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光源与光发射，重点：光源术语常用的通信用光源有哪些？半导体激光器如何与光纤耦合？为什么一般情况下，需要控制激光器的管芯温度，实际中怎么控制管芯温度？激光器的P-I-V-dp/dl图，半导体激光器的注意事项数字光发射机的光源工作点应如何考虑？光发射机原理框图，各部分功能，各部分如何实现？为什么要引入间接调制？调制器术语简单了解常用调制器主要技术参数和术语：电学参数：阈值电流、最大工作电流、电压降、串联电阻、拐点光谱特性：线宽、波长（中心波长、峰值波长）、边模抑制比、纵模、横模光学参数：相对强度噪声、效率（功率、斜率、外量子、外量子微分效率）动态特性（调制间畸变）：啁啾、张驰震荡、码型效应、结发热效应、自脉动现象、多光丝调制特性：消光比、上升/下降时间、开通时间、调制带宽其他：监视光电流、制冷电流/电压、热敏电阻阈值电流、最大工作电流、电压降（管压降，正向电压）、串联电阻、拐点参数如无特殊说明，指的是阈值电流＋20mA，25摄氏度。•半导体激光器的工作特性•1．阈值电流。当注入p-n结的电流较低时，只有自发辐射产生，随电流值的增大增益也增大，达阈值电流时，p-n结产生激光。影响阈值的几个因素：（1）晶体的掺杂浓度越大，阈值越小。（2）谐振腔的损耗小，如增大反射率，阈值就低。（3）与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结低得多。室温下同质结的阈值电流密度大于30000A/cm2；单异质结约为8000A/cm2；双异质结约为1600A/cm2；量子阱约为150~200A/cm2;量子点约为25~65A/cm2.（4）温度愈高，阈值越高。100K以上，阈值随T的三次方增加。因此，半导体激光器最好在低温和室温下工作。激光器结的发展1960年红宝石激光器，1962年梅贝格报告了可以从GaAs的PN结中得到100％的荧光效率，1962年美国4个实验室几乎同时宣布成功研制GaAs同质结半导体激光器。同质结只能在液氮中工作，此后五年一直没有大的进展，以致于包括开创者在内的大多数人退出研究，贝尔实验室在1967年突破性采用液相外延的方法形成单异质结（传统是扩散法），从而实现室温下脉冲工作。1970年贝尔实验室又实现的双异质结，从而实现了室温下连续输出。双异质结构量子阱激光器（QWLD）是指有源区采用量子阱结构的半导体激光器阈值电流、最大工作电流、电压降（管压降，正向电压）、串联电阻、拐点参数如无特殊说明，指的是阈值电流＋20mA，25摄氏度。线宽、中心波长、峰值波长、边模抑制比、纵模、横模(1)峰值波长在规定输出光功率时，激光光谱内强度最大的光谱波长被定义为峰值波长。(2)中心波长在光源的发射光谱中，连接50％最大幅度值线段的中点所对应的波长称为中心波长(3)谱宽与线宽包含所有振荡模式在内的发射谱总的宽度称为激光器的谱宽；某一单独模式的宽度称为线宽。常见的表示方法是FWHM和20dB带宽。中心波长与峰值波长(4)边模抑制比（SSR）边模抑制比是指在发射光谱中，在规定的输出功率和规定的调制时最高光谱峰值强度与次高光谱峰值强度之比。常用对数表示，该参数仅用于单模LD，如DFB－LD。•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。•在众多的纵模中，只有那些频率落在增益介质的增益曲线范围内，且增益大于损耗的那些腔模才能在LD的输出中存在。在纵向，光波以驻波形式振荡。相邻纵模的频率间隔为激光器的多模（a）及单模（b）输出谱横模每个纵模都存在多个横模：基模亮度高、光斑小1)与谐振腔轴有微小夹角的光束经多次反射仍满足阈值条件2)工作物质的色散、散射效应及腔内光束的衍射效应等等相对强度噪声、效率（功率、斜率、外量子、外量子微分效率）功率效率IexVPp＝激光器消耗的电功率激光器辐射的光功率22/)(PPRIN外量子微分效率00/)(/P/)(/)(PeIIheIIhPthexththexD斜率效率)()(PththexIIP外量子效率：0//PeIhexex＝空穴对数子激光器每秒钟注入的电子数激光器每秒钟发射的光啁啾、张驰震荡、码型效应、结发热效应自、脉动现象、多光丝、注入电流的变化，会导致载流子的变化，造成半导体的折射率发生变化，从而引起输出波长变化的啁啾现象（动态谱线展宽），而高速系统中对色散要求苛刻，数据间隙小，而啁啾会引起较大的色散。单纵模半导体激光器在高速调制时电流急剧变化，将导致激光器有源层中的载流子浓度急剧变化，等效于激光器的有效腔长变化，从而导致激光器发射波长的瞬时动态偏移。这种波长的瞬时动态偏移（即频率的瞬时动态偏移）称为频率啁啾。频率啁啾可用啁啾因子a来衡量，其定义为：a=（dФ/dt）/[(1/2P)×（dP/dt）]其中Ф为光信号的相位，P为光功率。•半导体激光器的瞬态性质•半导体激光器的瞬态性质直接影响到调制光信号的质量，研究激光器瞬态性质的出发点是耦合速率方程。激光器在调制时的主要瞬态现象和效应有：•（1）对激光器进行直接调制时，激光输出与注入电脉冲之间存在电光延迟时间。•（2）激光器在瞬态过程中存在张弛振荡：当电流脉冲注入激光器以后，输出光脉冲表现出衰减式振荡。是激光器内部光电相互作用所表现出来的固有特性。张弛振荡频率与注入电流有关。•（3）由于在瞬态过程中激光器有电光延迟现象，而在电脉冲过后，载流子有一定的存储时间，导致高速数字调制时激光输出出现码型效应。•（4）由于激光器对温度很灵敏及注入电流的热效应，在比特速率不是很高时，输出光会出现结发热效应。（5）某些激光器在某些注入电流下还会出现自脉动现象。自脉动：某些激光器在某些注入电流下发生的一种持续振荡。张弛振荡和自脉动的结合：激光器激射以后，先出现一个张弛振荡的过程，随后则开始持续自脉动。由于有源层厚度很薄(约为0.15μm)，都能保证在单横模工作；而在侧向，则其宽度相对较宽，因而视其宽度可能出现多侧模。有源区宽度较宽，则发光面上的光场(称近场)在侧向表现出多光丝，好似一些并行的发光丝，在远场的侧向则有对应的光强分布，这种多侧模的出现以及它的不稳定性，易使激光器的P-I特性曲线发生“扭折”(kink)，使P-I线性变坏，这对信号的模拟调制不利；同时多侧模也影响与光纤高效率的耦合，侧模的不稳定性也影响光纤功率的稳定性；不能将这种多侧模的激光束聚焦成小的光斑。上升/下降时间、开通时间、消光比、调制带宽上升时间（Tr）：激光器额定功率从10%上升到90%所用的时间下降时间（Tf）：激光器额定功率从90%下降到10%所用的时间90%10%上升时间(Tr)AMPLITUDETOPBASEBW35.0Tr开通时间消光比:全“1”码平均光功率和全“0”码平均光功率的比值,用对数表示光强频率-3db=0.707倍峰峰值(PkPk)最小标准带宽监视光电流、制冷电流/电压、热敏电阻)])25273/(1/1(exp[KTBRRTR监视光电流（背光电流）：用于APC，无光告警等复习一下半导体激光器的简单工作原理：低能态电子多，密度为N1高能态电子少，密度为N2■N1N2:●在热平衡状态下，自发发射居支配地位，不能发射相干光。■N2N1：●受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，产生放大作用。●这种分布和正常状态的分布相反，成为粒子数发转。发光（光放大）←N2N1←粒子数反转■光发射：处于高能态（导带）电子不稳定，向低能态（价带）跃迁，而能量以光子形式释放出来，发射光子的能量hv等于导带价带能量差，即hv=Ec-Ev=Eg■发光过程：●自发发射：处于高能态的电子按照一定的概率自发地跃迁到低能态上，并发射一个能量为E2-E1的光子≯光子随机地向各个方向发射，每次发射没有确定的相位关系—非相干光；≯LED通过自发发射过程发光。●受激辐射：处于高能态的电子在外界光场的感应下，发射一个和感应光子一样的光子，跃迁到低能态；≯光子的发射方向、相位、频率都与激发它们的光子相同—相干光；≯LD通过受激辐射过程发光。■光吸收：处于低能态光子，如果受到外来光的照射，当光子能量等于或大于禁带能量时，光子将被吸收而使电子跃迁到高能态；■光吸收过程：●受激吸收：如果入射光子的能量hv近似等于E2-E1，光子能量就会被吸收，同时基态上的电子跃迁到高能态；≯半导体光检测器基于这种效应。■自发发射、受激辐射和受激吸收三种过程是同时存在的。PN结空间电荷区的形成●PN结形成后，由于互相间的扩散作用，使得靠近界面的地方，N区剩下带正电的离子，P区剩下带负电的离子，在结区形成空间电荷区，也因此出现了一个由N指向P的电场，称为内建电场，此时处于热平衡状态，只有一个费米能级。●空间电荷区及其内建电场分布图如下：给PN结外加正向偏压后，P区的空穴和N区的电子不断地注入PN结，破坏了原来的热平衡状态，在PN结出现了两个费米能级，此时的PN结能带分布如图：PN结外加正向偏压后的能带分布•1.当PN结加上正向偏压时，外加电压的电场方向正好和内建场的方向相反，因而削弱了内建电场，破坏了热平衡时统一的费米能级，在P区和N区各自形成了准费米能级。•2.这时，导带上费米能级以下充满了电子，价带上费米能级以上没有电子，因此，形成了粒子数反转分布，成为激活区，称为半导体激光器的作用区或有源区。当频率满足Eg/h的光通过时，就可以得到放大。PN•PN结半导体激光器是用PN结作激活区，用半导体天然解理面作为反射镜组成光子谐振腔，外加正向偏压作为泵浦源。•外加正向偏压将N区的电子、P区的空穴注入到PN结，实现了粒子数反转分布，即使之成为激活物质（PN结为激活区）。•在激活区，电子空穴对复合发射出光。初始的光场来源于导带和价带的自发辐射，方向杂乱无章，其中偏离轴向的光子很快逸出腔外，沿轴向运动的光子就成为受激辐射的外界因素，使之产生受激辐射而发射全同光子。•这些光子通过反射镜往返反射不断通过激活物质，使受激辐射过程如雪崩般地加剧，从而使光得到放大。在反射系数小于1的反射镜中输出，这就是经受激辐射放大的光。即PN结半导体激光器产生激光输出的工作原理。1，LED（SLED，SLD）：光谱、调制速率、热特性2，半导体激光器：FP-LD、DFB（DBR）、QWLD、VCSEL、可调谐激光器（外腔、多电极、热调谐）3、其他：光纤激光器和宽带光源（ASE、超连续、白光源、SLED以及SLD）4、组件和模块：组件（光源、EA、背光二极管、ISO、制冷片、温度传感器、尾纤和连接器）模块【组件＋电路（驱动电路、AGC、ATC、APC、电路状态监控电路等等）】量子阱激光器（QWLD）是指有源区采用量子阱结构的半导体激光器结构特点：两种不同成分的半导体材料在一个维度上以薄层的形式交替排列而形成的周期结构，从而将窄带隙的很薄的有源层夹在宽带隙的半导体材料之间，形成势能阱。量子阱激光器的有源区非常薄，普通F-P腔激光器的有源区厚度为100~200nm，而量子阱激光器的有源区只有1~10nm。当有源区的厚度小于电子的德布罗意波的波长时，电子在该方向的运动受到限制，态密度呈类阶梯形分布，从而形成超晶格结构。特性：阈值电流很低，而激光器的输出功率却相当高；谱线宽度窄，频率啁啾改善；调制速率高。F-P腔激光器是指采用法布里-珀罗谐振腔作为光反馈装置的半导体激光器的统称。它的基本原理如图：垂直腔表面发射激光器(VCSEL)光输出Si/SiO2反射镜Si/Al2O3反射镜InP衬底n型接触面p型接触面金质热沉限流区InGaAsP多量子阱有源区~10nm阈值电流低(100mA)，输出功率大，激光纯度高；发光面大、易于耦合；体积小、易于集成，可应用于WDM多波长系统中分布反