第4章光源和光发射机.ppt

1、第4章光源和光发射机,4.1 概述 4.2 发光机理 4.3 半导体激光器 4.4 波长可调半导体激光器 4.5 垂直腔表面发射激光器 4.6 半导体激光器的特性 4.7 高速光发射机,内容要求,光纤通信对光源的要求,光源发射的峰值波长，应在光纤低损耗窗口之内; 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; 电光转换效率高，驱动功率低，寿命长，可靠性高; 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； 易于调制，响应速度快，以利于高速率、大容量数字信号的传输; 强度噪声要小，以提高模拟调制系统的信噪比; 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

2、道。,常用的调制方法,最常用的光源,光纤通信中最常用的光源是: 半导体激光器（LD） 发光二极管（LED） 尤其是单纵模（或单频）LD，在高速率、大容量的数字光纤系统中得到广泛应用； 近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是多信道WDM光纤通信系统的关键器件，越来越受到人们的关注。,Stimulated Emission and Photon Amplification,Laser= Light Amplification by Stimulated Emission or Radiation, 3 features of stimulated emission : (1) 1 photon in,

3、 2 photons out light amplification (2) emitted photon in the same direction as the incoming photon (3) emitted photon in phase ( coherent ) with the incoming photon Besides stimulated emission, need two more conditions to make lasers : (1) population inversion (2) metastable state ( long-lived state

4、 ) - a higher energy state in which e- can stay for a much longer time than in an ordinary excited state (10-3 sec vs. 10-8 sec ) a two-level system can not sustain laser,Principle of Ruby Laser,Characteristics of Laser,半导体激光器的工作原理,Population Inversion in Homojunction Laser Diode Degenerately doped

5、direct bandgap p-n junction diode - EFnEc, EFp Eg - population inversion at the junction incoming phonon hv = Eg in active region - more likely to cause stimulated emission than being absorbed - optical gain,半导体激光器的工作原理,LD的工作原理,4.2.3 激光器起振的阈值条件,受激发射使腔体 增益 = 腔体损耗,Optical Gain Coefficient,if light int

6、ensity decreases along x due to absorption -light intensity exp(-x) , : absorption coef. if light intensity increases along x: - light intensity exp(gx) g : optical gain coefficient ( optical gain per unit length ),Threshold Gain,+,=,+,=,=,2,1,int,mir,int,cav,th,1,ln,2,1,R,R,L,g,a,a,a,a,Pump Rate an

7、d output power,Phase Condition,多纵模 ( 多频 ) 激光器,谐振腔长度 L 比波长大很多 F-P腔内的纵模数量 自由光谱区 相应的波长间隔,例题4.2.2 激光器光腔越长，模式越多,小 结,光在谐振腔里建立稳定振荡的条件 在半导体激光器里，由两个起反射镜作用的晶体解理面构成的法布里珀罗谐振腔，它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。 当受激发射使腔体得到的放大增益等于腔体损耗时（阈值条件），并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时（相干条件），就保持振荡，形成等相面和腔体端面平行的驻波，然后穿透谐振腔的两个端面，输出谱线很窄的相干光束。,4.3 半导体激光器,器件结构

8、 异质结半导体激光器 量子限制激光器 分布反馈激光器 (DFB) 垂直腔表面发射激光器 (VCSEL),器件结构,同质结 LD,Threshold Current,pumping mechanism : forward diode current at I = Itrans ( transparency current ) - stimulated emission balances counter absorption at I Ith ( threshold current ) - optical gain g reached gth - optical gain overcome pho

9、ton losses from the cavity -optical gain reached gth - lasing emission Jth in homojunction laser diode is too high for practical uses ( can operate only at very low temp. ),4.3.1 异质结半导体激光器,异质结 LD-提高 LD 的功率和效率，降低阈值电流 异质结:两种材料（GaAs +GaAlAs ）构成的P-N结 双异质结构:三种材料，有源区被禁带宽度大、折射率较低的介质材料包围。 结构:光纤波导的折射率分布，限制了光

10、波泄漏，阈值电流降低，发热减轻，可在室温下连续工作。 通常w =10 m，d = 0.2m, L=100 400 m,Heterostructure Laser Diodes,To reduce Ith- need better (1) carrier confinement (2) photon confinement Improved carrier confinement in DH structure- easier to achieve population inversion in narrow Eg active layer -Ith Nrrow Eg semiconductor

11、 usually has higher refractive index -better photon confinement in narrow Eg active region - photon conc. - stimulated emission rate - Ith Avantage of the AIGaAs DH laser - lattice matched to substrate,DFB激光器,DFB LD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。 这是通过改进结构设计，使DFB LD 内部具有一个对波长有选择性的衍射光栅，从而使只有满足布拉格波长条件的光波才能

12、建立起振荡。,DBR激光器,DBR激光器除有源区外，还在紧靠其右側增加了一段分布式布拉格反射器，它起着衍射光栅的作用。 DBR激光器的输出是反射光相长干涉的结果。只有当波长等于两倍光栅间距 时，反射波才相互加强，发生相长干涉。例如当部分反射波 A 和 B 具有路程差 2 时，它们才发生相长干涉。,LD实物,4.6 半导体激光器的特性,4.6.1 半导体激光器的基本特性 4.6.2 模式特性 4.6.3 调制响应 4.6.4 半导体激光器噪声,温度特性,激光器的自动温度控制,安装在热电致冷器上的热敏电阻，其阻抗与温度有关，它构成了电阻桥的一臂。热电致冷器采用珀尔帖效应产生致冷，它的致冷效果与施加的电流成线性关系。 为防止致冷器内部发热引起性能下降，在致冷器上加装面积足够大的散热片是必要的。,LD 的特性曲线,LED和LD的光谱特性,LED典型特性参数,LD及其模块特性参数,4.6.2 模式特性,半导体激光器的模式特性可分成纵模和横模两种 纵模决定频谱特性 横模特性决定光场的空间特性，即横模决定近场特性（在激光器表面）和远场特性（近场的富里叶变换）,4.6.3 调制响应,图4.6.6 1.3m DFB激光器实测的小信号调制响应,图4.6.6 1.3m DFB激光器实测的小信号调制响应,激光器的瞬时响应,常用的调制方法-直接调制,注入调制电流实现光波强度调制 获得好的光