光通信原理与系统光通信器件ppt课件
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15
LD横模：决定光场的空间特性
S
W 近场 图案
10o
远
场
光 斑
30 o
16
横模光场：
17
纵模：
损耗
增益
纵模
增益 g ( ) g th
频率 ( )
发射 主模
增益 法布里 - 珀罗 LD
g
通常发射多个纵模的光
0
频率
半导体激光器的增益频谱 相当宽（约10 THz），在 F-P 谐振腔内同时存在着许多纵模，但只有接近增 益峰的纵模变成主模。
波。
M2 a反
射 镜
b R2
11
在谐振腔里建立稳定振荡的条件
在半导体激光器里，由两个起反射镜作用的 晶体解理面构成的法布里珀罗谐振腔，它把 光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。
当受激发射使腔体得到的放大增益等于腔体 损耗时（阈值条件），并且谐振腔内的前向 和后向光波发生相干时（相干条件），就保 持振荡，形成等相面和腔体端面平行的驻波， 然后穿透谐振腔的两个端面，输出谱线很窄 的相干光束。
准直镜
包装外壳 光电管
光纤
非对称准直透镜 热敏电阻
制冷器 密封窗口
20
各种结构的半导体激光器
同质结半导体激光器 异质结半导体激光器 量子阱激光器 分布反馈激光器 (DFB) 垂直腔表面发射激光器 (VCSEL)
21
1、同质结构LD
同质结构只有一个简单PN结，且 P 区和 N 区都是 同一物质的半导体激光器。 解 理 面
5
4.1.1 半导体激光器原理
1. 晶体能带
在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶 体内部电子的共有化运动，使孤立原子中离散能级变成 能带。
半导体内部自由运动的电子(简称自由电子)所填充的能 带称为导带；价电子所填充的能带称为价带；导带和价 带之间不允许电子填充，所以称为禁带，其宽度称为禁
8
1）起振条件-阈值条件：由于光在谐振腔传播 时会有各种各样的能量损失，而只有光的增益 能超过这些损失时光波才能被放大，从而在腔 内振荡起来。也就是说激光器必须满足某个条 件才能起振，这个条件即是阈值条件。
2）稳定振荡条件-相位条件：光波是在谐振腔 内往复传输的，只有满足特定的相位关系的光 波才能得到彼此加强，这种条件称为相位条件。 以上两个条件称为激光产生的充分条件。
该激光器阈值电流密度太 大，工作时发热非常严重， 只能在低温环境、脉冲状 态下工作。
带宽度，用Eg表示，单位为电子伏特(eV)。
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2. 费米能级
费米能级：电子在能级E上的分布满足费米-狄拉克分 布，能级E被电子占据的几率为：
f(E)[exEp(Ef )1]1 kBK
式中Ef是费米能级的能量。
✓ 对于本征半导体，费米能级处在价带导带中间； ✓ 对于N型半导体，费米能级向导带移动，甚至可以进入
2
光纤通信Βιβλιοθήκη Baidu统中对光源的一般要求有：
峰值波长，应在光纤低损耗窗口之内; 功率：足够高且稳定，以满足系统对光中继段距离
的要求; 电光转换效率：高，驱动功率低，寿命长，可靠性
高; 单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高
光源和光纤的耦合效率；
3
光纤通信系统中对光源的一般要求有：
易于调制，响应速度快，以利于高速率、大容量数 字信号的传输;
这种谐振腔就叫做法布里-珀罗
M1
（Fabry-Perot）光学谐振器。 反
A
早期的LD谐振腔靠两个解理面 镀膜实现，也有其他类型的谐振
射 镜
腔，如DFB激光器。
B
它把光束闭锁在腔体内，使之来
回反馈。当谐振腔内的前向和后 R 1
L
向光波发生相干时，就保持振荡， 形成和腔体端面平行的等相面驻
反射波相互干涉
在理想条件下，其它纵模不应该达到阈值，因为它 们的增益总是比主模小。实际上，增益差相当小， 主模两边相邻的一、二个模与主模一起携带着激光 器的大部分功率。这种激光器就称作多模半导体激 光器。
18
激光器的封装
普通LD-同轴封装
普通LD-蝶形封装
19
激光器芯片
4.3 半导体发光二极管与激光二极管
LD结光构隔内视离图 器
光通信器件
光通信光源（LD和LED） 光放大器 光检测器PD 光无源器件
1
4.1 半导体激光器
光发射机：
在光纤通信中，将携带信息的电信号转变为光 信号是由光发射机来完成的。光发射机主要是 由光源及其驱动电路以及一些辅助控制电路组 成。
光源实现从电信号到光信号的转换，是光发射 机及其光纤系统中的核心器件，它的性能直接 关系到光纤通信系统的性能和指标。
12
相位条件
因为在谐振腔内形成稳定的驻波，所以应满足条件光程：
是半波长的整数倍
m nL
2
m 1, 2, 3
不是任意一个波长都能在谐振腔内形成驻波，对于给定的
m，只有满足上的波长才能形成驻波，记为 m 。因为光频和波 长的关系是 v c ，所以对应这些模式的频率 vm 是谐振腔的
谐振频率
vm
导带； ✓ 对于P型半导体，费米能级向价带移动，甚至可以进入
价带。
7
4.1.2 激光器的基本组成 一个激光器必须满足三个基本条件（三个基本组 成部分）：
工作物质：需要合适的工作介质，合适的能级分布； 泵浦源：实现工作物质粒子数反转分布的激励能源； 光学谐振腔：可以进行方向和频率的选择。 以上三个条件称为激光器的三要素。
强度噪声要小，以提高模拟调制系统的信噪比; 光强对驱动电流的线性要好，以保证有足够多的模
拟调制信道。
4
光纤通信中最常用的光源是: 半导体激光器（LD） 发光二极管（LED）
LD尤其是单纵模（或单频）LD，在高速率、 大容量的数字光纤系统中得到广泛应用；
近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是多信 道WDM光纤通信系统的关键器件
m
c 2nL
mvf
c vf 2nL
13
阈值条件
形成稳定激光振荡的条件：增益 = 腔体损耗
损耗
增益
纵模
增益 g ( ) g th
频 率( )
发射 主模
14
半导体激光器的输出模式
横模：在X-Y平面内可以形成稳定分布的 场；横模特性决定光场的空间特性。
纵模：在Z方向可以形成稳定分布的场； 决定频谱特性。
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4.1.3 半导体激光器的机理 三要素 工作介质：二元化合物（GaAs）、三元化合物
（GaAlAs）和四元化合物（GaInAsP）等。
谐振腔：有解理面组成（F-P腔）；
泵浦源：电流激励、电子束激励、光激励等。 多为电流激励。
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光学谐振腔
镀有反射镜面的光学谐振腔只有
在特定的频率内能够储存能量，
LD横模：决定光场的空间特性
S
W 近场 图案
10o
远
场
光 斑
30 o
16
横模光场：
17
纵模：
损耗
增益
纵模
增益 g ( ) g th
频率 ( )
发射 主模
增益 法布里 - 珀罗 LD
g
通常发射多个纵模的光
0
频率
半导体激光器的增益频谱 相当宽（约10 THz），在 F-P 谐振腔内同时存在着许多纵模，但只有接近增 益峰的纵模变成主模。
波。
M2 a反
射 镜
b R2
11
在谐振腔里建立稳定振荡的条件
在半导体激光器里，由两个起反射镜作用的 晶体解理面构成的法布里珀罗谐振腔，它把 光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。
当受激发射使腔体得到的放大增益等于腔体 损耗时（阈值条件），并且谐振腔内的前向 和后向光波发生相干时（相干条件），就保 持振荡，形成等相面和腔体端面平行的驻波， 然后穿透谐振腔的两个端面，输出谱线很窄 的相干光束。
准直镜
包装外壳 光电管
光纤
非对称准直透镜 热敏电阻
制冷器 密封窗口
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各种结构的半导体激光器
同质结半导体激光器 异质结半导体激光器 量子阱激光器 分布反馈激光器 (DFB) 垂直腔表面发射激光器 (VCSEL)
21
1、同质结构LD
同质结构只有一个简单PN结，且 P 区和 N 区都是 同一物质的半导体激光器。 解 理 面
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4.1.1 半导体激光器原理
1. 晶体能带
在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶 体内部电子的共有化运动，使孤立原子中离散能级变成 能带。
半导体内部自由运动的电子(简称自由电子)所填充的能 带称为导带；价电子所填充的能带称为价带；导带和价 带之间不允许电子填充，所以称为禁带，其宽度称为禁
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1）起振条件-阈值条件：由于光在谐振腔传播 时会有各种各样的能量损失，而只有光的增益 能超过这些损失时光波才能被放大，从而在腔 内振荡起来。也就是说激光器必须满足某个条 件才能起振，这个条件即是阈值条件。
2）稳定振荡条件-相位条件：光波是在谐振腔 内往复传输的，只有满足特定的相位关系的光 波才能得到彼此加强，这种条件称为相位条件。 以上两个条件称为激光产生的充分条件。
该激光器阈值电流密度太 大，工作时发热非常严重， 只能在低温环境、脉冲状 态下工作。
带宽度，用Eg表示，单位为电子伏特(eV)。
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2. 费米能级
费米能级：电子在能级E上的分布满足费米-狄拉克分 布，能级E被电子占据的几率为：
f(E)[exEp(Ef )1]1 kBK
式中Ef是费米能级的能量。
✓ 对于本征半导体，费米能级处在价带导带中间； ✓ 对于N型半导体，费米能级向导带移动，甚至可以进入
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光纤通信Βιβλιοθήκη Baidu统中对光源的一般要求有：
峰值波长，应在光纤低损耗窗口之内; 功率：足够高且稳定，以满足系统对光中继段距离
的要求; 电光转换效率：高，驱动功率低，寿命长，可靠性
高; 单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高
光源和光纤的耦合效率；
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光纤通信系统中对光源的一般要求有：
易于调制，响应速度快，以利于高速率、大容量数 字信号的传输;
这种谐振腔就叫做法布里-珀罗
M1
（Fabry-Perot）光学谐振器。 反
A
早期的LD谐振腔靠两个解理面 镀膜实现，也有其他类型的谐振
射 镜
腔，如DFB激光器。
B
它把光束闭锁在腔体内，使之来
回反馈。当谐振腔内的前向和后 R 1
L
向光波发生相干时，就保持振荡， 形成和腔体端面平行的等相面驻
反射波相互干涉
在理想条件下，其它纵模不应该达到阈值，因为它 们的增益总是比主模小。实际上，增益差相当小， 主模两边相邻的一、二个模与主模一起携带着激光 器的大部分功率。这种激光器就称作多模半导体激 光器。
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激光器的封装
普通LD-同轴封装
普通LD-蝶形封装
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激光器芯片
4.3 半导体发光二极管与激光二极管
LD结光构隔内视离图 器
光通信器件
光通信光源（LD和LED） 光放大器 光检测器PD 光无源器件
1
4.1 半导体激光器
光发射机：
在光纤通信中，将携带信息的电信号转变为光 信号是由光发射机来完成的。光发射机主要是 由光源及其驱动电路以及一些辅助控制电路组 成。
光源实现从电信号到光信号的转换，是光发射 机及其光纤系统中的核心器件，它的性能直接 关系到光纤通信系统的性能和指标。
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相位条件
因为在谐振腔内形成稳定的驻波，所以应满足条件光程：
是半波长的整数倍
m nL
2
m 1, 2, 3
不是任意一个波长都能在谐振腔内形成驻波，对于给定的
m，只有满足上的波长才能形成驻波，记为 m 。因为光频和波 长的关系是 v c ，所以对应这些模式的频率 vm 是谐振腔的
谐振频率
vm
导带； ✓ 对于P型半导体，费米能级向价带移动，甚至可以进入
价带。
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4.1.2 激光器的基本组成 一个激光器必须满足三个基本条件（三个基本组 成部分）：
工作物质：需要合适的工作介质，合适的能级分布； 泵浦源：实现工作物质粒子数反转分布的激励能源； 光学谐振腔：可以进行方向和频率的选择。 以上三个条件称为激光器的三要素。
强度噪声要小，以提高模拟调制系统的信噪比; 光强对驱动电流的线性要好，以保证有足够多的模
拟调制信道。
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光纤通信中最常用的光源是: 半导体激光器（LD） 发光二极管（LED）
LD尤其是单纵模（或单频）LD，在高速率、 大容量的数字光纤系统中得到广泛应用；
近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是多信 道WDM光纤通信系统的关键器件
m
c 2nL
mvf
c vf 2nL
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阈值条件
形成稳定激光振荡的条件：增益 = 腔体损耗
损耗
增益
纵模
增益 g ( ) g th
频 率( )
发射 主模
14
半导体激光器的输出模式
横模：在X-Y平面内可以形成稳定分布的 场；横模特性决定光场的空间特性。
纵模：在Z方向可以形成稳定分布的场； 决定频谱特性。
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4.1.3 半导体激光器的机理 三要素 工作介质：二元化合物（GaAs）、三元化合物
（GaAlAs）和四元化合物（GaInAsP）等。
谐振腔：有解理面组成（F-P腔）；
泵浦源：电流激励、电子束激励、光激励等。 多为电流激励。
10
光学谐振腔
镀有反射镜面的光学谐振腔只有
在特定的频率内能够储存能量，