光纖通信-光源和光發(fā)射機(jī)(課堂版)

第四章光源和光發(fā)射機(jī)4.1發(fā)光機(jī)理4.2激光器的一般工作原理4.

3半導(dǎo)體激光器4.

4半導(dǎo)體發(fā)光二極管4.

5光源的調(diào)制4.6光發(fā)射機(jī)9/22/20231第4章光源和光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)：OpticalTransmitter

將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)。光發(fā)射機(jī)的核心是光源。光纖通信光源包括：半導(dǎo)體激光器LD（LaserDiode）半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED（LightEmittingDiode）都屬于半導(dǎo)體器件，共同特點(diǎn)：體積小、重量輕、耗電量小9/22/20232第4章光源和光發(fā)射機(jī)4.1發(fā)光機(jī)理4.1.1光子（Photon）4.1.2能級(jí)（Energylevel）4.1.3光與物質(zhì)的三種作用形式9/22/20233第4章光源和光發(fā)射機(jī)4.1.1光子思考：光是什么？光是電磁波，通常意義上的光是指可見光，即能引起人的視覺的電磁波.頻率范圍:

3.9×1014Hz——8.6×1014Hz波長(zhǎng)范圍:350nm——760nm不同頻率的光給人以不同顏色的感覺:赤橙黃綠青藍(lán)紫頻率由小到大，波長(zhǎng)由大到小9/22/20234第4章光源和光發(fā)射機(jī)4.1.1光子（Photon）思考：光子是什么？不同頻率的光子具有不同的能量。光子的頻率越高，它所攜帶的能量就越多。而攜帶信息的光波，它所具有的能量只能是的整數(shù)倍。當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí)，光子的能量做為一個(gè)整體被吸收或發(fā)射。光是由能量為的光量子組成的這些光量子被稱為光子。是光波頻率稱為普朗克常數(shù)其中：9/22/20235第4章光源和光發(fā)射機(jī)4.1.1光子4.1發(fā)光機(jī)理光不僅具有波動(dòng)性，而且具有粒子性；而波動(dòng)性和粒子性是不可分割的統(tǒng)一體。光具有波動(dòng)、粒子兩重性。光在不同場(chǎng)合下表現(xiàn)出來(lái)兩種屬性：當(dāng)光在空間和光纖中傳播時(shí)主要表現(xiàn)出波動(dòng)性；當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí)，光的行為又表現(xiàn)出粒子性。9/22/20236第4章光源和光發(fā)射機(jī)4.1.2能級(jí)（Energylevel）那么：能級(jí)是什么？我們已經(jīng)知道：物質(zhì)是由原子構(gòu)成，而每個(gè)原子又是由原子核和核外沿一定軌道繞核旋轉(zhuǎn)的電子組成。電子在原子中圍繞原子核按一定軌道運(yùn)動(dòng)，而且只能有某些允許的軌道。因?yàn)槊總€(gè)軌道對(duì)應(yīng)著一定的能量值，所以電子運(yùn)動(dòng)的能量只能有某些允許的數(shù)值。這些允許的能量值，因軌道不同，都是一個(gè)個(gè)地分開的，且是不連續(xù)的，離散的。我們把這些分立的能量值，稱為原子的能級(jí)。4.1發(fā)光機(jī)理9/22/20237第4章光源和光發(fā)射機(jī)根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論，在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級(jí)被電子占據(jù)的概率為費(fèi)米分布

k為波茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。Ef稱為費(fèi)米能級(jí)，用來(lái)描述各能級(jí)被電子占據(jù)的狀態(tài)。f(E)用來(lái)描述能量為E的能級(jí)被電子占據(jù)的幾率

4.1.2能級(jí)（Energylevel）4.1發(fā)光機(jī)理E=Ef

則f(E)=1/2該能級(jí)被電子占據(jù)概率為50％E>Ef

則f(E)<1/2該能級(jí)被電子占據(jù)概率小于50％

E<Ef

則f(E)>1/2該能級(jí)被電子占據(jù)概率大于50％

9/22/20238第4章光源和光發(fā)射機(jī)4.1.2能級(jí)4.1發(fā)光機(jī)理能量最低的狀態(tài)稱作基態(tài)(groundstate)，其它能量較高的狀態(tài)稱作激發(fā)態(tài)(excitedstate)。一般情況下，原子處于低能級(jí)的激發(fā)態(tài)或基態(tài)，由于外界的激勵(lì)(stimulate)，如原子的碰撞，外界的輻射等，使得原子處于較高能級(jí)的激發(fā)態(tài)?！瘛瘛瘛瘛瘛裉幱诩ぐl(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，它會(huì)自發(fā)地回到低能級(jí)的激發(fā)態(tài)或基態(tài)，這一過(guò)程稱作電子躍遷。9/22/20239第4章光源和光發(fā)射機(jī)4.1.3光與物質(zhì)的三種作用形式光可以被物質(zhì)吸收，也可以從物質(zhì)中發(fā)射；在研究光與物質(zhì)的相互作用時(shí)，愛因斯坦指出，這里存在著三種不同的基本過(guò)程，即：自發(fā)輻射受激吸收受激輻射9/22/202310第4章光源和光發(fā)射機(jī)一、自發(fā)輻射●●●●物質(zhì)原子中的電子在未受到外界激發(fā)的情況下，高能級(jí)E2上的電子由于不穩(wěn)定，自發(fā)地向低能級(jí)E1躍遷，在躍遷的過(guò)程中，多余的能量以發(fā)光的形式表現(xiàn)出來(lái)，這個(gè)過(guò)程稱為自發(fā)輻射。當(dāng)發(fā)射的電磁波的波長(zhǎng)在光波范圍內(nèi)，就是原子發(fā)光過(guò)程——這就是原子的發(fā)光機(jī)理●●這是一種發(fā)光過(guò)程。9/22/202311第4章光源和光發(fā)射機(jī)一、自發(fā)輻射的特點(diǎn)這個(gè)過(guò)程是在沒有外界作用的條件下，而自發(fā)產(chǎn)生的，是自發(fā)躍遷；由于發(fā)射出光子的頻率決定于所躍遷的能級(jí)，而發(fā)生自發(fā)輻射的高能級(jí)不是一個(gè)，而可以是一系列的高能級(jí)，因此，輻射光子的頻率亦不同，頻率范圍很寬；即使有些電子是在相同的能級(jí)差間進(jìn)行躍遷，也就是輻射出的光子的頻率相同時(shí)，但由于它們是獨(dú)立的、自發(fā)的輻射。因此，它們的發(fā)射方向和相位也是各不相同的，因此是非相干光。9/22/202312第4章光源和光發(fā)射機(jī)●●●●原子每一次發(fā)光所持續(xù)的時(shí)間，是有限的而且很短；同時(shí)所發(fā)射電磁波能量也是有限的，即兩個(gè)能級(jí)之差。所以一個(gè)原子每一次發(fā)光就只能發(fā)出一段長(zhǎng)度有限，頻率一定和振動(dòng)方向一定的光波。這樣一段光波稱作一個(gè)波列。波列波列長(zhǎng)L=

c4.1發(fā)光機(jī)理9/22/202313第4章光源和光發(fā)射機(jī)一個(gè)原子經(jīng)過(guò)一次發(fā)光躍遷后，還可以再次被激發(fā)到較高的能級(jí)，因而又可以再次發(fā)光，因此原子發(fā)光都是斷續(xù)。上面討論的是一個(gè)原子發(fā)光。4.1發(fā)光機(jī)理●●●●波列波列長(zhǎng)L=

c9/22/202314第4章光源和光發(fā)射機(jī)獨(dú)立(不同原子發(fā)的光)··對(duì)于普通光源，光源內(nèi)有非常多的原子，這些原子的發(fā)光遠(yuǎn)不是同步的，這是因?yàn)樵谶@些光源內(nèi)原子處于激發(fā)態(tài)時(shí)，它向低能級(jí)的躍遷完全是自發(fā)的，各原子的各次發(fā)光完全是獨(dú)立的，互不相關(guān)的。它們每次何時(shí)發(fā)光是完全不確定的。普通光源也就是各個(gè)原子各次發(fā)光，發(fā)光頻率、振動(dòng)方向、彼此位相差是不確定的，出現(xiàn)干涉現(xiàn)象的概率太小了。4.1發(fā)光機(jī)理9/22/202315第4章光源和光發(fā)射機(jī)獨(dú)立(同一原子先后發(fā)的光)獨(dú)立(不同原子發(fā)的光)··普通光源即使同一原子不同次發(fā)光，也不能保證這些波列的頻率，振動(dòng)方向都相同，而且位相差也不可能保持恒定，因此，也就不可能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。4.1發(fā)光機(jī)理9/22/202316第4章光源和光發(fā)射機(jī)相干光怎么獲得呢？普通光源激光器利用普通光源獲得相干光的方法的基本原理是把由光源同一點(diǎn)發(fā)出的光設(shè)法分成兩部分，然后再使這兩部分疊加起來(lái)。由于這兩部分光實(shí)際上都來(lái)自同一發(fā)光原子的同一次發(fā)光，所以它們將滿足相干條件而成為相干光。激光具有非常好的相干性，相干光源9/22/202317第4章光源和光發(fā)射機(jī)“分波前法”獲得相干光

——楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)英國(guó)物理學(xué)家托馬斯．楊(T．Young)在1801年首先用實(shí)驗(yàn)方法研究了光的干涉現(xiàn)象，為光的波動(dòng)理論確定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)9/22/202318第4章光源和光發(fā)射機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置如圖，在普通單色光源后放平行放置兩個(gè)屏，S1S2SE靠近光源的屏上開一長(zhǎng)狹縫S，相當(dāng)于一線光源，在另外一個(gè)屏上開兩個(gè)與S都平行的長(zhǎng)狹縫S1和S2，雙縫的距離很小，在雙縫后放置一屏幕E9/22/202319第4章光源和光發(fā)射機(jī)S1S2SE實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象當(dāng)光源照射狹縫S時(shí)，在屏幕E上出現(xiàn)一系列穩(wěn)定的明暗相間的條紋，這些條紋都與狹縫平行，條紋間的距離彼此相等.

9/22/202320第4章光源和光發(fā)射機(jī)二、受激吸收物質(zhì)在外來(lái)光子的激發(fā)下，低能級(jí)E1上的電子吸收了外來(lái)光子的能量，而躍遷到高能級(jí)E2上，這個(gè)過(guò)程叫做受激吸收●●9/22/202321第4章光源和光發(fā)射機(jī)二、受激吸收的特點(diǎn)1．這個(gè)過(guò)程必須在外來(lái)光子的激發(fā)下才會(huì)產(chǎn)生，因此，是受激躍遷；2.外來(lái)光子的能量要等于電子躍遷的能級(jí)之差，

低能級(jí)E1上的電子吸收了外來(lái)光子的能量，躍遷到高能級(jí)E2上，則外來(lái)光子的能量應(yīng)為3.受激躍遷的過(guò)程中，并沒有多余的能量釋放。9/22/202322第4章光源和光發(fā)射機(jī)三、受激輻射當(dāng)受到外來(lái)光子的激發(fā)時(shí)，躍遷到低能級(jí)E1上，同時(shí)放出一個(gè)能量為的光子，由于這個(gè)過(guò)程是在外來(lái)光子的激發(fā)下產(chǎn)生的，因此叫做受激輻射?！瘛瘛襁@是一種發(fā)光過(guò)程。9/22/202323第4章光源和光發(fā)射機(jī)三、受激輻射的特點(diǎn)1．受激輻射的發(fā)光過(guò)程不是自發(fā)的，而是受到外來(lái)光激發(fā)引起的，外來(lái)光子的能量等于躍遷的能級(jí)之差，即2．受激過(guò)程中發(fā)射出來(lái)的光子與外來(lái)光子不僅頻率相同，而且相位、偏振方向、傳播方向都相同，稱為全同光子。因此，受激輻射所發(fā)的光是相干光。9/22/202324第4章光源和光發(fā)射機(jī)四、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布當(dāng)某物質(zhì)與外界處在能量平衡狀態(tài)下，也就是處在熱平衡狀態(tài)時(shí)，低能級(jí)的粒子（電子）數(shù)N1總是大于高能級(jí)的粒子（電子）數(shù)N2，這就是所謂的粒子數(shù)正常分布?！瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛窳Ｗ訑?shù)正常分布顯然，在這種分布狀態(tài)下，即使有光照射，但是由于N1＞N2，必然是受激吸收的光要大于受激輻射的光。因此，這時(shí)不會(huì)實(shí)現(xiàn)光放大。9/22/202325第4章光源和光發(fā)射機(jī)四、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布當(dāng)外界提供能量，使得低能級(jí)上的電子獲得能量而激發(fā)到高能級(jí)上，像一個(gè)泵將低能級(jí)上的電子“抽運(yùn)”到高能級(jí)上一樣，從而達(dá)到高能級(jí)上的粒子數(shù)N2大于低能級(jí)上的粒子數(shù)N1的分布狀態(tài)。這種分布狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)?！瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛窳Ｗ訑?shù)反轉(zhuǎn)分布由于N2＞N1，因此，這時(shí)如果有外來(lái)光的激發(fā)，就會(huì)出現(xiàn)受激輻射＞受激吸收，就有可能實(shí)現(xiàn)光的放大作用。9/22/202326第4章光源和光發(fā)射機(jī)五、光放大當(dāng)物質(zhì)在外部能量作用下達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)時(shí)，高能級(jí)上的大量粒子就會(huì)在受到外來(lái)入射光子的激發(fā)下，同步發(fā)射與入射光子的頻率、相位、偏振方向、傳播方向完全相同的全同光子?！瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛襁@樣，就實(shí)現(xiàn)了用一個(gè)弱的入射光來(lái)激發(fā)出一個(gè)強(qiáng)的出射光的光放大作用。因此，受激輻射引起光放大，是產(chǎn)生激光的一個(gè)重要的基本概念。9/22/202327第4章光源和光發(fā)射機(jī)作業(yè)

1.光與物質(zhì)的相互作用有那幾種不同的方式，分別解釋說(shuō)明

2.什么是原子的能級(jí)？9/22/202328第4章光源和光發(fā)射機(jī)4.2激光器的一般工作原理4.2.1激光器的構(gòu)成及激光的產(chǎn)生4.2.2激光器的閾值條件和相位平衡條件激光Laser——LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation，即通過(guò)受激輻射實(shí)現(xiàn)光放大。9/22/202329第4章光源和光發(fā)射機(jī)4.2.1激光器的構(gòu)成及激光的產(chǎn)生過(guò)去人們熟悉的普通光源，如白熾燈、日光燈是通過(guò)發(fā)光介質(zhì)自發(fā)輻射實(shí)現(xiàn)的發(fā)光，是非相干光源；1960年，美國(guó)人梅曼發(fā)明第一臺(tái)激光器．它是利用受激輻射原理，并采取一定措施在某個(gè)方向上獲得很強(qiáng)的指向性、極高的光強(qiáng)、極好的相干性的一種光源。9/22/202330第4章光源和光發(fā)射機(jī)激光的特點(diǎn)1）方向性好應(yīng)用：定位、導(dǎo)向、激光測(cè)距、激光雷達(dá)2）單色性好應(yīng)用：精度測(cè)量、激光通信、等離子測(cè)試3）能量集中應(yīng)用：打孔、焊接、切割、手術(shù)、激光核聚變4）相干性好

9/22/202331第4章光源和光發(fā)射機(jī)討論產(chǎn)生激光的條件是什么？提示：1）能量從哪里來(lái)的2）怎樣實(shí)現(xiàn)光的放大3）如何讓受激輻射占主導(dǎo)地位9/22/202332第4章光源和光發(fā)射機(jī)產(chǎn)生激光的三個(gè)先決條件：第一，要有一個(gè)合適的激光工作物質(zhì)──激活介質(zhì)；第二，需要一個(gè)能保證粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的激勵(lì)能源

──泵浦源；第三，需要光學(xué)諧振腔。9/22/202333第4章光源和光發(fā)射機(jī)光學(xué)諧振腔的實(shí)現(xiàn)在激光工作物質(zhì)兩端分別加一塊平面反射鏡，使受激輻射產(chǎn)生的光子在兩塊反射鏡之間往復(fù)反射．兩塊反射鏡中的一塊，其反射率理想情況應(yīng)為100％，另一塊需要開一個(gè)孔以便輸出激光，故反射率應(yīng)在90％左右。9/22/202334第4章光源和光發(fā)射機(jī)光學(xué)諧振腔的作用第一，使外來(lái)光子經(jīng)過(guò)多次反射，能夠激發(fā)更多的高能級(jí)粒子產(chǎn)生受激輻射，實(shí)現(xiàn)光的正反饋。第二，光學(xué)諧振腔還是一個(gè)諧振系統(tǒng)，如同電路中的LC諧振電路，具有選頻作用。9/22/202335第4章光源和光發(fā)射機(jī)產(chǎn)生激光的另兩個(gè)條件：①光的增益和損耗間應(yīng)滿足平衡的條件

──閾值條件；②在諧振腔中，光波往復(fù)反射能得到加強(qiáng)，應(yīng)滿足的條件

──相位平衡條件。9/22/202336第4章光源和光發(fā)射機(jī)4.2.2激光器的閾值條件激光器工作過(guò)程中，既有增益又有損耗：激光工作物質(zhì)不均勻造成光波散射；諧振腔反射鏡有透射和吸收；光波偏離腔體軸線而射到腔外。。。將增益和損耗結(jié)合起來(lái)考慮，只有當(dāng)光波在諧振腔內(nèi)往返一次放大得到的光能密度大于或等于損失掉的光能密度，激光器才能建立起穩(wěn)定的激光輸出。將上述兩者相等的這種關(guān)系稱為閾值條件。9/22/202337第4章光源和光發(fā)射機(jī)4.2.2激光器的閾值條件閾值條件表明：激光器能夠起振（剛開始產(chǎn)生激光）時(shí)，激光器小信號(hào)增益系數(shù)G必須滿足的一個(gè)下限值，如低于它，激光器就不起振．閾值條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式：Gth—閾值增益系數(shù)—腔內(nèi)損耗系數(shù)，單位距離傳播時(shí)，光功率的相對(duì)損耗率r1和r2—諧振腔兩個(gè)反射鏡的功率反射系數(shù)L—光學(xué)諧振腔的長(zhǎng)度其中：9/22/202338第4章光源和光發(fā)射機(jī)4.2.2激光器的相位平衡條件思考：是否任何頻率的光波都可以存在于光學(xué)諧振腔之中呢？不是！只有那些經(jīng)過(guò)往返一周回到原來(lái)位置時(shí)，光波的相位與初始發(fā)生的波的相位同相的光波，才能因彼此加強(qiáng)（即諧振）而在諧振腔中存在！激光器的相位平衡條件：q＝1，2，3，…—傳播常數(shù)，傳播單位長(zhǎng)度時(shí)的相位變化—激活介質(zhì)中傳播時(shí)的波長(zhǎng)L—光學(xué)諧振腔的幾何長(zhǎng)度其中：9/22/202339第4章光源和光發(fā)射機(jī)4.2.2激光器的相位平衡條件激光器中存在光波的頻率（真空中）：或①諧振腔中不是只存在一個(gè)頻率，但是也只有那些有增益，并且小信號(hào)增益大于平均損耗系數(shù)的光波才能存在。②光學(xué)諧振腔中，不同q的一系列取值對(duì)應(yīng)于沿諧振腔縱方向（軸向）一系列不同的電磁場(chǎng)分布狀態(tài)．一種分布就是一個(gè)激光器的縱模。③激光器的諧振腔中，在垂直于軸線的橫方向也可以有一系列不同的電磁場(chǎng)分布，它被稱為激光器的橫模，是因?yàn)楣獠ㄆx軸向傳播而引起的。9/22/202340第4章光源和光發(fā)射機(jī)4.3半導(dǎo)體激光器4.3.1半導(dǎo)體激光器的發(fā)光機(jī)理4.3.2異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器4.3.3半導(dǎo)體激光器的工作特性4.3.4光纖通信在不同工作波段使用的激光器9/22/202341第4章光源和光發(fā)射機(jī)半導(dǎo)體是由大量原子周期性有序排列構(gòu)成的共價(jià)晶體。在這種晶體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態(tài)擴(kuò)展成能級(jí)連續(xù)分布的能帶，如圖。能量低的能帶稱為價(jià)帶，能量高的能帶稱為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶底的能量Ec和價(jià)帶頂?shù)哪芰縀v之間的能量差Ec-Ev=Eg稱為禁帶寬度或帶隙。電子不可能占據(jù)禁帶。半導(dǎo)體的能帶分布9/22/202342第4章光源和光發(fā)射機(jī)半導(dǎo)體的能帶和電子分布

(a)本征半導(dǎo)體；(b)N型半導(dǎo)體；(c)P型半導(dǎo)體9/22/202343第4章光源和光發(fā)射機(jī)4.3.1半導(dǎo)體激光器的發(fā)光機(jī)理重?fù)诫s情況的半導(dǎo)體能級(jí)結(jié)構(gòu)9/22/202344第4章光源和光發(fā)射機(jī)在P型和N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)界面上，由于存在多數(shù)載流子(電子或空穴)的梯度，因而產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)部電場(chǎng)4.3.1半導(dǎo)體激光器的發(fā)光機(jī)理9/22/202345第4章光源和光發(fā)射機(jī)內(nèi)部電場(chǎng)產(chǎn)生與擴(kuò)散相反方向的漂移運(yùn)動(dòng)，直到P區(qū)和N區(qū)的Ef

相同，兩種運(yùn)動(dòng)處于平衡狀態(tài)為止，結(jié)果能帶發(fā)生傾斜4.3.1半導(dǎo)體激光器的發(fā)光機(jī)理9/22/202346第4章光源和光發(fā)射機(jī)外加正向偏壓后P-N結(jié)的能帶分布4.3.1半導(dǎo)體激光器的發(fā)光機(jī)理9/22/202347第4章光源和光發(fā)射機(jī)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)9/22/202348第4章光源和光發(fā)射機(jī)4.3.1半導(dǎo)體激光器的發(fā)光機(jī)理1、當(dāng)P-N結(jié)上外加的正向偏壓足夠大，使注入結(jié)區(qū)的電子足夠多時(shí)，由于出現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，使得P-N結(jié)區(qū)將出現(xiàn)受激輻射大于受激吸收的情況；2、這時(shí)，在與高能級(jí)相應(yīng)的光子的激發(fā)下，就將使得高能級(jí)上的大量電子躍遷回低能級(jí)，同時(shí)放出大量的全同光子的光波；3、光波在由P-N結(jié)構(gòu)成的光學(xué)諧振腔中來(lái)回反射，光強(qiáng)不斷增加，經(jīng)諧振腔選頻作用，從而形成激光。9/22/202349第4章光源和光發(fā)射機(jī)4.3.2異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器前面討論的簡(jiǎn)單的P-N結(jié)半導(dǎo)體激光器，又稱同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器。1、對(duì)光波的限制不完善，導(dǎo)致輸出光波損耗大。缺點(diǎn)：2、對(duì)載流子的限制不完善，導(dǎo)致閾值電流大。異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器，用兩種材料構(gòu)成的P-N結(jié),如:GaAs（砷化鎵）和GaAlAs（鎵鋁砷）。單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器9/22/202350第4章光源和光發(fā)射機(jī)單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器在同質(zhì)結(jié)P-GaAs右側(cè)加了一層異質(zhì)材料P-GaAlAs

1．增加了右側(cè)位壘，對(duì)載流子進(jìn)行了限制可見，單異質(zhì)結(jié)激光器的發(fā)光區(qū)域的右側(cè)受到了約束，而且閾值電流有所降低。2．在界面右側(cè)出現(xiàn)了折射率的突變，限制了光波9/22/202351第4章光源和光發(fā)射機(jī)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器在單異質(zhì)結(jié)激光器N-GaAs的左側(cè)加N-GaAlAs

雙異質(zhì)結(jié)激光器在有源區(qū)兩側(cè)，既限制了載流子，又限制了光波，而且閾值電流大大降低，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目的.1．兩側(cè)位壘限制了電子從右側(cè)，空穴從左側(cè)逸出2．兩側(cè)邊界都對(duì)光波進(jìn)行了限制9/22/202352第4章光源和光發(fā)射機(jī)9/22/202353第4章光源和光發(fā)射機(jī)雙異質(zhì)結(jié)激光器工作原理(a)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)；(b)能帶；(c)折射率分布；

(d)光功率分布9/22/202354第4章光源和光發(fā)射機(jī)雙異質(zhì)結(jié)激光器的特性1.窄帶隙的有源區(qū)材料被夾在寬帶隙的限制層中，帶隙差形成的勢(shì)壘對(duì)載流子有限制作用2.折射率的分布滿足導(dǎo)波條件，折射率差5％左右.光場(chǎng)限制強(qiáng)3.P-N結(jié)的兩個(gè)端面是按照晶體的天然解理面切開的，天然解理面相當(dāng)于反射面,一般反射系數(shù)為0.324.天然解理面表面鍍膜可以得到很高的反射系數(shù),組成光學(xué)諧振腔5.室溫連續(xù)工作9/22/202355第4章光源和光發(fā)射機(jī)9/22/202356第4章光源和光發(fā)射機(jī)作業(yè)1.產(chǎn)生激光需要滿足哪些條件？9/22/202357第4章光源和光發(fā)射機(jī)4.3.3半導(dǎo)體激光器的工作特性半導(dǎo)體激光二極管LD（Laserdiode），除具有二極管的一般特性以外，還具有特殊的光頻特性.1．輻射波長(zhǎng)λ2．P－I曲線3．光譜特性4．轉(zhuǎn)換效率5．溫度特性9/22/202358第4章光源和光發(fā)射機(jī)1．輻射波長(zhǎng)λ輻射波長(zhǎng)是由半導(dǎo)體的禁帶決定的:若用eV為Eg的單位(1eV=1.602×10-19J),nm為λ的單位，則：即：物質(zhì)禁帶Eg（eV）波長(zhǎng)（nm）Si（硅）1.171067Ge（鍺）0.7751610GaAs（砷化鎵）1.424876InP（銦磷）1.35924InGaAs（銦鎵砷）0.75～1.241006～1664GaAlAs（鎵鋁砷）1.42～1.92650～879InGaAsP（銦鎵砷磷）0.75～1.35924～16649/22/202359第4章光源和光發(fā)射機(jī)2．P－I曲線LD的輸出特性曲線對(duì)于半導(dǎo)體激光二極管，當(dāng)外加正向電流達(dá)到某一值時(shí)，輸出光功率將急劇增加，這時(shí)將產(chǎn)生激光振蕩，這個(gè)電流值稱為閾值電流，用It表示.“拐點(diǎn)”閾值電流I＞It

激光I＜It熒光為了使光纖通信系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作，希望閾值電流越小越好。目前，最好的LD的閾值電流小于10mA。9/22/202360第4章光源和光發(fā)射機(jī)3．光譜特性“拐點(diǎn)”閾值電流I＞It

激光I＜It熒光光譜很寬光譜突然變窄，譜線中心強(qiáng)度急劇增加9/22/202361第4章光源和光發(fā)射機(jī)3．光譜特性LD產(chǎn)生的激光有多縱模和單縱模單縱模激光器：只有一根譜線，細(xì)而窄，適用于長(zhǎng)距離光纖傳輸系統(tǒng)多縱模激光器：譜線多而寬，適用于短距離光纖傳輸系統(tǒng)。觀測(cè)激光器光譜特性時(shí)，光譜曲線最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為中心波長(zhǎng)

最高點(diǎn)中心波長(zhǎng)比最高點(diǎn)光功率低3dB譜線寬度比最高點(diǎn)光功率低3dB時(shí)曲線上的寬度為譜線寬度，F(xiàn)ull-widthhalf-maximum(FWHM)，通常也稱為半高全寬

目前，單模激光器的譜線寬度可以做到0.1nm以下9/22/202362第4章光源和光發(fā)射機(jī)4．轉(zhuǎn)換效率LD實(shí)質(zhì)上是把電功率直接轉(zhuǎn)換成光功率的器件，衡量轉(zhuǎn)換效率的高低常用功率轉(zhuǎn)換效率來(lái)表示。激光器的功率轉(zhuǎn)換效率定義為：R為與激光器的內(nèi)部量子效率、激光波長(zhǎng)和模式損耗有關(guān)的常數(shù)；V為工作電壓；It為閾值電流；I為工作電流。9/22/202363第4章光源和光發(fā)射機(jī)5．溫度特性激光器的閾值電流和光輸出功率隨溫度變化的特性為溫度特性。溫度對(duì)LD的閾值電流影響很大：閾值電流隨溫度的升高而加大為了使光纖通信系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地工作，一般都要采用自動(dòng)溫度控制電路，來(lái)穩(wěn)定LD的閾值電流和輸出光功率。

LD的閾值電流也和使用時(shí)間有關(guān)：隨著激光管使用時(shí)間的增加，閾值電流也會(huì)逐漸加大。目前，國(guó)內(nèi)制造的LD芯片的壽命已達(dá)到l06小時(shí)以上，經(jīng)耦合、封裝后的器件壽命可達(dá)到2×l05h以上。9/22/202364第4章光源和光發(fā)射機(jī)

4.3.4光纖通信所使用的激光器光纖通信中的三個(gè)低損耗窗口：短波長(zhǎng)波段：850nm長(zhǎng)波長(zhǎng)波段：1310nm，1550nm短波長(zhǎng)波段，激光器一般采用GaAlAs/GaAs－LD，使用壽命一般為104h，應(yīng)用于第一代光纖通信系統(tǒng)中。在長(zhǎng)波長(zhǎng)波段，通常采用InGaAsP－LD，發(fā)射光功率（毫瓦數(shù)量級(jí)），譜線較窄（約3nm），與光纖耦合效率較高（可達(dá)50％左右），使用壽命在104h以上。在1300nm

和1550nm單模光纖通信系統(tǒng)中，通常采用。9/22/202365第4章光源和光發(fā)射機(jī)

4.3.4光纖通信所使用的激光器短波長(zhǎng)波段：850nm長(zhǎng)波長(zhǎng)波段：1310nm，1550nm9/22/202366第4章光源和光發(fā)射機(jī)

4.3.5動(dòng)態(tài)單縱模半導(dǎo)體激光器激光器的內(nèi)光柵在有源層內(nèi)的波導(dǎo)層上利用布喇格反射原理由周期結(jié)構(gòu)的波紋光柵形成光耦合來(lái)提供激光振蕩光柵衍射對(duì)波長(zhǎng)有良好的選擇性9/22/202367第4章光源和光發(fā)射機(jī)

4.3.5動(dòng)態(tài)單縱模半導(dǎo)體激光器DFB-LD普通的半導(dǎo)體激光器的輸出光譜的比較9/22/202368第4章光源和光發(fā)射機(jī)

4.3.5動(dòng)態(tài)單縱模半導(dǎo)體激光器DFB-LD和普通的半導(dǎo)體激光器的輸出光譜的比較9/22/202369第4章光源和光發(fā)射機(jī)9/22/202370第4章光源和光發(fā)射機(jī)作業(yè)1.分析說(shuō)明雙異質(zhì)結(jié)激光器的結(jié)構(gòu)，有何優(yōu)點(diǎn)2.一半導(dǎo)體激光器的工作物質(zhì)的禁帶寬度為0.8eV，該激光器所能發(fā)出的光波長(zhǎng)是多少？9/22/202371第4章光源和光發(fā)射機(jī)4.4半導(dǎo)體發(fā)光二極管4.4.1發(fā)光二極管的分類4.4.2半導(dǎo)體發(fā)光二極管的工作特性和特點(diǎn)9/22/202372第4章光源和光發(fā)射機(jī)

4.4.1發(fā)光二極管的分類LED分為兩大類：面發(fā)光二極管 邊發(fā)光二極管半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED（LightEmittingDiode）的特點(diǎn)：1.結(jié)構(gòu)上沒有光學(xué)諧振腔，其他方面與激光器相同。2.它是無(wú)閾值器件。3.發(fā)光機(jī)理是自發(fā)輻射，發(fā)出的是熒光。目前，在單模光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中，大多采用邊發(fā)光二極管。9/22/202373第4章光源和光發(fā)射機(jī)邊發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)9/22/202374第4章光源和光發(fā)射機(jī)

1．光譜較寬由于LED是屬于自發(fā)輻射發(fā)光，因此，其譜線寬度要比LD寬得多。這一點(diǎn)對(duì)于高速率信號(hào)的傳輸是不利的.目前，國(guó)內(nèi)一般邊發(fā)光二極管的最高調(diào)制頻率為70－100MHz。

4.4.2LED的工作特性和特點(diǎn)9/22/202375第4章光源和光發(fā)射機(jī)

2．P－I曲線的線性較好由于LED是無(wú)閾值器件，它隨著注入電流的增加，輸出光功率近似呈線性的增加。因此，在進(jìn)行調(diào)制時(shí)，其動(dòng)態(tài)范圍大，信號(hào)失真小。9/22/202376第4章光源和光發(fā)射機(jī)

3．與光纖的耦合效率較低由于LED發(fā)射出的光束的發(fā)散角較大（約在40o～120o）范圍內(nèi)，因此，與光纖的耦合效率也較低。一般只適用于短距離傳輸。9/22/202377第4章光源和光發(fā)射機(jī)4．壽命長(zhǎng)目前國(guó)產(chǎn)發(fā)光二極管的壽命可以達(dá)到

3×105h以上。9/22/202378第4章光源和光發(fā)射機(jī)5．溫度特性較好激光器的閾值電流隨溫度變化而變化，而LED是無(wú)閾值器件，因此，溫度特性較好，一般不需加溫控電路。9/22/202379第4章光源和光發(fā)射機(jī)

4.4.2LED的工作特性和特點(diǎn)盡管發(fā)光二極管的輸出光功率較低，光譜較寬，但由于使用簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，在中、低速率短距離光纖數(shù)字通信系統(tǒng)和光纖模擬信號(hào)傳輸系統(tǒng)中，還是得到了廣泛的應(yīng)用．9/22/202380第4章光源和光發(fā)射機(jī)4.5光源的調(diào)制4.5.1模擬信號(hào)的調(diào)制4.5.2數(shù)字信號(hào)的調(diào)制9/22/202381第4章光源和光發(fā)射機(jī)從光源與調(diào)制器之間關(guān)系，可分為：1、內(nèi)調(diào)制，又稱直接調(diào)制2、外調(diào)制，又稱間接調(diào)制思考：怎樣將電信息“載”到光波上呢？在光纖通信系統(tǒng)中，把隨信息變化的電信號(hào)加載到光波上，使光載波按信息的變化而變化，這就是光源的調(diào)制。對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制！9/22/202382第4章光源和光發(fā)射機(jī)1.光源的內(nèi)調(diào)制它是把要傳遞的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)注入LD或LED，從而獲得相應(yīng)的光信號(hào)。直接調(diào)制后的光波電場(chǎng)振幅的平方正比于調(diào)制信號(hào)，因此是一種光強(qiáng)度調(diào)制（IM）的方法。將調(diào)制信號(hào)直接作用在光源上，對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，又稱直接調(diào)制?？捎糜贚D或LED這類光源。9/22/202383第4章光源和光發(fā)射機(jī)1.光源的內(nèi)調(diào)制

LD的P－I特性曲線LED的P－I特性曲線注入電流超過(guò)閾值電流It后，基本是直線

P-I曲線亦基本呈直線只要在呈直線的部位加入調(diào)制信號(hào)（即加入跟隨輸入信號(hào)變化的注入電流），則輸出的光功率P就跟隨輸入信號(hào)變化。于是，信號(hào)就調(diào)制到光波上了9/22/202384第4章光源和光發(fā)射機(jī)2.光源的外調(diào)制光源本身不被調(diào)制，但當(dāng)光從光源射出以后在其傳輸?shù)耐ǖ郎媳灰恢徽{(diào)制器調(diào)制。這只調(diào)制器是利用物質(zhì)的電光、聲光、磁光等效應(yīng)對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制的，故有所謂的電光調(diào)制器、聲光調(diào)制器、磁光調(diào)制器等，這種調(diào)制方式又稱為間接調(diào)制。9/22/202385第4章光源和光發(fā)射機(jī)電光調(diào)制器當(dāng)電場(chǎng)施加在光正穿過(guò)的晶體時(shí)，會(huì)引起折射率的變化，進(jìn)而導(dǎo)致光波特性發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)RViR為匹配電阻，Vi為調(diào)制信號(hào)行波電極波導(dǎo)保偏光纖9/22/202386第4章光源和光發(fā)射機(jī)磁光調(diào)制原理圖zzHdc45

入射光起偏器調(diào)制信號(hào)檢偏器YIG棒9/22/202387第4章光源和光發(fā)射機(jī)兩種調(diào)制方式的比較溫度波長(zhǎng)控制電路直接調(diào)制間接調(diào)制9/22/202388第4章光源和光發(fā)射機(jī)兩種調(diào)制方式的比較

直接調(diào)制方式

－輸出功率正比于調(diào)制電流；－簡(jiǎn)單、損耗小、價(jià)廉；隨調(diào)制速率增高，模數(shù)增加，激光器譜線展寬（啁啾）。主要是由于載流子數(shù)量的變化導(dǎo)致激活區(qū)中折射率的變化，引起輸出激光頻率的變化限制使用在<2.5Gbps速率下，較短距離傳輸。

外調(diào)制方式

－激光器光源＋開關(guān)－復(fù)雜、損耗大、價(jià)格貴；

－線性調(diào)頻（啁啾）無(wú)或?。糜?gt;2.5Gbps高速率傳輸

9/22/202389第4章光源和光發(fā)射機(jī)模擬信號(hào)調(diào)制和數(shù)字信號(hào)調(diào)制從調(diào)制信號(hào)的形式來(lái)看，光調(diào)制又可分為模擬信號(hào)調(diào)制和數(shù)字信號(hào)調(diào)制。模擬信號(hào)調(diào)制是直接用連續(xù)的模擬信號(hào)（如語(yǔ)音）對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制。數(shù)字信號(hào)調(diào)制主要是指PCM編碼調(diào)制。脈碼調(diào)制是先將連續(xù)的模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣、量化、編碼，轉(zhuǎn)換成一組二進(jìn)制脈沖代碼，用矩形脈沖的有、無(wú)（“1”碼和“0”碼）來(lái)表示信號(hào)。9/22/202390第4章光源和光發(fā)射機(jī)4.5.1LED模擬信號(hào)的調(diào)制LED模擬信號(hào)調(diào)制原理圖模擬信號(hào)調(diào)制電路所謂模擬信號(hào)內(nèi)調(diào)制就是直接讓LED的注入電流跟隨反映語(yǔ)音或圖像等模擬量變化，從而使LED輸出的光功率跟隨模擬信號(hào)變化。模擬電信號(hào)跟隨模擬量變化9/22/202391第4章光源和光發(fā)射機(jī)LD的模擬調(diào)制

LD的P－I特性曲線調(diào)制電流的工作范圍應(yīng)該在線性區(qū)

9/22/202392第4章光源和光發(fā)射機(jī)4.5.2數(shù)字信號(hào)的調(diào)制

LED數(shù)字信號(hào)調(diào)制

LD數(shù)字信號(hào)調(diào)制9/22/202393第4章光源和光發(fā)射機(jī)4.5.2數(shù)字信號(hào)的調(diào)制

LD的調(diào)制要比LED的調(diào)制復(fù)雜。9/22/202394第4章光源和光發(fā)射機(jī)偏置電流的選擇偏置電流和調(diào)制電流大小的選擇。偏置電流的選擇直接影響LD的高速調(diào)制特性，選擇偏置電流應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：電光延遲時(shí)間張馳振蕩碼型效應(yīng)LD的消光比

9/22/202395第4章光源和光發(fā)射機(jī)

光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形

輸入電流輸出激光9/22/202396第4章光源和光發(fā)射機(jī)電光延遲時(shí)間電光延遲時(shí)間：

其中，τsp為自發(fā)復(fù)合時(shí)間，

Im為調(diào)制電流,

Ib為偏置電流,

Ith為閾值電流。如何縮短電光延遲時(shí)間？9/22/202397第4章光源和光發(fā)射機(jī)電光延遲時(shí)間如果

則

1、對(duì)LD施加直流偏置電流是縮短電光延遲時(shí)間，提高調(diào)制速率的重要途徑。加大偏置電流，使其逼近閾值電流，可以大大減小電光延遲時(shí)間，同時(shí)在一定程度上抑制張馳振蕩。9/22/202398第4章光源和光發(fā)射機(jī)碼型效應(yīng)激光器在傳輸一系列的脈沖信息時(shí)，由于瞬態(tài)性質(zhì)會(huì)使輸出的光脈沖中，后一個(gè)幅值大于前一個(gè)幅值，這種物理現(xiàn)象叫做激光器的9/22/202399第4章光源和光發(fā)射機(jī)碼型效應(yīng)

2、當(dāng)LD偏置在閾值附近時(shí)，較小的調(diào)制脈沖電流就能得到足夠的輸出光脈沖功率，Ib+Im和Ib的值相差不大，從而可以大大減小碼型效應(yīng)的影響。碼型效應(yīng)：消除碼型效應(yīng)的辦法：增加直流偏置電流。當(dāng)LD偏置在閾值附近時(shí)，，Im很小，脈沖持續(xù)時(shí)和脈沖過(guò)后，有源區(qū)里電子密度變化不大，從而使電子的存儲(chǔ)時(shí)間大大減小。9/22/2023100第4章光源和光發(fā)射機(jī)消光比

3、加大偏置電流會(huì)使LD的消光比惡化。所謂消光比，是指LD在全“0”碼時(shí)的發(fā)射功率與全“1”碼時(shí)的發(fā)射功率之比，即9/22/2023101第4章光源和光發(fā)射機(jī)消光比光源的消光比會(huì)直接影響光接收機(jī)的靈敏度。為不使光接收機(jī)的靈敏度明顯下降，消光比一般應(yīng)小于10％。如果Ib過(guò)大，就會(huì)造成消光比增大，導(dǎo)致光接收機(jī)的靈敏度降低。9/22/2023102第4章光源和光發(fā)射機(jī)結(jié)論偏置電流和調(diào)制電流大小的選擇：偏置電流的選擇，要兼顧到電光延遲時(shí)間、張馳振蕩、碼型效應(yīng)以及LD的消光比等各方面的情況。調(diào)制電流幅度的選擇，則應(yīng)根據(jù)LD的P－I曲線，既要有足夠的光脈沖功率，又要考慮光源的負(fù)擔(dān)。9/22/2023103第4章光源和光發(fā)射機(jī)4.6光發(fā)射機(jī)4.6.1對(duì)光發(fā)射機(jī)的要求4.6.2光發(fā)射機(jī)的組成方框圖及各部分功能9/22/2023104第4章光源和光發(fā)射機(jī)4.6.1對(duì)光發(fā)射機(jī)的要求1．光源的發(fā)光波長(zhǎng)要合適2．輸出光功率要合適3．較好的消光比4．調(diào)制特性好9/22/2023105第4章光源和光發(fā)射機(jī)1．光源的發(fā)光波長(zhǎng)要合適目前三個(gè)低損耗窗口：850nm1310nm1550nm光發(fā)射機(jī)光源發(fā)出的波長(zhǎng)應(yīng)與這三個(gè)波長(zhǎng)相適應(yīng)。9/22/2023106第4章光源和光發(fā)射機(jī)2．合適的輸出光功率光功率越大，通信距離越