激光器与光发射机第2组.pptx
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1、l l光源1.1.半导体激光器半导体激光器(LD)(LD)工作原理和基本结构工作原理和基本结构2.2.自发发射和受激发射的特点自发发射和受激发射的特点3.3.F-PF-P谐振腔谐振腔4.4.半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性5.5.分布反馈激光器分布反馈激光器DFB LDDFB LD6.6.半导体激光器半导体激光器LDLD7.7.发光二极管发光二极管LEDLEDl l光发射机1.1.调制调制2.2.光发射机的基本组成光发射机的基本组成3.3.半导体激光器的瞬态性质半导体激光器的瞬态性质4.4.激光器激光器激光器激光器控制电路控制电路光源l l半导体激光器(LD)工作原理和基本结构l
2、l半导体激光器的主要特性l l分布反馈激光器l l发光二极管(LED)l l半导体光源一般性能和应用半导体激光器(LD)工作原理和基本结构l l基本结构包括基本结构包括:工作物质工作物质,揩振腔和泵浦源揩振腔和泵浦源.其中其中工工作物质和泵浦源作物质和泵浦源是实现光的自发发射、受激吸收是实现光的自发发射、受激吸收和受激发射的最基本条件。和受激发射的最基本条件。l l自发发射自发发射:大量处于高能级的粒子,各自分别发:大量处于高能级的粒子,各自分别发射一列一列频率为射一列一列频率为=(E(E2 2-E-E1 1)/h)/h的光波,但各列光的光波,但各列光波之间没有固定的相位关系,可以有不同的偏振
3、波之间没有固定的相位关系,可以有不同的偏振方向,沿所有可能的方向传播。各光子彼此无关。方向,沿所有可能的方向传播。各光子彼此无关。l l受激发射受激发射:处于高能级:处于高能级E E2 2的粒子受到光子能量为的粒子受到光子能量为 的光照射时,粒子会由于这种入射光的刺激而发的光照射时,粒子会由于这种入射光的刺激而发射出与入射光一模一样的光子,并跃迁到低能级射出与入射光一模一样的光子,并跃迁到低能级E E1 1上。有上。有相同的偏振方向和传播方向相同的偏振方向和传播方向。自发发射和受激发射的特点l l自发发射的同时总伴有受激发射发生。自发发射的同时总伴有受激发射发生。l l在热平衡情况下,自发发射
4、占绝对优势。在热平衡情况下,自发发射占绝对优势。l l当外界给系统提供能量时,如采用光照(即光泵)当外界给系统提供能量时,如采用光照(即光泵)或电流注入(即电泵),打破热平衡状态,大量或电流注入(即电泵),打破热平衡状态,大量粒子处于高能级,即粒子数反转后,在发光束方粒子处于高能级,即粒子数反转后,在发光束方向上的受激发射比自发发射的强度大几个数量级。向上的受激发射比自发发射的强度大几个数量级。l l总结激光发射的首要条件:总结激光发射的首要条件:l l工作物质(即能实现粒子跃迁的晶体材料,如工作物质(即能实现粒子跃迁的晶体材料,如GaAsGaAs和和InGaAsPInGaAsP)l l外界供
5、给能量外界供给能量满足粒子数反转(常采用电流注入法)满足粒子数反转(常采用电流注入法)F-P谐振腔l l只有增益介质而无光学只有增益介质而无光学反馈装置,便不能形成激光反馈装置,便不能形成激光l l将已实现粒子数反转分布将已实现粒子数反转分布的系统置于严格平行的一对的系统置于严格平行的一对反射镜之间便形成反射镜之间便形成F-PF-P谐振腔。谐振腔。光在两个反射镜之间往返多光在两个反射镜之间往返多次过程中,得到放大。次过程中,得到放大。半导体激光器的主要特性l l发射波长和光谱特性 h=Eg 式中 =c/,(Hz)和=(m)分别为发射光的频率和波长,c=3108m/s为光速,h=6.62810-
6、34JS为普朗克常数,1ev=1.610-19J。得到:=hc/Eg=1.24/Eg激光器纵模的概念:激光器纵模的概念:激光器纵模的概念:激光器纵模的概念:激光器的纵模反映激光器的光谱性质。对于半激光器的纵模反映激光器的光谱性质。对于半激光器的纵模反映激光器的光谱性质。对于半激光器的纵模反映激光器的光谱性质。对于半导体激光器,当注入电流低于阈值时,发射光谱是导体激光器,当注入电流低于阈值时,发射光谱是导体激光器,当注入电流低于阈值时,发射光谱是导体激光器,当注入电流低于阈值时,发射光谱是导带和价带的自发发射谱,谱线较宽;只有当激光导带和价带的自发发射谱,谱线较宽;只有当激光导带和价带的自发发射
7、谱,谱线较宽;只有当激光导带和价带的自发发射谱,谱线较宽;只有当激光器的注入电流大于阈值后,谐振腔里的增益才大于器的注入电流大于阈值后,谐振腔里的增益才大于器的注入电流大于阈值后,谐振腔里的增益才大于器的注入电流大于阈值后,谐振腔里的增益才大于损耗,自发发射谱线中满足驻波条件的光频率才能损耗,自发发射谱线中满足驻波条件的光频率才能损耗,自发发射谱线中满足驻波条件的光频率才能损耗,自发发射谱线中满足驻波条件的光频率才能在谐振腔里振荡并建立起场强,这个场强使粒子数在谐振腔里振荡并建立起场强,这个场强使粒子数在谐振腔里振荡并建立起场强,这个场强使粒子数在谐振腔里振荡并建立起场强,这个场强使粒子数反转
8、分布的能级间产生受激辐射,而其他频率的光反转分布的能级间产生受激辐射,而其他频率的光反转分布的能级间产生受激辐射,而其他频率的光反转分布的能级间产生受激辐射,而其他频率的光却受到抑制,使激光器的输出光谱呈现出以一个或却受到抑制,使激光器的输出光谱呈现出以一个或却受到抑制,使激光器的输出光谱呈现出以一个或却受到抑制,使激光器的输出光谱呈现出以一个或几个模式振荡,这种振荡称之为激光器的纵模。几个模式振荡,这种振荡称之为激光器的纵模。几个模式振荡,这种振荡称之为激光器的纵模。几个模式振荡,这种振荡称之为激光器的纵模。(a)(b)GaGlAs-DH激光器的光谱特性(a)直流驱动(b)300Mb/s数字
9、调制l l转换效率和光功率特性 下图是典型激光器的光功率特性曲线。当IIth时,发出的是受激辐射光,光功率随 驱动电流的增加而增加l l频率特性下图示出半导体激光器的直接调制频率特性弛豫频率fr是调制频率的上限,一般激光器的fr为z在fr在处,数字调制要产生弛豫振荡,模拟调制要产生非线性失真l l温度特性 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Ith随温度升高而增大,二是外微分子量子效率d随温度升高而减小.温度升高时,Ith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.阈值电流随温度呈指数变化:Ith=I0 exp(T/T0)分布反馈激光器DFB L
10、Dl lDFBDFB激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性结构激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性结构(波纹状波纹状)衍射光栅实现光反馈衍射光栅实现光反馈.这种衍射光栅的折射率周期这种衍射光栅的折射率周期性变化性变化,使光沿有源层分布式反馈使光沿有源层分布式反馈,所以叫分布反馈激光器所以叫分布反馈激光器.DFB激光器与F-P激光器相比,有以下优点:l l单纵模激光器l l谱线窄,波长稳定性好l l动态谱线好l l线性好 半导体激光器LDl l激光器被视为20世纪的三大发明(还有半导体和原子能)之一,特别是半导体激光器LD倍受重视。l l光纤通信中最常用的光源是半导体激光器LD和发光二极管
11、LED。l l主要差别:l l发光二极管输出非相干光;发光二极管输出非相干光;l l半导体激光器输出相干光。半导体激光器输出相干光。l l半导体激光器的优点:尺寸小,耦合效率高,半导体激光器的优点:尺寸小,耦合效率高,响应速度快,波长和尺寸与光纤尺寸适配,可响应速度快,波长和尺寸与光纤尺寸适配,可直接调制,相干性好。直接调制,相干性好。l l按结构分类:按结构分类:F-P LDF-P LD、DFB LDDFB LD、DBR LDDBR LD、QW LDQW LD、VCSELVCSELl l按波导机制分类:增益导引按波导机制分类:增益导引LDLD和折射率导引和折射率导引LDLDl l按性能分类:
12、低阈值按性能分类:低阈值LDLD、超高速、超高速LDLD、动态单、动态单模模LDLD、大功率、大功率LDLD发光二极管LEDl l对于光纤通信系统,如果使用多模光纤且信息比特率在100200Mb/s以下,同时只要求几十微瓦的输入光功率,那么LED是可选用的最佳光源。l l比起半导体激光器,因为LED不需要热稳定和光稳定电路,所以LED的驱动电路相对简单,另外其制作成本低、产量高。l lLED的主要工作原理对应光的自发发射过程,因而是一种非相干光源。l lLED发射光的谱线较宽、方向性较差,本身的响应速度又较慢,所以只适用于速率较低的通信系统。l l在高速、大容量的光纤通信系统中主要采用半导体激
13、光器作光源。半导体激光器半导体激光器(LD)(LD)和发光二极管和发光二极管(LED)(LED)一般性能一般性能LD LD LED LED 工作波长工作波长/m/m 1.3 1.3 1.55 1.55 1.3 1.3 1.55 1.55 谱线宽度谱线宽度/nm/nm 1212131350100 50100 60120 60120 阈值电流阈值电流Ith/mAIth/mA 2030 2030 3060 3060 工作电流工作电流I/mAI/mA 100150 100150 100150 100150 输出功率输出功率P/mW P/mW 510 510 510 510 15 15 13 13 入纤
14、功率入纤功率P/mWP/mW 13 13 13 13 0.10.3 0.10.3 0.10.20.10.2调制带宽调制带宽B/MHzB/MHz 5002000 5002000 5001000 5001000 50150 50150 30100 30100 辐射角辐射角/(o)/(o)2050 2050 2050 2050 30120 30120 30120 30120 寿命寿命t/ht/h 10106 610107 7 10105 510106 6 10108 8 10107 7 工作温度工作温度/-2050-2050-2050-2050-2050-2050-2050-2050 分布反馈激光器
15、分布反馈激光器(DFB-LD)(DFB-LD)一般性能一般性能工作波长工作波长/m/m1.31.31.551.55谱线宽度谱线宽度/nm/nm连续波单纵模连续波单纵模1010-4-41010-3-3直接调制单纵模直接调制单纵模0.040.05(1Gb/s,RZ)0.040.05(1Gb/s,RZ)边模抑制比边模抑制比/dB/dB30353035频谱漂移频谱漂移/(nm/(nm/)0.080.08阈值电流阈值电流Ith/mAIth/mA 1520152020302030外量子效率外量子效率 d d/%/%20201515输出功率输出功率P/mW(P/mW(连续单纵连续单纵模模,25,25)204
16、0204015301530光发射机 数字光发射机的功能数字光发射机的功能:把电端机输出的数字基带电信号转换为光信号把电端机输出的数字基带电信号转换为光信号,并用耦并用耦合技术有效注入光纤线路合技术有效注入光纤线路,电电/光转换是用承载信息的数字光转换是用承载信息的数字电信号对光源进行调制来实现的电信号对光源进行调制来实现的.调制分为直接调制和外调调制分为直接调制和外调制两种方式制两种方式.受调制的光源特性参数有功率受调制的光源特性参数有功率,幅度幅度,频率和相频率和相位位.目前技术上成熟并在实际光纤通信系统得到广泛应用的目前技术上成熟并在实际光纤通信系统得到广泛应用的是直接光强是直接光强(功率
17、功率)调制调制.调制一、直接调制的特点:l l将要传送的信息转变为电流信号注入LD或LEDl l调制后的光波振幅的平方比例于调制信号(强度调制)l l简单、经济、容易实现l l响应带宽有限(2.5Gb/s)l l引入调制啁啾l l加大偏置电流使其逼近激光器阈值,可以大大减小电光延加大偏置电流使其逼近激光器阈值,可以大大减小电光延迟时间,同时使张驰振荡得到一定程度的抑制迟时间,同时使张驰振荡得到一定程度的抑制.l l偏置于阈值附近,较小的调制脉冲电流即可得到足够的输偏置于阈值附近,较小的调制脉冲电流即可得到足够的输出光脉冲,从而可大大减小码型效应和结发热效应的影响出光脉冲,从而可大大减小码型效应
18、和结发热效应的影响.l l另一方面,加大直流偏置电流将会使光信号消光比另一方面,加大直流偏置电流将会使光信号消光比(EX)(EX)恶恶化,光源消光比将直接影响接收机灵敏度化,光源消光比将直接影响接收机灵敏度.l l实验发现,异质结激光器的散粒噪声在阈值处出现最大值,实验发现,异质结激光器的散粒噪声在阈值处出现最大值,因此偏置电流不正好偏置在阈值处因此偏置电流不正好偏置在阈值处.l l调制电流幅度调制电流幅度I Imm的选择,应根据激光器的的选择,应根据激光器的P-IP-I曲线,既要有曲线,既要有足够的输出光脉冲幅度,又要考虑到光源的负担。如果激足够的输出光脉冲幅度,又要考虑到光源的负担。如果激
19、光器在某些区域有自脉动现象发生,则光器在某些区域有自脉动现象发生,则I Imm的选择应避开自的选择应避开自脉动发生的区域脉动发生的区域.二、数字直接调制中偏置电流和调制电流大小的选择二、数字直接调制中偏置电流和调制电流大小的选择二、数字直接调制中偏置电流和调制电流大小的选择二、数字直接调制中偏置电流和调制电流大小的选择三、外调制l l将调制信号控制激光器后接的外调制器,利用调制器的电光、声光等物理效应使其输出光的强度等参数随信号而变。l l调制信号啁啾小。l l外调制器以LN电光调制和EA电致吸收为主。光发射机的基本组成l l光源光源 要求如下要求如下:1.1.光谱特性单色要好光谱特性单色要好
20、,即谱线要窄即谱线要窄(0.85(0.85mm,1.31,1.31mm,1.55,1.55mm)2.2.电电/光转换效率要高光转换效率要高,方向性要好方向性要好3.3.调制速度要高或响应速度要快调制速度要高或响应速度要快4.4.温度稳定性好温度稳定性好,可靠性高可靠性高,寿命长寿命长5.5.器件体积小器件体积小,重量轻重量轻,安装使用方便安装使用方便,价格便宜价格便宜 以上各项中以上各项中,调制速率调制速率,谱线宽度谱线宽度,输出光功率和光束输出光功率和光束方向性方向性,直接影响光纤通信系统的传输容量和传输距离直接影响光纤通信系统的传输容量和传输距离,是光源中最重要的技术指标是光源中最重要的技
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