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1、激光器及光发射机 光纤通信技术第四章 王建萍王建萍 jpwangjpwangtsinghuatsinghua. .eduedu. .cncn 信息光电子研究所信息光电子研究所 清华大学电子工程系清华大学电子工程系 光源 调制器调制器 驱动电路驱动电路 放大器 光电二 极管 判决器 光纤光纤 光纤光纤 中继器中继器 光发射机光发射机 将电信号转变为光信号将电信号转变为光信号 第四章 激光器及光发射机 4.1 半导体激光器 4.1.1 法布里-珀罗型激光器F-P LD 4.1.2 分布反馈激光器DFB LD 4.1.3 分布Bragg反射型激光器DBR LD 4.1.4 量子阱激光器QW LD 4
2、.1.5 垂直腔面发射激光器VCSEL 4.2 半导体激光器的工作特性 4.3 光发射机 4.1 半导体激光器LD n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。 n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LED。 n主要差别： n发光二极管输出非相干光； n半导体激光器输出相干光。 发光二极管LED n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。 n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
3、单，另外其制作成本低、产量高。 nLED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。 nLED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。 n在高速、大容量的光纤通信系统中主要采 用半导体激光器作光源。 发光二极管LED 半导体激光器LD n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 直接调制，相干性好。 n按结构分类： F-P LD、 DFB LD、 DBR LD、 QW LD、 VCSEL n按波导机制分类：增益导引LD和折射率导引 LD n按性能分类：低阈值LD、超高速LD、动态单 模LD
4、、大功率LD 4.1.1 法布里-珀罗型激光器F-P LD nF-P LD是最常见最普通的LD. n由外延生长的有源层和有源层两边的限制层构成 ，谐振腔由晶体的两个解理面构成。通常为双异 质结（DH）LD。 n激光器实质上是一个受激发射的光振荡放大器。 F-P LD基本工作原理 n实现F-P LD激射工作的四个基本条件： n要有能实现电子和光场相互作用的工作物质 n要有注入能量的泵浦源（光泵或者电泵浦） n要有一个F-P谐振腔 n要满足振荡条件 1. 光的自发发射、受激吸收和受激发射 n工作物质和泵浦源是实现光的自发发射、受激吸收 和受激发射的最基本条件。 n自发发射：大量处于高能级的粒子，各
5、自分别发射 一列一列频率为=(E2 -E1) /h的光波，但各列光波 之间没有固定的相位关系，可以有不同的偏振方向 ，沿所有可能的方向传播。各光子彼此无关。 n受激发射：处于高能级E2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射 出与入射光一模一样的光子，并跃迁到低能级E1上 。有相同的偏振方向和传播方向。 双能级原子系统的三种跃迁双能级原子系统的三种跃迁 h h E E2 2 E E1 1 自发发射跃迁自发发射跃迁 E E2 2 E E1 1 受激吸收跃迁受激吸收跃迁 h h h h E E2 2 E E1 1 受激发射跃迁受激发射跃迁 h h h h 受激发射的光子受
6、激发射的光子 与原光子具有相与原光子具有相 同的波长、相位同的波长、相位 和传播方向和传播方向 自发发射和受激发射的特点 n自发发射的同时总伴有受激发射发生。 n在热平衡情况下，自发发射占绝对优势。 n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。 n总结激光发射的首要条件： n工作物质（即能实现粒子跃迁的晶体材料，如GaAs和 InGaAsP） n外界供给能量满足粒子数反转（常采用电流注入法） 2. F-P谐振腔 n只有增益介质而无光学 反馈装置，便不能形成激
7、光 n将已实现粒子数反转分布 的系统置于严格平行的一对 反射镜之间便形成F-P谐振腔。 光在两个反射镜之间往返多 次过程中，得到放大。 3. 振荡条件 n当增益超过由部分反射和散射等多种因素引起的 总损耗，经过谐振腔的选频作用，特定频率的光 波在谐振腔内积累能量并通过反射镜射出，形成 激光（相干光）。 n振幅条件 n相位条件： n-n-有源层折射率；有源层折射率；L-L-腔长腔长 m-m-任意整数；任意整数； - -波长波长 满足相位条件的频率有无限多个满足相位条件的频率有无限多个 ，只有那些在谱线中心附近的频，只有那些在谱线中心附近的频 率才能满足振荡条件，所以激光率才能满足振荡条件，所以激
8、光 器的振荡频率只能取有限个分立器的振荡频率只能取有限个分立 值。值。 Modes produced in a Typical Modes produced in a Typical FabryFabry-Perot Laser-Perot Laser Spectral width and Spectral width and Linewidth Linewidth at FWHM (Full Width Half Maximum)at FWHM (Full Width Half Maximum) Output spectrum changes as power is appliedOutpu
9、t spectrum changes as power is applied Typical mode hopping behaviorTypical mode hopping behavior F-P LDF-P LD在高速调制下，或在温度和注入电流变化时，不再维在高速调制下，或在温度和注入电流变化时，不再维 持原激射模式，而会出现模式跳跃和谱线展宽，这对高速应用持原激射模式，而会出现模式跳跃和谱线展宽，这对高速应用 很不利。为了维持单模，减小光谱展宽，需研究动态单模激光很不利。为了维持单模，减小光谱展宽，需研究动态单模激光 器器DFB LDDFB LD及及DBR LDDBR LD（光纤通信
10、最有前途的实用化器件）光纤通信最有前途的实用化器件） FP LD的结构 很难将光很难将光 导引到光导引到光 纤纤 增益导引半导体激光增益导引半导体激光 器：沿激光长度方向器：沿激光长度方向 放置一个窄的条形电放置一个窄的条形电 极，将注入电流限制极，将注入电流限制 在一个窄条里。在一个窄条里。 缺点：光功率增缺点：光功率增 大时，光斑尺寸大时，光斑尺寸 不稳定，模式稳不稳定，模式稳 定性亦不高。定性亦不高。 折射率导引半导体激折射率导引半导体激 光器，引入折射率差光器，引入折射率差 。结构简单，制造工。结构简单，制造工 艺不太复杂，辐射光艺不太复杂，辐射光 空间分布稳定性高，空间分布稳定性高，
11、 被大多数光波系统使被大多数光波系统使 用。用。 4.1.2 分布反馈激光器DFB LD nDFB LD同F-P LD的主要区别：DFB LD没有集 总的谐振腔反射镜，它的反射机构是由有源区波 导上的Bragg光栅提供的。 n分布式反馈 非常好的单色性和方向性 DFB LD基本工作原理 n在有源区介质表面上使用全息光刻法做成周期性 的波纹形状。 n用泵浦（光泵浦或电泵浦）激发，造成足够的粒 子数反转，具备增益条件 n只有波长满足“Bragg反射条件”的光波才能在介 质中来回反射，得到不断的加强和增长。 DFB LDDFB LD已成为中长距离光纤通信已成为中长距离光纤通信 应用的主要激光器应用的
12、主要激光器 4.1.3 分布Bragg反射型激光器DBR LD nDBR LD的周期性沟槽不在有源波导表面上，而是在有源 层波导两外侧的无源波导层上，这两个无源的光栅波导充 当Bragg反射镜的作用。由于有源波导的增益特性和无源 周期波导的Bragg发射，只有在Bragg频率附近的光波才 能满足振荡条件，从而发射出激光。 GaAsGaAs/ /AlGaAs AlGaAs DBRDBR激光二极管激光二极管 4.1.4 量子阱激光器QW LD 特点：特点： 低阈值电流低阈值电流 高输出功率高输出功率 窄线宽窄线宽 频率啁啾改善频率啁啾改善 调制速率高调制速率高 有源区厚度薄有源区厚度薄110110
13、nmnm（FPFP腔腔100200100200nmnm） 周期结构，将窄带隙的很薄的有源区夹在宽带隙周期结构，将窄带隙的很薄的有源区夹在宽带隙 的半导体材料之间，形成势能阱的半导体材料之间，形成势能阱 多个势能阱多个势能阱- -多量子阱（多量子阱（MQWMQW），），单个势能阱单个势能阱- - 单量子阱（单量子阱（SQWSQW） 4.1.5 垂直腔面发射激光器VCSEL nVertical Cavity Surface Emitting Laser n垂直于衬底方向出光的面发射激光器 n优点： n发光效率高(850nm的VCSEL，10mA驱动1.5mW输出光功率 ) n工作阈值极低（工作电流
14、515mA，简化了驱动电路的设计） n可单纵模也可多纵模工作（应用于以多模光纤为传输媒介底 局域网中或VSR） n调制速率高 n寿命长（Honeywell进行了可靠性实验） n价格低、产量高 n可任意配置高密度二维激光阵列。 二维激光器阵列二维激光器阵列 第四章 激光器及光发射机 4.1 半导体激光器 4.1.1 法布里-珀罗型激光器F-P LD 4.1.2 分布反馈激光器DFB LD 4.1.3 分布Bragg反射型激光器DBR LD 4.1.4 量子阱激光器QW LD 4.1.5 垂直腔面发射激光器VCSEL 4.2 半导体激光器的工作特性 4.3 光发射机 4.2 半导体激光器的工作特性
15、 n激光器件的绝对最大额定值： n光输出功率（Po和Pf）：从一个未损伤器件可 辐射出的最大连续光输出功率。 Po是从器件端 面输出的光功率， Pf是从带有尾纤器件输出的 光功率。 n正向电流（IF）：可以施加到器件上且不产生 器件损伤的最大连续正向电流。 n反向电压（VR）：可以施加到器件上且不产生 器件损伤的最大方向电压。 一、半导体激光器的PI特性 典型的PI曲线 P PI I曲线：曲线：激光二极管的激光二极管的 总发射光功率总发射光功率P P与注入电流与注入电流 I I的关系曲线。的关系曲线。 随注入电流增加，激光二极随注入电流增加，激光二极 管首先是渐渐地增加自发发管首先是渐渐地增加
16、自发发 射，直至开始发射受激发射射，直至开始发射受激发射 。 1. 1. 阈值电流阈值电流I Ith th： ：开始发射受激开始发射受激 发射的电流值。发射的电流值。阈值电流与腔阈值电流与腔 的损耗、尺寸、有源区材料和的损耗、尺寸、有源区材料和 厚度等因素有关。厚度等因素有关。 II Ith th， ，受激辐射，发出的是相干光受激辐射，发出的是相干光 表示激光器件把注入的电子空穴对（注入电 荷）转换成从器件发射的光子（输出光）的效率。 是一个以百分数（）度量的性能系数。 n一个把100注入电流转换成输出光的理想假设器件(即器 件没有以热形式消耗)，在理论上应具有100的e。 ne可从P-I特性的斜率（阈值以上）dP/dI求得： （对（对GaALAsGaALAs材料）材料） 2. 2. 外微分量子效率外微分量子效率 e e ： n内量子效率i是衡量激光二极管把电子空穴对（注入电 流）转换成光子能力的一个参数。 n
