激光器及光發射機第1頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日光源調制器驅動電路放大器光電二極管判決器光纖光纖中繼器光發射機將電信號轉變為光信號第2頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日第四章激光器及光發射機4.1半導體激光器

4.1.1法布里-珀羅型激光器F-PLD4.1.2分布反饋激光器DFBLD4.1.3分布Bragg反射型激光器DBRLD4.1.4量子阱激光器QWLD4.1.5垂直腔面發射激光器VCSEL4.2半導體激光器的工作特性4.3光發射機第3頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日4.1半導體激光器LD激光器被視為20世紀的三大發明（還有半導體和原子能）之一，特別是半導體激光器LD倍受重視。光纖通信中最常用的光源是半導體激光器LD和發光二極管LED。主要差別：發光二極管輸出非相干光；半導體激光器輸出相干光。第4頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日發光二極管LED對于光纖通信系統，如果使用多模光纖且信息比特率在100～200Mb/s以下，同時只要求幾十微瓦的輸入光功率，那么LED是可選用的最佳光源。比起半導體激光器，因為LED不需要熱穩定和光穩定電路，所以LED的驅動電路相對簡單，另外其制作成本低、產量高。第5頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日LED的主要工作原理對應光的自發發射過程，因而是一種非相干光源。LED發射光的譜線較寬、方向性較差，本身的響應速度又較慢，所以只適用于速率較低的通信系統。在高速、大容量的光纖通信系統中主要采用半導體激光器作光源。發光二極管LED第6頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日半導體激光器LD半導體激光器的優點：尺寸小，耦合效率高，響應速度快，波長和尺寸與光纖尺寸適配，可直接調制，相干性好。按結構分類：F-PLD、DFBLD、DBRLD、QWLD、VCSEL按波導機制分類：增益導引LD和折射率導引LD按性能分類：低閾值LD、超高速LD、動態單模LD、大功率LD第7頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日4.1.1法布里-珀羅型激光器F-PLDF-PLD是最常見最普通的LD.由外延生長的有源層和有源層兩邊的限制層構成，諧振腔由晶體的兩個解理面構成。通常為雙異質結（DH）LD。激光器實質上是一個受激發射的光振蕩放大器。第8頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日F-PLD基本工作原理實現F-PLD激射工作的四個基本條件：要有能實現電子和光場相互作用的工作物質要有注入能量的泵浦源（光泵或者電泵浦）要有一個F-P諧振腔要滿足振蕩條件第9頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日1.光的自發發射、受激吸收和受激發射工作物質和泵浦源是實現光的自發發射、受激吸收和受激發射的最基本條件。自發發射：大量處于高能級的粒子，各自分別發射一列一列頻率為=(E2-E1)/h的光波，但各列光波之間沒有固定的相位關系，可以有不同的偏振方向，沿所有可能的方向傳播。各光子彼此無關。受激發射：處于高能級E2的粒子受到光子能量為的光照射時，粒子會由于這種入射光的刺激而發射出與入射光一模一樣的光子，并躍遷到低能級E1上。有相同的偏振方向和傳播方向。第10頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日雙能級原子系統的三種躍遷hE2E1自發發射躍遷E2E1受激吸收躍遷hhE2E1受激發射躍遷hh受激發射的光子與原光子具有相同的波長、相位和傳播方向第11頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日自發發射和受激發射的特點自發發射的同時總伴有受激發射發生。在熱平衡情況下，自發發射占絕對優勢。當外界給系統提供能量時，如采用光照（即光泵）或電流注入（即電泵），打破熱平衡狀態，大量粒子處于高能級，即粒子數反轉后，在發光束方向上的受激發射比自發發射的強度大幾個數量級。總結激光發射的首要條件：工作物質（即能實現粒子躍遷的晶體材料，如GaAs和InGaAsP）外界供給能量滿足粒子數反轉（常采用電流注入法）第12頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日2.F-P諧振腔只有增益介質而無光學反饋裝置，便不能形成激光將已實現粒子數反轉分布的系統置于嚴格平行的一對反射鏡之間便形成F-P諧振腔。光在兩個反射鏡之間往返多次過程中，得到放大。第13頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日3.振蕩條件當增益超過由部分反射和散射等多種因素引起的總損耗，經過諧振腔的選頻作用，特定頻率的光波在諧振腔內積累能量并通過反射鏡射出，形成激光（相干光）。振幅條件相位條件：n-有源層折射率；L-腔長m-任意整數；-波長滿足相位條件的頻率有無限多個，只有那些在譜線中心附近的頻率才能滿足振蕩條件，所以激光器的振蕩頻率只能取有限個分立值。第14頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日ModesproducedinaTypicalFabry-PerotLaserSpectralwidthandLinewidthatFWHM(FullWidthHalfMaximum)第15頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日OutputspectrumchangesaspowerisappliedTypicalmodehoppingbehaviorF-PLD在高速調制下，或在溫度和注入電流變化時，不再維持原激射模式，而會出現模式跳躍和譜線展寬，這對高速應用很不利。為了維持單模，減小光譜展寬，需研究動態單模激光器DFBLD及DBRLD（光纖通信最有前途的實用化器件）第16頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日F－PLD的結構很難將光導引到光纖增益導引半導體激光器：沿激光長度方向放置一個窄的條形電極，將注入電流限制在一個窄條里。缺點：光功率增大時，光斑尺寸不穩定，模式穩定性亦不高。折射率導引半導體激光器，引入折射率差。結構簡單，制造工藝不太復雜，輻射光空間分布穩定性高，被大多數光波系統使用。第17頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日4.1.2分布反饋激光器DFBLDDFBLD同F-PLD的主要區別：DFBLD沒有集總的諧振腔反射鏡，它的反射機構是由有源區波導上的Bragg光柵提供的。分布式反饋

非常好的單色性和方向性第18頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日DFBLD基本工作原理在有源區介質表面上使用全息光刻法做成周期性的波紋形狀。用泵浦（光泵浦或電泵浦）激發，造成足夠的粒子數反轉，具備增益條件只有波長滿足“Bragg反射條件”的光波才能在介質中來回反射，得到不斷的加強和增長。DFBLD已成為中長距離光纖通信應用的主要激光器第19頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日4.1.3分布Bragg反射型激光器DBRLDDBRLD的周期性溝槽不在有源波導表面上，而是在有源層波導兩外側的無源波導層上，這兩個無源的光柵波導充當Bragg反射鏡的作用。由于有源波導的增益特性和無源周期波導的Bragg發射，只有在Bragg頻率附近的光波才能滿足振蕩條件，從而發射出激光。GaAs/AlGaAsDBR激光二極管第20頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日4.1.4量子阱激光器QWLD特點：低閾值電流高輸出功率窄線寬頻率啁啾改善調制速率高有源區厚度薄1~10nm（FP腔100~200nm）周期結構，將窄帶隙的很薄的有源區夾在寬帶隙的半導體材料之間，形成勢能阱多個勢能阱--多量子阱（MQW），單個勢能阱--單量子阱（SQW）第21頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日4.1.5垂直腔面發射激光器VCSELVerticalCavitySurfaceEmittingLaser垂直于襯底方向出光的面發射激光器優點：發光效率高(850nm的VCSEL，10mA驅動1.5mW輸出光功率)工作閾值極低（工作電流5~15mA，簡化了驅動電路的設計）可單縱模也可多縱模工作（應用于以多模光纖為傳輸媒介底局域網中或VSR）調制速率高壽命長（Honeywell進行了可靠性實驗）價格低、產量高第22頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日可任意配置高密度二維激光陣列。二維激光器陣列第23頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日第四章激光器及光發射機4.1半導體激光器

4.1.1法布里-珀羅型激光器F-PLD4.1.2分布反饋激光器DFBLD4.1.3分布Bragg反射型激光器DBRLD4.1.4量子阱激光器QWLD4.1.5垂直腔面發射激光器VCSEL4.2半導體激光器的工作特性4.3光發射機第24頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日4.2半導體激光器的工作特性激光器件的絕對最大額定值：光輸出功率（Po和Pf）：從一個未損傷器件可輻射出的最大連續光輸出功率。Po是從器件端面輸出的光功率，Pf是從帶有尾纖器件輸出的光功率。正向電流（IF）：可以施加到器件上且不產生器件損傷的最大連續正向電流。反向電壓（VR）：可以施加到器件上且不產生器件損傷的最大方向電壓。第25頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日一、半導體激光器的P－I特性典型的P－I曲線P－I曲線：激光二極管的總發射光功率P與注入電流I的關系曲線。隨注入電流增加，激光二極管首先是漸漸地增加自發發射，直至開始發射受激發射。1.閾值電流Ith：開始發射受激發射的電流值。閾值電流與腔的損耗、尺寸、有源區材料和厚度等因素有關。I<Ith，自發輻射，發出的是非相干光I>Ith，受激輻射，發出的是相干光第26頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日

表示激光器件把注入的電子－空穴對（注入電荷）轉換成從器件發射的光子（輸出光）的效率。是一個以百分數（％）度量的性能系數。一個把100％注入電流轉換成輸出光的理想假設器件(即器件沒有以熱形式消耗)，在理論上應具有100％的e。e可從P-I特性的斜率（閾值以上）dP/dI求得：（對GaALAs材料）2.外微分量子效率e：第27頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日內量子效率i是衡量激光二極管把電子－空穴對（注入電流）轉換成光子能力的一個參數。與e不同的的是，i與激光二極管的幾何尺寸無關，是評價激光二極管半導體晶片質量的主要參數。i和e既又關系又有差別。i是激光二極管把電子－空穴對（注入電流）轉換成光子（光）效率的直接表示，但要注意，并非所有光子都出射成為輸出光，有些光子由于各種內部損耗而被重新吸收。e是激光二極管把電子－空穴對（注入電流）轉換成輸出光的效率象征。e總是比i小。內量子效率i=有源區內每秒鐘產生的光子數有源區內每秒鐘注入的電子-空穴對數3.內量子效率i：第28頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日T0--LD的特征溫度，與器件的材料、結構等有關。T0代表Ith對溫度的靈敏度，也可解釋為激光二極管的熱穩定性。較高的T0意味著當溫度快速增加時，激光二極管Ith增加不大。對于GaAs/GaALAsLDT0=100~150K；InGaAsP/InP-LDT0=40~70K。不同溫度下的P－I曲線4.溫度特性：溫度升高時性能下降，閾值電流隨溫度按指數增長。第29頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日

LD的模式特性首先取決于光腔的三個線度（橫向、側向、縱向的尺寸）及介質特性。通常腔內能存在許多模式，但只有獲得凈增益（滿足閾值條件）的那些模式才能被激勵，它的頻率才會出現在輸出光中。在實際應用中，模式的穩定性和線寬是對系統性能影響較大的兩個參量。LD工作在基橫模時，相干性最好，因此要求LD在設計和結構上保證基橫模工作。根據基橫模的條件通過對光載流子的橫向以及垂直向限制、減小有源區寬度和厚度等措施可以實現LD的基橫模工作。(詳見《激光原理》)二、半導體激光器的模式特性第30頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日1、激光器縱模的概念：激光器的縱模反映激光器的光譜性質。對于半導體激光器，當注入電流低于閾值時，發射光譜是導帶和價帶的自發發射譜，譜線較寬；只有當激光器的注入電流大于閾值后，諧振腔里的增益才大于損耗，自發發射譜線中滿足駐波條件的光頻率才能在諧振腔里振蕩并建立起場強，這個場強使粒子數反轉分布的能級間產生受激輻射，而其他頻率的光卻受到抑制，使激光器的輸出光譜呈現出以一個或幾個模式振蕩，這種振蕩稱之為激光器的縱模。第31頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日I=67mAP=1.2mWI=75mAP=2.5mWI=100mAP=10mWI=95mAP=6mWI=80mAP=4mW隨著電流增加，主模的增益增加，而邊模的增益減小，縱模數減少，一個模式開始占優勢，直到出現單個窄線寬的光譜為止。2、縱模數隨注入電流而變：第32頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日在眾多的縱模中，只有那些頻率落在增益介質的增益曲線范圍內，且增益大于損耗的那些腔模才能在LD的輸出中存在。3、譜線特性：第33頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日在縱向，光波以駐波形式振蕩。諧振頻率（正入射）:m--正整數；L--腔長；n--材料折射。相鄰縱模的頻率間隔:增益曲線：0--增益譜中心波長，由增益介質的能級差決定；--增益譜寬，由增益介質內原子熱運動（多普勒加寬）和原子碰撞（均勻加寬）造成；g(0)--正比于粒子數反轉的最大增益第34頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日4、峰值波長隨溫度變化：半導體激光器的發射波長隨結區溫度而變化。當結溫升高時，半導體材料的禁區帶寬變窄，因而使激光器發射光譜的峰值波長移向長波長。InGaAsP/InP激光器的發射波長隨注入電流漂移的情況，此激光器沒加溫度控制，由于電流的熱效應，使結溫度升高，從而使發射波長漂移。第35頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日5、動態譜線展寬：動態譜線展寬對高速光纖通信非常不利，各種動態單模激光器已得到迅速發展DFBLD及DBRLD。對激光器進行直接強度調制會使發射譜線增寬，振蕩模數增加。這是因為對激光器進行脈沖調制時，注入電流不斷變化，使有源區里載流子濃度隨之變化，進而導致折射率隨之變化，激光器的諧振頻率發生漂移，動態譜線展寬。調制速率越高，調制電流越大，譜線展寬的越多。激光器的發射光譜隨調制電流變化的情況第36頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日6、動態單模半導體激光器：實現LD單縱模工作的方法：采用短腔結構，增大相鄰縱模間隔,使增益譜線范圍內只有一個譜線存在，短腔制造困難，LD輸出功率低。采用波長選擇反饋，使不同的縱模有不同的損耗，包括：分布反饋結構和耦合腔結構。單縱模LD的性能通常由邊模抑制比（MSR）來表征，定義為MSR=Pmm/PsmPmm為主模功率；Psm為最大邊模功率。一個較好的單縱模LD，MSR應大于30dB。第37頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日7.影響發射波長的因素：對于DFB激光器，影響發射波長的因素：管芯溫度；工作電流；光反射（利用隔離器減小）比較而言，溫度變化是波長漂移的主要因素。管芯溫度與發射波長的關系：溫度升高紅移相比之下，折射率波導LD的熱穩定性差得多，其這種特性在泵浦激光器中是有用的，可以通過精確地控制溫度，把LD的發射波長調節到特定波長上，以滿足應用要求。第38頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日線寬是LD輸出光譜的另一個重要參量。窄的線寬有利于減小光纖的色散。LD輸出的有限線寬源于兩個因素：一是激光腔內自發輻射引起的光場相位脈動二是載流子濃度脈動引起的折射率變化，使光腔諧振頻率發生變化。簡化理論推導的光源線寬為：X--自發發射事件的平均速率；P--光功率；--線寬增強因子8、線寬降低線寬可采取以下措施：增大光功率減小自發發射速率從外部穩定載流子密度FP-LD的線寬通常達幾nmDFB-LD線寬通常約5~10MHzMQW-LD線寬僅幾十~幾百KHz第39頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日三、半導體激光器的瞬態性質半導體激光器具有電光轉換效率高、響應速度快、可以進行直接調制的優點，被視為光纖通信中的理想光源。但在對半導體激光器進行脈沖調制時，激光器往往呈現出復雜的動態性質——光電瞬態響應。 電光延遲張弛振蕩自脈動第40頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日張弛振蕩：當電流脈沖注入激光器以后，輸出光脈沖表現出衰減式振蕩。是激光器內部光電相互作用所表現出來的固有特性。自脈動：某些激光器在某些注入電流下發生的一種持續振蕩。張弛振蕩和自脈動的結合。激光器激射以后，先出現一個張弛振蕩的過程，隨后則開始持續自脈動。光電瞬態響應波形：第41頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日1.電光延遲原因：激光輸出與注入電脈沖之間存在一個時間延遲，一般為納秒量級。降低方法：預偏置在Ith附近。上升時間：從額定功率的10％升到90％所需的時間下降時間：從額定功率的90％降到10％所需的時間第42頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日當注入電流從零快速增大到閾值以上時，經電光延遲后產生激光輸出，并在脈沖頂部出現阻尼振蕩，經過幾個周期后達到平衡值。采用預偏置在Ith附近的方法，可減小張弛振蕩2.張弛振蕩第43頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日不同于張弛振蕩，沒有阻尼，脈動頻率范圍為0.2~4GHz,容易發生在閾值附近和P-I特性的扭曲區。造成自脈動的機理涉及量子噪聲效應、有源區的缺陷及溫度感應的變化等因素。抑制這種現象主要靠控制材料的質量，盡量減少有源區的缺陷。3.自脈動第44頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日4、碼型效應：

由于瞬態性質，輸出光脈沖會出現碼型效應。碼型效應起因：當第一個電流脈沖過后，存儲在有源區的電荷以指數形式衰減，回到初始狀態有一個時間過程sp，如果調制速率很高，脈沖間隔小于sp，會使第二個電流脈沖到來時，前一個電流脈沖注入的電荷并沒有完全復合消失，有源區的存儲電荷起到直流預偏置的作用，于是第二個光脈沖延遲時間減小，輸出光脈沖的幅度和寬度增加。消除方法：增加直流偏置電流。電流脈沖光脈沖兩個連“1”的現象第45頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日起因：注入電流導致溫升，進而引起閾值電流的變化，從而輸出光功率也發生變化。在電流脈沖持續階段，輸出光功率隨時間而減小；而當電流脈沖過后，輸出光功率隨時間而增加。消除方法：適當增加偏置電流

5、結發熱效應：

半導體激光器是對溫度很敏感的器件，不僅環境溫度的變化會使激光器的閾值電流以及輸出光功率發生變化，注入電流的熱效應也會發生類似的變化——結發熱效應。是激光器的另一種瞬態調制效應。第46頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日激光二極管的啁啾(Chirp)特性：在直接調制激光二極管時，不僅輸出光功率隨調制電流發生變化，而且光的頻率也會發生波動，即在幅度調制的同時還受到頻率調制。帶有頻率啁啾的信號在單模光纖中傳播時，在色散作用下，將增大非線性失真。隨著調制速率增加，啁啾現象愈加嚴重。解決辦法：采用外部調制器。6、啁啾第47頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日LD的噪聲源主要有：（1）相位噪聲（2）工作不穩定引起的噪聲（如自脈動）（3）光纖端面與LD之間互作用引起的噪聲（4）模噪聲（單模LD+多模光纖系統）與模分配噪聲（多模LD+單模光纖系統）（2）~（4）可通過模式穩定及光隔離器來減低或消除四、半導體激光器的噪聲特性由于LD諧振腔內載流子和光子密度的量子起伏，造成輸出光波中存在著固有的量子噪聲，一般用相對噪聲強度RIN來度量，即光強度脈動的均方根與平均光強度平方之比。第48頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日第四章激光器及光發射機4.1半導體激光器

4.1.1法布里-珀羅型激光器F-PLD4.1.2分布反饋激光器DFBLD4.1.3分布Bragg反射型激光器DBRLD4.1.4量子阱激光器QWLD4.1.5垂直腔面發射激光器VCSEL4.2半導體激光器的工作特性4.3光發射機第49頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日4.3.1發射機的結構防止LD輸出的激光反射，實現光的單向傳輸保持LD組件內恒定的溫度，保證激光參數的穩定性使LD有恒定的光輸出功率數據電接口線路編碼驅動電路調制器光隔離器LD功控溫控光發射機第50頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日4.3.2光源的調制方式調制方式：直接調制間接調制（外調制）一、直接調制的特點：將要傳送的信息轉變為電流信號注入LD或LED調制后的光波振幅的平方比例于調制信號（強度調制）簡單、經濟、容易實現響應帶寬有限（~2.5Gb/s）引入調制啁啾第51頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日加大偏置電流使其逼近激光器閾值，可以大大減小電光延遲時間，同時使張馳振蕩得到一定程度的抑制.偏置于閾值附近，較小的調制脈沖電流即可得到足夠的輸出光脈沖，從而可大大減小碼型效應和結發熱效應的影響.另一方面，加大直流偏置電流將會使光信號消光比(EX)惡化，光源消光比將直接影響接收機靈敏度.實驗發現，異質結激光器的散粒噪聲在閾值處出現最大值，因此偏置電流不正好偏置在閾值處.調制電流幅度Im的選擇，應根據激光器的P-I曲線，既要有足夠的輸出光脈沖幅度，又要考慮到光源的負擔。如果激光器在某些區域有自脈動現象發生，則Im的選擇應避開自脈動發生的區域.二、數字直接調制中偏置電流和調制電流大小的選擇第52頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日三、外調制將調制信號控制激光器后接的外調制器，利用調制器的電光、聲光等物理效應使其輸出光的強度等參數隨信號而變。調制信號啁啾小。外調制器以LN電光調制和EA電致吸收為主。第53頁，共60頁，2023年，2月20日，星期日1.系統對光源的要求：

(1)波長穩定性要求WDM系統對光源發射波長的穩定性具有較高的要求；波長的漂移將導致信道之間的串擾；溫度變化是波長漂移的主要因素。(2)功率穩定性要求某信道功率的漂移，不僅影響本信道的傳輸性能，而且通過EDFA的瞬態效應影響其它信道的性能；影響發射功率的因素：管芯溫度：溫度增加－－功率下降器件老化：功率