1、原榮 編著 光纖通信（第3版）第4章 復(fù)習(xí)思考題參考答案4-1 簡述半導(dǎo)體發(fā)光基理答：在構(gòu)成半導(dǎo)體晶體的原子內(nèi)部，存在著不同的能帶。如果占據(jù)高能帶（導(dǎo)帶）的電子躍遷到低能帶（價(jià)帶）上，就將其間的能量差（禁帶能量）以光的形式放出，如圖4.2.1所示。這時(shí)發(fā)出的光，其波長基本上由能帶差所決定。能帶差和發(fā)出光的振蕩頻率之間有的關(guān)系，h 是普朗克常數(shù)，等于6.625´10-34 J×s 。由得出（mm） （4.2.1）式中，c 為光速，取決于半導(dǎo)體材料的本征值，單位是電子伏特（eV）。 圖4.2.1 半導(dǎo)體發(fā)光原理4-2 簡述激光器和光探測器的本質(zhì)區(qū)別答：發(fā)光過程，除自發(fā)

2、輻射外，還有受能量等于能級差的光所激發(fā)而發(fā)出與之同頻率、同相位的光（激光），即受激發(fā)射，如圖4.2.2（b）所示。圖4.2.2 光的自發(fā)輻射、受激發(fā)射和吸收反之，如果把能量大于的光照射到占據(jù)低能帶的電子上，則該電子吸收該能量后被激勵而躍遷到較高的能帶上。在半導(dǎo)體結(jié)上外加電場后，可以在外電路上取出處于高能帶上的電子，使光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鳎鐖D4.2.2（c）所示，這就是光接收器件。4-3 自發(fā)輻射的光有什么特點(diǎn)答：對于大量處于高能帶的電子來說，當(dāng)返回能級時(shí)，它們各自獨(dú)立地分別發(fā)射一個(gè)一個(gè)的光子。因此，這些光波可以有不同的相位和不同的偏振方向，它們可以向各自方向傳播。同時(shí)，高能帶上的電子可能處于不同的

3、能級，它們自發(fā)輻射到低能帶的不同能級上，因而使發(fā)射光子的能量有一定的差別，這些光波的波長并不完全一樣。因此自發(fā)輻射的光是一種非相干光，如圖4.2.2（a）所示。4-4 受激發(fā)射的光有什么特點(diǎn)答：受激發(fā)射生成的光子與原入射光子一模一樣，即它們的頻率、相位、偏振方向及傳播方向都相同，它和入射光子是相干的。4-5 如何才可能實(shí)現(xiàn)光放大？答：激光器工作在正向偏置下，當(dāng)注入正向電流時(shí)，高能帶中的電子密度增加，這些電子自發(fā)地由高能帶躍遷到低能帶發(fā)出光子，形成激光器中初始的光場。在這些光場作用下，受激發(fā)射和受激吸收過程同時(shí)發(fā)生，受激發(fā)射和受激吸收發(fā)生的概率相同。用和分別表示高、低能帶上的電子密度。當(dāng)時(shí)，受激

4、吸收過程大于受激發(fā)射，增益系數(shù)，只能出現(xiàn)普通的熒光，光子被吸收的多，發(fā)射的少，光場減弱。若注入電流增加到一定值后，使，g > 0，受激發(fā)射占主導(dǎo)地位，光場迅速增強(qiáng)，此時(shí)的P-N結(jié)區(qū)成為對光場有放大作用的區(qū)域（稱為有源區(qū)），從而形成受激發(fā)射，如圖4.2.3所示。4-6 說出產(chǎn)生激光的過程答：激光器工作在正向偏置下，當(dāng)注入正向電流時(shí)，高能帶中的電子密度增加，這些電子自發(fā)地由高能帶躍遷到低能帶發(fā)出光子，形成激光器中初始的光場。在這些光場作用下，受激發(fā)射和受激吸收過程同時(shí)發(fā)生，受激發(fā)射和受激吸收發(fā)生的概率相同。用和分別表示高、低能帶上的電子密度。當(dāng)時(shí)，受激吸收過程大于受激發(fā)射，增益系數(shù)，只能出現(xiàn)

5、普通的熒光，光子被吸收的多，發(fā)射的少，光場減弱。若注入電流增加到一定值后，使，增益系數(shù)g > 0，受激發(fā)射占主導(dǎo)地位，光場迅速增強(qiáng)，此時(shí)的PN結(jié)區(qū)成為對光場有放大作用的區(qū)域（稱為有源區(qū)），從而形成受激發(fā)射，如圖4.2.2（b）和圖4.2.3所示。半導(dǎo)體材料在通常狀態(tài)下，總是，因此稱的狀態(tài)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。使有源區(qū)產(chǎn)生足夠多的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這是使半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的首要條件。 （a）沒有偏置時(shí)的能帶圖（b）正向偏置足夠大時(shí)的能帶圖，此時(shí)引起粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，發(fā)生受激發(fā)射圖4.2.3 半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的第2個(gè)條件是半導(dǎo)體激光器中必須存在光學(xué)諧振腔，并在諧振腔里建立起穩(wěn)定的振蕩

6、。有源區(qū)里實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后，受激發(fā)射占據(jù)了主導(dǎo)地位，但是，激光器初始的光場來源于導(dǎo)帶和價(jià)帶的自發(fā)輻射，頻譜較寬，方向也雜亂無章。為了得到單色性和方向性好的激光輸出，必須構(gòu)成光學(xué)諧振腔。在1.3.2節(jié)中，我們已討論了法布里-珀羅（Fabry-Perot）諧振腔的構(gòu)成和工作原理。在半導(dǎo)體激光器中，用晶體的天然解理面（Cleaved Facets）構(gòu)成法布里-珀羅諧振腔，如圖4.2.4所示。要使光在諧振腔里建立起穩(wěn)定的振蕩，必須滿足一定的相位條件和閾值條件，相位條件使諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干，閾值條件使腔內(nèi)獲得的光增益正好與腔內(nèi)損耗相抵消。諧振腔里存在著損耗，如鏡面的反射損耗、工作物質(zhì)的吸

7、收和散射損耗等。只有諧振腔里的光增益和損耗值保持相等，并且諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干時(shí)，才能在諧振腔的兩個(gè)端面輸出譜線很窄的相干光束。前端面發(fā)射的光約有50 %耦合進(jìn)入光纖，如圖4.2.3（a）所示。后端面發(fā)射的光，由封裝在內(nèi)的光電檢測器接收變?yōu)楣怆娏鳎?jīng)過反饋控制回路，使激光器輸出功率保持恒定（圖4.2.3（a）沒有畫出）。圖4.2.5表示半導(dǎo)體激光器頻譜特性的形成過程，它是由諧振腔內(nèi)的增益譜和允許產(chǎn)生的腔模譜共同作用形成的。4-7 激光器起振的閾值條件是什么答：閾值條件是使腔內(nèi)獲得的光增益正好與腔內(nèi)損耗相抵消。4-8 激光器起振的相位條件是什么答：相位條件是使諧振腔內(nèi)的前向和后向光波

8、發(fā)生相干。4-9 光學(xué)諧振腔存在哪些損耗？答：光學(xué)諧振腔體存在的損耗有增益介質(zhì)單位長度的吸收損耗和由于解理面反射率小于 1 而導(dǎo)致的損耗。 4-10 實(shí)際使用中為什么總是用熱電制冷器對激光器進(jìn)行冷卻和溫度控制答：半導(dǎo)體激光器的閾值電流和輸出功率是隨溫度而變化，另外，激光器的發(fā)射波長也隨溫度而變化。對于1.55 mm器件，每增加1 ，頻率變化13 GHz。頻率隨注入電流的變化雖然隨器件而異，但典型值為每毫安變化130 GHz。通常要求頻率變化不應(yīng)超過調(diào)制帶寬的1/10。實(shí)驗(yàn)表明，假如偏流控制在0.1 mA以內(nèi)變化，采用自動溫度控制后，波長穩(wěn)定在幾百兆赫變化，則現(xiàn)有商用DFB激

9、光器就可以使用。許多商品化激光器組件包含了可以維持閾值電流相對恒定的器件，通常能夠使溫度穩(wěn)定到以下。圖4.6.2表示使用反饋控制的激光器自動溫度控制電路原理圖。安裝在熱電制冷器上的熱敏電阻，其阻抗與溫度有關(guān)，它構(gòu)成了電阻橋的一臂。熱電制冷器采用珀?duì)柼?yīng)產(chǎn)生制冷，它的制冷效果與施加的電流成線性關(guān)系。為防止制冷器內(nèi)部發(fā)熱引起性能下降，在制冷器上加裝面積足夠大的散熱片是必要的。圖4.6.2 激光器的自動溫度控制原理圖4-11 半導(dǎo)體激光器的基本特性是什么答：半導(dǎo)體激光器的基本特性有閾值電流、溫度特性、波長特性。半導(dǎo)體激光器屬于閾值性器件，即當(dāng)注入電流大于閾值點(diǎn)時(shí)才有激光輸出，否則為熒光輸出。半導(dǎo)體

10、激光器的閾值電流和輸出功率是隨溫度而變化，另外，激光器的發(fā)射波長也隨溫度而變化。激光器的波長特性可以用中心波長、光譜寬度以及光譜模數(shù)三個(gè)參數(shù)來描述。4-12 簡述DFB激光器的工作原理答：DFB半導(dǎo)體激光器可分為兩類：分布反饋（DFB）激光器和分布布拉格反射（Distributed Bragg Reflector，DBR）激光器。圖4.3.6為DBR激光器的結(jié)構(gòu)及其工作原理，如圖所示，DBR激光器除有源區(qū)外，還在緊靠其右側(cè)增加了一段分布式布拉格反射器，它起著衍射光柵的作用。這種衍射光柵相當(dāng)于在3.4.5節(jié)介紹的頻率選擇電介質(zhì)鏡，也相當(dāng)于在1.3.2節(jié)介紹的反射衍射光柵。衍射光柵產(chǎn)生布拉格衍射，

11、DBR激光器的輸出是反射光相長干涉的結(jié)果。只有當(dāng)波長等于兩倍光柵間距 L 時(shí)，反射波才相互加強(qiáng)，發(fā)生相長干涉。例如，當(dāng)部分反射波A和B的路程差為2L 時(shí)，它們才發(fā)生相長干涉。DBR的模式選擇性來自布拉格條件，即只有當(dāng)布拉格波長滿足同相干涉條件 （4.3.2）時(shí)，相長干涉才會發(fā)生。式中，L 為光柵間距（衍射周期），為介質(zhì)折射率，整數(shù)m為布拉格衍射階數(shù)。因此 DBR 激光器圍繞具有高的反射，離開則反射就減小。其結(jié)果是只能產(chǎn)生特別的 F-P 腔模式，在圖4.3.5中，只有靠近的波長才有激光輸出。一階布拉格衍射（m = 1）的相長干涉最強(qiáng)。假如在式（4.3.2）中，mm，此時(shí) DFB 激光器的L只有2

12、35 nm。這樣細(xì)小的光柵可使用全息技術(shù)來制作。圖4.3.7 DBR激光器結(jié)構(gòu)及其工作原理4-13 簡述耦合腔波長可調(diào)諧激光器的工作原理答：耦合腔半導(dǎo)體激光器可以實(shí)現(xiàn)單縱模工作，這是靠把光耦合到一個(gè)外腔實(shí)現(xiàn)的，如 圖4.4.1所示。外腔鏡面把光的一部分反射回激光腔。外腔反饋回來的光不一定與激光腔內(nèi)的光場同相位，因?yàn)樵谕馇恢挟a(chǎn)生了相位偏移。只有波長幾乎與外腔縱模中的一個(gè)模相同時(shí)才能產(chǎn)生同相反饋。實(shí)際上，面向外腔的激光器界面的有效反射與波長有關(guān)，從而導(dǎo)致產(chǎn)生如圖4.4.1所示的損耗曲線，它最接近增益峰，并且具有最低腔體損耗的縱模才變成主模。圖4.4.1 耦合腔激光器中的縱模選擇性一種單片集成的耦合

13、腔激光器稱為C3激光器。C3指的是切開的耦合腔（Cleaved Coupled Cavity），如圖4.4.2所示。這種激光器是這樣制成的，把常規(guī)多模半導(dǎo)體激光器從中間切開，一段長為L，另一段為D，分別加以驅(qū)動電流。中間是一個(gè)很窄的空氣隙（寬約1 mm），切開界面的反射約為30 %，只要間隙不是太寬，就可以在兩部分之間產(chǎn)生足夠強(qiáng)的耦合。在本例中，因?yàn)椋訪段中的模式間距要比D段中的密。這兩段的模式只有在較大的距離上才能完全一致，產(chǎn)生復(fù)合腔的發(fā)射模，如圖4.4.2（b）所示。因此C3激光器可以實(shí)現(xiàn)單縱模工作。改變一個(gè)腔體的注入電流，C3激光器可以實(shí)現(xiàn)約為20 nm范圍的波長調(diào)諧。然而，由于約2

14、 nm的逐次模式跳動，調(diào)諧是不連續(xù)的。圖4.4.2 C3激光器的結(jié)構(gòu)及其單縱模輸出原理4-14 簡述陣列半導(dǎo)體光放大器（SOA）集成光柵腔體激光器的工作原理 答：陣列半導(dǎo)體光放大器（SOA）集成光柵腔體激光器，其發(fā)射波長可以精確設(shè)置在指定位置。借助激活該器件的不同SOA，不同波長梳的任一波長均可發(fā)射，其波長間距也可以精確地預(yù)先確定，而且該器件的制造也比較簡單。與圖4.4.3（a）表示的外腔半導(dǎo)體激光器相比，圖4.4.6（a）表示的激光器可以看做單片集成兩元外腔光柵激光器，即一個(gè)集成的固定光柵和一個(gè)SOA陣列，而不是僅用單個(gè)有源元件和外部的旋轉(zhuǎn)光柵。當(dāng)SOA陣列中的任何一個(gè)注入電流泵浦時(shí)，它就以

15、它在光柵中的相對位置確定的波長發(fā)射光譜。因?yàn)檫@種幾何位置是被光刻掩埋精確確定的，所以設(shè)計(jì)的發(fā)射波長在光梳中的位置也是精確確定的。陣列SOA集成光柵腔體波長可調(diào)激光器，其諧振腔類似于3.4.2節(jié)已討論過的波導(dǎo)光柵復(fù)用/解復(fù)用器。在這種激光器中，右邊的平板衍射光柵和左邊InP/InGaAsP/InP雙異質(zhì)結(jié)有源波導(dǎo)條（SOA）之間構(gòu)成了該激光器的主體。有源條的外部界面和光柵共同構(gòu)成了諧振腔的反射邊界。右邊的光柵由垂直向下蝕刻波導(dǎo)芯構(gòu)成的凹面反射界面組成，以便聚焦衍射返回的光到有源條的內(nèi)部端面上。這些條是直接位于波導(dǎo)芯上部的InGaAs/InGaAsP多量子阱（MQW）有源區(qū)。這種激光器面積只有14

16、´3 mm2，有源條和光柵的間距為10 mm，有源條長2 mm，寬67 mm，條距40 mm，衍射區(qū)是標(biāo)準(zhǔn)的半徑9 mm 的羅蘭（Rowland）圓。由圖4.4.6可見，從O點(diǎn)發(fā)出的光經(jīng)光柵的PN和P0點(diǎn)反射后回到O點(diǎn)，產(chǎn)生的路徑差DL = 2LN - 2L0，由1.2.2節(jié)可知，為了使從PN和P0點(diǎn)反射回到O點(diǎn)的光發(fā)生相長干涉，其相位差必須是2p的整數(shù)倍見式（1.2.8），由此可以得到與路徑差有關(guān)相位差是圖4.4.7 陣列SOA集成光柵腔體波長可調(diào)激光器Df =， m = 0, 1, 2,××× （4.4.1）因?yàn)椋街衝是波導(dǎo)的折射率，所以可以得到與

17、路徑差有關(guān)（即與SOA位置有關(guān)）的波長為 （4.4.2）如果在真空中，則n =1，則也和用式（1.3.3）得出的結(jié)論相同。一個(gè)SOA的典型發(fā)射光譜如圖4.4.6（b）所示。測量得到的激光輸出的縱模間距和譜寬分別與設(shè)計(jì)的腔體長度和有源條位置和寬度一致，如圖4.4.6（c）所示。4-15 簡述陣列波導(dǎo)光柵（AWG） PIC波長可調(diào)激光器的工作原理。答：平板陣列波導(dǎo)光柵（AWG）由N個(gè)輸入波導(dǎo)、N個(gè)輸出波導(dǎo)、兩個(gè)在3.2.3節(jié)討論過的結(jié)構(gòu)相同的N ´ M平板波導(dǎo)星形耦合器以及一個(gè)有M個(gè)波導(dǎo)的平板陣列波導(dǎo)光柵組成，這里M可以等于N，也可以不等于N。這種光柵相鄰波導(dǎo)間具有恒定的路徑長度差，如圖

18、4.4.7（a）所示。AWG光柵工作原理是基于馬赫-曾德爾干涉儀的原理（見3.3.2節(jié)），即多個(gè)單色光經(jīng)過不同的光程傳輸后的干涉理論。圖4.4.9 陣列波導(dǎo)光柵（AWG）由于陣列波導(dǎo)中的波導(dǎo)長度不等，相位延遲也不等，由式（1.2.8）可知， 其相鄰波導(dǎo)間的相位差為 （4.4.5）式中，k是波矢量，k = 2pn/l，DL是相鄰波導(dǎo)間的路徑長度差，通常為幾十微米，所以輸出端口與波長有一一對應(yīng)的關(guān)系。 AWG多頻激光器PIC中間是波導(dǎo)光柵路由器（Waveguide Grating Router，WGR）濾波器，右側(cè)是陣列半導(dǎo)體光放大器（SOA），左側(cè)是一個(gè)功率放大SOA。芯片右側(cè)鏡面鍍高反射率（H

19、R）膜，左側(cè)則鍍半反射膜以便輸出AWG多頻激光器諧振腔的光，如圖4.4.9（a）所示。圖4.4.11 AWG多頻激光器AWG多頻激光器的信道間距取決于AWG腔體內(nèi)的波導(dǎo)光柵路由器的幾何尺寸，因此，每個(gè)激光器的波長非常穩(wěn)定，制造時(shí)可重復(fù)性好。4-16 簡述VCSEL激光器的工作原理答：圖4.5.1表示垂直腔表面發(fā)射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）的示意圖。有源區(qū)的長度L與邊發(fā)射器件比較非常短，光從腔體表面發(fā)射，而不是腔體邊沿。腔體兩端的反射器是由3.4.5節(jié)介紹的電介質(zhì)鏡組成，即由厚度為的高低折射率層交錯(cuò)組成。如果組成電介質(zhì)鏡的高低介質(zhì)層折射率、和、滿足 （4.5.1）該電介質(zhì)鏡就對波長產(chǎn)生很強(qiáng)的選擇性，從界面上反射的部分透