项目二c激光器工作特点和调制

光网络技术主讲人：林琪电话echnologyofopticalnetworkQQ：95252777目录CONTENTS半导体激光器的光频特性01激光器的调制原理02PARTONE光频特性半导体激光器光频特性4半导体激光二极管LD（Laserdiode），除具有二极管的一般特性以外，还具有特殊的光频特性.1．辐射波长λ2．P－I曲线3．光谱特性4．转换效率5．温度特性半导体激光器光频特性---辐射波长5辐射波长是由半导体的禁带决定的:若用eV为Eg的单位(1eV=1.602×10-19J),nm为λ的单位，则：即：

物质禁带Eg（eV）波长（nm）Si（硅）1.171067Ge（锗）0.7751610GaAs（砷化镓）1.424876InP（铟磷）1.35924InGaAs（铟镓砷）0.75～1.241006～1664GaAlAs（镓铝砷）1.42～1.92650～879InGaAsP（铟镓砷磷）0.75～1.35924～1664半导体激光器光频特性---P-I曲线6LD的输出特性曲线对于半导体激光二极管，当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流值称为阈值电流，用It表示.“拐点”阈值电流I＞It

激光I＜It荧光为了使光纤通信系统稳定可靠地工作，希望阈值电流越小越好。目前，最好的LD的阈值电流小于10mA。半导体激光器光频特性---光谱特性7“拐点”阈值电流I＞It

激光I＜It荧光光谱很宽光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加半导体激光器光频特性---光谱特性82023/5/14LD产生的激光有多纵模和单纵模单纵模激光器：只有一根谱线，细而窄，适用于长距离光纤传输系统多纵模激光器：谱线多而宽，适用于短距离光纤传输系统。观测激光器光谱特性时，光谱曲线最高点所对应的波长为中心波长

最高点中心波长比最高点光功率低3dB谱线宽度

比最高点光功率低3dB时曲线上的宽度为谱线宽度，Full-widthhalf-maximum(FWHM)，通常也称为半高全宽

目前，单模激光器的谱线宽度可以做到0.1nm以下半导体激光器光频特性---转换效率9LD实质上是把电功率直接转换成光功率的器件，衡量转换效率的高低常用功率转换效率来表示。激光器的功率转换效率定义为：R为与激光器的内部量子效率、激光波长和模式损耗有关的常数；V为工作电压；It为阈值电流；I为工作电流。半导体激光器光频特性---温度特性10激光器的阈值电流和光输出功率随温度变化的特性为温度特性。温度对LD的阈值电流影响很大：阈值电流随温度的升高而加大为了使光纤通信系统稳定、可靠地工作，一般都要采用自动温度控制电路，来稳定LD的阈值电流和输出光功率。LD的阈值电流也和使用时间有关：随着激光管使用时间的增加，阈值电流也会逐渐加大。

目前，国内制造的LD芯片的寿命已达到l06小时以上，经耦合、封装后的器件寿命可达到2×l05h以上。能带分布---加正偏压P-N结能带112023/5/14光纤通信中的三个低损耗窗口：短波长波段：850nm长波长波段：1310nm，1550nm短波长波段，激光器一般采用GaAlAs/GaAs－LD，使用寿命一般为104h，应用于第一代光纤通信系统中。在长波长波段，通常采用InGaAsP－LD，发射光功率（毫瓦数量级），谱线较窄（约3nm），与光纤耦合效率较高（可达50％左右），使用寿命在104h以上。在1300nm

和1550nm单模光纤通信系统中，通常采用。PARTTWO光源调制激光器的调制13

从光源与调制器之间关系，可分为：1、内调制，又称直接调制2、外调制，又称间接调制思考：怎样将电信息“载”到光波上呢？

在光纤通信系统中，把随信息变化的电信号加载到光波上，使光载波按信息的变化而变化，这就是光源的调制。对光源进行调制！激光器的调制---内调制14它是把要传递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。直接调制后的光波电场振幅的平方正比于调制信号，因此是一种光强度调制（IM）的方法。将调制信号直接作用在光源上，对光源进行调制，又称直接调制。可用于LD或LED这类光源。激光器的调制---内调制15光源的内调制说明LD的P－I特性曲线LED的P－I特性曲线注入电流超过阈值电流It后，基本是直线

曲线亦基本呈直线只要在呈直线的部位加入调制信号（即加入跟随输入信号变化的注入电流），则输出的光功率P就跟随输入信号变化。于是，信号就调制到光波上了激光器的调制---内调制不足16光源内调制的特点是电路简单，容易实现，调制带宽可达几亿赫兹，但在高速调制时，注入电流不断变化，结果使有源区内载流子浓度随之变化，导致折射率随之变化，激光器谐振频率发生漂移，动态谱线展宽，振荡模数增加。而动态谱线展宽，在高速单模光纤通信系统中，材料色散会严重影响系统的中继距离，这对高速单模光纤通信非常不利。此时可考虑用光源外调制方式。激光器的调制---外调制17

光源本身不被调制，但当光从光源射出以后在其传输的通道上被一只调制器调制。这只调制器是利用物质的电光、声光、磁光等效应对光波进行调制的，故有所谓的电光调制器、声光调制器、磁光调制器等，这种调制方式又称为间接调制。激光器的调制---电光调制182023/5/14

电光调制器基本工作原理是晶体的线性光电效应。光电效应是指电场引起晶体折射率变化的现象。折射率的变化又将引起光波相位的变化，其中电场变化实际上就是对应于调制电压的变化(即需要传输的信号变化)。这样，调制电压的变化最终将得到光波的相位变化，从而达到电光调制的结果。在实际中，为了便于耦合、固定等原因，往往将电光相位调制器做成波导结构。如下图所示：激光器的调制---电光调制19波导型电光相位调制器激光器的调制---声光调制20

声光调制器是利用介质的声光效应制成。它的原理是，当调制电信号变化时，由于压电效应，使压电晶体产生机械振动形成超声波，这个超声波引起声光介质的密度发生变化，使介质折射率跟着变化，从而形成一个变化的光栅，由于光栅的变化，使光强随之发生变化，结果使光波受到调制。激光器的调制---磁光调制21

磁光调制是利用法拉第效应得到的一种光外调制。入射光信号经过起偏器，使入射光变为偏振光，这束偏振光通过YIG磁棒时，其偏振方向随绕在上面线圈的调制信号而变化，当偏振方向与后面的检偏器相同时，输出光强最大，当偏振方向与检偏器方向垂直时，输出光强最小。从而使输出光强随调制信号变化，实现光的外调制。模拟信号调制和数字信号调制22

从调制信号的形式来看，光调制又可分为模拟信号调制和数字信号调制。模拟信号调制是直接用连续的模拟信号（如语音）对光源进

行调制。数字信号调制主要是指PCM编码调制。脉码调制是先将连续

的模拟信号进行抽样、量化、编码，转换成一组二进制脉冲

代码，用矩形脉冲的有、无（“1”码和“0”码）来表示信号。LED模拟信号的调制23LED模拟信号调制原理图模拟信号调制电路所谓模拟信号内调制就是直接让LED的注入电流跟随反映语音或图像等模拟量变化，从而使LED输出的光功率跟随模拟信号变化。模拟电信号跟随模拟量变化LED数字信号的调制24LED数字信号调制LD数字信号调制LED数字信号的调制25LD的调制要比LED的调制复杂。偏置电流和调制电流大小的选择：偏置电流的选择，要兼顾到电光延迟时间、张驰振荡、码型效应以