激光器與光發(fā)射機

1、激光器與光發(fā)射機光源光源放大器放大器光電二光電二極管極管判決器判決器第四章 激光器及光發(fā)射機4.1 半導(dǎo)體激光器 4.1.1 法布里-珀羅型激光器F-P LD 4.1.2 分布反饋激光器DFB LD 4.1.3 分布Bragg反射型激光器DBR LD 4.1.4 量子阱激光器QW LD 4.1.5 垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL4.2 半導(dǎo)體激光器的工作特性4.3 光發(fā)射機4.1 半導(dǎo)體激光器LD激光器被視為20世紀(jì)的三大發(fā)明（還有半導(dǎo)體和原子能）之一，特別是半導(dǎo)體激光器LD倍受重視。光纖通信中最常用的光源是半導(dǎo)體激光器LD和發(fā)光二極管LED。主要差別：發(fā)光二極管輸出非相干光；半導(dǎo)體激光器輸出相

2、干光。發(fā)光二極管LED對于光纖通信系統(tǒng)，如果使用多模光纖且信息比特率在100200Mb/s以下，同時只要求幾十微瓦的輸入光功率，那么LED是可選用的最佳光源。比起半導(dǎo)體激光器，因為LED不需要熱穩(wěn)定和光穩(wěn)定電路，所以LED的驅(qū)動電路相對簡單，另外其制作成本低、產(chǎn)量高。LED的主要工作原理對應(yīng)光的自發(fā)發(fā)射過程，因而是一種非相干光源。LED發(fā)射光的譜線較寬、方向性較差，本身的響應(yīng)速度又較慢，所以只適用于速率較低的通信系統(tǒng)。在高速、大容量的光纖通信系統(tǒng)中主要采用半導(dǎo)體激光器作光源。發(fā)光二極管LED半導(dǎo)體激光器LD半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點：尺寸小，耦合效率高，響應(yīng)速度快，波長和尺寸與光纖尺寸適配，可直接調(diào)制

3、，相干性好。按結(jié)構(gòu)分類： F-P LD、 DFB LD、 DBR LD、 QW LD、 VCSEL按波導(dǎo)機制分類：增益導(dǎo)引LD和折射率導(dǎo)引LD按性能分類：低閾值LD、超高速LD、動態(tài)單模LD、大功率LD4.1.1 法布里-珀羅型激光器F-P LDF-P LD是最常見最普通的LD.由外延生長的有源層和有源層兩邊的限制層構(gòu)成，諧振腔由晶體的兩個解理面構(gòu)成。通常為雙異質(zhì)結(jié)（DH）LD。激光器實質(zhì)上是一個受激發(fā)射的光振蕩放大器。F-P LD基本工作原理實現(xiàn)F-P LD激射工作的四個基本條件：要有能實現(xiàn)電子和光場相互作用的工作物質(zhì)要有注入能量的泵浦源（光泵或者電泵浦）要有一個F-P諧振腔要滿足振蕩條件1

4、. 光的自發(fā)發(fā)射、受激吸收和受激發(fā)射工作物質(zhì)和泵浦源是實現(xiàn)光的自發(fā)發(fā)射、受激吸收和受激發(fā)射的最基本條件。自發(fā)發(fā)射：大量處于高能級的粒子，各自分別發(fā)射一列一列頻率為=(E2 -E1) /h的光波，但各列光波之間沒有固定的相位關(guān)系，可以有不同的偏振方向，沿所有可能的方向傳播。各光子彼此無關(guān)。受激發(fā)射：處于高能級E2的粒子受到光子能量為的光照射時，粒子會由于這種入射光的刺激而發(fā)射出與入射光一模一樣的光子，并躍遷到低能級E1上。有相同的偏振方向和傳播方向。自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射的特點自發(fā)發(fā)射的同時總伴有受激發(fā)射發(fā)生。在熱平衡情況下，自發(fā)發(fā)射占絕對優(yōu)勢。當(dāng)外界給系統(tǒng)提供能量時，如采用光照（即光泵）或電流注入

5、（即電泵），打破熱平衡狀態(tài)，大量粒子處于高能級，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后，在發(fā)光束方向上的受激發(fā)射比自發(fā)發(fā)射的強度大幾個數(shù)量級?？偨Y(jié)激光發(fā)射的首要條件：工作物質(zhì)（即能實現(xiàn)粒子躍遷的晶體材料，如GaAs和InGaAsP）外界供給能量滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（常采用電流注入法）2. F-P諧振腔只有增益介質(zhì)而無光學(xué)反饋裝置，便不能形成激光將已實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的系統(tǒng)置于嚴格平行的一對反射鏡之間便形成F-P諧振腔。光在兩個反射鏡之間往返多次過程中，得到放大。3. 振蕩條件當(dāng)增益超過由部分反射和散射等多種因素引起的總損耗，經(jīng)過諧振腔的選頻作用，特定頻率的光波在諧振腔內(nèi)積累能量并通過反射鏡射出，形成激光（相干光）。振幅條件

6、相位條件：mnL 2FP LD的結(jié)構(gòu)4.1.2 分布反饋激光器DFB LDDFB LD同F(xiàn)-P LD的主要區(qū)別：DFB LD沒有集總的諧振腔反射鏡，它的反射機構(gòu)是由有源區(qū)波導(dǎo)上的Bragg光柵提供的。分布式反饋 非常好的單色性和方向性DFB LD基本工作原理在有源區(qū)介質(zhì)表面上使用全息光刻法做成周期性的波紋形狀。用泵浦（光泵浦或電泵浦）激發(fā)，造成足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，具備增益條件只有波長滿足“Bragg反射條件”的光波才能在介質(zhì)中來回反射，得到不斷的加強和增長。4.1.3 分布Bragg反射型激光器DBR LD DBR LD的周期性溝槽不在有源波導(dǎo)表面上，而是在有源層波導(dǎo)兩外側(cè)的無源波導(dǎo)層上，這兩個

7、無源的光柵波導(dǎo)充當(dāng)Bragg反射鏡的作用。由于有源波導(dǎo)的增益特性和無源周期波導(dǎo)的Bragg發(fā)射，只有在Bragg頻率附近的光波才能滿足振蕩條件，從而發(fā)射出激光。4.1.4 量子阱激光器QW LD4.1.5 垂直腔面發(fā)射激光器VCSELVertical Cavity Surface Emitting Laser垂直于襯底方向出光的面發(fā)射激光器優(yōu)點：發(fā)光效率高(850nm的VCSEL，10mAmW輸出光功率)工作閾值極低（工作電流515mA，簡化了驅(qū)動電路的設(shè)計）可單縱模也可多縱模工作（應(yīng)用于以多模光纖為傳輸媒介底 局域網(wǎng)中或VSR）調(diào)制速率高壽命長（Honeywell進行了可靠性實驗）價格低、產(chǎn)

8、量高可任意配置高密度二維激光陣列。第四章 激光器及光發(fā)射機4.1 半導(dǎo)體激光器 4.1.1 法布里-珀羅型激光器F-P LD 4.1.2 分布反饋激光器DFB LD 4.1.3 分布Bragg反射型激光器DBR LD 4.1.4 量子阱激光器QW LD 4.1.5 垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL4.2 半導(dǎo)體激光器的工作特性4.3 光發(fā)射機4.2 半導(dǎo)體激光器的工作特性激光器件的絕對最大額定值：光輸出功率（Po和Pf）：從一個未損傷器件可輻射出的最大連續(xù)光輸出功率。 Po是從器件端面輸出的光功率， Pf是從帶有尾纖器件輸出的光功率。正向電流（IF）：可以施加到器件上且不產(chǎn)生器件損傷的最大連續(xù)正向

9、電流。反向電壓（VR）：可以施加到器件上且不產(chǎn)生器件損傷的最大方向電壓。一、半導(dǎo)體激光器的PI特性典型的典型的PI曲線曲線 表示激光器件把注入的電子空穴對（注入電荷）轉(zhuǎn)換成從器件發(fā)射的光子（輸出光）的效率。是一個以百分數(shù)（）度量的性能系數(shù)。 一個把100注入電流轉(zhuǎn)換成輸出光的理想假設(shè)器件(即器件沒有以熱形式消耗)，在理論上應(yīng)具有100的e。e可從P-I特性的斜率（閾值以上）dP/dI求得：mAdImWdPmdIdPEqqIdhPdge8065.0 內(nèi)量子效率i是衡量激光二極管把電子空穴對（注入電流）轉(zhuǎn)換成光子能力的一個參數(shù)。 與e不同的的是， i與激光二極管的幾何尺寸無關(guān)，是評價激光二極管半導(dǎo)

10、體晶片質(zhì)量的主要參數(shù)。 i和e既又關(guān)系又有差別。 i是激光二極管把電子空穴對（注入電流）轉(zhuǎn)換成光子（光）效率的直接表示，但要注意，并非所有光子都出射成為輸出光，有些光子由于各種內(nèi)部損耗而被重新吸收。 e是激光二極管把電子空穴對（注入電流）轉(zhuǎn)換成輸出光的效率象征。 e總是比i小。 T0-LD的特征溫度，與器件的材料、結(jié)構(gòu)等有關(guān)。T0代表Ith對溫度的靈敏度，也可解釋為激光二極管的熱穩(wěn)定性。較高的T0意味著當(dāng)溫度快速增加時，激光二極管Ith增加不大。00expTTIIthnLcmf22202)(exp)0()(ggnLcf27. 影響發(fā)射波長的因素： 對于DFB激光器，影響發(fā)射波長的因素：管芯溫度

11、；工作電流；光反射（利用隔離器減?。?比較而言，溫度變化是波長漂移的主要因素。 管芯溫度與發(fā)射波長的關(guān)系：溫度升高紅移CnmdTd0/09. 0CnmdTd0/5 . 0P41 三、半導(dǎo)體激光器的瞬態(tài)性質(zhì)半導(dǎo)體激光器具有電光轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快、可以進行直接調(diào)制的優(yōu)點，被視為光纖通信中的理想光源。但在對半導(dǎo)體激光器進行脈沖調(diào)制時，激光器往往呈現(xiàn)出復(fù)雜的動態(tài)性質(zhì)光電瞬態(tài)響應(yīng)。激光二極管的啁啾(Chirp)特性：在直接調(diào)制激光二極管時，不僅輸出光功率隨調(diào)制電流發(fā)生變化，而且光的頻率也會發(fā)生波動，即在幅度調(diào)制的同時還受到頻率調(diào)制。帶有頻率啁啾的信號在單模光纖中傳播時，在色散作用下，將增大非線性失真

12、。隨著調(diào)制速率增加，啁啾現(xiàn)象愈加嚴重。解決辦法：采用外部調(diào)制器。22PpRIN第四章 激光器及光發(fā)射機4.1 半導(dǎo)體激光器 4.1.1 法布里-珀羅型激光器F-P LD 4.1.2 分布反饋激光器DFB LD 4.1.3 分布Bragg反射型激光器DBR LD 4.1.4 量子阱激光器QW LD 4.1.5 垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL4.2 半導(dǎo)體激光器的工作特性4.3 光發(fā)射機4.3.1 發(fā)射機的結(jié)構(gòu)4.3.2 光源的調(diào)制方式調(diào)制方式：直接調(diào)制間接調(diào)制（外調(diào)制）一、直接調(diào)制的特點： 將要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘栕⑷隠D或LED 調(diào)制后的光波振幅的平方比例于調(diào)制信號（強度調(diào)制） 簡單、經(jīng)濟、

13、容易實現(xiàn) Gb/s） 引入調(diào)制啁啾 加大偏置電流使其逼近激光器閾值，可以大大減小電光延遲時間，同時使張馳振蕩得到一定程度的抑制. 偏置于閾值附近，較小的調(diào)制脈沖電流即可得到足夠的輸出光脈沖，從而可大大減小碼型效應(yīng)和結(jié)發(fā)熱效應(yīng)的影響. 另一方面，加大直流偏置電流將會使光信號消光比(EX)惡化，光源消光比將直接影響接收機靈敏度. 實驗發(fā)現(xiàn)，異質(zhì)結(jié)激光器的散粒噪聲在閾值處出現(xiàn)最大值，因此偏置電流不正好偏置在閾值處. 調(diào)制電流幅度Im的選擇，應(yīng)根據(jù)激光器的P-I曲線，既要有足夠的輸出光脈沖幅度，又要考慮到光源的負擔(dān)。如果激光器在某些區(qū)域有自脈動現(xiàn)象發(fā)生，則Im的選擇應(yīng)避開自脈動發(fā)生的區(qū)域.三、外調(diào)制將調(diào)制信號控制激光器后接的外調(diào)制器，利用調(diào)制器的電光、聲光等物理效應(yīng)使其輸出光的強度等參數(shù)隨信號而變。調(diào)制信號啁啾小。外調(diào)制器以LN電光調(diào)制和EA電致吸收為主。1. 系統(tǒng)對光源的要求： (1)波長穩(wěn)定性要求 WDM系統(tǒng)對光源發(fā)射波長的穩(wěn)定性具有較高的要求； 波長的漂移將導(dǎo)致信道之間的串?dāng)_； 溫度變化是波長漂移的主要因素。(2)功率穩(wěn)定性要求 某信道功率的漂移，不僅影響本信道的傳輸性能，而且通過EDFA的瞬態(tài)效應(yīng)影響其它信道的性能； 影響發(fā)射功率的因素：管芯溫度：溫度增加功率下降器件老化：功率下降本章小