光纖通信光發(fā)射機(jī)課件

第三章：光發(fā)送機(jī)劉建國(guó)中國(guó)科學(xué)院大學(xué)第三章：光發(fā)送機(jī)劉建國(guó)1光纖通信鏈路光發(fā)送機(jī)中繼器光放大器光接收機(jī)光源光纖光纖光纖信源信宿電信號(hào)光信號(hào)光纖通信鏈路光發(fā)送機(jī)中繼器光放大器光接收機(jī)光源光纖光纖光纖信2內(nèi)容提要光發(fā)送機(jī)光源（LED&LD)LD動(dòng)態(tài)特性與調(diào)制內(nèi)容提要光發(fā)送機(jī)3光發(fā)送機(jī)將數(shù)字或者模擬電信號(hào)加載到光波上，并耦合進(jìn)光纖中進(jìn)行傳輸核心器件：光源、調(diào)制器正面背面光發(fā)送機(jī)將數(shù)字或者模擬電信號(hào)加載到光波上，并耦合進(jìn)光纖中進(jìn)行4機(jī)柜和機(jī)架設(shè)備的規(guī)格與標(biāo)準(zhǔn)美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）制定的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜的“19英寸”表示機(jī)柜中安置的機(jī)架式設(shè)備的寬度機(jī)柜內(nèi)設(shè)備安裝所占高度用一個(gè)特殊單位“U”表示；使用19寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜的設(shè)備面板一般都是按nU的規(guī)格制造。1U=44.45mm=1.75英寸沒有1U的機(jī)柜,只有1U的設(shè)備,機(jī)柜6U--47U不等；例如，一臺(tái)42U的機(jī)柜理論上可以安裝42臺(tái)1U高的設(shè)備，但實(shí)際一般放10-20個(gè)正常,因?yàn)樗麄冎g需要間隔散熱機(jī)柜和機(jī)架設(shè)備的規(guī)格與標(biāo)準(zhǔn)美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）制定的工5光發(fā)送機(jī)基本結(jié)構(gòu)防止LD輸出的激光反射，實(shí)現(xiàn)光的單向傳輸保持光源恒定的溫度，保證激光參數(shù)的穩(wěn)定性（波長(zhǎng)）使光源有恒定的光輸出功率數(shù)字或模擬電信號(hào)微波/電接口驅(qū)動(dòng)電路調(diào)制器光隔離器光源功控溫控光發(fā)射機(jī)光發(fā)送機(jī)基本結(jié)構(gòu)防止LD輸出的激光反射，實(shí)現(xiàn)光的單向傳輸保持6光發(fā)送機(jī)中的自動(dòng)溫度控制電路激光器的溫度主要影響發(fā)射波長(zhǎng)控制精度達(dá)到0.01oC波長(zhǎng)穩(wěn)定性達(dá)到200MHz/24小時(shí)激光器熱導(dǎo)制冷器熱敏電阻溫度控制電路光發(fā)送機(jī)中的自動(dòng)溫度控制電路激光器的溫度主要影響發(fā)射波長(zhǎng)激光7光發(fā)送機(jī)中的自動(dòng)功率控制電路由光檢測(cè)器來感應(yīng)激光器后端面輻射光功率的變化，并與參考功率相比較，然后根據(jù)比較結(jié)果自動(dòng)調(diào)整直流偏置電流，最終使光功率峰值保持為一個(gè)穩(wěn)定值。激光器熱導(dǎo)制冷器熱敏電阻溫度控制電路PD自動(dòng)功率控制（APC）電路偏置電流光發(fā)送機(jī)中的自動(dòng)功率控制電路由光檢測(cè)器來感應(yīng)激光器后端面輻射8高精度溫控與低紋波恒流流源優(yōu)點(diǎn)：高電流穩(wěn)定度：紋波在μA量級(jí)。高精度溫控：精度在0.001℃量級(jí)。自動(dòng)保護(hù)功能：激光器短路保護(hù)，反接保護(hù)，慢啟動(dòng)保護(hù)，TEC短路保護(hù)，防浪涌保護(hù)。操作簡(jiǎn)便：人性化控制面板設(shè)計(jì)參數(shù)名稱特性指標(biāo)輸出電流量程100mA/300mA可選調(diào)諧精度0.01mA電流紋波<1μA溫控范圍10℃—40℃溫控精度0.001℃功耗小于15W外接電源220V儲(chǔ)存溫度-40~85℃工作溫度-20~65℃TEC工作電壓5V

激光器保護(hù)短路保護(hù)緩啟動(dòng)保護(hù)反接保護(hù)TEC短路保護(hù)防浪涌保護(hù)高精度溫控與低紋波恒流流源優(yōu)點(diǎn)：參數(shù)名稱特性指標(biāo)輸出電流量程9光纖通信對(duì)光源的要求波長(zhǎng)準(zhǔn)：窗口之內(nèi)，符合ITU標(biāo)準(zhǔn)功率高：以滿足系統(tǒng)對(duì)光中繼段距離的要求高可靠：壽命長(zhǎng)，可靠性高單縱模：以減少光纖的材料色散噪聲低:以提高模擬調(diào)制系統(tǒng)的信噪比高線性:以保證模擬調(diào)制不失真。。。。。。光纖通信對(duì)光源的要求波長(zhǎng)準(zhǔn)：窗口之內(nèi)，符合ITU標(biāo)準(zhǔn)10最常用的光源光纖通信中最常用的光源是:

半導(dǎo)體激光器（LD

LaserDiode） 發(fā)光二極管（LEDLightEmittingDiode）尤其是單縱模（或單頻）LD，在高速率、大容量的數(shù)字光纖系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用；近年來逐漸成熟的波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器是多信道WDM光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，越來越受到人們的關(guān)注。pn-junction最常用的光源光纖通信中最常用的光源是:pn-junction11物理基礎(chǔ) 原子的能級(jí)、能帶以及電子躍遷 自發(fā)輻射與受激輻射物理基礎(chǔ) 原子的能級(jí)、能帶以及電子躍遷12能級(jí)(孤立原子）

能級(jí)理論是一種解釋原子核外電子運(yùn)動(dòng)軌道的一種理論。它認(rèn)為電子只能在特定的、分立的軌道上運(yùn)動(dòng)，各個(gè)軌道上的電子具有分立的能量，這些能量值即為能級(jí)。原子核電子高能級(jí)低能級(jí)電子優(yōu)先搶占低能級(jí)能級(jí)(孤立原子）

能級(jí)理論是一種解釋原子核外電子運(yùn)動(dòng)軌道的13N=4N=9能帶(晶體，大量原子陣列）N=4N=9能帶(晶體，大量原子陣列）14能帶理論

能帶結(jié)構(gòu)由多條能帶組成，能帶分為傳導(dǎo)帶（簡(jiǎn)稱導(dǎo)帶）、價(jià)電帶（簡(jiǎn)稱價(jià)帶）和禁帶能帶結(jié)構(gòu)可以解釋導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體三大類區(qū)別的由來討論：金屬，半導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別？能帶理論

能帶結(jié)構(gòu)由多條能帶組成，能帶分為傳導(dǎo)帶（簡(jiǎn)稱導(dǎo)帶15As+4As+5非本征半導(dǎo)體材料：n型摻入第V族元素(如磷P,砷As,銻Sb)后，某些電子受到很弱的束縛，只要很少的能量DED(0.04~0.05eV)就能讓它成為自由電子。這個(gè)電離過程稱為雜質(zhì)電離。施主雜質(zhì)As+4As+5非本征半導(dǎo)體材料：n型摻入第V族元素(如磷P16非本征半導(dǎo)體材料：p型摻入第III族元素(如硼B(yǎng),銦In,鎵Ga,鋁Al)，晶體只需要很少的能量DEA<Eg

就可以產(chǎn)生自由空穴B受主雜質(zhì)非本征半導(dǎo)體材料：p型摻入第III族元素(如硼B(yǎng),銦In,鎵17PN結(jié)濃度的差別導(dǎo)致載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),平衡時(shí)，中間形成一個(gè)特殊的區(qū)域-pn結(jié)，它阻擋了載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，因此也稱為耗盡區(qū)。討論：什么是PN結(jié)？PN結(jié)濃度的差別導(dǎo)致載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),平衡時(shí)，中間形成一個(gè)特18

反向偏壓反向偏壓使耗盡區(qū)加寬擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被抑制，只存在少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)Un型p型耗盡層耗盡層反向偏壓反向偏壓使耗盡區(qū)加寬Un型p型耗盡層耗盡層19

正向偏壓正向偏壓使耗盡區(qū)變窄,使得多數(shù)載流子在結(jié)區(qū)擴(kuò)散Un型p型耗盡層耗盡層導(dǎo)致p型（或者n型）內(nèi)的少數(shù)載流子濃度大大增加。與多數(shù)載流子的復(fù)合是產(chǎn)生光輻射的機(jī)理。正向偏壓正向偏壓使耗盡區(qū)變窄,Un型p型耗盡層耗盡層導(dǎo)致p20電致發(fā)光正向偏壓使pn節(jié)形成一個(gè)增益區(qū)：-導(dǎo)帶主要是電子，價(jià)帶主要是空穴，實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)-大量的導(dǎo)帶電子和價(jià)帶的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射光pn外加正偏壓注入載流子粒子數(shù)反轉(zhuǎn)載流子復(fù)合發(fā)光hv電致發(fā)光正向偏壓使pn節(jié)形成一個(gè)增益區(qū)：pn外加正偏壓21直接帶隙：導(dǎo)帶的最低位置位于價(jià)帶最高位置的正上方；電子空穴復(fù)合伴隨光子的發(fā)射。III-V族元素的合金，典型的如GaAs等。間接帶隙：導(dǎo)帶的最低位置不位于價(jià)帶最高位置的正上方；電子空穴復(fù)合需要聲子的參與，聲子振動(dòng)導(dǎo)致熱能，降低了發(fā)光量子效率。發(fā)光材料的選擇討論：什么是直接帶隙、間接帶隙？直接帶隙：導(dǎo)帶的最低位置位于價(jià)帶最高位置的正上方；電子空穴復(fù)22輻射與躍遷

hE2E1自發(fā)輻射E2E1受激吸收hhE2E1受激輻射hh發(fā)光二極管光電二極管激光器電子可以在不同的軌道間發(fā)生躍遷，電子吸收能量可以從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)或者從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)從而輻射出光子輻射與躍遷

hE2E1自發(fā)輻射E2E1受激吸收hhE23自發(fā)輻射

處于高能級(jí)的粒子，各自分別發(fā)射頻率ν=(E2-E1)/h的光波只與原子本身的性質(zhì)有關(guān)，與外界存在的光子數(shù)無關(guān)各個(gè)處于高能級(jí)的粒子都是自發(fā)地、獨(dú)立地進(jìn)行躍遷，其輻射光子的頻率不同，所以自發(fā)輻射的光的頻率范圍很寬自發(fā)輻射光是由不同頻率、不同相位、不同偏振方向的光子組成，是非相干光，各光子彼此無關(guān)hE2E1自發(fā)輻射自發(fā)輻射

處于高能級(jí)的粒子，各自分別發(fā)射頻率ν=(E2-24受激輻射

處于高能級(jí)E2的粒子受到光子能量為hν的光照射時(shí)，粒子會(huì)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(jí)E1上。出射光與入射光具有相同的波長(zhǎng)、相位、偏振和傳播方向hE2E1受激輻射hh受激輻射

處于高能級(jí)E2的粒子受到光子能量為hν的光照射25光源

發(fā)光二極管LED與激光器laserhE2E1自發(fā)輻射hE2E1受激輻射hh發(fā)光二極管激光器光源

發(fā)光二極管LED與激光器laserhE2E1自發(fā)輻26LED

LED原理

LED特點(diǎn)

LED小結(jié)LED LED原理27發(fā)光二極管LED

基本原理：外加電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，

大量電子-空穴對(duì)的自發(fā)復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光pnLEDiV+-基本結(jié)構(gòu)

面發(fā)光型（SLED），邊發(fā)射型（ELED）發(fā)光二極管LED

基本原理：外加電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，pn28面發(fā)射LED

P(q)=P0cosq載流子注入25mm2.5mm朗伯光半功率光束寬度120?優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)電流小，成本低缺點(diǎn)：發(fā)散角大，耦合效率低面發(fā)射LED

P(q)=P0cosq載流子注入25m29邊發(fā)射LED

優(yōu)點(diǎn)：與面發(fā)光LED比，光出射方向性好缺點(diǎn)：需要較大的驅(qū)動(dòng)電流、發(fā)光功率低載流子注入50~70mm100~150mm30o120o邊發(fā)射LED

優(yōu)點(diǎn)：與面發(fā)光LED比，光出射方向性好載流子30LED的P-I特性

無閾值LED的P-I特性

無閾值31LED的光譜特性

自發(fā)輻射，譜線較寬，幾十到上百nm隨著溫度升高或驅(qū)動(dòng)電流增大，譜線加寬，且峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)LED的光譜特性

自發(fā)輻射，譜線較寬，幾十到上百nm32LED的溫度特性隨溫度升高，量子效率降低，無閾值。LED的溫度特性隨溫度升高，量子效率降低，無閾值。33OpticalPowerOpticalPowerOutput111100InputCurrent(Signal)ttLED數(shù)字調(diào)制SignalLEDiOpticalPowerOpticalPowerOut34LED模擬調(diào)制iisIdcBiasSignalLEDOpticalPowerOpticalPowerInputCurrent(Signal)ttPdcIdciPspIsp0LED模擬調(diào)制iisIdcBiasSignalLEDOpt35LED模擬調(diào)制原理圖LED模擬調(diào)制LED模擬調(diào)制原理圖LED模擬調(diào)制36SourceBandwidthConstraintsThelightsourcelimitsthehighestmodulationfrequencyfortworeasons:Junctionandparasiticcapacitance.

（結(jié)電容和寄生電容）2)

Non-zerocarrierlifetimes.

(載流子壽命)LED調(diào)制帶寬SourceBandwidthConstraintsLE37isPotrttOutputPowerLargeincreasesthepulserisetimetr.Largebroadenstheoutputpulse.InputCurrentThesechargesproducethesephotons.Example:DigitalModulationLED調(diào)制帶寬isPotrttOutputPowerLargein38從電的角度看，光電檢測(cè)器輸出電功率變?yōu)樵瓉硪话?，即系統(tǒng)輸出光電流變?yōu)?.707時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率定義為3-dB帶寬，即電3-dB帶寬TypicalLEDbandwidthsareontheorderof1MHzto100MHz.LED調(diào)制帶寬從電的角度看，光電檢測(cè)器輸出電功率變?yōu)樵瓉硪话?，即系統(tǒng)輸出光39LED的響應(yīng)速度響應(yīng)速度比激光器低邊發(fā)光的LED:300MHz面發(fā)光的LED:17~35MHzLED的響應(yīng)速度響應(yīng)速度比激光器低40LED小結(jié)

特點(diǎn)1）非相干光源，譜線較寬、方向性較差2）無閾值電流，輸出功率基本上與注入電流成正比4）響應(yīng)速度慢，只適用于較低速通信系統(tǒng)5）驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、不需要溫控和功控6）可靠性高、壽命長(zhǎng)、成本低pnLEDiV+-應(yīng)用場(chǎng)合：短距離光纖傳輸，可見光通信LED小結(jié)

特點(diǎn)pnLEDiV+-41

LD

LD基本原理

發(fā)輻射與受激輻射LD LD基本原理42LaserLightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiationLASER原理激光器產(chǎn)生激光的條件是：增益介質(zhì)：增益>損耗泵浦源：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)諧振腔：光反饋相位鎖定，波長(zhǎng)選擇(受激輻射的光放大)泵浦R1R2增益介質(zhì)反射鏡LLaserLASER原理激光器產(chǎn)生激光的條件是：(受激輻射43激光誕生（laser）1917年

愛因斯坦提出“受激輻射”理論，一個(gè)光子使得受激原子發(fā)出一個(gè)相同的光子。1953年

美國(guó)物理學(xué)家CharlesTownes用微波實(shí)現(xiàn)了激光器的前身：微波受激發(fā)射放大（首字母縮寫Maser）1957年 Townes的博士生GordonGould創(chuàng)造了“l(fā)aser”這個(gè)單詞，從理論上指出可以用光激發(fā)原子，產(chǎn)生一束相干光束，之后人們?yōu)槠渖暾?qǐng)了專利1960年

美國(guó)加州Hughes實(shí)驗(yàn)室的TheodoreMaiman實(shí)現(xiàn)了第一束激光激光誕生（laser）1917年 愛因斯坦提出“受激輻射”理44半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點(diǎn)：尺寸小，耦合效率高，響應(yīng)速度快，波長(zhǎng)和尺寸與光纖尺寸適配，可直接調(diào)制，相干性好。按結(jié)構(gòu)分類：F-P激光器、DFB激光器、DBR激光器、量子阱激光器、VCSEL激光器半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點(diǎn)：尺寸小，耦合效率高，響應(yīng)速度45制作激光器的半導(dǎo)體材料禁帶寬度決定了激光器的激射波長(zhǎng)，不同的半導(dǎo)體材料禁帶寬度不同，需要根據(jù)所需波長(zhǎng)范圍選擇材料直接帶隙制作激光器的半導(dǎo)體材料禁帶寬度決定了激光器的激射波長(zhǎng)，不同的46法布里-珀羅（F-P）型激光器F-P型激光器是最常見最簡(jiǎn)單的激光器.由外延生長(zhǎng)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(gè)解理面構(gòu)成。通常為雙異質(zhì)結(jié)型。法布里-珀羅（F-P）型激光器F-P型激光器是最常見最簡(jiǎn)單的47LASER激射過程（FP）將工作物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔(F-P腔)光的產(chǎn)生及方向選擇少數(shù)載流子的自發(fā)輻射產(chǎn)生光子偏離軸向的光子產(chǎn)生后穿出有源區(qū)，得不到放大軸向傳播的光子引發(fā)受激輻射，產(chǎn)生大量相干光子通過來回反射，特定波長(zhǎng)的光最終得到放大，并被輸出法布里－珀羅(F-P)諧振腔LASER激射過程（FP）將工作物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔(F-P48g(·)為增益系數(shù)，為材料損耗系數(shù)。當(dāng)光經(jīng)反射鏡R1和R2反射在腔內(nèi)往返傳播2L回到原點(diǎn)之后，電場(chǎng)分量為：能量為hn的光子的輻射強(qiáng)度E(·)在腔內(nèi)隨傳播距離z變化：諧振腔的光傳播（FP）要能在腔內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩，需要滿足下列關(guān)系：在空間中傳播的光電場(chǎng)分布可以表示為：和光幅度放大光相位同步g(·)為增益系數(shù)，為材料損耗系數(shù)。當(dāng)光經(jīng)反射鏡R49幅度條件相位條件上式表明，激光器只能產(chǎn)生一些離散的波長(zhǎng)。每個(gè)波長(zhǎng)稱為激光器的一個(gè)縱模。相鄰兩波長(zhǎng)(縱模)之間的波長(zhǎng)之差約為：諧振腔的光傳播（FP）幅度條件相位條件上式表明，激光器只能產(chǎn)生一些離散的波長(zhǎng)。每個(gè)50增益譜與F-P腔選頻增益譜F-P腔濾波器F-P的諧振波長(zhǎng)Dl為諧振峰的間隔：F-P自由譜寬頻域采樣增益譜與F-P腔選頻增益譜F-P腔濾波器F-P的諧振波長(zhǎng)Dl51F-P腔激光器工作過程F-P腔激光器工作過程52F-P激光器的限制注入電流不同溫度或電流變化引起跳模F-P激光器在高速調(diào)制（>1Gb/s）下，或在溫度和注入電流變化時(shí)，不再維持原激射模式，而會(huì)出現(xiàn)模式跳躍和譜線展寬，這對(duì)高速應(yīng)用很不利。為了維持單模，減小光譜展寬，需研究動(dòng)態(tài)單模激光器DFBLD及DBRLDF-P激光器的限制注入電流不同溫度或電流變化引起跳模F-P53F-P激光器實(shí)例F-P激光器實(shí)例54半導(dǎo)體激光器的模式特性模式特性首先取決于光腔的三個(gè)線度（橫向、側(cè)向、縱向的尺寸）及介質(zhì)特性。通常腔內(nèi)能存在許多模式，但只有獲得凈增益（滿足閾值條件）的那些模式才能被激勵(lì)，它的頻率才會(huì)出現(xiàn)在輸出光中。在實(shí)際應(yīng)用中，模式的穩(wěn)定性和線寬是對(duì)系統(tǒng)性能影響較大的兩個(gè)參量。分為縱模和橫模半導(dǎo)體激光器的模式特性模式特性首先取決于光腔的三個(gè)線度（橫向55激光器橫模與縱模激光器橫模與縱模56激光器橫模與縱模模式間存在競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致不穩(wěn)定激光器橫模與縱模模式間存在競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致不穩(wěn)定57橫向約束的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)：增益引導(dǎo)型機(jī)制：從頂層一個(gè)窄的條形歐姆接觸區(qū)進(jìn)行載流子注入，改 變有源區(qū)的折射率，從而對(duì)光子形成橫向的約束，能 有效抑制橫模特點(diǎn)：1)輻射功率高，但有2)散光性，且3)工作不穩(wěn)定In(I)1~5mm光強(qiáng)-20°0°20°橫向約束的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)：增益引導(dǎo)型機(jī)制：從頂層一個(gè)窄的條形歐姆58機(jī)制：1)在橫向引入一個(gè)折射率分布實(shí)現(xiàn)對(duì)光模式的限制 2)在橫向?qū)㈦娏鲊?yán)格地限制在有源區(qū)，使得>60%的注 入電流用于發(fā)光特點(diǎn)：輸出光束具有很好的準(zhǔn)直性、能工作在基橫模橫向約束的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)：折射率引導(dǎo)型光強(qiáng)-10°0°10°機(jī)制：1)在橫向引入一個(gè)折射率分布實(shí)現(xiàn)對(duì)光模式的限制橫向約59垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)

閾值電流低(<100mA)，激光純度高；發(fā)光面大、易于耦合；體積小、易于集成（陣列），可應(yīng)用于WDM多波長(zhǎng)系統(tǒng)中垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)60垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)特點(diǎn)：發(fā)光效率高；工作閾值極低；可單縱模也可多縱模工作調(diào)制性能好，高工作速率（最新的已超過40Gb/s）壽命長(zhǎng)；易集成，易測(cè)試，低成本采用二維陣列，可以提供多個(gè)波長(zhǎng)；或用激光器陣列提供大功率輸出光互連，局域網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心p-DBRn-DBRgainmediumcompositemirror1compositemirror2VCSELEquivalentModel垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)特點(diǎn)：p-DBRn-DBRg61垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)62單縱模激光器Dl增益線寬抑制橫模是為了提高光源輸出光束的亮度，同時(shí)減小光斑尺寸。為了將激光器用于高速系統(tǒng)中，還需要對(duì)縱模進(jìn)行約束，即輸出單個(gè)波長(zhǎng)。通過減小腔長(zhǎng)可以實(shí)現(xiàn)單模，但是同時(shí)會(huì)導(dǎo)致增益大大減小，輸出光功率小。單縱模激光器Dl增益線寬抑制橫模是為了提高光源輸出光束的亮度63DFB激光器微觀結(jié)構(gòu)-

L相當(dāng)于F-P激光器的腔長(zhǎng)L，每一個(gè)L形成一個(gè)微型諧振腔-Λ很小使得m階和(m+1)階模之間的波長(zhǎng)間隔比F-P大得多-多個(gè)微型腔級(jí)聯(lián)易實(shí)現(xiàn)選模的同時(shí)保證光束能獲得足夠增益DFB激光器微觀結(jié)構(gòu)-L相當(dāng)于F-P激光器的腔長(zhǎng)L，每一個(gè)64分布反饋（DFB）激光器DFB激光器沒有集總的諧振腔反射鏡，而是靠有源區(qū)波導(dǎo)上的折射率周期性變化的Bragg光柵。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只有波長(zhǎng)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(qiáng)和增長(zhǎng)（波長(zhǎng)選擇，單縱模工作）增益縱模發(fā)射模頻率腔損耗ν0分布反饋（DFB）激光器DFB激光器沒有集總的諧振腔反射65分布Bragg反射型(DBR)激光器（三段式）DBRLD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(gè)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)射出激光分布Bragg反射型(DBR)激光器（三段式）DBRLD的66-DBR激光器是將光柵刻在有源區(qū)兩端-DBR激光器的特點(diǎn)和工作特性與DFB激光器類似，但其閾值電流要比DFB激光器的閾值電流高分布Bragg反射型(DBR)激光器（四段式）-DBR激光器是將光柵刻在有源區(qū)兩端分布Bragg反射型(67外腔激光器（ECL）波長(zhǎng)可調(diào)>50nm外腔激光器（ECL）波長(zhǎng)可調(diào)>50nm68高穩(wěn)頻窄線寬半導(dǎo)體激光器項(xiàng)目支撐：國(guó)家863、民用航天應(yīng)用領(lǐng)域：自由空間激光通信，光纖相干通信，傳感與檢測(cè)產(chǎn)品1：半導(dǎo)體單片集成

線寬：100KHz

頻穩(wěn)：<15MHz/24小時(shí)

可小批量供貨

國(guó)際先進(jìn)水平產(chǎn)品2：光纖半導(dǎo)體集成線寬：<5KHz

頻穩(wěn)：<15MHz/24小時(shí)

可小批量供貨

國(guó)際先進(jìn)水平規(guī)劃：高指標(biāo)，小體積，高可靠性

高穩(wěn)頻窄線寬半導(dǎo)體激光器項(xiàng)目支撐：國(guó)家863、應(yīng)用領(lǐng)域：自由69幾種激光器特點(diǎn)DFB與DBR激光器單縱模振蕩、線性度好、線寬窄（MHz）、穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)單縱模特性好、高速調(diào)制下也保持單模振蕩外腔激光器波長(zhǎng)易調(diào)諧線寬窄，可達(dá)KHz量級(jí)幾種激光器特點(diǎn)DFB與DBR激光器70半導(dǎo)體激光器的工作特性閾值特性效率溫度特性模式特性瞬態(tài)特性半導(dǎo)體激光器的工作特性閾值特性71半導(dǎo)體激光器的閾值特性半導(dǎo)體激光器存在閾值電流Ith,當(dāng)注入電流小于閾值電流時(shí),器件發(fā)出微弱的自發(fā)輻射光，類似于發(fā)光二極管的發(fā)光情況。當(dāng)注入電流超過閾值，器件進(jìn)入受激輻射狀態(tài)時(shí)，光功率輸出迅速增加，輸出功率與注入電流基本保持線性關(guān)系。I<Ith，自發(fā)輻射，發(fā)出的是非相干光I>Ith，受激輻射，發(fā)出的是相干光半導(dǎo)體激光器的閾值特性半導(dǎo)體激光器存在閾值電流Ith,當(dāng)注72Example:WavelengthShift=0.1nm/oCT1=27°CGainCavityResonanceOutputCavityResonanceOutputT2=30°CLD溫度特性Example:WavelengthShift=073LD溫度特性閾值電流隨溫度增加溫控電路溫控對(duì)LD的正常使用至關(guān)重要LD溫度特性閾值電流隨溫度增加溫控對(duì)LD的正常使用至關(guān)重要74LD的溫控設(shè)備LD的溫控設(shè)備75縱模特性1：隨注入電流變化I=67mAP=1.2mWI=75mAP=2.5mWI=100mAP=10mWI=95mAP=6mWI=80mAP=4mW隨著電流增加，主模的增益增加，而邊模的增益減小，縱模數(shù)減少，一個(gè)模式開始占優(yōu)勢(shì)，直到出現(xiàn)單個(gè)窄線寬的光譜為止?？v模特性1：隨注入電流變化I=67mAI=75mAI=10076縱模特性2：隨溫度變化半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)隨結(jié)區(qū)溫度而變化。當(dāng)結(jié)溫升高時(shí)，半導(dǎo)體材料的禁區(qū)帶寬變窄，因而使激光器發(fā)射光譜的峰值波長(zhǎng)移向長(zhǎng)波長(zhǎng)。InGaAsP/InP激光器的發(fā)射波長(zhǎng)隨注入電流漂移的情況，此激光器沒加溫度控制，由于電流的熱效應(yīng)，使結(jié)溫度升高，從而使發(fā)射波長(zhǎng)漂移。縱模特性2：隨溫度變化半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)隨結(jié)區(qū)溫度而變化77縱模特性3：動(dòng)態(tài)譜線展寬動(dòng)態(tài)譜線展寬對(duì)高速光纖通信非常不利，各種動(dòng)態(tài)單模激光器已得到迅速發(fā)展DFBLD及DBRLD。對(duì)激光器進(jìn)行直接強(qiáng)度調(diào)制會(huì)使發(fā)射譜線增寬，振蕩模數(shù)增加。這是因?yàn)閷?duì)激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)，注入電流不斷變化，使有源區(qū)里載流子濃度隨之變化，進(jìn)而導(dǎo)致折射率隨之變化，激光器的諧振頻率發(fā)生漂移，動(dòng)態(tài)譜線展寬。調(diào)制速率越高，調(diào)制電流變化越快，譜線展寬的越多。激光器的發(fā)射光譜隨調(diào)制電流變化的情況縱模特性3：動(dòng)態(tài)譜線展寬動(dòng)態(tài)譜線展寬對(duì)高速光纖通信非常不利，78縱模特性4：線寬縱模特性4：線寬79縱模特性5：相對(duì)強(qiáng)度噪聲任何半導(dǎo)體激光器既使注入恒定的電流，其輸出的光強(qiáng)和相位都有隨機(jī)起伏，即噪聲。幅度的起伏用相對(duì)強(qiáng)度噪聲(RIN，RelativeIntensityNoise)來描述，它定義為相對(duì)輸出光功率的變化的功率譜密度?？v模特性5：相對(duì)強(qiáng)度噪聲任何半導(dǎo)體激光器既使注入恒定的電流，80激光器的封裝依據(jù)工作速率、溫度特性、傳輸距離和封裝成本、大小等因素，可采用不同類型的封裝形式常見的有雙列直插式封裝TO(TransistorOutline)封裝蝶形封裝小型化封裝SFF(smallformfactor)激光器的封裝依據(jù)工作速率、溫度特性、傳輸距離和封裝成本、大小81雙列直插式封裝早期采用的封裝方式雙列直插式封裝早期采用的封裝方式82TO封裝半導(dǎo)體激光器TO封裝是一種典型的同軸器件封裝形式，它具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低的優(yōu)點(diǎn)包括插拔式、和帶尾纖式無法容納半導(dǎo)體制冷器目前，工作速率可達(dá)10Gb/sTO封裝半導(dǎo)體激光器TO封裝是一種典型的同軸器件封裝形式83蝶形封裝14pin蝶形封裝：用于直流工作的激光器，很常見；空間充足，可以容納半導(dǎo)體制冷器7pin蝶形封裝：用于高速直調(diào)激光器；一側(cè)的7個(gè)管腳由高頻連接器替代蝶形封裝14pin蝶形封裝：用于直流工作的激光器，很常見；空84小型化封裝隨著技術(shù)發(fā)展，激光器組件封裝得越來越小，各種封裝形式不斷涌現(xiàn)高頻傳輸線可采用柔性電路板可以將多個(gè)波長(zhǎng)的激光器封裝在一起小型化封裝隨著技術(shù)發(fā)展，激光器組件封裝得越來越小，各種封裝形85

半導(dǎo)體激光器的安全使用堅(jiān)決杜絕靜電，必須帶防靜電手鐲，必須可靠接地半導(dǎo)體激光器的安全使用堅(jiān)決杜絕靜電，必須帶防靜電手鐲86討論激光器的分類與特點(diǎn)？討論激光器的分類與特點(diǎn)？87調(diào)制調(diào)制概念直接調(diào)制特性外調(diào)制特性調(diào)制調(diào)制概念88光源的調(diào)制用待發(fā)送的電信號(hào)控制光載波的某一參量（如光強(qiáng)度等），使之?dāng)y帶發(fā)送信息的過程，也就是完成電/光轉(zhuǎn)換的過程。根據(jù)待調(diào)制的電信號(hào)類型，分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制根據(jù)調(diào)制方式，分為直接調(diào)制和間接調(diào)制（外調(diào)制）光源的調(diào)制用待發(fā)送的電信號(hào)控制光載波的某一參量（如光強(qiáng)度等）89光纖通信光發(fā)射機(jī)課件90內(nèi)（直接）調(diào)制：信息流直接控制激光器的驅(qū)動(dòng)電流(<40GHz)調(diào)制

外調(diào)制：使用調(diào)制器(如MZM)對(duì)輸出的光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制激光器的調(diào)制技術(shù)內(nèi)調(diào)制速率限制：自發(fā)/受激輻射載流子壽命

信號(hào)啁啾內(nèi)（直接）調(diào)制：信息流直接控制激光器的驅(qū)動(dòng)電流(<40G91直接調(diào)制和外調(diào)制直接調(diào)制和外調(diào)制92直接調(diào)制把要傳送的電信號(hào)直接注入半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管，從而獲得相應(yīng)的光信號(hào)主要完成強(qiáng)度調(diào)制，也就是用電信號(hào)控制輸出光的強(qiáng)度簡(jiǎn)單方便，價(jià)格便宜，但動(dòng)態(tài)譜線的展寬嚴(yán)重，不適合高速、長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)（速度現(xiàn)已經(jīng)可以大于40Gb/s?。。┲苯诱{(diào)制把要傳送的電信號(hào)直接注入半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管，從93LD模擬調(diào)制原理圖LD直接調(diào)制AnalogModulationLD模擬調(diào)制原理圖LD直接調(diào)制AnalogModulat94LD數(shù)字調(diào)制原理圖DigitalModulationThedcbias,setjustat(ornear)threshold,makesthedeviceturnonquickerforbinaryones.iisIdcBias

Signal

LD直接調(diào)制LD數(shù)字調(diào)制原理圖DigitalModulationTh95直接調(diào)制技術(shù)：失真1.激射區(qū)線性度不高，將對(duì)信號(hào)帶來諧波失真和互調(diào)失真。2.調(diào)制深度過大，使得DI>IB

將會(huì)部分切除信號(hào)的下半部，這將引起嚴(yán)重的失真。輸入輸出直接調(diào)制技術(shù)：失真1.激射區(qū)線性度不高，將對(duì)信號(hào)帶輸入輸出96半導(dǎo)體激光器的瞬態(tài)特性半導(dǎo)體激光器具有電光轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快、可以進(jìn)行直接調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，被視為光纖通信中的理想光源。但在對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)，激光器往往呈現(xiàn)出復(fù)雜的動(dòng)態(tài)性質(zhì)——光電瞬態(tài)響應(yīng)電光延遲張弛振蕩自脈動(dòng)碼型效應(yīng)結(jié)發(fā)熱效應(yīng)啁啾半導(dǎo)體激光器的瞬態(tài)特性半導(dǎo)體激光器具有電光轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速97電光延遲原因：激光輸出與注入電脈沖之間存在一個(gè)時(shí)間延遲，一般為納秒量級(jí)。上升時(shí)間：從額定功率的10％升到90％所需的時(shí)間下降時(shí)間：從額定功率的90％降到10％所需的時(shí)間電光延遲原因：激光輸出與注入電脈沖之間存在一個(gè)時(shí)間延遲，一般98張弛振蕩/馳豫振蕩當(dāng)注入電流從零快速增大到閾值以上時(shí)，經(jīng)電光延遲后產(chǎn)生激光輸出，并在脈沖頂部出現(xiàn)阻尼振蕩，經(jīng)過幾個(gè)周期后達(dá)到平衡值。采用預(yù)偏置在Ith附近的方法，可減小張弛振蕩張弛振蕩/馳豫振蕩當(dāng)注入電流從零快速增大到閾值以上時(shí)，經(jīng)電光99自脈動(dòng)不同于張弛振蕩，沒有阻尼，脈動(dòng)頻率范圍為0.2~4GHz,容易發(fā)生在閾值附近和P-I特性的扭曲區(qū)。造成自脈動(dòng)的機(jī)理涉及量子噪聲效應(yīng)、有源區(qū)的缺陷及溫度感應(yīng)的變化等因素。抑制這種現(xiàn)象主要靠控制材料的質(zhì)量，盡量減少有源區(qū)的缺陷。自脈動(dòng)不同于張弛振蕩，沒有阻尼，脈動(dòng)頻率范圍為0.2~4GH100碼型效應(yīng)電光延遲導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間連“0”碼后，“1”碼的幅度和寬度減小當(dāng)?shù)谝粋€(gè)電流脈沖過后，存儲(chǔ)在有源區(qū)的電荷以指數(shù)形式衰減，回到初始狀態(tài)有一個(gè)時(shí)間過程，如果調(diào)制速率很高，會(huì)使第二個(gè)電流脈沖到來時(shí)，前一個(gè)電流脈沖注入的電荷并沒有完全復(fù)合消失，有源區(qū)的存儲(chǔ)電荷起到直流預(yù)偏置的作用，于是第二個(gè)光脈沖延遲時(shí)間減小，輸出光脈沖的幅度和寬度增加。消除方法：采用雙脈沖信號(hào)或增加直流偏置電流。電流脈沖光脈沖碼型效應(yīng)電光延遲導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間連“0”碼后，“1”碼的幅度和寬度101結(jié)發(fā)熱效應(yīng)半導(dǎo)體激光器是對(duì)溫度很敏感的器件，不僅環(huán)境溫度的變化會(huì)使激光器的閾值電流以及輸出光功率發(fā)生變化，注入電流的熱效應(yīng)也會(huì)發(fā)生類似的變化——結(jié)發(fā)熱效應(yīng)。是激光器的另一種瞬態(tài)調(diào)制效應(yīng)現(xiàn)象：注入電流導(dǎo)致溫升，進(jìn)而引起閾值電流的變化，從而輸出光功率也發(fā)生變化。在電流脈沖持續(xù)階段，輸出光功率隨時(shí)間而減小；而當(dāng)電流脈沖過后，輸出光功率隨時(shí)間而增加。結(jié)發(fā)熱效應(yīng)半導(dǎo)體激光器是對(duì)溫度很敏感的器件，不僅環(huán)境溫度的變102頻率啁啾LD直接調(diào)制

->改變LD驅(qū)動(dòng)電流

->諧振腔內(nèi)載流子濃度發(fā)生變化

->諧振腔折射率發(fā)生變化

->諧振腔相位條件選頻特性發(fā)生改變

->LD輸出光的中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移 ->頻率啁啾啁啾的直接后果是導(dǎo)致系統(tǒng)色散性能的惡化頻率啁啾LD直接調(diào)制啁啾的直接后果是導(dǎo)致系統(tǒng)色散性能的惡化103啁啾激光二極管的啁啾(Chirp)特性：在直接調(diào)制激光二極管時(shí)，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(huì)發(fā)生波動(dòng)，即在幅度調(diào)制的同時(shí)還受到頻率調(diào)制。帶有頻率啁啾的信號(hào)在單模光纖中傳播時(shí)，在色散作用下，將增大非線性失真。隨著調(diào)制速率增加，啁啾現(xiàn)象愈加嚴(yán)重。啁啾激光二極管的啁啾(Chirp)特性：在直接調(diào)制激光二極管104LD帶寬半導(dǎo)體激光器直接調(diào)制速率的基本限制：自發(fā)輻射載流子壽命、受激載流子壽命、光子壽命光子壽命光子壽命決定了半導(dǎo)體激光器直接調(diào)制速率的上限。LD帶寬半導(dǎo)體激光器直接調(diào)制速率的基本限制：自發(fā)輻射載流子105激光場(chǎng)的張弛振蕩頻率為：直接調(diào)制頻率需小于張弛振蕩頻率。否則，數(shù)字調(diào)制要產(chǎn)生張弛振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)生非線性失真。直接調(diào)制速率限制：張弛振蕩頻率解決的辦法是在LD上持續(xù)加一個(gè)IBias激光場(chǎng)的張弛振蕩頻率為：直接調(diào)制頻率需小于張弛振蕩頻率。否則106直接調(diào)制的偏置電流選擇偏置于閾值附近，可大大減小碼型效應(yīng)和結(jié)發(fā)熱效應(yīng)的影響，大大減小電光延遲時(shí)間，同時(shí)使張馳振蕩得到一定程度的抑制實(shí)驗(yàn)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(fù)擔(dān)。另一方面，加大直流偏置電流將會(huì)使光信號(hào)消光比(EX)惡化，光源消光比將直接影響接收機(jī)靈敏度.注意直流偏置的位置?。。。?！直接調(diào)制的偏置電流選擇偏置于閾值附近，可大大減小碼型效應(yīng)和結(jié)107外調(diào)制直流激光器+外調(diào)制器外調(diào)制器是高速、長(zhǎng)距離光通信的關(guān)鍵器件，也是最重要的集成光學(xué)器件之一。它是通過電壓或電場(chǎng)的變化最終調(diào)控輸出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。調(diào)制信號(hào)啁啾小，可以產(chǎn)生復(fù)雜調(diào)制格式（OFDM,QAM）。目前，調(diào)制速率達(dá)到100Gb/s以上外調(diào)制直流激光器+外調(diào)制器108外調(diào)制器利用的物理效應(yīng)電光效應(yīng)Pockels效應(yīng)（線性電光效應(yīng)，折射率與外電場(chǎng)幅度成線性變化）Kerr效應(yīng)（非線性電光效應(yīng)）聲光效應(yīng)—布拉格效應(yīng)和奈斯效應(yīng)磁光效應(yīng)—法拉弟電磁偏轉(zhuǎn)效應(yīng)Franz–Keldysh效應(yīng)量子約束Stark效應(yīng)載流子色散效應(yīng)…外調(diào)制器利用的物理效應(yīng)電光效應(yīng)109常見的外調(diào)制器材料鈮酸鋰調(diào)制器(富士通)電光效應(yīng)電吸收調(diào)制器，可與激光器集成(EML)Franz–Keldysh效應(yīng)聚合物調(diào)制器（Gigoptix）電光效應(yīng)硅基調(diào)制器載流子色散效應(yīng)等GaAs基調(diào)制器(u2t)常見的外調(diào)制器材料鈮酸鋰調(diào)制器(富士通)110常見的外調(diào)制器結(jié)構(gòu)類型相位調(diào)制器Mach-Zehnder強(qiáng)度調(diào)制器I/Q調(diào)制器產(chǎn)生復(fù)雜調(diào)制格式QPSK,16QAM,…其他集成調(diào)制器并行串行并串結(jié)合PLC-LNSilicon常見的外調(diào)制器結(jié)構(gòu)類型相位調(diào)制器PLC-LNSilicon111鈮酸鋰電光調(diào)制器鈮酸鋰調(diào)制器屬于電光調(diào)制器，其基于鈮酸鋰晶體的線性電光效應(yīng)（也被稱為Pockels效應(yīng)）相比于其他具有電光效應(yīng)的材料，如Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體化合物和有機(jī)聚合物，鈮酸鋰材料由于其損耗低和電光效率高等優(yōu)點(diǎn)而成為制作高速調(diào)制器的首選鈮酸鋰調(diào)制器向著高速、低插損、高調(diào)制效率、高線性度、偏振不敏感、小型化和可集成性等方向發(fā)展鈮酸鋰晶體中一階電光效應(yīng)（或線性電光效應(yīng)）比高階電光效應(yīng)明顯得多，故實(shí)際中利用的是鈮酸鋰調(diào)制器的線性電光效應(yīng)鈮酸鋰電光調(diào)制器鈮酸鋰調(diào)制器屬于電光調(diào)制器，其基于鈮酸鋰晶體112鈮酸鋰電光調(diào)制器在鈮酸鋰調(diào)制器實(shí)際制作中，一般采用金屬元素?cái)U(kuò)散法在鈮酸鋰襯底中需要的位置摻入鈦（Ti）元素。擴(kuò)散了Ti元素的區(qū)域的折射率有所升高約0.01，這樣就恰好滿足了單模傳輸?shù)臈l件，形成一條波導(dǎo)。通常將此種調(diào)制器為波導(dǎo)調(diào)制器，其與單模光纖耦合很容易。實(shí)際調(diào)制器制作中的鈮酸鋰晶體是沿著某些特殊方向切割而成的，通常選取x切和z切鈮酸鋰電光調(diào)制器在鈮酸鋰調(diào)制器實(shí)際制作中，一般采用金屬元素?cái)U(kuò)113相位調(diào)制器用來調(diào)制光載波的相位，一般基于線性電光效應(yīng)為總的相移；為光信號(hào)在相位調(diào)制器內(nèi)傳播而引入的固定相移相位調(diào)制器用來調(diào)制光載波的相位，一般基于線性電光效應(yīng)114Mach-Zehnder強(qiáng)度調(diào)制器（MZM）一個(gè)典型的MZM是基于MZ干涉結(jié)構(gòu)的，可以將相位信息轉(zhuǎn)變?yōu)榉然驈?qiáng)度信息輸入端的Y型分支可以看作是一個(gè)功分器，將輸入光信號(hào)等分成兩路，這兩路光信號(hào)將在分離的兩段光波導(dǎo)中傳播，一般將這兩條支路稱為MZM的兩條“臂”。這兩條臂中至少要有一條被設(shè)計(jì)成電光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，原理類似一個(gè)相位調(diào)制器。位于輸出端的Y型分支的作用是將經(jīng)過兩個(gè)臂后的光信號(hào)合并為一路單模光信號(hào)輸出可以將MZM的兩條臂簡(jiǎn)單地理解為經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)制作而成的兩個(gè)并行的相位調(diào)制器Mach-Zehnder強(qiáng)度調(diào)制器（MZM）一個(gè)典型的MZ115LD的外調(diào)制技術(shù)：馬赫-曾德調(diào)制器00p0PhotonicIntegratedCircuitcombinestunablelaserandopticalmodulator（JDSU公司）LD的外調(diào)制技術(shù)：馬赫-曾德調(diào)制器00p0Photonic外調(diào)與直接調(diào)制對(duì)比調(diào)制器方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)外調(diào)帶寬寬傳輸距離長(zhǎng)功耗高（大于6dB）偏振敏感線性度差直調(diào)線性度好功耗低偏振不敏感帶寬低非線性串?dāng)_傳輸距離短低RIN噪聲窄線寬高功率寬帶高線性穩(wěn)頻窄線寬外調(diào)與直接調(diào)制對(duì)比調(diào)制器方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)外調(diào)帶寬寬功耗高（大于6117第三章：光發(fā)送機(jī)劉建國(guó)中國(guó)科學(xué)院大學(xué)第三章：光發(fā)送機(jī)劉建國(guó)118光纖通信鏈路光發(fā)送機(jī)中繼器光放大器光接收機(jī)光源光纖光纖光纖信源信宿電信號(hào)光信號(hào)光纖通信鏈路光發(fā)送機(jī)中繼器光放大器光接收機(jī)光源光纖光纖光纖信119內(nèi)容提要光發(fā)送機(jī)光源（LED&LD)LD動(dòng)態(tài)特性與調(diào)制內(nèi)容提要光發(fā)送機(jī)120光發(fā)送機(jī)將數(shù)字或者模擬電信號(hào)加載到光波上，并耦合進(jìn)光纖中進(jìn)行傳輸核心器件：光源、調(diào)制器正面背面光發(fā)送機(jī)將數(shù)字或者模擬電信號(hào)加載到光波上，并耦合進(jìn)光纖中進(jìn)行121機(jī)柜和機(jī)架設(shè)備的規(guī)格與標(biāo)準(zhǔn)美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）制定的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜的“19英寸”表示機(jī)柜中安置的機(jī)架式設(shè)備的寬度機(jī)柜內(nèi)設(shè)備安裝所占高度用一個(gè)特殊單位“U”表示；使用19寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜的設(shè)備面板一般都是按nU的規(guī)格制造。1U=44.45mm=1.75英寸沒有1U的機(jī)柜,只有1U的設(shè)備,機(jī)柜6U--47U不等；例如，一臺(tái)42U的機(jī)柜理論上可以安裝42臺(tái)1U高的設(shè)備，但實(shí)際一般放10-20個(gè)正常,因?yàn)樗麄冎g需要間隔散熱機(jī)柜和機(jī)架設(shè)備的規(guī)格與標(biāo)準(zhǔn)美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）制定的工122光發(fā)送機(jī)基本結(jié)構(gòu)防止LD輸出的激光反射，實(shí)現(xiàn)光的單向傳輸保持光源恒定的溫度，保證激光參數(shù)的穩(wěn)定性（波長(zhǎng)）使光源有恒定的光輸出功率數(shù)字或模擬電信號(hào)微波/電接口驅(qū)動(dòng)電路調(diào)制器光隔離器光源功控溫控光發(fā)射機(jī)光發(fā)送機(jī)基本結(jié)構(gòu)防止LD輸出的激光反射，實(shí)現(xiàn)光的單向傳輸保持123光發(fā)送機(jī)中的自動(dòng)溫度控制電路激光器的溫度主要影響發(fā)射波長(zhǎng)控制精度達(dá)到0.01oC波長(zhǎng)穩(wěn)定性達(dá)到200MHz/24小時(shí)激光器熱導(dǎo)制冷器熱敏電阻溫度控制電路光發(fā)送機(jī)中的自動(dòng)溫度控制電路激光器的溫度主要影響發(fā)射波長(zhǎng)激光124光發(fā)送機(jī)中的自動(dòng)功率控制電路由光檢測(cè)器來感應(yīng)激光器后端面輻射光功率的變化，并與參考功率相比較，然后根據(jù)比較結(jié)果自動(dòng)調(diào)整直流偏置電流，最終使光功率峰值保持為一個(gè)穩(wěn)定值。激光器熱導(dǎo)制冷器熱敏電阻溫度控制電路PD自動(dòng)功率控制（APC）電路偏置電流光發(fā)送機(jī)中的自動(dòng)功率控制電路由光檢測(cè)器來感應(yīng)激光器后端面輻射125高精度溫控與低紋波恒流流源優(yōu)點(diǎn)：高電流穩(wěn)定度：紋波在μA量級(jí)。高精度溫控：精度在0.001℃量級(jí)。自動(dòng)保護(hù)功能：激光器短路保護(hù)，反接保護(hù)，慢啟動(dòng)保護(hù)，TEC短路保護(hù)，防浪涌保護(hù)。操作簡(jiǎn)便：人性化控制面板設(shè)計(jì)參數(shù)名稱特性指標(biāo)輸出電流量程100mA/300mA可選調(diào)諧精度0.01mA電流紋波<1μA溫控范圍10℃—40℃溫控精度0.001℃功耗小于15W外接電源220V儲(chǔ)存溫度-40~85℃工作溫度-20~65℃TEC工作電壓5V

激光器保護(hù)短路保護(hù)緩啟動(dòng)保護(hù)反接保護(hù)TEC短路保護(hù)防浪涌保護(hù)高精度溫控與低紋波恒流流源優(yōu)點(diǎn)：參數(shù)名稱特性指標(biāo)輸出電流量程126光纖通信對(duì)光源的要求波長(zhǎng)準(zhǔn)：窗口之內(nèi)，符合ITU標(biāo)準(zhǔn)功率高：以滿足系統(tǒng)對(duì)光中繼段距離的要求高可靠：壽命長(zhǎng)，可靠性高單縱模：以減少光纖的材料色散噪聲低:以提高模擬調(diào)制系統(tǒng)的信噪比高線性:以保證模擬調(diào)制不失真。。。。。。光纖通信對(duì)光源的要求波長(zhǎng)準(zhǔn)：窗口之內(nèi)，符合ITU標(biāo)準(zhǔn)127最常用的光源光纖通信中最常用的光源是:

半導(dǎo)體激光器（LD

LaserDiode） 發(fā)光二極管（LEDLightEmittingDiode）尤其是單縱模（或單頻）LD，在高速率、大容量的數(shù)字光纖系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用；近年來逐漸成熟的波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器是多信道WDM光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，越來越受到人們的關(guān)注。pn-junction最常用的光源光纖通信中最常用的光源是:pn-junction128物理基礎(chǔ) 原子的能級(jí)、能帶以及電子躍遷 自發(fā)輻射與受激輻射物理基礎(chǔ) 原子的能級(jí)、能帶以及電子躍遷129能級(jí)(孤立原子）

能級(jí)理論是一種解釋原子核外電子運(yùn)動(dòng)軌道的一種理論。它認(rèn)為電子只能在特定的、分立的軌道上運(yùn)動(dòng)，各個(gè)軌道上的電子具有分立的能量，這些能量值即為能級(jí)。原子核電子高能級(jí)低能級(jí)電子優(yōu)先搶占低能級(jí)能級(jí)(孤立原子）

能級(jí)理論是一種解釋原子核外電子運(yùn)動(dòng)軌道的130N=4N=9能帶(晶體，大量原子陣列）N=4N=9能帶(晶體，大量原子陣列）131能帶理論

能帶結(jié)構(gòu)由多條能帶組成，能帶分為傳導(dǎo)帶（簡(jiǎn)稱導(dǎo)帶）、價(jià)電帶（簡(jiǎn)稱價(jià)帶）和禁帶能帶結(jié)構(gòu)可以解釋導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體三大類區(qū)別的由來討論：金屬，半導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別？能帶理論

能帶結(jié)構(gòu)由多條能帶組成，能帶分為傳導(dǎo)帶（簡(jiǎn)稱導(dǎo)帶132As+4As+5非本征半導(dǎo)體材料：n型摻入第V族元素(如磷P,砷As,銻Sb)后，某些電子受到很弱的束縛，只要很少的能量DED(0.04~0.05eV)就能讓它成為自由電子。這個(gè)電離過程稱為雜質(zhì)電離。施主雜質(zhì)As+4As+5非本征半導(dǎo)體材料：n型摻入第V族元素(如磷P133非本征半導(dǎo)體材料：p型摻入第III族元素(如硼B(yǎng),銦In,鎵Ga,鋁Al)，晶體只需要很少的能量DEA<Eg

就可以產(chǎn)生自由空穴B受主雜質(zhì)非本征半導(dǎo)體材料：p型摻入第III族元素(如硼B(yǎng),銦In,鎵134PN結(jié)濃度的差別導(dǎo)致載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),平衡時(shí)，中間形成一個(gè)特殊的區(qū)域-pn結(jié)，它阻擋了載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，因此也稱為耗盡區(qū)。討論：什么是PN結(jié)？PN結(jié)濃度的差別導(dǎo)致載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),平衡時(shí)，中間形成一個(gè)特135

反向偏壓反向偏壓使耗盡區(qū)加寬擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被抑制，只存在少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)Un型p型耗盡層耗盡層反向偏壓反向偏壓使耗盡區(qū)加寬Un型p型耗盡層耗盡層136

正向偏壓正向偏壓使耗盡區(qū)變窄,使得多數(shù)載流子在結(jié)區(qū)擴(kuò)散Un型p型耗盡層耗盡層導(dǎo)致p型（或者n型）內(nèi)的少數(shù)載流子濃度大大增加。與多數(shù)載流子的復(fù)合是產(chǎn)生光輻射的機(jī)理。正向偏壓正向偏壓使耗盡區(qū)變窄,Un型p型耗盡層耗盡層導(dǎo)致p137電致發(fā)光正向偏壓使pn節(jié)形成一個(gè)增益區(qū)：-導(dǎo)帶主要是電子，價(jià)帶主要是空穴，實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)-大量的導(dǎo)帶電子和價(jià)帶的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射光pn外加正偏壓注入載流子粒子數(shù)反轉(zhuǎn)載流子復(fù)合發(fā)光hv電致發(fā)光正向偏壓使pn節(jié)形成一個(gè)增益區(qū)：pn外加正偏壓138直接帶隙：導(dǎo)帶的最低位置位于價(jià)帶最高位置的正上方；電子空穴復(fù)合伴隨光子的發(fā)射。III-V族元素的合金，典型的如GaAs等。間接帶隙：導(dǎo)帶的最低位置不位于價(jià)帶最高位置的正上方；電子空穴復(fù)合需要聲子的參與，聲子振動(dòng)導(dǎo)致熱能，降低了發(fā)光量子效率。發(fā)光材料的選擇討論：什么是直接帶隙、間接帶隙？直接帶隙：導(dǎo)帶的最低位置位于價(jià)帶最高位置的正上方；電子空穴復(fù)139輻射與躍遷

hE2E1自發(fā)輻射E2E1受激吸收hhE2E1受激輻射hh發(fā)光二極管光電二極管激光器電子可以在不同的軌道間發(fā)生躍遷，電子吸收能量可以從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)或者從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)從而輻射出光子輻射與躍遷

hE2E1自發(fā)輻射E2E1受激吸收hhE140自發(fā)輻射

處于高能級(jí)的粒子，各自分別發(fā)射頻率ν=(E2-E1)/h的光波只與原子本身的性質(zhì)有關(guān)，與外界存在的光子數(shù)無關(guān)各個(gè)處于高能級(jí)的粒子都是自發(fā)地、獨(dú)立地進(jìn)行躍遷，其輻射光子的頻率不同，所以自發(fā)輻射的光的頻率范圍很寬自發(fā)輻射光是由不同頻率、不同相位、不同偏振方向的光子組成，是非相干光，各光子彼此無關(guān)hE2E1自發(fā)輻射自發(fā)輻射

處于高能級(jí)的粒子，各自分別發(fā)射頻率ν=(E2-141受激輻射

處于高能級(jí)E2的粒子受到光子能量為hν的光照射時(shí)，粒子會(huì)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(jí)E1上。出射光與入射光具有相同的波長(zhǎng)、相位、偏振和傳播方向hE2E1受激輻射hh受激輻射

處于高能級(jí)E2的粒子受到光子能量為hν的光照射142光源

發(fā)光二極管LED與激光器laserhE2E1自發(fā)輻射hE2E1受激輻射hh發(fā)光二極管激光器光源

發(fā)光二極管LED與激光器laserhE2E1自發(fā)輻143LED

LED原理

LED特點(diǎn)

LED小結(jié)LED LED原理144發(fā)光二極管LED

基本原理：外加電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，

大量電子-空穴對(duì)的自發(fā)復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光pnLEDiV+-基本結(jié)構(gòu)

面發(fā)光型（SLED），邊發(fā)射型（ELED）發(fā)光二極管LED

基本原理：外加電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，pn145面發(fā)射LED

P(q)=P0cosq載流子注入25mm2.5mm朗伯光半功率光束寬度120?優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)電流小，成本低缺點(diǎn)：發(fā)散角大，耦合效率低面發(fā)射LED

P(q)=P0cosq載流子注入25m146邊發(fā)射LED

優(yōu)點(diǎn)：與面發(fā)光LED比，光出射方向性好缺點(diǎn)：需要較大的驅(qū)動(dòng)電流、發(fā)光功率低載流子注入50~70mm100~150mm30o120o邊發(fā)射LED

優(yōu)點(diǎn)：與面發(fā)光LED比，光出射方向性好載流子147LED的P-I特性

無閾值LED的P-I特性

無閾值148LED的光譜特性

自發(fā)輻射，譜線較寬，幾十到上百nm隨著溫度升高或驅(qū)動(dòng)電流增大，譜線加寬，且峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)LED的光譜特性

自發(fā)輻射，譜線較寬，幾十到上百nm149LED的溫度特性隨溫度升高，量子效率降低，無閾值。LED的溫度特性隨溫度升高，量子效率降低，無閾值。150OpticalPowerOpticalPowerOutput111100InputCurrent(Signal)ttLED數(shù)字調(diào)制SignalLEDiOpticalPowerOpticalPowerOut151LED模擬調(diào)制iisIdcBiasSignalLEDOpticalPowerOpticalPowerInputCurrent(Signal)ttPdcIdciPspIsp0LED模擬調(diào)制iisIdcBiasSignalLEDOpt152LED模擬調(diào)制原理圖LED模擬調(diào)制LED模擬調(diào)制原理圖LED模擬調(diào)制153SourceBandwidthConstraintsThelightsourcelimitsthehighestmodulationfrequencyfortworeasons:Junctionandparasiticcapacitance.

（結(jié)電容和寄生電容）2)

Non-zerocarrierlifetimes.

(載流子壽命)LED調(diào)制帶寬SourceBandwidthConstraintsLE154isPotrttOutputPowerLargeincreasesthepulserisetimetr.Largebroadenstheoutputpulse.InputCurrentThesechargesproducethesephotons.Example:DigitalModulationLED調(diào)制帶寬isPotrttOutputPowerLargein155從電的角度看，光電檢測(cè)器輸出電功率變?yōu)樵瓉硪话?，即系統(tǒng)輸出光電流變?yōu)?.707時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率定義為3-dB帶寬，即電3-dB帶寬TypicalLEDbandwidthsareontheorderof1MHzto100MHz.LED調(diào)制帶寬從電的角度看，光電檢測(cè)器輸出電功率變?yōu)樵瓉硪话耄聪到y(tǒng)輸出光156LED的響應(yīng)速度響應(yīng)速度比激光器低邊發(fā)光的LED:300MHz面發(fā)光的LED:17~35MHzLED的響應(yīng)速度響應(yīng)速度比激光器低157LED小結(jié)

特點(diǎn)1）非相干光源，譜線較寬、方向性較差2）無閾值電流，輸出功率基本上與注入電流成正比4）響應(yīng)速度慢，只適用于較低速通信系統(tǒng)5）驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、不需要溫控和功控6）可靠性高、壽命長(zhǎng)、成本低pnLEDiV+-應(yīng)用場(chǎng)合：短距離光纖傳輸，可見光通信LED小結(jié)

特點(diǎn)pnLEDiV+-158

LD

LD基本原理

發(fā)輻射與受激輻射LD LD基本原理159LaserLightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiationLASER原理激光器產(chǎn)生激光的條件是：增益介質(zhì)：增益>損耗泵浦源：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)諧振腔：光反饋相位鎖定，波長(zhǎng)選擇(受激輻射的光放大)泵浦R1R2增益介質(zhì)反射鏡LLaserLASER原理激光器產(chǎn)生激光的條件是：(受激輻射160激光誕生（laser）1917年

愛因斯坦提出“受激輻射”理論，一個(gè)光子使得受激原子發(fā)出一個(gè)相同的光子。1953年

美國(guó)物理學(xué)家CharlesTownes用微波實(shí)現(xiàn)了激光器的前身：微波受激發(fā)射放大（首字母縮寫Maser）1957年 Townes的博士生GordonGould創(chuàng)造了“l(fā)aser”這個(gè)單詞，從理論上指出可以用光激發(fā)原子，產(chǎn)生一束相干光束，之后人們?yōu)槠渖暾?qǐng)了專利1960年

美國(guó)加州Hughes實(shí)驗(yàn)室的TheodoreMaiman實(shí)現(xiàn)了第一束激光激光誕生（laser）1917年 愛因斯坦提出“受激輻射”理161半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點(diǎn)：尺寸小，耦合效率高，響應(yīng)速度快，波長(zhǎng)和尺寸與光纖尺寸適配，可直接調(diào)制，相干性好。按結(jié)構(gòu)分類：F-P激光器、DFB激光器、DBR激光器、量子阱激光器、VCSEL激光器半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點(diǎn)：尺寸小，耦合效率高，響應(yīng)速度162制作激光器的半導(dǎo)體材料禁帶寬度決定了激光器的激射波長(zhǎng)，不同的半導(dǎo)體材料禁帶寬度不同，需要根據(jù)所需波長(zhǎng)范圍選擇材料直接帶隙制作激光器的半導(dǎo)體材料禁帶寬度決定了激光器的激射波長(zhǎng)，不同的163法布里-珀羅（F-P）型激光器F-P型激光器是最常見最簡(jiǎn)單的激光器.由外延生長(zhǎng)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(gè)解理面構(gòu)成。通常為雙異質(zhì)結(jié)型。法布里-珀羅（F-P）型激光器F-P型激光器是最常見最簡(jiǎn)單的164LASER激射過程（FP）將工作物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔(F-P腔)光的產(chǎn)生及方向選擇少數(shù)載流子的自發(fā)輻射產(chǎn)生光子偏離軸向的光子產(chǎn)生后穿出有源區(qū)，得不到放大軸向傳播的光子引發(fā)受激輻射，產(chǎn)生大量相干光子通過來回反射，特定波長(zhǎng)的光最終得到放大，并被輸出法布里－珀羅(F-P)諧振腔LASER激射過程（FP）將工作物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔(F-P165g(·)為增益系數(shù)，為材料損耗系數(shù)。當(dāng)光經(jīng)反射鏡R1和R2反射在腔內(nèi)往返傳播2L回到原點(diǎn)之后，電場(chǎng)分量為：能量為hn的光子的輻射強(qiáng)度E(·)在腔內(nèi)隨傳播距離z變化：諧振腔的光傳播（FP）要能在腔內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩，需要滿足下列關(guān)系：在空間中傳播的光電場(chǎng)分布可以表示為：和光幅度放大光相位同步g(·)為增益系數(shù)，為材料損耗系數(shù)。當(dāng)光經(jīng)反射鏡R166幅度條件相位條件上式表明，激光器只能產(chǎn)生一些離散的波長(zhǎng)。每個(gè)波長(zhǎng)稱為激光器的一個(gè)縱模。相鄰兩波長(zhǎng)(縱模)之間的波長(zhǎng)之差約為：諧振腔的光傳播（FP）幅度條件相位條件上式表明，激光器只能產(chǎn)生一些離散的波長(zhǎng)。每個(gè)167增益譜與F-P腔選頻增益譜F-P腔濾波器F-P的諧振波長(zhǎng)Dl為諧振峰的間隔：F-P自由譜寬頻域采樣增益譜與F-P腔選頻增益譜F-P腔濾波器F-P的諧振波長(zhǎng)Dl168F-P腔激光器工作過程F-P腔激光器工作過程169F-P激光器的限制注入電流不同溫度或電流變化引起跳模F-P激光器在高速調(diào)制（>1Gb/s）下，或在溫度和注入電流變化時(shí)，不再維持原激射模式，而會(huì)出現(xiàn)模式跳躍和譜線展寬，這對(duì)高速應(yīng)用很不利。為了維持單模，減小光譜展寬，需研究動(dòng)態(tài)單模激光器DFBLD及DBRLDF-P激光器的限制注入電流不同溫度或電流變化引起跳模F-P170F-P激光器實(shí)例F-P激光器實(shí)例171半導(dǎo)體激光器的模式特性模式特性首先取決于光腔的三個(gè)線度（橫向、側(cè)向、縱向的尺寸）及介質(zhì)特性。通常腔內(nèi)能存在許多模式，但只有獲得凈增益（滿足閾值條件）的那些模式才能被激勵(lì)，它的頻率才會(huì)出現(xiàn)在輸出光中。在實(shí)際應(yīng)用中，模式的穩(wěn)定性和線寬是對(duì)系統(tǒng)性能影響較大的兩個(gè)參量。分為縱模和橫模半導(dǎo)體激光器的模式特性模式特性首先取決于光腔的三個(gè)線度（橫向172激光器橫模與縱模激光器橫模與縱模173激光器橫模與縱模模式間存在競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致不穩(wěn)定激光器橫模與縱模模式間存在競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致不穩(wěn)定174橫向約束的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)：增益引導(dǎo)型機(jī)制：從頂層一個(gè)窄的條形歐姆接觸區(qū)進(jìn)行載流子注入，改 變有源區(qū)的折射率，從而對(duì)光子形成橫向的約束，能 有效抑制橫模特點(diǎn)：1)輻射功率高，但有2)散光性，且3)工作不穩(wěn)定In(I)1~5mm光強(qiáng)-20°0°20°橫向約束的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)：增益引導(dǎo)型機(jī)制：從頂層一個(gè)窄的條形歐姆175機(jī)制：1)在橫向引入一個(gè)折射率分布實(shí)現(xiàn)對(duì)光模式的限制 2)在橫向?qū)㈦娏鲊?yán)格地限制在有源區(qū)，使得>60%的注 入電流用于發(fā)光特點(diǎn)：輸出光束具有很好的準(zhǔn)直性、能工作在基橫模橫向約束的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)：折射率引導(dǎo)型光強(qiáng)-10°0°10°機(jī)制：1)在橫向引入一個(gè)折射率分布實(shí)現(xiàn)對(duì)光模式的限制橫向約176垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)

閾值電流低(<100mA)，激光純度高；發(fā)光面大、易于耦合；體積小、易于集成（陣列），可應(yīng)用于WDM多波長(zhǎng)系統(tǒng)中垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)177垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)特點(diǎn)：發(fā)光效率高；工作閾值極低；可單縱模也可多縱模工作調(diào)制性能好，高工作速率（最新的已超過40Gb/s）壽命長(zhǎng)；易集成，易測(cè)試，低成本采用二維陣列，可以提供多個(gè)波長(zhǎng)；或用激光器陣列提供大功率輸出光互連，局域網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心p-DBRn-DBRgainmediumcompositemirror1compositemirror2VCSELEquivalentModel垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)特點(diǎn)：p-DBRn-DBRg178垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)179單縱模激光器Dl增益線寬抑制橫模是為了提高光源輸出光束的亮度，同時(shí)減小光斑尺寸。為了將激光器用于高速系統(tǒng)中，還需要對(duì)縱模進(jìn)行約束，即輸出單個(gè)波長(zhǎng)。通過減小腔長(zhǎng)可以實(shí)現(xiàn)單模，但是同時(shí)會(huì)導(dǎo)致增益大大減小，輸出光功率小。單縱模激光器Dl增益線寬抑制橫模是為了提高光源輸出光束的亮度180DFB激光器微觀結(jié)構(gòu)-

L相當(dāng)于F-P激光器的腔長(zhǎng)L，每一個(gè)L形成一個(gè)微型諧振腔-Λ很小使得m階和(m+1)階模之間的波長(zhǎng)間隔比F-P大得多-多個(gè)微型腔級(jí)聯(lián)易實(shí)現(xiàn)選模的同時(shí)保證光束能獲得足夠增益DFB激光器微觀結(jié)構(gòu)-L相當(dāng)于F-P激光器的腔長(zhǎng)L，每一個(gè)181分布反饋（DFB）激光器DFB激光器沒有集總的諧振腔反射鏡，而是靠有源區(qū)波導(dǎo)上的折射率周期性變化的Bragg光柵。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只有波長(zhǎng)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(qiáng)和增長(zhǎng)（波長(zhǎng)選擇，單縱模工作）增益縱模發(fā)射模頻率腔損耗ν0分布反饋（DFB）激光器DFB激光器沒有集總的諧振腔反射182分布Bragg反射型(DBR)激光器（三段式）DBRLD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(gè)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)射出激光分布Bragg反射型(DBR)激光器（三段式）DBRLD的183-DBR激光器是將光柵刻在有源區(qū)兩端-DBR激光器的特點(diǎn)和工作特性與DFB激光器類似，但其閾值電流要比DFB激光器的閾值電流高分布Bragg反射型(DBR)激光器（四段式）-DBR激光器是將光柵刻在有源區(qū)兩端分布Bragg反射型(184外腔激光器（ECL）波長(zhǎng)可調(diào)>50nm外腔激光器（ECL）波長(zhǎng)可調(diào)>50nm185高穩(wěn)頻窄線寬半導(dǎo)體激光器項(xiàng)目支撐：國(guó)家863、民用航天應(yīng)用領(lǐng)域：自由空間激光通信，光纖相干通信，傳感與檢測(cè)產(chǎn)品1：半導(dǎo)體單片集成

線寬：100KHz

頻穩(wěn)：<15MHz/24小時(shí)

可小批量供貨

國(guó)際先進(jìn)水平產(chǎn)品2：光纖半導(dǎo)體集成線寬：<5KHz

頻穩(wěn)：<15MHz/24小時(shí)

可小批量供貨

國(guó)際先進(jìn)水平規(guī)劃：高指標(biāo)，小體積，高可靠性

高穩(wěn)頻窄線寬半導(dǎo)體激光器項(xiàng)目支撐：國(guó)家863、應(yīng)用領(lǐng)域：自由186幾種激光器特點(diǎn)DFB與DBR激光器單縱模振蕩、線性度好、線寬窄（MHz）、穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)單縱模特性好、高速調(diào)制下也保持單模振蕩外腔激光器波長(zhǎng)易調(diào)諧線寬窄，可達(dá)KHz量級(jí)幾種激光器特點(diǎn)DFB與DBR激光器187半導(dǎo)體激光器的工作特性閾值特性效率溫度特性模式特性瞬態(tài)特性半導(dǎo)體激光器的工作特性閾值特性188半導(dǎo)體激光器的閾值特性半導(dǎo)體激光器存在閾值電流Ith,當(dāng)注入電流小于閾值電流時(shí),器件發(fā)出微弱的自發(fā)輻射光，類似于發(fā)光二極管的發(fā)光情況。當(dāng)注入電流超過閾值，器件進(jìn)入受激輻射狀態(tài)時(shí)，光功率輸出迅速增加，輸出功率與注入電流基本保持線性關(guān)系。I<Ith，自發(fā)輻射，發(fā)出的是非相干光I>Ith，受激輻射，發(fā)出的是相干光半導(dǎo)體激光器的閾值特性半導(dǎo)體激光器存在閾值電流Ith,當(dāng)注189Example:WavelengthShift=0.1nm/oCT1=27°CG