光通信原理与系统光通信器件

M1 反 射 镜
A
a
M2 反 射 镜
B b R1 L R2 反射波相互干涉
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在谐振腔里建立稳定振荡的条件


在半导体激光器里，由两个起反射镜作用的 晶体解理面构成的法布里珀罗谐振腔，它把 光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。 当受激发射使腔体得到的放大增益等于腔体 损耗时（阈值条件），并且谐振腔内的前向 和后向光波发生相干时（相干条件），就保 持振荡，形成等相面和腔体端面平行的驻波， 然后穿透谐振腔的两个端面，输出谱线很窄 的相干光束。
L p
+
GaAs
L
电极
n
+
GaAs
电极 有源区 (受激法射)
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异质结半导体激光器结构
GaAs N+ 折 射 率 GaAlAs N + GaAlAs P+ GaAs P+
GaAs P d ~ 0.1 m 有源区
n
5%
23
3、 量子阱激光器

除双异质结LD 对载流子进行限制外，还有另 外一种完全不同的对载流子限制的方式。这 就是对电子或空穴允许占据能量状态的限制， 这种激光器叫做量子阱激光器。 它具有阈值低，线宽窄，微分增益高，以及 对温度不敏感，调制速度快和增益曲线容易 控制等许多优点。

9
4.1.3 半导体激光器的机理 三要素 工作介质：二元化合物（GaAs）、三元化合物 （GaAlAs）和四元化合物（GaInAsP）等。

谐振腔：有解理面组成（F-P腔）；
泵浦源：电流激励、电子束激励、光激励等。 多为电流激励。

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光学谐振腔



镀有反射镜面的光学谐振腔只有 在特定的频率内能够储存能量， 这种谐振腔就叫做法布里-珀罗 （Fabry-Perot）光学谐振器。 早期的LD谐振腔靠两个解理面镀 膜实现，也有其他类型的谐振腔， 如DFB激光器。 它把光束闭锁在腔体内，使之来 回反馈。当谐振腔内的前向和后 向光波发生相干时，就保持振荡， 形成和腔体端面平行的等相面驻 波。
通过一个外加的自动温度控制电路，使LD的温度 特性能够满足系统的要求。
39
（4）调制特性 半导体激光器是光纤通信的理想光源，但在高速脉 冲调制下，其瞬态特性仍会出现许多复杂现象，如常见 的电光延迟、 张弛振荡和自脉动现象。

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25
26
量子阱 LD 示意图
y 状态 密度 状态 密度 E
InP InGaAs
InGaAsP 隔离层 Ec
z x 能量 E1 E2 E3 能量 量子阱 势垒层
Ev
量子阱 有源层
(a) 普通 LD
(b) 量子阱 LD
(c) 多量子阱 LD 示意图
(d) 多量子阱 LD 能级图
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4、分布反馈激光器(DFB)
5
4.1.1 半导体激光器原理
1. 晶体能带

在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶 体内部电子的共有化运动，使孤立原子中离散能级变成 能带。
半导体内部自由运动的电子(简称自由电子)所填充的能 带称为导带；价电子所填充的能带称为价带；导带和价 带之间不允许电子填充，所以称为禁带，其宽度称为禁 带宽度，用Eg表示，单位为电子伏特(eV)。

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LD横模：决定光场的空间特性
S W
近场 图案
远 场 光 斑
10
o
30 o
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横模光场：
17
纵模：
增益 g ( ) g
增益 g
发射 主模
法布里 - 珀罗 LD 通常发射多个纵模的光
损耗 增益
纵模
th

频率 ( ) 0

频率


半导体激光器的增益频谱 相当宽（约10 THz），在 F-P 谐振腔内同时存在着许多纵模，但只有接近增 益峰的纵模变成主模。 在理想条件下，其它纵模不应该达到阈值，因为它 们的增益总是比主模小。实际上，增益差相当小， 主模两边相邻的一、二个模与主模一起携带着激光 器的大部分功率。这种激光器就称作多模半导体激 光器。
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相位条件
因为在谐振腔内形成稳定的驻波，所以应满足条件光程： 是半波长的整数倍
m nL 2
m 1, 2, 3
不是任意一个波长都能在谐振腔内形成驻波，对于给定的
m ，只有满足上的波长才能形成驻波，记为 m 。因为光频和波
长的关系是 v c ，所以对应这些模式的频率 vm 是谐振腔的 谐振频率
n1 n2
d1 d2
电介 质镜 z = 0.1m 有 源 区 InGaAs 电 介 AlGaAs 质镜 衬 底 GaAs
电极 表面发射
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VCSEL激光器阵列
34
4.1.8 LD的工作特性
（1） LD的P-I特性
Optical P ower
Laser
输出功率
Optical P ower
LED
受激发射
c vm m m vf 2nL
c vf 2nL
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阈值条件
形成稳定激光振荡的条件：增益 = 腔体损耗
g ( ) 增益 损耗 增益 纵模 ( ) 频率 g th 发射 主模

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半导体激光器的输出模式

横模：在X-Y平面内可以形成稳定分布的 场；横模特性决定光场的空间特性。 纵模：在Z方向可以形成稳定分布的场； 决定频谱特性。

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2. 费米能级

费米能级：电子在能级E上的分布满足费米-狄拉克分 布，能级E被电子占据的几率为：
E Ef f ( E ) [exp( ) 1]1 kB K
式中Ef是费米能级的能量。

对于本征半导体，费米能级处在价带导带中间； 对于N型半导体，费米能级向导带移动，甚至可以进入 导带； 对于P型半导体，费米能级向价带移动，甚至可以进入 价带。
1.0
(2~5)nm
0
1/2
GaAlAs: (30~50)nm InGaAsP: (60~120)nm
0.8 相 对 0. 光6 强 0.4 0.2
0.02nm
0 -60 -40 -20 0 20 40 60 /nm 波长
0 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 /nm 波长
(a)LED 的 光谱特性
光通信器件
光通信光源（LD和LED）
光放大器
光检测器PD
光无源器件
1
4.1 半导体激光器
光发射机：


在光纤通信中，将携带信息的电信号转变为光 信号是由光发射机来完成的。光发射机主要是 由光源及其驱动电路以及一些辅助控制电路组 成。 光源实现从电信号到光信号的转换，是光发射 机及其光纤系统中的核心器件，它的性能直接 关系到光纤通信系统的性能和指标。
Optical P ower

Laser

自发辐射
0
I
I

th
35
4.1.8 LD的工作特性 （1） LD的P-I特性
P-I特性曲线整体而言，由于存在阈值现象，整体线性不如 LED。
36
4.1.8 LD的工作特性
（2）LD的光谱特性
1.0 0.8 相 对 0. 光6 强 0.4 0.2 0 1.0 0.8 相 对 0. 光6 强 0.4 0.2 0 -40 -20 0 20 40 /nm 波长 0
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5、 垂直腔表面发射激光器


垂直腔表面发射激光器（VCSEL, Vertical Cavity Surface Emitting Laser） 光发射方向与腔体垂直，而不是像普通激光器那样， 与腔体平行。这种激光器的光腔轴线与注入电流方向 相同。
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VCSEL 激光器示意图
L 电极
+
n1) / ( 4 n2 ) / ( 4
易于调制，响应速度快，以利于高速率、大容量数 字信号的传输;

强度噪声要小，以提高模拟调制系统的信噪比;
光强对驱动电流的线性要好，以保证有足够多的模 拟调制信道。
4

光纤通信中最常用的光源是: 半导体激光器（LD） 发光二极管（LED） LD 尤其是单纵模（或单频） LD ，在高速率、 大容量的数字光纤系统中得到广泛应用； 近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是多信 道WDM光纤通信系统的关键器件
与LED比较，温度主要对LD的阈值电流、输出光功率及峰值 工作波长影响较大。 根本原因：温度的变化会引起禁带宽度的变化和折射率的变 化。 从而引起上述物理量的变化。
输 3.0 出 光 功 率 2.0 (mW) 1.0
250 C
700 C
输 出 光 10.0 功 率 (mW) 5.0
0
0 20 40 50 C
(b) 多模 LD的 光谱特性
(c) 单模 LD的 光谱特性
37
4.1.8 LD的工作特性
（2） 光谱特性
LD的光谱特性如图所示。λ0为LD的峰值波长(典型值为0.85μm、 1.31μm和1.55μm)；Δλ为谱线宽度，其定义为纵模包络或主模光 强度下降到最大值一半时对应的波长宽度。
38
4.1.8 LD的工作特性 （3） 温度特性
18
激光器的封装
普通LD-同轴封装
普通LD-蝶形封装
19
激光器芯片
4.3 半导体发光二极管与激光二极管
包装外壳
光电管
LD结构内视图
光隔离器
准直镜
非对称准直透镜 热敏电阻 制冷器
密封窗口
光纤
20
各种结构的半导体激光器



同质结半导体激光器 异质结半导体激光器 量子阱激光器 分布反馈激光器 (DFB) 垂直腔表面发射激光器 (VCSEL)
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DBR LD 结构及其原理

激话区 光输出 P N 分布式 有源区布拉格反射器 波纹电介质光栅 入射光 A 反射光 B
（ a） DBR激 光器 的结 构
m B 2n
(b)部 分反 射波 A和 B具 有路 程差 时才发生相长干涉 2


DBR激光器除有源区外，还在紧靠其右側增加了一段分 布式布拉格反射器，它起着衍射光栅的作用。 DBR激光器的输出是反射光相长干涉的结果。只有当波 长等于两倍光栅间距 时，反射波才相互加强，发 生相长干涉。例如当部分反射波 A 和 B 具有路程差 2 时，它们才发生相长干涉。
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DFB LD的分类


分布反馈激光器 DFB: Distributed Feed Back 分布布拉格反射激光器 DBR: Distributed Bragg Reflector
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DFB LD结构及其原理

光栅波导区 有源区 N L P 光输出 光 功 率
0.1nm
B
(nm)


DFB LD的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具 有不同的损耗。 这是通过改进结构设计，使DFB LD 内部具有一个对波 长有选择性的衍射光栅，从而使只有满足布拉格波长条 件的光波才能建立起振荡。
7
4.1.2 激光器的基本组成 一个激光器必须满足三个基本条件（三个基本组 成部分）：

工作物质：需要合适的工作介质，合适的能级分布； 泵浦源：实现工作物质粒子数反转分布的激励能源； 光学谐振腔：可以进行方向和频率的选择。 以上三个条件称为激光器的三要素。
8
1）起振条件-阈值条件：由于光在谐振腔传播 时会有各种各样的能量损失，而只有光的增益 能超过这些损失时光波才能被放大，从而在腔 内振荡起来。也就是说激光器必须满足某个条 件才能起振，这个条件即是阈值条件。 2）稳定振荡条件-相位条件：光波是在谐振腔 内往复传输的，只有满足特定的相位关系的光 波才能得到彼此加强，这种条件称为相位条件。 以上两个条件称为激光产生的充分条件。



DFB激光器是单纵模(SLM) LD，即频谱特性只有一 个纵模（谱线）的 LD。 SLM LD与法布里-珀罗 LD 相比，它的谐振腔损 耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗。 这是通过改进结构设计，使DFB LD 内部具有一个 对波长有选择性的衍射光栅，从而使只有满足布 拉格波长条件的光波才能建立起振荡。
60
输 出 光 10.0 功 率 (mW) 5.0
LD LED
70
温度对输出功率的影响
40 120 80 驱动电流 (ma) 140
80
0
50
100
150
0
(a) 发光二极管
驱动电流 (ma) （ b） MQ-DFB 激光器
150 100 驱动电流 (ma) 50
（ c） LD 和 LED 输出功率特性比较
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1、同质结构LD



同质结构只有一个简单P-N 结，且 P 区和 N 区都是 同一物质的半导体激光器。 该激光器阈值电流密度太 大，工作时发热非常严重， 只能在低温环境、脉冲状 态下工作。 为了提高激光器的功率和 效率，降低同质结激光器 的阈值电流，人们研究出 了异质结的半导体激光器。
电流 解理面
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光纤通信系统中对光源的一般要求有：

峰值波长，应在光纤低损耗窗口之内; 功率：足够高且稳定，以满足系统对光中继段距离 的要求; 电光转换效率：高，驱动功率低，寿命长，可靠性 高; 单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高 光源和光纤的耦合效率；


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光纤通信系统中对光源的一般要求有：