通信用光器件

章节名称：第三章通信用光器件3.1 光源3.1.1半导体激光器工作原理（2学时100分钟）一、教学目的及要求：1、光源的概念及其在光纤通信系统中作用；2、了解系统对光源的要求。

3、理解光与物质相互作用的三个物理过程。

4、掌握激光器的发光机理。

二、教学重点及难点：重点：系统对光源的要求、光与物质相互作用的三个物理过程、半导体激光器基本结构。

难点：激光器的发光机理。

三、教学手段：板书与多媒体课件演示相结合。

四、教学方法：课堂讲解、演示、提问。

五、作业：3-1，3-2，3-3。

六、参考资料：《光纤通信》杨祥林第三章《光纤通信》刘增基第三章。

《光纤通信》Gerd Keiser著，李玉权等译第三章第3章通信用光器件通信用光器件可以分为两种类型：有源器件和无源器件。

有源器件包括光源、光检测器和光放大器，这些器件是光发射机、光接收机和光中继器的关键器件，和光纤一起决定着基本光纤传输系统的水平。

光无源器件主要有连接器、耦合器、光合波器和光分波器、光滤波器和隔离器等。

这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展和性能的提高都是不可缺少的。

光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号电流转换为光信号功率。

目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极管或称激光器（LD）和发光二极管或称发光管（LED）。

讲解板书动画演示45分钟对光源性能的基本要求1光源发光波长必须与光纤低损耗窗口相符石英光纤的损耗特性有三个低损耗窗口，其中心波长分别为0.85 A m（850nm）、1.31 A m （1310nm）和1.55 J m （1550nm）。

因此，光源的发光波长应与三个低损耗窗口相符。

2足够的光输出功率在室温下长时间连续工作的光源，必须按光通信系统设计的要求，能提供足够的光输出功率。

目前激光二极管能提供500微瓦（J W、到10毫瓦（mW ）的输出光功率；发光二极管可提供10微瓦（」W、到讲解板书课件演示动画演示3光和物质相互作用有源器件 的物理基础 是光和物质相互作用 的效 应。

1917年爱因斯坦根据辐射与原子相互作的量子理 论提出，光与物质的相互作用时，将发生(1)受激吸收、 (2)自发辐射、(3)受激辐射三种基本物理过程。

图能级和电子跃迁量相同，电子离原子核平均距离相同。

在物质的原子 中，存在许多能级，最低能级 E 1称为基态；能量比基 态大的中间能级E i (i =2, 3)称为亚稳态，在亚稳态上 粒子的平均寿命时间为10ms ；能量较高的能级E 4称 为激发态，在激发态上粒子的平均寿命时间为 1 Js 。

讲解 板书 课件演示 动画演示硅原子的能级图主要由电子导电的半导体称为N型半导体。

当重掺杂时，费米能级E f会进入导带，称为简并型N型半导体，如图所示11) t)0 DOO DO2接触后PN结半导体的能带图当P型半导体N型半导体结合时形成PN结后，由于载流子向对方互相扩散的结果，使N区的费米能级降低，P区的费米能级升高，达到热平衡时，形成了统一的费米能级。

由于内建电场的作用，形成了能量为的eV D势垒, 阻止了载流子的进一步扩散，因此在热平衡状态下，高能级上电子数少，低能级上电子数多，未能形成粒子数反转分布。

如图所示。

讲解板书课件演示动画演示&&&&&&&&&&&& 阴G0胡载流孑扩散运P F—— --- NLome）©⑥凿超!&3外加正向偏压下PN结半导体的能带图。

当PN结加上正向偏压时，外加电压的电场方向正好和内建场的方向相反，因而削弱了内建电场，破坏了热平衡时统一的费米能级，在P区和N区各自形成了准费米能级。

这时，导带上费米能级以下充满了电子，价带上费米能级以上没有电子，因此，形成了粒子数反转分布，成为激活区，称为半导体激光器的作用区或有源区。

外加正向偏压将N区的电子、P区的空穴注入到PN结，实现了粒子数反转分布，即使之成为激活物质（PN结为激活区）。

在激活区，电子空穴对复合发射出光，见图演示。

讲解板书课件演示四激光振荡和光学谐振腔粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。

只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。

激光器是由反射率为100%( R =1)的全反射镜与反射率为90%~95%( R2 ::: 1)的部分反射镜平行放置在工作物质两端以构成光学谐振腔。

并被称为法布里-珀罗(Fabry Perot，FP)谐振腔，见图演示。

谐振腔中的工作物质在泵浦源的作用下，处在粒子数反转分布状态，自发辐射产生的光子由于受激辐射不断放大，产生的光子在谐振腔中经过反射镜多次反射，在谐振腔中沿非轴线方向的光子很快逸出了腔外，而沿轴线方向的光子往复传输，不断被放大，且方向性、增益不断改善，最后从反射镜输出即为激光。

动画演示讲解板书课件演示动画演示JS芒酎吨石田維邑屈M就干融反转畀布印正卧闕压和麒担甲衡期区窖自胳战了感脅米能级五PN'卜导烷懿主空严土張光曲原恣PN结半导体激光器是用PN结作激活区，用半导体天然解里面作为反射镜组成光子谐振腔，外加正向偏压作为泵浦源。

见图演示外加正向偏压将N区的电子、P区的空穴注入到PN 结，实现了粒子数反转分布，即使之成为激活物质（PN 结为激活区）。

在激活区，电子空穴对复合发射出光。

初始的光场来源于导带和价带的自发辐射，方向杂乱无章，其中偏离轴向的光子很快逸出腔外，沿轴向运动的光子就成为受激辐射的外界因素，使之产生受激辐射而发射全同光子。

这些光子通过反射镜往返反射不断通过激活物质，使受激辐射过程如雪崩般地加剧，从而使光得到放大。

在反射系数小于1的反射镜中输出，这就是经受激辐射放大的光。

即PN结半导体激光器产生激光输出的工作原理。

•*1 m \ |讲解板书课件演示动画演示章节名称：第3章3.1 光源3.1.2半导体激光器的主要特性（2学时100分钟）一、教学目的及要求：2、掌握半导体激光器的基本结构与工作原理；2、掌握LD的P-I特性、光谱特性、方向特性、温度特性及调制特性的特点。

二、教学重点及难点：重点：半导体激光器的工作特性参数定义及计算、LD的P-I特性、光谱特性、方向特性、温度特性及调制特性的特点难点：LD的工作性能特点、教学手段:板书与多媒体课件演示相结合。

四、教学方法：课堂讲解、演示、提问。

五、作业：3-5，3-6，3-7。

六、参考资料：《光纤通信》杨祥林第三章《光纤通信》刘增基第三章C《光纤通信》Gerd Keiser著，李玉权等译第三章七、教学内容与教学设计：会产生连续波长的辐射光，所以激光器发射光谱就有一定的谱线宽度。

光源的谱线宽度是衡量光源单色性好坏的一个物理量。

激光器发射光谱的宽度取决于激发的纵模数目，对于存在若干个纵模的光谱性刻画出包络线。

把光强下降一半时的两点间波长范围定义为输出谱线宽度（半功率点全宽FWHP），用A扎表示，如图所示。

半导体光源的典型性讲解板书课件演示动画演示多纵模LD的光谱特性1静态单纵模激光器由图可见，随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐 减少，谱线宽度变窄。

这种变化是由于谐振腔对光波 频率和方向的选择，使边模消失、主模增益增加而产 生的。

当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这 种激光器称为静态单纵模激光器。

2动态单纵模激光器由图可见，在高速数字调制下，随着调制电流增 大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。

用 F-P 谐振腔可 以得到的是直流驱动的静态单纵模激光器，但要得到 高速数字调制的动态单纵模激光器，必须改变激光器 的结构，例如采用 分布反馈激光器 就可达到目的。

讲解 板书 课件演示 动画演示三转换效率和输出光功率特性1转换效率激光器的电/光转换效率用外微分量子效率d表示，其定义是在阈值电流以上，激光器输出光子数的增量与注入电子数的增两之比，表达式为• ：P/hf (P -P th)/hf-I /e 一(I —l th)/e2输出光功率特性由上式此得到激光器的光功率P为hfP 二P h 亠（I -I th）e式中，P和I分别为激光器的输出光功率和驱动电流，P th 和I th分别为相应的阈值，hf和e分别为光子能量和电子电荷。

激光器的光功率特性通常用P-I曲线表示，图是典型激光器的光功率特性曲线。

当I < I th时激光器发出的是自发辐射光；当I > I th时，发出的是受激辐射光，光功讲解板书课件演示动画演示珂壬汗韋电违梵第和奴售咗舸讦霜怯弍玄F些x率随驱动电流的增加而增加。

四..I . ■激光器输出光功率随温度而变化有两个原因：一是激光器的阈值电流I th随温度升高而增大，二是外微分量子效率d随温度升高而减小。

温度升高时，I th增大，d减小，输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了。

如图所示。

P-1曲线随温度的变化当以直流电流驱动激光器时，阈值电流随温度的变化更加严重。

当对激光器进行脉冲调制时，阈值电讲解板书课件演示动画演示讲解板书课件演示图分布反馈（DFB ） 1（a ）结构；（b ）光反馈如图所示，由有源层发射的光，从一个方向向另 一个方向传播时，一部分在光栅波纹峰反射（如光线a ），另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰反 射（如光线b ）。

如果光线a 和b 匹配，相互叠加，则产 生更强的反馈，而其他波长的光将相互抵消。

虽然每 个波纹峰反射的光不大，但整个光栅有成百上千个波 纹峰，反馈光的总量足以产生激光振荡。

DFB 激光器与F-P 激光器相比，具有以下优点： ①单纵模激光器。

F-P 激光器的发射光谱是由增益谱和激光器纵模 特性共同决定的，由于谐振腔的长度较长，导致纵模 间隔小，相邻纵模间的增益差别小，因此要得到单纵 模振荡非常困难。

DFB 激光器的发射光谱主要由光栅周期 A 决定。

A 相当于F-P 激光器的腔长L,每一个A 形成一个微型谐 振腔。

由于A 的长度很小，所以m 阶和（m+1）阶模之间 的波长间隔比FP 腔大得多，加之多个微型腔的选模作讲解 板书 课件演示由于光束辐射角较小，与光纤的耦合效率较高，因而入纤光功率比正面发光型LED大。

图两类发光二极管「(a) 正面发光型；(b)侧面发光型和激光器相比，发光二极管输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。

但发光二极管性能稳定，寿命长，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。

因此，这种器件在小容量短距离系统中发挥了重要作用。

发光二极管具有如下工作特性：⑴光谱特性发光二极管发射的是自发辐射光，没有谐振腔对波长的选择，谱线较宽。

一般短波长GaAIAs GaAs LED谱线宽度为30〜50 nm 长波InGaAsP InP LED谱线宽度为60〜120 nm。