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光纤通信技术第四章 激光器及光发射机 第四章 激光器及光发射机 4.1 半导体激光器 4.1.1 法布里-珀罗型激光器F-P LD 4.1.2 分布反馈激光器DFB LD 4.1.3 分布Bragg反射型激光器DBR LD 4.1.4 量子阱激光器QW LD 4.1.5 垂直腔面发射激光器VCSEL 4.2 半导体激光器的工作特性 4.3 光发射机 4.1 半导体激光器LD 激光器被视为20世纪的三大发明（还有半导体和原子能）之一，特别是半导体激光器LD倍受重视。 光纤通信中最常用的光源是半导体激光器LD和发光二极管LED。 主要差别： 发光二极管输出非相干光； 半导体激光器输出相干光。 发光二极管LED 对于光纤通信系统，如果使用多模光纤且信息比特率在100～200Mb/s以下，同时只要求几十微瓦的输入光功率，那么LED是可选用的最佳光源。 比起半导体激光器，因为LED不需要热稳定和光稳定电路，所以LED的驱动电路相对简单，另外其制作成本低、产量高。 发光二极管LED LED的主要工作原理对应光的自发发射过程，因而是一种非相干光源。 LED发射光的谱线较宽、方向性较差，本身的响应速度又较慢，所以只适用于速率较低的通信系统。 在高速、大容量的光纤通信系统中主要采用半导体激光器作光源。 半导体激光器LD 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，相干性好。 按结构分类： F-P LD、 DFB LD、 DBR LD、 QW LD、 VCSEL 按波导机制分类：增益导引LD和折射率导引LD 按性能分类：低阈值LD、超高速LD、动态单模LD、大功率LD 4.1.1 法布里-珀罗型激光器F-P LD F-P LD是最常见最普通的LD. 由外延生长的有源层和有源层两边的限制层构成，谐振腔由晶体的两个解理面构成。通常为双异质结（DH）LD。 激光器实质上是一个受激发射的光振荡放大器。 F-P LD基本工作原理 实现F-P LD激射工作的四个基本条件： 要有能实现电子和光场相互作用的工作物质 要有注入能量的泵浦源（光泵或者电泵浦） 要有一个F-P谐振腔 要满足振荡条件 1. 光的自发发射、受激吸收和受激发射 工作物质和泵浦源是实现光的自发发射、受激吸收和受激发射的最基本条件。 自发发射：大量处于高能级的粒子，各自分别发射一列一列频率为?=(E2 -E1) /h的光波，但各列光波之间没有固定的相位关系，可以有不同的偏振方向，沿所有可能的方向传播。各光子彼此无关。 受激发射：处于高能级E2的粒子受到光子能量为?的光照射时，粒子会由于这种入射光的刺激而发射出与入射光一模一样的光子，并跃迁到低能级E1上。有相同的偏振方向和传播方向。 自发发射和受激发射的特点 自发发射的同时总伴有受激发射发生。 在热平衡情况下，自发发射占绝对优势。 当外界给系统提供能量时，如采用光照（即光泵）或电流注入（即电泵），打破热平衡状态，大量粒子处于高能级，即粒子数反转后，在发光束方向上的受激发射比自发发射的强度大几个数量级。 总结激光发射的首要条件： 工作物质（即能实现粒子跃迁的晶体材料，如GaAs和InGaAsP铟镓砷磷） 外界供给能量?满足粒子数反转（常采用电流注入法） 2. F-P谐振腔 只有增益介质而无光学 反馈装置，便不能形成激光 将已实现粒子数反转分布 的系统置于严格平行的一对 反射镜之间便形成F-P谐振腔。 光在两个反射镜之间往返多 次过程中，得到放大。 3. 振荡条件 当增益超过由部分反射和散射等多种因素引起的总损耗，经过谐振腔的选频作用，特定频率的光波在谐振腔内积累能量并通过反射镜射出，形成激光（相干光）。 阈值条件 相位条件： F－P LD的结构 4.1.2 分布反馈激光器DFB LD DFB LD同F-P LD的主要区别：DFB LD的反射机构是由有源区波导上的Bragg光栅提供的。 分布式反馈 ?非常好的单色性和方向性 DFB LD基本工作原理 在有源区介质表面上使用全息光刻法做成周期性的波纹形状。 用泵浦（光泵浦或电泵浦）激发，造成足够的粒子数反转，?具备增益条件 只有波长满足“Bragg反射条件”的光波才能在介质中来回反射，得到不断的加强和增长。 4.1.3 分布Bragg反射型激光器DBR LD DBR LD的周期性沟槽不在有源波导表面上，而是在有源层波导两外侧的无源波导层上，这两个无源的光栅波导充当Bragg反射镜的作用。由于有源波导的增益特性和无源周期波导的Bragg发射，只有在Bragg频率附近的光波才能满足振荡条件，从而发射出激光。 4.1.4 量子阱激光器QW LD 量子阱激光器（QWL）与一般的双异质结激光器