第三章-光源和光发送机[1]

传输技术基础A南京邮电大学通信与信息工程学院2在光纤通信系统中，光发送机的作用是将由数字复用设备来的电信号转换成相应的光信号，并将光信号耦合进光纤后进行传输。光发送机的核心部件是光源。目前，光纤通信系统均采用半导体激光二极管（LD）和发光二极管（LED）作为光源。这类光源的特点是体积小，与光纤之间的耦合效率高，响应速度快，可以在较高速率条件下进行直接强度调制。本章着重介绍半导体激光二极管和发光二极管的工作原理和特性，以及光发送机的工作原理。第三章光源和光发送机3第三章光源和光发送机3.1半导体激光器和发光二极管3.2光源调制3.3光发送机41.激光的产生及其物理基础自然界中的一切物质都是由原子组成。不同物质的原子各不相同。原子由一个带正电荷的原子核和若干个带负电荷的电子组成。围绕原子核作轨道运动的电子的运动轨道不是连续可变的，电子只能沿着某些可能的轨道绕核运转，而不能具有任意的轨道。但可以在外界作用下，从一个轨道跳到另一个轨道，这种过程称为跃迁。由于电子轨道与轨道之间是不连续的，并且每一轨道具有确定的能量。它的能量也是不连续的，离核较近的轨道对应的能量较小，离核较远的轨道所对应的能量较大，原子的这一内部能量值称为原子的一个能级。通常我们用若干水平线来表示电子所处的状态，这就是所谓的能级图。5图3-1能级图EE1（基态）E2（激发态）6跃迁如果原子中的两个能级满足一定的条件，则可能出现下述情况：一个处于高能级E2的电子子，发射一个能量为E＝hf＝E2—E1的光子，结果这个电子回到低能级E1。一个处于低能级E1的电子，从外界吸收一个能量为E＝hf=E2—E1的光子，结果这个电子被激发到高能级E2。这种电子由于发射或吸收光子而从一个能级改变到另一个能级称为辐射跃迁。但原子发射或吸收光子，只能出现在某些特定的能级之间。7受激吸收和受激辐射当处于低能级E1的电子，受到光子能量恰好为E＝hf＝E2－E1的外来入射光的照射时，电子吸收一个这种光子，而跃迁到高能级E2，这称为光的受激吸收，如图3-2(a)所示。当处于高能级E2的电子，在受到光子能量恰好为E＝hf＝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。8图3-2光的受激吸收和辐射E光子a）受激吸收EE1E2EE1E2感生光子受激辐射光子b）受激辐射E感生光子9粒子数反转分布在通常情况下，处于高能级的粒子数总是远少于处于低能级上的粒子数，这种状态称为粒子数的正常分布。由于低能级上的电子数较多，所以总是光的受激吸收占优势，也就是光总要受到衰减。要获得光的放大，必须设法使光的受激辐射占优势。也就是要使电子在能级上的分布一反常态，使处于高能级上的电子数目远多于低能级的电子数目，这可以给予额外的能量，把处于低能级的电子激发到高能级上去。这种处于高能级的电子数量多于低能级电子数量的分布叫做“粒子数反转分布”。10粒子数反转分布必要条件：多能级物质当用hf31＝E3—E1的外界激励去激发激光物质时，处在低能级E1上的电子被激发到了高能级E3上，但因在E3能级上寿命很短，很快跃迁到亚稳态级E2上，结果在E2与E1之间形成“粒子数反转分布”。这种处于E2亚稳能级上的电子是不稳定的，它可以自发跃迁到低能级E1而辐射出频率为f21＝E2—E1／h的光子。11粒子数反转分布形成示意图EE1E3E2hf31hf2112激光的形成有了“粒子数反转分布”的条件，就能实现光的放大，又如何使光的放大转为光的振荡，成为激光光源呢？把激光物质放置在由两个反射镜组成的光谐振腔之间，利用两个面对面的反射镜来实现光的反馈放大，使其产生振荡。光谐振腔的轴线与激光物质的轴线相合。其中一个反射镜(M1)要求有100%的反射率，另一个(M2)要有95％左右的反射率，即允许有部分的光透射。13图3-3激光的形成全反射镜M1部分反射镜M2激光物质hf3114形成激光的三个必要条件激光LASER是受激辐射的光放大（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）的缩写。用来产生激光的装置，就叫做激光器。由此可见，任何一种激光器，都必须包括下列三个最基本的部分：工作物质——激光器的组成核心，也就是发光物质。光学共振腔——形成激光振荡，输出激光。激励系统——将各种形式的外界能量转换成激光光能，通常是激光器的电源。152.半导体激光器的基本原理用半导体材料做激光物质的激光器，称为半导体激光器。能够产生受激辐射的半导体材料有许多，而当前在光纤通信方面用得较多的是砷化镓（GaAs）半导体激光器。半导体材料是一种单晶体。在晶体中，原子是紧密地按照一定规则排列。各原子最外层的轨道互相重迭，使半导体材料的能级已不像前述的单个原子那样的分立的能级，而变成了能带。16补充知识：泡利不相容原理泡利不相容原理：每个能级只允许两个自旋相反的电子占有。根据泡利不相容原理，固体材料中电子的基态能级和激发态能级将分裂成能带。对半导体，基态能级分裂成价带，激发态能级分裂成导带。价带和导带之间存在一个电子不能具有的能量区间，称为禁带。17图3-5半导体能带图EvEc导带价带禁带宽度Eg电子能量电子空穴18半导体激光器工作原理半导体激光器的核心部分是一个PN结。这个PN结是高度掺杂的，P型半导体中空穴极多，N型半导体中自由电子极多。半导体中的载流子是由导带电子和价带空穴产生的。导带价带EgEvEc禁带导带电子价带空穴19势垒的形成高掺杂的PN结中，N区的电子向P区扩散，在靠近界面的地方剩下带正电的离子。P区的空穴向N区扩散，在靠近界面的地方剩下带负电的离子。因此在P型和N型半导体交界的两侧形成了带相反电荷的区域，称为“空间电荷区”。在P型和N型半导体交界的两侧形成了一个电场叫“自建场”。方向由N区指向P区。与此相应，在结的两边产生一个电位差VD叫做势垒，它阻碍空穴和电子进一步扩散，最后达到平衡。由于势垒VD的存在，使得P区的能级比N区提高了eVD(e是电子能量)。由于高度掺杂，空间电荷区的正负电荷很多，势垒VD很大，以使N型半导体的导带的底部能级(EC)N。比P型半导体价带顶部能级(EV)P还要低。20费米能级能级越低，电子占据的可能性就越大，理论分析指出：存在着某一能级EF，叫做费米能级。对于EF以下的所有能级，例如在N区导带中EF和(EC)N之间各能级电子占据的可能性大于1／2。对于EF以上的所有能级，则在P区价带中，EF和(EV)P之间各能级电子占据的可能性小于1／2。总的来说，N区导带底(EC)N以上到费米能级EF之间这个区域内的电子数多于P区价带顶以下到费米能级EF以上区域内的电子数。21图3-6高掺杂的PN结自建场(EC)P(EV)N(EC)N(EV)PEF费米能级eVD电子多空穴多PN22正向电压减小和抵消势垒作用当外加正向电压时，这个电压抵消了一部分势垒，使势垒降低。所加的正向电压破坏了原来的平衡，使费米能级分离。在N区(EF)N以下各能级，电子占据的可能性大于1／2。在P区对于(EF)P以上的各能级，空穴占据的可能性大于1／2，因此，当PN结上加足够的正向电压，保证电流足够放大时，P区的空穴和N区中的电子大量地注入结区，在PN结的空间电荷区附近就存在一个电子反转分布的区域，这个区域叫做“有源区”或“作用区”，。在有源区内，由于电子数反转分布，在自发辐射的激发下，产生的受激辐射大于受激吸收。一个光子会不断激发出更多完全相同的光子，起了光放大作用。23图3-7外加正向电压时的PN结自建场(EC)P(EV)N(EC)N(EV)P(EF)N电子多空穴多外加电场(EF)P有源区PN24阈值（thresholdvalue）只有足够大的正向电压，保证电流足够大时，才能产生激光。当电流较小时，注入结区的电子和空穴也较少，辐射小于吸收，增益系数G0，只能出现普通的荧光。电流逐渐加大，注入结区的电子和空穴增多，到了G0，就出现光放大现象。这时发射很亮的荧光。如果增益不足以克服谐振腔的损耗，仍不能在腔内产生振荡。只有当注入的电流增大到增益足以补偿损耗时，才能产生谱线尖锐、模式明确的振荡。刚开始产生激光的电流称为激光器的阈值电流。25图3-8注入电流与光功率的关系光功率P(mW)注入电流I(mA)Ith阈值电流26异质结半导体激光器上面分析的半导体激光器，P区和N区是同一种物质砷化镓（GaAs），故称为同质结半导体激光器，其阈值电流密度Jth很大（室温下Jth≥5×104A·cm-2），难以在室温条件下连续工作。为了提高激光器的功率和效率，降低阈值电流，使用了异质结的半导体激光器。所谓“异质结”，就是由两种材料（例如砷化镓GaAs和砷镓铝GaAlAs两种材料）构成的PN结。采用异质结结构后，Jth可降至约103A·cm-2量级。273.半导体激光器的主要特性（1）阈值（2）激光器效率（3）温度特性（4）纵模特性－光谱特性28（1）阈值半导体激光器是一个阈值器件，它的工作状态随注入电流的不同而不同。当外加激励的能源功率（一般为电能源）超过某一临界值时，激光物质中的粒子数反转达到了一定程度，激光器才能克服光谐振腔内的损耗而产生激光。此临界值就称为激光器的阈值。激光器的阈值主要是指阈值电流Ith。当注入电流大于Ith时，激光器激发出激光。在实际使用中，外加激励能源刚达到阈值时虽有激光输出但很弱。对激光器而言，希望其阈值电流越小越好，因为阈值电流小，要求的外加激励能源就小，激光器本身发热就少。29（2）激光器效率可用功率转换效率和量子效率衡量激光器转换效率的高低。功率转换效率定义为：输出光功率与消耗的电功率之比，表示式为：式中：Pex——激光器发射的光功率Vj——激光器的结电压（PN结正向电压）Rs——激光器的串联电阻（包括半导体材料电阻和接触电阻）I——注入电流量子效率定义为：输出光子数与注入电子数之比，表示为sjexpRIIVP2IPhfe＝eIhfP每秒钟注入的电子－每秒钟发射的光子数exex空穴对数ex30（3）温度特性半导体激光器的阈值电流、输出光功率和发光波长随温度而变化的特性称为温度特性。阈值电流随温度的升高而加大。这是因为温度上升使异质结势垒的载流子限制作用下降，因此激光器的阈值电流增大。阈值电流与温度的变化关系可以表示为：(3-4)式中：T为器件的绝对温度，I0为常数，T0为激光器材料的特征温度。对于GaAs-GaAlAs半导体激光器，T0＝100～150K，InGaAsP-InP激光器T0＝40～70K。T0越大，器件的温度特性越好。半导体激光器的阈值电流还与其器件的老化程度有关。随着激光器工作时间增长，器件老化，其阈值电流不断增加。)exp()(I00TTITth31图3-13不同温度下激光器的P-I曲线光功率P(mW)注入电流I(mA)t=20℃t=50℃32图3-14P-I特性曲线随器件老化变化情况33前次课知识点光纤传输特性衰减色散带宽及非线性光源半导体激光器产生的基本条件、发光原理、主要特性（阈值、效率、温度）34半导体激光器的纵向光场不是以行波形式传输，而是成驻波形式振荡。因此，激光器输出的是一系列模式明确，谱宽很窄，功率不同尖锐的谱线，称为激光器的纵模。对于半导体激光器，当注入电流低于阈值时，发射光谱以自发辐射为主，发出的是荧光，谱宽很宽，其光谱宽度常达数十nm。当注入电流大于阈值后，谐振腔里的增益大于损耗，激光器产生激光振荡，输出光谱呈现出以一系列振荡模式——纵模。其发射光谱变窄，谱线中心强度急剧增加，激光器输出功率越大，其发射光谱越窄，谱线中心强度越大。（4）纵模特性－光谱特性35图3-16半导体激光器的输出光谱a）低于阈值b）高于阈值c）单纵模LD36图3-18激光器光束空间分布374.单纵模半导体激光器普通的F-P腔激光器采用自然解理的反射镜实现光反馈，这种激光器端面光反馈不具有波长选择性，其模选择性差，为