激光器和光發(fā)射機(jī)

1、激光器和光發(fā)射機(jī)激光器和光發(fā)射機(jī)光源半導(dǎo)體激光器(LD)工作原理和基本結(jié)構(gòu)自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射的特點(diǎn)F-P諧振腔半導(dǎo)體激光器的主要特性分布反饋激光器DFB LD半導(dǎo)體激光器LD發(fā)光二極管LED光發(fā)射機(jī)調(diào)制光發(fā)射機(jī)的基本組成半導(dǎo)體激光器的瞬態(tài)性質(zhì)激光器控制電路激光器和光發(fā)射機(jī)光源半導(dǎo)體激光器(LD)工作原理和基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的主要特性分布反饋激光器發(fā)光二極管(LED)半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用激光器和光發(fā)射機(jī)半導(dǎo)體激光器(LD)工作原理和基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)包括:工作物質(zhì),揩振腔和泵浦源.其中工作物質(zhì)和泵浦源是實(shí)現(xiàn)光的自發(fā)發(fā)射、受激吸收和受激發(fā)射的最基本條件。自發(fā)發(fā)射：大量處于高能級(jí)的粒子，各自分別

2、發(fā)射一列一列頻率為=(E2 -E1) /h的光波，但各列光波之間沒有固定的相位關(guān)系，可以有不同的偏振方向，沿所有可能的方向傳播。各光子彼此無(wú)關(guān)。受激發(fā)射：處于高能級(jí)E2的粒子受到光子能量為的光照射時(shí)，粒子會(huì)由于這種入射光的刺激而發(fā)射出與入射光一模一樣的光子，并躍遷到低能級(jí)E1上。有相同的偏振方向和傳播方向。激光器和光發(fā)射機(jī)自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射的特點(diǎn)自發(fā)發(fā)射的同時(shí)總伴有受激發(fā)射發(fā)生。在熱平衡情況下，自發(fā)發(fā)射占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。當(dāng)外界給系統(tǒng)提供能量時(shí)，如采用光照（即光泵）或電流注入（即電泵），打破熱平衡狀態(tài)，大量粒子處于高能級(jí)，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后，在發(fā)光束方向上的受激發(fā)射比自發(fā)發(fā)射的強(qiáng)度大幾個(gè)數(shù)量級(jí)?？偨Y(jié)激光發(fā)

3、射的首要條件：工作物質(zhì)（即能實(shí)現(xiàn)粒子躍遷的晶體材料，如GaAs和InGaAsP）外界供給能量滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（常采用電流注入法）激光器和光發(fā)射機(jī) F-P諧振腔只有增益介質(zhì)而無(wú)光學(xué)反饋裝置，便不能形成激光將已實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的系統(tǒng)置于嚴(yán)格平行的一對(duì)反射鏡之間便形成F-P諧振腔。光在兩個(gè)反射鏡之間往返多次過(guò)程中，得到放大。激光器和光發(fā)射機(jī)半導(dǎo)體激光器的主要特性發(fā)射波長(zhǎng)和光譜特性 h=Eg 式中 =c/, (Hz)和=(m)分別為發(fā)射光的頻率和波長(zhǎng)，c=3108m/s為光速，h=6.62810-34JS為普朗克常數(shù)，1ev=1.610-19J。得到： =hc/Egg激光器和光發(fā)射機(jī)激光器縱模的概念：

4、 激光器的縱模反映激光器的光譜性質(zhì)。對(duì)于半導(dǎo)體激光器，當(dāng)注入電流低于閾值時(shí)，發(fā)射光譜是導(dǎo)帶和價(jià)帶的自發(fā)發(fā)射譜，譜線較寬；只有當(dāng)激光器的注入電流大于閾值后，諧振腔里的增益才大于損耗，自發(fā)發(fā)射譜線中滿足駐波條件的光頻率才能在諧振腔里振蕩并建立起場(chǎng)強(qiáng)，這個(gè)場(chǎng)強(qiáng)使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的能級(jí)間產(chǎn)生受激輻射，而其他頻率的光卻受到抑制，使激光器的輸出光譜呈現(xiàn)出以一個(gè)或幾個(gè)模式振蕩，這種振蕩稱之為激光器的縱模。激光器和光發(fā)射機(jī) (a) (b)GaGlAs-DH激光器的光譜特性(a)直流驅(qū)動(dòng)(b)300Mb/s數(shù)字調(diào)制激光器和光發(fā)射機(jī)轉(zhuǎn)換效率和光功率特性 下圖是典型激光器的光功率特性曲線。 當(dāng)IIth時(shí)，發(fā)出的是受激

5、輻射光，光功率隨 驅(qū)動(dòng)電流的增加而增加激光器和光發(fā)射機(jī)激光器和光發(fā)射機(jī)頻率特性下圖示出半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性弛豫頻率fr是調(diào)制頻率的上限，一般激光器的fr為z在fr在處，數(shù)字調(diào)制要產(chǎn)生弛豫振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)生非線性失真激光器和光發(fā)射機(jī)激光器和光發(fā)射機(jī)溫度特性 激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個(gè)原因:一是激光器的閾值電流Ith隨溫度升高而增大,二是外微分子量子效率d隨溫度升高而減小.溫度升高時(shí), Ith增大, d減小,輸出光功率明顯下降,達(dá)到一定溫度時(shí),激光器就不激射了. 閾值電流隨溫度呈指數(shù)變化: Ith=I0 exp(T/T0)激光器和光發(fā)射機(jī)激光器和光發(fā)射機(jī)分布反饋激光器DFB L

6、DDFB激光器用靠近有源層沿長(zhǎng)度方向制作的周期性結(jié)構(gòu)(波紋狀)衍射光柵實(shí)現(xiàn)光反饋.這種衍射光柵的折射率周期性變化,使光沿有源層分布式反饋,所以叫分布反饋激光器.激光器和光發(fā)射機(jī)DFB激光器與F-P激光器相比,有以下優(yōu)點(diǎn):單縱模激光器譜線窄,波長(zhǎng)穩(wěn)定性好動(dòng)態(tài)譜線好線性好激光器和光發(fā)射機(jī) 半導(dǎo)體激光器LD激光器被視為20世紀(jì)的三大發(fā)明（還有半導(dǎo)體和原子能）之一，特別是半導(dǎo)體激光器LD倍受重視。光纖通信中最常用的光源是半導(dǎo)體激光器LD和發(fā)光二極管LED。主要差別：發(fā)光二極管輸出非相干光；半導(dǎo)體激光器輸出相干光。激光器和光發(fā)射機(jī)半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點(diǎn)：尺寸小，耦合效率高，響應(yīng)速度快，波長(zhǎng)和尺寸與光纖尺寸適

7、配，可直接調(diào)制，相干性好。按結(jié)構(gòu)分類： F-P LD、 DFB LD、 DBR LD、 QW LD、 VCSEL按波導(dǎo)機(jī)制分類：增益導(dǎo)引LD和折射率導(dǎo)引LD按性能分類：低閾值LD、超高速LD、動(dòng)態(tài)單模LD、大功率LD激光器和光發(fā)射機(jī)發(fā)光二極管LED對(duì)于光纖通信系統(tǒng)，如果使用多模光纖且信息比特率在100200Mb/s以下，同時(shí)只要求幾十微瓦的輸入光功率，那么LED是可選用的最佳光源。比起半導(dǎo)體激光器，因?yàn)長(zhǎng)ED不需要熱穩(wěn)定和光穩(wěn)定電路，所以LED的驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)簡(jiǎn)單，另外其制作成本低、產(chǎn)量高。激光器和光發(fā)射機(jī)LED的主要工作原理對(duì)應(yīng)光的自發(fā)發(fā)射過(guò)程，因而是一種非相干光源。LED發(fā)射光的譜線較寬、方

8、向性較差，本身的響應(yīng)速度又較慢，所以只適用于速率較低的通信系統(tǒng)。在高速、大容量的光纖通信系統(tǒng)中主要采用半導(dǎo)體激光器作光源。激光器和光發(fā)射機(jī)半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)一般性能LD LED 工作波長(zhǎng)/m 1.3 1.55 1.3 1.55 譜線寬度/nm 121350100 60120 閾值電流Ith/mA 2030 3060 工作電流I/mA 100150 100150 輸出功率P/mW 510 510 15 13 入纖功率P/mW 13 13 0.10.3 0.10.2調(diào)制帶寬B/MHz 5002000 5001000 50150 30100 輻射角/(o) 2050 2050

9、 30120 30120 壽命t/h 106107 105106 108 107 工作溫度/ -2050 -2050 -2050 -2050 激光器和光發(fā)射機(jī)分布反饋激光器(DFB-LD)一般性能工作波長(zhǎng)/m1.31.55譜線寬度/nm連續(xù)波單縱模10-410-3直接調(diào)制單縱模0.040.05(1Gb/s,RZ)邊模抑制比/dB3035頻譜漂移/(nm/ )0.08閾值電流Ith/mA 15202030外量子效率d/%2015輸出功率P/mW(連續(xù)單縱模,25 )20401530激光器和光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 數(shù)字光發(fā)射機(jī)的功能: 把電端機(jī)輸出的數(shù)字基帶電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào),并用耦合技術(shù)有效注入光纖線

10、路,電/光轉(zhuǎn)換是用承載信息的數(shù)字電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的.調(diào)制分為直接調(diào)制和外調(diào)制兩種方式.受調(diào)制的光源特性參數(shù)有功率,幅度,頻率和相位.目前技術(shù)上成熟并在實(shí)際光纖通信系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用的是直接光強(qiáng)(功率)調(diào)制.激光器和光發(fā)射機(jī)調(diào)制一、直接調(diào)制的特點(diǎn)：將要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)注入LD或LED調(diào)制后的光波振幅的平方比例于調(diào)制信號(hào)（強(qiáng)度調(diào)制）簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、容易實(shí)現(xiàn)響應(yīng)帶寬有限（）引入調(diào)制啁啾激光器和光發(fā)射機(jī)加大偏置電流使其逼近激光器閾值，可以大大減小電光延遲時(shí)間，同時(shí)使張馳振蕩得到一定程度的抑制.偏置于閾值附近，較小的調(diào)制脈沖電流即可得到足夠的輸出光脈沖，從而可大大減小碼型效應(yīng)和結(jié)發(fā)熱效應(yīng)的影

11、響.另一方面，加大直流偏置電流將會(huì)使光信號(hào)消光比(EX)惡化，光源消光比將直接影響接收機(jī)靈敏度.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，異質(zhì)結(jié)激光器的散粒噪聲在閾值處出現(xiàn)最大值，因此偏置電流不正好偏置在閾值處.調(diào)制電流幅度Im的選擇，應(yīng)根據(jù)激光器的P-I曲線，既要有足夠的輸出光脈沖幅度，又要考慮到光源的負(fù)擔(dān)。如果激光器在某些區(qū)域有自脈動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生，則Im的選擇應(yīng)避開自脈動(dòng)發(fā)生的區(qū)域.二、數(shù)字直接調(diào)制中偏置電流和調(diào)制電流大小的選擇激光器和光發(fā)射機(jī)三、外調(diào)制將調(diào)制信號(hào)控制激光器后接的外調(diào)制器，利用調(diào)制器的電光、聲光等物理效應(yīng)使其輸出光的強(qiáng)度等參數(shù)隨信號(hào)而變。調(diào)制信號(hào)啁啾小。外調(diào)制器以LN電光調(diào)制和EA電致吸收為主。激光器和光發(fā)射

12、機(jī)光發(fā)射機(jī)的基本組成激光器和光發(fā)射機(jī)光源 要求如下:光譜特性單色要好,即譜線要窄mmm)電/光轉(zhuǎn)換效率要高,方向性要好調(diào)制速度要高或響應(yīng)速度要快溫度穩(wěn)定性好,可靠性高,壽命長(zhǎng)器件體積小,重量輕,安裝使用方便,價(jià)格便宜 以上各項(xiàng)中,調(diào)制速率,譜線寬度,輸出光功率和光束方向性,直接影響光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量和傳輸距離,是光源中最重要的技術(shù)指標(biāo).激光器和光發(fā)射機(jī)調(diào)制電路和控制電路 直接光強(qiáng)調(diào)制的數(shù)字光發(fā)射機(jī)主要電路有調(diào)制電路,控制電路和線路編碼電路,采用激光器作光源時(shí),還有偏置電路.對(duì)調(diào)制電路和控制電路的要求如下:輸出光脈沖通斷比應(yīng)大于10脈沖的寬度應(yīng)遠(yuǎn)大于開通延遲(電光延遲)時(shí)間盡可能不出現(xiàn)張弛振

13、蕩應(yīng)諾采用自動(dòng)功率控制(APC)和自動(dòng)溫度控制(ATC)線路編碼電路 線路編碼之所以必要,是因?yàn)殡姸藱C(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)是適合電纜傳輸?shù)碾p極性碼,而光源不能發(fā)射負(fù)脈沖,所以要變換為適合于光纖傳輸?shù)膯螛O性碼.激光器和光發(fā)射機(jī)半導(dǎo)體激光器的瞬態(tài)性質(zhì)半導(dǎo)體激光器具有電光轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快、可以進(jìn)行直接調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，被視為光纖通信中的理想光源。但在對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)，激光器往往呈現(xiàn)出復(fù)雜的動(dòng)態(tài)性質(zhì)光電瞬態(tài)響應(yīng)。電光延遲張弛振蕩自脈動(dòng)激光器和光發(fā)射機(jī)張弛振蕩：當(dāng)電流脈沖注入激光器以后，輸出光脈沖表現(xiàn)出衰減式振蕩。是激光器內(nèi)部光電相互作用所表現(xiàn)出來(lái)的固有特性。自脈動(dòng)：某些激光器在某些注入電流下發(fā)生

14、的一種持續(xù)振蕩。張弛振蕩和自脈動(dòng)的結(jié)合。激光器激射以后，先出現(xiàn)一個(gè)張弛振蕩的過(guò)程，隨后則開始持續(xù)自脈動(dòng)。光電瞬態(tài)響應(yīng)波形：激光器和光發(fā)射機(jī)1. 電光延遲原因：激光輸出與注入電脈沖之間存在一個(gè)時(shí)間延遲，一般為納秒量級(jí)。降低方法：預(yù)偏置在Ith附近。上升時(shí)間：從額定功率的10升到90所需的時(shí)間下降時(shí)間：從額定功率的90降到10所需的時(shí)間激光器和光發(fā)射機(jī)2. 張弛振蕩當(dāng)注入電流從零快速增大到閾值以上時(shí)，經(jīng)電光延遲后產(chǎn)生激光輸出，并在脈沖頂部出現(xiàn)阻尼振蕩，經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期后達(dá)到平衡值。采用預(yù)偏置在Ith附近的方法，可減小張弛振蕩激光器和光發(fā)射機(jī)3. 自脈動(dòng)不同于張弛振蕩，沒有阻尼，脈動(dòng)頻率范圍為0.24G

15、Hz,容易發(fā)生在閾值附近和P-I特性的扭曲區(qū)。造成自脈動(dòng)的機(jī)理涉及量子噪聲效應(yīng)、有源區(qū)的缺陷及溫度感應(yīng)的變化等因素。抑制這種現(xiàn)象主要靠控制材料的質(zhì)量，盡量減少有源區(qū)的缺陷激光器和光發(fā)射機(jī)4、碼型效應(yīng)： 由于瞬態(tài)性質(zhì)，輸出光脈沖會(huì)出現(xiàn)碼型效應(yīng)。碼型效應(yīng)起因：當(dāng)?shù)谝粋€(gè)電流脈沖過(guò)后，存儲(chǔ)在有源區(qū)的電荷以指數(shù)形式衰減，回到初始狀態(tài)有一個(gè)時(shí)間過(guò)程sp，如果調(diào)制速率很高，脈沖間隔小于sp ，會(huì)使第二個(gè)電流脈沖到來(lái)時(shí)，前一個(gè)電流脈沖注入的電荷并沒有完全復(fù)合消失，有源區(qū)的存儲(chǔ)電荷起到直流預(yù)偏置的作用，于是第二個(gè)光脈沖延遲時(shí)間減小，輸出光脈沖的幅度和寬度增加。消除方法：增加直流偏置電流。電流脈沖光脈沖兩個(gè)連“1

16、”的現(xiàn)象激光器和光發(fā)射機(jī) 5、結(jié)發(fā)熱效應(yīng)： 半導(dǎo)體激光器是對(duì)溫度很敏感的器件，不僅環(huán)境溫度的變化會(huì)使激光器的閾值電流以及輸出光功率發(fā)生變化，注入電流的熱效應(yīng)也會(huì)發(fā)生類似的變化結(jié)發(fā)熱效應(yīng)。是激光器的另一種瞬態(tài)調(diào)制效應(yīng)。起因：注入電流導(dǎo)致溫升，進(jìn)而引起閾值電流的變化，從而輸出光功率也發(fā)生變化。在電流脈沖持續(xù)階段，輸出光功率隨時(shí)間而減?。欢?dāng)電流脈沖過(guò)后，輸出光功率隨時(shí)間而增加。消除方法：適當(dāng)增加偏置電流激光器和光發(fā)射機(jī)1. 系統(tǒng)對(duì)光源的要求： (1)波長(zhǎng)穩(wěn)定性要求WDM系統(tǒng)對(duì)光源發(fā)射波長(zhǎng)的穩(wěn)定性具有較高的要求；波長(zhǎng)的漂移將導(dǎo)致信道之間的串?dāng)_；溫度變化是波長(zhǎng)漂移的主要因素。(2)功率穩(wěn)定性要求某信道

17、功率的漂移，不僅影響本信道的傳輸性能，而且通過(guò)EDFA的瞬態(tài)效應(yīng)影響其它信道的性能；影響發(fā)射功率的因素：管芯溫度：溫度增加功率下降器件老化：功率下降激光器控制電路激光器和光發(fā)射機(jī)溫度控制和功率控制作用 就是消除溫度變化和器件老化影響,穩(wěn)定發(fā)射機(jī)性能，采取的穩(wěn)定方法有：溫度控制；自動(dòng)功率控制光發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)框圖窄線寬 DFB 激光器EA(LN)調(diào)制器精密溫度控制恒定電流控制10Gb/s電壓驅(qū)動(dòng)器NRZ碼 激光器和光發(fā)射機(jī)3. 溫度控制：溫控電路通常由比例放大、PID（比例-積分-微分）電路、 電流放大組成控制精度達(dá)到波長(zhǎng)穩(wěn)定性達(dá)到200MHz/24小時(shí)激光器導(dǎo)熱制冷器熱敏電阻溫度控制電路PDDFB-LD組件激光器和光發(fā)射機(jī)4. 自動(dòng)功率控制（APC）由光檢測(cè)器來(lái)感應(yīng)激光器后端面輻射光功率的變化，并與參考功率相比較，然后根據(jù)比較結(jié)果自動(dòng)調(diào)整直流偏置電流，最終使光功率峰值保持為一個(gè)