第4章 光源與光發(fā)射機(jī)3

1、1第第4章章 光源和光發(fā)射機(jī)光源和光發(fā)射機(jī)4.1 概述概述4.2 發(fā)光機(jī)理發(fā)光機(jī)理4.3 分布反饋激光器分布反饋激光器4.4 半導(dǎo)體激光器的特性半導(dǎo)體激光器的特性24.1 概述概述 在光纖通信中，將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)在光纖通信中，將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)是由光發(fā)射機(jī)來(lái)完成的。是由光發(fā)射機(jī)來(lái)完成的。 光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵器件是光源：光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵器件是光源：光發(fā)射二極管（光發(fā)射二極管（LED）激光二極管（激光二極管（LD）3光纖通信對(duì)光源的要求光纖通信對(duì)光源的要求 光源發(fā)射的峰值波長(zhǎng)，應(yīng)在光纖低損耗窗口之內(nèi)光源發(fā)射的峰值波長(zhǎng)，應(yīng)在光纖低損耗窗口之內(nèi); 有足夠高的、穩(wěn)定的輸出光功率，以滿足系統(tǒng)對(duì)光傳有足夠高

2、的、穩(wěn)定的輸出光功率，以滿足系統(tǒng)對(duì)光傳播距離的要求播距離的要求; 電光轉(zhuǎn)換效率高，驅(qū)動(dòng)功率低，壽命長(zhǎng)，可靠性高電光轉(zhuǎn)換效率高，驅(qū)動(dòng)功率低，壽命長(zhǎng)，可靠性高; 單色性和方向性好，與光纖的耦合效率高；單色性和方向性好，與光纖的耦合效率高； 易于調(diào)制，響應(yīng)速度快，以利于高速率、大容量數(shù)字易于調(diào)制，響應(yīng)速度快，以利于高速率、大容量數(shù)字信號(hào)的傳輸信號(hào)的傳輸; 噪聲小，以提高系統(tǒng)的信噪比噪聲小，以提高系統(tǒng)的信噪比; 光強(qiáng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電流的線性要好。光強(qiáng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電流的線性要好。光纖通信（第3版）原榮 編著4最常用的光源最常用的光源 光纖通信中最常用的光源是光纖通信中最常用的光源是:半導(dǎo)體激光器（半導(dǎo)體激光器（LD）

3、發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LED） 尤其是單縱模（或單頻）尤其是單縱模（或單頻）LD，在高速率、，在高速率、大容量的數(shù)字光纖系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用；大容量的數(shù)字光纖系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用； 近年來(lái)逐漸成熟的波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器是多近年來(lái)逐漸成熟的波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器是多信道信道WDM光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，越來(lái)光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。越受到人們的關(guān)注。5常用的調(diào)制方法常用的調(diào)制方法 直接調(diào)制直接調(diào)制注入調(diào)制電流實(shí)現(xiàn)光波強(qiáng)度調(diào)制注入調(diào)制電流實(shí)現(xiàn)光波強(qiáng)度調(diào)制 外調(diào)制外調(diào)制通過(guò)外腔通過(guò)外腔調(diào)制器調(diào)制器對(duì)光的強(qiáng)度、相位或頻對(duì)光的強(qiáng)度、相位或頻率進(jìn)行調(diào)制率進(jìn)行調(diào)制6模模擬擬信信號(hào)號(hào)對(duì)對(duì) LD 直直接

4、接調(diào)調(diào)制制P激激光光器器輸輸出出功功率率IthI輸輸入入電電信信號(hào)號(hào)曲曲線線IP-IbPb輸輸出出光光信信號(hào)號(hào)驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)電電流流tt7光纖通信（第3版）原榮 編著8數(shù)數(shù)字字信信號(hào)號(hào)對(duì)對(duì) LD 調(diào)調(diào)制制PI曲曲線線IP-激激光光器器輸輸出出功功率率Ith驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)電電流流輸輸入入電電脈脈沖沖輸輸出出光光脈脈沖沖tPth9直接調(diào)制直接調(diào)制輸入輸入電信號(hào)電信號(hào)光源光源控制控制 輸出 輸出光信號(hào)光信號(hào)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路電路LEDLED或LD或LD(a)直接調(diào)制(a)直接調(diào)制10外調(diào)制外調(diào)制編碼編碼外調(diào)外調(diào)制器制器光源光源 輸出 輸出光信號(hào)光信號(hào)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)輸入輸入電信號(hào)電信號(hào)LD(b)外調(diào)制(b)外調(diào)制光纖通信（第

5、3版）原榮 編著114.2.1 發(fā)光機(jī)理發(fā)光機(jī)理 白熾燈白熾燈是把被加熱鎢原子的一部分熱激勵(lì)能轉(zhuǎn)是把被加熱鎢原子的一部分熱激勵(lì)能轉(zhuǎn)變成光能，發(fā)出寬度為變成光能，發(fā)出寬度為1000 nm 以上的白色連續(xù)以上的白色連續(xù)光譜。光譜。 發(fā)光二極管發(fā)光二極管（LED）卻是通過(guò)電子在能帶之間）卻是通過(guò)電子在能帶之間的躍遷，發(fā)出頻譜寬度在幾百的躍遷，發(fā)出頻譜寬度在幾百 nm 以下的光。以下的光。 在構(gòu)成在構(gòu)成半導(dǎo)體半導(dǎo)體晶體的原子內(nèi)部，存在著不同的晶體的原子內(nèi)部，存在著不同的能帶。如果占據(jù)高能帶（導(dǎo)帶）的電子躍遷到能帶。如果占據(jù)高能帶（導(dǎo)帶）的電子躍遷到低能帶（價(jià)帶）上，就將其間的能量差（禁帶低能帶（價(jià)帶）

6、上，就將其間的能量差（禁帶能量）以光的形式放出。這時(shí)發(fā)出的光，其波能量）以光的形式放出。這時(shí)發(fā)出的光，其波長(zhǎng)基本上由能帶差所決定。長(zhǎng)基本上由能帶差所決定。12第第4章章 光源和光發(fā)射機(jī)光源和光發(fā)射機(jī)4.1 概述概述4.2 發(fā)光機(jī)理發(fā)光機(jī)理4.3 分布反饋激光器分布反饋激光器4.4 半導(dǎo)體激光器的特性半導(dǎo)體激光器的特性光纖通信（第3版）原榮 編著13 在構(gòu)成半導(dǎo)體晶體的原子內(nèi)部，存在著不同的能帶；在構(gòu)成半導(dǎo)體晶體的原子內(nèi)部，存在著不同的能帶； 如果占據(jù)高能帶（導(dǎo)帶）的電子躍遷到低能帶（價(jià)帶）如果占據(jù)高能帶（導(dǎo)帶）的電子躍遷到低能帶（價(jià)帶）上，就將其間的能量差（禁帶能量）以光的形式放出；上，就將其

7、間的能量差（禁帶能量）以光的形式放出； 發(fā)射光的波長(zhǎng)由能量差決定。（發(fā)射光的波長(zhǎng)由能量差決定。（P53）半導(dǎo)體發(fā)光原理半導(dǎo)體發(fā)光原理EcEvEg能能量量E空空穴穴電電子子導(dǎo)導(dǎo)帶帶費(fèi)費(fèi)米米能能級(jí)級(jí)價(jià)價(jià)帶帶費(fèi)費(fèi)米米能能級(jí)級(jí)光光子子eVhvEFnEFp狀狀態(tài)態(tài)密密度度vcgEEE hvE vc hcEE 1 2398.（ m） 14自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收光光的的自自發(fā)發(fā)輻輻射射Ec cEvh h 光光的的受受激激發(fā)發(fā)射射Ec ch Evh 輸輸入入輸輸出出(a) 發(fā)發(fā)光光二二極極管管光光的的自自發(fā)發(fā)輻輻射射(b) 激激光光器器光光的的受受激激發(fā)發(fā)射射Ec c吸吸收收

8、光光子子后后產(chǎn)產(chǎn)生生電電子子Ev光光子子h 輸輸入入( (輸輸出出電電流流) )(c) 光光探探測(cè)測(cè)器器件件光光的的吸吸收收15光的自光的自發(fā)輻射發(fā)輻射Ec cEvh h 發(fā)光二極管光的自發(fā)輻射發(fā)光二極管光的自發(fā)輻射自發(fā)輻射自發(fā)輻射-LED工作原理工作原理 如果把如果把電流注入電流注入到半導(dǎo)體中的到半導(dǎo)體中的P-N結(jié)上，則原子結(jié)上，則原子中占據(jù)低能帶的電子被激勵(lì)到高能帶后；中占據(jù)低能帶的電子被激勵(lì)到高能帶后； 當(dāng)電子從高能帶躍遷到低能帶時(shí)，將自發(fā)輻射出當(dāng)電子從高能帶躍遷到低能帶時(shí)，將自發(fā)輻射出一個(gè)光子，其能量為一個(gè)光子，其能量為 hv。 電子從高能帶躍遷到低能帶把電能轉(zhuǎn)變成光能。電子從高能帶躍

9、遷到低能帶把電能轉(zhuǎn)變成光能。光纖通信（第3版）原榮 編著16自發(fā)輻射自發(fā)輻射-LED工作原理工作原理 當(dāng)電子返回低能級(jí)時(shí)，它們各自獨(dú)立地分當(dāng)電子返回低能級(jí)時(shí)，它們各自獨(dú)立地分別發(fā)射一個(gè)一個(gè)的光子。因此，這些光波別發(fā)射一個(gè)一個(gè)的光子。因此，這些光波可以有不同的相位和不同的偏振方向，它可以有不同的相位和不同的偏振方向，它們可以向各自方向傳播。們可以向各自方向傳播。 同時(shí)，高能帶上的電子可能處于不同的能同時(shí)，高能帶上的電子可能處于不同的能級(jí)，它們自發(fā)輻射到低能帶的不同能級(jí)上，級(jí)，它們自發(fā)輻射到低能帶的不同能級(jí)上，因而使發(fā)射光子的能量有一定的差別，使因而使發(fā)射光子的能量有一定的差別，使這些光波的波長(zhǎng)并

10、不完全一樣。這些光波的波長(zhǎng)并不完全一樣。 因此，自發(fā)輻射的光是一種非相干光。因此，自發(fā)輻射的光是一種非相干光。17Ec c吸收光子后吸收光子后產(chǎn)生電子產(chǎn)生電子Ev光子光子h 輸入輸入(輸出電流)(輸出電流)(c) 光探測(cè)器件光的吸收光探測(cè)器件光的吸收 光照射到占據(jù)低能帶的電子上；光照射到占據(jù)低能帶的電子上； 則該電子吸收光子能量后，激勵(lì)而躍遷到則該電子吸收光子能量后，激勵(lì)而躍遷到較高的能帶上。較高的能帶上。 在半導(dǎo)體結(jié)上外加電場(chǎng)后（反向電壓），在半導(dǎo)體結(jié)上外加電場(chǎng)后（反向電壓），可以在外電路上取出處于高能帶上的電子，可以在外電路上取出處于高能帶上的電子，使光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鳎ü怆娏鳎?。使光能轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

11、電流（光電流）。受激吸收受激吸收-探測(cè)器工作原理探測(cè)器工作原理18受激發(fā)射和受激吸收受激發(fā)射和受激吸收 受激發(fā)射受激發(fā)射-能量等于導(dǎo)帶和價(jià)帶能級(jí)差的能量等于導(dǎo)帶和價(jià)帶能級(jí)差的光所激發(fā)而發(fā)出與之同頻率、同相位的光；光所激發(fā)而發(fā)出與之同頻率、同相位的光； 受激吸收受激吸收-有光場(chǎng)存在時(shí)，處在低能帶某有光場(chǎng)存在時(shí)，處在低能帶某能級(jí)上的電子在入射光場(chǎng)的作用下，吸收能級(jí)上的電子在入射光場(chǎng)的作用下，吸收一個(gè)光子而躍遷到高能帶某能級(jí)上。一個(gè)光子而躍遷到高能帶某能級(jí)上。光纖通信（第3版）原榮 編著19 在光場(chǎng)作用下，受激發(fā)射和受激吸收過(guò)程同時(shí)在光場(chǎng)作用下，受激發(fā)射和受激吸收過(guò)程同時(shí)發(fā)生，受激發(fā)射和受激吸收發(fā)生

12、的概率相同，發(fā)生，受激發(fā)射和受激吸收發(fā)生的概率相同，都滿足能量守恒定律。都滿足能量守恒定律。 哪個(gè)過(guò)程是主要的，取決于電子密度在兩個(gè)能哪個(gè)過(guò)程是主要的，取決于電子密度在兩個(gè)能帶上的分布：若高能帶上電子密度高于低能帶帶上的分布：若高能帶上電子密度高于低能帶上的電子密度，則受激發(fā)射是主要的，反之受上的電子密度，則受激發(fā)射是主要的，反之受激吸收是主要的。激吸收是主要的。 此外，激光器工作在正向偏置下，當(dāng)注入正向此外，激光器工作在正向偏置下，當(dāng)注入正向電流時(shí)，高能帶中的電子密度增加，這些電子電流時(shí)，高能帶中的電子密度增加，這些電子自發(fā)地由高能帶躍遷到低能帶發(fā)出光子，形成自發(fā)地由高能帶躍遷到低能帶發(fā)出光

13、子，形成激光器中初始的光場(chǎng)。激光器中初始的光場(chǎng)。20半導(dǎo)體激光器的工作原理（半導(dǎo)體激光器的工作原理（P50）（a） 沒(méi)有偏置時(shí)的能帶圖沒(méi)有偏置時(shí)的能帶圖（b） 正向偏置足夠大時(shí)的能帶圖，此時(shí)引起粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，發(fā)生受正向偏置足夠大時(shí)的能帶圖，此時(shí)引起粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，發(fā)生受激發(fā)射激發(fā)射 EcEvEFpEFnp+n+EcEgEceV+-hvEv粒子數(shù)反轉(zhuǎn)區(qū)EFnEFpEcEv價(jià)帶空穴導(dǎo)帶電子p+n+結(jié)電子Eghv0eV光增益光吸收EFnEFp_T0 K=T K=021LD發(fā)射激光的首要條件發(fā)射激光的首要條件-粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)若注入電流增加到一定值后若注入電流增加到一定值后，使使vcNN ，受激發(fā)射占主

14、導(dǎo)地位受激發(fā)射占主導(dǎo)地位，光場(chǎng)迅速增強(qiáng)光場(chǎng)迅速增強(qiáng)，此時(shí)的此時(shí)的 P-N 結(jié)區(qū)成為對(duì)光場(chǎng)有放大作用的區(qū)域結(jié)區(qū)成為對(duì)光場(chǎng)有放大作用的區(qū)域(稱為有源稱為有源區(qū)區(qū))，從而形成激光發(fā)射。從而形成激光發(fā)射。半導(dǎo)體材料在通常狀態(tài)下半導(dǎo)體材料在通常狀態(tài)下，總是總是vcNN ，因此稱因此稱vcNN 的狀態(tài)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。的狀態(tài)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。使有源區(qū)產(chǎn)使有源區(qū)產(chǎn)生足夠多的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)生足夠多的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這是使半導(dǎo)體激光器發(fā)這是使半導(dǎo)體激光器發(fā)射激光的首要條件。射激光的首要條件。22LR1R2反射波相互干涉反射波相互干涉M1M2反反射射鏡鏡反反射射鏡鏡ABab 有源區(qū)里實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)有源區(qū)里實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后，受

15、激發(fā)射占據(jù)了主導(dǎo)地后，受激發(fā)射占據(jù)了主導(dǎo)地位，但是，激光器初始的光位，但是，激光器初始的光場(chǎng)來(lái)源于導(dǎo)帶和價(jià)帶的自發(fā)場(chǎng)來(lái)源于導(dǎo)帶和價(jià)帶的自發(fā)輻射，頻譜較寬，方向也雜輻射，頻譜較寬，方向也雜亂無(wú)章。亂無(wú)章。 為了得到單色性和方向性好為了得到單色性和方向性好的激光輸出，必須構(gòu)成光學(xué)的激光輸出，必須構(gòu)成光學(xué)諧振腔，并在諧振腔里建立諧振腔，并在諧振腔里建立起穩(wěn)定的振蕩。起穩(wěn)定的振蕩。 LD 發(fā)射激光的第二個(gè)條件發(fā)射激光的第二個(gè)條件-光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔23 Fabry(18671945) Perot(18631925)法國(guó)物理學(xué)家法國(guó)物理學(xué)家光纖通信（第3版）原榮 編著24法布里法布里-珀羅（珀羅（Fa

16、bry-Perot）光學(xué)諧振器）光學(xué)諧振器 鍍有反射鏡面的光學(xué)諧振腔只有在特定的頻率內(nèi)鍍有反射鏡面的光學(xué)諧振腔只有在特定的頻率內(nèi)能夠儲(chǔ)存能量，這種諧振腔就叫做法布里能夠儲(chǔ)存能量，這種諧振腔就叫做法布里-珀羅珀羅（Fabry-Perot）光學(xué)諧振器。）光學(xué)諧振器。 它把光束閉鎖在腔體內(nèi)，使之來(lái)回反饋。當(dāng)諧振它把光束閉鎖在腔體內(nèi)，使之來(lái)回反饋。當(dāng)諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干時(shí)，就保持振蕩，腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干時(shí)，就保持振蕩，形成和腔體端面平行的等相面駐波。此時(shí)的增益形成和腔體端面平行的等相面駐波。此時(shí)的增益就是激光器的就是激光器的閾值增益閾值增益，達(dá)到該增益所要求的注，達(dá)到該增益所要求

17、的注入電流稱作入電流稱作閾值電流閾值電流。LR1R2反反射射波波相相互互干干涉涉M1M2反反射射鏡鏡反反射射鏡鏡ABab光纖通信（第3版）原榮 編著25光在諧振腔里建立穩(wěn)定振蕩的條件光在諧振腔里建立穩(wěn)定振蕩的條件與電諧振一樣，光也有諧振。要使光在諧振腔里建立與電諧振一樣，光也有諧振。要使光在諧振腔里建立起穩(wěn)定的振蕩，必須滿足一定的相位條件和閾值條件。起穩(wěn)定的振蕩，必須滿足一定的相位條件和閾值條件。 相位條件相位條件-使諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)使諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干；生相干； 閾值條件閾值條件-使腔內(nèi)獲得的光功率（增益）正使腔內(nèi)獲得的光功率（增益）正好與腔內(nèi)損耗相抵消。好與腔內(nèi)損耗

18、相抵消。 滿足以上兩個(gè)條件時(shí)才能在諧振腔的兩個(gè)端滿足以上兩個(gè)條件時(shí)才能在諧振腔的兩個(gè)端面輸出面輸出譜線很窄的相干光束譜線很窄的相干光束。光纖通信（第3版）原榮 編著26LD的的工工作作原原理理有源區(qū)有源區(qū)電流注入電流注入型型型光光hv光光hv解理面解理面(a)半導(dǎo)體激光器(a)半導(dǎo)體激光器 L1 2 34R1 1增益介質(zhì)增益介質(zhì)R2 2光的駐波光的駐波折射率折射率反反射射鏡鏡反反射射鏡鏡(b)縱模駐波(b)縱模駐波 2nnPNm m-m+ (c)縱模共振光譜(c)縱模共振光譜增益差增益差11光光增增益益 o(a) 腔內(nèi)允許產(chǎn)生的模式腔內(nèi)允許產(chǎn)生的模式 m m( ) /2= L(b)mn 相相對(duì)

19、對(duì)光光強(qiáng)強(qiáng) m (a)+(b)=(c)(c)半導(dǎo)體激光器的輸出光譜(c)半導(dǎo)體激光器的輸出光譜光增益與波長(zhǎng)的關(guān)系光增益與波長(zhǎng)的關(guān)系 m m解理面解理面 = 0Z = xZ 27光在法布里光在法布里 珀羅珀羅(F-P)諧振腔中的干涉諧振腔中的干涉駐駐波波( (b b) ) 只只有有特特定定波波長(zhǎng)長(zhǎng)的的駐駐波波 允允許許在在諧諧振振腔腔內(nèi)內(nèi)存存在在1 m2 m6 m( (c c) ) 不不同同反反射射系系數(shù)數(shù)的的駐駐波波強(qiáng)強(qiáng)度度和和頻頻率率的的關(guān)關(guān)系系1相相對(duì)對(duì)強(qiáng)強(qiáng)度度mvfvv1 mv1 mv8.0 R4.0 Rmv 反反射射系系數(shù)數(shù)ILR1R2( (a a) ) 反反射射波波干干涉涉M1M2反

20、反射射鏡鏡反反射射鏡鏡ABab28激光器起振的相位條件激光器起振的相位條件29多縱模多縱模 ( 多頻多頻 ) 激光器激光器-諧振腔長(zhǎng)度諧振腔長(zhǎng)度 L 比波長(zhǎng)大很多比波長(zhǎng)大很多30發(fā)射發(fā)射主模主?？v模縱模增益增益頻率頻率gthg( ) 損耗損耗增益增益 ( ( ) ) 4.2.3 激光器起振的閾值條件激光器起振的閾值條件增益增益 = 腔體損耗腔體損耗光纖通信（第3版）原榮 編著31F-P光腔諧振器光腔諧振器光光hv光光hv反反射射面面反反射射面面R2R1xEiEfPfPiL穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)光光波波12n介介質(zhì)質(zhì)起起始始反反饋饋fm-1fmfm+1fm+2c2LnFSR=32衰減倍數(shù)與放大倍數(shù)相等衰減倍數(shù)

21、與放大倍數(shù)相等光纖通信（第3版）原榮 編著33半導(dǎo)體激光器的增益頻譜半導(dǎo)體激光器的增益頻譜 g( ) 相當(dāng)寬（約相當(dāng)寬（約10 THz），在），在 F-P 諧振諧振腔內(nèi)同時(shí)存在著許多縱模，但只有接近增益峰的縱模變成主模。腔內(nèi)同時(shí)存在著許多縱模，但只有接近增益峰的縱模變成主模。在理想條件下，其它縱模不應(yīng)該達(dá)到閾值，因?yàn)樗鼈兊脑鲆婵偸潜仍诶硐霔l件下，其它縱模不應(yīng)該達(dá)到閾值，因?yàn)樗鼈兊脑鲆婵偸潜戎髂Ｐ　?shí)際上，增益差相當(dāng)小，主模兩邊相鄰的一、二個(gè)模與主主模小。實(shí)際上，增益差相當(dāng)小，主模兩邊相鄰的一、二個(gè)模與主模一起攜帶著激光器的大部分功率。模一起攜帶著激光器的大部分功率。這種激光器就稱作這種激光器就

22、稱作多模半導(dǎo)體多模半導(dǎo)體激光器激光器。激光器增益譜和損耗曲線激光器增益譜和損耗曲線閾值增益為兩曲線相交時(shí)的增益值閾值增益為兩曲線相交時(shí)的增益值發(fā)發(fā)射射主主模?？v縱模模增增益益頻頻率率gthg( ) 損損耗耗增增益益 ( ( ) ) 頻頻率率增增益益g 0法法布布里里 - 珀珀羅羅LD 通通常常發(fā)發(fā)射射多多個(gè)個(gè)縱縱模模的的光光34閾值條件的微觀描述閾值條件的微觀描述NcNv_NcNv_()thNcNv_PoP閾值閾值粒子數(shù)粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)光光輸輸出出功功率率閾值電流閾值電流光輸出光輸出功率功率高、低高、低能帶上能帶上的電子的電子密度差密度差泵浦電流泵浦電流 I35激光器光腔越長(zhǎng)，模式越多激光器光腔

23、越長(zhǎng)，模式越多光纖通信（第3版）原榮 編著36小小 結(jié)結(jié)-光在諧振腔里建立穩(wěn)定振蕩的條件光在諧振腔里建立穩(wěn)定振蕩的條件 在半導(dǎo)體激光器里，由兩個(gè)起反射鏡作用在半導(dǎo)體激光器里，由兩個(gè)起反射鏡作用的晶體解理面構(gòu)成的法布里的晶體解理面構(gòu)成的法布里 珀羅諧振腔，珀羅諧振腔，它把光束閉鎖在腔體內(nèi)，使之來(lái)回反饋。它把光束閉鎖在腔體內(nèi)，使之來(lái)回反饋。 當(dāng)受激發(fā)射使腔體得到的放大增益等于腔當(dāng)受激發(fā)射使腔體得到的放大增益等于腔體損耗時(shí)（體損耗時(shí)（閾值條件閾值條件），并且諧振腔內(nèi)的），并且諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干時(shí)（前向和后向光波發(fā)生相干時(shí)（相干條件相干條件），），就保持振蕩，形成等相面和腔體端面平行就保

24、持振蕩，形成等相面和腔體端面平行的駐波，然后穿透諧振腔的兩個(gè)端面，輸?shù)鸟v波，然后穿透諧振腔的兩個(gè)端面，輸出譜線很窄的相干光束。出譜線很窄的相干光束。37第第4章章 光源和光發(fā)射機(jī)光源和光發(fā)射機(jī)4.1 概述概述4.2 發(fā)光機(jī)理發(fā)光機(jī)理4.3 分布反饋激光器分布反饋激光器4.4 半導(dǎo)體激光器的特性半導(dǎo)體激光器的特性384.3.3 分布反饋激光器分布反饋激光器(DFB) DFB激光器是單縱模激光器是單縱模(SLM) LD，即頻譜特性只有一個(gè)，即頻譜特性只有一個(gè)縱模（譜線）的縱模（譜線）的 LD。 DFB與與F-P LD 相比，它的諧振腔損耗與模式有關(guān)，即對(duì)相比，它的諧振腔損耗與模式有關(guān)，即對(duì)不同的縱

25、模具有不同的損耗。不同的縱模具有不同的損耗。 這是通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使這是通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使DFB 內(nèi)部具有一個(gè)對(duì)波長(zhǎng)有內(nèi)部具有一個(gè)對(duì)波長(zhǎng)有選擇性的衍射光柵，從而使只有滿足布拉格波長(zhǎng)條件的選擇性的衍射光柵，從而使只有滿足布拉格波長(zhǎng)條件的光波才能建立起振蕩。光波才能建立起振蕩。光纖通信（第3版）原榮 編著39 DFB諧振腔損耗與模式有關(guān)，即對(duì)不同的縱模具有不同的諧振腔損耗與模式有關(guān)，即對(duì)不同的縱模具有不同的損耗。增益曲線使具有最小損耗曲線的模開(kāi)始起振，并且變損耗。增益曲線使具有最小損耗曲線的模開(kāi)始起振，并且變成主模。其它相鄰模式由于其損耗較大，不能達(dá)到閾值，因成主模。其它相鄰模式由于其損耗較大

26、，不能達(dá)到閾值，因而也不會(huì)從自發(fā)輻射中建立起振蕩。而也不會(huì)從自發(fā)輻射中建立起振蕩。DFB 的增益和損耗的增益和損耗發(fā)射發(fā)射主模主?？v?？v模頻率頻率gth 增益增益g( ) 損耗損耗 B增益增益DFBDFB普通LD普通LD40DFB 的分類 分布反饋激光器分布反饋激光器DFB: Distributed Feed Back 分布布拉格反射激光器分布布拉格反射激光器DBR: Distributed Bragg Reflector 光纖通信（第3版）原榮 編著41 DFB 的諧振腔損耗與模式有關(guān)，即對(duì)不同的縱模具有的諧振腔損耗與模式有關(guān)，即對(duì)不同的縱模具有不同的損耗。不同的損耗。 DFB 內(nèi)部具有一個(gè)

27、內(nèi)部具有一個(gè)對(duì)波長(zhǎng)有選擇性的衍射光柵對(duì)波長(zhǎng)有選擇性的衍射光柵，從而，從而使只有滿足布拉格波長(zhǎng)條件的光波才能建立起振蕩。使只有滿足布拉格波長(zhǎng)條件的光波才能建立起振蕩。DFB的結(jié)構(gòu)和原理的結(jié)構(gòu)和原理PN光柵波導(dǎo)區(qū)光柵波導(dǎo)區(qū)有源區(qū)有源區(qū) 光輸出光輸出 B (nm)0.1nm光光功功率率L42布拉格布拉格 Bragg（18901971） 澳大利亞出澳大利亞出生的英國(guó)物生的英國(guó)物理學(xué)家，理學(xué)家，25歲時(shí)發(fā)明了歲時(shí)發(fā)明了有名的布拉有名的布拉格方程，獲格方程，獲得了諾貝爾得了諾貝爾獎(jiǎng)獎(jiǎng)光纖通信（第3版）原榮 編著43PN有有源源區(qū)區(qū)激激話話區(qū)區(qū)波波紋紋電電介介質(zhì)質(zhì)光光柵柵分分布布式式布布拉拉格格反反射射器器

28、光光輸輸出出入入射射光光反反射射光光AB mnB 2 （a a）D DB BR R激激光光器器的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)( (b b) )部部分分反反射射波波A A和和B B具具有有路路程程差差 2 2 時(shí)時(shí)才才發(fā)發(fā)生生相相長(zhǎng)長(zhǎng)干干涉涉 DBR的結(jié)構(gòu)和原理的結(jié)構(gòu)和原理DBR除有源區(qū)外，還在緊靠其右側(cè)增加了一段分布式布拉格反射除有源區(qū)外，還在緊靠其右側(cè)增加了一段分布式布拉格反射器，它起著衍射光柵的作用。器，它起著衍射光柵的作用。DBR的輸出是反射光相長(zhǎng)干涉的結(jié)果。只有當(dāng)波長(zhǎng)等于兩倍光柵的輸出是反射光相長(zhǎng)干涉的結(jié)果。只有當(dāng)波長(zhǎng)等于兩倍光柵間距間距 時(shí)，反射波才相互加強(qiáng)，發(fā)生相長(zhǎng)干涉。即當(dāng)反射波時(shí)，反射波才相互加強(qiáng)，發(fā)生相長(zhǎng)干涉。即當(dāng)反射波 A 和和 B 具有路程差具有路程差 2 時(shí)，它們才發(fā)生相長(zhǎng)干涉。時(shí)，它們才發(fā)生相長(zhǎng)干涉。44第第4章章 光源和光發(fā)射機(jī)光源和光發(fā)射機(jī)4.1 概述概述4.2 發(fā)光機(jī)理發(fā)光機(jī)理4.3 分布反饋激光器分布反饋激光器4.4 半導(dǎo)體激光器的特性半導(dǎo)體激光器的特性45閾值電流溫度特性閾值電流溫度特性激光器的閾值電流和輸出功率對(duì)溫度很敏感激光器的閾值電流和輸出功率對(duì)溫度很敏感用熱電致冷器對(duì)激光器進(jìn)行冷卻和溫度控制。用熱