《光纤通信》第4章节总结复习计划思考题参考答案

原荣编著《光纤通讯（第 3版）》
第4章复习思虑题
参照答案
4
-1简述半导体发光基理
答：在构成半导体晶体的原子内部，存在着不一样的能带。

假如占有高能带（导带）E c 的
电子跃迁到低能带（价带）
Ev上，就将此间的能量差（禁
带能量）E g E c E v以光的形式
放出，如
图所示。

这时发出的光，其波长基本上由能带差E所决定。

能带
差E和发
出光的振荡频次v o之间
有Ehv的关系，h是普朗克常数，等于1034Js。

由cv 得出
hc8（m）（）
E E
式中，c为光速，E取决于半导体资料的本征值，单位是电子
伏特（eV）。

图半导体发光原理
4-2简述激光器和光探测器的实质差异
答：发光过程，除自觉辐射外，还有受能量等于能级差 E E c E v hv的光所激发而
发出与之同频次、同相位的光（激光），即受激发射，如图（b）所示。

图光的自觉辐射、受激发射和汲取
反之，假如把能量
大于
hv 的光照耀到占有低能带 Ev 的电子上，则该电子汲取该能量后 被激励而跃迁到较高的能带
E c 上。

在半导体结上外加电场后，能够在外电路上拿出处
于高能 带E c 上的电子，使光能转变为电流，如图 （c ）所示，这就是光接收器件。

1
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第4章复习思虑题参照答案
4-3自觉辐射的光有什么特色
答：关于大批处于高能带的电子来说，当返回E v能级时，它们各自独立地分别发射一个
一个的光子。

所以，这些光波能够有不一样的相位和不一样的偏振方向，它们能够向各自方向流传。

同时，高能带上的电子可能处于不一样的能级，它们自觉辐射到低能带的不一样能级上，因此使发射光子
的能量有必定的差异，这些光波的波长其实不完整同样。

所以自觉辐射的光是一种非相关光，如图（a）所示。

4-4受激发射的光有什么特色
答：受激发射生成的光子与原入射光子如出一辙，即它们的频次、相位、偏振方向及流传方向都同样，
它和入射光子是相关的。

4-5怎样才可能实现光放大？
答：激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时，高能带中的电子密度增添，这些电子自觉地由高能带跃
迁到低能带发出光子，形成激光器中初始的光场。

在这些光场作用下，
受激发射和受激汲取过程同时发生，受激发射和受激汲取发生的概率同样。

用N c和N v分别
表示高、低能带上的电子密度。

当N c N v时，受激汲取过程大于受激发射，增益系数g0，
只好出现一般的荧光，光子被汲取的多，发射的少，光场减弱。

若注入电流增添到必定值后，
使N c N v，g>0，受激发射占主导地位，光场快速增强，此时的P-N结区成为对光场有放
大作用的地区（称为有源区），进而形成受激发射，如图所示。

4-6说出产生激光的过程
答：激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时，高能带中的电子密度增添，这些电子自觉地由高能带跃
迁到低能带发出光子，形成激光器中初始的光场。

在这些光场作用下，
受激发射和受激汲取过程同时发生，受激发射和受激汲取发生的概率同样。

用N c和N v分别
表示高、低能带上的电子密度。

当N c N v时，受激汲取过程大于受激发射，增益系数g0，
只好出现一般的荧光，光子被汲取的多，发射的少，光场减弱。

若注入电流增添到必定值后，
使N c N v，增益系数g>0，受激发射占主导地位，光场快速增强，此时的PN结区成为对
光场有放大作用的地区（称为有源区），进而形成受激发射，如图（b）和图所示。

半导体资料在往常状态下，老是N c N v，所以称N c N v的状态为粒子数反转。

使有
源区产生足够多的粒子数反转，这是使半导体激光器产生激光的首要条件。

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p +
结n
+
粒子数反转区
E c
导带电子
p+n+E Fn
EE
价带空穴Fn c
E c
E E c
v
E g hv eV
E Fp
电子
E v E
Fp
E v
+-
（a）没有偏置时的能带图（b）正向偏置足够大时的能带图，此时惹起
粒子数反转，发生受激发射
图半导体激光器的工作原理
半导体激光器产生激光的第2个条件是半导体激光器中一定存在光学谐振腔，并在谐振
腔里成立起稳固的振荡。

有源区里实现了粒子数反转后，受激发射占有了主导地位，可是，
激光器初始的光场根源于导带和价带的自觉辐射，频谱较宽，方向也凌乱无章。

为了获取单
色性和方向性好的激光输出，一定构成光学谐振腔。

在节中，我们已议论了法布里-珀罗（Fabry-Perot）谐振腔的构成和工作原理。

在半导体激光器中，用晶体的天然解理面（Cleaved Facets）构成法布里-珀罗谐振腔，如图所示。

要使光在谐振腔里成立起稳固的振荡，必
须知足必定的相位条件和阈值条件，相位条件使谐振腔内的前向和后向光波发生相关，阈值条件使腔内获取的光增益正好与腔内消耗相抵消。

谐振腔里存在着消耗，如镜面的反射消耗、工作物质的汲取和散射消耗等。

只有谐振腔里的光增益和消耗值保持相等，并且谐振腔内的
前向和后向光波发生相关时，才能在谐振腔的两个端面输出谱线很窄的相关光束。

前端面发
射的光约有50%耦合进入光纤，如图（a）所示。

后端面发射的光，由封装在内的光电
检测器接收变为光电流，经过反应控制回路，使激光器输出功率保持恒定（图（a）没有画出）。

图表示半导体激光器频谱特征的形成过程，它是由谐振腔内的增益谱和同意
产生的腔模谱共同作用形成的。

4-7激光器起振的阈值条件是什么
答：阈值条件是使腔内获取的光增益正好与腔内消耗相抵消。

4-8激光器起振的相位条件是什么
答：相位条件是使谐振腔内的前向和后向光波发生相关。

4-9光学谐振腔存在哪些消耗？
答：光学谐振腔体存在的消耗有增益介质单位长度的汲取消耗和因为解理面反射率小于
而致使的消耗。

4-10实质使用中为何老是用热电制冷器对激光器进行冷却和温度控制
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第4章复习思虑题参照答案
答：半导体激光器的阈值电流I th和输出功率是随温度而变化，此外，激光器的发射波长也随温度而变化。

关于m器件，每增添1℃，频次变化13GHz。

频次随注入电流的变
化固然随器件而异，但典型值为每毫安变化130GHz。

往常要求频次变化不该超出调制带宽
的1/10。

实验表示，若是偏流控制在mA之内变化，采纳自动温度控制后，波长稳固在几百兆赫变化，则现有商用DFB激光器就能够使用。

很多商品化激光器组件包括了能够保持
阈值电流相对恒定的器件，往常能够使温度稳固到℃以下。

图表示使用反应控制的激光器自动温度控制电路原理图。

安装在热电制冷器上的热敏电阻，其阻抗与温度有关，它构成了电阻桥的一臂。

热电制冷器采纳珀尔帖效应产生制冷，它的制冷成效与施加的电流成线性关系。

为防备制冷器内部发热惹起性能降落，在制冷器上加装面积足够大的散热片是必需的。

图激光器的自动温度控制原理图
4-11半导体激光器的基本特征是什么
答：半导体激光器的基本特征有阈值电流、温度特征、波长特征。

半导体激光器属于阈值性器件，即当注入电流大于阈值点时才有激光输出，不然为荧光
输出。

半导体激光器的阈值电流I th和输出功率是随温度而变化，此外，激光器的发射波长也随温度而变化。

激光器的波长特征能够用中心波长、光谱宽度以及光谱模数三个参数来描绘。

4-12简述DFB激光器的工作原理
答：DFB半导体激光器可分为两类：散布反应（DFB）激光器和散布布拉格反射（DistributedBraggReflector，DBR）激光器。

图为DBR激光器的构造及其工作原理，如下图，DBR激光器除有源区外，还在紧靠其右边增添了一段散布式布拉格反射器，它起
着衍射光栅的作用。

这类衍射光栅相当于在节介绍的频次选择电介质镜，也相当于在
节介绍的反射衍射光栅。

衍射光栅产生布拉格衍射，DBR激光器的输出是反射光相长干预的结果。

只有当波长等于两倍光栅间距时，反射波才互相增强，发生相长干预。

例如，当部分反射波A和B的行程差为2时，它们才发生相长干预。

DBR的模式选择性来自布拉格条件，即只有当布拉格波长B知足同相关预条件
m B n2Λ（）时，相长干预才会发生。

式中，为光栅间距（衍射周期），n为介质折射率，整数m为布拉格衍射阶数。

所以DBR激光器环绕B拥有高的反射，走开B则反射就减小。

其结果是只好产生特其他F-P腔模式，在图中，只有凑近B的波长才有激光输出。

一阶布拉格
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衍射（m=1）的相长干预最强。

若是在式（）中m1，n，B m，此时DFB
激光器的只有235nm。

这样渺小的光栅可使用全息技术来制作。

图4.3.7 DBR激光器构造及其工作原理
4-13简述耦合腔波长可调谐激光器的工作原理
答：耦合腔半导体激光器能够实现单纵模工作，这是靠把光耦合到一个外腔实现的，如
图所示。

外腔镜面把光的一部分反射回激光腔。

外腔反应回来的光不必定与激光腔内的光场同相位，因为在外腔中产生了相位偏移。

只有波长几乎与外腔纵模中的一个模同样
时才能产生同相反应。

实质上，面向外腔的激光器界面的有效反射与波长有关，进而致使
产生如下图的消耗曲线，它最凑近增益峰，并且拥有最低腔体消耗的纵模才变为主模。

图耦合腔激光器中的纵模选择性
一种单片集成的耦合腔激光器称为C3激光器。

C3指的是切开的耦合腔（CleavedCoupled Cavity），如下图。

这类激光器是这样制成的，把惯例多模半导体激光器从中间切开，
一段长为L，另一段为D，分别加以驱动电流。

中间是一个很窄的空气隙（宽约1m），切开界面的反射约为30%，只需空隙不是太宽，就能够在两部分之间产生足够强的耦合。

在本例中，因为L D，所以L段中的模式间距要比D段中的密。

这两段的模式只有在较大的距
离上才能完整一致，产生复合腔的发射模，如图（b）所示。

所以C3激光器能够实现单
纵模工作。

改变一个腔体的注入电流，C3激光器能够实现约为20nm范围的波长调谐。

但是，因为约2nm的逐次模式跳动，调谐是不连续的。

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图C3激光器的构造及其单纵模输出原理
4-14简述阵列半导体光放大器（SOA）集成光栅腔体激光器的工作原理
答：阵列半导体光放大器（SOA）集成光栅腔体激光器，其发射波长能够精准设置在
指定地点。

借助激该死器件的不一样SOA，不一样波长梳的任一波长均可发射，其波长间距也可
以精准地早先确立，并且该器件的制造也比较简单。

与图（a）表示的外腔半导体激光器对比，图（a）表示的激光器能够看做单片
集成两元外腔光栅激光器，即一个集成的固定光栅和一个SOA阵列，而不是仅用单个有源
元件和外面的旋转光栅。

当SOA阵列中的任何一个注入电流泵浦时，它就以它在光栅中的相对地点确立的波长发射光谱。

因为这类几何地点是被光刻掩埋精准确立的，所以设计的发射波长在光梳中的地点也是精准确立的。

阵列SOA集成光栅腔体波长可调激光器，其谐振腔近似于节已议论过的波导光栅复
用/解复用器。

在这类激光器中，右边的平板衍射光栅和左边InP/InGaAsP/InP双异质结有源波导条（SOA）之间构成了该激光器的主体。

有源条的外面界面和光栅共同构成了谐振腔的反射界限。

右边的光栅由垂直向下蚀刻波导芯构成的凹面反射界面构成，以便聚焦衍射返回
的光到有源条的内部端面上。

这些条是直接位于波导芯上部的InGaAs/InGaAsP多量子阱（MQW）有源区。

这类激光器面积只有143mm2，有源条和光栅的间距为10mm，有源条长2mm，宽6~7 m，条距40 m，衍射区是标准的半径9mm的罗兰（Rowland）圆。

由图可见，从O点发出的光经光栅的P N和P0点反射后回到O点，产生的路径差L=2L N2L0，由节可知，为了使从P N和P0点反射回到O点的光发生相长干预，其相位差一定是2的整数倍[见式（）]，由此能够获取与路径差有关相位差是
6
图阵列SOA集成光栅腔体波长可调激光器
=k1Lm(2)，m=0,1,2,（）因为k12n，式中n是波导的折射率，所以能够获取与路径差有关（即与SOA地点有关）的波长为
nL
（）
m
假如在真空中，则n=1，则也和用式（）得出的结论同样。

一个SOA的典型发射光谱如图（b）所示。

丈量获取的激光输出的纵模间距和谱宽
分别与设计的腔体长度和有源条地点和宽度一致，如图（c）所示。

4-15简述阵列波导光栅（AWG）PIC波长可调激光器的工作原理。

答：
平板阵列波导光栅（A WG）由N个输入波导、N个输出波导、两个在节议论过的
构造同样的N M平板波导星形耦合器以及一个有M个波导的平板阵列波导光栅构成，这里M能够等于N，也能够不等于N。

这类光栅相邻波导间拥有恒定的路径长度差L，如图
（a）所示。

AWG光栅工作原理是鉴于马赫-曾德尔干预仪的原理（见节），即多个单色
光经过不一样的光程传输后的干预理论。

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第4章复习思虑题参照答案
NM
光栅阵列
L1MN T(f)FSR
n c f
1
传FSR=2nL=m N
输
f f=m
c
2
函
数2nL
f
f=FSR=
mM ML M2c
f M
f i f i+
N m
L=L1
-
L i+1=
12nL
n
图阵列波导光栅（AWG）
因为阵列波导中的波导长度不等，相位延缓也不等，由式（）可知，其相邻波导间的相位差为
k
2n
L（）L
式中，k是波矢量，k=2n/，L是相邻波导间的路径长度差，往常为几十微米，所以输出
端口与波长有一一对应的关系。

AWG多频激光器PIC中间是波导光栅路由器（WaveguideGratingRouter，WGR）滤波器，右边是阵列半导体光放大器（SOA），左边是一个功率放大SOA。

芯片右边镜面镀高反
射率（HR）膜，左边则镀半反射膜以便输出AWG多频激光器谐振腔的光，如图（a）所示。

图AWG多频激光器
AWG多频激光器的信道间距取决于AWG腔体内的波导光栅路由器的几何尺寸，所以，每个激光器的波长特别稳固，制造时可重复性好。

4-16简述VCSEL激光器的工作原理
答：图表示垂直腔表面发射激光器（VerticalCavitySurfaceEmittingLaser，VCSEL）
的表示图。

有源区的长度L与边发射器件比较特别短，光从腔体表面发射，而不是腔体边缘。

腔体两头的反射器是由节介绍的电介质镜构成，即由厚度为/4的高低折射率层交织
构成。

假如构成电介质镜的高低介质层折射率n1、n2和d1、d2知足
n1d1
1
（）n
2
d
22
该电介质镜就对波长产生很强的选择性，从界面上反射的部分透射光相长干预，使反射光增
强，经过几层这样的反射后，透射光强度将很小，而反射系数将达到1。

因为这样的介质镜就像一个折射率周期变化的光栅，所以该电介质镜实质上是一个散布布拉格反射器。

选择式
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《光纤通信》第4章节总结复习计划思考题参考答案 11 / 1111 原荣 编著 《光纤通讯（第 3版）》
（）中的波长与有源层的光增益一致，因为有源区腔长 z 很短，所以需要高反射的端面， 这是因为光增益与 exp(gz)成正比，这里 g 是光增益系数。

因为有源层往常很薄（ m ）， 就像一个多量子阱，所以阈值电流很小，仅为 mA ，工作电流仅为几 mA 。

因为器件体积 小，降低了电容，合用于10Gb/s 的高速调制系统。

因为该器件不需要解理面切割就能工作，制造简单，成本低，所以它又合适在接入网中使用。

图 垂直腔表面发射激光器（ V CSEL ）表示图
4-17 LED 和LD 的主要差异是什么 答：LED 实质上是非相关光源， 它的发射光谱就是半导体资料导带和价带的自觉辐射谱 线，所以谱线较宽。

关于用 GaAlAs 资料制作的 LED ，发射光谱宽度约为 30~50nm ，而对长 波长InGaAsP 资料制作的LED ，发射谱线为60~120nm 。

因为LED 的光谱很宽，所以光在光纤中传输时，资料色散和波导色散较严重，这对光纤通讯特别不利。

LD 有多模激光器和单模激光器之分。

多模激光器指的是多纵模或多频激光器，模间距 为nm 。

往常高速传输系统用的半导体激光器的频谱宽度为5nm 。

单模激光器的频谱宽度因为很窄，所以称为线宽，它与有源区的设计亲密有关。

图4.6.3 LED 和LD 的光谱特征
9。