04 光源和光发射机.ppt

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1、第四章光源和光发射机4.1概述4.2发光机理4.3器件结构4.4激光器组件4.5半导体激光器的特性4.6光发射机设计4.7光频率稳定及其控制4.8激光器常用参数及其测量方法4.9激光器的保护4.1概述光发射机组成：将电信号转换成光信号的转换装置将光信号送入光纤的传输装置光源半导体光发射二极管激光二极管光发射组件是光发射机的主要部件，光源是核心半导体光源的优点：发光光谱在石英光纤的各个低损耗、低色散的窗口具有较高的发射功率而且与光纤之间有较高的耦合效率调制简单，直接调制，无需外部的光调制器可靠性高，发光二极管寿命达小时以上（1

2、00年），激光二极管寿命达小时体积特别小光源要求光源的峰值波长，应在光纤低损耗窗口内（波长要求）足够高，稳定的功率（功率要求）电光转换效率高，驱动功率低，寿命长，可靠性好（可靠性要求）单色性和方向性好易于调制强度噪声小对驱动电流的线性好调制方式直接调制信号输入复用编码调制光源耦合光纤输出光信号控制信号编码后直接控制光的发射放大光功率控制AGC温度控制自动温度控制ATC匹配耦合器外调制大多数采用直接控制在高速DWDM系统和相干检测系统中必须采用光外调制信号输入复用编码控制光源外调制器光隔离器驱动光纤输出光信号6.光发射机组成光

3、源直流偏置驱动电路阻抗匹配电路光隔离器监视光源发射功率的监视光电二极管自动功率控制电路光源恒温控制系统4.2发光机理灯泡：热激励能转变成光能发光二极管：通过电子在能带间的跃迁，发出光，构成半导体晶体的原子内部，存在不同的能带。高能带Ec的电子跃迁到低能带Ev上，将能量差以光的形式放出，发出光的波长由决定，半导体材料几乎可以全波覆盖从可见光区到红外光区的整个波长范围。砷化镓（GaAs）：掺以相邻元素铝、铟、磷、镝，改变波长在CaAlAs材料中CaAs：半径波长0.9um在InGaAsP材料中：InP半径波长1.7um，掺镓掺砷

4、可达1um发光过程：自发辐射、受激发射能量：受激吸收：晶体中有光场存在时，处在低能带某能级上的电子杂入射光场的作用下，可能吸收一个光子而跃迁到高能带某能级上受激辐射和受激吸收的概率相同辐射和吸收的区分：电子密度在两个能带上的分布高能带电子密度高于低能带：受激发射高能带电子密度低于低能带：受激吸收激光器工作在正向偏置下，注入正向电流，高能带中电子密度增加，受激发射。受激发射条件单位体积：具有能量Ev的电子数Nv（低能级）具有能级Ec的电子数Nc（高能级）hvEcNchvNvEv介质吸收光子，电子从低级Ec跃迁到高能级Ec，其跃

5、迁率以Nv电子数有关，也与单位体积内具有hv＝Ec－Ev能量的光子有关。受激发射条件：（1）Nc>Nv（2）具有一个保持光子浓度足够大的光腔激光器起振的阈值条件研究平面电磁波在谐振腔内的传输，腔内单位长度平均损耗，平面波的幅度为Eo，频率为，反射系数：R1、R2光从z=0出发，在z=L处被反射回z=0处，光强衰减了另一方面，单位长度受激发射放大得到增益g，光往返一次，光强放大了exp〔g（2L）〕倍谐振：当功率保持不变于是：激光器起振的条件：激光器起振的相位条件增益介质长度L，增益介质折射率为n，由于增益介质内等于半波长的整

6、数倍m，从而：得出：mm+1于是：4.3、器件结构同质结构：只有一个简单的PN结（同一种物质构成PN结）异质结构：由两种不同材料构成的PN结异质结半导体激光器单异质结双异质结多异质结量子阱制激光器：电子或空穴允许占据能量状态的限制特点：阈值低线宽窄微分增益高对温度不敏感，调制速度快，增益曲线容易控制典型的量子阱激光器中，很薄的GaAs有源层夹在两层很厚的AIGaAs半导体材料中，有源层d很薄，以至于导带中的集带势能把电子封闭在x方向的一维势能阱内.类型：单量子阱SQW:SingleQuantumWell多量子阱MQW:Mul

7、tipleQuantumWell量子线QWI:QuantumWires量子点QD:QuantumDots分布反馈激光器单纵模（SLM:SingleLongitudinalMode）半导体激光器分类：分布反馈（DFB:DistributedFeedBack）激光器分布布拉格反射（DBR：DistributedBroggReflector）激光器波长可调谐半导体激光器实现WDM的重要器件。有MQW、DFB、DBR等类型，能在10nm范围内调谐，可以调谐出24个不同的波长，目前性能/特性一般，研究空间较大。希望实现:(1)宽范围内

8、调谐(2)多波长调谐4.4激光器组件在光发射机中，激光器形成了一个紧凑结构。紧密结构中有（1）激光二极管LD芯片（2）实现LD工作必须的电路模块器件基本组件有光隔离器：防止LD输出的激光反射，实现光的单向传输，位于LD输出端。监视二极管：监视LD的输出功率变化，位于LD背面。尾纤和跳线：光