量子阱激光器为了进一步提高激光发射效率-Read课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光纤通信简明教程,光纤通信简明教程,第,4,章 光源和光发射机,本章内容,4.1,半导体的能带理论,4.2,发光二极管,4.3,半导体激光器,4.4,光调制,4.5,光发送机,小结、习题,第4章 光源和光发射机本章内容,概 述,一，光通信对光源的要求,合适的波长,0,，而且光谱窄,足够的入纤光功率,P,良好的调制特性,（响应速度快）,稳定性好，寿命长，成本低,概 述一，光通信对光源的要求合适的波长0，而且光谱窄,常用半导体激光器,LD,和发光二极管,LED,；,二，采用半导体光源的理由,体积小，易与光纤耦合,发光波长适合光纤的低损耗传输窗口,可以电光直接调制,可靠性较高,常用半导体激光器LD二，采用半导体光源的理由体积小，易与光纤,4.1,半导体的能带理论,1.,半导体的能带,半导体的主要特征是它们的内部原子有规则地、周期性地排列着。作共有化运动的电子受到周期性排列着的原子的作用，它们的势能具有晶格的周期性。因此，晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同而分裂成若干组。虽然在半导体中能级还是离散的，但是每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带。人们把这些组想象为很宽的连续的能量区，称为能带。,4.1 半导体的能带理论1.半导体的能带,能级理论：,原子由原子核和核外沿固定轨道旋转的电子组成；,电子在特定的能级中运动，并通过与外界交换能量发生能级跃迁；,能级所对应的能量值是离散的。,能级理论：,锗、硅和,GaAs,等都是共价晶体。形成共价键的价电子所占据的能带称为价带。,价带下面的能带是被电子占满了，称为满带。,价带上面的能带称为导带。,价带和导带之间的宽度，不能被电子占据,因此称为禁带。,锗、硅和GaAs等都是共价晶体。形成共价键的价电子所占据的能,（,1,）半导体的禁带很窄，,价,带中的电子较易进入导带。导带中的电子在外场作用下运动而参与导电。,（,3,）金属,导体没有禁带，可显示很强的导电性。,（,2,）绝缘体的禁带很宽，,价,带中的电子很难进入导带，,导电性很差。,外 场,价,带,导带,价,带,导带,价,带,导带,（,1,）半导体,禁带,禁带,外 场,（,2,）绝缘体,（,3,）金属,（1）半导体的禁带很窄，价带中的电子较易进入导带。导带中的电,半导体光源：,在注入电流作用下，电子从低能级跃迁到高能态，形成粒子数反转，电子再从高能态跃迁到低能态产生光子而发光。,半导体光检测器：,注入光作用下，电子从低能态跃迁到高能态，并在外加电场作用下形成光生电流。,半导体光源：在注入电流作用下，电子从低能级跃迁到高能态，形成,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,h,等于导带价带能量差，即,h,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；,受激发射：,处在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模一样的光子，跃迁到低能态。,处于高能态（导带）电子不稳定，向低能态（价带）跃迁，,自发发射,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。,受激发射,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,通过受激发射过程发光。,由于价带和导带之间是多个能级参与辐射，所以半导体发射的光存在一定的光谱宽度。,自发发射受激发射 由于价带和导带之间是多个能级,光吸收：,处于低能态电子，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,h,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、受激发射和受激吸收三种过程是同时存在的。,光吸收：处于低能态电子，如果受到外来光的照射，当光子能量等于,考虑两能级原子系统。在单位物质中，处于低能级,E1,和高能级,E2,的原子数分别为,N1,和,N2,。系统处于热平衡状态时，服从玻尔兹曼统计分布：,考虑两能级原子系统。在单位物质中，处于低能级E1和高,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，称为粒子数反转。,N1N2：,费米能级,-,在热平衡下电子占据能级的概率,0.5,1,0,T,T,式中，玻尔兹曼常数,K,是绝对温度,当,K=0,EE,f,f(E)=0,E=E,f,f(E)=0.5,如 则,f(E),0,如 则,f(E)99.3%,费米能级位置高低,反映电子占据能级的水平,（近似认为 以上无电子）,费米能级-在热平衡下电子占据能级的概率0.510TT式,量子阱激光器为了进一步提高激光发射效率-Read课件,物质,禁带,Eg,（,eV,）,波长（,nm,）,Si,1.17,1067,Ge,0.775,1610,GaAs,1.424,876,InP,1.35,924,InGaAs,0.751.24,16641006,AlGaAs,1.421.92,879650,InGaAsP,0.751.35,1664924,物质禁带Eg（eV）波长（nm）Si1.171067Ge0.,2.,半导体,PN,结的形成,当一个,P,型半导体和一个,N,型半导体有了物理接触时，就形成一个,PN,结。,GaAs,掺,Ge,或,Zn P,型,2,3,4,5,GaAs,掺,Te,或,Si N,型,3,4,6,5,2.半导体PN结的形成当一个P型半导体和一个N型半导体有了物,N,型半导体中过剩电子占据了本征半导体的导带。,P,型半导体中过剩空穴占据了价带。,本征半导体的费米能级位于带隙中间；,N,型掺杂将使费米能级向导带移动，,P,型掺杂使费米能级向价带移动；,对于重掺杂,N,型半导体，费米能级位于导带内,兼并型,N,型半导体；,对于重掺杂,P,型，费米能级位于价带内,兼并型,P,型半导体；,N型半导体中过剩电子占据了本征半导体的导带。本征半导体的费米,双兼并型半导体：,非热平衡状态时，在,E,fc,和,E,fv,之间形成了一个粒子数反转区域。,如果入射光波能量满足：,则经过双兼并型半导体时将得到放大。,双兼并型半导体：,PN,结具有单向导电性,当,PN,结加上正向电压时，外加电压的电场方向消弱了自建场，,P,区的空穴通过,PN,结流向,N,区，,N,区的电子也流向,P,区，形成正向电流。由于,P,区的空穴和,N,区的电子都很多，所以这股正向电流是大电流。,当,PN,结加反向电压时，外电场的方向和自建场相同，多数载流子将背离,PN,结的交界面移动，使空间电荷区变宽。空间电荷区内电子和空穴都很少，它变成高阻层，因而反向电流非常小。,PN结具有单向导电性当PN结加上正向电压时，外加电压的电场方,正向偏压：,P,区空穴不断流向,N,区，,N,区电子流向,P,区，通过复合发光。,自发发射复合,LED,受激发射复合,LD,反向偏压：,区域内电子和空穴都很少，形成高阻区。,正向偏压：,一个热平衡系统只能有一个费米能级。,处于热平衡状态时，,PN,结两侧的费米能级相等。,如果,N,区的能级位置保持不变，则,P,区的能级应该提高。,P,区,N,区,一个热平衡系统只能有一个费米能级。处于热平衡状态时，PN结,当正向电压加大到某一值后，,PN,结里出现了增益区,(,有源区,),。,E,fc,和,E,fv,之间价带主要由空穴占据，导带主要由电子占据，即实现了粒子数反转,。,当正向电压加大到某一值后，PN结里出现了增益区(有源区)。,3.,同质结和异质结,同质结就是在,PN,结的两边使用相同的半导体材料。,采用同质结结构的激光器或发光二极管存在如下两个问题。,首先是对光波的限制不完善。,另一方面的问题是对载流子的限制不完善。,因此，为了降低同质结半导体激光器的阈值电流，就要从上述两个方面来进行改进。,3.同质结和异质结同质结就是在PN结的两边使用相同的半导体材,双异质结：在宽带隙的,P,型和,N,型半导体材料之间插进一薄层窄带隙的材料。,双异质结：在宽带隙的P型和N型半导体材料之间插进一薄,异质结,(heterojunction),1,本征材料,-,宽带隙材料，如：,组分,x,改变,折射率,n,带隙,Eg,损耗,2,分类,反型异质结,同型异质结,P,型,GaAs N,型,GaAlAs,N,型,GaAs P,型,GaAlAs,P,型,GaAs P,型,GaAlAs,N,型,GaAs N,型,GaAlAs,异质结(heterojunction)1,本征材料-,3,构成例,单异质结,（,SH,）,异质结,作用区,双异质结,（,DH,）,作用区,异质结,3,构成例单异质结 异质结 作用区双异质结作用,双异质结,(DH),是窄带隙有源区,(GaAs),材料被夹在宽带隙的材料,(GaAlAs),之间构成。,增加载流子的注入效率,形成光波导效应,降低阈值电流,带隙差形成的势垒将电子和空穴限制在有源区复合发光；,折射率使光场（光子）有效地限制在有源区。,双异质结(DH)是窄带隙有源区(GaAs)材料被夹,4.2,发光二极管的工作原理,发光二极管,(LED),是低速、短距离光通信系统中常用光源。目前广泛采用,PN,异质结制造。,LED,的原理是在,LED,注入正向电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中发光。,LED,是非相干光源，它的发光过程是,自发辐射,过程，发出的是荧光，它没有光学谐振腔，是无阈值器件。,4.2 发光二极管的工作原理发光二极管(LED)是低速、短距,1.LED,的结构和工作原理,正向电压,V,提供的外加能量激发了处于导带的电子和空穴进入耗尽区并且发生复合，促使发光二极管,LED,产生了能量。与普通二极管以热能的方式释放能量不同，,LED,将大部分产生的能量以可见光的方式释放出来。,1.LED的结构和工作原理 正向电压V提供的外加,光功率,电流,N,电子数目,量子效率,Ep,光子能量,光功率电流N电子数目,LED,可分为面发光二极管和边发光二极管两大类,1),面发光二极管（,SLED,）,Surface,从平行于结平面的表面发光。,LED可分为面发光二极管和边发光二极管两大类 1)面发光二极,SLED,光束呈朗伯分布：,P=P,0,cos,SLED,特点：,工艺简单。,发散角大。,效率低。,调制带宽较窄。,SLED光束呈朗伯分布：P=P0cosSLED特点：,为提高面发光,LED,与光纤的耦合效率：,在井中放置一个截球透镜；,或者将光纤末端形成球透镜。,为提高面发光LED与光纤的耦合效率：,2,）边发光二极管,（,ELED,）,Edge,边发光二极管结构，,1.31m,，双异质结,InGaAsP/InP,。核心部分是一个,N-AlGaAs,有源层，及其两边的,P-AlGaAs,和,N-AlGaAs,导光层,(,限制层,),。导光层的折射率比有源层低，但比其他周围材料的折射率高，从而有源层产生的光波从端面发射出来。,2）边发光二极管（ELED）Edge边发光二极管结构，1.,ELED,特点：,发散角、耦合效率和调制带宽均比面发光,LED,有改善。,ELED特点：,LED,有如下工作特性：,1)LED,的光谱特性,它的谱线宽度较宽，对高速率调制是不利的。,短波长,长波长,LED有如下工作特性：短波长长波长,2,）,LED,的输出光功率特性,LED,的,P-I,曲线线性范围较大，当驱动电流,I,较小时，,P-I,曲线的线性较好，在进行调制时，动态范围大，信号失真小。,工作电流,入纤光功率：几百微瓦,输出光功率：几十毫瓦,2）LED的输出光功率特性 LED的P-I曲线线性范围较大，,3,）耦合特性,发散角,耦合效率低,SLED,4,）温度特性,温度特性较好,典型渐变折射率,62.5/125,光纤的,NA,是,0.275,3）耦合特性 发散角耦合效率低SLED4）温度特性 温度特性,5,）载流子生存周期和调制带宽,SLED,ELED,辐射复合生存期,非辐射复合生存期,5）载流子生存周期和调制带宽 SLEDELED辐射复合生存期,4.3,半导体激光器,半导体激光器（,LD,）主要适用于长距离大容量的光纤通信系统。尤其是单纵模半导体激光器，在高速率、大容量的数字光纤通信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,WDM,光纤通信系统的关键器件，越来越受到人们的关注。,4.3 半导体激光器 半导体激光器（LD）主要适,1,、光纤通信对半导体激光器的主要要求,半导体激光器,(LD),是光纤通信最主要的光源，对它的基本要求有以下几点：,（,1,）光源应在光纤的三个低损耗窗口工作，即发光波长为,0.85m,、,1.31m,或,1.55m,。,（,2,）光源的谱线宽度较窄，,=0.1,1.0nm,。,（,3,）能提供足够的输出功率，可达到,10mW,以上。,（,4,）与光纤耦合效率高，,30%,50%,。,（,5,）能长时间连续工作，工作稳定，提供足够的输出光功率。,1、光纤通信对半导体激光器的主要要求,2,、,LD,的工作原理,半导体激光器的组成,工作物质,激励源,光学谐振腔,半导体激光器产生激光输出的基本条件：,粒子数反转分布,光反馈,激光振荡的阈值条件,2、LD的工作原理,在热平衡下具有统一的费米能级,两异型半导体一接触,开始，载流子扩散运动占优势,但扩散形成势垒，不仅有碍扩散，而且导致反向漂移。,最终，扩散运动和漂移运动相互平衡，能带弯扭，,E,f,电,子,势,能,孔,穴,势,能,（就导带的电子而言：,P,区的较,N,区的高出势能,同理对于孔穴势能：,N,区的比,P,区的高,）,从而具有统一的费米能级,在热平衡下具有统一的费米能级两异型半导体一接触,E,f,电,子,势,能,孔,穴,势,能,外加正偏压下，（势垒降低）,在结区形成集居数分布反转,+,_,载流子复合,辐射发光,E 电孔 外加正偏压下,3.,常用半导体激光器,1,）法布里,珀罗激光器,普通的半导体激光器一般采用条形结构双异质结半导体激光器,(BH LD),，光学谐振腔为法布里珀罗腔,(F,P),，它可以分为两类，即增益波导,LD,和折射率波导,LD,。,3.常用半导体激光器 1）法布里珀罗激光器,L,驻波条件及谐振频率,谐振腔总损耗,（平均衰减系数）,L驻波条件及谐振频率谐振腔总损耗（平均衰减系数）,FP,腔中满足谐振条件的纵模是均匀分布的：,纵模间距：,FP 腔中满足谐振条件的纵模是均匀分布的：纵模间距：,利用纵模间距：,可计算激光器的腔长：,主导模式：最靠近增益峰的模式。,多模激光器：主模及其临近的两个边模同时振荡,利用纵模间距：可计算激光器的腔长：主导模式：最靠近增益峰的模,（,2,）动态单纵模半导体激光器,所谓动态单纵模半导体激光器,(SLM-LD),，就是指在高速调制下仍能单纵模工作的半导体激光器。目前，比较成熟的单纵模激光器有分布反馈激光器,DFB,及耦合腔激光器,（2）动态单纵模半导体激光器所谓动态单纵模半导体激光器(SL,分布反馈半导体激光器,(DFB-LD),，它是在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近，刻上波纹状的周期的光栅来构成的，如图示。,波长选择性,分布反馈半导体激光器(DFB-LD)，它是在异质结激光器具有,由于分布反馈激光器的这种工作方式，使得它具有极强的波长选择性，从而实现动态单纵模工作。,单纵模,LD,中除了一个主模外，其它纵模都被抑制了，同时主模的谱线宽度非常窄，通常小于,1nm,，用于高速光纤通信系统是非常理想的。,由于分布反馈激光器的这种工作方式，使得它具有极强的波长选择性,（,3,）量子阱激光器,为了进一步提高激光发射效率，可以使用一种特殊的制造技术来得到特别薄的激活区，厚度大概在,4-20nm,，这种技术被称为量子阱激光器。,量子激光器的主要优点在于阈值电流低，线宽窄，较高的光电转换效率，对输出光束更高的限制，以及发射更多可能波长光线的能力。,（3）量子阱激光器为了进一步提高激光发射效率，可以使用一种特,4,激光器,LD,的工作特性,（,1,）,P-I,曲线,阈值特性,线性特性,4 激光器LD的工作特性（1）P-I曲线阈值特性线性特性,2),光谱特性,GaAs LD,的光谱特性曲线如图所示。,单纵模与多纵模,峰值波长,谱线宽度（,-20dB,）,2)光谱特性单纵模与多纵模峰值波长谱线宽度（-20dB）,3),温度特性,（,1,）阈值电流,I,th,随温度的升高而加大，为了使光纤通信系统稳定、可靠地工作，一般都要采用自动温度控制电路，来稳定激光器的阈值电流和输出光功率。,（,2,）激光二级管的中心波长,随温度升高而增加。,3)温度特性,4,）转换效率,定义为激光器达到阈值后，输出光子数的增量与注入电子数的增量之比,4）转换效率定义为激光器达到阈值后，输出光子数的增量与注入电,LD,LED,工作波长,/m,1.3 1.55,1.3 1.55,谱线宽度,/nm,12 13,50100 60120,阈值电流,I,th,/mA,2030 3060,工作电流,I/mA,50150 100150,输出功率,P/mW,510 510,15 13,入纤功率,P/mW,13 13,0.10.3 0.10.2,调制带宽,B/MHz,5002000 5001000,50150 30100,辐射角,/（）,2030 2050,30120 30120,寿命,t/h,10,6,10,7,10,5,10,6,10,8,10,7,工作温度/,-2050 -2050,-2050 -2050,LD LED,4.4,光调制,根据调制与光源的关系，光调制可分为直接调制和间接调制两大类。从调制信号的形式来说，光源的调制又可分为模拟信号调制和数字信号调制。,4.4 光调制 根据调制与光源的关系，光调制可分为直接调制和,1,直接调制与间接调制,1,）光源的直接调制,光强度调制,光源的直接调制又称为光源的内部调制，它是将调制信号直接作用在光源上，把要传送的信息转变为电信号注入到,LD,或,LED,，获得相应的光信号。,1直接调制与间接调制1）光源的直接调制光强度调制,2,）光源的外部调制,光源的间接调制通常称为光源的外部调制，它是由恒定光源输出激光后，外加光调制器对光进行调制,声光调制,电光调制,磁光调制,恒定光源,光调制器,电调制信号输入,光信号输出,2）光源的外部调制声光调制恒定光源光调制器电调制信号输入光信,2,模拟信号与数字信号的直接调制,模拟信号调制是直接用连续的模拟信号,(,如话音、电视等信号,),对光源进行调制，这类调制要考虑到非线性失真的问题。,2模拟信号与数字信号的直接调制模拟信号调制是直接用连续的模,数字信号调制是直接用数字信号对光源进行调制。,数字信号调制是直接用数字信号对光源进行调制。,3,、,LD,调制特性,(1),电光延迟,（,0.5-2.5ns,）,注入电流,电子密度,光子密度,3、LD调制特性(1)电光延迟注入电流电子密度光子密度,(2),张驰振荡,(3),码型效应,(4),小信号输入的频率响应,(5),大信号输入的频率响应,(2)张驰振荡,4.5,光发送机,在光纤通信系统中，光发送机是实现电光转换的光端机。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆中去传输。,4.5 光发送机 在光纤通信系统中，光发送机是实,1,光发送机的要求,1,）有合适的输出光功率（入纤功率）,0.015mW,2,）良好的消光比,3,）调制特性要好,1光发送机的要求1）有合适的输出光功率（入纤功率）,2,光发送机的组成,光发送机的组成包括输入电路，反馈稳定驱动电路，光源与光纤的耦合、自动温度控制电路、自动功率控制电路及保护电路等。光发送机有直接调制光发送机和外部调制光发送机两种结构。,2光发送机的组成光发送机的组成包括输入电路，反馈稳定驱动电,直接调制的光发送机较为简单，所以目前使用的光发射机大多数是直接调制的光发送机，它的原理如图所示。,直接调制的光发送机较为简单，所以目前使用的光发射机大多数是直,外部调制电路目前采用的不多，但在超高速光纤系统更具有优越性，有较好的发展前景，它的原理如图所示。,外部调制电路目前采用的不多，但在超高速光纤系统更具有优越性，,3,输入电路,输入电路的功能是实现电端机（,PCM,）输入的信号转换成能在光纤线路传输码型的信号。,3输入电路输入电路的功能是实现电端机（PCM）输入的信号转,4,调制电路,光源的调制是指在光纤通信系统中，由承载信息的数字电信号对光波进行调制使其载荷信息。光源调制电路也称为驱动电路，不同光端机的驱动电路组成也不相同，最常见的是差分电流开关电路。,4调制电路光源的调制是指在光纤通信系统中，由承载信息的数字,（,1,）共发射极,LED,驱动电路,常用的,LED,直接调制电路为共发射极,LED,驱动电路。,（1）共发射极LED驱动电路,单管集电极,LD,驱动电路,LD,的预偏置电流,I,B,由电阻,R,B,支路提供。,BG,工作在导通,-,截止的开关状态。,当,Vin,为“,0”,码时，则,BG,截止，,LD,上只有电流,I,B,流过，故,LD,不发出激光；当,Vin,为“,1”,码时，则,BG,导通，,LD,上有电流,I,M,+I,B,流过，故,LD,发出激光。单管集电极驱动电路适用于低速率光纤通信系统。,单管集电极LD驱动电路LD的预偏置电流IB由电阻RB支路提供,2,）射极耦合跟随器,LD,驱动电路,3,）反馈稳定,LD,驱动电路,4,）集成激光驱动器,2）射极耦合跟随器LD驱动电路,图中，半导体三极管,BG1,、,BG2,通过射极电阻,Re,耦合形成电流开关。,BG1,、,BG2,轮流工作在导通,-,截止的开关状态。当,Vin,为“,0”,码时，则,BG1,导通、,BG2,截止，,LD,上只有电流,I,B,流过，故,LD,不发出激光；当,Vin,为“,1”,码时，则,BG1,截止、,BG2,导通，,LD,上有电流,I,M,+I,B,流过，故,LD,发出激光。射极耦合电流开关驱动电路适用于中速率和高速率光纤通信系统。,射极耦合电流开关型,LD,驱动电路,图中，半导体三极管BG1、BG2通过射极电阻Re耦合形成电流,射极耦合电流开关型,LED,驱动电路,BG1,、,BG2,形成射极耦合电流开关，工作在导通、截止状态。,BG3,和稳压二极管,D,Z,构成恒流源电路，稳定驱动电流,I,M,。,Vb3,稳定,Ib3,稳定,Ic3(,即,Ie1+Ie2),稳定,Ic2,即,I,M,稳定（此时,BG1,截止、,BG2,导通）。,稳压二极管,DZ,对,LED,的输出光功率还有温度补偿作用：,工作温度,V,DZ,Vb3,Ib3Ic3Ic2,即,I,M,（此时,BG1,截止、,BG2,导通）,LED,光功率,补偿了,LED,输出光功率的负温度特性,射极耦合电流开关型LED驱动电路BG1、BG2形成射极耦合电,5,光源与光纤的耦合,激光器和光纤的耦合方式大致有两种：直接耦合和透镜耦合。,（,1,）直接耦合,这种耦合方法通常只适用于多模光纤。,5光源与光纤的耦合 激光器和光纤的耦合方式大致有两种：直接,2,）透镜耦合,边发光,LED,和,LD,一般可以采用用圆柱透镜或采用大数值孔径的自聚焦透镜与光纤耦合，如图所示。,自聚焦透镜,2）透镜耦合 边发光LED和LD一般可以采用用圆柱透镜或采用,单模光纤的芯径细，模斑尺寸小，故半导体激光器与单模光纤的耦合困难更大。有时可用一种简单有效的耦合结构，如图,4-5-10,所示。,耦合效率：,50%60%,单模光纤的芯径细，模斑尺寸小，故半导体激光器与单模光纤的耦合,6,激光器组件和光发射模块,在一个相对紧密的结构中包含了多少元器件或电路块，即相对紧密结构的集成单元数量，小的集成单元数称之为组件，大的集成单元数称之为模块。,根据用途不同，模块的种类也越来越多，除了光发射模块外还有光接收模块、光发射接收模块等。,6激光器组件和光发射模块在一个相对紧密的结构中包含了多少元,自动功率控制电路（,APC,）,一、功能,APC,电路的作用是，稳定,LD,输出光功率，使其不随温度升高和使用时间增长而改变。,影响,LD,输出光功率不稳定的因素有：,温度升高，则,I,th,增大，且,P-I,曲线斜率,P/I,减小，使输出光功率减小，甚至停止发射激光；,使用时间增长，则,I,th,亦增大，且,P/I,减小，使输出光功率减小。,自动功率控制电路（APC）一、功能APC电路的作用是，稳定L,二、典型电路：平均光功率控制型,APC,电路,该电路由输入通道、负反馈控制环路和参考通道三大部份组成。,二、典型电路：平均光功率控制型APC电路,输入通道、负反馈控制环路：,输入通道是,BG1,、,BG2,、,LD,、,R,B,、,L,构成的射极耦合电流开关型,LD,驱动电路，,L,是用来阻止脉冲式交流,I,M,流入,I,B,回路。负反馈控制环路则由光检测器件,PIN,、运算放大器,A1,和,A3,、半导体三极管,BG3,等组成。,负反馈控制环路的工作流程是：,LD,输出光功率,PIN,输出电流,A1,输出电压,VpA3,输出电压,BG3,基极电流,BG3,集电极电流（即,I,B,）,LD,输出光功率,输入通道、负反馈控制环路：输入通道是BG1、BG,参考通道：由运算放大器,A2,等组成。,（,1,）提供合适的参考电平,Vr,，使不同的,LD,能得到所需要的,I,B,。,（,2,）当输入通道无信号输入或输入信号为长连“,0”,码时，参考通道能使反馈控制过程不动作，避免误码发生。,参考通道：由运算放大器A2等组成。（1）提供合适的参考电,注意：如果温度过高则不能采用该方法。因为温度过高，导致,I,th,很大，使,LD,输出光功率下降很多，经,APC,作用后则,I,B,增加很大，致使,LD,管芯温度进一步升高，使,I,th,更大，如此恶性循环下去，会烧坏,LD,。,注意：如果温度过高则不能采用该方法。因为温度过高，,自动温度控制电路（,ATC,）,一、功能,使,LD,管芯的工作温度保持在,20,左右，以提高,LD,的工作稳定性和寿命。,二、典型电路：半导体致冷型,ATC,电路,自动温度控制电路（ATC）一、功能 使LD管芯的工作温,电阻,R1,、,R2,、,R3,和热敏电阻,R,t,一起构成惠斯登电桥，电桥对角两端连接到运算放大器,A,的差动输入端，运放,A,的输出端连接到半导体三极管,BG,的输入端，,BG,的发射极连接有致冷器。致冷器与,LD,、,PIN,和热敏电阻紧密放置在一起。,电阻R1、R2、R3和热敏电阻Rt一起构成惠斯登电桥，电桥,图中选用负温度系数的热敏电阻，即热敏电阻,R,t,的阻值大小与所测量的温度成反比。,惠斯登电桥的平衡条件是：,R1Rt=R2R3,，此时,Va=Vb,。即在平衡条件下，惠斯登电桥对角两端电位相等。,图中选用负温度系数的热敏电阻，即热敏电阻Rt的阻值大小与所,（,1,）确定标准工作状态,首先确定,LD,管芯工作温度，通常取为,20,；,查知该温度下热敏电阻,Rt(20),之阻值大小；,选取,R1=R2,，,R3=Rt(20),。,于是，此状态下,Va=Vb,，故,A,无差动信号输入，因而,A,无输出电压，以致,BG,无基流，使得,BG,无足够射极电流,Ie,，所以,20,状态下致冷器不致冷。,（1）确定标准工作状态首先确定LD管芯工作温度，通常取为2,（,2,）动态控制过程,LD,管芯温度热敏电阻温度,Rt,阻值,Vb,A,的输出电压,BG,基流致冷电流,Ie,产生致冷器致冷,LD,管芯温度。,（2）动态控制过程LD管芯温度热敏电阻温度Rt阻值,量子阱激光器为了进一步提高激光发射效率-Read课件,