光纤通信课件：第4章 光源和光发射机

第4章光源和光发射机4.1概述4.2发光机理4.3半导体激光器4.4波长可调半导体激光器4.5垂直腔表面发射激光器4.6半导体激光器的特性4.7高速光发射机1《光纤通信》（第3版）原荣编著4.1概述在光纤通信中，将电信号转变为光信号是由光发射机来完成的。光发射机的关键器件是光源：

LED LD2《光纤通信》（第3版）原荣编著光纤通信对光源的要求光源发射的峰值波长，应在光纤低损耗窗口之内;有足够高的、稳定的输出光功率，以满足系统对光中继段距离的要求;电光转换效率高，驱动功率低，寿命长，可靠性高;单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高光源和光纤的耦合效率；易于调制，响应速度快，以利于高速率、大容量数字信号的传输;强度噪声要小，以提高模拟调制系统的信噪比;光强对驱动电流的线性要好，以保证有足够多的模拟调制信道。3《光纤通信》（第3版）原荣编著最常用的光源光纤通信中最常用的光源是:

半导体激光器（LD）

发光二极管（LED）尤其是单纵模（或单频）LD，在高速率、大容量的数字光纤系统中得到广泛应用；近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是多信道WDM光纤通信系统的关键器件，越来越受到人们的关注。4《光纤通信》（第3版）原荣编著常用的调制方法直接调制

注入调制电流实现光波强度调制外调制

通过外腔调制器对光的强度、相位或频率进行调制5《光纤通信》（第3版）原荣编著模拟信号对LD直接调制6《光纤通信》（第3版）原荣编著直接调制光发射机7《光纤通信》（第3版）原荣编著光外腔调制发射机框图8《光纤通信》（第3版）原荣编著外调制示意图9《光纤通信》（第3版）原荣编著第4章光源和光发射机4.1概述4.2发光机理4.3半导体激光器4.4波长可调半导体激光器4.5垂直腔表面发射激光器4.6半导体激光器的特性4.7高速光发射机10《光纤通信》（第3版）原荣编著4.2.1发光机理我们知道，白炽灯是把被加热钨原子的一部分热激励能转变成光能，发出宽度为1000nm以上的白色连续光谱。发光二极管（LED）却是通过电子在能带之间的跃迁，发出频谱宽度在几百nm以下的光。在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出。这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。11《光纤通信》（第3版）原荣编著在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带；如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出；这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。图4.2.1半导体发光原理12《光纤通信》（第3版）原荣编著图4.2.2光的自发辐射、

受激发射和吸收13《光纤通信》（第3版）原荣编著自发辐射

---LED

工作原理如果把电流注入到半导体中的P-N结上，则原子中占据低能带的电子被激励到高能带后；当电子从高能带跃迁到低能带时，将自发辐射出一个光子，其能量为hv。电子从高能带跃迁到低能带把电能转变成光能的器件叫LED。14《光纤通信》（第3版）原荣编著自发辐射---LED工作原理当电子返回低能级时，它们各自独立地分别发射一个一个的光子。因此，这些光波可以有不同的相位和不同的偏振方向，它们可以向各自方向传播。同时，高能带上的电子可能处于不同的能级，它们自发辐射到低能带的不同能级上，因而使发射光子的能量有一定的差别，使这些光波的波长并不完全一样。因此，自发辐射的光是一种非相干光。15《光纤通信》（第3版）原荣编著光接收器件

原理如果把光照射到占据低能带的电子上；则该电子吸收光子能量后，激励而跃迁到较高的能带上。在半导体结上外加电场后（反向电压），可以在外电路上取出处于高能带上的电子，使光能转变为电流。 这就是将在第五章中叙述的光接收器件。16《光纤通信》（第3版）原荣编著受激发射和受激吸收受激发射----能量等于导带和价带能级差的光所激发而发出与之同频率、同相位的光；受激吸收----当晶体中有光场存在时，处在低能带某能级上的电子在入射光场的作用下，吸收一个光子而跃迁到高能带某能级上。在这个过程中能量保持守恒。受激吸收的概率与受激发射的概率相同。17《光纤通信》（第3版）原荣编著当有入射光场存在时，受激吸收过程与受激发射过程同时发生，哪个过程是主要的，取决于电子密度在两个能带上的分布。若高能带上电子密度高于低能带上的电子密度，则受激发射是主要的，反之受激吸收是主要的。激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时，高能带中的电子密度增加，这些电子自发地由高能带跃迁到低能带发出光子，形成激光器中初始的光场。在这些光场作用下，受激发射和受激吸收过程同时发生，受激发射和受激吸收发生的概率相同。18《光纤通信》（第3版）原荣编著图4.2.3半导体激光器的工作原理（a）没有偏置时的能带图（b）正向偏置足够大时的能带图，此时引起粒子数反转，发生受激发射（c）光增益和光吸收与光子能量的关系19《光纤通信》（第3版）原荣编著LD发射激光的

首要条件---粒子数反转20《光纤通信》（第3版）原荣编著另一个条件是半导体激光器中必须存在光学谐振腔，并在谐振腔里建立起稳定的振荡。有源区里实现了粒子数反转后，受激发射占据了主导地位，但是，激光器初始的光场来源于导带和价带的自发辐射，频谱较宽，方向也杂乱无章。为了得到单色性和方向性好的激光输出，必须构成光学谐振腔。LD发射激光的

第二个条件---光学谐振腔21《光纤通信》（第3版）原荣编著

Fabry(1867~1945)Perot(1863~1925)

法国物理学家22《光纤通信》（第3版）原荣编著法布里-珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器镀有反射镜面的光学谐振腔只有在特定的频率内能够储存能量，这种谐振腔就叫做法布里-珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器。它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。当谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，就保持振荡，形成和腔体端面平行的等相面驻波。此时的增益就是激光器的阈值增益，达到该增益所要求的注入电流称作阈值电流。23《光纤通信》（第3版）原荣编著光在谐振腔里建立稳定振荡的条件

与电谐振一样，光也有谐振。要使光在谐振腔里建立起稳定的振荡，必须满足一定的相位条件和阈值条件。相位条件---使谐振腔内的前向和后向光波发生相干；阈值条件---使腔内获得的光功率正好与腔内损耗相抵消。只有谐振腔里的光增益和损耗值保持相等，并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，才能在谐振腔的两个端面输出谱线很窄的相干光束。24《光纤通信》（第3版）原荣编著LD的工作原理

25《光纤通信》（第3版）原荣编著图1.3.8光在法布里珀罗(F-P)

谐振腔中的干涉26《光纤通信》（第3版）原荣编著4.2.2激光器起振的相位条件-----

使谐振腔内的前向和后向光波发生干涉27《光纤通信》（第3版）原荣编著多纵模(多频)激光器

---谐振腔长度L比波长大很多28《光纤通信》（第3版）原荣编著4.2.3激光器起振的阈值条件受激发射使腔体得到的增益=腔体损耗29《光纤通信》（第3版）原荣编著图4.2.8F-P光腔谐振器30《光纤通信》（第3版）原荣编著衰减倍数与

放大倍数

必须相等31《光纤通信》（第3版）原荣编著半导体激光器的增益频谱g()相当宽（约10THz），在F-P谐振腔内同时存在着许多纵模，但只有接近增益峰的纵模变成主模。在理想条件下，其它纵模不应该达到阈值，因为它们的增益总是比主模小。实际上，增益差相当小，主模两边相邻的一、二个模与主模一起携带着激光器的大部分功率。这种激光器就称作多模半导体激光器。图4.2.9激光器增益谱和损耗曲线

阈值增益为两曲线相交时的增益值32《光纤通信》（第3版）原荣编著图4.2.10激光器

起振阈值条件

的简化描述33《光纤通信》（第3版）原荣编著例题4.2.2激光器光腔越长，模式越多34《光纤通信》（第3版）原荣编著小结

---光在谐振腔里建立稳定振荡的条件在半导体激光器里，由两个起反射镜作用的晶体解理面构成的法布里珀罗谐振腔，它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。当受激发射使腔体得到的放大增益等于腔体损耗时（阈值条件），并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时（相干条件），就保持振荡，形成等相面和腔体端面平行的驻波，然后穿透谐振腔的两个端面，输出谱线很窄的相干光束。35《光纤通信》（第3版）原荣编著第4章光源和光发射机4.1概述4.2发光机理4.3半导体激光器4.4波长可调半导体激光器4.5垂直腔表面发射激光器4.6半导体激光器的特性4.7高速光发射机36《光纤通信》（第3版）原荣编著4.3半导体激光器4.3.1异质结半导体激光器4.3.2量子限制激光器4.3.3分布反馈激光器37《光纤通信》（第3版）原荣编著器件结构异质结半导体激光器量子限制激光器分布反馈激光器(DFB)垂直腔表面发射激光器(VCSEL)38《光纤通信》（第3版）原荣编著图4.3.1LED和几种LD的结构39《光纤通信》（第3版）原荣编著同质结构LD同质结构只有一个简单P-N结，且P区和N区都是同一物质的半导体激光器。该激光器阈值电流密度太大，工作时发热非常严重，只能在低温环境、脉冲状态下工作。为了提高激光器的功率和效率，降低同质结激光器的阈值电流，人们研究出了异质结的半导体激光器。40《光纤通信》（第3版）原荣编著4.3.1异质结半导体激光器为了提高LD的功率和效率，降低同质结LD的阈值电流，人们研究出了异质结LD所谓“异质结”，就是由两种不同材料（例如GaAs

和GaAlAs

）构成的P-N结。在双异质结构中，有三种材料，有源区被禁带宽度大、折射率较低的介质材料包围。这种结构形成了一个像光纤波导的折射率分布，限制了光波向外围的泄漏，使阈值电流降低，发热现象减轻，可在室温状态下连续工作。为进一步降低阈值电流，提高发光效率，提高与光纤的耦合效率，常常使有源区尺寸尽量减小，通常w=10m，d=0.2m,L=100~400m41《光纤通信》（第3版）原荣编著图4.3.2同质结、双异质结LD能级图及光子密度分布的比较42《光纤通信》（第3版）原荣编著4.3.2量子限制激光器除双异质结LD对载流子进行限制外，还有另外一种完全不同的对载流子限制的方式。这就是对电子或空穴允许占据能量状态的限制，这种激光器叫做量子限制激光器。它具有阈值低，线宽窄，微分增益高，以及对温度不敏感，调制速度快和增益曲线容易控制等许多优点。43《光纤通信》（第3版）原荣编著量子阱器件很薄的GaAs有源层夹在两层很宽的AlGaAs半导体材料中，所以它是一种异质结器件。在这种激光器中，有源层的厚度d很薄，导带中的禁带势能把电子封闭在x方向上的一维势能阱内，但是在y和z方向是自由的。这种封闭呈现量子效应，导致能带量化分成离散值。这种状态密度的变化，改变了自发辐射和受激发射的速率。量子阱半导体激光器有源层厚度仅是10nm，约为异质结器件的1/10，所以注入电流的微小变化就可以引起输出激光的大幅度变化。图4.3.3量子阱(QW)LD44《光纤通信》（第3版）原荣编著图4.3.4量子阱LD示意图45《光纤通信》（第3版）原荣编著图4.3.5各种半导体激光器的结构形状以及允许占据的状态密度和能量的关系曲线比较46《光纤通信》（第3版）原荣编著4.3.3分布反馈激光器(DFB)DFB激光器是单纵模(SLM)LD，即频谱特性只有一个纵模（谱线）的LD。SLMLD与法布里-珀罗LD相比，它的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗。这是通过改进结构设计，使DFBLD内部具有一个对波长有选择性的衍射光栅，从而使只有满足布拉格波长条件的光波才能建立起振荡。图4.3.5表示这种激光器的增益和损耗曲线。由图可见，增益曲线首先和模式具有最小损耗的曲线接触的模开始起振，并且变成主模。其它相邻模式由于其损耗较大，不能达到阈值，因而也不会从自发辐射中建立起振荡。47《光纤通信》（第3版）原荣编著SLMLD与法布里-珀罗LD相比，它的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗图4.3.6单纵模DFB半导体激光器

增益和损耗曲线48《光纤通信》（第3版）原荣编著DFBLD的分类分布反馈激光器

DFB:DistributedFeedBack分布布拉格反射激光器

DBR:DistributedBraggReflector49《光纤通信》（第3版）原荣编著DFBLD的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗。这是通过改进结构设计，使DFBLD内部具有一个对波长有选择性的衍射光栅，从而使只有满足布拉格波长条件的光波才能建立起振荡。图4.3.8DFBLD结构及其原理50《光纤通信》（第3版）原荣编著布拉格Bragg（1890~1971）澳大利亚出生的英国物理学家，25岁时发明了有名的布拉格方程，获得了诺贝尔奖51《光纤通信》（第3版）原荣编著图4.3.7DBRLD结构及其原理DBR激光器除有源区外，还在紧靠其右側增加了一段分布式布拉格反射器，它起着衍射光栅的作用。DBR激光器的输出是反射光相长干涉的结果。只有当波长等于两倍光栅间距时，反射波才相互加强，发生相长干涉。例如当部分反射波A和B具有路程差2时，它们才发生相长干涉。52《光纤通信》（第3版）原荣编著普通LD53《光纤通信》（第3版）原荣编著LD外形图54《光纤通信》（第3版）原荣编著图4.3.9平面波导集成电吸收调制激光器（EML）在DFB激光器有源区的光输出端n+-InP衬底上，再做一个3.5.3节已介绍过的电吸收调制器，对DFB激光器的输出光直接调制后再输出。55《光纤通信》（第3版）原荣编著第4章光源和光发射机4.1概述4.2发光机理4.3半导体激光器4.4波长可调半导体激光器4.5垂直腔表面发射激光器4.6半导体激光器的特性4.7高速光发射机56《光纤通信》（第3版）原荣编著4.4

波长可调半导体激光器4.4.1耦合腔波长可调半导体激光器4.4.2衍射光栅PIC波长可调激光器4.4.3阵列波导光栅（AWG）PIC波长可调激光器57《光纤通信》（第3版）原荣编著4.4

波长可调半导体激光器波长可调激光器是WDM、分组交换和光分插复用网络重构的最重要器件。使用它，可有效使用波长资源，减少设备费用。波长可调激光器主要有耦合腔波导型、衍射光栅PIC型和阵列波导光栅（AWG）PIC型三种。58《光纤通信》（第3版）原荣编著图4.4.1耦合腔激光器中的纵模选择性把光耦合到外腔可实现单纵模工作；只有波长与外腔纵模中的一个模相同时才能产生同相反馈最接近增益峰，并且具有最低腔体损耗的纵模才变成主模。59《光纤通信》（第3版）原荣编著图4.4.2耦合腔（C3）激光器结构及其单纵模输出原理（a）C3激光器结构示意图（b）C3激光器单纵模输出原理60《光纤通信》（第3版）原荣编著图4.4.3波长可调谐耦合腔半导体构DFB和DBR的多段设计，可解决激光器的稳定性和调谐性不能同时兼顾的矛盾；通过控制注入三段的电流，激光器的波长可在5~7nm范围内连续可调。61《光纤通信》（第3版）原荣编著图4.4.4商用波长可调LD和调制器集成了波长可调激光器、放大器和调制器的PIC62《光纤通信》（第3版）原荣编著图4.4.5多纵模（多频）激光器到单纵模（单频）激光器的演化过程63《光纤通信》（第3版）原荣编著图4.4.6波长可调半导体激光器增益耦合光栅型MQ-DFB激光器阵列基本结构64《光纤通信》（第3版）原荣编著图4.4.6波长可调半导体激光器（b）MQ-DFB激光器波长和波导脊宽的关系

65《光纤通信》（第3版）原荣编著4.4.2衍射光栅PIC波长可调激光器图4.4.7阵列SOA集成光栅腔体波长可调激光器阵列半导体光放大器(SOA)集成光栅腔体激光器其发射波长可以精确设置在指定位置66《光纤通信》（第3版）原荣编著图4.4.7阵列SOA集成光栅腔体波长可调激光器

(b)一个SOA的典型发射光谱67《光纤通信》（第3版）原荣编著（c）波长和有源条位置的关系图4.4.7阵列SOA集成光栅腔体波长可调激光器

68《光纤通信》（第3版）原荣编著图4.4.8调谐光栅腔PIC波长可调激光器(a)调谐光栅腔PIC波长可调激光器结构示意图目前正在使用单片集成了6个半导体光放大器（SOA）；一个相位控制段；一个色散控制元件；一个刻蚀出的衍射光栅。

69《光纤通信》（第3版）原荣编著

(b)实测的输出功率和波长的关系图4.4.8调谐光栅腔PIC波长可调激光器70《光纤通信》（第3版）原荣编著4.4.3阵列波导光栅（AWG）PIC波长可调激光器(a)AWG构成原理图N

M平板波导星形耦合器中心耦合区如图1(a)中的插图所示，它是在扇形的输入和输出波导阵列之间插入一块聚焦平板波导区，即自由空间区。

71《光纤通信》（第3版）原荣编著AWG的工作机理AWG光栅工作原理是基于马赫-曾德尔干涉仪的原理，即多个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。由于阵列波导中的波导长度不等，相位延迟也不等，其相邻波导间的相位差为这里

k是波矢量，k=2n/，是相邻波导间的路径长度差，通常为几十微米，所以输出端口与波长有一一对应的关系。

72《光纤通信》（第3版）原荣编著

(b)从指定的输入口经长L的波导传输到指定的输出口的传输函数

当光频增加c/2nL时，相位增加2，传输函数以自由光谱范围（FSR，见1.3.3节）为周期重复73《光纤通信》（第3版）原荣编著图21616AWG的TM波输出频谱当光频增加c/2nL时，相位增加2，传输函数以自由光谱范围FSR为周期重复74《光纤通信》（第3版）原荣编著2.AWG多频激光器中间是波导光栅路由器（WGR）滤波器右侧是阵列半导体光放大器（SOA）左侧是一个功率放大SOA芯片右侧镜面镀高反射率（HR）膜，左侧则镀半反射膜以便输出AWG多频激光器谐振腔的光。75《光纤通信》（第3版）原荣编著(b)AWG多频激光器频谱图AWG多频激光器的信道间距取决于AWG腔体内的波导光栅路由器的几何尺寸；因此，每个激光器的波长非常稳定，制造时可重复性好。2.AWG多频激光器76《光纤通信》（第3版）原荣编著LD+电吸收调制器+隔离器结构77《光纤通信》（第3版）原荣编著4.5垂直腔表面发射激光器垂直腔表面发射激光器（VCSEL,VerticalCavitySurfaceEmittingLaser）顾名思义，它的光发射方向与腔体垂直，而不是像普通激光器那样，与腔体平行。这种激光器的光腔轴线与注入电流方向相同。78《光纤通信》（第3版）原荣编著图4.3.8VCSEL激光器示意图顾名思义，它的光发射方向与腔体垂直，而不是像普通激光器那样，与腔体平行。这种激光器的光腔轴线与注入电流方向相同。有源区的长度L与边发射器件比较非常短，光发射是从腔体表面，而不是腔体边沿。腔体两端的反射器是由1.3.2节介绍的电介质镜组成，即由厚度为的高低折射率层交错组成。79《光纤通信》（第3版）原荣编著VCSEL激光器80《光纤通信》（第3版）原荣编著VCSEL激光器工作原理81《光纤通信》（第3版）原荣编著VCSEL激光器阵列82《光纤通信》（第3版）原荣编著VCSEL激光器83《光纤通信》（第3版）原荣编著4.6半导体激光器的特性4.6.1半导体激光器的基本特性4.6.2模式特性4.6.3调制响应4.6.4半导体激光器噪声84《光纤通信》（第3版）原荣编著图4.6.1温度对输出功率的影响激光器的阈值电流和输出功率对温度很敏感，所以在实际使用中总是用热电致冷器对激光器进行冷却和温度控制。85《光纤通信》（第3版）原荣编著图4.6.2激光器的自动温度控制原理图安装在热电致冷器上的热敏电阻，其阻抗与温度有关，它构成了电阻桥的一臂。热电致冷器采用珀尔帖效应产生致冷，它的致冷效果与施加的电流成线性关系。为防止致冷器内部发热引起性能下降，在致冷器上加装面积足够大的散热片是必要的。86《光纤通信》（第3版）原荣编著LD的特性曲线87《光纤通信》（第3版）原荣编著图4.6.3LED和LD的光谱特性88《光纤通信》（第3版）原荣编著图4.6.3LED和LD的光谱特性89《光纤通信》（第3版）原荣编著表4.6.1LED典型特性参数90《光纤通信》（第3版）原荣编著表4.6.2LD及其模块特性参数91《光纤通信》（第3版）原荣编著4.6.2模式特性半导体激光器的模式特性可分成纵模和横模两种纵模决定频谱特性横模特性决定光场的空间特性，即横模决定近场特性（在激光器表面）和远场特性（近场的富里叶变换）92《光纤通信》（第3版）原荣编著LD横模特性决定光场的空间特性93《光纤通信》（第3版）原荣编著图4.6.3BH半导体激光器在不同注入电流下的横模特性94《光纤通信》（第3版）原荣编著4.6.3调制响应图4.6.61.3mDFB激光器实测的小信号调制响应图4.6.7计算出的半导体激光器对500ps方波电流脉冲的大信号调制响应95《光纤通信》（第3版）原荣编著图4.6.8激光器的瞬时响应当电流脉冲注入激光器时，激光输出与注入电脉冲之间存在着一个时间延迟，称它为电光延迟时间。激光发射后，输出光脉冲产生过冲响应，接着又表现出衰减式的振荡，称之为张弛振荡。96《光纤通信》（第3版）原荣编著4.7高速光发射机光发射机是让LD携带信息信号以便在光纤中传输的装置。光发射机有直接调制和外调制之分。光发射机通常有复用、编码、