第4章光源和光发射机.ppt
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第第44章章光源和光发射机光源和光发射机4.14.1概述概述4.24.2发光机理发光机理4.34.3半导体激光器半导体激光器4.44.4波长可调半导体激光器波长可调半导体激光器4.54.5垂直腔表面发射激光器垂直腔表面发射激光器4.64.6半导体激光器的特性半导体激光器的特性4.74.7高速光发射机高速光发射机内容要求内容要求光纤通信对光源的要求v光源发射的峰值波长,应在光纤低损耗窗口之内光源发射的峰值波长,应在光纤低损耗窗口之内;v有有足足够够高高的的、稳稳定定的的输输出出光光功功率率,以以满满足足系系统统对对光光中中继继段段距离的要求距离的要求;v电光转换效率高,驱动功率低,寿命长,可靠性高电光转换效率高,驱动功率低,寿命长,可靠性高;v单单色色性性和和方方向向性性好好,以以减减少少光光纤纤的的材材料料色色散散,提提高高光光源源和和光纤的耦合效率;光纤的耦合效率;v易易于于调调制制,响响应应速速度度快快,以以利利于于高高速速率率、大大容容量量数数字字信信号号的传输的传输;v强度噪声要小,以提高模拟调制系统的信噪比强度噪声要小,以提高模拟调制系统的信噪比;v光光强强对对驱驱动动电电流流的的线线性性要要好好,以以保保证证有有足足够够多多的的模模拟拟调调制制信道。
信道。
常用的调制方法最常用的光源v光纤通信中最常用的光源是光纤通信中最常用的光源是:
半导体激光器(半导体激光器(LDLD)发光二极管(发光二极管(LEDLED)v尤尤其其是是单单纵纵模模(或或单单频频)LDLD,在在高高速速率率、大大容容量量的的数数字字光光纤系统中得到广泛应用;纤系统中得到广泛应用;v近近年年来来逐逐渐渐成成熟熟的的波波长长可可调调谐谐激激光光器器是是多多信信道道WDMWDM光光纤纤通通信系统的关键器件,越来越受到人们的关注。
信系统的关键器件,越来越受到人们的关注。
StimulatedEmissionandPhotonAmplificationvLaser=LightAmplificationbyStimulatedEmissionorRadiation,v3featuresofstimulatedemission:
(1)1photonin,2photonsoutlightamplification
(2)emittedphotoninthesamedirectionastheincomingphoton(3)emittedphotoninphase(coherent)withtheincomingphotonvBesidesstimulatedemission,needtwomoreconditionstomakelasers:
(1)populationinversion
(2)metastablestate(long-livedstate)-ahigherenergystateinwhiche-canstayforamuchlongertimethaninanordinaryexcitedstate(10-3secvs.10-8sec)vatwo-levelsystemcannotsustainlaserPrincipleofRubyLaserCharacteristicsofLaserCharacteristicsofLaser半导体激光器的工作原理PopulationInversioninHomojunctionLaserDiodeuDegeneratelydopeddirectbandgapp-njunctiondiode-EFnEc,EFpEg-populationinversionatthejunctionuincomingphononhv=Eginactiveregion-morelikelytocausestimulatedemissionthanbeingabsorbed-opticalgain半导体激光器的工作原理LD的工作原理4.2.34.2.3激光器起振的阈值条件受激发射使腔体受激发射使腔体增益增益=腔体损耗腔体损耗OpticalGainCoefficientOpticalGainCoefficientuiflightintensitydecreasesalongxduetoabsorption-lightintensityexp(-x),:
absorptioncoef.uiflightintensityincreasesalongx:
-lightintensityexp(gx)g:
opticalgaincoefficient(opticalgainperunitlength)ThresholdGainThresholdGain+=+=21intmirintcavth1ln21RRLgaaaaPumpRateandoutputpowerPumpRateandoutputpowerPhaseConditionPhaseCondition多纵模(多频)激光器v谐振腔长度谐振腔长度LL比波长大很多比波长大很多F-PF-P腔内的纵模数量腔内的纵模数量自由光谱区自由光谱区相应的波长间隔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光在谐振腔里建立稳定振荡的条件v在在半半导导体体激激光光器器里里,由由两两个个起起反反射射镜镜作作用用的的晶晶体体解解理理面面构构成成的的法法布布里里珀珀罗罗谐谐振振腔腔,它它把把光光束束闭闭锁锁在在腔腔体体内内,使使之之来回反馈。
来回反馈。
v当当受受激激发发射射使使腔腔体体得得到到的的放放大大增增益益等等于于腔腔体体损损耗耗时时(阈阈值值条条件件),并并且且谐谐振振腔腔内内的的前前向向和和后后向向光光波波发发生生相相干干时时(相相干干条条件件),就就保保持持振振荡荡,形形成成等等相相面面和和腔腔体体端端面面平平行行的的驻驻波波,然然后后穿穿透透谐谐振振腔腔的的两两个个端端面面,输输出出谱谱线线很很窄窄的的相相干干光光束。
束。
4.34.3半导体激光器半导体激光器器件结构器件结构v异质结半导体激光器异质结半导体激光器v量子限制激光器量子限制激光器v分布反馈激光器分布反馈激光器(DFB)(DFB)v垂直腔表面发射激光器垂直腔表面发射激光器(VCSEL)(VCSEL)器件结构器件结构同质结LDThresholdCurrentThresholdCurrentvpumpingmechanism:
forwarddiodecurrentvatI=Itrans(transparencycurrent)-stimulatedemissionbalancescounterabsorptionvatIIth(thresholdcurrent)-opticalgaingreachedgth-opticalgainovercomephotonlossesfromthecavity-opticalgainreachedgth-lasingemissionvJthinhomojunctionlaserdiodeistoohighforpracticaluses(canoperateonlyatverylowtemp.)4.3.1异质结半导体激光器p异质结异质结LD-LD-提高提高LDLD的功率和效率,降低阈值电流的功率和效率,降低阈值电流p异质结异质结:
两种材料(两种材料(GaAsGaAs+GaAlAsGaAlAs)构成的)构成的P-NP-N结结p双异质结构双异质结构:
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。
质材料包围。
p结构结构:
光纤波导的折射率分布,限制了光波泄漏,阈值电流降低,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。
发热减轻,可在室温下连续工作。
p通常通常w=w=1010mm,dd=0.2=0.2m,m,LL=100400=100400mmHeterostructureHeterostructureLaserDiodesLaserDiodesToreduceIth-needbetter
(1)carrierconfinement
(2)photonconfinementvImprovedcarrierconfinementinDHstructure-easiertoachievepopulationinversioninnarrowEgactivelayer-IthvNrrowEgsemiconductorusuallyhashigherrefractiveindex-betterphotonconfinementinnarrowEgactiveregion-photonconc.-stimulatedemissionrate-IthvAvantageoftheAIGaAsDHlaser-latticematchedtosubstrateDFB激光器vDFBLDDFBLD的谐振腔损耗与模式有关,即对不同的纵模具有不同的损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。
耗。
v这是通过改进结构设计,使这是通过改进结构设计,使DFBLDDFBLD内部具有一个对波长有选择性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。
荡。
DBR激光器vDBRDBR激光器除有源区外,还在紧靠其右側增加了一段分布式激光器除有源区外,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。
布拉格反射器,它起着衍射光栅的作用。
vDBRDBR激光器的输出是反射光相长干涉的结果。
只有当波长等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于两倍光栅间距时,反射波才相互加强,发生相长干涉。
时,反射波才相互加强,发生相长干涉。
例如当部分反射波例如当部分反射波AA和和BB具有路程差具有路程差22时,它们才发时,它们才发生相长干涉。
生相长干涉。
LDLD实物实物4.64.6半导体激光器的特性半导体激光器的特性v4.6.1半导体激光器的基本特性v4.6.2模式特性v4.6.3调制响应v4.6.4半导体激光器噪声温度特性温度特性激光器的自动温度控制v安装在热电致冷器上的热敏电阻,其阻抗与温度有关,它构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,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。
它的致冷效果与施加的电流成线性关系。
v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。
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v半导体激光器的模式半导体激光器的模式特性可分成纵模和横特性可分成纵模和横模两种模两种v纵模决定频谱特性纵模决定频谱特性v横模特性决定光场的横模特性决定光场的空间特性,即横模决空间特性,即横模决定近场特性(在激光定近场特性(在激光器表面)和远场特性器表面)和远场特性(近场的富里叶变换)(近场
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- 光源 发射机