【光纤通信】第3章 小结光器件
第3章 光纤通信器件-PPT精品文档
2L g q
28
3.1.3 半导体激光器的结构、工 作原理及工作特性
• 半导体激光器是有阈值的器件,它和发光二极管 (LED • 光纤通信对半导体发光器件的基本要求有下列几点。 (1)光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口, 即短波长波段的0.85μm、长波长波段的1.31μm与 1.55μm。 (2)能长时间连续工作,并能提供足够的光输出功率。 (3 (4)光源的谱线宽度窄。 (5
17
1.粒子数反转分布与光放大之 间的关系
• • 要想物质能够产生光的放大,就必须使受激辐射作用 大于受激吸收作用,也就是必须使N2>N1。 • 这种粒子数一反常态的分布,称为粒子数反转分布。 • 粒子数反转分布状态是使物质产生光放大的必要条件。 • 将处于粒子数反转分布状态的物质称为增益物质或激 活物质。
55
3.1.5 量子阱半导体激光器
• 图3-22 量子阱半导体激光器
56
3.2 半导体光电检测器
• 光电检测器是光纤通信系统中接收端机中的第 一个部件,由光纤传输来的光信号通过它转换 为电信号。它是利用材料的光电效应实现光电
• 目前在光纤通信系统中,常用的半导体光电检 测器有两种,一种是PIN光电二极管,另一种是 APD雪崩光电二极管。
50
3.1.4 分布反馈半导体激光器
• 图3-20 分布反馈半导体激光器结构示意图
51
3.1.4 分布反馈半导体激光器
1.DFB • 在普通的半导体激光器中,利用在激活物质两 端的反射镜来实现光反馈。而在DFB激光器中,
52
3.1.4 分布反馈半导体激光器
2. DBR激光器 • DBR激光器是将光栅刻在有源区的外面。 • 它相当于在有源区的一侧或两侧加了一段分布式布拉 格反射器,起着衍射光栅的作用,因此可以将它看成
第三章光纤通信器件
输出 调制光 信息电信号 激光器
信息 电信号
连续
激光器 光信号
外调 制器
输出 调制光
信息电信号 0 1 0 1 0 输出调制光波
(a)直接调制
L D 输出连续光 信息电信号 0 1 0 1 0
输出调制光波 (b)外调制
直接调制是用电信号直接调制激光器的驱动电流,使输出 光随电信号变化而实现的。
光调制器是通过电压或电场的变化最终调控输 出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。
F-P滤波器的传输特性
(a) 传输函数
(b) N 个信道 经波分复用后 加到滤波器 输入端的频谱图
(c) 滤波器输出频谱图
T(f )
传 1.0 输 函 0.5 数
P
in
f
输
入
功
f ch
率
f f
i1
f2
Pout f
输 出 功 率
P1 P2
FSR= f L
f
3
fs
P3
f1
f
2
f
3
f F-P
光频
输出 光纤1
出射光
光纤
微反射镜
镜面 旋转轴
输出 光纤2
控制 信号
硅衬底PLC
MEMS光开关优缺点
具有机械光开关和波导光开关的优点,却克服了 它们所固有的缺点;
采用了机械光开关的原理,但又能象波导开关那 样,集成在单片硅基上;
基于围绕微机械中枢转动的自由移动镜面。 主要开发商有美国Lucent、德克萨斯仪表公司和
光栅型解复用器
(a)普通透镜反射光栅
(b)渐变折射率透镜反射光栅
AWG型
星形耦合器
1
第3章光纤通信器件
3.3.3 布拉格(Bragg) 光栅滤波器
§布拉格(Bragg)光栅由间距为 的一列 平行半反射镜组成, 称为布拉格间距,
如图3.3.9所示。 § 如果半反射镜数量N(布拉格周期)足够
大,那么对于某个特定波长的光信号,从 第一个反射镜反射出来的总能量约为入射 的能量,即使功率反射系数R很小。
第3章光纤通信器件
耦合器基本结构
T形耦合器是一种 3 端耦合器或 2×2 耦合器,它的功能是把一根光纤输 入的光功率分配给 2 根光纤。这种耦合器可以用作不同分路比的功率分 路器或功率组合器,或局域网终端的光输入或光输出耦合器。 星形耦合器是一种 NN 耦合器,它的功能是把 N 根光纤输入的光功率 组合在一起,并均匀分配给 N 根输出光纤。这种耦合器可以用作多端功 率分路器或功率组合器。
第3章光纤通信器件
如果半反射镜数量N(布拉格周期)足够大,那 么对于某个特定波长的光信号,从第一个反射镜 反射出来的总能量约为入射的能量,即使功率反 射系数R很小。 该特定波长强反射的条件是:
布拉格 光栅的 基本特 性就是 以共振 波长为 中心的 一个窄 带光学 滤波器 该共振 波长称 为布拉 格波长
第3章光纤通信器件
图3.3.5
F-P滤波器的传输特性
它具有 多个 谐振 峰, 每两 个谐 振峰 间的 频率 间距 为自 由光 谱区 FSR
第3章光纤通信器件
光纤FF-P调谐滤波器
每两个谐振峰间的频率间距FSR为:
式中, n是构成F-P滤波器的材料折射率,L是谐振腔长度。 FSR就是滤波器的自由光谱区。 假如滤波器设计成只允许复用信道中的一个信道通过,如 图3.3.5(c)中的信道的频率正好对准传输特性的谐振峰, 所以只有fj = f1的信道才能通过滤波器,而其它信道被抑制 了。
光纤通信基本知识ppt课件
VC-3
VC-4
复用段层网络 再生段层网络 物理层网络
27
电路层
低阶 高阶
通道层
SDH 传送层
段层 传输 媒质层
完整最新ppt
SDH的承载业务
L5~7
Application
L4
TCP/UDP
L3
IP
L2 ATM FR PPP/HDLC LAPS SDL
L1
SDH
L0
WDM
FR: Frame Relay
6
7
MSOH
8
9
23
9列
261列
完整最新ppt
SDH开销字节的分层
分支
分支
--分支组装
POH
--分支取出
POH插入 MSOH
MSOH
POH提取 MSOH
插入
提取
RSOH RSOH RSOH RSOH RSOH
插入
提取/插入
提取
载波
载波
光接口
光接口
光接口
物理线路
物理线路
终端
再生器
终端
通道层 复用层 再生层 物理层
21
完整最新ppt
SDH的比特率
等级 STM-1
速率(Mb/s) 155.520
STM-4
622.080
STM-16 2488.320
STM-64 9953.280
22
完整最新ppt
SDH的帧结构
STM-1的帧结构
125us 9x270=2430个字节
第1行
2
RSOH
3
4 AU PTR
5
净荷(含POH)
35
《光纤通信》第3讲无源光器件
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《光纤通信》第3讲无源光器件
•回忆一下:光偏振(极化) • 单模光纤中传输的光的偏振态(SOP:State of Polarization) 是在垂直于光传输方向的平面上电场矢量的振动方向。
• 在任何时刻,电场矢量都可以分解为两个正交分量,这两 个正交分量分别称为水平模和垂直模。
•隔离器工作原理如下图所示。 • 这里假设入射光只是垂直偏振光,第一个偏振器的透振方 向也在垂直方向, 因此输入光能够通过第一个偏振器。
MF型连接器用于隧 (通)道里敷设光缆 的缆间接续中,可以 对带状5芯光纤进行一 次性连接,由于体积 小,可以装在标准接 头盒内,实现光纤的 高密度接续,其结构 如图所示。
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《光纤通信》第3讲无源光器件
二、光纤分路器及耦合器
l 图表示了波导型分支器的结构。它是一种Y型 分支,一根芯线一端输入的光可用它加以等分。 当分支器分支路的开角增大时,向包层中泄露的光 将增多以致增加了过剩损耗。开角一般在1°~ 2°左右,因此分支器的长度不可能太短。
《光纤通信》第3讲无源光器件
光纤很细,单模光纤的纤芯直径要在10um以下, 因此熔接必须使用机器才行。良好的接续是指在接 续点上没有光传输的不连续现象。
下图中示出了纤芯不连续的几种典型状态,有 轴错位、纤芯倾斜、空隙、端面倾斜和纤芯直径及 折射率的微小差异等等。由于这些不连续性,也会 造成光功率的一部分变成散射损耗,或以反射波形 式返回发送端。有空隙时,因玻璃纤维和空气折射 率的差异,也会引起反射,此现象又称菲涅耳( Fresnel)反射。
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《光纤通信》第3讲无源光器件
l
FC型(平面对接型)连接器是由连接插头、插座组成,其
光纤通信用光器件介绍
光纤通信用光器件介绍光纤通信是利用光纤传输光信号进行通信的技术,其核心是通过光器件来发射、接收和调制光信号。
光器件是光纤通信系统中非常重要的组成部分,能够直接影响到通信系统的性能和稳定性。
在这篇文章中,我将介绍几种常见的光器件,并介绍它们的工作原理和应用。
第一种光器件是光纤激光器。
光纤激光器是一种能够发射强聚焦、单一波长、狭谱宽的光信号的器件。
它的工作原理是通过激光材料受到光电势驱动而产生的受激辐射来产生光信号。
光纤激光器具有很高的光输出功率和较窄的光谱特性,使其在长距离传输和高速通信中具有很大的优势。
第二种光器件是光纤调制器。
光纤调制器是一种能够改变光信号的特征以传输信息的器件。
它的工作原理是通过改变光的相位、幅度或频率,来调制光信号传递的信息。
光纤调制器在光纤通信中广泛应用于多种信号调制技术,如振幅调制、频率调制和相移键控等。
第三种光器件是光纤增益器。
光纤增益器是一种能够增强光信号的器件。
它通过将光信号输入到光纤中,通过光放大的原理来增强信号的强度。
光纤增益器在光纤通信系统中被广泛应用于信号放大和信号传输的中继,使得信号能够在长距离的传输中保持高强度和低损耗。
第四种光器件是光纤光栅。
光纤光栅是一种能够选择性反射或散射特定波长的光信号的器件。
它的工作原理是通过将光纤中的折射率周期性改变,产生布拉格衍射,从而实现对特定波长的光信号选择性反射或散射。
光纤光栅在光纤通信中被广泛应用于波长选择多路复用和分光分集等技术中。
第五种光器件是光纤检测器。
光纤检测器是一种能够接收光信号并转换为电信号的器件。
它的工作原理是通过光电效应将光信号转化为电信号。
光纤检测器在光纤通信系统中被广泛应用于光信号的接收和调制等过程中。
除了上述介绍的几种光器件外,还有许多其他类型的光器件,在光纤通信系统中起到了各种不同的作用。
例如,光纤散射器用于分配光信号,光纤滤波器用于调制光信号波长,光纤耦合器用于将多个光纤连接在一起等等。
这些光器件为光纤通信提供了更多的灵活性和多样性,使得通信系统能够更好地适应不同的需求和环境。
光纤通信的基本器件
二、PIN光电二极管
1、结构
图3-13 光电二极管结构
2、工作原理画
PN结界面
电子和空穴 的扩散运动
内部电场N-----P 漂移运动
能带倾斜
当入射光作用在PN结时 如或果等光于子带的隙能( h量f ≥大E于g ) 发生受激吸收
在耗尽层
内部电场的作用,电子向 N区运动,空穴向P区运动
图 3 – 9 面发光型LED结构
② 边发光型LED结构 图3 - 10所示是采用双异质结InGaAsP/InP的边发 光型LED结构。 波长范围为1.3 μm 左右, 光束的水平反 散角为120°, 垂直反散角为25°~35°。 该型LED的 方向性好, 亮度高, 耦合效率高, 但发光面积小。
半导体激光器(LD)与发光二极管(LED)的比较
在光纤通信系统中, 最常用的光源器件便是半导体激 光器(LD)和发光二极管(LED), 二者均是用半导体材料构 成的, 能发出光波, 能通过调制技术携带数据信息, 实现 光传输。 这两种光源器件的比较见表3 - 1。 通过比较, 读者会进一步掌握这两种光源的异同及其应用。
光振荡的激励电流。某半导体激光器P - I曲线如图3 - 6 所示。
图 3 – 6 P - I曲
当激励电流I<Ith时, 有源区无法达到粒子数反转, 也无
法达到谐振条件, 自发辐射为主, 输出功率很小, 发出的是 荧光;
当激励电流 I>Ith时,有源区不仅有粒子数反转, 而且达
到了谐振条件, 受激辐射为主, 输出功率急剧增加, 发出的 是激光, 此时P - I曲线是线性变化的。 对于激光器来说, 要求阈值电流越小越好。
图 3 – 3 同质结砷化镓半导体激光器
光纤通信第03章
电子运动方向与电场方向相反,便使N区的电子 向P区运动,P区的空穴向N区运动,最后在PN结形成 一个特殊的增益区。增益区的导带主要是电子,价带 主要是空穴,结果获得粒子数反转分布。
3. 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。
能量
p
Ec
P区
p
Ev
p
Ec
p
Ef
p
Ev
hf
PN 结空 间电 荷区
扩散 漂移
N区
n
Ec
N区
n
Ev
势垒 Ef
hf
n
Ec
n
Ef
n
Ev
(a) (b ) (c)
内部 电场 外加 电场
电子 ,
空穴
图 3.3 PN
(a) P - N结内载流子运动;(b) 零偏压时P - N结的能带图;
(c) 正向偏压下P - N结能带图
第 3 章 通信用光器件
3.1 光源 3.2 光检测器 3.3 光无源器件
3.1 光 源
3.1.1 概述
一、光源的作用
将电流形式的电能转变为光能,产生光 载波,并把光耦合进光纤。
二、 光源的分类
半导体激光器、半导体发光二极管、非 半导体激光器
三、 对光源的技术要求
(1)合适的发光波长 (2)足够的输出功率 (3)输出效率高 (4)光谱宽度窄 (5)聚光性好
此在热平衡状态下,高能级上的电子数 要少于低能级上电子数。
所谓粒子数反转就是指高能级的电 子数多于低能级上的电子数。
2. PN结的能带和电子分布
光纤通信第3章—正式版资料
E fc E fv > E2 E1 > E g
2、半导体激光器中增益区的形成
1) 晶体中载流子的统计分布:费米-狄拉克统计 f (E) =1 / [e ( E – Ef ) / kK + 1]
光学谐振腔
• 光学谐振腔的组成:两个反射率分别为R1 和R2的平行反射镜构成。又称:法布里 珀罗(Fabry Perot, FP)谐振腔。 • 作用:由于谐振腔内的激活物质具有粒子 数反转分布,可以用它产生的自发辐射光 作为入射光。入射光经反射镜反射,沿轴 线方向传播的光被放大,沿非轴线方向的 光被减弱。反射光经多次反馈,不断得到 放大,方向性得到不断改善,结果增益大 幅度得到提高。
⊥
∥ (b)
3.-9典型半导体激光器的远场辐射特性和远场图样 (a) 光强的角分布; (b) 辐射光束
3.1.2 PN结 1. PN 结的形成:
半导体光源的核心是PN结,将P型和N型半导体相 接触形成PN结。 N型半导体中过剩电子占据了本征半导体的导带 。
P型半导体中过剩空穴占据了价带。
3.1.2 PN结 费密能级: (热平衡状态下)
本征半导体的费米能级位于带隙中间; N 型掺杂将使费米能级向导带移动,P 型掺杂使费米能级 向价带移动; 对于重掺杂N 型半导体,费米能级位于导带内——兼并型 N 型半导体; 对于重掺杂P 型,费米能级位于价带内 —— 兼并型P 型半 导体;
光 纤 通
信
第三章 通用光器件
通信用光器件:
光有源器件:需要外加能源驱动工作的光 器件。 功能:信号放大、变换等。 光无源器件:不需要外加能源驱动工作的 光器件。 功能:信号传输。
03 光纤通信器件
2、相位调制器:用LiNbO3(铌酸锂)晶 体制成,引入系数 (0.5~0.7)
122 [n0 3r22 d LV]
3、声光调制器 基于光弹性效应,通过电极施加在压电 晶体上的射频调制信号,在晶体表面产 生压力,从而产生表面声波(SAW)。
表面声波信号通过声光材料传输时,产 生随声波幅度周期性变化的应力,使材 料的分子结构产生局部的密集和疏松, 相当于使折射率产生周期性的变化,形 成光栅。
可调谐滤波器的要求:
▪ 调谐范围宽,滤波器带宽必须足够大,以传 输所选择信道的全部频谱成分
▪ 调谐速度快 ▪ 插入损耗小 ▪ 对偏振不敏感 ▪ 稳定性好 ▪ 环境、温度和震动影响小,成本低
四种光滤波器:
▪ 法布里-珀罗滤波器(F-P)滤波器 ▪ 马赫-曾德尔干涉滤波器(M-Z)干涉滤波
器 ▪ 光栅滤波器 ▪ 光纤环路谐振带通滤波器
2、性能要求:
• 对比特率和信号形成形式具有透明性 • 变速速率快 • 即能向短波长变换,又能向长波长变换 • 适当的输入功率 • 较宽的输入功率 • 偏振不敏感 • 低啁啾输出,高信噪比,高消光比 • 实现简单
Байду номын сангаас ❖光/电/光型波长转换器
▪ 目前主要研究:用半导体光放大器的交叉增 益调制(SOA-XGM)或相位调制(SOAXPM)特性来实现波长转换
第三章 光纤通信器件
3.1 连接器 3.2 接头 3.3 耦合器 3.4 可调谐光滤波器 3.5 调制器 3.6 光开关 3.7 波长转换器
光纤通信主要器件: 连接器 耦合器 可调谐光滤波器 波分/复用/解复用器 调制器 光开关 光环形器 光隔离器 波长转换器 光分插复用器 光叉连接器
3.1 连接器
对应折射率
第3章光纤通信器件.pptx
SC/PC
SC/APC
ST/PC
凸球面 轴向插拔
矩形 0.3 0.5 0.1 0.1 40 1000 40+800C
用户网 或局域网
80 斜面 轴向插拔
矩形 0.3 0.5 0.1 0.1 60 1000 40+800C
用户网 或局域网
凸球面
卡口 圆形
0.2 0.3
0.1
0.1 40 1000 40+800
C 用户网 或局域网
3.2 耦 合 器
T形
星形
耦合器的功能是把一个或多个光输入分配给多 个或一个光输出。
耦合器对线路的影响是附加插入损耗,可能还 有一定的反射和串音。
选择耦合器的主要依据是实际应用场合。
耦合器基本结构
耦合器的光学特性参数
1、插入损耗(Insertion Loss,IL) 指耦合器输出端口相对全部输入光功率的减少值。
Pin
Coupler
ILi=
-10×lg
Pouti Pin
Pout1 Pout2
2、分光比(Coupling Ratio,CR) 指耦合器各部输出端口的光功率相对输出总功率的比值。
根据其调谐的能力又可分为光频固定滤 波器和可调谐滤波器。
3.3 可调谐光滤波器
3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5
法布里珀罗(FP)滤波器 马赫-曾德尔(MZ)滤波器 布拉格(Bragg)光栅滤波器 阵列波导光栅(AWG)滤波器 调谐滤波器性能比较
3.3.1 法布里珀罗 (FP)滤波器
Pin
Coupler
Pouti CR=
×100%
《光纤通信》 第3讲无源光器件
两个分量都要通过法拉弟旋转器, 其偏振态都要旋转 45°。法拉弟旋转器后面跟随的是一块半波片 (λ/2 plate或 halfwave plate)。
这个半波片的作用是将从左向右传播的光的偏振态顺时针 旋转45°,将从右向左传播的光的偏振态逆时针旋转45°。
§= P 3/P 4
隔离度反映定向耦合器反向散射信号的大小。当从 1端注入光功率,3、4端输出功率时,2端对1端的隔离 度定义为:
I=10lg((P 3+P 4) / P2 )) (dB)
光纤定向耦合器的插入损耗为0.2~1dB,分光比1% ~99%(根据需要),隔离度可大于65dB。
2019/8/17
目前工程中多采用高精度自动熔接机,光纤端面切 割好后,光纤间的对准、调整、熔接及损耗测量等步骤 都在微处理机的控制下自动完成,熔接质量很好,接头 附加损耗可控制在0.1dB以下。
2019/8/17
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使用连接器进行光纤接续,由于菲涅耳反射等原因,对信 号产生不良影响。为了防止菲涅耳反射,设法把反射光的入射 角余角调整到大于临界角余角,使反射光进入包层并最终泄漏 出去。为此把连接器的管芯端面按8°进行倾斜研磨,就可以 实现。另外一种方法就是去掉连接之间的间隙。为此使管芯端 面间处于紧贴而不留一丝隙缝。通常把这种连接器叫做 PC (Physical Contact) 型连接器。 实际使用的PC型连接器如图所 示,把套管端面研磨成球面。 PC接续的反射很小,它的反射 损耗可达25dB以上。如果经 过精密加工研磨,就可将反射 损耗指标提高到40dB以上。
2019/8/17
9
光纤连接器又分为多模连接器和单模连接器。
精品文档-光纤通信(第二版)(刘增基)-第3章
第3章 通信用光器件
(2) 在高能级E2的电子是不稳定的,即使没有外界的作用, 也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合,释放的能量转换为 光子辐射出去,这种跃迁称为自发辐射,见图3.1(b)。
(3) 在高能级E2的电子,受到入射光的作用,被迫跃迁到 低能级E1上与空穴复合,释放的能量产生光辐射,这种跃迁称 为受激辐射,见图3.1(c)。
2. PN结的能带和电子分布 半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体。在这 种晶体中,由于邻近原子的作用,电子所处的能态扩展成能级连 续分布的能带,如图3.2。能量低的能带称为价带,能量高的能 带称为导带,导带底的能量Ec和价带顶的能量Ev之间的能量差Ec -Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。
第3章 通信用光器件
图 3.4 (a) 激光振荡;(b) 光反馈
第3章 通信用光器件
另一方面,由于谐振腔内激活物质存在吸收,反射镜存在 透射和散射,因此光受到一定损耗。当增益和损耗相等(满足 振幅平衡条件)时,在谐振腔内就会建立稳定的激光振荡,其 阈值条件为th=+1 2L
ln
1 R1R2
(3.4)
(3.3)
P(E)→0,这时导带上几乎没有电子,价带上填满电子。Ef称 为费米能级,用来描述半导体中各能级被电子占据的状
态。在费米能级,被电子占据和空穴占据的概率相同。
第3章 通信用光器件
一般状态下,本征半导体的电子和空穴是成对出现的,用 Ef位于禁带中央来表示,见图3.2(a)。在本征半导体中掺入施 主杂质,称为N型半导体。在N型半导体中,Ef增大,导带的电 子增多,价带的空穴相对减少,见图3.2(b)。在本征半导体 中,掺入受主杂质,称为P型半导体。在P型半导体中,Ef减小, 导带的电子减少,价带的空穴相对增多,见图3.3(c)
光纤通信-光器件
If two mixed signals (of different wavelengths) are injected into a coupler the power transfer between the waveguides has a different period for each wavelength. The coupling lengths are strongly wavelength dependent!
signal will lose half of its power!
光波导
开角
1.3 m
1.3 m 1.5 5m
(a)
(b) 多 模 波导
多 层 膜滤 光 片 单 模 波导
图3.32 波导型耦合器
(a) T形耦合器; (b) 定向耦 合器; (c) 波分解复用器;
1.5 5m
(c)
3.3 光无源器件
光器件概述
•作用: 实现光信号的连接、能量分路/合路、波长复用/解 复用、光路转换、能量衰减、方向阻隔、光-电-光转换、 光信号放大、光信号调制等功能。是构成光纤通信系统的 必备元件。光器件是具有上述一种功能的元器件的总称。
•类型:无源、有源 包括:光连接器、光衰减器、光耦合器、光复用器、光
隔离器、环行器、光滤波器、光解复用器、光调制器、光 开光、激光器、光检测器、光放大器、光波长转换器等
3.3.1
连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件, 主 要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间,或光纤线 路与其他光无源器件之间的连接。
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1.转换效率 d:在阈值电流之上,每对复合载流子产生的光子数
d
P Pth I Ith
hf e
P e I hf
, 或P
Pth
d hf
e
(I Ith )
-当电流小于阈值电流Ith时, 激光器输出为自发辐射光
-当电流大于阈值电流时,激 光器输出受激辐射光
-光功率随驱动电流的增加而
输 出 功P /率mW 单 面 输 出P功/ m率W
P GaAs
N
-
Ga1- yAlyAs
电子
限制层带隙较有源层宽,施加正向电压, 易形成粒子数反转
E
(b) 能 量
P
空穴
复合 N
异质 势垒
-P层的空穴和N层的电子注入有源层 -P层带隙宽,导带的能态比有源层高,
对注入电子形成势垒
n 折
(c) 射 率
-N层带隙宽,价带的能态比有源层低,
~ 5%
对注入空穴形成势垒
p
hf
E
n f
与内部电场相反方向的外加电场,
Ef
p
Ev
(c)
E
n v
结果能带倾斜减小,扩散增强。
内部电场 外加电场
在PN结区形成粒子数反转,产生自发辐射光
电子, 空穴
电能
光能
绪论中:
• 1970 年,美国、日本和前苏联首先研制成功室温下连 续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器。
• 虽然寿命只有几个小时,但其意义是重大的,它为 半导体激光器的发展奠定了基础。
2
相干加强,放大
DH条形激光器的横模 _
W= 10m 20 m 20 m
30 m
激光器输出的光束横模分别 取决于有源区的宽度和厚度 宽度和厚度足够小,多横模 分布变成单横模
30 m
50 m
w
10 m
近 场 图样ຫໍສະໝຸດ 0.1 rad 远 场 图样
图 3.8 GaAlAs DH条形激光器的近场图
3.1.2 半导体激光器的特性
E1
(c)
受 激 辐 射hf=光E2-E1 入 射 h光f=E2-E1
激光器
激活物质 激光
• 将其它能量转换成激光能量的器件 • 三要素:泵浦源、激活物质、谐振腔
泵浦能
• 激活物质:有合适的能级结构,能吸收泵浦源能量,并将它转换成 需要波长的光能
• 谐振腔:选向、选频、放大功能
驻波条件:
nL q
二、半导体激光器(LD)结构
双异质结(DH)平面条形结构 -三层不同类型材料 中间一层窄带隙P型半导体,称为有源层 两侧分别为宽带隙P型和N型半导体,称 为限制层 -前后两个晶体理解面作为反射镜构成法布 里-珀罗谐振腔
-条形:横向宽度很窄
半导体光源的典型结构:双异质结(DH)结构
+
P
(a)
Ga1- xAlxAs
小结
• 无外界干扰,热平衡时,粒子喜欢处于能量最低状态(稳定平衡) • 外界能量介入,发生受激吸收,粒子可以处粒子数反转状态(不稳
定平衡) • 光与物质三种相互作用:
E2
E2
自 发 辐射 光
E2
入射光
E2
hf=E2-E1
hf=E2-E1
E1
E1
E1
E1
(a)
(b )
E2
入射光
E2
E1
hf=E2-E1
P (d) 光
∴粒子数反转局限在有源区, 电光转换效率较高
图 3.6 DH (a) 双异质结构; (b) 能带;
-有源层的折射率比限制层高,产生的 激光被限制在有源区内
(c) 折射率分布; (d) 光功率分布
半导体激光器的发射波长和光谱特性
一、对输出光的讨论: 双异质结(DH)平面条形结构半导体光源 输出 自发辐射光
-无法调制高速数字信号 I
*原因?
图 3.7GaAlAs LD的光谱特性 (a) 直流驱动; (b) 300 Mb/s数字调制
有源区导带、价带:
λ λ
稳定 → 单纵模输出 λ与外加电源有关 →
不稳定→ 多纵模输出
解决途径: 减少纵模模数
驻波条件:
nL q
2
微小腔长 分布式反馈激光器 (DBF)
2.温度特性:
P / mW 5 4 3 2 1
22℃ 30℃ 40℃ 50℃ 60℃
70℃
80℃ 不激射
0
50
10 0
I / mA
图 3.12 P-I曲线随温度的变化
温度升高: -激光器的阈值电流 增大 -斜率变小,转换效 率变小 输出光功率下降
3.半导体激光器的直接调制频率特性。
弛豫频率fτ是调制频率的上限
3.5
10
3.0
9
2.5
8
7 2.0
6
1.5
5
4
1.0
3
0.5
2
1
0
0
0
50 Ith 10 0
15 0
工 作 电I /流mA
0 20 40 60 80 工 作 电I /流mA
(a)
(b)
线性增加
图 3.10典型半导体激光器的光功率
-斜率与ηd有关,与光放大有 特性
关
AlGaAs/GaAs; 长 波 长
分布式反馈激光器(DBF)
衍 射光 栅
∧
N层
光栅
输 出光
b
a
P层
有 源层
有 源层
(a)
(b)
–用靠近有源层沿长度方向折射率周期性变化的衍射光栅实现光反馈
–DFB激光器单个谐振腔长度较小,多个谐振腔存在,易设计成单纵模激光器
–多级谐振腔谐振使得谱线窄、波长稳定性高 –动态谱线好,可调制高速信号
选模
nL q
谱线宽度较宽、光强较弱、方向性较差
LED
→ λ由有源区能级结构决定
谐振腔 →选频、选向、放大
LD
谱线宽度变窄,方向性好,光强大
半导体激光器(LD)的光谱特性 +
(a)随着直流驱动电流的增加,纵 模模数逐渐减少,谱线宽度变窄 最终产生静态单纵模激光 (b)是300 Mb/s数字调制的光谱特 性, 随着调制电流增大,纵模模数 增多,谱线宽度变宽。
结空 间电
N区
荷区
扩散 漂移
在P型和N型半导体组成的PN结界面上, 由于多数载流子(电子或空穴)的密度不同,
( a)
产生扩散运动,形成内部电场
能量
E
p c
E
n c
P区
势垒 内部电场产生与扩散相反方向的漂移运
Ef N区
(b) 动,两种运动处于平衡状态为止,结果
E
p v
n
Ev
能带发生倾斜
E
p c
n
Ec
这时在PN结上施加正向电压,产生
2
q=1,2,3...为纵模模数
在波长确定的情况下,q由腔长决定。
PN结形成
• 由于载流子密度不同→扩散运动 • 扩散运动→内电场→反向运动的漂移运动 • 动态平衡→稳定的PN结
PN结
+正向电压→扩散加强 →粒子数反转 → 光源
+反向电压 →漂移加强
hν
→光生电子空穴对→ 光检测器
内部电场
PN
P区
100
相 对 光功 率
-一般激光器的fτ为1-2 GHz
10
-在接近fτ处:数字调制要产生 弛豫振荡,模拟调制要产生非 线性失真。
弛豫频率的大小与有源区 电子、光子寿命有关
1
0.1 0.0 1
0.1
1 fr 10
调 制 频 率 f / G Hz