光纤通信第5版-第6章-光源和光放大器-(2)

第6章光源和光放大器6.1发光二极管及其工作特性6.2半导体激光器及其工作特性6.3窄谱宽和可调谐半导体激光器6.4光放大器6.5光纤激光器6.5垂直腔面发射激光器光源要求：（1）合适的发光波长：包括0.85μm、1.3μm和1.55μm波长窗口。（2）足够的输出功率：实际应用中，把lmW的光功率记作0dBm。（3）可靠性高、寿命长：目前通信工程要求光源平均工作寿命为106小时。设一个通信系统中有10个光源，假如其中一个光源发生故障，会使整个系统中断工作。从故障的概率来说，该系统发生中断通信故障的时间间隔为10万小时。（4）输出效率高：耗电尽量省，而且要在低电压下工作。（5）光谱宽度窄：光谱宽度与光纤的色散效应结合产生噪声。（6）聚光性好：尽可能多地把光送进光纤。（7）调制方便：把话音等信息附载在光波上。（8）价格低廉：能批量生产，同时体积小、重量轻，便于在各种场合应用。光发送机的组成在光纤通信中，将电信号转变为光信号是由光发送机来完成，同时有效地将光信号送入到传输光纤中。光发送机的核心是光源及其驱动电路。LED或LD驱动电路输入电信号输出光信号光源6.1发光二极管及其工作特性当给LED外加合适的正向电压（N端接负电位，P端接正电位）时，破坏了PN结的热平衡状态，耗尽区的宽度和势垒的高度都下降，扩散作用增强，大量的空穴从P区扩散到N区而大量的电子从N区扩散到p区，复合产生光子。简单一句话说，电致发光为PN结在正向偏置下由电子注入产生光自发发射的现象。PN结形成过程动画演示PN结偏置PN结正向偏置——当外加直流电压使PN结P型半导体的一端的电位高于N型半导体一端的电位时，称PN结正向偏置，简称正偏。PN结反向偏置——当外加直流电压使PN结N型半导体的一端的电位高于P型半导体一端的电位时，称PN结反向偏置，简称反偏。PN结正偏动画演示多子进行扩散，PN结呈现低阻、导通状态，内电场被削弱，PN结变窄PN结反偏动画演示发光二极管工作原理LED的光电特性数字调制：开关状态模拟调制：直流偏置电流3dB调制带宽上升时间LED结构LED主要有五种结构：平面LED、圆顶形LED、超发光二极管SLD、面发光二极管SLED和边发光二极管ELED。在光纤通信中广泛应用的结构为后两种。平面LED、圆顶形LED：发光强度低、价格低廉，应用于显示、报警、计算及其他工业应用。SLD:SuperLuminescentDiodes超发光二极管SLD：结构和LD类似。要求具有很高的输出功率而又不产生激射振荡，最简单办法是增大注入电流。为了避免过高的注入电流可能会导致激射振荡，在一端涂有光损耗介质，以抑制激光发射，没有光反馈，注入电流在受激发射值以下。特点:输出功率较高、输出光束的方向性好、谱线宽及调制带宽大。缺点:非线性较大，且输出功率随温度的变化非常大，使用时必须制冷。应用:光学陀螺、传感器及多模光纤系统。材料不同，发射波长不同。材料的组成元素不同，同样发射波长也不同。GaInP用于塑料光纤，发射波长为红光。ggWWhc24.1同质结和异质结同质结LED的缺点异质结的优点双异质结工作原理由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后，P层的空穴和N层的电子注入有源层。P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。同理，注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。双异质结：①阻止有源层的空穴进入n区和其电子进入P区；②有源层两边的折射率低于有源层，对光场具有很好的约束。有源层：发光区域有源层中产生的光发射穿过衬底耦合入光纤。凹坑：由于衬底材料的光吸收很大，用选择腐蚀的办法形成凹坑。接触电极：限定有源层中有源区的面积，大小与纤芯面积相当。SLED特点：工艺简单、发散角大、效率低、调制带宽较窄。面发光二极管输出的功率较大，一般注入100mA电流时，就可达几个毫瓦。面发光二极管SLED面发光二极管发光特点：从平行于结平面的表面发光，光束成朗伯分布。光功率按照余弦递减。当角度为60度时，功率降为一半。当NA=0.24，接收角为14度时，大部分能量被浪费掉。面发光二极管SLED在凹陷的区域注入环氧树脂，并在光纤末端放置透镜或光纤端面形成球透镜，以提高光纤的接收效率。ELED异质结结构上利用SiO2掩模技术，在P面形成垂直于端面的条形接触电极(约65μm)，从而限定了有源层的宽度。由于约束层的吸收损耗低，光在传播方向上的自吸收大大降低，光导层可减少光束的发射，有利于将发光功率有效地耦合入光纤中。与输出端相反的一端镀反射膜，进一步增加光输出功率。ELED发光特点：从结区的边缘发光。能量更集中，特别是垂直方向。实际封装方式6.2半导体激光器及其工作特性产生激光的三个先决条件：①激励源是能量的提供者，实现粒子数反转；②激活物质是产生激光的物质基础，提供光放大；③光学谐振腔提供光反馈。要产生激光还应满足如下两方面的条件：①光的增益和损耗间应满足平衡条件——阈值条件。②在谐振腔中，光波反复反射能得到加强，从而能够存在，应满足的条件——相位条件。好的激光器应具备的条件：低的阈值电流、高的输出功率及单模工作。气体激光器固体激光器半导体激光器LD工作原理有源区电流注入型型光hv光hv解理面(a)半导体激光器L1234R1增益介质R2光的驻波折射率反射镜反射镜(b)纵模驻波2nnPNmm-m+(c)纵模共振光谱增益差11光增益o(a)腔内允许产生的模式mm()/2=L(b)mn相对光强m(a)+(b)=(c)(c)半导体激光器的输出光谱光增益与波长的关系mm解理面=0Z=xZ激励源：对PN结外接正向偏置电压，电子越过异质结势垒而注入，同时在价带中产生同等数量的空穴以保持电中性。导带电子与价带空穴复合，发射出新的光子。光学谐振腔：由于自发发射的光子，位相各不相同，且向各个方向传播。部分光子一旦产生，就穿出有源区，而另一部分光子在PN结平面内传播，并相继引起其他电子-空穴对的受激发射，产生更多的性能相同的光子。这种受激发射随注入电流的增大而雪崩式地发展，并在PN结内具有绝对的优势。当这些光子的电磁波同相位时，产生放大的相干发射。光学谐振腔：两端自然解理面形成反射镜，即光学谐振腔，提供了必要的反馈及进行模式选择，提高相干性。光信号每通过一次增益媒质，就得到一次放大。当增益超过损耗时，满足阈值条件，发出光。增益介质：重掺杂的P区和N区，通过外加正向偏压不断注入电子，则在PN结形成受激发射所需的粒子数反转。主导模式：最靠近增益峰的模式。多模激光器：主模及其临近的两个边模同时振荡。光束辐射为一椭圆光锥，水平方向性强，但垂直方向的方向性差。特点：①限制光的办法：电流在狭窄的中间带内注入，导致载流子浓度在条形区最高，光被限制在条形区域内；②因为电流在有源区产生增益，光限制是借助条形区的增益来实现的，这样的激光器称为增益波导LD。增益波导LD缺点：①功率增大时，光斑尺寸不稳定；②模式稳定性不高（辐射模式随激光器增益的增加而改变；③增益波导LD很少用于通信系统中。折射率波导LD限制光的办法：在侧向引入折射率差，以达到限制光场的目的。根据折射率差的大小，分为弱折射率波导LD和强折射率波导LD。双异质结LD激光器工作原理复合区功率分布LD光输出LD光电特性LD电压和电流特性LD数字调制：直流偏置电流LD模拟调制：直流偏置超过阈值，偏置在线性区中段电光延迟和张弛振荡由于载流子浓度达到激光阈值需要一定的时间，输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，称为电光延迟时间td，其数量级一般为ns。当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡，称为张弛振荡。频率响应如果LD预偏置在阈值附近，光脉冲的时间和振荡的幅度将显著降低。电光延迟和张弛振荡张弛振荡和电光延迟的后果是限制调制速率。当最高调制频率接近张弛振荡频率时，波形失真严重，会使光接收机在抽样判决时增加误码率，因此实际使用的最高调制频率应低于张弛振荡频率。当电光延迟时间td与数字调制的码元持续时间T/2为相同数量级时，会使“0”码过后的第一个“1码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个“１”码丢失，这种现象称为“码型效应”。“码型效应”的特点是：在脉冲序列中较长的连“0”码后出现的“1”码，其脉冲明显变小，而且连“0”码数目越多，调制速率越高，这种效应越明显。12电脉冲光脉冲2ns5ns2ns码型效应（a)、(b)码型效应波形；（c）改善后波形(a)(b)(c)电光延迟和张弛振荡某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，当注入电流达到某个范围时，输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡，这种现象称为自脉动现象。自脉动现象是激光器内部不均匀增益或不均匀吸收产生的。电脉冲光脉冲激光器自脉冲动现象温度特性温控组件LD的封装带集成尾纤的LD带集成尾纤和功率监控的LD14针双列直插式LD多模输出单模输出单频半导体激光器单频半导体激光器设计的基本思想：腔纵模间隔反比与腔长，采用短腔结构，以增大相邻纵模的间隔。采用不同纵模具有不同的腔损耗，具有最低光腔损耗的纵模最先达到阈值并成为支配模式，其他邻模由于高损耗而被截止，邻模携带的功率在总的辐射功率中只占很小一部分。短腔LD制作困难，且输出功率仅有几毫瓦。使用无源或有源外腔耦合形成耦合腔系统。耦合腔系统工作原理为：虽然两个谐振腔具有各自不同的振荡纵模，但是当两个谐振腔放在一起构成耦合腔(或复合腔)时，这时只有两个谐振腔中相同的纵模才能成为耦合腔的振荡纵模，再加上增益谱的作用，最终实现了模式选择功能，通过调节注入到模式控制器的电流，可实现波长调谐。6.3窄谱宽和可调谐半导体激光器也可采用FBG（布拉格相位光栅）形成分布反馈结构。反馈不位于端面上，而是分布在整个光腔长度上，通过折射率周期扰动的内建光栅产生布拉格散射，并使正向和反向传播的波相互耦合。DFB的模式选择条件为布拉格定律，相当于分布式滤波器，只允许一个一个纵模式在有源区来回传播。反馈发生在整个光腔有源区长度上，所以叫分布式LD。可调谐单频半导体激光器分布布拉格反射式（DBR）激光器：反馈不发生在有源区内，而是在激光器末端制作布拉格反射镜。单频半导体激光器量子阱激光器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，即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。AlGaAsAlGaAsGaAsDyDzdEEn=2n=1EEE321Eg1Eg2EcEvg()Ed量子阱状态密度xyz普通LD(a)QW结构原理图很薄的GaAs有源层夹在两层很宽的AlGaAs半导体材料中(b)导带中的电子在GaAl层中的x方向被Ec限制在很小的范围d内，因此它们的能量被量化了(c)两维QW器件的状态密度状态密度在每个量子能级上是恒定的有源层的厚度d很薄，导带中的禁带势能把电子封闭在x方向上的一维势能阱（载流子的陷阱）内，但是在y和z方向是自由的（三维变为二维）。这种封闭呈现量子效应，导致能带量化分成离散值。这种状态密度的变化，改变了自发辐射和受激发射的速率。量子阱半导体激光器有源层厚度仅是10nm，约为异质结器件的1/10，所以注入电流的微小变化就可以引起输出激光的大幅度变化。AlGaAsAlGaAsGaAsDyDzdEEn=2n=1EEE321Eg1Eg2EcEvg()Ed量子阱状态密度xyz普通LD(a)QW结构原理图很薄的GaAs有源层夹在两层很宽的AlGaAs半导体材料中(b)导带中的电子在GaAl层中的x方向被Ec限制在很小的范围d内，因此它们的能量被量化了(c)两维QW器件的状态密度状态密度在每个量子能级上是恒定的①只要相同能量的电子和相同能量的空穴复合，就可产生增益较大的同频激光；②态密度减少，较少电子即可实现粒子数反转，降低阈值；③高速率和窄线宽。简单改变阱宽，就可改变发射光子的能量。阱宽越小，激光发射往短波方向移动，即高能量方向移动。量子阱