第4章光源和光发射机.ppt

第4章光源和光发射机.ppt

《第4章光源和光发射机.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第4章光源和光发射机.ppt（43页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

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。

StimulatedEmissionandPhotonAmplification,Laser=LightAmplificationbyStimulatedEmissionorRadiation,3featuresofstimulatedemission:

（1）1photonin,2photonsoutlightamplification

（2）emittedphotoninthesamedirectionastheincomingphoton（3）emittedphotoninphase（coherent）withtheincomingphotonBesidesstimulatedemission,needtwomoreconditionstomakelasers:

（1）populationinversion

（2）metastablestate（long-livedstate）-ahigherenergystateinwhiche-canstayforamuchlongertimethaninanordinaryexcitedstate（10-3secvs.10-8sec）atwo-levelsystemcannotsustainlaser,PrincipleofRubyLaser,CharacteristicsofLaser,半导体激光器的工作原理,PopulationInversioninHomojunctionLaserDiodeDegeneratelydopeddirectbandgapp-njunctiondiode-EFnEc,EFpEg-populationinversionatthejunctionincomingphononhv=Eginactiveregion-morelikelytocausestimulatedemissionthanbeingabsorbed-opticalgain,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,OpticalGainCoefficient,iflightintensitydecreasesalongxduetoabsorption-lightintensityexp（-x）,:

absorptioncoef.iflightintensityincreasesalongx:

-lightintensityexp（gx）g:

opticalgaincoefficient（opticalgainperunitlength）,ThresholdGain,+,=,+,=,=,2,1,int,mir,int,cav,th,1,ln,2,1,R,R,L,g,a,a,a,a,PumpRateandoutputpower,PhaseCondition,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,ThresholdCurrent,pumpingmechanism:

forwarddiodecurrentatI=Itrans（transparencycurrent）-stimulatedemissionbalancescounterabsorptionatIIth（thresholdcurrent）-opticalgaingreachedgth-opticalgainovercomephotonlossesfromthecavity-opticalgainreachedgth-lasingemissionJthinhomojunctionlaserdiodeistoohighforpracticaluses（canoperateonlyatverylowtemp.）,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=10m，d=0.2m,L=100400m,HeterostructureLaserDiodes,ToreduceIth-needbetter

（1）carrierconfinement

（2）photonconfinementImprovedcarrierconfinementinDHstructure-easiertoachievepopulationinversioninnarrowEgactivelayer-IthNrrowEgsemiconductorusuallyhashigherrefractiveindex-betterphotonconfinementinnarrowEgactiveregion-photonconc.-stimulatedemissionrate-IthAvantageoftheAIGaAsDHlaser-latticematchedtosubstrate,DFB激光器,DFBLD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DFBLD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4.6.61.3mDFB激光器实测的小信号调制响应,图4.6.61.3mDFB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调制波形的前提条件：

响应速度快、输出波形好的调制电路。

数字调制有编码电路，模拟调制没有编码电路，其它结构完全相同。

复用电路：

时分复用、频分复用、波分复用等。

光功率控制（AGC）电路：

发送光的一部分反馈到光源的输出功率稳定电路。

自动温度控制（ATC）电路：

因为输出光功率与温度有关，所以对温度进行控制。

直接调制光发射机,模拟信号对LD调制,数字信号对LD调制,作业,4.34.74.11,