光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)04-光源和光發(fā)射機(jī)

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)光源和光發(fā)射機(jī)光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然2Light

SourceCouplerSignalOutputLight

Source

Receiver

ModulatorPhotedetector

ModulatorTransmitterOptical

AmplifierRegeneratorFiberFiberFiberOptical

Amplifier

CouplerDefractiveReflectiveElectricalInput光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然31.

為什么需要光源2.

激光定義3.

激光特性及應(yīng)用4.

激光原理、產(chǎn)生的條件與要素5.

激光器相關(guān)知識6.

半導(dǎo)體激光器光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然4系統(tǒng)需要什么光源光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然5需要什么光源實用光纖通信系統(tǒng)對光源有以下要求：（1）合適的發(fā)光波長

光源的發(fā)光波長必須在光纖的低損耗區(qū)，包括0.85μ

m、1.31μm和1.55μm波長窗口。也就是說，光源的發(fā)光波長應(yīng)與光纖的工作窗口相一致。在目前的光纖通信系統(tǒng)中作為第一窗口的0.85μm短波長窗口已基本不用了，1.31μm的第二窗口正在大量應(yīng)用，并且光纖通信系統(tǒng)正在逐漸向1.55μm的第三窗口轉(zhuǎn)移。光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然6需要什么光源（2）足夠的輸出功率

光源的輸出功率必須足夠大，光源輸出功率的大小直接影響光通信系統(tǒng)的中繼距離。光源的輸出功率越大，系統(tǒng)的中繼距離就越長。但這個結(jié)論是有條件的，即如果光源的輸出功率太大，使光纖工作于非線性狀態(tài)，則是光纖通信系統(tǒng)不允許的。當(dāng)然，目前的問題不是光纖的功率太大，而是不夠。因此，還應(yīng)努力提高光源輸入光纖的光功率，以增大中繼距離。一般光源的輸出功率大于1mW。7

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然

需要什么光源（3）可靠性高，壽命長

光源的工作壽命長，通信才可靠。目前通信工程要求光源平均工作壽命為106小時（約100年），一般不允許中斷通信。設(shè)一個通信系統(tǒng)中有10個光源，假如其中一個光源發(fā)生故障，會使整個系統(tǒng)中斷工作。從故障的概率來說，該系統(tǒng)發(fā)生中斷通信故障的時間間隔為10萬小時（10年左右）。這是實用通信工程對元器件的要求。8

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然

需要什么光源（4）輸出效率高

輸出光功率與所消耗的直流電功率的比值叫做輸出效率。要求輸出效率盡量高，即耗電盡量省，而且要在低電壓下工作。這樣，對無人中繼站的供電就較方便了。目前輸出效率的標(biāo)準(zhǔn)是大于10%，將來希望達(dá)到50%。9

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然

需要什么光源（5）光譜寬度窄

光譜寬度是光源的發(fā)光波長范圍。人們希望光波也能夠和無線電波一樣，只在一個頻率振蕩。實際上這很難做到，只能要求光譜盡量短。實際上這很難做到，只能要求光譜盡量短。光源的光譜寬度直接影響到系統(tǒng)的傳輸帶寬，它與光纖的色散效應(yīng)相結(jié)合，就產(chǎn)生了噪聲，影響系統(tǒng)的傳輸容量和中繼距離。

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然

需要什么光源（6）聚光性好

要求光源發(fā)光盡量集中，會聚到一點，盡可能多的把光送進(jìn)光纖，即耦合效率高。這樣進(jìn)入光纖的功率大，系統(tǒng)中繼距離就可增加。（7）調(diào)制方便

調(diào)制即是把話音等信息附載在光波上。如何高效地用電信號來調(diào)制光波是決定系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。

1011

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然

需要什么光源（8）價格低廉

光纖通信系統(tǒng)在價格上低于其它現(xiàn)用系統(tǒng)，這與光源的可靠性和批量生產(chǎn)性直接相關(guān)。光源應(yīng)該價格低廉，能批量生產(chǎn)，同時體積小、重量輕，便于在各種場合應(yīng)用。

激光幾乎完美地滿足了以上所有的需求點光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然12激光定義13

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然What

is

Laser?

Light

Amplification

by

Stimulated

Emission

of

Radiation

什么是受激輻射？光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然14

丹麥物理學(xué)家

玻爾Bohr,Niels玻爾原子理論的三條假定：(1)定態(tài)假定：存在一系列原子定態(tài)，處在定態(tài)中的電子雖做軌道運(yùn)動，但不發(fā)射電磁波；(2)角動量量子化：定態(tài)運(yùn)動電子的角動量量子化，其值只能為h／2π的整數(shù)倍；(3)躍遷假定：僅當(dāng)原子中的電子從一定態(tài)躍遷到另一定態(tài)時，才能發(fā)射或吸收一個相應(yīng)的光子。1輻射光能量

15吸收光能量

h

E

2

E

低能級E1

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然原子發(fā)光的機(jī)理

不同的原子具有不同的能級結(jié)構(gòu)。一個原子中最低的能級稱為基態(tài)

，其余的稱為高能態(tài)，或激發(fā)態(tài)。原子從高能態(tài)E2過渡到低能態(tài)E1時，

會向外發(fā)射某個頻率為v的輻射，滿足普朗克公式：

hv=E2-E1

式中h為普朗克常數(shù)。反之，該原子吸收頻率為v的輻射時，就會從

低能態(tài)過渡到高能態(tài)。

高能級E2光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然自發(fā)輻射只與原子本身性質(zhì)有關(guān)，與輻射場無關(guān)。自發(fā)躍遷幾率（自發(fā)躍遷愛因斯坦系數(shù)）：

1

SA21

原子在能級

E2

的平均壽命（熒光壽命）

16h

E2

E1E2E1發(fā)光前h

發(fā)光后

自發(fā)輻射是指高能態(tài)的電子是不穩(wěn)定的，即便是沒有外界的作用，也會自發(fā)地輻射出光子并遷移至低能態(tài)。這種輻射的特點是每一個原子的躍遷是自發(fā)的、獨立進(jìn)行的，其過程全無外界的影響，彼此之間也沒有關(guān)系。因此它們發(fā)出的光子的狀態(tài)是各不相同的。這樣的光相干性差，方向散亂。W12

(

)st17

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然h

E2

E1B12：受激吸收躍遷愛因斯坦系數(shù)12W

B

12

與原子本身性質(zhì)和輻射場能量密度有關(guān)受激吸收躍遷幾率：dn12

1

dt

n1受激吸收

E2

E1吸收前h

吸收后

受激吸收就是指在正常狀態(tài)下，電子處于低能級，在入射光作用下，它會吸收光子的能量躍遷到高等級上，這種躍遷稱為受激吸收。光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然18

愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，若只有自發(fā)輻射和吸收躍遷，黑體和輻射場之間不可能達(dá)到熱平衡，這是為什么呢？？《輻射的量子理論》問題的提出1輻射光能量

高能級E2吸收光能量

h

E

2

E

低能級E1光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然要達(dá)到熱平衡，還必須存在另一種輻射?。?！

受激輻射

19W21

(

)st

B

21

受激輻射躍遷幾率：

dn21

1

W

dt

n2

與原子本身性質(zhì)和輻射場能量密度有關(guān)

21B21

：受激輻射躍遷愛因斯坦系數(shù),只與原子本身性質(zhì)有關(guān)

20

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然

受激輻射

E2

h

h

E1

發(fā)光前

發(fā)光后

h

E2

E1

受激輻射是指處于高能級的原子在光子的“刺激”或者“感應(yīng)”下，躍遷到低能級，并輻射出一個和入射光子同樣頻率的光子。這好比清晨公雞打鳴，一個公雞叫起來，其它的公雞受到“刺激”也會發(fā)出同樣的聲音。受激輻射最大的特點是由受激輻射產(chǎn)生的光子與引起受激輻射的原來的光子具有完全相同的狀態(tài)。他們具有相同的頻率，相同的方向，完全無法區(qū)分出兩者的差異。這樣，通過一次受激輻射，一個光子變成兩個相同的光子。這意味著光被加強(qiáng)了，或者說光被放大了。這正是產(chǎn)生激光的基本過程。n2

2

(E2KT

E1

)

、ff1

2

——能級E1和E2的簡并度，n1

1

f愛因斯坦三系數(shù)的相互關(guān)系A(chǔ)

21、

B

21、

B

12n1、n2

——各能級上的原子數(shù)密度玻爾茲曼統(tǒng)計分布：fe（集居數(shù)密度）

或稱統(tǒng)計權(quán)重?zé)崞胶鉅顟B(tài)：輻射率

吸收率

（輻射場總光子數(shù)保持不變）n

2

A

21

n

2

B

21

n

1B

12

21

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然

激光是怎樣產(chǎn)生的？

激光是怎樣產(chǎn)生的？在一個原子體系中，總有些原子處于高能級，有些處于低能級。而自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子既可以去刺激高能級的原子使它產(chǎn)生受激輻射，也可以被低能級的原子吸收而造成受激吸收。因此，在光和原子體系的相互作用中，自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收總是同時存在的。光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然22激光原理及產(chǎn)生條件23

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然

激光產(chǎn)生的原理受激輻射光放大受激輻射產(chǎn)生的光子與引起受激輻射的外來光子具有相同的特征（頻率、相位、振動方向及傳播方向均相同）。E2E1h

h

h

相干光（激光）光放大24E2E1粒子數(shù)正常分布：n

1

n

2受激輻射：光子數(shù)受激吸收：光子數(shù)

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然

如何想獲得越來越強(qiáng)的光，也就是說產(chǎn)生越來越多的光子，就必須要使受激輻射產(chǎn)生的光子多于受激吸收所吸收的光子。怎樣才能做到這一點呢？我們知道，光子對于高低能級的光子是一視同仁的。在光子作用下，高能級原子產(chǎn)生受激輻射的機(jī)會和低能級的原子產(chǎn)生受激吸收的機(jī)會是相同的。這樣，是否能得到光的放大就取決于高、低能級的原子數(shù)量之比。若位于高能級的原子遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于位于低能級的原子，我們就得到被高度放大的光。但是，在通常熱平衡的原子體系中，原子數(shù)目按能級的分布服從玻爾茲曼分布率。因此，位于高能級的原子數(shù)總是少于低能級的原子數(shù)。在這種情況下，為了得到光的放大，必須到非熱平衡的體系中去尋找。

受激輻射與受激吸收的矛盾光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然N1N2

E1

E2

kT

eE2

E1受激吸收占優(yōu)勢，發(fā)生其他兩種過程的幾率很小。

25n

1

n

2

克服受激輻射和受激吸收的矛盾1.

粒子數(shù)正常分布

玻爾茲曼統(tǒng)計分布：光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然26

所謂非熱平衡體系，是指熱運(yùn)動并沒有達(dá)到平衡，整個體系不存在一個恒定溫度的原子體系。這種體系的原子數(shù)目按能級的分布不服從玻爾茲曼分布率，位于高能級的原子數(shù)目可能大于位于低能級的原子數(shù)目。這種狀態(tài)稱為“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。如何才能達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)呢？這需要利用激活媒質(zhì)。所謂激活媒質(zhì)（也稱為放大煤質(zhì)或放大介質(zhì)），就是可以使兩個能級間呈現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)。它可以是氣體，也可以是固體或液體。要素一：

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然2.

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布（集居數(shù)反轉(zhuǎn)）E2

E1受激輻射占優(yōu)勢，光通過工作物質(zhì)后得到加強(qiáng)，獲得光放大。n

1

n

2泵浦（Pumping）：

（抽運(yùn)、激勵）E

1E2

激光產(chǎn)生的必要條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激活物質(zhì)：處于集居數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的物質(zhì)。另外，激輻射大大超過自發(fā)輻射，使輸出為相干光。

27外界向物質(zhì)提供能量

通過中間環(huán)節(jié)使得受激輻射占優(yōu)勢

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然激活粒子：能夠形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的發(fā)光粒子。（可以是原子、分子、離子、準(zhǔn)分子）

媒介：為激活粒子提供寄存場所的材料。激活媒介的能級系統(tǒng)

激光工作物質(zhì)

1.

二能級系統(tǒng)二能級系統(tǒng)不能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布

28

WA21

Wn2n1紅寶石中鉻離子能級圖

29E3E1E2

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然

2.

三能級系統(tǒng)亞穩(wěn)態(tài)：不如基態(tài)穩(wěn)定，但比激發(fā)態(tài)要穩(wěn)定得多（壽命較長）

具有亞穩(wěn)態(tài)的工作物質(zhì)，才能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

如

O

，CO

例：紅寶石：在人工制造的剛玉（

Al2O3）中，摻入少量

鉻離子（Cr3

）構(gòu)成晶體。起發(fā)光作用的是鉻離子。亞穩(wěn)態(tài)（激光上能級）

產(chǎn)生激光基態(tài)（激光下能級）泵浦激發(fā)態(tài)

非輻射躍遷Energy光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然30E1E3

10

8s

受激吸收

泵浦E3E2

10

3s

無輻射躍遷放出能量形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)2N

1

NE2E1受激輻射發(fā)出激光E1E3

E2Laser

RadiationNAbs.Energy光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然3.

四能級系統(tǒng)(a)

Nd:YAG激光器E1E2E3Laser

RadiationN

Fast

transitionAbsorptionE4Fast

transition(b)氦氖激光器

四能級系統(tǒng)激光下能級是激發(fā)態(tài)，不是基態(tài)，粒子數(shù)很少甚至沒有，所以很容易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，泵浦能量較低。

3132設(shè)想有長度足夠大的激活介質(zhì)：自發(fā)輻射為主受激輻射為主B21

A

21

不斷增大

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然

思考問題：僅僅滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生激光嗎？

No！不能維系！

若一直維系粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，需要無限長的激活介質(zhì)！！光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然工作物質(zhì)諧振腔對光束的方向選擇性：

平行于軸線：放大加強(qiáng)

偏離軸向：逸出腔外

33激光具有高度方向性

激

光

光

束兩塊反射鏡：相互平行，與工作介質(zhì)軸線垂直，平面或球面全反射鏡部分反射鏡要素二.

光學(xué)諧振腔

光學(xué)諧振腔的構(gòu)成：光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然34M1M2M1M2M1M2全反射鏡部分反射鏡光學(xué)諧振腔光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然351.

增加工作介質(zhì)的有效長度，使受激輻射過程成為主導(dǎo)；2.

維持光振蕩，輸出穩(wěn)定激光束；3.

對光束方向性加以選擇，獲得高度方向性的激光；4.

選擇激光頻率。光學(xué)諧振腔的作用：若同時滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和光學(xué)諧振腔，可以產(chǎn)生激光嗎？？思考問題：光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然36

要素三.

增益條件：增益大于損耗（1）

增益系數(shù):

描述光放大作用的大小光放大作用：

受激輻射幾率

>

受激吸收幾率輸出光能量

>

入射光能量激活物質(zhì)＝光放大器①小信號增益系數(shù)（I(z)很小時成立）：

I(z)

I0eg0zI0——z

0

處的初始光強(qiáng)②大信號增益系數(shù)：Is

g0

g(I)

I(z)

1

Is——飽和光強(qiáng)（決定于增益介質(zhì)的性質(zhì)）

I(z)

I

s

g(I

)

g

0zz)I(zI(z)

ImIm

I0

I00

0z

z

g

gg0

g0

0

0光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然dI(z)

1

dz

I(z)

I0e(g0

)z

；I(z)增加——大信號放大規(guī)律：g(I)

減小，I(z)

增長變緩；g(I)

——

I(z)達(dá)到穩(wěn)定極限值Im

。Im只與放大器本身參數(shù)有關(guān)，與初始光強(qiáng)無關(guān)。

370

光通過單位長度激活物質(zhì)后光強(qiáng)衰減的百分比。（3）

激光器中光強(qiáng)變化規(guī)律

dI

(z

)

g

(

I

)

I

(z

)dz

微弱光

I進(jìn)入光放大器：

起初——小信號放大規(guī)律：I(z)

損耗的原因：衍射、散射、透射、吸收等

要素三.

增益條件（2）

損耗系數(shù)g

0(g0

)zI(z)

I0e

I0自激振蕩：當(dāng)激光工作物質(zhì)滿足振蕩條件時，不管初始

光強(qiáng)

I0

多么微弱，在光學(xué)諧振腔中總能形

成確定大小的光強(qiáng)

Im

38

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郝然

要素三.

增益條件：增益大于損耗（4）

振蕩條件（閾值條件）

激光器實現(xiàn)振蕩所需要的最低條件必要條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，諧振腔充分條件：閾值條件，增益飽和

39總結(jié)：激光產(chǎn)生的條件

①

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

②

光學(xué)諧振腔

③

增益大于損耗

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郝然受激輻射占主導(dǎo)

受激輻射得以維系

放大得以實現(xiàn)光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然40激光特性及應(yīng)用41

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然

1.

Monochromaticity

單色性激光的單色性比普通光高

1010倍.單色性最好的氪燈Kr86

Δ

=4.7×10-3

nm穩(wěn)頻He—Ne激光器

9

精密度儀器測量

激勵某些化學(xué)反應(yīng)42Linewidth

線寬

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郝然1.

Monochromaticity

單色性光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然2.

Coherent

相干性l時間相干性好（

～10

-

8埃），相干長度可達(dá)幾十公里。2空間相干性好，有的激光波面上各個點幾乎都是相干光源。不同原子發(fā)出的波列

43單色光的波列波列的疊加……

xCondition

Coherence：相干The

equal

vibrate

direction

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第四講

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郝然振動方向相同**k

=-2

44IThe

equal

frequency

頻率相同The

constant

phase

difference

相位差恒定

x

k

=+2k

=+2

k

=+1

xk

=+1

k

=0

k

=-1

k

=-1

k

=-24I1x

yZ

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郝然

空間相干性：在同一光源形成的光場中，不同地點同一時刻的光之間的相干性。這個概念可用相干面積,相干長度來量度。

時間相干性：在同一光源形成的光場中，同一地點不同時刻的光之間的相干性。它實質(zhì)上是指相位的相關(guān)性能夠維持的時間。在這類問題中，常常引進(jìn)所謂相干時間這個概念。在數(shù)量級上，相干時間是光波頻率寬度

v的倒數(shù)

P1

(t=0,

Pi)(t>0,

Pi/2)P2(t=0,

Pi)

(t>0,

Pi/2)P1

(t=0,

Pi)P2

(t=t+x)

4546

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郝然3.

方向性Directionality

一束激光射到~38萬km的月

球上，光斑的直徑只有~2km

手電筒的光射到~m處，

擴(kuò)展成很大的光斑。

利用激光準(zhǔn)直儀可使長為2.5km的隧道掘進(jìn)偏差不超過16nm.

激光準(zhǔn)直、導(dǎo)向和測距激光在屏上形成的小光斑，有極大的照度

太陽表面的亮度比白熾燈大幾百

倍。普通的激光器的輸出亮度，比太陽

表面的亮度大10億倍。激光是當(dāng)今世界

上高亮度的光源。

47

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然

4.

亮度Brightness激光的顏色非常單純，而且只向著一個方向發(fā)光，亮度極高光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然48激光的能量在空間上、在時間上高度集中光能量不僅在空間上高度集中，同時在時間上也可高度集中，因而可以在一瞬間產(chǎn)生出巨大的光熱。在工業(yè)上，

激光打孔、切割和焊接。醫(yī)學(xué)上視網(wǎng)膜凝結(jié)和進(jìn)行外科手術(shù)。在測繪方面，可以進(jìn)行地球到月球之間距離的測量和衛(wèi)星大地測量。在軍事領(lǐng)域可以制成摧毀敵機(jī)和導(dǎo)彈的激光武器.亮度->能量光纖通信用光源：短距離通信用0.85um；長距離通信用1.31um，1.55um

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然

激光應(yīng)用簡介1.

激光在通信領(lǐng)域的應(yīng)用

光纖中傳送的是一系列經(jīng)過編碼的激光脈沖。

關(guān)鍵技術(shù)：光纖技術(shù)、激光器

目前光通信的發(fā)展方向是全光網(wǎng)絡(luò)，即信息從源節(jié)點到目的節(jié)點能夠?qū)崿F(xiàn)全光透明傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)。全光網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在光域中處理信息、交換、路由等都在光域完成。

495050來等等。

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然2.

激光在信息領(lǐng)域的應(yīng)用

激光在信息領(lǐng)域的應(yīng)用，除了以激光為信息載體將聲音、圖像、數(shù)據(jù)等各種信息進(jìn)行傳輸?shù)募す馔ㄐ胖?，還包括通過激光將信息進(jìn)行存儲，以及通過激光將信息打印或顯示出laser

printersCD

playersbarcode

scanners/cd.htm#光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然513.

激光在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

激光的高單色和高亮度，使它成為精密計量的一種十分

有效的工具。又由于激光單色性好、發(fā)散角小，能夠在透鏡

的焦點處聚焦成高功率的光斑，高功率激光集中在物體上的

某一點，便可對被物體進(jìn)行高溫加熱、切斷、焊接及熔覆等

加工。激光還可以對材料進(jìn)行非接觸式處理或探測。因為沒

有表面接觸，不會產(chǎn)生由探測射線所引起的污染，也不會引

起器具邊緣的磨損，而掃描性好的特點又使其可在大面積范

圍內(nèi)進(jìn)行工作。52

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然

4.

激光在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

激光技術(shù)為醫(yī)學(xué)診斷和疾病治療提供了新方式：激光手術(shù)刀、視網(wǎng)膜凝固治療、激光美容、OCT、激光熒光光譜診斷等。利用激光可聚焦成微米或納米級光斑的特點，可以進(jìn)行顯微細(xì)胞外科手術(shù)、測量人體DNA分布、基因轉(zhuǎn)移、DNA裁剪和基因定位、促進(jìn)DNA合成、細(xì)胞融合等。在酶工程和發(fā)酵工程等生物技術(shù)中，激光也得到了重要應(yīng)用。corrective

eye

surgeryremoving

blemishes

52gallbladder

surgeryusing

fiber

optics53

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然

5.

激光在國防科技領(lǐng)域的應(yīng)用

激光作為武器在軍事上應(yīng)用的形式千變?nèi)f化，但是基本上可以分為三個主要部分：追蹤、尋的系統(tǒng)（即正確判定攻擊目標(biāo)的位置和性質(zhì)的系統(tǒng)）；發(fā)射實施摧毀性打擊的高能激光系統(tǒng)；輔助的控制和通信系統(tǒng)。激光摧毀導(dǎo)彈

53光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然5454激光制導(dǎo)

激光武器是利用高能量密度激光束代替子彈的新型武器，是武器裝備發(fā)展歷程中繼冷兵器、火器和核武器等之后又一個重要里程碑。它以光束作戰(zhàn)的迅速反應(yīng)能力，外科手術(shù)式殺傷的高效作戰(zhàn)方式。以及特別適合于反衛(wèi)星和破壞敵方信息系統(tǒng)，使其成為新一代主戰(zhàn)兵器。55

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然光纖通信所用的激光器

光纖通信中，所用的光源有三種：半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體發(fā)光二極管和非半導(dǎo)體激光器。在實際的光纖通信系統(tǒng)中，通常選用前兩種。而非半導(dǎo)體激光器，如氣體激光器、固體激光器等，雖然它們是最早制成的相干光源，但由于體積太大，不適宜與體積小的光纖配合使用，只用于一些特殊場所。光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然56半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器定義：以一定的半導(dǎo)體材料做工作物質(zhì)而產(chǎn)生激光的器件。工作原理：

通過一定的激勵方式，在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶（導(dǎo)帶與價帶）之

間，或者半

導(dǎo)體物質(zhì)的能帶與雜質(zhì)（受主或施主）能級之間，實現(xiàn)非平衡載流子的粒

子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時，便產(chǎn)生受激

發(fā)射作

用。激勵方式：電注入式，光泵式和高能電子束激勵式。

?

電注入式半導(dǎo)體激光器，一般是由砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、

磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等材料制成的半導(dǎo)體面結(jié)型二極管，

沿正向

偏壓注入電流進(jìn)行激勵，在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射。

?

光泵式半導(dǎo)體激光器，一般用N型或P型半導(dǎo)體單晶（如砷化鎵

GaAS,InAs,InSb等）做工作物

質(zhì)，以其他激光器發(fā)出的激光作光泵激

勵。

?

高能電子束激勵式半導(dǎo)體激光器，一般也是用N型或者P型半導(dǎo)體單晶(

如PbS,CdS,ZhO等)做工作物質(zhì)，通

過由外部注入高能電子束進(jìn)行激勵

。

57

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然半導(dǎo)體激光器即為激光二極管，記作LD。它是前蘇聯(lián)科學(xué)家H.

Γ.巴索夫于1960年發(fā)明的。58

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然

僅僅有光放大功能還不能形成光振蕩。正如電子電路中的振蕩器那樣，只有放大功能不能產(chǎn)生電振蕩，還必須設(shè)計正反饋電路，是電路中所損失的功率由放大的功率得到補(bǔ)償。同樣，在激光器中也是借用電子電路的反饋概念，把放大了的光反饋一部分回來進(jìn)一步放大，產(chǎn)生振蕩，發(fā)出激光。這種用于實現(xiàn)光的放大反饋的儀器稱為光學(xué)諧振腔。

半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點：尺寸小，耦合效率高，響應(yīng)速度快，波長和尺寸與光纖尺寸適配，可直接調(diào)制，相關(guān)性好。59

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然一.

半導(dǎo)體激光器的原理光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然60

回憶光作用下的躍遷和輻射

E2

-

E1

=

hvE2E1(a)

受激吸收hvE2E1(b)

自發(fā)輻射：非相干光hv(c)

受激輻射：相干光

E2hv

E1hvhv光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然61回憶：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件凈發(fā)光速率=受激輻射速率+自發(fā)輻射速率—受激吸收速率>0Fc-Fv>hv≥Eg伯納德-杜拉福格條件光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然62理解Fc-Fv>hv≥EgFcFv無載流子注入時（無電泵浦或光電浦）有載流子注入時（無電泵浦或光電浦）載流子注入

Fc光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然63LD的原理

增益介質(zhì)（激活介質(zhì)，

active

medium

,

gain

medium）

泵浦源(pump

source)

諧振腔(resonant

cavity)產(chǎn)生激光的三要素解理面

LD中稱為有源區(qū)域

LD一般是由電泵浦注入

電流

LD一般由它的晶體自然

解理面承擔(dān)，或者內(nèi)部

，外部反饋機(jī)構(gòu)有源區(qū)激光P包層N包層

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然產(chǎn)生激光必須滿足什么條件？

（1）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件——必要（2）諧振腔——必要（3）閾值條件——充分

64

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然閾值條件（增益大于損耗）

激活介質(zhì)在泵浦源的作用下，達(dá)到了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件之后，對光具有

放大能力g≥0

達(dá)到了透明條件，但是仍然不會激射

因為：

內(nèi)部損耗α1

輸出損耗αout

只有當(dāng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)到一定程度之后，提供的增益與損耗相當(dāng)時，才產(chǎn)

生激光

gth=

αi+

αout

65光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然66諧振腔——維持光振蕩定向，選頻，放大作用有源區(qū)R1R267

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然

光子在兩個解理面間運(yùn)動，滿足一定的相位和振幅條件，就可以使光在F-P腔里建立起穩(wěn)定的振蕩，并在F-P腔的兩端輸出譜線很窄的相干光束-激光束。

激光振蕩的閾值條件

如何推到？光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然E2E0E1E3E4τ1τ221E1

E0ei

Le

g

i

L

E2

rE1

E3

E2ei

Le

g

i

L

E4

rE3

68振幅閾值條件光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然69實部：振幅閾值條件1ln

12L

1rr2gth

i

2

n

虛部：相位閾值條件（駐波條件）

2

L

m

2nL=mλ

(

m=1,2,3,…

)

振幅閾值條件

維持振蕩條件：

E4=E0i2

L701

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然

振幅閾值條件振幅閾值條件的理解——如何降低閾值？

1

rr2

?

[1]

αi↓

——工藝（雜質(zhì)，缺陷，界面）

——結(jié)構(gòu)（對光子，電子的限制）

——材料（體材料？量子阱？應(yīng)變？）

?

[2]

L↑

——但是它受到單縱模式工作的限制

?

[3]

R↑

——鍍增反膜光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然71閾值表現(xiàn)

gth——閾值增益?g達(dá)到gth時，才激射

Nth——閾值載流子濃度

?

N達(dá)到Nth時，才激射

Ith——閾值電流：

?

I>=Ith時，才激射

Jth——閾值電流密度?J>=Jth時，才激射g

N

N0

72

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然

相位閾值條件（駐波條件）的理解

2nL=mλ

(

m=1,2,3,…

)

可能有多個波長的光滿足了閾值條件，LD同時發(fā)射出多個波

長的激光。

每一個激射的波長，都稱為LD的一個縱模模式。

所有這些模式形成了LD的縱模模譜。單縱模LD多縱模LD光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然

兩個條件的理解

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件——發(fā)射激光的

必要條件

?滿足

g>0——初選

Fc-Fv>hv≥Eg

閾值條件——發(fā)射激光的充分條件

?滿足增益閾值條件——第二次選舉ln

12L

1R1R2gth

i

?滿足相位閾值條件（駐波條件）

——第三次選舉

2nL=mλ

(

m=1,2,3,…

)

7374Fc-FvEg

gth

0能量g增益譜二選——振幅閾值條件

初選——反轉(zhuǎn)條件

波長三選——相位條件

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然半導(dǎo)體激光器設(shè)計的三次選擇75回憶

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然LD的核心部位

激光器包括：

?

有源區(qū)（增益介質(zhì)）

?

泵浦源

?

諧振腔

產(chǎn)生激光條件

?

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件

?

閾值條件

有源區(qū)

解理面

激

光?

激光再次產(chǎn)生并放大?

提供載流子餓e,h?

光放大?

必要條件（g>0）?

充分條件（g

克服損耗）

P包層

N包層光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然76二.

半導(dǎo)體激光器的共性結(jié)構(gòu)光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然77

同質(zhì)結(jié)LD

1962年，第一臺LD：

寬接觸GaAs同質(zhì)結(jié)LD解理面電極引線P-GaAsN-GaAs光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然78同質(zhì)結(jié)LD的缺點

e,

h被限制在很大的擴(kuò)散長度內(nèi)，幾個um，在這么厚的有源中，很難達(dá)到N~Nth

光子的限制也很?。ㄖ辉诘蜏叵?，在P-N結(jié)附近才存在一個自由電子產(chǎn)生的很小的折射率臺階——很弱的光波導(dǎo)作用）寬接觸，電流不能很好地集中在有源區(qū)Jth高達(dá)104A/cm2液N2，脈沖工作無實用價值光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然79

單異質(zhì)結(jié)LD有源層一邊的材料與有源層不同（其Eg

較大），另一邊材料與有源層的相同

金屬接觸

P-GaAlAs

P-GaAs有源層

N-GaAs金屬接觸光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然

單異質(zhì)結(jié)LD

注入電子被限制在P-GaAs之內(nèi)

（e一邊有限制，但是空穴無限制）

光子被限制在P-GaAs之內(nèi)

（但是光場的另一側(cè)無限制）

（寬接觸，無電流限制）

Jth比同質(zhì)結(jié)降低一個數(shù)量級

室溫脈沖，不能室溫連續(xù)工作

8081有源層

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然

雙異質(zhì)結(jié)——“三明治”P包層、N包層將有源層夾在中間

金屬接觸

P-GaAlAsP-GaAs

光束

N-GaAlAs

N-GaAs金屬接觸光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然82雙異質(zhì)結(jié)LD

有源層兩邊都是較大Eg的不同材料

e,h

被大Eg材料限制在有源層內(nèi)

有好的折射率臺階，有光波導(dǎo)作用，提供光子限制

（寬接觸，無電流限制）Jth降到了102A/cm2室溫，連續(xù),可以實用化光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然83金屬接觸

P-GaAlAs

P-GaAs

N-GaAlAs

N-GaAs

金屬接觸橫向

側(cè)向縱向橫向、側(cè)向、縱向光束84

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然雙異質(zhì)結(jié)——“三明治”

有源層的Eg較小，兩邊材

料的Eg較大

有源層的折射率n較大，兩

邊材料的n較小

將載流子限制在有源區(qū)中

將光場限制在有源區(qū)中（

限制光子）一般來說，Eg大的材料，其折射率較小85

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然同質(zhì)結(jié)&單異質(zhì)結(jié)&雙異質(zhì)結(jié)+P—InGaAs歐姆接觸層P-InPP包層InGaxAsyP有源層n-InP緩沖層、N包層n-InP襯底

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然雙異質(zhì)結(jié)LD的基本層次結(jié)構(gòu)

襯底

Substrate

緩沖層N包層有源層P包層Buffer

layerN-cladding

layeractive

regionP-cladding

layer

歐姆接觸層

Ohmn

contact

layer

8687對

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然回憶：一個好的LD應(yīng)該：

電流載流子光子

提供良好的限制作用I

IthN

Nthg

gth88

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然回憶：雙異質(zhì)結(jié)——“三明治”

有源層的Eg較小，兩邊材

料的Eg較大

有源層的折射率n較大，兩

邊材料的n較小

將載流子限制在有源區(qū)中

將光場限制在有源區(qū)中（

限制光子）一般來說，Eg大的材料，其折射率較小+P—InGaAs歐姆接觸層P-InPP包層InGaxAsyP有源層n-InP緩沖層、N包層n-InP襯底89

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然回憶：雙異質(zhì)結(jié)LD的基本層次結(jié)構(gòu)

橫向：

由雙異質(zhì)結(jié)對光場

和載流子提供限制

作用

側(cè)向：

無限制作用光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然90橫向

側(cè)向縱向橫向、側(cè)向、縱向金屬接觸

P-GaAlAs

P-GaAs

光束

N-GaAlAs

N-GaAs

金屬接觸91

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然LD對側(cè)向的限制成為區(qū)分寬面、條

形激光器的判斷標(biāo)準(zhǔn)92

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然寬面LD

對電流的限制（無）

對載流子的限制

?對載流子的橫向限制（有，雙異質(zhì)結(jié)，Eg不同）

?對載流子的側(cè)向限制（無）

對光子的限制

?對光子對光子的橫向限制（有，雙異質(zhì)結(jié)、折射率不同）

?的側(cè)向限制（無）93

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然異質(zhì)結(jié)LD的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，僅僅在垂直于結(jié)平面方向（橫向）對有源區(qū)的載流子和光子進(jìn)行限制的寬面異質(zhì)結(jié)LD有許多不足之處。側(cè)向（平行于結(jié)平面）具有許多模式，近場分布呈現(xiàn)出所謂多“光絲”，而且隨著注入電流的增加，這些光絲的空間分布將發(fā)生變化光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然

條形LD

條形LD——將有源

層限制在一窄條區(qū)內(nèi)，

在側(cè)向?qū)﹄娏?，或?/p>

載流子，或者光子也

有限制作用

分為：

?

增益波導(dǎo)型

?

折射率波導(dǎo)型

94光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然95

在很多應(yīng)用中要求LD有很好的橫模（包括側(cè)模）特性。一些應(yīng)用中，要求有盡可能圓對稱的遠(yuǎn)場光斑.可行的途徑是在LD有源層的側(cè)向也對其內(nèi)部的載流子和光子施行限制。所謂條形LD條形LD是LD實現(xiàn)室溫工作后一個重要的發(fā)展里程碑。96

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然條形半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點

①由于有源區(qū)側(cè)向尺寸減小，光場對稱性增加，因而能提高光源與光纖的耦合效率；

②因為在側(cè)向?qū)﹄娮雍凸鈭鲇邢拗?，有利于減少激光器的閾值電流和工作電流，有利于提高電-光轉(zhuǎn)換效率

③激光器的熱阻減少，提高了激光器的熱穩(wěn)定性；

④由于有源區(qū)面積小，容易獲得缺陷盡可能少或無缺陷的有源區(qū)，同時有源區(qū)與外界隔離，有利于提高器件的穩(wěn)定性與可靠性；

⑤有利于改善側(cè)向模式。97

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然條形LD中的側(cè)向電流擴(kuò)展和側(cè)向載流子擴(kuò)散

條形激光器的側(cè)向電流擴(kuò)展：

側(cè)向電流擴(kuò)展：條形接觸電極與有源層的pn結(jié)之間多數(shù)載流

子在電子作用下側(cè)向的漂移運(yùn)動。

注入有源層的非平衡少數(shù)載流子由中心向兩

側(cè)所形成的濃度梯度使其產(chǎn)生側(cè)向擴(kuò)散98

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然分類：

（1）電極條形激光器

在P+-GaAs緩沖層上沉積或濺射SiO2，然后用標(biāo)準(zhǔn)光刻

工藝開發(fā)條形窗口，最后沉積條形電極。99

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然（2）質(zhì)子轟擊隔離條形激光器條形電極部分用條形金屬膜板掩蔽，被質(zhì)子轟擊的部分會進(jìn)入高阻區(qū)，從而限制電流的側(cè)向流動。100

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然（3）臺面條形激光器條形光刻技術(shù)、4-H2SO4:

1-H2O2:

1-H2O腐蝕劑;腐蝕深度：到達(dá)緊貼襯底的限制層N-AlGaAs

。光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然101道襯底平面條形激光器溝道襯底埋層異質(zhì)結(jié)激光器雙溝道襯底埋層異質(zhì)結(jié)激光器（4）平面條形激光器及掩埋條形激光器

具有雙電流限制機(jī)構(gòu)的溝102

FP腔半導(dǎo)體激光器臺面條形

激光器

平面條形

激光器

掩埋條形

激光器

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然小結(jié)：F-P腔LD的分類

脊型波導(dǎo)LD

SiO2條形

激光器

質(zhì)子轟擊條

形激光器

Zn擴(kuò)撒條

激光器雙溝掩埋臺面掩埋

寬面

激光器

條形

激光器分布式反饋

激光器光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然三.

常見半導(dǎo)體激光器的分類

布拉格反射（DBR）激光器

分布反饋（DFB）激光器

量子阱（QW）激光器等

垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL

可調(diào)激光器

光纖激光器

103光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然單片布拉格激光器（Distributed

Bragg

Reflection,

DBR）

單片布拉格激光器內(nèi)部用布拉

格光柵做反射器來獲得譜線更窄的

激光。

在兩種不同介質(zhì)的交界面上，

制造出周期性的反射點，當(dāng)光照射

在反射點上將產(chǎn)生周期性的反射。

激光器的輸入波長：λ=2nA/m

，其中A為兩反射點間的距離。

104光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然單片分布反饋激光器（Distributed

Feed

Back,

DFB）

用布拉格反射原理制成的另一種激光器是分布反饋器。DFB激光器和DBR激光器結(jié)構(gòu)不同，DFB的光柵和有源層疊放在一起，DBR則分層放置。二者原理相同。滿足一定條件的特定波長的光才能受到強(qiáng)烈反射，從而產(chǎn)生足夠功率、譜線較窄的激光。

A+B=mλn，其中A為兩反射點間的距離，B為反射光程差。

105光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然106內(nèi)置布拉格光柵FBG：

只有符合反射條件的

光會得到強(qiáng)烈反射經(jīng)

歷放大過程2(m

1/2)

B2neLe輸出的波長為：

B

m是縱模的階數(shù)分布反饋式激光器107

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然量子阱激光器

量子阱激光器采用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。有源層的厚度在幾個納米

，當(dāng)有源層的厚度小到某一數(shù)值時，就會出現(xiàn)所謂的量子阱

效應(yīng)，即有源層與兩邊相鄰的能帶不連續(xù)，在有源層的異質(zhì)

結(jié)上出現(xiàn)導(dǎo)帶和價帶的突變，這樣窄帶隙的有源區(qū)為導(dǎo)帶中

的電子和價帶中的空穴創(chuàng)造了一個勢能阱，將載流子限制在

很薄的有源區(qū)內(nèi)，使有源區(qū)內(nèi)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)濃度非常高，這

是受激輻射發(fā)光的必要條件。108

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然

用這種原理做成的激光器就叫量子阱激光器或量子限制激光器。這種激光器還可以細(xì)分問單量子阱激光器（SingleQuantum

Well,

SQW）、多量子阱激光器（MultipleQuantum

Well,

MQW）、量子線激光器（QuantumWires,

QW）和量子點激光器（Quantum

Dots,

QD）。光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然109VCSEL

(Vertical

Cavity

Surface

Emitting

Laser)

由于垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）優(yōu)異的性能，從1979年提出VCSEL思想至今，研究單位和科學(xué)家們已經(jīng)從材料、結(jié)構(gòu)、器件性能和波長范圍方面做了長期深入的研究。特別是近年來，由于人們對超長距離、超高速、超大容量的光纖網(wǎng)絡(luò)和高性能、低成本的光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)不斷提出新的要求，從而極大推動了VCSEL的發(fā)展。雖然目前通信市場萎縮，但據(jù)美國ElectroniCast最近預(yù)測，全球用于光通信的VCSEL激光收發(fā)機(jī)的需求量在未來5年內(nèi)仍將以每年35%的速率遞增，到2006年將達(dá)到20億美元。110

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然VCSEL的結(jié)構(gòu)

典型的VCSEL由高反射率（>99%）分布式布拉格反射（DBR,

Distributed

Bragg

Reflections）鏡面、有源層和金屬接觸層組成。量子阱有源層夾在n-DBR和p-DBR之間。DBR反射鏡由光學(xué)厚度為λ/4的高折射率層和低折射率層交替生長而成。光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然111VCSEL的特點VCSEL與邊發(fā)射激光器不同的結(jié)構(gòu)帶來了許多優(yōu)勢：1.

小的發(fā)射角和圓形對稱的遠(yuǎn)、近場分布使其與光纖的耦合效率大大提高，已證實與多模光纖的耦合效率竟能大于90%；2.

VCSEL的光腔長度極短，導(dǎo)致其縱橫間距拉大，可在較寬的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)單縱模工作，動態(tài)調(diào)制頻率高；3.

腔體積減小使得其自發(fā)輻射因子較普通端面發(fā)射激光器高幾個數(shù)量級，這導(dǎo)致許多物理特性大為改善；4.

可以在片測試，極大地降低了開發(fā)成本；出光方向垂直襯底，可實現(xiàn)高密度二維面陣的集成；5.

最吸引人的是它的制造工藝與發(fā)光二極管（LED）兼容，大規(guī)模制造的成本很低。112

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然

VCSEL發(fā)展到今天，從器件性能到覆蓋波長，從實驗研究到工業(yè)應(yīng)用，各方面都顯示出它作為新一代半導(dǎo)體光源的潛力，可以說，面發(fā)射激光器是未來實現(xiàn)大規(guī)模的并行光處理所必須的器件。?

作為單個器件，它本身可在極低閾值下工作，并有單一波

長，圓形的窄輸出光束，可以高速調(diào)制。?

若集成成二維面陣，則可實現(xiàn)多波長陣列，高功率陣列，

并能大量生產(chǎn)，而且由于利用MEMS技術(shù)使層疊集成成為

可能，新的器件可能會不斷出現(xiàn)。光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然113波長可調(diào)諧激光器

在一些應(yīng)用中（WDM）需要許多種不同波長的光源。如果能夠?qū)σ环N激光器的光波長加以改變，獲得不同波長的激光，這樣就可以減少光源器件的品種，有利于簡化設(shè)計和降低成本。

可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器（ECDL）是一種新型可調(diào)諧光源，由于它大功率輸出時可以具有超寬帶的可調(diào)諧范圍（超過100nm），因而成為新一代光源的研究熱點。ECDL通常由外部鏡面或光柵與半導(dǎo)體激光二極管構(gòu)成諧振腔，有單邊結(jié)構(gòu)（single-sided

ECDL）和雙邊結(jié)構(gòu)（two-sidedECDL）之分，外部鏡面或光柵的調(diào)節(jié)目前一般結(jié)合使用MEMS技術(shù)，因此具有較好的調(diào)諧精度和波長調(diào)諧速度。114

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然

可調(diào)諧激光器的結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理變化多樣，半導(dǎo)體可調(diào)諧激光器的調(diào)諧有電調(diào)諧、熱調(diào)諧和機(jī)械調(diào)諧等方式，分為外腔型和腔內(nèi)多電極等結(jié)構(gòu)，可調(diào)諧光纖激光器的調(diào)諧通常使用可調(diào)諧濾波器來實現(xiàn)?？烧{(diào)諧激光器不僅可以用作DWDM系統(tǒng)的光源，還可以用作分組交換器件、接入波長路由器等，在光通信中具有非常大的應(yīng)用潛力，最終將會代替目前通信市場上占主流地位的固定波長激光器。115

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然

可調(diào)諧DBR激光器，一般是通過電注入改變光柵折射率來實現(xiàn)波長調(diào)諧的，為獲得大的調(diào)諧范圍，其中需要使用取樣光柵（SG）、超結(jié)構(gòu)光柵（SSG）等，光柵耦合取樣反射激光器（GCSR）也可以獲得比較大的調(diào)諧帶寬（3dB帶寬為40nm）。光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然116四.

半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點、歷史和制備工藝光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然117

LD的優(yōu)點?

轉(zhuǎn)換效率高?

體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單?

可集成?

波段覆蓋范圍廣?

使用壽命長?

可直接調(diào)制?

價格便宜光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

·

第四講

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郝然118第一臺

LD1962年GaAs

PN結(jié)—同質(zhì)結(jié)波長850nm液氮脈沖閥值電流密度：>5×104A/cm2119

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

·

第四講

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郝然

LD的發(fā)展1、降低閾值電流

Ith

Ith大的危害

溫度、轉(zhuǎn)換效率、工作方式、壽命、性能穩(wěn)定

手段

?

同質(zhì)結(jié)→異質(zhì)結(jié)→雙異質(zhì)結(jié)

?

寬面→側(cè)向增益波導(dǎo)→側(cè)向折射率波導(dǎo)

?

體材料→量子阱→量子線→量子點

幾百mA→幾十mA→mA→μA

壽命提高到百萬小時，從最初的低溫（77K）下運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)展到室溫聯(lián)系工作光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然120

LD的發(fā)展2、擴(kuò)展波段

?

第一臺：

?

長波方向：

980nm，1310nm,14××nm,1550nm,幾u(yù)m

到幾十

um

?

短波方向：

可見光（390nm-750nm紅光，藍(lán)綠光，紫光），紫外手段

?

新材料開發(fā)

?

組分改變

?

改變有源區(qū)厚度

?

體材料-量子阱、線、點-應(yīng)變量子阱-量子級聯(lián)LD光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然121

LD的發(fā)展3、功能的擴(kuò)展信息型激光器—以傳遞信息為目的

?

光纖通信

?

光互連

?

光計算

?

光存儲功率型激光器—以提高光功率為目的

?

LD泵浦光源—用在EDFA，Raman光放大器，參量光放大器中

?

LD泵浦固體激光器

?

醫(yī)學(xué)、工業(yè)等輸出功率由幾毫瓦提高千萬級（陣列器件）光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然122LD的發(fā)展4、集成化

LD多波長陣列

LD大功率陣列

LD與其他器件的集成：

LD+EAM

LD+SOA

LD+PD（光探測器）

……123

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然材料生長——MOCVD（或者M(jìn)BE、液相外延等）光刻刻蝕（化學(xué)腐蝕，干法刻蝕）蒸電極鍍膜解理切割124

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然LD制作的工藝流程光柵制作二次外延生長一次光刻脊波導(dǎo)腐蝕套刻三次光刻：電極圖形歐姆接觸8、端面鍍膜

9、解理成管芯光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然125五.

半導(dǎo)體激光器的主要特性光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然126

LD的優(yōu)點?

轉(zhuǎn)換效率高?

體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單?

可集成?

波段覆蓋范圍廣?

使用壽命長?

可直接調(diào)制?

價格便宜光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然127第一臺

LD1962年GaAs

PN結(jié)—同質(zhì)結(jié)波長850nm液氮脈沖閥值電流密度：>5×104A/cm2128

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然

LD的發(fā)展1、降低閾值電流

Ith

Ith大的危害

溫度、轉(zhuǎn)換效率、工作方式、壽命、性能穩(wěn)定

手段

?

同質(zhì)結(jié)→異質(zhì)結(jié)→雙異質(zhì)結(jié)

?

寬面→側(cè)向增益波導(dǎo)→側(cè)向折射率波導(dǎo)

?

體材料→量子阱→量子線→量子點

幾百mA→幾十mA→mA→μA

壽命提高到百萬小時，從最初的低溫（77K）下運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)展到室溫聯(lián)系工作光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然129

LD的發(fā)展2、擴(kuò)展波段

?

第一臺：

?

長波方向：

980nm，1310nm,14××nm,1550nm,幾u(yù)m

到幾十

um

?

短波方向：

可見光（390nm-750nm紅光，藍(lán)綠光，紫光），紫外手段

?

新材料開發(fā)

?

組分改變

?

改變有源區(qū)厚度

?

體材料-量子阱、線、點-應(yīng)變量子阱-量子級聯(lián)LD光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然130

LD的發(fā)展3、功能的擴(kuò)展信息型激光器—以傳遞信息為目的

?

光纖通信

?

光互連

?

光計算

?

光存儲功率型激光器—以提高光功率為目的

?

LD泵浦光源—用在EDFA，Raman光放大器，參量光放大器中

?

LD泵浦固體激光器

?

醫(yī)學(xué)、工業(yè)等輸出功率由幾毫瓦提高千萬級（陣列器件）光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然131LD的發(fā)展4、集成化

LD多波長陣列

LD大功率陣列

LD與其他器件的集成：

LD+EAM

LD+SOA

LD+PD（光探測器）

……132

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然材料生長——MOCVD（或者M(jìn)BE、液相外延等）光刻刻蝕（化學(xué)腐蝕，干法刻蝕）蒸電極鍍膜解理切割133

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然LD制作的工藝流程光柵制作二次外延生長一次光刻脊波導(dǎo)腐蝕套刻三次光刻：電極圖形歐姆接觸8、端面鍍膜

9、解理成管芯134對

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然

一個好的LD應(yīng)該：電流載流子光子

提供良好的限制作用I

IthN

Nthg

gth135Why？光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然

I

Ith

N

Nth

g

gth

電流限制將電流高效率地導(dǎo)引

進(jìn)有源區(qū)中

載流子限制將載流子（e、h）

有效地限制在有源區(qū)中

光子限制是的光子不致于跑到

有源區(qū)域外

否則被浪費(fèi)，產(chǎn)生有害的熱效

應(yīng)

I

Ith

只有在此處復(fù)合產(chǎn)生的光子才

能得到放大

N

Nth

否則會被吸收，或散射

g

gth136

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然波長特性

半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長取決于導(dǎo)帶的電子躍遷到價帶時所釋放的能量，這個能量近似等于禁帶寬度Eg（eV），我們可以得出：

λ=1.24/Eg

不同半導(dǎo)體材料有不同的禁帶寬度Eg，因而有不同的發(fā)射波長。137

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然光譜特性

在直流驅(qū)動下，發(fā)射光波長有一定的分布，譜線具有明顯的模式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生是因為導(dǎo)帶和價帶都是由許多連續(xù)能級組成的有一定寬度的能帶，兩個能帶中不同能級之間電子的餓躍遷會產(chǎn)生連續(xù)波長的光輻射。其中只有符合激光振蕩相位條件的波長存在。這些波長取決于激光器縱向長度L，稱之為激光器的縱模。138

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然光譜特性

隨著驅(qū)動電流的增加，縱模模數(shù)逐漸減少，譜線寬度變窄。這種變化是由于諧振腔對光波頻率和方向的選擇，使邊模消失，主模增益增加而產(chǎn)生的。而驅(qū)動電流足夠大時，多縱模變?yōu)閱慰v模，這種激光器稱為靜態(tài)單縱模激光器。隨著調(diào)制電流增加，縱模模數(shù)增多，譜線寬度變寬。用F-P腔可以得到的是支流驅(qū)動的靜態(tài)單縱模激光器，要得到高速數(shù)字調(diào)制的動態(tài)單縱模激光器，必須改變激光器的結(jié)構(gòu)，如DFB。光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然139Mode

spacing

Phase

condition

for

lasing:

2βL=2πmUsing

β=2πn/λ

and

λ=c/v:M=(2Ln/c)VmΔv=c/2LnSubstituting

Δv/v=Δλ/λ

and

c=λv:Δλ=λ2/2Ln光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然140Radiation

Patterns

in

Lasers光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然141轉(zhuǎn)換效率和輸出光功率特性和電子電荷光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第四講

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郝然142External

different

quantum

efficiency（外微分量子效率ηd）Number

of

photons

emitted

perradiative

electron-hole

pairrecombinationηd=

(ΔP/Δ