激光器与光发射机讲解讲课稿.ppt

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1、激光器与光发射机讲解光源半导体激光器(LD)工作原理和基本结构半导体激光器的主要特性分布反馈激光器发光二极管(LED)半导体光源一般性能和应用半导体激光器(LD)工作原理和基本结构基本结构包括:工作物质,揩振腔和泵浦源.其中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

2、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）外界供给能量满足粒子数反转（常采用电流注入法）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

3、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。半导体激光器的主要特性发射波长和光谱特性hƒ=Eg式中ƒ=c/λ,ƒ(Hz)和λ=(μm)分别为发射光的频率和波长，c=3×108m/s为光速，h=6.628×10-34J·S为普朗克常数，1ev=1.6×10-19J。得到：λ=hc/Eg=1.24/Eg激光器纵模的概念：激光器的纵模反映激光器的光谱性质。对于半导体激光器，当注入电流低于阈值时，发射光谱是导带和价带的自发发射谱，谱线较宽；只有当激光器的注入电流大于阈值后，谐振腔里的增益才大于损耗，自发发射谱线中满足驻波条件的光频

4、率才能在谐振腔里振荡并建立起场强，这个场强使粒子数反转分布的能级间产生受激辐射，而其他频率的光却受到抑制，使激光器的输出光谱呈现出以一个或几个模式振荡，这种振荡称之为激光器的纵模。(a)(b)GaGlAs-DH激光器的光谱特性(a)直流驱动(b)300Mb/s数字调制转换效率和光功率特性下图是典型激光器的光功率特性曲线。当IIth时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加频率特性下图示出半导体激光器的直接调制频率特性．弛豫频率fr是调制频率的上限，一般激光器的fr为１～２ＧＨz．在fr在处，数字调制要产生弛豫振

5、荡，模拟调制要产生非线性失真．温度特性激光器输出光功率随温度而变化有两个原因:一是激光器的阈值电流Ith随温度升高而增大,二是外微分子量子效率ηd随温度升高而减小.温度升高时,Ith增大,ηd减小,输出光功率明显下降,达到一定温度时,激光器就不激射了.阈值电流随温度呈指数变化:Ith=I0exp(T/T0)分布反馈激光器DFBLDDFB激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性结构(波纹状)衍射光栅实现光反馈.这种衍射光栅的折射率周期性变化,使光沿有源层分布式反馈,所以叫分布反馈激光器.DFB激光器与F-P激光器相比,有以下优点:单纵模激光器谱线窄,波长稳定性好动

6、态谱线好线性好半导体激光器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。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-PLD、DFBLD、DBRLD、QWLD、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

7、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。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)和发光二极管(LED)一般性能LDLED工作波长λ/μm1.31.551.31.55谱线宽度△λ/nm1~21~350~10060

8、~120阈值电流Ith/