【正文】 因此，只有確定波長(zhǎng)的光能在諧振腔內(nèi)建立穩(wěn)定的振蕩，使激光器的發(fā)射光譜呈現(xiàn)出譜線尖銳的結(jié)構(gòu)。 （ 2）異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器包括 單異質(zhì)結(jié) 和 雙異質(zhì)結(jié) 半導(dǎo)體激光器兩種。（折射率差由帶隙差決定，約 5%） 結(jié)果： DH半導(dǎo)體激光器的閾值電流很低，散熱量很小，可在室溫下持續(xù)工作，而且電 /光轉(zhuǎn)換效率很高。 43 半導(dǎo)體激光器 ?DFB激光器是一種可以產(chǎn)生動(dòng)態(tài)控制的 單縱模激光器 ，即在高速調(diào)制下仍能單縱模工作的半導(dǎo)體激光器。 光纖通信 49 2022年 2月 11日星期五 167。 (3) 動(dòng)態(tài)譜線好 DFB激光器在高速調(diào)制時(shí)譜線有所展寬（啁啾），但依然保持單縱模特性。 P為激光器的輸出功率， Vj為激光器的結(jié)電壓， Rs為激光器的串聯(lián)電阻， I為注入電流。 所謂結(jié)發(fā)熱效應(yīng)， 是指調(diào)制電流的作用引起半導(dǎo)體激光器 PN結(jié)結(jié)區(qū)的溫度發(fā)生變化，導(dǎo)致輸出光脈沖的形狀發(fā)生變化。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 Δ ?20dB= Δ ?rms， 對(duì)于使用單縱模激光器的光 發(fā)射 機(jī)，其譜寬 Δ ?20dB要求在 1nm以下 。 光纖通信 72 2022年 2月 11日星期五 167。 光纖通信 76 2022年 2月 11日星期五 167。 光纖通信 80 2022年 2月 11日星期五 167。 44 發(fā)光二極管 一、工作原理 發(fā)光二極管是非相干光源（熒光），它的發(fā)射過(guò)程主要對(duì)應(yīng)光的自發(fā)輻射過(guò)程。 光纖通信 87 2022年 2月 11日星期五 167。 4 ．與光纖的耦合效率高，可高達(dá) 80 ％以上。 光纖通信 90 2022年 2月 11日星期五 167。 ?目前已提出的間接調(diào)制方式有電光調(diào)制、聲光調(diào)制和磁光調(diào)制。 ? 聲光調(diào)制 的工作原理： 當(dāng)調(diào)制電信號(hào)變化時(shí)，由于壓電效應(yīng)，使壓電晶體產(chǎn)生 機(jī)械振動(dòng)形成超聲波 ，這個(gè) 聲波引起聲光介質(zhì)的密度發(fā)生變化 ，使介質(zhì) 折射率跟著變化 ，從而形成一個(gè)變化的光柵，由于光柵的變化，使光強(qiáng)隨之發(fā)生變化，結(jié)果使光波受到調(diào)制。 光纖通信 102 2022年 2月 11日星期五 167。 Im的選擇應(yīng)考慮光源輸出 光脈沖的幅度 ，又要考慮 自脈動(dòng)現(xiàn)象 。 45 光源的調(diào)制及驅(qū)動(dòng)電路 （ 2）輸出功率監(jiān)控電路中的慢啟動(dòng)電路 慢啟動(dòng)電路是 一保護(hù)電路 。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 113 2022年 2月 11日星期五 167。 LD 主輸出光 反饋光 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 45 光源的調(diào)制及驅(qū)動(dòng)電路 LED的數(shù)字信號(hào)調(diào)制 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 100 2022年 2月 11日星期五 167。 Pockel：當(dāng)晶體的折射率與外加電場(chǎng)幅度成線性變化；Kerr：當(dāng)晶體的折射率與外加電場(chǎng)幅度的平方成比例變化。 45 光源的調(diào)制及驅(qū)動(dòng)電路 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 1 0 ．工作壽命短。 2 ．帶寬大，調(diào)制速率高，幾百 MHz 一幾 十 GHz 。 44 發(fā)光二極管 2. 溫度特性 溫度對(duì) LED影響不大，實(shí)際使用中也可以不進(jìn)行溫度控制，如果需要，確保實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)或使用設(shè)備的穩(wěn)定，可以加裝散熱裝置。 光纖通信 82 2022年 2月 11日星期五 167。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 43 半導(dǎo)體激光器 ③ t1tt2： 當(dāng) t1時(shí)刻后，光場(chǎng)已經(jīng)建立，s迅速增加，同時(shí)消耗粒子數(shù)，n下降，當(dāng) s達(dá)到峰值時(shí)， n下降到 nth。與縱模的意義不同，橫模反映的是 由于邊界條件的存在對(duì)腔內(nèi)電磁場(chǎng)形態(tài)的橫向空間約束作用 。 光纖通信 68 2022年 2月 11日星期五 167。 光纖通信 64 2022年 2月 11日星期五 167。 光纖通信 60 2022年 2月 11日星期五 167。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 44 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導(dǎo)體激光器 E 電 子空 穴異 質(zhì) 勢(shì) 壘復(fù) 合限 制 層 有 源 層 限 制 層Eg Eg? Eg? ~5% 能帶 折射率 光強(qiáng) 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 43 半導(dǎo)體激光器 2. 雙異質(zhì)結(jié)（ DH）結(jié)構(gòu) — 實(shí)際應(yīng)用型結(jié)構(gòu) 實(shí)際上， FP腔激光二極管從結(jié)構(gòu)上可分為3種，如下圖所示 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 43 半導(dǎo)體激光器 二、 FP腔半導(dǎo)體激光器 1. 原理結(jié)構(gòu) FP諧振腔是一種最簡(jiǎn)單的光學(xué)反饋裝置，它由一對(duì)平行放置的平面反射鏡（通常直接利用半導(dǎo)體晶體材料的天然解理面：高度平行）組成 。 光纖通信 28 2022年 2月 11日星期五 167。在走向熱平衡狀態(tài)的過(guò)程中，費(fèi)米能級(jí)趨向同一高度，如果 N區(qū)的能級(jí)位置不變，那么 P區(qū)的能級(jí)應(yīng)該提高，從而使 PN結(jié)的 能帶發(fā)生傾斜彎曲 。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 雙兼并型半導(dǎo)體， 是一種 非熱平衡狀態(tài)下 的情況，因而用兩種費(fèi)米能級(jí) Efc和 Efv來(lái)表征載流子的統(tǒng)計(jì)分布。 光纖通信 18 2022年 2月 11日星期五 167。 ③ 受激輻射過(guò)程實(shí)質(zhì)上是將感應(yīng)光得到放大。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 考慮雙能級(jí)的系統(tǒng)， 低能級(jí) E1和高能級(jí) E2，設(shè)處于高能級(jí) E2和低能級(jí) E1上的電子數(shù)分別為 N2和 N1，當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，存在下面的分布： k= 1023J/K，為波爾茲曼常數(shù)， T為絕對(duì)溫度。 2. 消光比 消光比定義為全“ 1”碼的輸出功率與全“ 0”碼的輸出功率之比，取常用對(duì)數(shù)，通常用符號(hào) EXT表示： 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 44 發(fā)光二極管 ； ?167。 41 概述 光源 —光發(fā)射機(jī)的核心部件： ?半導(dǎo)體激光管 LD； ?半導(dǎo)體發(fā)光二極管 LED。 41 概述 5. 易調(diào)制、響應(yīng)速度快； 6. 光強(qiáng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電流的線性要好，以保證足夠多的信號(hào)模擬調(diào)制光源而不發(fā)生畸變； 7. 體積小、重量輕。 所以，自發(fā)輻射過(guò)程的特點(diǎn)如下： ① 處于高能級(jí)電子的自發(fā)行為，與是否存在外界激勵(lì)作用無(wú)關(guān)； ② 由于自發(fā)輻射可以發(fā)生在一系列的能級(jí)之間（如共價(jià)晶體中導(dǎo)帶向價(jià)帶的自發(fā)輻射），因此材料的發(fā)射光譜范圍很寬； ③ 即使躍遷過(guò)程滿足相同的能級(jí)差（光子頻率一致），它們也是獨(dú)立的、隨機(jī)的輻射，是一種非相干光。 光纖通信 15 2022年 2月 11日星期五 167。 費(fèi)米能級(jí)： 不是一個(gè)可以被電子占據(jù)的實(shí)際存在的能級(jí)，它是反映電子在各能級(jí)中分布情況的參量， 具有能級(jí)的量綱 ，位置由總電子數(shù)能級(jí)具體情況決定，對(duì)本征半導(dǎo)體，在禁帶的中心。 (d) 雙兼并型半導(dǎo)體 E fEfc Efv 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 26 2022年 2月 11日星期五 167。 光纖通信 29 2022年 2月 11日星期五 167。 ? ?2 2 1 , 2 , 3L q q? ? ?? ? ? ? ? ?縱 模 模 數(shù) ， 相 位 常 數(shù)? ?222 1 , 2 , 3 ,L n k qnLqqn??? ? ?? ? ? ???是 激 活 物 質(zhì) 的 折 射 率廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的 “結(jié)” 是由不同的半導(dǎo)體材料制成，目的是 降低閾值電流 ， 提高效率 。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 ?DFB激光器是在異質(zhì)結(jié)激光器具有光放大作用的有源層附近，刻有波紋狀的周期光柵而構(gòu)成的。 43 半導(dǎo)體激光器 此動(dòng)畫(huà)為 DBR激光器工作原理光路 動(dòng)畫(huà)。 (4) 線性度好 2c ff?? ? ??廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 2p jsPV I I R? ?? ?激 光 器 輻 射 的 光 功 率功 率 效 率 定 義 為 ：激 光 器 消 耗 的 電 功 率廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 結(jié)發(fā)熱效應(yīng)引起調(diào)制失真。 光纖通信 65 2022年 2月 11日星期五 167。 幅度 譜寬 0 . 61 0 d?rms 0 . 01 d?20 dB 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 43 半導(dǎo)體激光器 5. 瞬態(tài)特性 半導(dǎo)體激光二極管（ LD） 具有電光轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快、可進(jìn)行直接調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)，被視為光纖通信中的理想光源。 43 半導(dǎo)體激光器 （ 3）分析瞬態(tài)過(guò)程的出發(fā)點(diǎn) 出發(fā)點(diǎn)是 LD速率方程組的瞬態(tài)解。 43 半導(dǎo)體激光器 碼型效應(yīng)的特點(diǎn)： 在脈沖序列中較長(zhǎng)的連“ 0”碼后出現(xiàn)的“ 1”碼，其脈沖明顯顯效，而且連“ 0”碼越多，調(diào)制速率越高，則碼型效應(yīng)越明顯。在發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)中不存在諧振腔，當(dāng) PN結(jié)注入正向電流時(shí)，注入的非平衡載流子在擴(kuò)散過(guò)程中復(fù)合發(fā)光，發(fā)光過(guò)程中 PN結(jié)也不一定需要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 44 發(fā)光二極管 4. 光束空間分布 輻射角大， LED與光纖的耦合效率通常小于 10％，一般只適用于短距離通信，邊發(fā)光型和面發(fā)光型不一樣，見(jiàn)圖。 與光纖的耦合效率低，僅百分之幾。 45 光源的調(diào)制及驅(qū)動(dòng)電路 一、調(diào)制方式 1. 光調(diào)制 將光信號(hào)加載到光源的發(fā)射光束上。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 45 光源的調(diào)制及驅(qū)動(dòng)電路 三、光源的數(shù)字調(diào)制 數(shù)字調(diào)制主要是指 PCM編碼調(diào)制。 P I Ib Im 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 在光發(fā)射機(jī)中，調(diào)制電路、偏置電路、反饋電路等經(jīng)常都是共用一組電源。 光纖通信 114 2022年 2月 11日星期五 167。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 ② LD的后解理面發(fā)射的光通常被用于這種監(jiān)控目的。 光纖通信 104 2022年 2月 11日星期五 167。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 普科爾（ Pockel）效應(yīng) (常用 )與克爾（ Kerr）效應(yīng)。 光纖通信 92 2022年 2月 11日星期五 167。 可靠性較好。 輸出光功率較小，一般僅 1mw 一 2mW 。 光纖通信 86 2022年 2月 11日星期五 167。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 簡(jiǎn)化的速率方程組是基于下列條件提出的： ?注入電流均勻恒定，即電流密度 i為常數(shù)，電子和光子密度在腔內(nèi)處處均勻，因而可以不考慮梯度場(chǎng)和漂移場(chǎng)的作用； ?光子完全被介質(zhì)波導(dǎo)限制在有源區(qū)中，不需要考慮側(cè)向光場(chǎng)的漏出； ?忽略非輻射復(fù)合的影響； ?激光器在閾值之上單縱模振蕩。 光纖通信 75 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導(dǎo)體激光器 激光器的橫模決定了輸出光束的空間分布，發(fā)散角直接影響到器件 與光纖的耦合效率 。 43 半導(dǎo)體激光器 （ 3）激光器的譜線寬度 多縱模 LD的譜寬 單縱模 LD的譜寬 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 ()D thhP I Ie????廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 閾值電流越小越好還是越大越好？ 越小越好。 很顯然，減小腔長(zhǎng)，可以抑制高階模。 波紋光柵為受激輻射產(chǎn)生的光子提供周期性的反射點(diǎn)，在一定條件下，圖中 I， I?， I?等反射光束同相位加強(qiáng)，形成某方向 (θ+90o)的主極強(qiáng)。 43 半導(dǎo)體激光器 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 39 2022年 2月 11日星期五 167。 光纖通信 36 2022年 2月 11日星期五 167。 光纖通信 31 2022年 2月 11日星期五 167。 增益區(qū) P + N Efc Efv hυ 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 2. PN結(jié)的能帶（熱平衡狀態(tài)） 由于一個(gè)熱平衡系統(tǒng)只能有一個(gè)費(fèi)米能級(jí)，這就要求原來(lái)在 P區(qū)和 N區(qū)高低不同的費(fèi)米能級(jí)達(dá)到相同的水平。 光纖通信 22 2022年 2月 11日星期五 167。 Eg =EcEv E2 E1 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 所以， 受激輻射的特點(diǎn)如下： ① ② 受激過(guò)程中發(fā)射出來(lái)的光子與外來(lái)光子不僅頻率相同，而且相位、偏振方向和傳播方向都相同，因此稱它們是全同光子，是相干光。 光纖通信 10 2022年 2月 11日星期五 167。 1. 平均發(fā)送功率及其穩(wěn)定