光纤通信与光网络04-光源和光发射机

光纤通信与光网络光源和光发射机光纤通信与光网络

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第四讲

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郝然2Light

SourceCouplerSignalOutputLight

Source

Receiver

ModulatorPhotedetector

ModulatorTransmitterOptical

AmplifierRegeneratorFiberFiberFiberOptical

Amplifier

CouplerDefractiveReflectiveElectricalInput光纤通信与光网络

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第四讲

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郝然31.

为什么需要光源2.

激光定义3.

激光特性及应用4.

激光原理、产生的条件与要素5.

激光器相关知识6.

半导体激光器光纤通信与光网络

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第四讲

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郝然4系统需要什么光源光纤通信与光网络

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第四讲

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郝然5需要什么光源实用光纤通信系统对光源有以下要求：（1）合适的发光波长

光源的发光波长必须在光纤的低损耗区，包括0.85μ

m、1.31μm和1.55μm波长窗口。也就是说，光源的发光波长应与光纤的工作窗口相一致。在目前的光纤通信系统中作为第一窗口的0.85μm短波长窗口已基本不用了，1.31μm的第二窗口正在大量应用，并且光纤通信系统正在逐渐向1.55μm的第三窗口转移。光纤通信与光网络

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第四讲

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郝然6需要什么光源（2）足够的输出功率

光源的输出功率必须足够大，光源输出功率的大小直接影响光通信系统的中继距离。光源的输出功率越大，系统的中继距离就越长。但这个结论是有条件的，即如果光源的输出功率太大，使光纤工作于非线性状态，则是光纤通信系统不允许的。当然，目前的问题不是光纤的功率太大，而是不够。因此，还应努力提高光源输入光纤的光功率，以增大中继距离。一般光源的输出功率大于1mW。7

光纤通信与光网络

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第四讲

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郝然

需要什么光源（3）可靠性高，寿命长

光源的工作寿命长，通信才可靠。目前通信工程要求光源平均工作寿命为106小时（约100年），一般不允许中断通信。设一个通信系统中有10个光源，假如其中一个光源发生故障，会使整个系统中断工作。从故障的概率来说，该系统发生中断通信故障的时间间隔为10万小时（10年左右）。这是实用通信工程对元器件的要求。8

光纤通信与光网络

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第四讲

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郝然

需要什么光源（4）输出效率高

输出光功率与所消耗的直流电功率的比值叫做输出效率。要求输出效率尽量高，即耗电尽量省，而且要在低电压下工作。这样，对无人中继站的供电就较方便了。目前输出效率的标准是大于10%，将来希望达到50%。9

光纤通信与光网络

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第四讲

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郝然

需要什么光源（5）光谱宽度窄

光谱宽度是光源的发光波长范围。人们希望光波也能够和无线电波一样，只在一个频率振荡。实际上这很难做到，只能要求光谱尽量短。实际上这很难做到，只能要求光谱尽量短。光源的光谱宽度直接影响到系统的传输带宽，它与光纤的色散效应相结合，就产生了噪声，影响系统的传输容量和中继距离。

光纤通信与光网络

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第四讲

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郝然

需要什么光源（6）聚光性好

要求光源发光尽量集中，会聚到一点，尽可能多的把光送进光纤，即耦合效率高。这样进入光纤的功率大，系统中继距离就可增加。（7）调制方便

调制即是把话音等信息附载在光波上。如何高效地用电信号来调制光波是决定系统成败的关键。

1011

光纤通信与光网络

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第四讲

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郝然

需要什么光源（8）价格低廉

光纤通信系统在价格上低于其它现用系统，这与光源的可靠性和批量生产性直接相关。光源应该价格低廉，能批量生产，同时体积小、重量轻，便于在各种场合应用。

激光几乎完美地满足了以上所有的需求点光纤通信与光网络

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郝然12激光定义13

光纤通信与光网络

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郝然What

is

Laser?

Light

Amplification

by

Stimulated

Emission

of

Radiation

什么是受激辐射？光纤通信与光网络

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第四讲

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郝然14

丹麦物理学家

玻尔Bohr,Niels玻尔原子理论的三条假定：(1)定态假定：存在一系列原子定态，处在定态中的电子虽做轨道运动，但不发射电磁波；(2)角动量量子化：定态运动电子的角动量量子化，其值只能为h／2π的整数倍；(3)跃迁假定：仅当原子中的电子从一定态跃迁到另一定态时，才能发射或吸收一个相应的光子。1辐射光能量

15吸收光能量

h

E

2

E

低能级E1

光纤通信与光网络

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第四讲

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郝然原子发光的机理

不同的原子具有不同的能级结构。一个原子中最低的能级称为基态

，其余的称为高能态，或激发态。原子从高能态E2过渡到低能态E1时，

会向外发射某个频率为v的辐射，满足普朗克公式：

hv=E2-E1

式中h为普朗克常数。反之，该原子吸收频率为v的辐射时，就会从

低能态过渡到高能态。

高能级E2光纤通信与光网络

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郝然自发辐射只与原子本身性质有关，与辐射场无关。自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）：

1

SA21

原子在能级

E2

的平均寿命（荧光寿命）

16h

E2

E1E2E1发光前h

发光后

自发辐射是指高能态的电子是不稳定的，即便是没有外界的作用，也会自发地辐射出光子并迁移至低能态。这种辐射的特点是每一个原子的跃迁是自发的、独立进行的，其过程全无外界的影响，彼此之间也没有关系。因此它们发出的光子的状态是各不相同的。这样的光相干性差，方向散乱。W12

(

)st17

光纤通信与光网络

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郝然h

E2

E1B12：受激吸收跃迁爱因斯坦系数12W

B

12

与原子本身性质和辐射场能量密度有关受激吸收跃迁几率：dn12

1

dt

n1受激吸收

E2

E1吸收前h

吸收后

受激吸收就是指在正常状态下，电子处于低能级，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高等级上，这种跃迁称为受激吸收。光纤通信与光网络

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郝然18

爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁，黑体和辐射场之间不可能达到热平衡，这是为什么呢？？《辐射的量子理论》问题的提出1辐射光能量

高能级E2吸收光能量

h

E

2

E

低能级E1光纤通信与光网络

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郝然要达到热平衡，还必须存在另一种辐射！！！

受激辐射

19W21

(

)st

B

21

受激辐射跃迁几率：

dn21

1

W

dt

n2

与原子本身性质和辐射场能量密度有关

21B21

：受激辐射跃迁爱因斯坦系数,只与原子本身性质有关

20

光纤通信与光网络

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郝然

受激辐射

E2

h

h

E1

发光前

发光后

h

E2

E1

受激辐射是指处于高能级的原子在光子的“刺激”或者“感应”下，跃迁到低能级，并辐射出一个和入射光子同样频率的光子。这好比清晨公鸡打鸣，一个公鸡叫起来，其它的公鸡受到“刺激”也会发出同样的声音。受激辐射最大的特点是由受激辐射产生的光子与引起受激辐射的原来的光子具有完全相同的状态。他们具有相同的频率，相同的方向，完全无法区分出两者的差异。这样，通过一次受激辐射，一个光子变成两个相同的光子。这意味着光被加强了，或者说光被放大了。这正是产生激光的基本过程。n2

2

(E2KT

E1

)

、ff1

2

——能级E1和E2的简并度，n1

1

f爱因斯坦三系数的相互关系A

21、

B

21、

B

12n1、n2

——各能级上的原子数密度玻尔兹曼统计分布：fe（集居数密度）

或称统计权重热平衡状态：辐射率

吸收率

（辐射场总光子数保持不变）n

2

A

21

n

2

B

21

n

1B

12

21

光纤通信与光网络

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郝然

激光是怎样产生的？

激光是怎样产生的？在一个原子体系中，总有些原子处于高能级，有些处于低能级。而自发辐射产生的光子既可以去刺激高能级的原子使它产生受激辐射，也可以被低能级的原子吸收而造成受激吸收。因此，在光和原子体系的相互作用中，自发辐射、受激辐射和受激吸收总是同时存在的。光纤通信与光网络

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郝然22激光原理及产生条件23

光纤通信与光网络

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郝然

激光产生的原理受激辐射光放大受激辐射产生的光子与引起受激辐射的外来光子具有相同的特征（频率、相位、振动方向及传播方向均相同）。E2E1h

h

h

相干光（激光）光放大24E2E1粒子数正常分布：n

1

n

2受激辐射：光子数受激吸收：光子数

光纤通信与光网络

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郝然

如何想获得越来越强的光，也就是说产生越来越多的光子，就必须要使受激辐射产生的光子多于受激吸收所吸收的光子。怎样才能做到这一点呢？我们知道，光子对于高低能级的光子是一视同仁的。在光子作用下，高能级原子产生受激辐射的机会和低能级的原子产生受激吸收的机会是相同的。这样，是否能得到光的放大就取决于高、低能级的原子数量之比。若位于高能级的原子远远多于位于低能级的原子，我们就得到被高度放大的光。但是，在通常热平衡的原子体系中，原子数目按能级的分布服从玻尔兹曼分布率。因此，位于高能级的原子数总是少于低能级的原子数。在这种情况下，为了得到光的放大，必须到非热平衡的体系中去寻找。

受激辐射与受激吸收的矛盾光纤通信与光网络

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郝然N1N2

E1

E2

kT

eE2

E1受激吸收占优势，发生其他两种过程的几率很小。

25n

1

n

2

克服受激辐射和受激吸收的矛盾1.

粒子数正常分布

玻尔兹曼统计分布：光纤通信与光网络

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郝然26

所谓非热平衡体系，是指热运动并没有达到平衡，整个体系不存在一个恒定温度的原子体系。这种体系的原子数目按能级的分布不服从玻尔兹曼分布率，位于高能级的原子数目可能大于位于低能级的原子数目。这种状态称为“粒子数反转”。如何才能达到粒子数反转状态呢？这需要利用激活媒质。所谓激活媒质（也称为放大煤质或放大介质），就是可以使两个能级间呈现粒子数反转的物质。它可以是气体，也可以是固体或液体。要素一：

粒子数反转光纤通信与光网络

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郝然2.

粒子数反转分布（集居数反转）E2

E1受激辐射占优势，光通过工作物质后得到加强，获得光放大。n

1

n

2泵浦（Pumping）：

（抽运、激励）E

1E2

激光产生的必要条件：粒子数反转激活物质：处于集居数反转状态的物质。另外，激辐射大大超过自发辐射，使输出为相干光。

27外界向物质提供能量

通过中间环节使得受激辐射占优势

光纤通信与光网络

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郝然激活粒子：能够形成粒子数反转的发光粒子。（可以是原子、分子、离子、准分子）

媒介：为激活粒子提供寄存场所的材料。激活媒介的能级系统

激光工作物质

1.

二能级系统二能级系统不能实现粒子数反转分布

28

WA21

Wn2n1红宝石中铬离子能级图

29E3E1E2

光纤通信与光网络

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郝然

2.

三能级系统亚稳态：不如基态稳定，但比激发态要稳定得多（寿命较长）

具有亚稳态的工作物质，才能实现粒子数反转

如

O

，CO

例：红宝石：在人工制造的刚玉（

Al2O3）中，掺入少量

铬离子（Cr3

）构成晶体。起发光作用的是铬离子。亚稳态（激光上能级）

产生激光基态（激光下能级）泵浦激发态

非辐射跃迁Energy光纤通信与光网络

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郝然30E1E3

10

8s

受激吸收

泵浦E3E2

10

3s

无辐射跃迁放出能量形成粒子数反转2N

1

NE2E1受激辐射发出激光E1E3

E2Laser

RadiationNAbs.Energy光纤通信与光网络

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郝然3.

四能级系统(a)

Nd:YAG激光器E1E2E3Laser

RadiationN

Fast

transitionAbsorptionE4Fast

transition(b)氦氖激光器

四能级系统激光下能级是激发态，不是基态，粒子数很少甚至没有，所以很容易实现粒子数反转，泵浦能量较低。

3132设想有长度足够大的激活介质：自发辐射为主受激辐射为主B21

A

21

不断增大

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郝然

思考问题：仅仅满足粒子数反转可以产生激光吗？

No！不能维系！

若一直维系粒子数反转状态，需要无限长的激活介质！！光纤通信与光网络

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郝然工作物质谐振腔对光束的方向选择性：

平行于轴线：放大加强

偏离轴向：逸出腔外

33激光具有高度方向性

激

光

光

束两块反射镜：相互平行，与工作介质轴线垂直，平面或球面全反射镜部分反射镜要素二.

光学谐振腔

光学谐振腔的构成：光纤通信与光网络

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郝然34M1M2M1M2M1M2全反射镜部分反射镜光学谐振腔光纤通信与光网络

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郝然351.

增加工作介质的有效长度，使受激辐射过程成为主导；2.

维持光振荡，输出稳定激光束；3.

对光束方向性加以选择，获得高度方向性的激光；4.

选择激光频率。光学谐振腔的作用：若同时满足粒子数反转和光学谐振腔，可以产生激光吗？？思考问题：光纤通信与光网络

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郝然36

要素三.

增益条件：增益大于损耗（1）

增益系数:

描述光放大作用的大小光放大作用：

受激辐射几率

>

受激吸收几率输出光能量

>

入射光能量激活物质＝光放大器①小信号增益系数（I(z)很小时成立）：

I(z)

I0eg0zI0——z

0

处的初始光强②大信号增益系数：Is

g0

g(I)

I(z)

1

Is——饱和光强（决定于增益介质的性质）

I(z)

I

s

g(I

)

g

0zz)I(zI(z)

ImIm

I0

I00

0z

z

g

gg0

g0

0

0光纤通信与光网络

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郝然dI(z)

1

dz

I(z)

I0e(g0

)z

；I(z)增加——大信号放大规律：g(I)

减小，I(z)

增长变缓；g(I)

——

I(z)达到稳定极限值Im

。Im只与放大器本身参数有关，与初始光强无关。

370

光通过单位长度激活物质后光强衰减的百分比。（3）

激光器中光强变化规律

dI

(z

)

g

(

I

)

I

(z

)dz

微弱光

I进入光放大器：

起初——小信号放大规律：I(z)

损耗的原因：衍射、散射、透射、吸收等

要素三.

增益条件（2）

损耗系数g

0(g0

)zI(z)

I0e

I0自激振荡：当激光工作物质满足振荡条件时，不管初始

光强

I0

多么微弱，在光学谐振腔中总能形

成确定大小的光强

Im

38

光纤通信与光网络

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郝然

要素三.

增益条件：增益大于损耗（4）

振荡条件（阈值条件）

激光器实现振荡所需要的最低条件必要条件：粒子数反转，谐振腔充分条件：阈值条件，增益饱和

39总结：激光产生的条件

①

粒子数反转

②

光学谐振腔

③

增益大于损耗

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郝然受激辐射占主导

受激辐射得以维系

放大得以实现光纤通信与光网络

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郝然40激光特性及应用41

光纤通信与光网络

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郝然

1.

Monochromaticity

单色性激光的单色性比普通光高

1010倍.单色性最好的氪灯Kr86

Δ

=4.7×10-3

nm稳频He—Ne激光器

9

精密度仪器测量

激励某些化学反应42Linewidth

线宽

光纤通信与光网络

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郝然1.

Monochromaticity

单色性光纤通信与光网络

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郝然2.

Coherent

相干性l时间相干性好（

～10

-

8埃），相干长度可达几十公里。2空间相干性好，有的激光波面上各个点几乎都是相干光源。不同原子发出的波列

43单色光的波列波列的叠加……

xCondition

Coherence：相干The

equal

vibrate

direction

光纤通信与光网络

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郝然振动方向相同**k

=-2

44IThe

equal

frequency

频率相同The

constant

phase

difference

相位差恒定

x

k

=+2k

=+2

k

=+1

xk

=+1

k

=0

k

=-1

k

=-1

k

=-24I1x

yZ

光纤通信与光网络

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郝然

空间相干性：在同一光源形成的光场中，不同地点同一时刻的光之间的相干性。这个概念可用相干面积,相干长度来量度。

时间相干性：在同一光源形成的光场中，同一地点不同时刻的光之间的相干性。它实质上是指相位的相关性能够维持的时间。在这类问题中，常常引进所谓相干时间这个概念。在数量级上，相干时间是光波频率宽度

v的倒数

P1

(t=0,

Pi)(t>0,

Pi/2)P2(t=0,

Pi)

(t>0,

Pi/2)P1

(t=0,

Pi)P2

(t=t+x)

4546

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郝然3.

方向性Directionality

一束激光射到~38万km的月

球上，光斑的直径只有~2km

手电筒的光射到~m处，

扩展成很大的光斑。

利用激光准直仪可使长为2.5km的隧道掘进偏差不超过16nm.

激光准直、导向和测距激光在屏上形成的小光斑，有极大的照度

太阳表面的亮度比白炽灯大几百

倍。普通的激光器的输出亮度，比太阳

表面的亮度大10亿倍。激光是当今世界

上高亮度的光源。

47

光纤通信与光网络

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郝然

4.

亮度Brightness激光的颜色非常单纯，而且只向着一个方向发光，亮度极高光纤通信与光网络

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郝然48激光的能量在空间上、在时间上高度集中光能量不仅在空间上高度集中，同时在时间上也可高度集中，因而可以在一瞬间产生出巨大的光热。在工业上，

激光打孔、切割和焊接。医学上视网膜凝结和进行外科手术。在测绘方面，可以进行地球到月球之间距离的测量和卫星大地测量。在军事领域可以制成摧毁敌机和导弹的激光武器.亮度->能量光纤通信用光源：短距离通信用0.85um；长距离通信用1.31um，1.55um

光纤通信与光网络

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郝然

激光应用简介1.

激光在通信领域的应用

光纤中传送的是一系列经过编码的激光脉冲。

关键技术：光纤技术、激光器

目前光通信的发展方向是全光网络，即信息从源节点到目的节点能够实现全光透明传输的网络。全光网中的网络节点在光域中处理信息、交换、路由等都在光域完成。

495050来等等。

光纤通信与光网络

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郝然2.

激光在信息领域的应用

激光在信息领域的应用，除了以激光为信息载体将声音、图像、数据等各种信息进行传输的激光通信之外，还包括通过激光将信息进行存储，以及通过激光将信息打印或显示出laser

printersCD

playersbarcode

scanners/cd.htm#光纤通信与光网络

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郝然513.

激光在工业领域的应用

激光的高单色和高亮度，使它成为精密计量的一种十分

有效的工具。又由于激光单色性好、发散角小，能够在透镜

的焦点处聚焦成高功率的光斑，高功率激光集中在物体上的

某一点，便可对被物体进行高温加热、切断、焊接及熔覆等

加工。激光还可以对材料进行非接触式处理或探测。因为没

有表面接触，不会产生由探测射线所引起的污染，也不会引

起器具边缘的磨损，而扫描性好的特点又使其可在大面积范

围内进行工作。52

光纤通信与光网络

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郝然

4.

激光在生物医学领域的应用

激光技术为医学诊断和疾病治疗提供了新方式：激光手术刀、视网膜凝固治疗、激光美容、OCT、激光荧光光谱诊断等。利用激光可聚焦成微米或纳米级光斑的特点，可以进行显微细胞外科手术、测量人体DNA分布、基因转移、DNA裁剪和基因定位、促进DNA合成、细胞融合等。在酶工程和发酵工程等生物技术中，激光也得到了重要应用。corrective

eye

surgeryremoving

blemishes

52gallbladder

surgeryusing

fiber

optics53

光纤通信与光网络

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郝然

5.

激光在国防科技领域的应用

激光作为武器在军事上应用的形式千变万化，但是基本上可以分为三个主要部分：追踪、寻的系统（即正确判定攻击目标的位置和性质的系统）；发射实施摧毁性打击的高能激光系统；辅助的控制和通信系统。激光摧毁导弹

53光纤通信与光网络

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郝然5454激光制导

激光武器是利用高能量密度激光束代替子弹的新型武器，是武器装备发展历程中继冷兵器、火器和核武器等之后又一个重要里程碑。它以光束作战的迅速反应能力，外科手术式杀伤的高效作战方式。以及特别适合于反卫星和破坏敌方信息系统，使其成为新一代主战兵器。55

光纤通信与光网络

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郝然光纤通信所用的激光器

光纤通信中，所用的光源有三种：半导体激光器、半导体发光二极管和非半导体激光器。在实际的光纤通信系统中，通常选用前两种。而非半导体激光器，如气体激光器、固体激光器等，虽然它们是最早制成的相干光源，但由于体积太大，不适宜与体积小的光纤配合使用，只用于一些特殊场所。光纤通信与光网络

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郝然56半导体激光器半导体激光器定义：以一定的半导体材料做工作物质而产生激光的器件。工作原理：

通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之

间，或者半

导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒

子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激

发射作

用。激励方式：电注入式，光泵式和高能电子束激励式。

➢

电注入式半导体激光器，一般是由砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、

磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等材料制成的半导体面结型二极管，

沿正向

偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。

➢

光泵式半导体激光器，一般用N型或P型半导体单晶（如砷化镓

GaAS,InAs,InSb等）做工作物

质，以其他激光器发出的激光作光泵激

励。

➢

高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用N型或者P型半导体单晶(

如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质，通

过由外部注入高能电子束进行激励

。

57

光纤通信与光网络

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第四讲

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郝然半导体激光器即为激光二极管，记作LD。它是前苏联科学家H.

Γ.巴索夫于1960年发明的。58

光纤通信与光网络

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郝然

仅仅有光放大功能还不能形成光振荡。正如电子电路中的振荡器那样，只有放大功能不能产生电振荡，还必须设计正反馈电路，是电路中所损失的功率由放大的功率得到补偿。同样，在激光器中也是借用电子电路的反馈概念，把放大了的光反馈一部分回来进一步放大，产生振荡，发出激光。这种用于实现光的放大反馈的仪器称为光学谐振腔。

半导体激光器的优点：尺寸小，耦合效率高，响应速度快，波长和尺寸与光纤尺寸适配，可直接调制，相关性好。59

光纤通信与光网络

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第四讲

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郝然一.

半导体激光器的原理光纤通信与光网络

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郝然60

回忆光作用下的跃迁和辐射

E2

-

E1

=

hvE2E1(a)

受激吸收hvE2E1(b)

自发辐射：非相干光hv(c)

受激辐射：相干光

E2hv

E1hvhv光纤通信与光网络

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郝然61回忆：粒子数反转条件净发光速率=受激辐射速率+自发辐射速率—受激吸收速率>0Fc-Fv>hv≥Eg伯纳德-杜拉福格条件光纤通信与光网络

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第四讲

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郝然62理解Fc-Fv>hv≥EgFcFv无载流子注入时（无电泵浦或光电浦）有载流子注入时（无电泵浦或光电浦）载流子注入

Fc光纤通信与光网络

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第四讲

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郝然63LD的原理

增益介质（激活介质，

active

medium

,

gain

medium）

泵浦源(pump

source)

谐振腔(resonant

cavity)产生激光的三要素解理面

LD中称为有源区域

LD一般是由电泵浦注入

电流

LD一般由它的晶体自然

解理面承担，或者内部

，外部反馈机构有源区激光P包层N包层

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然产生激光必须满足什么条件？

（1）粒子数反转条件——必要（2）谐振腔——必要（3）阈值条件——充分

64

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然阈值条件（增益大于损耗）

激活介质在泵浦源的作用下，达到了粒子数反转条件之后，对光具有

放大能力g≥0

达到了透明条件，但是仍然不会激射

因为：

内部损耗α1

输出损耗αout

只有当粒子数反转到一定程度之后，提供的增益与损耗相当时，才产

生激光

gth=

αi+

αout

65光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然66谐振腔——维持光振荡定向，选频，放大作用有源区R1R267

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然

光子在两个解理面间运动，满足一定的相位和振幅条件，就可以使光在F-P腔里建立起稳定的振荡，并在F-P腔的两端输出谱线很窄的相干光束-激光束。

激光振荡的阈值条件

如何推到？光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然E2E0E1E3E4τ1τ221E1

E0ei

Le

g

i

L

E2

rE1

E3

E2ei

Le

g

i

L

E4

rE3

68振幅阈值条件光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然69实部：振幅阈值条件1ln

12L

1rr2gth

i

2

n

虚部：相位阈值条件（驻波条件）

2

L

m

2nL=mλ

(

m=1,2,3,…

)

振幅阈值条件

维持振荡条件：

E4=E0i2

L701

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然

振幅阈值条件振幅阈值条件的理解——如何降低阈值？

1

rr2

➢

[1]

αi↓

——工艺（杂质，缺陷，界面）

——结构（对光子，电子的限制）

——材料（体材料？量子阱？应变？）

➢

[2]

L↑

——但是它受到单纵模式工作的限制

➢

[3]

R↑

——镀增反膜光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然71阈值表现

gth——阈值增益➢g达到gth时，才激射

Nth——阈值载流子浓度

➢

N达到Nth时，才激射

Ith——阈值电流：

➢

I>=Ith时，才激射

Jth——阈值电流密度➢J>=Jth时，才激射g

N

N0

72

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然

相位阈值条件（驻波条件）的理解

2nL=mλ

(

m=1,2,3,…

)

可能有多个波长的光满足了阈值条件，LD同时发射出多个波

长的激光。

每一个激射的波长，都称为LD的一个纵模模式。

所有这些模式形成了LD的纵模模谱。单纵模LD多纵模LD光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然

两个条件的理解

粒子数反转条件——发射激光的

必要条件

➢满足

g>0——初选

Fc-Fv>hv≥Eg

阈值条件——发射激光的充分条件

➢满足增益阈值条件——第二次选举ln

12L

1R1R2gth

i

➢满足相位阈值条件（驻波条件）

——第三次选举

2nL=mλ

(

m=1,2,3,…

)

7374Fc-FvEg

gth

0能量g增益谱二选——振幅阈值条件

初选——反转条件

波长三选——相位条件

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然半导体激光器设计的三次选择75回忆

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然LD的核心部位

激光器包括：

✓

有源区（增益介质）

✓

泵浦源

✓

谐振腔

产生激光条件

✓

粒子数反转条件

✓

阈值条件

有源区

解理面

激

光✓

激光再次产生并放大✓

提供载流子饿e,h✓

光放大✓

必要条件（g>0）✓

充分条件（g

克服损耗）

P包层

N包层光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然76二.

半导体激光器的共性结构光纤通信与光网络

·

第四讲

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郝然77

同质结LD

1962年，第一台LD：

宽接触GaAs同质结LD解理面电极引线P-GaAsN-GaAs光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然78同质结LD的缺点

e,

h被限制在很大的扩散长度内，几个um，在这么厚的有源中，很难达到N~Nth

光子的限制也很小（只在低温下，在P-N结附近才存在一个自由电子产生的很小的折射率台阶——很弱的光波导作用）宽接触，电流不能很好地集中在有源区Jth高达104A/cm2液N2，脉冲工作无实用价值光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然79

单异质结LD有源层一边的材料与有源层不同（其Eg

较大），另一边材料与有源层的相同

金属接触

P-GaAlAs

P-GaAs有源层

N-GaAs金属接触光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然

单异质结LD

注入电子被限制在P-GaAs之内

（e一边有限制，但是空穴无限制）

光子被限制在P-GaAs之内

（但是光场的另一侧无限制）

（宽接触，无电流限制）

Jth比同质结降低一个数量级

室温脉冲，不能室温连续工作

8081有源层

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然

双异质结——“三明治”P包层、N包层将有源层夹在中间

金属接触

P-GaAlAsP-GaAs

光束

N-GaAlAs

N-GaAs金属接触光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然82双异质结LD

有源层两边都是较大Eg的不同材料

e,h

被大Eg材料限制在有源层内

有好的折射率台阶，有光波导作用，提供光子限制

（宽接触，无电流限制）Jth降到了102A/cm2室温，连续,可以实用化光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然83金属接触

P-GaAlAs

P-GaAs

N-GaAlAs

N-GaAs

金属接触横向

侧向纵向横向、侧向、纵向光束84

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然双异质结——“三明治”

有源层的Eg较小，两边材

料的Eg较大

有源层的折射率n较大，两

边材料的n较小

将载流子限制在有源区中

将光场限制在有源区中（

限制光子）一般来说，Eg大的材料，其折射率较小85

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然同质结&单异质结&双异质结+P—InGaAs欧姆接触层P-InPP包层InGaxAsyP有源层n-InP缓冲层、N包层n-InP衬底

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然双异质结LD的基本层次结构

衬底

Substrate

缓冲层N包层有源层P包层Buffer

layerN-cladding

layeractive

regionP-cladding

layer

欧姆接触层

Ohmn

contact

layer

8687对

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然回忆：一个好的LD应该：

电流载流子光子

提供良好的限制作用I

IthN

Nthg

gth88

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然回忆：双异质结——“三明治”

有源层的Eg较小，两边材

料的Eg较大

有源层的折射率n较大，两

边材料的n较小

将载流子限制在有源区中

将光场限制在有源区中（

限制光子）一般来说，Eg大的材料，其折射率较小+P—InGaAs欧姆接触层P-InPP包层InGaxAsyP有源层n-InP缓冲层、N包层n-InP衬底89

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然回忆：双异质结LD的基本层次结构

横向：

由双异质结对光场

和载流子提供限制

作用

侧向：

无限制作用光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然90横向

侧向纵向横向、侧向、纵向金属接触

P-GaAlAs

P-GaAs

光束

N-GaAlAs

N-GaAs

金属接触91

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然LD对侧向的限制成为区分宽面、条

形激光器的判断标准92

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然宽面LD

对电流的限制（无）

对载流子的限制

➢对载流子的横向限制（有，双异质结，Eg不同）

➢对载流子的侧向限制（无）

对光子的限制

➢对光子对光子的横向限制（有，双异质结、折射率不同）

➢的侧向限制（无）93

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然异质结LD的进一步研究发现，仅仅在垂直于结平面方向（横向）对有源区的载流子和光子进行限制的宽面异质结LD有许多不足之处。侧向（平行于结平面）具有许多模式，近场分布呈现出所谓多“光丝”，而且随着注入电流的增加，这些光丝的空间分布将发生变化光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然

条形LD

条形LD——将有源

层限制在一窄条区内，

在侧向对电流，或者

载流子，或者光子也

有限制作用

分为：

➢

增益波导型

➢

折射率波导型

94光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然95

在很多应用中要求LD有很好的横模（包括侧模）特性。一些应用中，要求有尽可能圆对称的远场光斑.可行的途径是在LD有源层的侧向也对其内部的载流子和光子施行限制。所谓条形LD条形LD是LD实现室温工作后一个重要的发展里程碑。96

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然条形半导体激光器的优点

①由于有源区侧向尺寸减小，光场对称性增加，因而能提高光源与光纤的耦合效率；

②因为在侧向对电子和光场有限制，有利于减少激光器的阈值电流和工作电流，有利于提高电-光转换效率

③激光器的热阻减少，提高了激光器的热稳定性；

④由于有源区面积小，容易获得缺陷尽可能少或无缺陷的有源区，同时有源区与外界隔离，有利于提高器件的稳定性与可靠性；

⑤有利于改善侧向模式。97

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然条形LD中的侧向电流扩展和侧向载流子扩散

条形激光器的侧向电流扩展：

侧向电流扩展：条形接触电极与有源层的pn结之间多数载流

子在电子作用下侧向的漂移运动。

注入有源层的非平衡少数载流子由中心向两

侧所形成的浓度梯度使其产生侧向扩散98

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然分类：

（1）电极条形激光器

在P+-GaAs缓冲层上沉积或溅射SiO2，然后用标准光刻

工艺开发条形窗口，最后沉积条形电极。99

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然（2）质子轰击隔离条形激光器条形电极部分用条形金属膜板掩蔽，被质子轰击的部分会进入高阻区，从而限制电流的侧向流动。100

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然（3）台面条形激光器条形光刻技术、4-H2SO4:

1-H2O2:

1-H2O腐蚀剂;腐蚀深度：到达紧贴衬底的限制层N-AlGaAs

。光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然101道衬底平面条形激光器沟道衬底埋层异质结激光器双沟道衬底埋层异质结激光器（4）平面条形激光器及掩埋条形激光器

具有双电流限制机构的沟102

FP腔半导体激光器台面条形

激光器

平面条形

激光器

掩埋条形

激光器

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然小结：F-P腔LD的分类

脊型波导LD

SiO2条形

激光器

质子轰击条

形激光器

Zn扩撒条

激光器双沟掩埋台面掩埋

宽面

激光器

条形

激光器分布式反馈

激光器光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然三.

常见半导体激光器的分类

布拉格反射（DBR）激光器

分布反馈（DFB）激光器

量子阱（QW）激光器等

垂直腔面发射激光器VCSEL

可调激光器

光纤激光器

103光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然单片布拉格激光器（Distributed

Bragg

Reflection,

DBR）

单片布拉格激光器内部用布拉

格光栅做反射器来获得谱线更窄的

激光。

在两种不同介质的交界面上，

制造出周期性的反射点，当光照射

在反射点上将产生周期性的反射。

激光器的输入波长：λ=2nA/m

，其中A为两反射点间的距离。

104光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然单片分布反馈激光器（Distributed

Feed

Back,

DFB）

用布拉格反射原理制成的另一种激光器是分布反馈器。DFB激光器和DBR激光器结构不同，DFB的光栅和有源层叠放在一起，DBR则分层放置。二者原理相同。满足一定条件的特定波长的光才能受到强烈反射，从而产生足够功率、谱线较窄的激光。

A+B=mλn，其中A为两反射点间的距离，B为反射光程差。

105光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然106内置布拉格光栅FBG：

只有符合反射条件的

光会得到强烈反射经

历放大过程2(m

1/2)

B2neLe输出的波长为：

B

m是纵模的阶数分布反馈式激光器107

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然量子阱激光器

量子阱激光器采用双异质结结构。有源层的厚度在几个纳米

，当有源层的厚度小到某一数值时，就会出现所谓的量子阱

效应，即有源层与两边相邻的能带不连续，在有源层的异质

结上出现导带和价带的突变，这样窄带隙的有源区为导带中

的电子和价带中的空穴创造了一个势能阱，将载流子限制在

很薄的有源区内，使有源区内的粒子数反转浓度非常高，这

是受激辐射发光的必要条件。108

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然

用这种原理做成的激光器就叫量子阱激光器或量子限制激光器。这种激光器还可以细分问单量子阱激光器（SingleQuantum

Well,

SQW）、多量子阱激光器（MultipleQuantum

Well,

MQW）、量子线激光器（QuantumWires,

QW）和量子点激光器（Quantum

Dots,

QD）。光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然109VCSEL

(Vertical

Cavity

Surface

Emitting

Laser)

由于垂直腔面发射激光器（VCSEL）优异的性能，从1979年提出VCSEL思想至今，研究单位和科学家们已经从材料、结构、器件性能和波长范围方面做了长期深入的研究。特别是近年来，由于人们对超长距离、超高速、超大容量的光纤网络和高性能、低成本的光互联网络不断提出新的要求，从而极大推动了VCSEL的发展。虽然目前通信市场萎缩，但据美国ElectroniCast最近预测，全球用于光通信的VCSEL激光收发机的需求量在未来5年内仍将以每年35%的速率递增，到2006年将达到20亿美元。110

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然VCSEL的结构

典型的VCSEL由高反射率（>99%）分布式布拉格反射（DBR,

Distributed

Bragg

Reflections）镜面、有源层和金属接触层组成。量子阱有源层夹在n-DBR和p-DBR之间。DBR反射镜由光学厚度为λ/4的高折射率层和低折射率层交替生长而成。光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然111VCSEL的特点VCSEL与边发射激光器不同的结构带来了许多优势：1.

小的发射角和圆形对称的远、近场分布使其与光纤的耦合效率大大提高，已证实与多模光纤的耦合效率竟能大于90%；2.

VCSEL的光腔长度极短，导致其纵横间距拉大，可在较宽的温度范围内实现单纵模工作，动态调制频率高；3.

腔体积减小使得其自发辐射因子较普通端面发射激光器高几个数量级，这导致许多物理特性大为改善；4.

可以在片测试，极大地降低了开发成本；出光方向垂直衬底，可实现高密度二维面阵的集成；5.

最吸引人的是它的制造工艺与发光二极管（LED）兼容，大规模制造的成本很低。112

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然

VCSEL发展到今天，从器件性能到覆盖波长，从实验研究到工业应用，各方面都显示出它作为新一代半导体光源的潜力，可以说，面发射激光器是未来实现大规模的并行光处理所必须的器件。➢

作为单个器件，它本身可在极低阈值下工作，并有单一波

长，圆形的窄输出光束，可以高速调制。➢

若集成成二维面阵，则可实现多波长阵列，高功率阵列，

并能大量生产，而且由于利用MEMS技术使层叠集成成为

可能，新的器件可能会不断出现。光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然113波长可调谐激光器

在一些应用中（WDM）需要许多种不同波长的光源。如果能够对一种激光器的光波长加以改变，获得不同波长的激光，这样就可以减少光源器件的品种，有利于简化设计和降低成本。

可调谐外腔半导体激光器（ECDL）是一种新型可调谐光源，由于它大功率输出时可以具有超宽带的可调谐范围（超过100nm），因而成为新一代光源的研究热点。ECDL通常由外部镜面或光栅与半导体激光二极管构成谐振腔，有单边结构（single-sided

ECDL）和双边结构（two-sidedECDL）之分，外部镜面或光栅的调节目前一般结合使用MEMS技术，因此具有较好的调谐精度和波长调谐速度。114

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然

可调谐激光器的结构和工作机理变化多样，半导体可调谐激光器的调谐有电调谐、热调谐和机械调谐等方式，分为外腔型和腔内多电极等结构，可调谐光纤激光器的调谐通常使用可调谐滤波器来实现。可调谐激光器不仅可以用作DWDM系统的光源，还可以用作分组交换器件、接入波长路由器等，在光通信中具有非常大的应用潜力，最终将会代替目前通信市场上占主流地位的固定波长激光器。115

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然

可调谐DBR激光器，一般是通过电注入改变光栅折射率来实现波长调谐的，为获得大的调谐范围，其中需要使用取样光栅（SG）、超结构光栅（SSG）等，光栅耦合取样反射激光器（GCSR）也可以获得比较大的调谐带宽（3dB带宽为40nm）。光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然116四.

半导体激光器的优点、历史和制备工艺光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然117

LD的优点➢

转换效率高➢

体积小、重量轻、结构简单➢

可集成➢

波段覆盖范围广➢

使用寿命长➢

可直接调制➢

价格便宜光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然118第一台

LD1962年GaAs

PN结—同质结波长850nm液氮脉冲阀值电流密度：>5×104A/cm2119

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然

LD的发展1、降低阈值电流

Ith

Ith大的危害

温度、转换效率、工作方式、寿命、性能稳定

手段

➢

同质结→异质结→双异质结

➢

宽面→侧向增益波导→侧向折射率波导

➢

体材料→量子阱→量子线→量子点

几百mA→几十mA→mA→µA

寿命提高到百万小时，从最初的低温（77K）下运转发展到室温联系工作光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然120

LD的发展2、扩展波段

✓

第一台：

✓

长波方向：

980nm，1310nm,14××nm,1550nm,几um

到几十

um

✓

短波方向：

可见光（390nm-750nm红光，蓝绿光，紫光），紫外手段

✓

新材料开发

✓

组分改变

✓

改变有源区厚度

✓

体材料-量子阱、线、点-应变量子阱-量子级联LD光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然121

LD的发展3、功能的扩展信息型激光器—以传递信息为目的

✓

光纤通信

✓

光互连

✓

光计算

✓

光存储功率型激光器—以提高光功率为目的

✓

LD泵浦光源—用在EDFA，Raman光放大器，参量光放大器中

✓

LD泵浦固体激光器

✓

医学、工业等输出功率由几毫瓦提高千万级（阵列器件）光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然122LD的发展4、集成化

LD多波长阵列

LD大功率阵列

LD与其他器件的集成：

LD+EAM

LD+SOA

LD+PD（光探测器）

……123

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然材料生长——MOCVD（或者MBE、液相外延等）光刻刻蚀（化学腐蚀，干法刻蚀）蒸电极镀膜解理切割124

光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然LD制作的工艺流程光栅制作二次外延生长一次光刻脊波导腐蚀套刻三次光刻：电极图形欧姆接触8、端面镀膜

9、解理成管芯光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然125五.

半导体激光器的主要特性光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然126

LD的优点➢

转换效率高➢

体积小、重量轻、结构简单➢

可集成➢

波段覆盖范围广➢

使用寿命长➢

可直接调制➢

价格便宜光纤通信与光网络

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第四讲

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郝然127第一台

LD1962年GaAs

PN结—同质结波长850nm液氮脉冲阀值电流密度：>5×104A/cm2128

光纤通信与光网络

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第四讲

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郝然

LD的发展1、降低阈值电流

Ith

Ith大的危害

温度、转换效率、工作方式、寿命、性能稳定

手段

➢

同质结→异质结→双异质结

➢

宽面→侧向增益波导→侧向折射率波导

➢

体材料→量子阱→量子线→量子点

几百mA→几十mA→mA→µA

寿命提高到百万小时，从最初的低温（77K）下运转发展到室温联系工作光纤通信与光网络

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第四讲

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郝然129

LD的发展2、扩展波段

✓

第一台：

✓

长波方向：

980nm，1310nm,14××nm,1550nm,几um

到几十

um

✓

短波方向：

可见光（390nm-750nm红光，蓝绿光，紫光），紫外手段

✓

新材料开发

✓

组分改变

✓

改变有源区厚度

✓

体材料-量子阱、线、点-应变量子阱-量子级联LD光纤通信与光网络

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第四讲

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郝然130

LD的发展3、功能的扩展信息型激光器—以传递信息为目的

✓

光纤通信

✓

光互连

✓

光计算

✓

光存储功率型激光器—以提高光功率为目的

✓

LD泵浦光源—用在EDFA，Raman光放大器，参量光放大器中

✓

LD泵浦固体激光器

✓

医学、工业等输出功率由几毫瓦提高千万级（阵列器件）光纤通信与光网络

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第四讲

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郝然131LD的发展4、集成化

LD多波长阵列

LD大功率阵列

LD与其他器件的集成：

LD+EAM

LD+SOA

LD+PD（光探测器）

……132

光纤通信与光网络

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第四讲

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郝然材料生长——MOCVD（或者MBE、液相外延等）光刻刻蚀（化学腐蚀，干法刻蚀）蒸电极镀膜解理切割133

光纤通信与光网络

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第四讲

·

郝然LD制作的工艺流程光栅制作二次外延生长一次光刻脊波导腐蚀套刻三次光刻：电极图形欧姆接触8、端面镀膜

9、解理成管芯134对

光纤通信与光网络

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第四讲

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郝然

一个好的LD应该：电流载流子光子

提供良好的限制作用I

IthN

Nthg

gth135Why？光纤通信与光网络

·

第四讲

·

郝然

I

Ith

N

Nth

g

gth

电流限制将电流高效率地导引

进有源区中

载流子限制将载流子（e、h）

有效地限制在有源区中

光子限制是的光子不致于跑到

有源区域外

否则被浪费，产生有害的热效

应

I

Ith

只有在此处复合产生的光子才

能得到放大

N

Nth

否则会被吸收，或散射

g

gth136

光纤通信与光网络

·

第四讲

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郝然波长特性

半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg（eV），我们可以得出：

λ=1.24/Eg

不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长。137

光纤通信与光网络

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第四讲

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郝然光谱特性

在直流驱动下，发射光波长有一定的分布，谱线具有明显的模式结构。这种结构的产生是因为导带和价带都是由许多连续能级组成的有一定宽度的能带，两个能带中不同能级之间电子的饿跃迁会产生连续波长的光辐射。其中只有符合激光振荡相位条件的波长存在。这些波长取决于激光器纵向长度L，称之为激光器的纵模。138

光纤通信与光网络

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第四讲

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郝然光谱特性

随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线宽度变窄。这种变化是由于谐振腔对光波频率和方向的选择，使边模消失，主模增益增加而产生的。而驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光器称为静态单纵模激光器。随着调制电流增加，纵模模数增多，谱线宽度变宽。用F-P腔可以得到的是支流驱动的静态单纵模激光器，要得到高速数字调制的动态单纵模激光器，必须改变激光器的结构，如DFB。光纤通信与光网络

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第四讲

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郝然139Mode

spacing

Phase

condition

for

lasing:

2βL=2πmUsing

β=2πn/λ

and

λ=c/v:M=(2Ln/c)VmΔv=c/2LnSubstituting

Δv/v=Δλ/λ

and

c=λv:Δλ=λ2/2Ln光纤通信与光网络

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第四讲

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郝然140Radiation

Patterns

in

Lasers光纤通信与光网络

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第四讲

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郝然141转换效率和输出光功率特性和电子电荷光纤通信与光网络

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第四讲

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郝然142External

different

quantum

efficiency（外微分量子效率ηd）Number

of

photons

emitted

perradiative

electron-hole

pairrecombinationηd=

(ΔP/Δ