第4章 光源和光發(fā)射機(jī)-電子通信專業(yè)

1、 光源光源 放大器放大器 光電二光電二 極管極管 判決器判決器 主要介紹數(shù)字光發(fā)射機(jī)的基本組成、工作特性 和主要電路！ 在半導(dǎo)體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的 能態(tài)擴(kuò)展成能級連續(xù)分布的能帶。 1. 能帶能帶 4.1 光源 與原子價(jià)電子相應(yīng)的能帶.接近絕對0K時(shí)電子均束 縛于價(jià)帶中,價(jià)帶以上的能帶是空的. 價(jià)帶價(jià)帶: 由于熱或光的激發(fā),價(jià)帶中的部分電子掙脫原子束縛 成為自由電子進(jìn)入價(jià)帶上面空著的能帶,這些電子是 能參與導(dǎo)電的,故稱價(jià)帶上面的能帶為導(dǎo)帶. 導(dǎo)帶導(dǎo)帶: 4.1 光源 g E c E v E KT0 電子空穴 KT0 激發(fā)復(fù)合 c E -導(dǎo)帶底能級 v E -價(jià)帶頂能級 vcg E

2、EE -禁帶寬度,能隙 4.1 光源 Valence band Conduction band band gap g E c E v E KT0 熱平衡(T)下本征半導(dǎo)體載流子的濃度 ) 2 exp( Tk E Knpn B g i 例: GaAs本征半導(dǎo)體, T=300K, Eg=1.42eV m=9.11*10-31kg me=0.068m ;mh=0.56m 則 ni=2.62*106cm-3 4/32/32 )()/2(2 heB mmhTkK -為電子和空穴的有效質(zhì)量he mm , 4.1 光源 2. N型和型和P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 向本征半導(dǎo)體中摻雜V族元素(P,As,Sb), 導(dǎo)帶

3、中導(dǎo)帶中的電子濃 度增加,電子為多數(shù)載流子. 電子-負(fù)電荷-Negative-N型型 向本征半導(dǎo)體中摻雜III族元素(B,Al,Ga,In), 價(jià)帶中價(jià)帶中的空穴濃 度增加,空穴為多數(shù)載流子. 空穴-正電荷-Positive-P型型 KT0 g E c E v E 本征本征 A E P型型 acceptor level D E N型型 Donor level 4.1 光源 3. 費(fèi)米費(fèi)米(Fermi)能級能級Ef T=0K熱平衡狀態(tài)下：Ef是完全填滿電子的能級和完全空 缺的能級的界限. g E c E v E D E A E N型型P型型本征本征 f E 4.1 光源 Tk EE Ef B f

4、 exp1 1 )( g E c E v E D E A E N型型P型型本征本征 f E T0熱平衡狀態(tài)下,能量為E的能級被電子占據(jù)的幾率為費(fèi)米分布費(fèi)米分布: f f EE EE EfT , 1 , 0 )(, 0 f f f EE EE EE EfT , 2/1 , 2/1 , 2/1 )(, 0 4.1 光源 KT0 導(dǎo)帶和價(jià)帶中的載流子的密度不同 4.1 光源 D E N型型 導(dǎo)帶 導(dǎo)帶中電子 密度大于價(jià) 帶中的空穴 密度 A E P型型 價(jià)帶 價(jià)帶中空穴 密度大于導(dǎo) 帶中的電子 密度 g E c E v E 本征本征 電子空穴密 度相等 f E 準(zhǔn)費(fèi)米能級：準(zhǔn)費(fèi)米能級： 4.1 光源

5、 當(dāng)體系由于外界作用(如光 照)而破壞熱平衡狀態(tài)時(shí)， 體系不存在統(tǒng)一的費(fèi)米能 級，但費(fèi)米能級分布對導(dǎo) 帶和價(jià)帶各自仍然適用- 導(dǎo)帶費(fèi)米能級，價(jià)帶費(fèi)米 能級，即準(zhǔn)費(fèi)米能級。 Tk EE Ef B fc2 2c exp1 1 )( Tk EE Ef B fv v 1 1 exp1 1 )( 1. 半導(dǎo)體導(dǎo)電性半導(dǎo)體導(dǎo)電性 外電場方向不 影響導(dǎo)電性. 無論本征半導(dǎo)體,還是摻雜的N型,P型半導(dǎo)體,在外加 電場下均可導(dǎo)電,導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間. 4.1 光源 2. PN結(jié)結(jié) P型和N型半導(dǎo)體接觸,在接觸面附近形成PN結(jié). 正向 P區(qū)N區(qū) I1 P區(qū)N區(qū) 反向 I2 外電場方向不同, 導(dǎo)電性大不相同

6、. I1 I2 4.1 光源 PNPN結(jié)形成圖解結(jié)形成圖解: : 圖解1: P,N半導(dǎo)體接觸前 4.1 光源 圖解2: P,N半導(dǎo)體接觸 4.1 光源 圖解3: 載流子擴(kuò)散 4.1 光源 圖解4: 內(nèi)電場建立,擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動同在,能帶發(fā)生傾斜 4.1 光源 圖解5: PN結(jié)形成后 4.1 光源 3. 外加正向電場的外加正向電場的PN結(jié)結(jié) 圖解1: 外接電源 4.1 光源 外加正向電場的外加正向電場的PNPN結(jié)結(jié) 圖解2: 接通電源, 內(nèi)電場被削弱,耗盡層變窄 4.1 光源 激活區(qū)電子激活區(qū)電子-空穴復(fù)合發(fā)光是空穴復(fù)合發(fā)光是LED,LD產(chǎn)生輻射的產(chǎn)生輻射的 “源源”! 圖解3: 能帶發(fā)生移動

7、, 產(chǎn)生激活區(qū) 4.1 光源 4. 同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié) P區(qū)和N區(qū)為同一半導(dǎo)體物質(zhì)的形成的PN結(jié),為同質(zhì)結(jié) P區(qū)和N區(qū)為不同半導(dǎo)體物質(zhì)的形成的PN結(jié),為異質(zhì)結(jié) n-GaAs p-GaAs n-GaAs p-GaAs p+-GaAlAs p+-GaAs n-GaAlAs p-GaAs p+-GaAlAs p+-GaAs n+-GaAs 同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)單異質(zhì)結(jié)單異質(zhì)結(jié) 雙異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié) (DH) 4.1 光源 (DH: Double Heterostructure/Heterojunction) 典型的雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)典型的雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu): : n-Ga1-xAlxAs光導(dǎo)和載流子限制層(1um

8、) p-GaAs 金屬接觸改善層(1um) n-GaAs襯底層 金屬接觸層 n-Ga1-yAlyAs復(fù)合區(qū)(0.3um) p-Ga1-xAlxAs光導(dǎo)和載流子限制層(1um) 金屬接觸層 4.1 光源 4.1 光源 （LED：light-emitting diode） 1.1.發(fā)光原理發(fā)光原理: :加正向偏壓的PN結(jié)中電子-空穴復(fù)合發(fā)光. 屬 于自發(fā)輻射. 光的自光的自 發(fā)輻射發(fā)輻射 E c c Ev hn n hn n 發(fā)光二極管發(fā)光二極管光的自發(fā)輻射光的自發(fā)輻射 4.1 光源 2.LED2.LED結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu): : 面發(fā)光面發(fā)光SLED (Surface-emitting LED) 4.1 光

9、源 基片基片 熱沉熱沉/散熱器散熱器 邊發(fā)光邊發(fā)光ELED (Edge-emitting LED) 4.1 光源 3.LED3.LED光譜特性光譜特性 自發(fā)輻射, 非相干光 Eg 單位為 eV 波長波長: : 中心波長中心波長(Peak)取決于禁帶寬度Eg pg hchvE/ )( 2398. 1 m EE hc gg p Ec E v E g 能能 量量 E 空穴空穴 電子電子 導(dǎo)帶費(fèi)米能級導(dǎo)帶費(fèi)米能級 價(jià)帶費(fèi)米能級價(jià)帶費(fèi)米能級 光子光子 eV hv EFn EFp 狀態(tài)密度狀態(tài)密度 4.1 光源 Eg 單位為 eV 如:AsAlGa xx1 半導(dǎo)體LED 經(jīng)驗(yàn)公式: 2 266. 0266

10、. 1424. 1xxEg (x為AlAs與GaAs的摩爾比率) )( 2398. 1 m EE hc gg p 4.1 光源 0.00.10.20.30.40.5 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 Wavelength(um) 0.6 0.5 0.8 0.9 Band gap energy(eV) Al mole fraction, x 0.7 Ga1-xAlxAs at 300K Spectral emission pattern of Ga1-xAlxAs LED with x = 0.08 810770850nm 36nm 線寬線寬: : 通常達(dá)幾十nm 4.1 光源 4. LE

11、D4. LED光束的空間分布光束的空間分布 cos)( 0 PP 輻射光功率輻射光功率: : -朗伯(Lambert)分布 半功率點(diǎn)處: =60度 半功率寬度: 120 face 4.1 光源 30 120 / 4.1 光源 5. SLED5. SLED的輸出功率、耦合功率、耦合效率的輸出功率、耦合功率、耦合效率 cos)( 0 PP SLED為朗伯(Lambert)體 4.1 光源 2 )(/NAPP LEDFibercouple 光纖 SLED輸出總功率： ddrdrPPsin)( a 0r 2/ 0 2 0 LED 2 0 2 1 aP 耦合到光纖的功率： ddrdrPPsin)( a

12、0r0 2 0 Fiber max max 22 0 sin 2 1 aP 耦合效率： 6.內(nèi)量子效率內(nèi)量子效率(internal quantum efficiency)與光功率與光功率 在眾多的電子-空穴對復(fù)合中,僅有部分產(chǎn)生輻射。 nrr rr RR R R R int 其中R, Rr, Rnr分別為總復(fù)合速率,輻射復(fù)合速率和非輻射復(fù)合速率. |e I R I e hc hv e I RhvhvRP r | intintintint 又其中I為電流強(qiáng)度 光功率光功率: : 4.1 光源 內(nèi)量子效率內(nèi)量子效率為產(chǎn)生輻射的復(fù)合對數(shù)目與總的復(fù)合對數(shù)目之比. 速率Rate 輻射radiation

13、非輻射non-radiation I/|e| hvP R Rr/ int int 7. LED的的P-I特性曲線特性曲線 4 3 2 1 0 50 100 150 0 25 70 電流電流/mA 輸出功率輸出功率/ mW u驅(qū)動電流I較小時(shí)， P -I線性較好； uI過大時(shí)，PN結(jié)發(fā) 熱產(chǎn)生飽和; u溫度上升，輻射 功率下降 4.1 光源 8.8.頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)H(f) 以頻率(w=2f)對LED驅(qū)動電流I進(jìn)行調(diào)制,與未調(diào)制前的直 流相比,則輸出光功率POp下降 理論證明: 2 )2(1 1 )0( )( )( eff Opt Opt f P fP fH 其中eff 稱為載流子有效壽命. e

14、1.1 ns e2.1 ns e 6.4 ns 100100010 0.1 10 f / MHz H( f ) 4.1 光源 光帶寬光帶寬: : 定義: 2 1 )2(1 1 )0( )( )0( )( 2 eff Opt Opt f I fI P fP 得: 2 1 )0( )( Opt Opt P fP 對應(yīng)的頻率為對應(yīng)的頻率為光帶寬光帶寬 )2/(3 ,3effopdB ff dB P fP Ratio Opt Opt Op 3 2 1 log10 )0( )( log10)( -3-3dBdB點(diǎn)點(diǎn) 4.1 光源 9.LED9.LED應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍, ,優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn), ,缺點(diǎn)缺點(diǎn): : 4

15、.1 光源 4.1 光源 (LD: Laser diode) 1.1.發(fā)光原理發(fā)光原理: :加正向偏壓的PN結(jié)中電子-空穴復(fù)合發(fā)光. 加諧 振腔, 受激輻射. 光的受光的受 激發(fā)射激發(fā)射 Ec c hn n Ev hn n 輸入輸入 輸出輸出 激光器激光器光的受激發(fā)射光的受激發(fā)射 產(chǎn)生激光的條件產(chǎn)生激光的條件: : 泵浦源泵浦源( (激勵(lì)源激勵(lì)源):):注入能量,實(shí)現(xiàn)粒子數(shù) 反轉(zhuǎn)分布 激活物質(zhì)激活物質(zhì): : 產(chǎn)生激光的物質(zhì)基礎(chǔ),PN結(jié) 光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔: : 提供正反饋, 滿足振蕩條件 4.1 光源 2.2.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的實(shí)現(xiàn): : 注入電流達(dá)到一定值注入電流達(dá)到一定

16、值,準(zhǔn)費(fèi)米能級之差大于禁帶寬度,PN 結(jié)中出現(xiàn)一個(gè)增益區(qū)(有源區(qū),激活區(qū)),價(jià)帶主要由空穴 占據(jù),導(dǎo)帶主要由電子占據(jù),實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn). 4.1 光源 3.3.激光諧振腔激光諧振腔 沿特定的晶體解理面(110)切割組成諧振腔 以F-P腔為例 4.1 光源 產(chǎn)生激光的閾值條件 -分別為增益 系數(shù)和損耗系 數(shù) )(2 2104 gL eRRII 0 I 1 I 2 I3 I 4 I 2 R1 R L ,g ,g 閾值條件: 04 II 1 )(2 21 gL eRR ) 1 ln( 2 1 21R RL gg th 4.1 光源 產(chǎn)生激光的相位條件 腔內(nèi)沿相反方向行 進(jìn)的兩列行波疊加 形成駐波,腔長

17、為半 波長的整數(shù)倍. 中心波長: 2 mnL L 取決于禁帶寬度Egpg hchvE/ (可能的駐波,縱模) - n為有源區(qū)介質(zhì)折射率; - m為縱模模數(shù), ,.3 , 2 , 1m相位條件: 4.1 光源 2 mnL 用頻率表示: nL c mv 2 相鄰縱模間隔相鄰縱模間隔: : nL c v 2 I=100mA P=10mW I=95mA P=6mW I=80mA P=4mW 4.1 光源 邊模抑制比邊模抑制比(SMSR：Side-mode suppression ratio) )/(10log)dB( sidemax10 IISMSR 4.1 光源 主縱模與最大邊模之間的強(qiáng)度差的量度

18、4.4.激光束的空間分布激光束的空間分布 GaAlAs-DH條 形激光器 近場圖樣遠(yuǎn)場圖樣 光強(qiáng)的角分布 4.1 光源 5.5.激光光功率和量子效激光光功率和量子效 率率: : 典型的典型的PI曲線曲線 閾值電流Ith：開始發(fā)射受激 發(fā)射的電流值。閾值電流與 腔的損耗、尺寸、有源區(qū)材 料和厚度等因素有關(guān)。 IIth，受激輻射，發(fā)出的是相干光 4.1 光源 4.1 光源 量子效率： 內(nèi)量子效率int int L 電極 電流 GaAs GaAs n + p + 解理面 電極 有源區(qū) (受激發(fā)射) L 腔內(nèi)產(chǎn)生輻射的復(fù)合對 數(shù)目與總的復(fù)合對數(shù)目 之比，即 注入載流子數(shù) 腔內(nèi)輻射光子數(shù) int | o

19、ut eI hP ext n 4.1 光源 L 電極 電流 GaAs GaAs n + p + 解理面 電極 有源區(qū) (受激發(fā)射) L 外量子效率ext 逸出腔外的光子數(shù)與 注入的載流子數(shù)之比 注入載流子數(shù) 腔外逸出光子數(shù) ext 典型的典型的PI曲線曲線 閾值電流以上時(shí)每個(gè)電子-空穴 對的輻射性復(fù)合產(chǎn)生的光子數(shù). 實(shí)驗(yàn)中通常由P-I曲線的直線部分 來計(jì)算ext mAdI mWdP m dI dP E e eId hPd g ext n 8065. 0 | | 4.1 光源 外微分量子效率d 常用于表示激光器的 電/光轉(zhuǎn)換效率 典型的典型的PI曲線曲線 光功率：線性部分 |)( )( |eII

20、 hPP eId hPd th th d nn )( | thdth II e hv PP 4.1 光源 斜度效率S： I P S 6.6.頻率響應(yīng)頻率響應(yīng) 以頻率(w=2f)對LD驅(qū)動電 流I進(jìn)行調(diào)制(叫直接調(diào)制), 調(diào)制的頻率f 受限于PN結(jié)有 源區(qū)中: 自發(fā)輻射壽命sp 受激載流子壽命st 輻射的光子壽命ph ) 1( 1 2 1 0 II II f thphsp r 理論上,調(diào)制頻率不要超過下面的弛豫振蕩頻率弛豫振蕩頻率 Ith 和I0分別為閾值電流和偏置電流；I是零增益電流. 4.1 光源 頻率響應(yīng)頻率響應(yīng): 2222 )/(4)/(1 1 )0( )( )( rr Opt Opt

21、ffff P fP fH 為阻尼因子 4.1 光源 r f 高速調(diào)制下,還要考慮: 激光輸出與注入電脈沖之間存 在一個(gè)時(shí)間延遲，一般為納秒 量級 電光延遲電光延遲: 張弛振蕩張弛振蕩: 自脈動自脈動: 當(dāng)注入電流從零快速增大到閾 值以上時(shí)，經(jīng)電光延遲后產(chǎn)生 激光輸出，并在脈沖頂部出現(xiàn) 阻尼振蕩，經(jīng)過幾個(gè)周期后達(dá) 到平衡值。 當(dāng)注入電流增大到某個(gè)范圍時(shí), 輸出光光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅的 高頻振蕩. 光電延遲光電延遲 張弛振蕩張弛振蕩 自脈動自脈動 張弛振蕩和自張弛振蕩和自 脈動的結(jié)合脈動的結(jié)合 4.1 光源 7.7.溫度特性溫度特性 溫度升高時(shí)性能下降， 閾值電流隨溫度按指 數(shù)增長。 00 expT

22、TIIth 4.1 光源 4.1 光源 半 導(dǎo) 體 激 光 器 多縱模激光器 (MLM) 單縱模激 光器(SLM) 分布反饋(DFB) 分布布拉格反射(DBR) 量子阱(QW) 法布里-珀羅(F-P) 雙異質(zhì)結(jié)(DH) 波長可調(diào)諧激光器 4.1 光源 1. 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 2. 量子限制激光器 3. 分布反饋激光器 4. 波長可調(diào)半導(dǎo)體激光器 5. 垂直腔表面發(fā)射激光器 4.1 光源 1. 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 L n p 光 電流 I x y z 光 n p 電流 I L d p n 光 w 電流 I L 同質(zhì)結(jié)構(gòu)同質(zhì)結(jié)構(gòu) 雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu) 掩埋雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)掩埋雙異質(zhì)結(jié)

23、構(gòu) 4.1 光源 L 電極 電流 GaAs GaAs n + p + 解理面 電極 有源區(qū) (受激發(fā)射) L 同質(zhì)結(jié)構(gòu)同質(zhì)結(jié)構(gòu)LD 4.1 光源 異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)LD d PNN+ P+ + P GaAs GaAs GaAlAsGaAs GaAlAs 有源區(qū)有源區(qū) 5% n 折折 射射 率率 -+ 0.1 m 4.1 光源 InGaAsP雙異質(zhì)結(jié)條形激光器的基本結(jié)構(gòu) 4.1 光源 nInGaAsP是發(fā)光的作用區(qū)，其上、下兩層稱為限制層， 它們和作用區(qū)構(gòu)成光學(xué)諧振腔。限制層和作用層之間形成異 質(zhì)結(jié)。 最下面一層nInP是襯底，頂層P+InGaAsP是接觸 層，其作用是為了改善和金屬電極的接觸。 2.

24、 2. 分布反饋激光器分布反饋激光器(DFB-LD)(DFB-LD) 主要有兩類 4.1 光源 DFB-LD結(jié)構(gòu)及其原理結(jié)構(gòu)及其原理 4.1 光源 B (nm) 0.1nm 光光 功功 率率 P N 光柵波導(dǎo)區(qū)光柵波導(dǎo)區(qū) 有源區(qū)有源區(qū) L L 光輸出光輸出 L 4.1 光源 產(chǎn)生動態(tài)控制的單縱模激光 B (nm) 0.1nm 光光 功功 率率 P N 光柵波導(dǎo)區(qū)光柵波導(dǎo)區(qū) 有源區(qū)有源區(qū) L L 光輸出光輸出 L Bragg反射條件:相鄰光柵波紋產(chǎn)生的反射光相干疊加 B jnL2 折射率 衍射級數(shù) Bragg波長 光柵間距 分布式反饋分布式反饋 非常好的單色性和方向性非常好的單色性和方向性 4.

25、1 光源 P N 光柵波導(dǎo)區(qū)光柵波導(dǎo)區(qū) 有源區(qū)有源區(qū) L L 光輸出光輸出 L 理論分析表明，理論分析表明， 在完全沒有鏡面反射在完全沒有鏡面反射 的理想情況下，的理想情況下， DFB 激光器的模式不正好激光器的模式不正好 是是Bragg波長，而是波長，而是 對稱的位于對稱的位于 B兩側(cè)兩側(cè) 4.1 光源 P N 光柵波導(dǎo)區(qū)光柵波導(dǎo)區(qū) 有源區(qū)有源區(qū) L L 光輸出光輸出 L 4.1 光源 nL B 22 1 2 B 1,2 由于布拉格光柵只有很小的反射 帶寬，一般只有零階模(k0)在 光柵的反射帶寬內(nèi)獲得反饋。 DBR-LD 結(jié)構(gòu)及其原理結(jié)構(gòu)及其原理 入射光入射光 反射光反射光 A B L L

26、 P N 有源區(qū)有源區(qū) 激話區(qū)激話區(qū) 波紋電介質(zhì)光柵波紋電介質(zhì)光柵 分布式分布式 布拉格反射器布拉格反射器 光輸出光輸出 DBR激光器的結(jié)構(gòu) 相長干涉 B jnL2為介質(zhì)折射率n 4.1 光源 3.3.量子限制激光器量子限制激光器* * 4.1 光源 量子阱量子阱(QW: Quantum Well) -LD AlGaAsAlGaAs GaAs Dy Dz dx y z E E n = 2 n =1 E E E 3 2 1 Eg1 Eg2 Ec Ev g ( ) E d 量量 子子 阱阱 狀態(tài)密度狀態(tài)密度 普普 通通 LD QW結(jié)構(gòu)原理圖 量子能級 4.1 光源 多量子阱多量子阱(MQW: Mu

27、ltiple Quantum Well)- LD 量子阱量子阱 x z y 勢壘層勢壘層 InP InGaAs 量子阱量子阱 InGaAsP 有源層有源層 Ec E v E 隔離層隔離層 多量子阱多量子阱LDLD能級能級 4.1 光源 量子線量子線(QWi: Quantum Wires)-LD 能量能量 狀態(tài)密度狀態(tài)密度 多量子線多量子線 4.1 光源 能量能量 狀態(tài)密度狀態(tài)密度 量子點(diǎn)量子點(diǎn)(QD: Quantum Dots)-LD 多量子點(diǎn)多量子點(diǎn) 4.1 光源 4. 波長可調(diào)半導(dǎo)體激光器波長可調(diào)半導(dǎo)體激光器* 4.1 光源 耦合腔波導(dǎo)型耦合腔波導(dǎo)型 切開的耦合腔切開的耦合腔(C3: Cl

28、eaved Coupled Cavity)LD(C3: Cleaved Coupled Cavity)LD 腔模 P N 有源區(qū) I 1 I 2 有源區(qū) 光輸出 LD 1 m 在L段 在D段 在L+D段 4.1 光源 耦合腔波導(dǎo)型耦合腔波導(dǎo)型 衍射光柵耦合腔衍射光柵耦合腔LDLD 光柵 P N 有源區(qū) I 可旋轉(zhuǎn) 反射器 激光 輸出 4.1 光源 耦合腔波導(dǎo)型耦合腔波導(dǎo)型 多段分布反饋耦合腔多段分布反饋耦合腔LDLD P N布拉格光柵 有源段 I 1 I 2 I 3 激光 輸出 相位控制段 4.1 光源 衍射光柵衍射光柵PIC型型 (PIC: Photonic Integrated Circu

29、its) 光子集成電路 O i 9個(gè) SOA PN P0 LN L0 SOA 泵浦電流 4.1 光源 5. 垂直腔表面發(fā)射激光器垂直腔表面發(fā)射激光器* (VCSEL, Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 有源區(qū)有源區(qū) 電極電極 電極電極 電介電介 質(zhì)鏡質(zhì)鏡 襯底襯底 電介電介 質(zhì)鏡質(zhì)鏡 + + 表面發(fā)射表面發(fā)射 /(4 /(4n 1 ) ) L /(4 /(4n 2 ) ) d d n1 n2 1 2 z= 0.1 m InGaAs AlGaAs GaAs 4.1 光源 4.1 光源 可任意配置高密度二維激光陣列。可任意配置高密度二維激光陣列。 4.

30、1 光源 4.1 光源 表表3.1 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管和發(fā)光二極管(LED)的一般性能的一般性能 m/ nm/ )/( 4.1 光源 光源組件實(shí)例 1、對于量子效率為1%，峰值波長為850nm，正向電流 為50mA的LED，其發(fā)光功率為多少？（0.73mW) 2、當(dāng)SLED的輻射功率為100uW，耦合進(jìn)入一個(gè)n1=1.48， n2=1.46的SIF多模光纖，入纖的光功率為多少？（5.88uW) 3、本征GaAs半導(dǎo)體的Eg=1.424eV，室溫下自由電子進(jìn)入導(dǎo) 帶的概率為多少？（1.12*10-12） Tk EE Ef B fc exp1 1 )(提示： 練習(xí)題 主要

31、介紹數(shù)字光發(fā)射機(jī)的基本組成、工作特性 和主要電路！ 光源光源 放大器放大器 光電二光電二 極管極管 判決器判決器 線路線路 編碼編碼 驅(qū)動驅(qū)動 電路電路 接口接口 電路電路 HDB3HDB35B6B5B6B 光隔光隔 離器離器 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 線路線路 編碼編碼 驅(qū)動驅(qū)動 電路電路 調(diào)制器調(diào)制器 功控功控 溫控溫控 接口接口 電路電路 HDB3HDB35B6B5B6B APCAPC ATCATC 光源光源 光隔光隔 離器離器 直接調(diào)制 外調(diào)制 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 接口電路 線路編碼 驅(qū)動電路 光源 控制電路 調(diào)制器 將電信號整形并完成非歸零/歸零等碼型變換 將適合電路傳輸?shù)碾p極性碼型變換為適合

32、光 通信單極性碼型 提供光源偏置電流及調(diào)制電流 光通信的信號載波 如光源的溫度控制和功率控制 外調(diào)制所用或模擬通信的信號變換 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 線路線路 編碼編碼 驅(qū)動驅(qū)動 電路電路 功控功控 溫控溫控 接口接口 電路電路 HDB3HDB35B6B5B6B APCAPC ATCATC 光源光源 光隔離光隔離 器器 直接調(diào)制 抽樣抽樣量化量化編碼編碼碼型變換碼型變換 PAM 量化量化PAM PCM NRZ/RZ/ AMI/HDB3 m(t) 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 抽樣抽樣 每隔一定時(shí)間對模擬信號抽取一個(gè)瞬時(shí)幅度值 脈沖序列信號 脈沖幅度調(diào)制信號 模擬信號 PAM )(tm )(tm

33、)( 1 tm )(tS )(tS t t t s T 抽 樣 門 PAM (Pulse amplitude modulation) 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 量化量化 將信號幅度按一定的規(guī)則離散化。 量化方法： )( 1 tm t 量化PAM PAM 量 化 )( 2 tm t 8 . 3 2 . 1 0 . 4 9 . 3 6 . 2 8 . 0 5 . 2 9 . 2 1 3 4 3 2 0 22 四舍五入法 舍去法舍去法 補(bǔ)足法 量化誤差： 樣值量化值)(te 量化噪聲： 由于量化誤差使電 路中形成的噪聲 量化級差（量階）： 相鄰兩個(gè)量化值的差 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 編碼編碼 將量

34、化后的PAM信號用一組二進(jìn)制碼組表示 三位碼編碼規(guī)則 b1(極性),b2b3(幅值) 2562 82 8 3 3位編碼-8個(gè)量化級 8位編碼-256個(gè)量化級 PCM( Pulse code modulation) PCM 編 碼 )( 3 tm t 量化PAM )( 2 tm t 1 3 4 3 2 0 2 010000110111 111111101 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 碼型碼型 變換變換 為使電端機(jī)編碼器輸出的”0”,”1”單極性碼便于在 線路上傳輸,需要進(jìn)行碼型變換.常見的碼型有: 單極性不歸零碼單極性不歸零碼 (NRZ, Non-Return to zero) 單極性歸零碼單極性

35、歸零碼 (RZ, Return-to-zero), 雙極性信號交替反轉(zhuǎn)碼雙極性信號交替反轉(zhuǎn)碼 (AMI, Alternate Mark Inversion) 3級高密度雙極性碼級高密度雙極性碼 (HDB3, High Density Bipolar of Order 3) 以上碼型均稱為PCM碼 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) t 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 NRZ 單極性,占空比100% V t 0 RZ單極性, 占空比50% V t 0 AMI 雙極性, 占空比50%, “1”碼極性依次交替 V V t 0 HDB3 V V 雙極性, 占空比50%, 連零抑制

36、碼V,B（替 代碼） 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) t 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 HDB3 HDB3碼型的編碼規(guī)則: HDB3碼是連0抑制碼 (1) 凡”1”碼正負(fù)交替; (2) 長連 “0”中的第4個(gè)“0”用V碼碼代替, 并與前面的“1”同極性,不符合極性交替規(guī)律; (3)凡V碼正負(fù) 交替; (4) 如果兩個(gè)V碼間”1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù),則在4個(gè)“0”的第 一位用B碼碼代替,并符合前面的極性交替規(guī)律 t 0 V V 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) t 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0

37、 t 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 t 0 V V t 0 V V HDB3編碼練習(xí) 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 選擇碼型要求選擇碼型要求 u 從線路碼流中容易提取時(shí)鐘從線路碼流中容易提取時(shí)鐘 u 碼流中不宜含直流成分，且低頻分量盡量少碼流中不宜含直流成分，且低頻分量盡量少 u 碼流中高頻成分應(yīng)盡量少碼流中高頻成分應(yīng)盡量少 u 碼間干擾應(yīng)盡量少碼間干擾應(yīng)盡量少 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 線路線路 編碼編碼 接口接口 電路電路 HDB3HDB35B6B5B6B 光源光源 光隔光隔 離器離器 直接調(diào)制 將適合電路傳輸?shù)?碼型(雙極性)變換

38、為 適合光通信需要的 碼型(單極性碼);增 加冗余碼,便于誤碼 自檢等. 三大類: 擾碼擾碼 字母型平衡碼字母型平衡碼(mBnB) 插入型碼插入型碼 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 能限制信號帶寬能限制信號帶寬: : 減小功率譜中的高低頻分量, 有利于提高光接收機(jī)的靈敏度 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對線路碼型的要求數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對線路碼型的要求 能提供足夠的定時(shí)信息：能提供足夠的定時(shí)信息： 使“1”碼和“0”碼的分布均勻， 保證定時(shí)信息豐富 能提供一定的冗余碼：能提供一定的冗余碼： 用于平衡碼流、誤碼監(jiān)測和公務(wù)通信 通過擾碼器,將原始的二進(jìn)制碼序列加以變換,使其接近于隨 機(jī)序列,從

39、而改善了碼流的一些特性. 擾碼擾碼 例如： 擾碼前： 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 擾碼后： 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 字母型平衡碼字母型平衡碼(mBnB) mBnB為組碼, 即將m比特一組碼，根據(jù)轉(zhuǎn)換原則,在同樣長 的時(shí)間內(nèi)選擇成n比特的一組碼代替. nm，一般選取n=m+1。 mBnB碼有1B2B、3B4B、5B6B、 8B9B、 17B18B等。 碼速提高率碼速提高率: %20 5 56 B BB h m mn (以5B6B為例) 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 碼速變化碼速變化: s/100MBitB5B 5B5B /

40、1Tf 6B5B 6T5T s/120MBitT/1B 6B6B 碼字?jǐn)?shù)字和碼字?jǐn)?shù)字和 (WDS): 在nB組碼中，用“-1”代表“0”碼， 用“+1”代表“” 碼，整個(gè)碼字的代數(shù)和即為WDS。 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) nB碼的選擇原則碼的選擇原則: 盡可能選擇|WDS|小的碼字 3B4B編碼表 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) mBnB編譯碼器編譯碼器 有兩種編譯碼電路： 一種是組合邏輯電路組合邏輯電路，就是把整個(gè)編譯碼器都集成 在一小塊芯片上，組成一個(gè)大規(guī)模專用集成塊， 國外設(shè) 備大多采用這種方法。 一種是碼表存儲電路碼表存儲電路，即把設(shè)計(jì)好的碼表全部存儲 到一塊只讀存

41、儲器(PROM)內(nèi)而構(gòu)成，國內(nèi)設(shè)備一般采用 這種方法。 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 3B4B3B4B碼編碼器工作原理碼編碼器工作原理 并串 PROM B1B2B3B4 b1b2b3 串并 組別 變換 A B C 變前時(shí)鐘 已變換的輸出4B碼流 變換時(shí)鐘 待變換輸入3B 信號碼流 5B6B5B6B編碼器原理圖編碼器原理圖 串 并 變 換 E P R O M 10 分 頻 sMbit BSi /264.139 )5( 5 并 串 變 換 sMbit BSo /1168.167 )6( 緩 存 器 6 5 12分頻 環(huán) 路 濾 波 壓 控 振 蕩 鑒 頻 鑒 相 MHz fi 264.139 MHz

42、fo 1168.167 6/ o f 5/ i f 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 插入型碼插入型碼 把輸入二進(jìn)制原始碼流分成每m比特一組，然后在每 組mB碼末尾按一定規(guī)律插入一個(gè)碼，組成m+1個(gè)碼 為一組的線路碼流。 典型的有: mB1C碼: mB1H碼: mB1P碼: 插入1bit補(bǔ)碼C (Compensation) 插入1bit混合碼H ( Hybrid) 插入1bit奇偶校驗(yàn)碼P (Parity) 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) mB1C碼的結(jié)構(gòu)：碼的結(jié)構(gòu)： C碼的作用碼的作用：引入冗余碼，可以進(jìn)行在線誤碼率監(jiān)測， 同 時(shí)改善了“0”碼和“1”碼的分布，有利于定時(shí)提取。

43、mB1C碼碼 mB碼為： 100 110 001 101 mB1C碼為： 1001 1101 0010 1010 mBCmBCmBCC 插入的C碼是第 m 比特的反碼，例如： 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) mB1H碼碼 混合碼指插入的比特不是單一的用途而是多用途，也就 是說交替插入反碼( C )、幀同步碼( F )、公務(wù)碼( S )、 監(jiān)控碼( M ) 和區(qū)間通信碼等 mB1H碼的結(jié)構(gòu)：碼的結(jié)構(gòu)： mBCmBCmBCC HHHH 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 碼速提高不大，誤碼增值小, 可以實(shí)現(xiàn)在線誤碼檢測、區(qū) 間通信和輔助信息傳輸。 缺點(diǎn)缺點(diǎn): 碼流的頻譜特性不如mBnB碼 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) mB1P碼碼

44、 mB1P碼的結(jié)構(gòu)：碼的結(jié)構(gòu)： mBCmBCmBCC PPPP 插入的是奇偶校驗(yàn)碼 若是若是偶校驗(yàn)偶校驗(yàn)，則（m+1）碼中“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)，即當(dāng) mB 碼字中“ 1 ”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)時(shí)，則插入“ 1 ” ；若“ 1 ” 的個(gè)數(shù)為偶數(shù)時(shí)，則插入“ 0 ” 若是若是奇校驗(yàn)奇校驗(yàn)，則（m+1）碼中“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，。 線路線路 編碼編碼 接口接口 電路電路 HDB3HDB35B6B5B6B 光源光源 光隔離光隔離 器器 直接調(diào)制 提供光源偏置電流 及調(diào)制電流. LED驅(qū)動電路驅(qū)動電路 LD驅(qū)動電路驅(qū)動電路 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) LED驅(qū)動電路驅(qū)動電路 LED數(shù)字調(diào)制原理 LED是自發(fā)輻射器件，

45、 注入電流即會發(fā)光， 可以不需要直流偏置 調(diào)整電路。 常用驅(qū)動電路常用驅(qū)動電路: LED集成元件驅(qū)動電路集成元件驅(qū)動電路 LED單管驅(qū)動電路單管驅(qū)動電路 LED射極耦合驅(qū)動電路射極耦合驅(qū)動電路 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) LED集成元件驅(qū)動電路集成元件驅(qū)動電路 利用TTL 集成元件構(gòu)成， 電阻R 來限制LED 的驅(qū)動 電流，電容C 為加速電容， 以便得到相應(yīng)速率響應(yīng)的 光脈沖信號波形 CR CC V i S LED 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) LED單管驅(qū)動電路單管驅(qū)動電路 u 晶體管的集電極電流提 供 LED的驅(qū)動電流。 u 當(dāng)高脈沖到來時(shí)，晶體管 飽和導(dǎo)通，LED發(fā)光； u 當(dāng)?shù)碗娖降絹頃r(shí)，晶

46、體管 截止，LED 不發(fā)光。 u 集電極電阻 R2 為限流電阻， R1和C并聯(lián)組成加速電路， 用以提高開關(guān)速度. C 2 R CC V i S LED 1 R VT 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) LED射極耦合驅(qū)動電路射極耦合驅(qū)動電路 C 2 R CC V i S LED 1 R VT1 VT2 BB V u 當(dāng)輸入端Si 為“1” 時(shí)， VT1導(dǎo)通，VT2截止， 沒有電流流過LED， LED 不發(fā)光； u Si 為“0” 時(shí)，VT2 導(dǎo) 通，VT1 截止，電流 流過LED而使其發(fā) 光,VBB為參考電平. 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) LD驅(qū)動電路驅(qū)動電路 LD 數(shù)字調(diào)制原理圖數(shù)字調(diào)制原理圖 LD 器

47、件是利用在其有源區(qū) 中受激發(fā)射的器件，只有 在工作電流超過閾值電流 的情況下才會輸出激光， 因而是有閾值器件。 常用驅(qū)動電路常用驅(qū)動電路: LD單管驅(qū)動電路單管驅(qū)動電路 LD射極耦合驅(qū)動電路射極耦合驅(qū)動電路 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) LD單管驅(qū)動電路單管驅(qū)動電路 C c R CC V i S LD b R VT b I EE V1 C mb II 晶體管VT 工作在開關(guān)狀態(tài) 調(diào)制信號加于基極 VT 通過集電極提供LD 的 調(diào)制電流Im Ib為LD 提供靜態(tài)偏置電流。 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) LD射極耦合驅(qū)動電路（本教材，劉增基編，射極耦合驅(qū)動電路（本教材，劉增基編，p82） 當(dāng)信號為“0”碼

48、時(shí)，V1基極電位 比VBB高而搶先導(dǎo)通，V2截止， LD不發(fā)光； 當(dāng)信號為“”碼時(shí)，V1基極電 位比VBB低， V2搶先導(dǎo)通，驅(qū)動 LD發(fā)光。 射極耦合電路為恒流源，電流噪 聲小，這種電路的缺點(diǎn)是動態(tài)范 圍小，功耗較大。 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) V2V1 Ib 電流源 Io -UE Uin LD UBB UEC 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) （光纖通信，（光纖通信，邱昆等編著，邱昆等編著，2008，p60） LD射極耦合驅(qū)動電路射極耦合驅(qū)動電路 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) LD調(diào)制特性調(diào)制特性 調(diào)制原理 C c R CC V i S LD b R VT b I EE V1 C mb II 調(diào)制電路

49、 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 調(diào)制特性調(diào)制特性 高速脈沖調(diào)制下 電光延遲 張弛振蕩 電脈沖 自脈動 一般情況 電脈沖 光脈沖 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 產(chǎn)生機(jī)理：產(chǎn)生機(jī)理：電流注入時(shí)先對導(dǎo)帶底部的 能級進(jìn)行電子填充，需要一定的時(shí)間使 得源區(qū)電子密度超過某一閾值方能產(chǎn)生 激光輸出。 現(xiàn)象現(xiàn)象: : 激光器輸出光脈沖與注入電脈沖 之間存在延遲 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 調(diào)制特性調(diào)制特性-電光延遲電光延遲 危害：危害：限制調(diào)制速率 解決方法：解決方法：加直流預(yù)偏置 電光延遲 張弛振蕩 電脈沖 4.2 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 當(dāng)電光延遲時(shí)間td與數(shù) 字調(diào)制的碼元持續(xù)時(shí)間 T/2為相同數(shù)量級時(shí)， 會使“0”碼過后的第一碼過后的第一 個(gè)個(gè)“1碼的脈沖寬度變碼的脈沖寬度變 窄，幅度減小，嚴(yán)重窄，幅度減小，嚴(yán)重 時(shí)可能使單個(gè)時(shí)可能使單個(gè)“” 碼丟失，碼丟失， 這種現(xiàn)象稱 為“碼型效應(yīng)碼型效應(yīng)” 電光延遲產(chǎn)生碼型效應(yīng)碼型效應(yīng) 1 2 電脈沖 光脈沖 2ns 5ns 2ns 碼型效應(yīng)（a) 、(b)碼型效應(yīng)波形； （