光纤通讯 第4章 光源和光发射机

1第4章光源和光发射机1与激光器有关的概念2激光器的工作原理3半导体激光器4半导体发光二极管5光源的调制6光发射机24.1与激光器有关的概念光源是光纤通信系统中光发射机的重要组成部件，其主要作用是将电信号转换为光信号送入光纤。目前用于光纤通信的光源包括半导体激光器（LaserDiode，LD）和半导体发光二极管（LightEmittingDiode，LED34.1与激光器有关的概念1．光子的概念2．费米能级3．光和物质的相互作用41．光子的概念光是由能量为hf的光量子组成的，其中h=6.626×10-34J·S，称为普朗克常数；f是光波频率。人们将这些光量子称为光子。不同频率的光子具有不同的能量。光具有波、粒两重性。52．费米能级（1物质是由原子组成的，而原子是由原子核和核外电子构成的。当物质中原子的内部能量变化时，可能产生光电子在原子中围绕原子核按一定轨道运动，而且只能有某些允许的轨道。由于在每一个轨道内运动，就相应具有一定的电子能量，因此，电子运动的能量只能有某些允许的数值。这些所允许的能量值因轨道不同，都是一个个地分开的，即是不连续的。我们把这些分立的能量值称为原子的不同能级。62．费米能级（2电子按能量大小的分布确有一定的规律。电子占据能级的概率遵循费米能级统计规律：在热平衡条件下，能量为E的能级被一个电子占据的概率为费米统计规律是物质粒子能级分布的基本规律TkEEfeEf0/)(11)(7费米分布函数变化曲线83．光和物质的相互作用光可以被物质吸收，也可以从物质中发射。在研究光与物质的相互作用时，爱因斯坦指出，这里存在着三种不同的基本过程，即自发辐射、受激吸收以及受激辐射。93．光和物质的相互作用（1发射光子的频率①这个过程是在没有外界作用的条件下自发产生的，②③电子的发射方向和相位也是各不相同的，是非相hEEf12103．光和物质的相互作用原子的自发辐射113．光和物质的相互作用（2物质在外来光子的激发下，低能级上的电子吸收了外来光子的能量，而跃迁到高能级上，这①这个过程必须在外来光子的激发下才会产生，②外来光子的能量要等于电子跃迁的能级之③受激跃迁的过程不是放出能量，而是消耗外123．光和物质的相互作用原子的受激吸收133．光和物质的相互作用（3处于高能级E2的电子，当受到外来光子的激发而跃迁到低能级E1时，放出一个能量为hf的光子。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，因此叫做受激辐射。143．光和物质的相互作用①外来光子的能量等于跃迁的能级之差。②受激过程中发射出来的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，因此称它们是全同光子。③153．光和物质的相互作用原子的受激辐射164.2激光器的工作原理激光器是指能够产生激光的自激振荡器。要使得光产生振荡，必须先使光得到放大，而产生光放大的前提，由前面的讨论可知，是物质中的受激辐射必须大于受激吸收。受激辐射是产生激光的关键。174.2激光器的工作原理1．粒子数反转分布与光放大之间的关系2．激光器的基本组成3．光学谐振腔4．激光器的参量181．粒子数反转分布与光放大之间的关系要想物质能够产生光的放大，就必须使受激辐射作用大于受激吸收作用，也就是必须使N2N1。这种粒子数一反常态的分布，称为粒子数反转分布。粒子数反转分布状态是使物质产生光放大的必将处于粒子数反转分布状态的物质称为增益物质或激活物质。192．激光器的基本组成激光振荡器必须包括以下三个部分：能够产生激光的工作物质，能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源，能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。203．光学谐振腔①光学谐振腔的结构。在增益物质两端，适当的位置，放置两个反射镜M1和M2互相平行，就构成了最简单的光学谐振腔。如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果213．光学谐振腔对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，如M1的反射系数r=1；另一个为部分反射，如M2r1，产生的激光由此②223．光学谐振腔图3-5光学谐振腔的结构233．光学谐振腔激光器示意图243．光学谐振腔综合上述分析可知，要构成一个激光器，必须具备以下三个组成部分：工作物质、泵浦源和光学谐振腔。工作物质在泵浦源的作用下发生粒子数反转分布，成为激活物质，从而有光的放大作用。激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。254．激光器的参量（1）平均衰减系数α在光学谐振腔内产生振荡的先决条件是放大的光能要足以抵消腔内的损耗。谐振腔内损耗的大小用平均衰减系数α表示为21iri1ln21rrl264．激光器的参量（2激活物质的放大作用用增益系数G来G表示光通过单位长度的激活物质之274．激光器的参量激活物质的放大作用284．激光器的参量（3将激光器能产生激光振荡的最低限度称为激阈值条件为其中Gt激光器的阈值条件只决定于光学谐振腔的固有损耗。损耗越小，阈值条件越低，激光器21it1ln21rrlG294．激光器的参量（4光学谐振腔的谐振条件或称驻波条件qL2g304.3半导体激光器半导体激光器是有阈值的器件，它和发光二极管（LED光纤通信对半导体发光器件的基本要求有下列几点。（1）光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口,即短波长波段的0.85μm、长波长波段的1.31μm与1.55μm。（2）能长时间连续工作，并能提供足够的光输出功率。（3（4）光源的谱线宽度窄。（5314.3半导体激光器1．半导体激光器（LD）的结构和工作2．半导体激光器的工作特性321．LD的结构和工作原理用半导体材料作为激活物质的激光器，称为半导体激光器。在半导体激光器中，从光振荡的形式上来看，主要有两种方式构成的激光器，一种是用天然解理面形成的F-P腔（法布里-珀罗谐振腔），这种激光器称为F-P腔激光器；另一种是分布反馈型（DFB）激光器。331．LD的结构和工作原理F-P腔激光器从结构上可分为同质结半导体激光器、单异质结半导体激光器和双异质结半导体激光器。341．LD的结构和工作原理半导体激光器的结构示意图351．LD的结构和工作原理InGaAsP双异质结条形激光器示意图361．LD的结构和工作原理半导体的能带分布。①本征半导体的能带分布。②P型半导体和N型半导体的形成。③在重掺杂情况下，N型半导体和P型半导体的能带分布。④P-N结外加正偏压后的能带分布以及激光的产生。371．LD的结构和工作原理本征半导体的能带分布381．LD的结构和工作原理N型半导体和P型半导体重掺杂能带图391．LD的结构和工作原理P-N结空间电荷区401．LD的结构和工作原理④P-N结外加正偏压后的能带分布以及激光的产生。ⅠP-N结空间电荷区的形成。ⅡP-N结形成后的能带分析。ⅢP-N结外加正偏压后的能带分布。Ⅳ激光的产生。411．LD的结构和工作原理P-N结形成后的能带分布421．LD的结构和工作原理外加正偏压后P-N结的能带分布432．半导体激光器的工作特性（1对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流值称为阈值电流，用It表示。442．半导体激光器的工作特性激光器输出特性曲线452．半导体激光器的工作特性（2半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变化。462．半导体激光器的工作特性（2半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变化。472．半导体激光器的工作特性GaAs激光器的光谱482．半导体激光器的工作特性GaAlAs/GaAs激光器的典型输出光谱492．半导体激光器的工作特性（3激光器的阈值电流和光输出功率随温度变化的特性为温度特性。502．半导体激光器的工作特性激光器阈值电流随温度变化的曲线512．半导体激光器的工作特性（4半导体激光器是把电功率直接转换成光功率的器件，衡量转换效率的高低激光器的功率转换效率定义为输出光功率与消耗的电功率之比，用ηP表示。524.4发光二极管发光二极管（LED）是非相干光源，是无阈值器件，它的基本工作原理是自发辐射。发光二极管与半导体激光器差别是：发光二极管没有光学谐振腔，不能形成激光。仅限于自发辐射，所发出的是荧光，是非相干光。半导体激光器是受激辐射，发出的是相干光。53LED也多采用双异质结芯片，不同的是LED没有解理面，即没有光学谐振腔。由于不是激光振荡，所以没有阈值。LED分为两大类：一类是面发光型LED，另一类是边发光型LED4.4发光二极管54常用的两类发光二极管（LED）4.4发光二极管55（1）光谱特性LED谱线宽度∆λ比激光器宽得多。下图是InGaAsPLED的输出光谱。4.4发光二极管56（2）输出光功率特性两种类型LED输出光功率特性。驱动电流I较小时，P−I曲线的线性较好；当I过大时，由于P-N结发热产生饱和现象，使P−I曲线的斜率减小4.4发光二极管57（3）温度特性由于LED是无阈值器件，因此温度特性较好（4）耦合效率由于LED发射出的光束的发散角较大，因此与光纤的耦合效率较低。一般只适于短距离传输（5）使用寿命长4.4发光二极管58（6）调制特性调制频率较低。在一般工作条件下，面发光型LED截止频率为20MHz～30MHz，边发光型LED截止频率为100MHz～150MHz。4.4发光二极管59比较：LED与LD相比，LED输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。但LED性能稳定，寿命长，使用简单，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。4.4发光二极管604.5光源的调制光源所采用的调制方式包括内调制和外调制（也称为直接调制或间接调制）。614.5光源的调制直接调制：直接在光源上进行调制，调制半导体激光器的注入电流。间接调制：在光源输出的通路上外加调制器来对光波进行调制。可通过光电效应或其他方式实现对光波的调制624.5光源的调制直接调制的方法：模拟强度调制（AIM）脉位调制（PPM）数字调制（PCM-IM）634.5光源的调制半导体光源的直接调制原理644.5光源的调制在IM-DD光纤通信系统中，采用的是内调制。通常内调制适用于半导体光源。缺点：动态谱线增宽；调制时延；调制速度受限。654.5光源的调制间接调制方法：光电调制器声光调制器664.6光发射机(2)①②③④此外还希望光发射机的稳定性好，光源67光数字发射机原理图扰码编码扰码编码驱动684.6光发射机(3)光发射机的组成方框图和各部分功能①②③时钟694.6光发射机④扰码为了保证所提取时钟的频率以及相位与光发射机中的时钟信号一致，必须避免所传信号码流中出现长“0”或长“1”的现象。解决这一问题的方法就是扰码，即在发送端加入一个扰码电路，而在接收端则要加一个与扰码相反的解扰电路，以恢经过扰码后的数字信号通过调制电路对光源进行调制，让光源发出的光信号强度跟随信号码流的变化，形成相应的光脉冲送入光纤。复信号码流原来的状态。704.6光发射机⑤调制(驱动)经过扰码后的数字信号通过调制电路对光源进行调制，让光源发出的光信号强度跟随信号码流的变化，形成相应的光脉冲送入光纤。714.6光发射机LG1625与246型激光器的连接示意图724.6光发射机⑥自动功率控制由于老化等因素的影响，使得光发射机的光源在使用一段时间之后，出现为了保持光源输出功率的稳定，在光发射机中常使用自动功率控制(APC)电路。734.6光发射机激光器老化使输出光功率降低744.6光发射机激光器温度变化引起输出功率的变化754.6光发射机自动功率控制电路764.6光发射机⑦自动温度控制特性曲线对环境温度的变化反映很灵敏，使输出光功率的大小随温度出现变化。在环境温度发生变化时，为了能使激光器的输出特性保持稳定，在发射机盘上需安装自动温度控制(ATC)电路。774.6光发射机环境温度变化引起输出光功率的变化784.6光发射机自动温度控制电路方框图