程控交換與光纖通信3.1

1、第第 3 章章 通信用光器通信用光器 3.1 光源光源 3.2 光檢測(cè)器光檢測(cè)器 3.3 光無源器件光無源器件第第 3 章章 通信用光器件通信用光器件通信用光器件可以分為通信用光器件可以分為有源器件有源器件和和無源器件無源器件兩種類兩種類型。型。 有源器件包括有源器件包括光源、光檢測(cè)器和光放大器，這些器光源、光檢測(cè)器和光放大器，這些器件是光發(fā)射機(jī)、件是光發(fā)射機(jī)、 光接收機(jī)和光中繼器的關(guān)鍵器件，光接收機(jī)和光中繼器的關(guān)鍵器件，和光纖一起決定著基本光纖傳輸系統(tǒng)的水平。和光纖一起決定著基本光纖傳輸系統(tǒng)的水平。光無源器件主要有光無源器件主要有連接器、耦合器、波分復(fù)用器、連接器、耦合器、波分復(fù)用器、調(diào)制器

2、、光開關(guān)和隔離器等，這些器件對(duì)光纖通信調(diào)制器、光開關(guān)和隔離器等，這些器件對(duì)光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴(kuò)展和性能的提高都是不可缺系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴(kuò)展和性能的提高都是不可缺少的。少的。3.1光源光源光源是光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵器件，其功能是把電信號(hào)光源是光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵器件，其功能是把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。目前光纖通信廣泛使用的光源主要有目前光纖通信廣泛使用的光源主要有半導(dǎo)體激光半導(dǎo)體激光二極管二極管 (LD)和半導(dǎo)體發(fā)光二極管和半導(dǎo)體發(fā)光二極管 (LED)， 有些場(chǎng)有些場(chǎng)合也使用固體激光器，例如摻釹釔鋁石榴石合也使用固體激光器，例如摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光器。激光器。 3.1.1半

3、導(dǎo)體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu) 受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 有源器件的物理基礎(chǔ)是光和物質(zhì)相互作用的效應(yīng)。有源器件的物理基礎(chǔ)是光和物質(zhì)相互作用的效應(yīng)。1. 在物質(zhì)的原子中，存在許多能級(jí)，最低能級(jí)在物質(zhì)的原子中，存在許多能級(jí)，最低能級(jí)E1稱為稱為基態(tài)基態(tài)，能量比基態(tài)大的能級(jí)，能量比基態(tài)大的能級(jí)Ei(i=2, 3, 4 )稱稱為為激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)。電子在低能級(jí)。電子在低能級(jí)E1的基態(tài)和高能級(jí)的基態(tài)和高能級(jí)E2的的激發(fā)態(tài)之間的躍遷有三種基本方式激發(fā)態(tài)之間的躍遷有三種基本方式(見圖見圖3.1)： 圖圖 3.1能級(jí)和電子躍遷能級(jí)和電子躍遷 (a) 受激吸收；受

4、激吸收； (b) 自發(fā)輻射；自發(fā)輻射； (c) 受激輻射受激輻射 hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1(a)(b)hf12(c)hf12hf12 (1) 在正常狀態(tài)下，電子處于低能級(jí)在正常狀態(tài)下，電子處于低能級(jí)E1，在入射光，在入射光作用下，它會(huì)吸收光子的能量躍遷到高能級(jí)作用下，它會(huì)吸收光子的能量躍遷到高能級(jí)E2上，這上，這種躍遷稱為受激吸收。電子躍遷后，在低能級(jí)留下相種躍遷稱為受激吸收。電子躍遷后，在低能級(jí)留下相同數(shù)目的空穴，見圖同數(shù)目的空穴，見圖3.1(a)。 (2) 在高能級(jí)在高能級(jí)E2的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用，的作用， 也會(huì)自動(dòng)地躍遷到低能級(jí)也會(huì)自

5、動(dòng)地躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，上與空穴復(fù)合，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射，見圖輻射，見圖3.1(b)。 (3) 在高能級(jí)在高能級(jí)E2的電子，受到入射光的作用，被迫躍的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級(jí)遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量產(chǎn)生光輻射，上與空穴復(fù)合，釋放的能量產(chǎn)生光輻射，這種躍遷稱為受激輻射，見圖這種躍遷稱為受激輻射，見圖3.1(c)。 受激輻射是受激吸收的逆過程。受激輻射是受激吸收的逆過程。 電子在電子在E1和和E2兩個(gè)能級(jí)之間躍遷，吸收的光子能量或輻射的光子能兩個(gè)能級(jí)之間躍遷，吸收的光子能量或輻射的

6、光子能量都要滿足波爾條件，即量都要滿足波爾條件，即E2-E1=hf12 (3.1)式中，式中，h=6.62810-34Js，為普朗克常數(shù)，為普朗克常數(shù)，f12為吸收為吸收或輻射的光子頻率?；蜉椛涞墓庾宇l率。 受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的光的特點(diǎn)很不相同。受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的光的特點(diǎn)很不相同。受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干光。射光相同，這種光稱為相干光。自發(fā)輻射光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產(chǎn)自發(fā)輻射光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產(chǎn)生的，其頻率和方向分布在一定范圍內(nèi)，相位和偏生的，其頻率和方向分布在一定范圍

7、內(nèi)，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱為非相干光。振態(tài)是混亂的，這種光稱為非相干光。如果如果N1N2，即受激吸收大于受激輻射。當(dāng)光通過，即受激吸收大于受激輻射。當(dāng)光通過這種物質(zhì)時(shí)，光強(qiáng)按指數(shù)衰減，這種物質(zhì)時(shí)，光強(qiáng)按指數(shù)衰減， 這種物質(zhì)稱為這種物質(zhì)稱為吸收吸收物質(zhì)物質(zhì)。 如果如果N2N1，即受激輻射大于受激吸收，當(dāng)光通過，即受激輻射大于受激吸收，當(dāng)光通過這種物質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱為這種物質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱為激活激活物質(zhì)物質(zhì)。N2N1的分布，和正常狀態(tài)的分布，和正常狀態(tài)(N1N2)的分布相的分布相反，所以反，所以稱為粒子稱為粒子(電子電子)數(shù)反轉(zhuǎn)分布。數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 如何得到粒

8、子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)：如何得到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)：PN結(jié)上加正向電結(jié)上加正向電壓壓。 3. 激光振蕩和光學(xué)諧振腔激光振蕩和光學(xué)諧振腔 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生受激輻射的必要條粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生受激輻射的必要條件件，但還不能產(chǎn)生激光。只有把激活物質(zhì)置于光，但還不能產(chǎn)生激光。只有把激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，對(duì)光的學(xué)諧振腔中，對(duì)光的頻率和方向頻率和方向進(jìn)行選擇，才能進(jìn)行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。 基本的光學(xué)諧振腔由兩個(gè)反射率分別為基本的光學(xué)諧振腔由兩個(gè)反射率分別為R1和和R2的的平行反射鏡構(gòu)成平行反射鏡構(gòu)成 (如圖如圖3.4所示所示)，并被稱為，并被稱為法布

9、里法布里 - 珀珀羅羅(Fabry-Perot,FP)諧振腔諧振腔。 由于諧振腔內(nèi)的激活物質(zhì)具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，由于諧振腔內(nèi)的激活物質(zhì)具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，可以用它產(chǎn)生的自發(fā)輻射光作為入射光。入射光經(jīng)反可以用它產(chǎn)生的自發(fā)輻射光作為入射光。入射光經(jīng)反射鏡反射，沿軸線方向傳播的光被放大，沿非軸線方射鏡反射，沿軸線方向傳播的光被放大，沿非軸線方向的光被減弱。反射光經(jīng)多次反饋，不斷得到放大，向的光被減弱。反射光經(jīng)多次反饋，不斷得到放大，方向性得到不斷改善，結(jié)果增益大幅度得到提高。方向性得到不斷改善，結(jié)果增益大幅度得到提高。 圖圖 3.4激光器的構(gòu)成和工作原理激光器的構(gòu)成和工作原理 (a) 激光振蕩；激光

10、振蕩； (b) 光反饋光反饋 2n反射鏡光的振幅反射鏡L(a)初始位置光光強(qiáng)輸出OXL(b)另一方面，由于諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)存在吸收，另一方面，由于諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)存在吸收， 反射鏡存在反射鏡存在透射和散射，因此光受到一定損耗。當(dāng)增益和損耗相當(dāng)時(shí)，透射和散射，因此光受到一定損耗。當(dāng)增益和損耗相當(dāng)時(shí)， 在諧振腔內(nèi)開始建立穩(wěn)定的激光振蕩，在諧振腔內(nèi)開始建立穩(wěn)定的激光振蕩， 其其閾值條件閾值條件為為 th=+ 211ln21RRL 式中，式中，th為閾值增益系數(shù)，為閾值增益系數(shù)，為諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗為諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù)，系數(shù)，L為諧振腔的長(zhǎng)度為諧振腔的長(zhǎng)度,R1，R21為兩個(gè)反射鏡的反射率

11、為兩個(gè)反射鏡的反射率.激激光振蕩的相位條件光振蕩的相位條件為為qnLnqL22或 式中，式中，為激光波長(zhǎng)，為激光波長(zhǎng)，n為激活物質(zhì)的折射率，為激活物質(zhì)的折射率，q=1, 2, 3 稱為縱模模數(shù)。稱為縱模模數(shù)。 4. 半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu) 圖圖3.5示出的雙異質(zhì)結(jié)示出的雙異質(zhì)結(jié)(DH)平面條形結(jié)構(gòu)。平面條形結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)中間有一層厚結(jié)構(gòu)中間有一層厚0.10.3 m的窄帶隙的窄帶隙P型半導(dǎo)型半導(dǎo)體，稱為體，稱為有源層有源層；兩側(cè)分別為寬帶隙的；兩側(cè)分別為寬帶隙的P型和型和N型半導(dǎo)體，型半導(dǎo)體， 稱為稱為限制層限制層。三層半導(dǎo)體置于基片。三層半導(dǎo)體置于基片(襯底襯底)上，前后兩個(gè)晶體

12、解理面作為反射鏡構(gòu)成上，前后兩個(gè)晶體解理面作為反射鏡構(gòu)成法布里法布里 - 珀羅珀羅(FP)諧振腔。諧振腔。 3.1.2半導(dǎo)體激光器的主要特性半導(dǎo)體激光器的主要特性 1. 發(fā)射波長(zhǎng)和光譜特性發(fā)射波長(zhǎng)和光譜特性 半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)取決于導(dǎo)帶的電子躍遷到價(jià)帶半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)取決于導(dǎo)帶的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)所釋放的能量，這個(gè)能量近似等于禁帶寬度時(shí)所釋放的能量，這個(gè)能量近似等于禁帶寬度Eg(eV)，由式，由式(3.1)得到得到 hf=Eg式中，式中，f=c/，f(Hz)和和(m)分別為發(fā)射光的頻率和波長(zhǎng)，分別為發(fā)射光的頻率和波長(zhǎng)， c=3108m/s為光速，為光速，h=6.62810-34JS為普

13、朗克常數(shù)，為普朗克常數(shù)，1 eV=1.610-19 J，代入上式得到，代入上式得到ggEEhc24. 1 不同半導(dǎo)體材料有不同的禁帶寬度不同半導(dǎo)體材料有不同的禁帶寬度Eg，因而有不，因而有不同的發(fā)射波長(zhǎng)同的發(fā)射波長(zhǎng)。鎵鋁砷鎵鋁砷 -鎵砷鎵砷(GaAlAs-GaAs)材料適材料適用于用于0.85 m波段，銦鎵砷磷波段，銦鎵砷磷 - 銦磷銦磷(InGaAsP-InP)材材料適用于料適用于1.31.55 m波段波段。 圖圖 3.7GaAlAs-DH激光器的光譜特性激光器的光譜特性 (a) 直流驅(qū)動(dòng)直流驅(qū)動(dòng)I=100mAI=85mAI=80mAI=75mAI=40mAI=35mAI=30mAI=25m

14、AI=0mA光譜特性光譜特性在直流驅(qū)動(dòng)下，發(fā)射光波長(zhǎng)有一定分布，在直流驅(qū)動(dòng)下，發(fā)射光波長(zhǎng)有一定分布，譜線具有明譜線具有明顯的模式結(jié)構(gòu)顯的模式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生是因?yàn)樵诓煌芗?jí)之。這種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生是因?yàn)樵诓煌芗?jí)之間電子的躍遷會(huì)產(chǎn)生連續(xù)波長(zhǎng)的輻射光，間電子的躍遷會(huì)產(chǎn)生連續(xù)波長(zhǎng)的輻射光，其中只有符其中只有符合激光振蕩的相位條件式合激光振蕩的相位條件式(3.5)的波長(zhǎng)存在。的波長(zhǎng)存在。 這些波這些波長(zhǎng)取決于激光器縱向長(zhǎng)度長(zhǎng)取決于激光器縱向長(zhǎng)度L，并稱為激光器的縱模。，并稱為激光器的縱模。 由圖由圖3.7(a)可見，隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加，縱模模數(shù)逐可見，隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加，縱模模數(shù)逐漸減少，漸減少， 譜

15、線寬度變窄。譜線寬度變窄。這種變化是由于諧振腔對(duì)這種變化是由于諧振腔對(duì)光波頻率和方向的選擇，使邊模消失、主模增益增加光波頻率和方向的選擇，使邊模消失、主模增益增加而產(chǎn)生的。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流足夠大時(shí)，多縱模變?yōu)閱慰v模，而產(chǎn)生的。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流足夠大時(shí)，多縱模變?yōu)閱慰v模，這種激光器稱為靜態(tài)單縱模激光器。這種激光器稱為靜態(tài)單縱模激光器。圖圖3.7(b)是是300 Mb/s數(shù)字調(diào)制的光譜特性，數(shù)字調(diào)制的光譜特性， 由圖可由圖可見，見，隨著調(diào)制電流增大，縱模模數(shù)增多，譜線寬度隨著調(diào)制電流增大，縱模模數(shù)增多，譜線寬度變寬變寬。用用FP諧振腔可以得到的是直流驅(qū)動(dòng)的靜態(tài)單縱模激諧振腔可以得到的是直流驅(qū)動(dòng)的靜態(tài)單縱模激光

16、器，要得到光器，要得到高速數(shù)字調(diào)制的動(dòng)態(tài)單縱模激光器高速數(shù)字調(diào)制的動(dòng)態(tài)單縱模激光器，必須改變激光器的結(jié)構(gòu)，例如采用分布反饋激光器必須改變激光器的結(jié)構(gòu)，例如采用分布反饋激光器就可達(dá)到目的。就可達(dá)到目的。 2. 激光束的空間分布激光束的空間分布 激光束的空間分布用近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)來描述。激光束的空間分布用近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)來描述。近場(chǎng)近場(chǎng)是是指激光器輸出反射鏡面上的光強(qiáng)分布，指激光器輸出反射鏡面上的光強(qiáng)分布，遠(yuǎn)場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)是指離反是指離反射鏡面一定距離處的光強(qiáng)分布。射鏡面一定距離處的光強(qiáng)分布。 圖圖 3.8 GaAlAs-DH條形激光器的近場(chǎng)圖條形激光器的近場(chǎng)圖 W10 m20 m20 m30 m30 m50 m10

17、 m近場(chǎng)圖樣0.1rad遠(yuǎn)場(chǎng)圖樣圖圖3.8是是GaAlAs-DH激光器的近場(chǎng)圖和遠(yuǎn)場(chǎng)圖激光器的近場(chǎng)圖和遠(yuǎn)場(chǎng)圖.近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)是由諧振腔近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)是由諧振腔(有源區(qū)有源區(qū))的橫向尺寸，即平的橫向尺寸，即平行于行于PN結(jié)平面的寬度結(jié)平面的寬度w和垂直于結(jié)平面的厚度和垂直于結(jié)平面的厚度t所決所決定，并稱為激光器的定，并稱為激光器的橫模橫模。由圖由圖3.8可以看出，平行于結(jié)平面的諧振腔寬度可以看出，平行于結(jié)平面的諧振腔寬度w由由寬變窄，場(chǎng)圖呈現(xiàn)出由多橫模變?yōu)閱螜M模；垂直于寬變窄，場(chǎng)圖呈現(xiàn)出由多橫模變?yōu)閱螜M模；垂直于結(jié)平面的諧振腔厚度結(jié)平面的諧振腔厚度t很薄，這個(gè)方向的場(chǎng)圖總是單很薄，這個(gè)方向的場(chǎng)圖總是單橫

18、模。橫模。 3. 轉(zhuǎn)換效率和輸出光功率特性轉(zhuǎn)換效率和輸出光功率特性激光器的電激光器的電/光轉(zhuǎn)換效率用外光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率微分量子效率d表示，表示，其定義是在閾值電流以上，每對(duì)復(fù)合載流子產(chǎn)生的其定義是在閾值電流以上，每對(duì)復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)光子數(shù)。)(edhfththIIpphfeIpeIIhfppththd/ )(/ )(由此得到由此得到 激光器的光功率特性通常用激光器的光功率特性通常用P -I曲線表示，曲線表示，圖圖3.10是典型激光器的光功率特性曲線。是典型激光器的光功率特性曲線。 當(dāng)當(dāng)IIth時(shí)，發(fā)出的是受激輻射光，光功率隨驅(qū)時(shí)，發(fā)出的是受激輻射光，光功率隨驅(qū)動(dòng)電流的增加而增加

19、。動(dòng)電流的增加而增加。 圖 3.10典型半導(dǎo)體激光器的光功率特性 (a) 短波長(zhǎng)AlGaAs/GaAs; (b) 長(zhǎng)波長(zhǎng)InGaAsP/InP 1098765432100 20 40 60 80工作電流I / mA單面輸出功率P / mW3.53.02.52.01.51.00.50050100150Ith工作電流I / mA輸出功率P / mW(a)(b) 4. 頻率特性頻率特性 在直接光強(qiáng)調(diào)制下，在直接光強(qiáng)調(diào)制下， 激光器輸出光功率激光器輸出光功率P和調(diào)制頻率和調(diào)制頻率f的關(guān)系如圖的關(guān)系如圖3-11.0.010.11100.1110100fr調(diào)制頻率f / GHz相對(duì)光功率圖圖3.11示出半

20、導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性。弛張示出半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性。弛張頻率頻率fr是調(diào)制頻率的上限，一般激光器的是調(diào)制頻率的上限，一般激光器的fr為為12 GHz。在接近在接近fr處，數(shù)字調(diào)制要產(chǎn)生弛張振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)處，數(shù)字調(diào)制要產(chǎn)生弛張振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)生非線性失真。生非線性失真。 5. 溫度特性溫度特性l 對(duì)于線性良好的激光器，輸出光功率特性圖對(duì)于線性良好的激光器，輸出光功率特性圖3.10所示。所示。l 激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個(gè)原因：激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個(gè)原因： 一是激光器的閾值電流一是激光器的閾值電流Ith隨溫度升高而增大，隨溫度升高而增大，二是外微分量子效

21、率二是外微分量子效率d隨溫度升高而減小。溫度隨溫度升高而減小。溫度升高時(shí)，升高時(shí)，Ith增大，增大，d減小，減小， 輸出光功率明顯下降，輸出光功率明顯下降，達(dá)到一定溫度時(shí)，激光器就不激射了。達(dá)到一定溫度時(shí)，激光器就不激射了。圖 3.12 P I曲線隨溫度的變化 22304050607080P / mW54321050100I / mA不激射 3.1.3分布反饋激光器分布反饋激光器 普通激光器用普通激光器用FP諧振腔兩端的反射鏡，對(duì)激活物諧振腔兩端的反射鏡，對(duì)激活物質(zhì)發(fā)出的輻射光進(jìn)行反饋，質(zhì)發(fā)出的輻射光進(jìn)行反饋，DFB激光器用靠近有源層激光器用靠近有源層沿長(zhǎng)度方向制作的周期性結(jié)構(gòu)沿長(zhǎng)度方向制作的

22、周期性結(jié)構(gòu)(波紋狀波紋狀)衍射光柵實(shí)現(xiàn)衍射光柵實(shí)現(xiàn)光反饋。這種衍射光柵的折射率周期性變化，使光沿光反饋。這種衍射光柵的折射率周期性變化，使光沿有源層分布式反饋，所以稱為分布反饋激光器。有源層分布式反饋，所以稱為分布反饋激光器。 圖 3.13分布反饋(DFB)激光器 (a) 結(jié)構(gòu)； (b) 光反饋 衍射光柵有源層N層P層輸出光光柵有源層ba(a)(b)l如圖如圖3.13所示，由有源層發(fā)射的光，從一個(gè)方向向所示，由有源層發(fā)射的光，從一個(gè)方向向另一個(gè)方向傳播時(shí)，一部分在光柵波紋峰反射另一個(gè)方向傳播時(shí)，一部分在光柵波紋峰反射(如光線如光線a)， 另一部分繼續(xù)向前傳播，在鄰近的光柵波紋峰反另一部分繼續(xù)向

23、前傳播，在鄰近的光柵波紋峰反射射(如光線如光線b)。l如果光線如果光線a和和b匹配，相互疊加，則產(chǎn)生更強(qiáng)的反饋，匹配，相互疊加，則產(chǎn)生更強(qiáng)的反饋，而其他波長(zhǎng)的光將相互抵消。而其他波長(zhǎng)的光將相互抵消。l雖然每個(gè)波紋峰反射的光不大，雖然每個(gè)波紋峰反射的光不大， 但整個(gè)光柵有成百但整個(gè)光柵有成百上千個(gè)波紋峰，反饋光的總量足以產(chǎn)生激光振蕩。上千個(gè)波紋峰，反饋光的總量足以產(chǎn)生激光振蕩。 DFB激光器與激光器與FP激光器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：激光器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)： 單縱模激光器。單縱模激光器。 l由于由于FP諧振腔的長(zhǎng)度較長(zhǎng)諧振腔的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，導(dǎo)致縱模間隔小，相鄰，導(dǎo)致縱模間隔小，相鄰縱模間的增益差別小，

24、因此要得到單縱模振蕩非常困縱模間的增益差別小，因此要得到單縱模振蕩非常困難。難。lDFB激光器的發(fā)射光譜主要由光柵周期激光器的發(fā)射光譜主要由光柵周期決定決定。相當(dāng)于相當(dāng)于FP激光器的腔長(zhǎng)激光器的腔長(zhǎng)L，每一個(gè)，每一個(gè)形成一個(gè)微型諧形成一個(gè)微型諧振腔。振腔。l由于由于的長(zhǎng)度很小，所以的長(zhǎng)度很小，所以m階和階和(m+1)階模之間的波階模之間的波長(zhǎng)間隔比長(zhǎng)間隔比FP腔大得多，加之多個(gè)微型腔的選模作用，腔大得多，加之多個(gè)微型腔的選模作用，很容易設(shè)計(jì)成只有一個(gè)模式就能獲得足夠的增益。很容易設(shè)計(jì)成只有一個(gè)模式就能獲得足夠的增益。 譜線窄，譜線窄， 波長(zhǎng)穩(wěn)定性好。波長(zhǎng)穩(wěn)定性好。 由于由于DFB激光器的每一個(gè)

25、柵距激光器的每一個(gè)柵距相當(dāng)于一個(gè)相當(dāng)于一個(gè)FP腔，腔，所以布喇格反射可以看作多級(jí)調(diào)諧，使得諧振波長(zhǎng)的所以布喇格反射可以看作多級(jí)調(diào)諧，使得諧振波長(zhǎng)的選擇性大大提高，選擇性大大提高， 譜線明顯變窄，可以窄到幾個(gè)譜線明顯變窄，可以窄到幾個(gè)GHz。 由于光柵的作用有助于使發(fā)射波長(zhǎng)鎖定在諧振波由于光柵的作用有助于使發(fā)射波長(zhǎng)鎖定在諧振波長(zhǎng)上，因而波長(zhǎng)的穩(wěn)定性得以改善。長(zhǎng)上，因而波長(zhǎng)的穩(wěn)定性得以改善。 動(dòng)態(tài)譜線好。動(dòng)態(tài)譜線好。 DFB激光器在高速調(diào)制時(shí)也能保持單模特性，這是激光器在高速調(diào)制時(shí)也能保持單模特性，這是FP激光器無法比擬的。盡管激光器無法比擬的。盡管DFB激光器在高速調(diào)制時(shí)激光器在高速調(diào)制時(shí)存在存

26、在,譜線有一定展寬，但比譜線有一定展寬，但比FP激光器的動(dòng)態(tài)譜線的展激光器的動(dòng)態(tài)譜線的展寬要改善一個(gè)數(shù)量級(jí)左右。寬要改善一個(gè)數(shù)量級(jí)左右。啁啾啁啾:對(duì)于處于直接強(qiáng)度調(diào)制狀態(tài)下的單縱模激光器，對(duì)于處于直接強(qiáng)度調(diào)制狀態(tài)下的單縱模激光器，其載流子的密度隨著注入電流的變化而變化。這樣使其載流子的密度隨著注入電流的變化而變化。這樣使得有源區(qū)的折射率指數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致激光器諧得有源區(qū)的折射率指數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致激光器諧振腔的光通路長(zhǎng)度相應(yīng)變化，結(jié)果致使震蕩波長(zhǎng)隨著振腔的光通路長(zhǎng)度相應(yīng)變化，結(jié)果致使震蕩波長(zhǎng)隨著時(shí)間發(fā)生偏移，這就是啁啾現(xiàn)象時(shí)間發(fā)生偏移，這就是啁啾現(xiàn)象 線性好。線性好。 DFB激光器的線性

27、非常好，激光器的線性非常好， 因此廣泛用于模因此廣泛用于模擬調(diào)制的有線電視光纖傳輸系統(tǒng)中。擬調(diào)制的有線電視光纖傳輸系統(tǒng)中。3.1.4發(fā)光二極管發(fā)光二極管l 發(fā)光二極管發(fā)光二極管(LED)的工作原理與激光器的工作原理與激光器(LD)有所不有所不同，同， LD發(fā)射的是受激輻射光，發(fā)射的是受激輻射光，LED發(fā)射的是自發(fā)輻發(fā)射的是自發(fā)輻射光射光。lLED的結(jié)構(gòu)和的結(jié)構(gòu)和LD相似，大多是采用雙異質(zhì)結(jié)相似，大多是采用雙異質(zhì)結(jié)(DH)芯片，把有源層夾在芯片，把有源層夾在P型和型和N型限制層中間，不同的型限制層中間，不同的是是LED不需要光學(xué)諧振腔，不需要光學(xué)諧振腔， 沒有閾值。沒有閾值。 圖圖 3.14兩類

28、發(fā)光二極管兩類發(fā)光二極管(LED) (a) 正面發(fā)光型；正面發(fā)光型； (b) 側(cè)面發(fā)光型側(cè)面發(fā)光型 球 透 鏡環(huán) 氧 樹 脂P層n層有 源 層發(fā) 光 區(qū)微 透 鏡P型 限 制 層n型 限 制 層有 源 層波 導(dǎo) 層l發(fā)光二極管有兩種類型：一類是正面發(fā)光型發(fā)光二極管有兩種類型：一類是正面發(fā)光型LED， 另一類是另一類是側(cè)面發(fā)光型側(cè)面發(fā)光型LED，其結(jié)構(gòu)示于圖，其結(jié)構(gòu)示于圖3.14。l和正面發(fā)光型和正面發(fā)光型LED相比，側(cè)面發(fā)光型相比，側(cè)面發(fā)光型LED驅(qū)動(dòng)電流較大，輸驅(qū)動(dòng)電流較大，輸出光功率較小出光功率較小， 但由于光束輻射角較小，與光纖的耦合效率但由于光束輻射角較小，與光纖的耦合效率較高，因而較

29、高，因而入纖光功率比正面發(fā)光型入纖光功率比正面發(fā)光型LED大大。 和激光器相比，發(fā)光二極管輸出光功率較小，譜線寬度較和激光器相比，發(fā)光二極管輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低。但發(fā)光二極管寬，調(diào)制頻率較低。但發(fā)光二極管性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，輸出性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，輸出光功率線性范圍寬光功率線性范圍寬，而且制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。因此，而且制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。因此， 這種器件在這種器件在小容量短距離系統(tǒng)小容量短距離系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。中發(fā)揮了重要作用。 發(fā)光二極管具有如下工作特性：發(fā)光二極管具有如下工作特性： 圖 3.15 LED光譜特性 1300波長(zhǎng) / nm70 nm相對(duì)光強(qiáng)(1)

30、光譜特性。光譜特性。 發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光，發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光， 沒有諧振腔對(duì)波長(zhǎng)的選沒有諧振腔對(duì)波長(zhǎng)的選擇，擇，譜線較寬譜線較寬，如圖，如圖3.15。一般短波長(zhǎng)。一般短波長(zhǎng)GaAlAs-GaAs LED譜線寬譜線寬度為度為3050 nm，長(zhǎng)波，長(zhǎng)波InGaAsP-InP LED譜線寬度為譜線寬度為60120 nm。(2) 光束的空間分布。光束的空間分布。 在垂直于發(fā)光平面上，在垂直于發(fā)光平面上， 正面發(fā)光型正面發(fā)光型LED輻射圖輻射圖呈朗伯分布，呈朗伯分布， 即即P()=P0 cos，半功率點(diǎn)輻射角，半功率點(diǎn)輻射角 1 2 0 。 側(cè) 面 發(fā) 光 型。 側(cè) 面 發(fā) 光 型 L E D ， 1 2 0 ，2535。由于。由于大，大，LED與光纖的耦合效率一與光纖的耦合效率一般小于般