第四章光源和光发射机
光源是光纤通信的核心器件。为了实现光的调制或电光变换，在实际系统中总是将光源、驱动电路及其辅助电路构成一体，形成光发射机。
本章内容
1.光纤通信对光源的基本要求
2.半导体光源的物理基础
3.半导体激光器
4.半导体发光二极管
5.新型半导体激光器
6.光发射机
光纤通信对光源的基本要求
光源发射的峰值波长，应在光纤的低损耗窗口之内。
有足够高的、稳定的输出光功率，以满足系统对光中继段距离的要求。
电光转换效率高，低功率驱动，长寿命，高可靠性。
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。
易于调制，响应速度快，以利于高速率大容量的数字信号的传输。
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。
最常用的光源
半导体激光器（LD）
发光二极管（LED）
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；
波长可调谐激光器是多信道WDM光纤通信系统的关键器件。
光子的概念
不同频率的光子具有不同的能量，而携带信息的光波，它所具有的能量只能是hf的整数倍。
当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或发射。
孤立原子的能级
ΔE取决于半导体材料的本征值。
半导体材料
半导体的能带
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，使孤立原子中的离散能级变成能带。
禁带宽度称为带隙能量，用Eg表示，Ec-Ev=Eg。
本征半导体和杂质半导体的能带
掺入施主杂质
掺入受主杂质
P-N结内载流子运动
PN结的能带
光与物质的相互作用---光的发射和吸收
激光LASER---LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation
激光器LD---LaserDiode
激光器的构成
激光的产生条件
相位条件---使谐振腔内的前向和后向光波发生相干；
阈值条件---使腔内获得的光功率正好与腔内损耗相抵消。
激光器起振的阈值条件
受激发射使腔体得到的
增益=腔体损耗
激光器起振阈值条件的简化描述
半导体激光器的工作原理
半导体激光器的工作原理
用半导体材料作为工作物质的激光器，向半导体PN结注入正向电流，实现粒子数的反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡。
FP腔半导体激光器的工作原理？
例：一峰值发光波长在800nm的GaAs激光器，其谐振腔长400微米，且材料折射率为3.6，如果增益在750至850nm的范围内都大于总损耗，试求此激光器中能存在几个模式？
例4.2.2
例4.2.3
同质结半导体激光器
同质结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。
同质结：由同一种半导体材料构成的PN结。
同质结、双异质结LD能级图及光子密度分布的比较
有效抑制载流子
有效抑制光波
异质结：指具有不同折射率和不同禁带宽度的两种半导体材料构成的PN结。
半导体激光器的主要特性
1.激光器的P-I特性
阈值电流Ith
激光器效率
2.激光器的温度特性
指半导体激光器的阈值电流、输出光功率和输出光波波长随温度变化的特性。
3.激光器的光谱特性
发射波长
谱线宽度
光谱模数
4.激光器的模式特性
纵模决定频谱特性
横模决定光场的空间特性
在不同注入电流下的横模远场特性
4.激光器的调制特性
计算出的半导体激光器对500ps方波电流脉冲的大信号调制响应
频率啁啾
实线表示发射的光脉冲形状
电光延迟和张弛振荡（严重限制系统传输速率和通信质量）
解决方法：对激光器加直流预偏置
电光延迟张弛振荡
码型效应
限制调制速率
半导体发光二极管LED
没有光学谐振腔
无阈值器件
随着技术的进步，对激光器提出更高的要求：
谱线宽度更窄，并在高速率脉冲调制下保持动态单纵模特性；
发射波长更加稳定，并能实现调谐；
阈值电流更低，而输出光功率更大。
新型半导体激光器类型
量子阱激光器（QW-LD）
分布反馈激光器（DFB-LD）
分布布拉格反射激光器（DBR-LD）
耦合腔半导体激光器
垂直腔表面发射激光器（VCSEL-LD）
QW(QuantumWell)-LD
d典型值10nm（一般FPLD有源层的厚度在0.1-0.3微米）。
对载流子的限制---对电子和空穴允许占据能量状态的限制
MQW-LD
SLM-LD与F-PLD相比，它的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗。
单纵模DFB半导体激光器增益和损耗曲线
DFB(DistributedFeedBack)---LD
DFB的反射结构是由有源区波导上的光栅提供，
这种反射结构是一种分布式的反馈结构。
DFB与F-P激光器相比的优点
①单纵模激光器
②谱线窄，波长稳定性好
③动态谱线好
④线性响应好
平面波导集成电吸收调制激光器
（EML---ElectroabsorptionModulatedLaser）
DBR(DistributedBraggReflector)---LD
除有源区外，还紧靠其右側增加了一段分布式布拉格反射器，它起着衍射光栅的作用。
多层电介质镜工作原理
电介质镜由数层折射率交替变化的电介质材料组成，从界面上反射的光相长干涉，使反射光增强，如果层数足够多，波长为λ0的反射系数接近1。
耦合腔激光器中的纵模选择性
把光耦合到外腔可实现单纵模工作；
只有波长与外腔纵模中的一个模相同时才能产生同相反馈
最接近增益峰，并且具有最低腔体损耗的纵模才变成主模。
C3激光器
(CleavedCoupledCavity，切开的耦合腔)
（a）C3激光器结构示意图
（b）C3激光器单纵模输出原理
外腔半导体激光器
多腔DBR激光器
商用PIC波长可调LD和调制器
多纵模激光器到单纵模激光器的演化过程
垂直腔表面发射激光器
VCSEL---VerticalCavitySurfaceEmittingLaser
VCSEL激光器阵列
光发射机
光发射机是让LD携带信息信号以便在光纤中传输的装置。
光发射机有直接调制和外调制之分。
光发射机通常由复用、编码、调制、驱动电路和控制电路等部分组成。
直接调制光发射机
数字调制有编码电路，模拟调制没有编码电路
模拟信号对LD调制
数字信号对LD调制
外调制光发射机