【文章內(nèi)容簡介】 由式（）決定的相位差，式中n是波導(dǎo)折射率指數(shù)，復(fù)合后每個(gè)波長的信號光在滿足一定的相位條件下，在兩個(gè)輸出光纖中的一個(gè)相長干涉，而在另一個(gè)相消干涉。如果在輸出端口3，l7滿足相長條件，滿足相消條件，則輸出l7光；如果在輸出端口4，l7 滿足相消條件， 滿足相長條件，則輸出光。圖316 由1個(gè)MZ干涉濾波器和2個(gè)光纖光柵構(gòu)成的分插濾波器317 解釋在WDM系統(tǒng)中，如何使用陣列平面波導(dǎo)作為波長路由器 答：使用平板陣列波導(dǎo)光柵（AWG）可以構(gòu)成波長路由器。這種器件由N個(gè)輸入波導(dǎo)、N個(gè)輸出波導(dǎo)、兩個(gè)具有相同結(jié)構(gòu)的N 180。 N平板波導(dǎo)星形耦合器以及一個(gè)平板陣列波導(dǎo)光柵組成，這種光柵相鄰波導(dǎo)間具有恒定的路徑長度差DL，由式（）可知， 其相鄰波導(dǎo)間的相位差為 （）這里 l 是信號波長，是路徑長度差，為信道波道的有效折射率。輸入光從第一個(gè)星形耦合器輸入，在輸入平板波導(dǎo)區(qū)（即自由空間耦合區(qū)）模式場發(fā)散，把光功率幾乎平均地分配到波導(dǎo)陣列輸入端中的每一個(gè)波導(dǎo)，由陣列波導(dǎo)光柵的輸入孔闌捕捉。由于陣列波導(dǎo)中的波導(dǎo)長度不等，由式（）可知，不同波長的輸入信號產(chǎn)生的相位延遲也不等。隨后，光場在輸出平板波導(dǎo)區(qū)衍射匯聚，不同波長的信號聚焦在像平面的不同位置，通過合理的設(shè)計(jì)輸出波導(dǎo)端口的位置，實(shí)現(xiàn)信號的輸出。AWG光柵工作原理是基于馬赫曾德爾干涉儀的原理，即兩個(gè)相干單色光經(jīng)過不同的光程傳輸后的干涉理論。所以輸出端口與波長有一一對應(yīng)的關(guān)系，也就是說，由不同波長組成的入射光束經(jīng)陣列波導(dǎo)光柵傳輸后，依波長的不同就出現(xiàn)在不同的波導(dǎo)出口上。 （a） 結(jié)構(gòu)原理圖 （b） 組成的波導(dǎo)光柵路由器（WGR）功能 由陣列波導(dǎo)光柵(AWG)組成的解復(fù)用器/路由器318 使用一個(gè)波導(dǎo)光柵路由器設(shè)計(jì)一個(gè)集成WDM發(fā)射機(jī)。WDM接收機(jī)有何改變答：圖318表示在發(fā)送端和接收端各使用一個(gè)陣列波導(dǎo)光柵（AWG）構(gòu)成的WDM發(fā)射機(jī)和WDM接收機(jī)，該圖實(shí)際上是WDMPON的上行部分，波長可調(diào)LD使ONU工作在不同的波長，可調(diào)激光器工作在特定波長，但可通過電調(diào)諧、溫度調(diào)諧或機(jī)械調(diào)諧使其改變波長。網(wǎng)絡(luò)中的分路器是AWG，用作WDM信號復(fù)用；WDM接收機(jī)也使用一個(gè)AWG，對WDM信號解復(fù)用。 圖318 在發(fā)送端和接收端各使用一個(gè)陣列波導(dǎo)光柵（AWG）構(gòu)成的WDM發(fā)射機(jī)和WDM接收機(jī)第4章 復(fù)習(xí)思考題參考答案41 簡述半導(dǎo)體發(fā)光基理答：在構(gòu)成半導(dǎo)體晶體的原子內(nèi)部，存在著不同的能帶。如果占據(jù)高能帶（導(dǎo)帶）的電子躍遷到低能帶（價(jià)帶）上，就將其間的能量差（禁帶能量）以光的形式放出。這時(shí)發(fā)出的光，其波長基本上由能帶差所決定。能帶差和發(fā)出光的振蕩頻率之間有的關(guān)系，h 是普朗克常數(shù)，180。1034 Js由得出（mm） （）式中，c 為光速，取決于半導(dǎo)體材料的本征值，單位是電子伏特（eV）。 半導(dǎo)體發(fā)光原理42 簡述激光器和光探測器的本質(zhì)區(qū)別答：發(fā)光過程，除自發(fā)輻射外，還有受能量等于能級差的光所激發(fā)而發(fā)出與之同頻率、同相位的光（激光），即受激發(fā)射，（b）所示。 光的自發(fā)輻射、受激發(fā)射和吸收反之，如果把能量大于的光照射到占據(jù)低能帶的電子上，則該電子吸收該能量后被激勵(lì)而躍遷到較高的能帶上。在半導(dǎo)體結(jié)上外加電場后，可以在外電路上取出處于高能帶上的電子，使光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，（c）所示，這就是光接收器件。43 自發(fā)輻射的光有什么特點(diǎn)答：對于大量處于高能帶的電子來說，當(dāng)返回能級時(shí)，它們各自獨(dú)立地分別發(fā)射一個(gè)一個(gè)的光子。因此，這些光波可以有不同的相位和不同的偏振方向，它們可以向各自方向傳播。同時(shí)，高能帶上的電子可能處于不同的能級，它們自發(fā)輻射到低能帶的不同能級上，因而使發(fā)射光子的能量有一定的差別，這些光波的波長并不完全一樣。因此自發(fā)輻射的光是一種非相干光，（a）所示。44 受激發(fā)射的光有什么特點(diǎn)答：受激發(fā)射生成的光子與原入射光子一模一樣，即它們的頻率、相位、偏振方向及傳播方向都相同，它和入射光子是相干的。45 如何才可能實(shí)現(xiàn)光放大？答：激光器工作在正向偏置下，當(dāng)注入正向電流時(shí)，高能帶中的電子密度增加，這些電子自發(fā)地由高能帶躍遷到低能帶發(fā)出光子，形成激光器中初始的光場。在這些光場作用下，受激發(fā)射和受激吸收過程同時(shí)發(fā)生，受激發(fā)射和受激吸收發(fā)生的概率相同。用和分別表示高、低能帶上的電子密度。當(dāng)時(shí)，受激吸收過程大于受激發(fā)射，增益系數(shù)，只能出現(xiàn)普通的熒光，光子被吸收的多，發(fā)射的少，光場減弱。若注入電流增加到一定值后，使，g 0，受激發(fā)射占主導(dǎo)地位，光場迅速增強(qiáng)，此時(shí)的PN結(jié)區(qū)成為對光場有放大作用的區(qū)域（稱為有源區(qū)），從而形成受激發(fā)射。46 說出產(chǎn)生激光的過程答：激光器工作在正向偏置下，當(dāng)注入正向電流時(shí)，高能帶中的電子密度增加，這些電子自發(fā)地由高能帶躍遷到低能帶發(fā)出光子，形成激光器中初始的光場。在這些光場作用下，受激發(fā)射和受激吸收過程同時(shí)發(fā)生，受激發(fā)射和受激吸收發(fā)生的概率相同。用和分別表示高、低能帶上的電子密度。當(dāng)時(shí)，受激吸收過程大于受激發(fā)射，增益系數(shù)，只能出現(xiàn)普通的熒光，光子被吸收的多，發(fā)射的少，光場減弱。若注入電流增加到一定值后，使，增益系數(shù)g 0，受激發(fā)射占主導(dǎo)地位，光場迅速增強(qiáng)，此時(shí)的PN結(jié)區(qū)成為對光場有放大作用的區(qū)域（稱為有源區(qū)），從而形成受激發(fā)射，（b）。半導(dǎo)體材料在通常狀態(tài)下，總是，因此稱的狀態(tài)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。使有源區(qū)產(chǎn)生足夠多的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這是使半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的首要條件。 （a）沒有偏置時(shí)的能帶圖（b）正向偏置足夠大時(shí)的能帶圖，此時(shí)引起粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，發(fā)生受激發(fā)射 半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的第2個(gè)條件是半導(dǎo)體激光器中必須存在光學(xué)諧振腔，并在諧振腔里建立起穩(wěn)定的振蕩。有源區(qū)里實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后，受激發(fā)射占據(jù)了主導(dǎo)地位，但是，激光器初始的光場來源于導(dǎo)帶和價(jià)帶的自發(fā)輻射，頻譜較寬，方向也雜亂無章。為了得到單色性和方向性好的激光輸出，必須構(gòu)成光學(xué)諧振腔。，我們已討論了法布里珀羅（FabryPerot）諧振腔的構(gòu)成和工作原理。在半導(dǎo)體激光器中，用晶體的天然解理面（Cleaved Facets）構(gòu)成法布里珀羅諧振腔。要使光在諧振腔里建立起穩(wěn)定的振蕩，必須滿足一定的相位條件和閾值條件，相位條件使諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干，閾值條件使腔內(nèi)獲得的光增益正好與腔內(nèi)損耗相抵消。諧振腔里存在著損耗，如鏡面的反射損耗、工作物質(zhì)的吸收和散射損耗等。只有諧振腔里的光增益和損耗值保持相等，并且諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干時(shí)，才能在諧振腔的兩個(gè)端面輸出譜線很窄的相干光束。前端面發(fā)射的光約有50 %耦合進(jìn)入光纖，（a）所示。后端面發(fā)射的光，由封裝在內(nèi)的光電檢測器接收變?yōu)楣怆娏?，?jīng)過反饋控制回路，使激光器輸出功率保持恒定（（a）沒有畫出）。，它是由諧振腔內(nèi)的增益譜和允許產(chǎn)生的腔模譜共同作用形成的。47 激光器起振的閾值條件是什么答：閾值條件是使腔內(nèi)獲得的光增益正好與腔內(nèi)損耗相抵消。48 激光器起振的相位條件是什么答：相位條件是使諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干。49 光學(xué)諧振腔存在哪些損耗？答：光學(xué)諧振腔體存在的損耗有增益介質(zhì)單位長度的吸收損耗和由于解理面反射率小于 1 而導(dǎo)致的損耗。 410 實(shí)際使用中為什么總是用熱電制冷器對激光器進(jìn)行冷卻和溫度控制答：半導(dǎo)體激光器的閾值電流和輸出功率是隨溫度而變化，另外，激光器的發(fā)射波長也隨溫度而變化。 mm器件，每增加1℃，頻率變化13 GHz。頻率隨注入電流的變化雖然隨器件而異，但典型值為每毫安變化130 GHz。通常要求頻率變化不應(yīng)超過調(diào)制帶寬的1/10。實(shí)驗(yàn)表明，mA以內(nèi)變化，采用自動(dòng)溫度控制后，波長穩(wěn)定在幾百兆赫變化，則現(xiàn)有商用DFB激光器就可以使用。許多商品化激光器組件包含了可以維持閾值電流相對恒定的器件，通常能夠使溫度穩(wěn)定到以下。安裝在熱電制冷器上的熱敏電阻，其阻抗與溫度有關(guān)，它構(gòu)成了電阻橋的一臂。熱電制冷器采用珀?duì)柼?yīng)產(chǎn)生制冷，它的制冷效果與施加的電流成線性關(guān)系。為防止制冷器內(nèi)部發(fā)熱引起性能下降，在制冷器上加裝面積足夠大的散熱片是必要的。 激光器的自動(dòng)溫度控制原理圖411 半導(dǎo)體激光器的基本特性是什么答：半導(dǎo)體激光器的基本特性有閾值電流、溫度特性、波長特性。半導(dǎo)體激光器屬于閾值性器件，即當(dāng)注入電流大于閾值點(diǎn)時(shí)才有激光輸出，否則為熒光輸出。半導(dǎo)體激光器的閾值電流和輸出功率是隨溫度而變化，另外，激光器的發(fā)射波長也隨溫度而變化。激光器的波長特性可以用中心波長、光譜寬度以及光譜模數(shù)三個(gè)參數(shù)來描述。412 簡述DFB激光器的工作原理答：DFB半導(dǎo)體激光器可分為兩類：分布反饋（DFB）激光器和分布布拉格反射（Distributed Bragg Reflector，DBR）激光器。，如圖所示，DBR激光器除有源區(qū)外，還在緊靠其右側(cè)增加了一段分布式布拉格反射器，它起著衍射光柵的作用。衍射光柵產(chǎn)生布拉格衍射，DBR激光器的輸出是反射光相長干涉的結(jié)果。只有當(dāng)波長等于兩倍光柵間距 L 時(shí)，反射波才相互加強(qiáng)，發(fā)生相長干涉。例如，當(dāng)部分反射波A和B的路程差為2L 時(shí)，它們才發(fā)生相長干涉。DBR的模式選擇性來自布拉格條件，即只有當(dāng)布拉格波長滿足同相干涉條件 （）時(shí)，相長干涉才會(huì)發(fā)生。式中，L 為光柵間距（衍射周期），為介質(zhì)折射率，整數(shù)m為布拉格衍射階數(shù)。因此 DBR 激光器圍繞具有高的反射，離開則反射就減小。其結(jié)果是只能產(chǎn)生特別的 FP 腔模式，只有靠近的波長才有激光輸出。一階布拉格衍射（m = 1）的相長干涉最強(qiáng)。假如在式（）中，mm，此時(shí) DFB 激光器的L只有235 nm。這樣細(xì)小的光柵可使用全息技術(shù)來制作。 DBR激光器結(jié)構(gòu)及其工作原理413 簡述耦合腔波長可調(diào)諧激光器的工作原理答：耦合腔半導(dǎo)體激光器可以實(shí)現(xiàn)單縱模工作，這是靠把光耦合到一個(gè)外腔實(shí)現(xiàn)的，如 。外腔鏡面把光的一部分反射回激光腔。外腔反饋回來的光不一定與激光腔內(nèi)的光場同相位，因?yàn)樵谕馇恢挟a(chǎn)生了相位偏移。只有波長幾乎與外腔縱模中的一個(gè)模相同時(shí)才能產(chǎn)生同相反饋。實(shí)際上，面向外腔的激光器界面的有效反射與波長有關(guān)，它最接近增益峰，并且具有最低腔體損耗的縱模才變成主模。 耦合腔激光器中的縱模選擇性一種單片集成的耦合腔激光器稱為C3激光器。C3指的是切開的耦合腔（Cleaved Coupled Cavity）。這種激光器是這樣制成的，把常規(guī)多模半導(dǎo)體激光器從中間切開，一段長為L，另一段為D，分別加以驅(qū)動(dòng)電流。中間是一個(gè)很窄的空氣隙（寬約1 mm），切開界面的反射約為30 %，只要間隙不是太寬，就可以在兩部分之間產(chǎn)生足夠強(qiáng)的耦合。在本例中，因?yàn)?，所以L段中的模式間距要比D段中的密。這兩段的模式只有在較大的距離上才能完全一致，產(chǎn)生復(fù)合腔的發(fā)射模，（b）所示。因此C3激光器可以實(shí)現(xiàn)單縱模工作。改變一個(gè)腔體的注入電流，C3激光器可以實(shí)現(xiàn)約為20 nm范圍的波長調(diào)諧。然而，由于約2 nm的逐次模式跳動(dòng)，調(diào)諧是不連續(xù)的。 C3激光器的結(jié)構(gòu)及其單縱模輸出原理414 簡述陣列半導(dǎo)體光放大器（SOA）集成光柵腔體激光器的工作原理 答：陣列半導(dǎo)體光放大器