光纖通信課件：第4章 光源和光發(fā)射機

第4章光源和光發(fā)射機4.1概述4.2發(fā)光機理4.3半導(dǎo)體激光器4.4波長可調(diào)半導(dǎo)體激光器4.5垂直腔表面發(fā)射激光器4.6半導(dǎo)體激光器的特性4.7高速光發(fā)射機1《光纖通信》（第3版）原榮編著4.1概述在光纖通信中，將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘柺怯晒獍l(fā)射機來完成的。光發(fā)射機的關(guān)鍵器件是光源：

LED LD2《光纖通信》（第3版）原榮編著光纖通信對光源的要求光源發(fā)射的峰值波長，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)對光中繼段距離的要求;電光轉(zhuǎn)換效率高，驅(qū)動功率低，壽命長，可靠性高;單色性和方向性好，以減少光纖的材料色散，提高光源和光纖的耦合效率；易于調(diào)制，響應(yīng)速度快，以利于高速率、大容量數(shù)字信號的傳輸;強度噪聲要小，以提高模擬調(diào)制系統(tǒng)的信噪比;光強對驅(qū)動電流的線性要好，以保證有足夠多的模擬調(diào)制信道。3《光纖通信》（第3版）原榮編著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）

發(fā)光二極管（LED）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。4《光纖通信》（第3版）原榮編著常用的調(diào)制方法直接調(diào)制

注入調(diào)制電流實現(xiàn)光波強度調(diào)制外調(diào)制

通過外腔調(diào)制器對光的強度、相位或頻率進行調(diào)制5《光纖通信》（第3版）原榮編著模擬信號對LD直接調(diào)制6《光纖通信》（第3版）原榮編著直接調(diào)制光發(fā)射機7《光纖通信》（第3版）原榮編著光外腔調(diào)制發(fā)射機框圖8《光纖通信》（第3版）原榮編著外調(diào)制示意圖9《光纖通信》（第3版）原榮編著第4章光源和光發(fā)射機4.1概述4.2發(fā)光機理4.3半導(dǎo)體激光器4.4波長可調(diào)半導(dǎo)體激光器4.5垂直腔表面發(fā)射激光器4.6半導(dǎo)體激光器的特性4.7高速光發(fā)射機10《光纖通信》（第3版）原榮編著4.2.1發(fā)光機理我們知道，白熾燈是把被加熱鎢原子的一部分熱激勵能轉(zhuǎn)變成光能，發(fā)出寬度為1000nm以上的白色連續(xù)光譜。發(fā)光二極管（LED）卻是通過電子在能帶之間的躍遷，發(fā)出頻譜寬度在幾百nm以下的光。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（價帶）上，就將其間的能量差（禁帶能量）以光的形式放出。這時發(fā)出的光，其波長基本上由能帶差所決定。11《光纖通信》（第3版）原榮編著在構(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（價帶）上，就將其間的能量差（禁帶能量）以光的形式放出；這時發(fā)出的光，其波長基本上由能帶差所決定。圖4.2.1半導(dǎo)體發(fā)光原理12《光纖通信》（第3版）原榮編著圖4.2.2光的自發(fā)輻射、

受激發(fā)射和吸收13《光纖通信》（第3版）原榮編著自發(fā)輻射

---LED

工作原理如果把電流注入到半導(dǎo)體中的P-N結(jié)上，則原子中占據(jù)低能帶的電子被激勵到高能帶后；當電子從高能帶躍遷到低能帶時，將自發(fā)輻射出一個光子，其能量為hv。電子從高能帶躍遷到低能帶把電能轉(zhuǎn)變成光能的器件叫LED。14《光纖通信》（第3版）原榮編著自發(fā)輻射---LED工作原理當電子返回低能級時，它們各自獨立地分別發(fā)射一個一個的光子。因此，這些光波可以有不同的相位和不同的偏振方向，它們可以向各自方向傳播。同時，高能帶上的電子可能處于不同的能級，它們自發(fā)輻射到低能帶的不同能級上，因而使發(fā)射光子的能量有一定的差別，使這些光波的波長并不完全一樣。因此，自發(fā)輻射的光是一種非相干光。15《光纖通信》（第3版）原榮編著光接收器件

原理如果把光照射到占據(jù)低能帶的電子上；則該電子吸收光子能量后，激勵而躍遷到較高的能帶上。在半導(dǎo)體結(jié)上外加電場后（反向電壓），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)殡娏鳌?這就是將在第五章中敘述的光接收器件。16《光纖通信》（第3版）原榮編著受激發(fā)射和受激吸收受激發(fā)射----能量等于導(dǎo)帶和價帶能級差的光所激發(fā)而發(fā)出與之同頻率、同相位的光；受激吸收----當晶體中有光場存在時，處在低能帶某能級上的電子在入射光場的作用下，吸收一個光子而躍遷到高能帶某能級上。在這個過程中能量保持守恒。受激吸收的概率與受激發(fā)射的概率相同。17《光纖通信》（第3版）原榮編著當有入射光場存在時，受激吸收過程與受激發(fā)射過程同時發(fā)生，哪個過程是主要的，取決于電子密度在兩個能帶上的分布。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，反之受激吸收是主要的。激光器工作在正向偏置下，當注入正向電流時，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，形成激光器中初始的光場。在這些光場作用下，受激發(fā)射和受激吸收過程同時發(fā)生，受激發(fā)射和受激吸收發(fā)生的概率相同。18《光纖通信》（第3版）原榮編著圖4.2.3半導(dǎo)體激光器的工作原理（a）沒有偏置時的能帶圖（b）正向偏置足夠大時的能帶圖，此時引起粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，發(fā)生受激發(fā)射（c）光增益和光吸收與光子能量的關(guān)系19《光纖通信》（第3版）原榮編著LD發(fā)射激光的

首要條件---粒子數(shù)反轉(zhuǎn)20《光纖通信》（第3版）原榮編著另一個條件是半導(dǎo)體激光器中必須存在光學(xué)諧振腔，并在諧振腔里建立起穩(wěn)定的振蕩。有源區(qū)里實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后，受激發(fā)射占據(jù)了主導(dǎo)地位，但是，激光器初始的光場來源于導(dǎo)帶和價帶的自發(fā)輻射，頻譜較寬，方向也雜亂無章。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)諧振腔。LD發(fā)射激光的

第二個條件---光學(xué)諧振腔21《光纖通信》（第3版）原榮編著

Fabry(1867~1945)Perot(1863~1925)

法國物理學(xué)家22《光纖通信》（第3版）原榮編著法布里-珀羅（Fabry-Perot）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)能夠儲存能量，這種諧振腔就叫做法布里-珀羅（Fabry-Perot）光學(xué)諧振器。它把光束閉鎖在腔體內(nèi)，使之來回反饋。當諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干時，就保持振蕩，形成和腔體端面平行的等相面駐波。此時的增益就是激光器的閾值增益，達到該增益所要求的注入電流稱作閾值電流。23《光纖通信》（第3版）原榮編著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---使諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干；閾值條件---使腔內(nèi)獲得的光功率正好與腔內(nèi)損耗相抵消。只有諧振腔里的光增益和損耗值保持相等，并且諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干時，才能在諧振腔的兩個端面輸出譜線很窄的相干光束。24《光纖通信》（第3版）原榮編著LD的工作原理

25《光纖通信》（第3版）原榮編著圖1.3.8光在法布里珀羅(F-P)

諧振腔中的干涉26《光纖通信》（第3版）原榮編著4.2.2激光器起振的相位條件-----

使諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生干涉27《光纖通信》（第3版）原榮編著多縱模(多頻)激光器

---諧振腔長度L比波長大很多28《光纖通信》（第3版）原榮編著4.2.3激光器起振的閾值條件受激發(fā)射使腔體得到的增益=腔體損耗29《光纖通信》（第3版）原榮編著圖4.2.8F-P光腔諧振器30《光纖通信》（第3版）原榮編著衰減倍數(shù)與

放大倍數(shù)

必須相等31《光纖通信》（第3版）原榮編著半導(dǎo)體激光器的增益頻譜g()相當寬（約10THz），在F-P諧振腔內(nèi)同時存在著許多縱模，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)該達到閾值，因為它們的增益總是比主模小。實際上，增益差相當小，主模兩邊相鄰的一、二個模與主模一起攜帶著激光器的大部分功率。這種激光器就稱作多模半導(dǎo)體激光器。圖4.2.9激光器增益譜和損耗曲線

閾值增益為兩曲線相交時的增益值32《光纖通信》（第3版）原榮編著圖4.2.10激光器

起振閾值條件

的簡化描述33《光纖通信》（第3版）原榮編著例題4.2.2激光器光腔越長，模式越多34《光纖通信》（第3版）原榮編著小結(jié)

---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，由兩個起反射鏡作用的晶體解理面構(gòu)成的法布里珀羅諧振腔，它把光束閉鎖在腔體內(nèi)，使之來回反饋。當受激發(fā)射使腔體得到的放大增益等于腔體損耗時（閾值條件），并且諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干時（相干條件），就保持振蕩，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端面，輸出譜線很窄的相干光束。35《光纖通信》（第3版）原榮編著第4章光源和光發(fā)射機4.1概述4.2發(fā)光機理4.3半導(dǎo)體激光器4.4波長可調(diào)半導(dǎo)體激光器4.5垂直腔表面發(fā)射激光器4.6半導(dǎo)體激光器的特性4.7高速光發(fā)射機36《光纖通信》（第3版）原榮編著4.3半導(dǎo)體激光器4.3.1異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器4.3.2量子限制激光器4.3.3分布反饋激光器37《光纖通信》（第3版）原榮編著器件結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器量子限制激光器分布反饋激光器(DFB)垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)38《光纖通信》（第3版）原榮編著圖4.3.1LED和幾種LD的結(jié)構(gòu)39《光纖通信》（第3版）原榮編著同質(zhì)結(jié)構(gòu)LD同質(zhì)結(jié)構(gòu)只有一個簡單P-N結(jié)，且P區(qū)和N區(qū)都是同一物質(zhì)的半導(dǎo)體激光器。該激光器閾值電流密度太大，工作時發(fā)熱非常嚴重，只能在低溫環(huán)境、脈沖狀態(tài)下工作。為了提高激光器的功率和效率，降低同質(zhì)結(jié)激光器的閾值電流，人們研究出了異質(zhì)結(jié)的半導(dǎo)體激光器。40《光纖通信》（第3版）原榮編著4.3.1異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器為了提高LD的功率和效率，降低同質(zhì)結(jié)LD的閾值電流，人們研究出了異質(zhì)結(jié)LD所謂“異質(zhì)結(jié)”，就是由兩種不同材料（例如GaAs

和GaAlAs

）構(gòu)成的P-N結(jié)。在雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，有三種材料，有源區(qū)被禁帶寬度大、折射率較低的介質(zhì)材料包圍。這種結(jié)構(gòu)形成了一個像光纖波導(dǎo)的折射率分布，限制了光波向外圍的泄漏，使閾值電流降低，發(fā)熱現(xiàn)象減輕，可在室溫狀態(tài)下連續(xù)工作。為進一步降低閾值電流，提高發(fā)光效率，提高與光纖的耦合效率，常常使有源區(qū)尺寸盡量減小，通常w=10m，d=0.2m,L=100~400m41《光纖通信》（第3版）原榮編著圖4.3.2同質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)LD能級圖及光子密度分布的比較42《光纖通信》（第3版）原榮編著4.3.2量子限制激光器除雙異質(zhì)結(jié)LD對載流子進行限制外，還有另外一種完全不同的對載流子限制的方式。這就是對電子或空穴允許占據(jù)能量狀態(tài)的限制，這種激光器叫做量子限制激光器。它具有閾值低，線寬窄，微分增益高，以及對溫度不敏感，調(diào)制速度快和增益曲線容易控制等許多優(yōu)點。43《光纖通信》（第3版）原榮編著量子阱器件很薄的GaAs有源層夾在兩層很寬的AlGaAs半導(dǎo)體材料中，所以它是一種異質(zhì)結(jié)器件。在這種激光器中，有源層的厚度d很薄，導(dǎo)帶中的禁帶勢能把電子封閉在x方向上的一維勢能阱內(nèi)，但是在y和z方向是自由的。這種封閉呈現(xiàn)量子效應(yīng)，導(dǎo)致能帶量化分成離散值。這種狀態(tài)密度的變化，改變了自發(fā)輻射和受激發(fā)射的速率。量子阱半導(dǎo)體激光器有源層厚度僅是10nm，約為異質(zhì)結(jié)器件的1/10，所以注入電流的微小變化就可以引起輸出激光的大幅度變化。圖4.3.3量子阱(QW)LD44《光纖通信》（第3版）原榮編著圖4.3.4量子阱LD示意圖45《光纖通信》（第3版）原榮編著圖4.3.5各種半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)形狀以及允許占據(jù)的狀態(tài)密度和能量的關(guān)系曲線比較46《光纖通信》（第3版）原榮編著4.3.3分布反饋激光器(DFB)DFB激光器是單縱模(SLM)LD，即頻譜特性只有一個縱模（譜線）的LD。SLMLD與法布里-珀羅LD相比，它的諧振腔損耗與模式有關(guān)，即對不同的縱模具有不同的損耗。這是通過改進結(jié)構(gòu)設(shè)計，使DFBLD內(nèi)部具有一個對波長有選擇性的衍射光柵，從而使只有滿足布拉格波長條件的光波才能建立起振蕩。圖4.3.5表示這種激光器的增益和損耗曲線。由圖可見，增益曲線首先和模式具有最小損耗的曲線接觸的模開始起振，并且變成主模。其它相鄰模式由于其損耗較大，不能達到閾值，因而也不會從自發(fā)輻射中建立起振蕩。47《光纖通信》（第3版）原榮編著SLMLD與法布里-珀羅LD相比，它的諧振腔損耗與模式有關(guān)，即對不同的縱模具有不同的損耗圖4.3.6單縱模DFB半導(dǎo)體激光器

增益和損耗曲線48《光纖通信》（第3版）原榮編著DFBLD的分類分布反饋激光器

DFB:DistributedFeedBack分布布拉格反射激光器

DBR:DistributedBraggReflector49《光纖通信》（第3版）原榮編著DFBLD的諧振腔損耗與模式有關(guān)，即對不同的縱模具有不同的損耗。這是通過改進結(jié)構(gòu)設(shè)計，使DFBLD內(nèi)部具有一個對波長有選擇性的衍射光柵，從而使只有滿足布拉格波長條件的光波才能建立起振蕩。圖4.3.8DFBLD結(jié)構(gòu)及其原理50《光纖通信》（第3版）原榮編著布拉格Bragg（1890~1971）澳大利亞出生的英國物理學(xué)家，25歲時發(fā)明了有名的布拉格方程，獲得了諾貝爾獎51《光纖通信》（第3版）原榮編著圖4.3.7DBRLD結(jié)構(gòu)及其原理DBR激光器除有源區(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。DBR激光器的輸出是反射光相長干涉的結(jié)果。只有當波長等于兩倍光柵間距時，反射波才相互加強，發(fā)生相長干涉。例如當部分反射波A和B具有路程差2時，它們才發(fā)生相長干涉。52《光纖通信》（第3版）原榮編著普通LD53《光纖通信》（第3版）原榮編著LD外形圖54《光纖通信》（第3版）原榮編著圖4.3.9平面波導(dǎo)集成電吸收調(diào)制激光器（EML）在DFB激光器有源區(qū)的光輸出端n+-InP襯底上，再做一個3.5.3節(jié)已介紹過的電吸收調(diào)制器，對DFB激光器的輸出光直接調(diào)制后再輸出。55《光纖通信》（第3版）原榮編著第4章光源和光發(fā)射機4.1概述4.2發(fā)光機理4.3半導(dǎo)體激光器4.4波長可調(diào)半導(dǎo)體激光器4.5垂直腔表面發(fā)射激光器4.6半導(dǎo)體激光器的特性4.7高速光發(fā)射機56《光纖通信》（第3版）原榮編著4.4

波長可調(diào)半導(dǎo)體激光器4.4.1耦合腔波長可調(diào)半導(dǎo)體激光器4.4.2衍射光柵PIC波長可調(diào)激光器4.4.3陣列波導(dǎo)光柵（AWG）PIC波長可調(diào)激光器57《光纖通信》（第3版）原榮編著4.4

波長可調(diào)半導(dǎo)體激光器波長可調(diào)激光器是WDM、分組交換和光分插復(fù)用網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的最重要器件。使用它，可有效使用波長資源，減少設(shè)備費用。波長可調(diào)激光器主要有耦合腔波導(dǎo)型、衍射光柵PIC型和陣列波導(dǎo)光柵（AWG）PIC型三種。58《光纖通信》（第3版）原榮編著圖4.4.1耦合腔激光器中的縱模選擇性把光耦合到外腔可實現(xiàn)單縱模工作；只有波長與外腔縱模中的一個模相同時才能產(chǎn)生同相反饋最接近增益峰，并且具有最低腔體損耗的縱模才變成主模。59《光纖通信》（第3版）原榮編著圖4.4.2耦合腔（C3）激光器結(jié)構(gòu)及其單縱模輸出原理（a）C3激光器結(jié)構(gòu)示意圖（b）C3激光器單縱模輸出原理60《光纖通信》（第3版）原榮編著圖4.4.3波長可調(diào)諧耦合腔半導(dǎo)體構(gòu)DFB和DBR的多段設(shè)計，可解決激光器的穩(wěn)定性和調(diào)諧性不能同時兼顧的矛盾；通過控制注入三段的電流，激光器的波長可在5~7nm范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。61《光纖通信》（第3版）原榮編著圖4.4.4商用波長可調(diào)LD和調(diào)制器集成了波長可調(diào)激光器、放大器和調(diào)制器的PIC62《光纖通信》（第3版）原榮編著圖4.4.5多縱模（多頻）激光器到單縱模（單頻）激光器的演化過程63《光纖通信》（第3版）原榮編著圖4.4.6波長可調(diào)半導(dǎo)體激光器增益耦合光柵型MQ-DFB激光器陣列基本結(jié)構(gòu)64《光纖通信》（第3版）原榮編著圖4.4.6波長可調(diào)半導(dǎo)體激光器（b）MQ-DFB激光器波長和波導(dǎo)脊寬的關(guān)系

65《光纖通信》（第3版）原榮編著4.4.2衍射光柵PIC波長可調(diào)激光器圖4.4.7陣列SOA集成光柵腔體波長可調(diào)激光器陣列半導(dǎo)體光放大器(SOA)集成光柵腔體激光器其發(fā)射波長可以精確設(shè)置在指定位置66《光纖通信》（第3版）原榮編著圖4.4.7陣列SOA集成光柵腔體波長可調(diào)激光器

(b)一個SOA的典型發(fā)射光譜67《光纖通信》（第3版）原榮編著（c）波長和有源條位置的關(guān)系圖4.4.7陣列SOA集成光柵腔體波長可調(diào)激光器

68《光纖通信》（第3版）原榮編著圖4.4.8調(diào)諧光柵腔PIC波長可調(diào)激光器(a)調(diào)諧光柵腔PIC波長可調(diào)激光器結(jié)構(gòu)示意圖目前正在使用單片集成了6個半導(dǎo)體光放大器（SOA）；一個相位控制段；一個色散控制元件；一個刻蝕出的衍射光柵。

69《光纖通信》（第3版）原榮編著

(b)實測的輸出功率和波長的關(guān)系圖4.4.8調(diào)諧光柵腔PIC波長可調(diào)激光器70《光纖通信》（第3版）原榮編著4.4.3陣列波導(dǎo)光柵（AWG）PIC波長可調(diào)激光器(a)AWG構(gòu)成原理圖N

M平板波導(dǎo)星形耦合器中心耦合區(qū)如圖1(a)中的插圖所示，它是在扇形的輸入和輸出波導(dǎo)陣列之間插入一塊聚焦平板波導(dǎo)區(qū)，即自由空間區(qū)。

71《光纖通信》（第3版）原榮編著AWG的工作機理AWG光柵工作原理是基于馬赫-曾德爾干涉儀的原理，即多個相干單色光經(jīng)過不同的光程傳輸后的干涉理論。由于陣列波導(dǎo)中的波導(dǎo)長度不等，相位延遲也不等，其相鄰波導(dǎo)間的相位差為這里

k是波矢量，k=2n/，是相鄰波導(dǎo)間的路徑長度差，通常為幾十微米，所以輸出端口與波長有一一對應(yīng)的關(guān)系。

72《光纖通信》（第3版）原榮編著

(b)從指定的輸入口經(jīng)長L的波導(dǎo)傳輸?shù)街付ǖ妮敵隹诘膫鬏敽瘮?shù)

當光頻增加c/2nL時，相位增加2，傳輸函數(shù)以自由光譜范圍（FSR，見1.3.3節(jié)）為周期重復(fù)73《光纖通信》（第3版）原榮編著圖21616AWG的TM波輸出頻譜當光頻增加c/2nL時，相位增加2，傳輸函數(shù)以自由光譜范圍FSR為周期重復(fù)74《光纖通信》（第3版）原榮編著2.AWG多頻激光器中間是波導(dǎo)光柵路由器（WGR）濾波器右側(cè)是陣列半導(dǎo)體光放大器（SOA）左側(cè)是一個功率放大SOA芯片右側(cè)鏡面鍍高反射率（HR）膜，左側(cè)則鍍半反射膜以便輸出AWG多頻激光器諧振腔的光。75《光纖通信》（第3版）原榮編著(b)AWG多頻激光器頻譜圖AWG多頻激光器的信道間距取決于AWG腔體內(nèi)的波導(dǎo)光柵路由器的幾何尺寸；因此，每個激光器的波長非常穩(wěn)定，制造時可重復(fù)性好。2.AWG多頻激光器76《光纖通信》（第3版）原榮編著LD+電吸收調(diào)制器+隔離器結(jié)構(gòu)77《光纖通信》（第3版）原榮編著4.5垂直腔表面發(fā)射激光器垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL,VerticalCavitySurfaceEmittingLaser）顧名思義，它的光發(fā)射方向與腔體垂直，而不是像普通激光器那樣，與腔體平行。這種激光器的光腔軸線與注入電流方向相同。78《光纖通信》（第3版）原榮編著圖4.3.8VCSEL激光器示意圖顧名思義，它的光發(fā)射方向與腔體垂直，而不是像普通激光器那樣，與腔體平行。這種激光器的光腔軸線與注入電流方向相同。有源區(qū)的長度L與邊發(fā)射器件比較非常短，光發(fā)射是從腔體表面，而不是腔體邊沿。腔體兩端的反射器是由1.3.2節(jié)介紹的電介質(zhì)鏡組成，即由厚度為的高低折射率層交錯組成。79《光纖通信》（第3版）原榮編著VCSEL激光器80《光纖通信》（第3版）原榮編著VCSEL激光器工作原理81《光纖通信》（第3版）原榮編著VCSEL激光器陣列82《光纖通信》（第3版）原榮編著VCSEL激光器83《光纖通信》（第3版）原榮編著4.6半導(dǎo)體激光器的特性4.6.1半導(dǎo)體激光器的基本特性4.6.2模式特性4.6.3調(diào)制響應(yīng)4.6.4半導(dǎo)體激光器噪聲84《光纖通信》（第3版）原榮編著圖4.6.1溫度對輸出功率的影響激光器的閾值電流和輸出功率對溫度很敏感，所以在實際使用中總是用熱電致冷器對激光器進行冷卻和溫度控制。85《光纖通信》（第3版）原榮編著圖4.6.2激光器的自動溫度控制原理圖安裝在熱電致冷器上的熱敏電阻，其阻抗與溫度有關(guān)，它構(gòu)成了電阻橋的一臂。熱電致冷器采用珀爾帖效應(yīng)產(chǎn)生致冷，它的致冷效果與施加的電流成線性關(guān)系。為防止致冷器內(nèi)部發(fā)熱引起性能下降，在致冷器上加裝面積足夠大的散熱片是必要的。86《光纖通信》（第3版）原榮編著LD的特性曲線87《光纖通信》（第3版）原榮編著圖4.6.3LED和LD的光譜特性88《光纖通信》（第3版）原榮編著圖4.6.3LED和LD的光譜特性89《光纖通信》（第3版）原榮編著表4.6.1LED典型特性參數(shù)90《光纖通信》（第3版）原榮編著表4.6.2LD及其模塊特性參數(shù)91《光纖通信》（第3版）原榮編著4.6.2模式特性半導(dǎo)體激光器的模式特性可分成縱模和橫模兩種縱模決定頻譜特性橫模特性決定光場的空間特性，即橫模決定近場特性（在激光器表面）和遠場特性（近場的富里葉變換）92《光纖通信》（第3版）原榮編著LD橫模特性決定光場的空間特性93《光纖通信》（第3版）原榮編著圖4.6.3BH半導(dǎo)體激光器在不同注入電流下的橫模特性94《光纖通信》（第3版）原榮編著4.6.3調(diào)制響應(yīng)圖4.6.61.3mDFB激光器實測的小信號調(diào)制響應(yīng)圖4.6.7計算出的半導(dǎo)體激光器對500ps方波電流脈沖的大信號調(diào)制響應(yīng)95《光纖通信》（第3版）原榮編著圖4.6.8激光器的瞬時響應(yīng)當電流脈沖注入激光器時，激光輸出與注入電脈沖之間存在著一個時間延遲，稱它為電光延遲時間。激光發(fā)射后，輸出光脈沖產(chǎn)生過沖響應(yīng)，接著又表現(xiàn)出衰減式的振蕩，稱之為張弛振蕩。96《光纖通信》（第3版）原榮編著4.7高速光發(fā)射機光發(fā)射機是讓LD攜帶信息信號以便在光纖中傳輸?shù)难b置。光發(fā)射機有直接調(diào)制和外調(diào)制之分。光發(fā)射機通常有復(fù)用、編碼、