半导体激光器的发展及在光纤通信中的应用精.ppt

半导体激光器的发展及在光纤通信中的应用第1页，本讲稿共12页2022/10/62半导体激光器的发展在1953年9月，美国的冯纽曼(JohoVon Neumann)在他的一篇未发表的论文手稿第一个论述了在半导体中产生受激发射的可能性;认为可以通过向PN结注入少数载流子来实现受激发射。1962年以美国的三个研究小组几乎同时宣布观察到同质结GaAs的p-n结中的受激辐射现象，这标志着半导体激光器的诞生。结型激光器的能带结构(a)零偏压(b)正向偏压第2页，本讲稿共12页2022/10/63按器件的p一n结类型 按器件的p一n结类型，可分为初期的同质结激光器，后来的异质结、双异质结、多异质结(大光腔)、分别限制异质结激光器，目前广泛采用的量子阱、超晶格激光器以及正在开发研究的量子线和量子点结构激光器。第3页，本讲稿共12页2022/10/64按谐振器的结构按谐振腔结构，可分为依靠天然解理面的F一P腔激光器，分布反馈(DFB)、分布布拉格反射(DBR)以及垂直腔和微腔结构等 DFB结构第4页，本讲稿共12页2022/10/65其他分类按材料分类，半导体激光器使用的材料主要有一v族的AIGaAs，GalnAsP，hiGaAIP和hiGaN以及一族的Znse，znO等材料，其中研究最成熟、应用最广泛的是AIGaAs，GalnAsP和InGaAIP。按激射波长划分，可分为可见光波段，波长范围为400一490nln，能发出蓝绿光的 InGaN LD;波长范围630一680nm，发红光的 InGaAIP LD，以及发光范围720一76Onm的 AIGaAs LD;在760一980nm的近红外波段，有AIGaAs和 hiGaAsLD;在中红外1310一1550nm波段，则有GaInAsP LD。此外，采用量子级联技术还有望研制出波长为2一20微米的中红外波段和波长为30一300微米的远红外波段半导体激光器根据输出功率的大小，输出功率在毫瓦数量级的激光器被称为小功率激光器大功率指输出功率在百毫瓦以上到数十瓦的激光器，工作在脉冲状态下的激光器阵列甚至可以达到万瓦级的输出功率。第5页，本讲稿共12页2022/10/66半导体激光器特点阈值条件，不仅需要是光子的产生速率超过吸收速率，而且还要超过光子在节区的损耗率。影响因素很多，激光器长度，二极管表面反射率，温度等。频谱分布，结型激光器的频谱分布取决于组成激光器的半导体材料。因此，适当选择激光作用的材料，可以得到不同的激光波长。体积小，重量轻，结构紧凑且峰值功率高，寿命长，能将电能直接转化为激光能，受温度影响大，光束的发散角较大第6页，本讲稿共12页2022/10/67用于光纤通信的半导体激光器半导体激光器是光纤通信的主要光源，由于光纤通信系统具有不同的应用层次和结构，因此需要不同类型的半导体激光器。接入网，本地网简单结构的法布里-铂罗（FP）激光器 中心城市的市区建设城域网 需要直接调制的分布反馈（DFB）半导体激光器 干线传输网络 普遍采用分布反馈半导体激光器（DFB-LD）/电吸收型（EA）调制器的集成光源 第7页，本讲稿共12页2022/10/68直接调制直接调制是指通过改变注入电流来调制激光器的输出。最高达40Gb/s优点：结构简单，成本低缺点：调制频率过高引起频率啁啾，信号失真第8页，本讲稿共12页2022/10/69外调制外调制，是指将激光器的输出光注入外调制器中,调制信号控制外调制器,利用调制器的电光、声光等物理效应使其输出光的强度等参数随信号变化。结构复杂，成本高第9页，本讲稿共12页2022/10/610混沌通信与半导体激光器混沌现象是非线性系统中出现的确定性的、类随机的过程。它是非周期的、有界的、但不收敛的过程，并对初始条件即为敏感。根据混沌序列对初试条件的敏感性，可用于多只通信。混沌保密通信的基本思想是利用混沌信号作为载波，将传输信号隐藏在混沌载波之中。为半导体激光器引入附加自由度可以很容易获得混沌光信号，常用的方式有：电流直接调制、外光注入、外光反馈和光电反馈等，激光器输出光波的幅度或波长将呈现出混沌行为.目前所研究的全光混沌通信系统主要是基于外光注入和外光反馈两种结构 第10页，本讲稿共12页2022/10/611光孤子通信与半导体激光器光孤子是指经过长距离传输而形状、幅度和速度都保持不变的超短光脉冲（ps数量级）。利用光孤子作为载体的通信方式称为光孤子通信。一般光孤子通信的传输距离可达到上万千米，甚至几万千米现在的光孤子通信试验系统大多采用DFB半导体激光器或锁模半导体激光器作光孤子源。第11页，本讲稿共12页第12页，本讲稿共12页