《光纖通信》第4章復(fù)習思考題參考答案

1、原榮 編著 光纖通信（第3版）第4章 復(fù)習思考題參考答案4-1 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（價帶）上，就將其間的能量差（禁帶能量）以光的形式放出，如圖4.2.1所示。這時發(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)，等于6.62510-34 Js。由得出（mm） （4.2.1）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）。 圖4.2.1 半導(dǎo)體發(fā)光原理4-2 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

2、發(fā)而發(fā)出與之同頻率、同相位的光（激光），即受激發(fā)射，如圖4.2.2（b）所示。圖4.2.2 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?，如圖4.2.2（c）所示，這就是光接收器件。4-3 自發(fā)輻射的光有什么特點答：對于大量處于高能帶的電子來說，當返回能級時，它們各自獨立地分別發(fā)射一個一個的光子。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，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

3、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，如圖4.2.2（a）所示。4-4 受激發(fā)射的光有什么特點答：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。4-5 如何才可能實現(xiàn)光放大？答：激光器工作在正向偏置下，當注入正向電流時，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。當時，受激吸收過程大于受激發(fā)射，增益系數(shù)，只能

4、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，此時的P-N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，如圖4.2.3所示。4-6 說出產(chǎn)生激光的過程答：激光器工作在正向偏置下，當注入正向電流時，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。當時，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

5、。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，此時的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，如圖4.2.2（b）和圖4.2.3所示。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）沒有偏置時的能帶圖（b）正向偏置足夠大時的能帶圖，此時引起粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，發(fā)生受激發(fā)射圖4.2.3 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

6、是，激光器初始的光場來源于導(dǎo)帶和價帶的自發(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。在1.3.2節(jié)中，我們已討論了法布里-珀羅（Fabry-Perot）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，如圖4.2.4所示。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

7、且諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干時，才能在諧振腔的兩個端面輸出譜線很窄的相干光束。前端面發(fā)射的光約有50 %耦合進入光纖，如圖4.2.3（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)楣怆娏鳎?jīng)過反饋控制回路，使激光器輸出功率保持恒定（圖4.2.3（a）沒有畫出）。圖4.2.5表示半導(dǎo)體激光器頻譜特性的形成過程，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。4-7 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。4-8 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。4-9 光學(xué)諧振腔存在哪些損耗？答：光學(xué)諧振腔

8、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。 4-10 實際使用中為什么總是用熱電制冷器對激光器進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。對于1.55 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。實驗表明，假如偏流控制在0.1mA以內(nèi)變化，采用自動溫度控制后，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

9、夠使溫度穩(wěn)定到以下。圖4.6.2表示使用反饋控制的激光器自動溫度控制電路原理圖。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。熱電制冷器采用珀爾帖效應(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。圖4.6.2 激光器的自動溫度控制原理圖4-11 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，即當注入電流大于閾值點時才有激光輸出，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。

10、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)三個參數(shù)來描述。4-12 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。圖4.3.6為DBR激光器的結(jié)構(gòu)及其工作原理，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。這種衍射光柵相當于在3.4.5節(jié)介紹的頻率選擇電介質(zhì)鏡，也相當于在1.3.2節(jié)介紹的反射衍射光柵。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。只有當波長等于兩倍光柵間距 L 時，反

11、射波才相互加強，發(fā)生相長干涉。例如，當部分反射波A和B的路程差為2L 時，它們才發(fā)生相長干涉。DBR的模式選擇性來自布拉格條件，即只有當布拉格波長滿足同相干涉條件 （4.3.2）時，相長干涉才會發(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 F-P 腔模式，在圖4.3.5中，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。假如在式（4.3.2）中，mm，此時 DFB 激光器的L只有235 nm。這樣細小的光柵可使用全息技術(shù)來制作。圖4.3.7 DBR激光器結(jié)構(gòu)及

12、其工作原理4-13 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)體激光器可以實現(xiàn)單縱模工作，這是靠把光耦合到一個外腔實現(xiàn)的，如 圖4.4.1所示。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，因為在外腔中產(chǎn)生了相位偏移。只有波長幾乎與外腔縱模中的一個模相同時才能產(chǎn)生同相反饋。實際上，面向外腔的激光器界面的有效反射與波長有關(guān)，從而導(dǎo)致產(chǎn)生如圖4.4.1所示的損耗曲線，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。圖4.4.1 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

13、Cavity），如圖4.4.2所示。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)動電流。中間是一個很窄的空氣隙（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)生足夠強的耦合。在本例中，因為，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，如圖4.4.2（b）所示。因此C3激光器可以實現(xiàn)單縱模工作。改變一個腔體的注入電流，C3激光器可以實現(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，調(diào)諧是不連續(xù)的。圖4.4.2 C3激光器的結(jié)構(gòu)及其單縱模輸

14、出原理4-14 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（SOA）集成光柵腔體激光器，其發(fā)射波長可以精確設(shè)置在指定位置。借助激活該器件的不同SOA，不同波長梳的任一波長均可發(fā)射，其波長間距也可以精確地預(yù)先確定，而且該器件的制造也比較簡單。與圖4.4.3（a）表示的外腔半導(dǎo)體激光器相比，圖4.4.6（a）表示的激光器可以看做單片集成兩元外腔光柵激光器，即一個集成的固定光柵和一個SOA陣列，而不是僅用單個有源元件和外部的旋轉(zhuǎn)光柵。當SOA陣列中的任何一個注入電流泵浦時，它就以它在光柵中的相對位置確定的波長發(fā)射光譜。因為這種幾何位置是被光刻掩埋精確確定的，

15、所以設(shè)計的發(fā)射波長在光梳中的位置也是精確確定的。陣列SOA集成光柵腔體波長可調(diào)激光器，其諧振腔類似于3.4.2節(jié)已討論過的波導(dǎo)光柵復(fù)用/解復(fù)用器。在這種激光器中，右邊的平板衍射光柵和左邊InP/InGaAsP/InP雙異質(zhì)結(jié)有源波導(dǎo)條（SOA）之間構(gòu)成了該激光器的主體。有源條的外部界面和光柵共同構(gòu)成了諧振腔的反射邊界。右邊的光柵由垂直向下蝕刻波導(dǎo)芯構(gòu)成的凹面反射界面組成，以便聚焦衍射返回的光到有源條的內(nèi)部端面上。這些條是直接位于波導(dǎo)芯上部的InGaAs/InGaAsP多量子阱（MQW）有源區(qū)。這種激光器面積只有143 mm2，有源條和光柵的間距為10 mm，有源條長2 mm，寬67 mm，條距

16、40 mm，衍射區(qū)是標準的半徑9 mm 的羅蘭（Rowland）圓。由圖4.4.6可見，從O點發(fā)出的光經(jīng)光柵的PN和P0點反射后回到O點，產(chǎn)生的路徑差DL = 2LN - 2L0，由1.2.2節(jié)可知，為了使從PN和P0點反射回到O點的光發(fā)生相長干涉，其相位差必須是2p的整數(shù)倍見式（1.2.8），由此可以得到與路徑差有關(guān)相位差是圖4.4.7 陣列SOA集成光柵腔體波長可調(diào)激光器Df =， m = 0, 1, 2, （4.4.1）因為，式中n是波導(dǎo)的折射率，所以可以得到與路徑差有關(guān)（即與SOA位置有關(guān)）的波長為 （4.4.2）如果在真空中，則n =1，則也和用式（1.3.3）得出的結(jié)論相同。一個S

17、OA的典型發(fā)射光譜如圖4.4.6（b）所示。測量得到的激光輸出的縱模間距和譜寬分別與設(shè)計的腔體長度和有源條位置和寬度一致，如圖4.4.6（c）所示。4-15 簡述陣列波導(dǎo)光柵（AWG） PIC波長可調(diào)激光器的工作原理。答：平板陣列波導(dǎo)光柵（AWG）由N個輸入波導(dǎo)、N個輸出波導(dǎo)、兩個在3.2.3節(jié)討論過的結(jié)構(gòu)相同的N M平板波導(dǎo)星形耦合器以及一個有M個波導(dǎo)的平板陣列波導(dǎo)光柵組成，這里M可以等于N，也可以不等于N。這種光柵相鄰波導(dǎo)間具有恒定的路徑長度差，如圖4.4.7（a）所示。AWG光柵工作原理是基于馬赫-曾德爾干涉儀的原理（見3.3.2節(jié)），即多個單色光經(jīng)過不同的光程傳輸后的干涉理論。圖4.4

18、.9 陣列波導(dǎo)光柵（AWG）由于陣列波導(dǎo)中的波導(dǎo)長度不等，相位延遲也不等，由式（1.2.8）可知， 其相鄰波導(dǎo)間的相位差為 （4.4.5）式中，k是波矢量，k = 2pn/l，DL是相鄰波導(dǎo)間的路徑長度差，通常為幾十微米，所以輸出端口與波長有一一對應(yīng)的關(guān)系。 AWG多頻激光器PIC中間是波導(dǎo)光柵路由器（Waveguide Grating Router，WGR）濾波器，右側(cè)是陣列半導(dǎo)體光放大器（SOA），左側(cè)是一個功率放大SOA。芯片右側(cè)鏡面鍍高反射率（HR）膜，左側(cè)則鍍半反射膜以便輸出AWG多頻激光器諧振腔的光，如圖4.4.9（a）所示。圖4.4.11 AWG多頻激光器AWG多頻激光器的信道間距取決于AWG腔體內(nèi)的波導(dǎo)光柵路由器的幾何尺寸，因此，每個激光器的波長非常穩(wěn)定，制造時可重復(fù)性好。4-16 簡述VCSEL激光器的工作原理答：圖4.5.1表示垂直腔表面發(fā)射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）的示意圖。有源區(qū)的長度L與邊發(fā)射器件比較非常短，光從腔體表面發(fā)射，而不是腔體邊沿。腔體兩端的反射器是由3.4.5節(jié)介紹的電介質(zhì)鏡組成，即由厚度為的高低折射率層交錯組成。如果組成電介質(zhì)鏡的高低介質(zhì)層折射率、和、滿足 （4.5.1）該電介質(zhì)鏡就對波長產(chǎn)生很強的選擇性，從界面上反射