4浙江传媒学院光纤通信第四章光源与光发射机s上课新版

光源与光发送机光纤通信第四章光源调制器驱动电路放大器光电二极管判决器光纤光纤中继器光发送机将电信号转变为光信号在光纤通信中，将电信号转变为光信号是由光发射机来完成的。光源是光发送机的核心器件。光源：实现电光变换。半导体光源:□半导体激光器LD□发光二极管LED特点：□发射波长合适□可进行直接调制□体积小，耦合效率高□可靠性高4.1半导体光源的物理基础4.1.1孤立原子的能级和半导体的能带4.1.2光与物质的相互作用4.1.3粒子数反转分布状态4.2光源的工作原理4.3光源的工作特性4.4光发送机4.5驱动电路与辅助电路4.1.1孤立原子的能级和半导体的能带能级：原子由原子核和核外电子组成，核外电子围绕原子核旋转，每个电子的运行轨道并不相同，各代表不同的量子态，在最里层的轨道上量子态所取的能量最低，最外层的轨道量子态能量最高，这些不同的轨道运行时相应的能量值称为能级。能级图就是用一系列高低不同的水平横线来表示各个量子态所能取的能级E1、E2、E3、E4……，同一能级往往有好几个量子态，根据泡利不相容原理，同一量子态不可能有两个电子。＋14eE5E4E3(8)E2(8)E1(2)硅原子的能级图能级的跃迁通过和外界交换能量，原子所处的能级发生跳变----能级的跃迁。□自发辐射处在E2上的电子自发地跃迁到E1上，并发射一个光子，光子频率为，能量为：=h=E2-E1h为普朗克常数，其值为6.626×10-34焦耳·秒对于大量电子，自发辐射光具有不同的相位，偏振方向，传播方向------非相干光。半导体发光二极管是自发辐射发光器件。E2E1hE4.1.2光与物质的相互作用能级的跃迁□受激辐射当处于高能级E2的电子，在受到光子能量恰好为E＝hv＝E2－E1的外来入射光的照射时，电子在入射光子的刺激下，跃迁回到低能级E1，而且辐射出一个与入射光子有相同频率、相同相位和相同传播方向的光子，这种类型的跃迁称为受激跃迁，其辐射称为受激辐射hv=E2-E1发射光子和感应光子的频率，相位，偏振方向，传播方向相同。------相干光（全同光）。半导体激光器是受激辐射的发光器件。EE2E1hhh4.1.2光与物质的相互作用EE2E1h能级的跃迁□受激吸收E1上的电子吸收光子跃迁到E2上，感应光子能量h=E2-E1在外来光子激励下，电子吸收外来光子能量，从低能级跃迁到高能级，变成自由电子。半导体光检测器是受激吸收工作的光电器件。4.1.2光与物质的相互作用晶体的能带电子在原子之间作共有化运动，受相邻原子的影响，原子的能级扩展为能带。E1E2导带价带低能带----价带高能带----导带带隙------禁带Eg半导体内部自由运动的电子(简称自由电子)所填充的能带称为导带；价电子所填充的能带称为价带；导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带，其宽度称为禁带宽度，用Eg表示，单位为电子伏特(eV)。4.1.2光与物质的相互作用晶体中电子的跃迁hE2E1自发辐射跃迁E2E1受激吸收跃迁hhE2E1受激辐射跃迁hh受激辐射的光子与原光子具有相同的波长、相位和传播方向晶体中电子按能级的分布处于E2上的电子数N2处于E1上的电子数N1大量分子在没有外加能量的热平衡条件下，电子按能级的分布符合玻尔兹曼分布：N2/N1=exp(-(E2-E1)/Kt)k:玻尔兹曼常数。k=1.38•10-23J/KT:晶体的绝对温度(0K=-273℃)4.1.3粒子数反转分布状态晶体中电子按能级的分布通常情况下，N2N1，高能级上的电子数少。光经过晶体时，受激吸收占主要地位，光被衰减吸收。如果N2N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。N2N1的分布和正常状态(N1N2)的分布相反,所以称为粒子(电子)数反转分布。为了使物质发光，必须进行粒子数反转分布，有多种方法可以实现能级之间的粒子数反转分布状态，这些方法包括光激励方法、电激励方法等。4.1.3粒子数反转分布状态第四章光源与光发送机4.2半导体光源的工作原理4.2.1LED工作原理4.2.2LD工作原理4.2半导体光源工作原理LD与LED激光器被视为20世纪的三大发明（还有半导体和原子能）之一，特别是半导体激光器LD倍受重视。光纤通信中最常用的光源是半导体激光器LD和发光二极管LED。主要差别：发光二极管输出非相干光（自发辐射）；半导体激光器输出相干光（受激辐射）。比起半导体激光器，因为LED不需要热稳定和光稳定电路，所以LED的驱动电路相对简单，另外制作成本低、产量高。LED的主要工作原理对应光的自发辐射过程，因而是一种非相干光源。LED发射光的谱线较宽、方向性较差，本身的响应速度又较慢，所以只适用于速率较低的通信系统。在高速、大容量的光纤通信系统中主要采用半导体激光器LD作光源。发光二极管LED对于光纤通信系统，如果使用多模光纤且信息比特率在100～200Mb/s以下，同时只要求几十微瓦的输入光功率，那么LED是可选用的最佳光源。LED通常和多模光纤耦合，用于1.31μm或0.85μm波长的小容量、短距离的光通信系统。LD通常和单模光纤耦合，用于1.31μm或1.55μm大容量、长距离光通信系统。分布反馈半导体激光器（DFB-LD）主要也和单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于1.55μm超大容量的新型光纤系统，这是目前光纤通信发展的主要趋势。4.2半导体光源工作原理4.2.1发光二极管工作原理：LED发射的是自发辐射光（非相干光）。大多采用双异质结结构，把有源层夹在P型和N型限制层间，但没有光学谐振腔，故无阈值。在热平衡状态下有源区几乎没有电子空穴对，一般不发光；外加激励时有源区存在大量电子空穴对，由于自发辐射而发光。LED分为表面发光型和边发光型，边发光型LED的驱动电流较大，输出光功率小，但光束发射角小，与光纤的耦合效率高，故入纤光功率比表面发光型LED高。L球透镜环氧树脂有源层N层发光区(a)表面发光型N型限制层微透镜P型限制层有源层波导层(b)边发光型4.2.2半导体激光器LD半导体激光器的优点：尺寸小，耦合效率高，响应速度快，波长和尺寸与光纤尺寸适配，可直接调制，相干性好。按结构分类：F-PLD、DFBLD、DBRLD、QWLD、VCSEL按波导机制分类：增益导引LD和折射率导引LD按性能分类：低阈值LD、超高速LD、动态单模LD、大功率LD按结构分类：同质结：只有一个PN结且P区和N区为同一物质；单异质结（LH）：由两种不同材料(如GaAs和GaAlAs)构成的P-N结；双异质结（DH）:有三种材料，有源区被禁带宽度大、折射率较低的介质材料包围。LD发射激光的首要条件---粒子数反转LD发射激光另一个条件---半导体激光器中必须存在光学谐振腔，并在谐振腔里建立起稳定的振荡。有源区里实现了粒子数反转后，受激发射占据了主导地位，但是，激光器初始的光场来源于导带和价带的自发辐射，频谱较宽，方向也杂乱无章。为了得到单色性和方向性好的激光输出，必须构成光学谐振腔。LR1R2反射波相互干涉M1M2反射镜反射镜ABab4.2.2半导体激光器LDF-PLD是最常见最普通的LD.镀有反射镜面的光学谐振腔只有在特定的频率内能够储存能量，这种谐振腔就叫做法布里-珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器。它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。当谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，就保持振荡，形成和腔体端面平行的等相面驻波。此时的增益就是激光器的阈值增益，达到该增益所要求的注入电流称作阈值电流。激光器实质上是一个受激发射的光振荡放大器。4.2.2半导体激光器LDLR1R2反射波相互干涉M1M2反射镜反射镜ABabFabry(1867~1945)Perot(1863~1925)法国物理学家F-PLD基本工作原理实现F-PLD激射工作的四个基本条件：要有能实现电子和光场相互作用的工作物质要有注入能量的泵浦源（光泵或者电泵浦）要有一个F-P谐振腔要满足振荡条件1.激光发射的首要条件：增益介质工作物质和泵浦源是实现光的自发发射、受激吸收和受激发射的最基本条件。工作物质（即能实现粒子跃迁的晶体材料，如GaAs和InGaAsP铟磷砷化镓）外界供给能量满足粒子数反转（常采用电流注入法）F-P谐振腔只有增益介质而无光学反馈装置，不能形成激光。将已实现粒子数反转分布的系统置于严格平行的一对反射镜之间便形成F-P谐振腔。光在两个反射镜之间往返多次过程中，得到放大。振荡条件当增益超过由部分反射和散射等多种因素引起的总损耗，经过谐振腔的选频作用，特定频率的光波在谐振腔内积累能量并通过反射镜射出，形成激光（相干光）。振幅条件相位条件：2nLmn-有源层折射率；L-腔长m-任意整数；-波长满足相位条件的频率有无限多个，只有那些在谱线中心附近的频率才能满足振荡条件，所以激光器的振荡频率只能取有限个分立值。ModesproducedinaTypicalFabry-PerotLaserSpectralwidthandLinewidthatFWHM(FullWidthHalfMaximum)OutputspectrumchangesaspowerisappliedTypicalmodehoppingbehaviorF-PLD在高速调制下，或在温度和注入电流变化时，不再维持原激射模式，而会出现模式跳跃和谱线展宽，这对高速应用很不利。为了维持单模，减小光谱展宽，需研究动态单模激光器DFBLD及DBRLD（光纤通信最有前途的实用化器件）F－PLD的结构很难将光导引到光纤增益导引半导体激光器：沿激光长度方向放置一个窄的条形电极，将注入电流限制在一个窄条里。缺点：光功率增大时，光斑尺寸不稳定，模式稳定性亦不高。折射率导引半导体激光器，引入折射率差。结构简单，制造工艺不太复杂，辐射光空间分布稳定性高，被大多数光波系统使用。普通F－PLD外形图dLLdpnnpxyz光nppnL光光w电流电流电流电流IIII光L(a)同质结构(b)双异质结构(c)掩埋双异质结构(d)表面发射LED结构几种LD的结构同质结构LD同质结构只有一个简单P-N结，且P区和N区都是同一物质的半导体激光器。该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。为了提高激光器的功率和效率，降低同质结激光器的阈值电流，人们研究出了异质结的半导体激光器。L电极电流GaAsGaAsn+p+解理面电极有源区(受激法射)L异质结半导体激光器dPNN+P++PGaAsGaAsGaAlAsGaAsGaAlAs有源区5%n折射率-+~0.1m为了提高LD的功率和效率，降低同质结LD的阈值电流，人们研究出了异质结LD所谓“异质结”，就是由两种不同材料（例如GaAs和GaAlAs）构成的P-N结。在双异质结构中，有三种材料，有源区被禁带宽度大、折射率较低的介质材料包围。这种结构形成了一个像光纤波导的折射率分布，限制了光波向外围的泄漏，使阈值电流降低，发热现象减轻，可在室温状态下连续工作。为进一步降低阈值电流，提高发光效率，提高与光纤的耦合效率，常常使有源区尺寸尽量减小，通常w=10m，d=0.2m,L=100~400m同质结、双异质结LD能级图及光子密度分布的比较双异质结光子密度能量GaAsGaAs激光PNhv(0.1~1)%折射率同质结光子密度Eg(a)(b)dPNN+P++PGaAsGaAsGaAlAsGaAsGaAlAs导带价带Eg’有源区EgEcEv=1.4EcEveV=eV2Ec5%n折射率-+~0.1m有源区eV2eV2电子空穴量子限制激光器除双异质结LD对载流子进行限制外，还有另外一种完全不同的对载流子限制的方式。这就是对电子或空穴允许占据能量状态的限制，这种激光器叫做量子限制激光器。它具有阈值低，线宽窄，微分增益高，以及对温度不敏感，