2 cos tE M tE M tEtE

46、s A s A 如何实现纵模间频率的锁定？如何实现纵模间频率的锁定？ 基于基于Bragg光纤光栅调谐的锁模光纤激光器光纤光栅调谐的锁模光纤激光器 实验结果实验结果: 波长：波长：1558.4nm, 脉宽：脉宽：50ps 调谐范围：调谐范围：1553.92nm1561.27nm 基于有理数谐波的锁模光纤激光器基于有理数谐波的锁模光纤激光器 实验结果：波长：实验结果：波长：1556.00nm, 1556.00nm, 脉宽：脉宽：39.23ps39.23ps 基于啁啾光栅色散的锁模光纤激光器基于啁啾光栅色散的锁模光纤激光器 实验结果：实验结果： 波长：波长：1555.12nm, 脉宽：脉宽：60ps

47、, 啁啾度：啁啾度： 5.2 实验结果：实验结果： 波长：波长：1552.24nm，1559.32nm； 脉宽：脉宽：60.0ps RF driver 双波长主动锁模光纤激光器双波长主动锁模光纤激光器 窄线宽光纤激光器窄线宽光纤激光器 激光雷达激光雷达 激光干涉测量激光干涉测量 注入种子激光注入种子激光 相干通信相干通信 空间通信空间通信 声学传感、航运和近区安全声学传感、航运和近区安全 射频和微波光子学射频和微波光子学 光谱学、气体吸收测试光谱学、气体吸收测试 管道监测和泄露探测管道监测和泄露探测 石油和天然气勘探侦测石油和天然气勘探侦测 微波信号产生微波信号产生 窄线宽特点使得光纤激光器可

48、以作为未来的光通信系统的理想窄线宽特点使得光纤激光器可以作为未来的光通信系统的理想 光源光源, ,并且可以应用于传感、军事、医疗和高精度光谱学等领域。并且可以应用于传感、军事、医疗和高精度光谱学等领域。 窄线宽光纤激光器的应用窄线宽光纤激光器的应用 激光测距：激光测距：目前大多数激光测距仪是基于脉冲激光的光时域反射原理，目前大多数激光测距仪是基于脉冲激光的光时域反射原理， 即通过测量激光脉冲发射和经目标反射回接收器的时间差进行测距，这种即通过测量激光脉冲发射和经目标反射回接收器的时间差进行测距，这种 测量的精度一般为测量的精度一般为1-10 1-10 米，测量距离（军用）仅有米，测量距离（军用

49、）仅有10-20 10-20 公里。这主要受公里。这主要受 限于激光的脉冲宽限于激光的脉冲宽 ，激光脉冲越短，测量精，激光脉冲越短，测量精 就越高，但同时激光线宽也就越高，但同时激光线宽也 大大增加，增大了探测的噪声，迅速降低了动态探测距离。如果利用单纵大大增加，增大了探测的噪声，迅速降低了动态探测距离。如果利用单纵 模光纤激光器作为探测光源，基于频率调制连续波技术和光波相干原理，模光纤激光器作为探测光源，基于频率调制连续波技术和光波相干原理， 则能实现几百公里、精度小于则能实现几百公里、精度小于1 1米的探测。米的探测。 窄线宽光纤激光器的应用窄线宽光纤激光器的应用 光纤传感：光纤传感：同样

50、可以利用频率调制连续波技术和光波相干原理，实现超同样可以利用频率调制连续波技术和光波相干原理，实现超 高精高精 、超远距离以及微弱信号的测量。单纵模窄线宽光纤激光的一部分被、超远距离以及微弱信号的测量。单纵模窄线宽光纤激光的一部分被 耦合进一个有固定反射率的参考臂中，该参考臂充当本地振荡器耦合进一个有固定反射率的参考臂中，该参考臂充当本地振荡器 LOLO，另一，另一 根光纤充当传感光纤。从传感光纤反射回来的激光与来自本地振荡器的参根光纤充当传感光纤。从传感光纤反射回来的激光与来自本地振荡器的参 考光一起混频产生一个光拍频，该拍频与它经的时间延迟差相对应，传感考光一起混频产生一个光拍频，该拍频与

51、它经的时间延迟差相对应，传感 光纤上远处的信息就可以通过测量拍频来获取。利用这种技术进行探测，光纤上远处的信息就可以通过测量拍频来获取。利用这种技术进行探测， 可实现敏感可实现敏感 -100dB-100dB 百亿分之一）的信号测量。基于单纵模窄线宽光纤激百亿分之一）的信号测量。基于单纵模窄线宽光纤激 光器的光纤传感技术，可广泛应用于石油天然气管道的泄漏监测光器的光纤传感技术，可广泛应用于石油天然气管道的泄漏监测 全球现有全球现有 500 500 万公里石油天然气管道，目前依靠人工巡逻的方式进行监测）、电力万公里石油天然气管道，目前依靠人工巡逻的方式进行监测）、电力 系统的输电损耗监测（由于当前

52、的高压线路缺乏精确的温压力探测，每年系统的输电损耗监测（由于当前的高压线路缺乏精确的温压力探测，每年 损失电能上千亿美元）、核电站的安全监测（损失电能上千亿美元）、核电站的安全监测（ 未来主要能源之一）、油井未来主要能源之一）、油井 的温度和压力实时监控等。的温度和压力实时监控等。 窄线宽光纤激光器的应用窄线宽光纤激光器的应用 光纤通信：光纤通信：目前商用光源的激光线宽为目前商用光源的激光线宽为0.2 nm （20 dB），尽管），尽管DWDM 技术的应用大大提高了信息传输的信道数，但由于信号光源激光线宽的限技术的应用大大提高了信息传输的信道数，但由于信号光源激光线宽的限 制，其在制，其在C波

53、段也仅有波段也仅有80 信道。为了适应当前和未来社会对于海量信息传信道。为了适应当前和未来社会对于海量信息传 输和处理的要求，需要不断拓展光纤的带宽（如，当前世界各输和处理的要求，需要不断拓展光纤的带宽（如，当前世界各 正在研究的正在研究的 超宽带（超宽带（S+C+L）光传输技术）。利用单纵模窄线宽光纤激光器作为通信）光传输技术）。利用单纵模窄线宽光纤激光器作为通信 光源，为我们解决该问题提供了另一种技术途径。单纵模窄线宽光纤激光光源，为我们解决该问题提供了另一种技术途径。单纵模窄线宽光纤激光 的线宽仅为目前商用通信光源线宽的十万分之一，这可以大大减少信道的的线宽仅为目前商用通信光源线宽的十万

54、分之一，这可以大大减少信道的 宽和信道之间的间距，仅在宽和信道之间的间距，仅在C波段就可以将光纤通信的信道数提高几个数波段就可以将光纤通信的信道数提高几个数 量级，此外，该激光器极窄的线宽减小了传输过程中光纤的色散，更有利量级，此外，该激光器极窄的线宽减小了传输过程中光纤的色散，更有利 于远距离传输。于远距离传输。 窄线宽光纤激光器的应用窄线宽光纤激光器的应用 石油管道预警系统：石油管道预警系统：利用与管道同沟敷设的通信光缆作为分布式土壤振利用与管道同沟敷设的通信光缆作为分布式土壤振 动检测传感器，长距离连续实时监测油气管道沿线的土壤振动情况，在管动检测传感器，长距离连续实时监测油气管道沿线的

55、土壤振动情况，在管 道沿线道沿线4 4米范围内形成保护带，采用系统独有的管道破坏事件专家数据库和米范围内形成保护带，采用系统独有的管道破坏事件专家数据库和 神经网络分析识别技术，对可能危害管道安全的动土事件（如：机械施工神经网络分析识别技术，对可能危害管道安全的动土事件（如：机械施工 和打孔盗油等破坏事件）或场站设施的入侵事件进行预警，并准确定位。和打孔盗油等破坏事件）或场站设施的入侵事件进行预警，并准确定位。 光纤周界预警：光纤周界预警：利用激光、光纤传感和光通信等高科技技术构建的警戒利用激光、光纤传感和光通信等高科技技术构建的警戒 网络或者安全报警系统，是一种对威胁公众安全的突发事件进行监

56、控和警网络或者安全报警系统，是一种对威胁公众安全的突发事件进行监控和警 报的现代防御体系。这既反映了现代反恐斗争的需要，也满足了我国现阶报的现代防御体系。这既反映了现代反恐斗争的需要，也满足了我国现阶 段对周界报警的需求。尤其在大型场所如军事禁区、核基地、机场等等，段对周界报警的需求。尤其在大型场所如军事禁区、核基地、机场等等， 都需要这种很先进的防入侵报警系统。都需要这种很先进的防入侵报警系统。 窄线宽光纤激光器的应用窄线宽光纤激光器的应用 声学传感、水听器：声学传感、水听器：干涉型光纤水声光纤传感器阵列在水下军事应用、干涉型光纤水声光纤传感器阵列在水下军事应用、 鱼群探测和保密监听等方面有

57、很大的应用前景，并以极高的灵敏度、抗电鱼群探测和保密监听等方面有很大的应用前景，并以极高的灵敏度、抗电 磁干扰、无源检测等优越性而引起了世界各国的高度重视，为下一代水听磁干扰、无源检测等优越性而引起了世界各国的高度重视，为下一代水听 器的研究开发和应用的主要方向之一。器的研究开发和应用的主要方向之一。 激光雷达、测距、遥感：激光雷达、测距、遥感：基于基于FMCWFMCW和多普勒频移，可以实现激光连续波和多普勒频移，可以实现激光连续波 的测距和雷达，其超长的相干距离提供了长距离的遥感方案。的测距和雷达，其超长的相干距离提供了长距离的遥感方案。 窄线宽光纤激光器的应用窄线宽光纤激光器的应用 相干光

58、通信：相干光通信：窄线宽光纤激光的线宽仅为目前商用通信光源线宽的百万窄线宽光纤激光的线宽仅为目前商用通信光源线宽的百万 分之一，这大大减少信道的宽度和信道之间的间距，仅在分之一，这大大减少信道的宽度和信道之间的间距，仅在C C波段就可以将光波段就可以将光 纤通信的信道数提高几个数量级，此外，窄线宽激光极窄的线宽减小了传纤通信的信道数提高几个数量级，此外，窄线宽激光极窄的线宽减小了传 输过程中光纤的色散，更有利于远距离传输。输过程中光纤的色散，更有利于远距离传输。 激光光谱学、大气吸收测量：激光光谱学、大气吸收测量：可以用来研究谱线的精细和超精细分裂、可以用来研究谱线的精细和超精细分裂、 塞曼和

59、斯塔克分裂、光位移、碰撞加宽、碰撞位移等效应。还可以利用激塞曼和斯塔克分裂、光位移、碰撞加宽、碰撞位移等效应。还可以利用激 光观察到有趣的相干瞬变现象等等。光观察到有趣的相干瞬变现象等等。 激光种子源：激光种子源：可以耦合进光纤放大器，形成更大输出功率的单频激光器可以耦合进光纤放大器，形成更大输出功率的单频激光器 如如1W1W或或5W5W而不会改变种源的光学特性。而不会改变种源的光学特性。 Wavelength selectable range (nm)1530 to 15651047 to 1080 Absolute wavelength accuracy (nm) 0.05 0.02 op

60、tional 0.05 0.02 optional Power stability (%RMS) 0.10 Beam qualityM21.05 Pure Oscillator/AmplifiedPure OscillatorAmplified Output power (W)0.25-0.40.25-2.5 Lorentzian Linewidth (Hz)110 Linewidth over 1ms measurement time (Hz) 1000400/200 Frequency noise (Hz/Hz) 100Hz55 55 /8575 SMSR (dBc) (3MHz RBW)