第三章光源與光發(fā)射機

1、第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機第三章第三章 光源與光發(fā)射機光源與光發(fā)射機光發(fā)射機的作用： 將電信號轉(zhuǎn)變成光信號，并有效的把光信號送入傳輸光纖。光發(fā)射機的核心：光源光源、驅(qū)動電路驅(qū)動電路光纖通信系統(tǒng)對光源的要求：發(fā)射波長與使用的傳輸窗口波長一致調(diào)制容易、線性好、帶寬大輸出譜窄、以降低光纖色散的影響輻射角小、與光纖的耦合效率高壽命長、體積小、耗電省等第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機兩種半導(dǎo)體光源兩種半導(dǎo)體光源發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LED）：）： 輸出非相關(guān)光，譜寬寬、入纖功率小、調(diào)制速率低。 適用短距離低速系統(tǒng)激光二極管激光二極管(LD): 輸出相干光，譜寬窄、入纖功率

2、大、調(diào)制速率高。 適用長距離高速系統(tǒng)第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機第一節(jié)：第一節(jié)：半導(dǎo)體中的光發(fā)射半導(dǎo)體中的光發(fā)射第二節(jié)：第二節(jié)：發(fā)光二極管發(fā)光二極管第三節(jié)第三節(jié) 半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理 第四節(jié)第四節(jié) 半導(dǎo)體激光器的工作特性半導(dǎo)體激光器的工作特性第五節(jié)第五節(jié) 光發(fā)送機光發(fā)送機第六節(jié)第六節(jié) 光源與光纖的耦合光源與光纖的耦合第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機第一節(jié)第一節(jié) 半導(dǎo)體中的光發(fā)射半導(dǎo)體中的光發(fā)射一、光吸收與發(fā)射一、光吸收與發(fā)射1、激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)1）原子的能級原子的能級 近代物理實驗證明，原子中的電子只能以一定的量子狀態(tài)存在

3、，也即只能在特定的軌道上運動，電子的能量不能為任意值，只能具有一系列的不連續(xù)的分立值。 我們把這種電子、原子、分子等微觀粒子的能量不連續(xù)的分立的內(nèi)能稱為粒子的能級能級。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 粒子處于最低能級時稱為基態(tài)，處于比基態(tài)高的能級時，稱為激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)。 通常情況下，大多數(shù)粒子處于基態(tài)，少數(shù)粒子被激發(fā)至高能級，且能級越高，處于該能級的粒子數(shù)越少。在熱平衡條件下，各能級上的粒子數(shù)分布滿足玻玻爾茲曼統(tǒng)計分布。爾茲曼統(tǒng)計分布。210()/21EEk TNeN第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 其中，N1、N2為處于能級E1、E2上的粒子數(shù)，k0=1.38110-

4、23 J/K為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，下圖為玻爾茲曼分布曲線。0EE1E2E3N3N2N1N第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機2）光與物質(zhì)的相互作用光與物質(zhì)的相互作用光與物質(zhì)間存在以下三種相互作用關(guān)系：（1）自發(fā)輻射自發(fā)輻射 沒有外界激發(fā)的情況下，處于高能級E2上的粒子由于不穩(wěn)定，將自發(fā)的向低能級E1躍遷，發(fā)射出能量為hf的光子，f為光子的頻率，有：21EEfh第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機h=6.62510-34 Js為普朗克常數(shù)。這種發(fā)光過程稱為自發(fā)輻射，如下圖所示。 對于處在高能級E2上的粒子來說，它們各自獨立地、隨機地分別躍遷到低能級E1上，發(fā)射出一個一個的

5、光子，這些光子的能量相同，但彼此無關(guān)，且具有不同的相位及偏振方向，因此自發(fā)輻射發(fā)出的光是非相干光非相干光。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機(2)受激吸收受激吸收 在外來光子的作用下，處在低能級上的粒子，吸收光子的能量躍遷到較高能級上的過程，稱為受激吸收，如下圖所示。處在低能級E1上的粒子在一個頻率為f=(E2-E1)/h的外來光子的作用下，吸收光子能量躍遷到能級E2上去。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機(3)受激輻射受激輻射 處在高能級E2上的粒子，在受到頻率為f=(E2-E1)/h的光子作用下，受激躍遷到低能級E1上并發(fā)出頻率為f的光子的過程，稱為受激輻射，如下圖所示

6、。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機3.粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布及光放大粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布及光放大 通常情況下通常情況下(即熱平衡條件下即熱平衡條件下)，處于低能級的粒，處于低能級的粒子數(shù)較高能級的粒子數(shù)要多，稱為子數(shù)較高能級的粒子數(shù)要多，稱為粒子數(shù)正常分布粒子數(shù)正常分布。粒子在各能級之間分布符合粒子在各能級之間分布符合費米統(tǒng)計規(guī)律費米統(tǒng)計規(guī)律：)exp(11)(kTEEEpf第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 其中,p(E)是能量為E的能級被粒子占據(jù)的幾率，稱為費米分布函數(shù);Ef為費米能級為費米能級，與物質(zhì)特性有關(guān)，不一定是一個為粒子占據(jù)的實際能級，只是一個表明粒子占據(jù)能級狀況的標(biāo)

7、志。當(dāng)能級E0.5時，說明這種能級被粒子占據(jù)的幾率大于50%；當(dāng)能級EEf ，f(E)0.5時，說明這種能級被粒子占據(jù)的幾率小于50%。也就是說，低于費米能級的能級被低于費米能級的能級被粒子占據(jù)的幾率大，高于費米能級的能級被粒子占粒子占據(jù)的幾率大，高于費米能級的能級被粒子占據(jù)的幾率小。據(jù)的幾率小。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 在外界能量作用下，處于低能級的粒子將不斷地被激發(fā)到高能級上去，從而使高能級上的粒子數(shù)大于低能級上的粒子數(shù)，這種分布狀態(tài)稱為粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布。在外界入射光的激發(fā)下，高能級上的粒子產(chǎn)生大量的全同光子，以實現(xiàn)對入射光的放大作用。 我們把處于粒子數(shù)

8、反轉(zhuǎn)分布的物質(zhì)稱為激活激活物質(zhì)或增益物質(zhì)物質(zhì)或增益物質(zhì)。這種物質(zhì)可以是固體、液體或氣體，也可以是半導(dǎo)體材料。把利用光激勵、放電激勵或化學(xué)激勵等方法達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的方法稱為泵浦泵浦或抽運抽運。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機4、激光器的一般工作原理、激光器的一般工作原理（Laser, Light Amplificationby Simulated Emissionof Radiation）是具有極好單色性、方向性和光強的一種光源。世界上第一臺激光器是1960年美國人梅曼發(fā)明的紅寶石激光器。實現(xiàn)一個激光器必須滿足的三個基本三個基本條件是：條件是：需要有合適的工作物質(zhì)（發(fā)光介質(zhì)），具

9、有合適的能級分布，可以產(chǎn)生合適波長的光輻射。需要可以實現(xiàn)工作物質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的激勵能源泵浦源。需要可以進行方向和頻率選擇的光學(xué)諧振腔。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機反射鏡工作物質(zhì)部分反射鏡激光輸出z激光器構(gòu)成原理示意圖 反射率為100%的全反射鏡與反射率為90%95%的部分反射鏡平行放置在工作物質(zhì)兩端以構(gòu)成諧振腔。動畫演示動畫演示第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 諧振腔中的工作物質(zhì)在泵浦源的作用下，處在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子由于受激輻射不斷放大，產(chǎn)生的光子在諧振腔中經(jīng)過反射鏡多次反射，在諧振腔中沿非軸線方向的光子很快逸出了腔外，而沿軸線方向的光子往復(fù)

10、傳輸，不斷被放大，且方向性、增益不斷改善，最后從反射鏡輸出即為激光激光。 除了上述三個基本條件，要產(chǎn)生激光還必須滿足閾值條件閾值條件及相位條件相位條件。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 在激光器工作過程中，光在諧振腔內(nèi)傳播，除了除了增益介質(zhì)的光放大作用外，還存在工作物質(zhì)的吸收、增益介質(zhì)的光放大作用外，還存在工作物質(zhì)的吸收、介質(zhì)不均勻引起的散射、反射鏡的非理想性引起的介質(zhì)不均勻引起的散射、反射鏡的非理想性引起的透射及散射等損耗情況透射及散射等損耗情況，所以也就只有光波在諧振腔內(nèi)往復(fù)一次的放大增益大于各種損耗引起的衰減，激光器才能建立起穩(wěn)定的激光輸出，其閾值條件閾值條件（臨界條件）為1

11、21ln2thrLr第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 th為實現(xiàn)穩(wěn)定激光輸出所必須的最小增益，稱為閾值增益系數(shù);為諧振腔內(nèi)工作物質(zhì)的損耗系數(shù)；L為諧振腔腔長；r1、r2為兩個反射鏡的反射率。 由于在諧振腔中，光波是在兩塊反射鏡之間往復(fù)傳輸?shù)模@時只有在滿足特定相位關(guān)系的光波才能得到彼此加強，因此這種條件稱為相位條件相位條件，即：2qcqfnL第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 式中，fq為光波的頻率;n為工作介質(zhì)的折射率;c為光速;q=1，2，。由上式可以看出，激光器中振蕩光激光器中振蕩光頻率只能取某些分立值，不同頻率只能取某些分立值，不同q的一系列取值對應(yīng)于的一系列取值

12、對應(yīng)于沿諧振腔軸向一系列不同的電磁場分布狀態(tài)，一種分沿諧振腔軸向一系列不同的電磁場分布狀態(tài)，一種分布就是一個激光器的布就是一個激光器的縱?？v模。相鄰兩縱模之間的頻率之差：2cfnL稱為縱模間隔，它與諧振腔長及工作物質(zhì)有關(guān)。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 激光振蕩也可以出現(xiàn)在垂直于腔軸線的方向，這是平面波偏離軸向傳輸時產(chǎn)生的橫向電磁場分布，稱為橫模橫模。二、半導(dǎo)體的光發(fā)射二、半導(dǎo)體的光發(fā)射1）pn結(jié)結(jié) 半導(dǎo)體是由大量原子周期性有序排列構(gòu)成的共價晶體。 在這種晶體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態(tài)擴展成能級連續(xù)分布的能帶，如圖3.1。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機E

13、g/2Eg/2EfEcEvEg導(dǎo)帶價帶能量EcEfEgEvEgEcEfEv(a)(b)(c)圖3.1半導(dǎo)體的能帶和電子分布(a) 本征半導(dǎo)體； (b) N型半導(dǎo)體； (c) P型半導(dǎo)體 第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 能量低的能帶稱為價帶價帶，能量高的能帶稱為導(dǎo)帶導(dǎo)帶，導(dǎo)帶底的能量Ec和價帶頂?shù)哪芰縀v之間的能量差Ec-Ev=Eg稱為禁帶寬度禁帶寬度或帶隙帶隙。電子不可能占據(jù)禁帶。 半導(dǎo)體光源的核心是半導(dǎo)體光源的核心是PN結(jié)結(jié)。 將將P型半導(dǎo)體與型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體相接觸就形成型半導(dǎo)體相接觸就形成PN結(jié)。結(jié)。 無雜質(zhì)及晶格缺陷的完善的半導(dǎo)體稱為本征半無雜質(zhì)及晶格缺陷的完善的半導(dǎo)體

14、稱為本征半導(dǎo)體導(dǎo)體第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 本征半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)形成N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體，過剩的電子占據(jù)本征半導(dǎo)體中空的導(dǎo)帶，處在高能級的電子增多，其費米能級就較本征半導(dǎo)體的要高。 本征半導(dǎo)體中摻入受主雜質(zhì)形成P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體，其費米能級就較本征半導(dǎo)體的要低。 如圖3.1所示：P型、型、N型半導(dǎo)體能帶圖型半導(dǎo)體能帶圖第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機2）電致發(fā)光）電致發(fā)光 當(dāng)P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體相接觸形成PN結(jié)時，由于存在電子與空穴的濃度差，電子從N區(qū)向P區(qū)擴散，空穴從P區(qū)向N區(qū)擴散，因此使N區(qū)的費米能級降低，P區(qū)的費米能級升高。當(dāng)P區(qū)的空穴擴散到N區(qū)后，在

15、P區(qū)留下帶負電的離子，形成一個帶負電荷區(qū)域； 當(dāng)N區(qū)的電子擴散到P區(qū)后，在N區(qū)留下帶正電的離子，形成一個帶正電荷區(qū)域。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 由于這兩個正負電荷區(qū)域的存在，出現(xiàn)了一個由N區(qū)指向P區(qū)的電場，稱為內(nèi)建電場內(nèi)建電場，如下圖。 第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 在內(nèi)建電場作用下，出現(xiàn)了電子從P區(qū)向N區(qū)移動、空穴從N區(qū)向P區(qū)移動的與擴散相反的漂移運動漂移運動。 同時，內(nèi)建電場使P區(qū)與N區(qū)出現(xiàn)勢壘，阻止電子從N區(qū)向P區(qū)的擴散。 開始時，擴散運動占優(yōu)勢，但隨著內(nèi)建電場的加強，勢壘的增高，漂移運動也不斷加強，最后漂移運動完全抵消了擴散運動，達到了動動態(tài)平衡態(tài)平

16、衡，宏觀上沒有電流流過PN結(jié)。此時PN結(jié)的能帶發(fā)生傾斜。如下圖：第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機Pn結(jié)中的能帶圖： 圖3.1.2 半導(dǎo)體中的光發(fā)射(d)pn結(jié)中的能帶圖第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 如果如果PN結(jié)外加一個足夠大的正向偏壓（即P接正、N接負），產(chǎn)生與內(nèi)部電場相反方向的外加電場，結(jié)果能帶傾斜減小，擴散增強。 PN結(jié)在正向偏置時，N區(qū)的電子及P區(qū)的空穴會克服內(nèi)建電場的阻擋作用，穿過結(jié)區(qū)(擴散運動超過漂移運動)，電子運動方向與電場方向相反，便使便使N區(qū)的電子向區(qū)的電子向P區(qū)運動，區(qū)運動，P區(qū)的空穴區(qū)的空穴向向N區(qū)運動區(qū)運動，最后在PN結(jié)形成一個特殊的增益增益

17、區(qū)區(qū)。增益區(qū)的導(dǎo)帶主要是電子，價帶主要是空穴，結(jié)果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，如下圖：第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機半導(dǎo)體中的光發(fā)射(f)正向偏置的pn結(jié) 在電子和空穴擴散過程中，導(dǎo)帶的電子可以躍遷到價帶和空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射光。動畫演示動畫演示第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 由于這種發(fā)光是正向偏置把電子注入到結(jié)區(qū)的，又稱為電致發(fā)光電致發(fā)光。這就是發(fā)光二極管的工作原理發(fā)光二極管的工作原理。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生受激輻射的必要條件，但還不能產(chǎn)生激光。只有把激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，對光的頻率和方向進行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。 我們可以利用半導(dǎo)

18、體材料晶體的天然解理面構(gòu)造光學(xué)諧振腔，那么，在有源區(qū)的放大補償了各種損耗后，就會有穩(wěn)定的激光輸出。這就是半導(dǎo)體激光器的的基本原理。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 目前廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體材料主要有：目前廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體材料主要有： （1）硅（Si）、鍺（Ge）等族半導(dǎo)體材料，屬于間接帶隙材料，不能用來制作半導(dǎo)體激光器，主要用于集成電路和光電檢測器的制作。 （2）碲化鎘（GdTe）、碲化鋅（ZnTe）等族化合物半導(dǎo)體材料均為直接帶隙材料，主要用于可見光和紅外光電子器件的制作。 （3）砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）、砷磷化銦鎵（InGaAsP）等絕大多數(shù)的族化合物半導(dǎo)體材料均為直接

19、帶隙材料，主要用于集成電路和光纖通信用半導(dǎo)體發(fā)光二極管、激光器、光電檢測器的制作。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 半導(dǎo)體光源發(fā)射的光子的能量、波長取決于半導(dǎo)體材料的帶隙Eg，以電子伏特（eV）表示的發(fā)射波長為：1.240()()gmEeV 例如，對于GaAs，Eg=1.42eV，用它制作的LED的發(fā)射波長就為=0.87m。不同的半導(dǎo)體材料、不同的材料成分有不同的禁帶寬度，可以發(fā)射不同波長的光。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機2）異質(zhì)結(jié)）異質(zhì)結(jié) 上述發(fā)光原理的PN結(jié)是由同一種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的，P區(qū)、N區(qū)具有相同的帶隙、接近相同的折射率（摻雜后折射率稍有變化，但很小），這

20、種PN結(jié)稱為同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)。 在同質(zhì)結(jié)中，光發(fā)射在結(jié)的兩邊都可以發(fā)生，因此，發(fā)光不集中，強度低，需要較大的注入電流。器件工作時發(fā)熱非常嚴(yán)重，必須在低溫環(huán)境下工作，不可能在室溫下連續(xù)工作。 為了克服同質(zhì)結(jié)的缺點，需要加強結(jié)區(qū)的光波導(dǎo)作用及對載流子的限定作用，這時可以采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 所謂異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)，就是由帶隙及折射率都不同的兩種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的PN結(jié)。 異質(zhì)結(jié)可分為單異質(zhì)結(jié)（單異質(zhì)結(jié)（SH）和雙異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)（DH）。）。 異質(zhì)結(jié)是利用不同折射率的材料來對光波進行限制，利用不同帶隙的材料對載流子進行限制。如下圖：第第3 3章章 光源與光發(fā)送機

21、光源與光發(fā)送機第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機4）直接帶隙與間接帶隙半導(dǎo)體直接帶隙與間接帶隙半導(dǎo)體 根據(jù)能帶結(jié)構(gòu)的能量與波矢量關(guān)系(如下圖所示)，半導(dǎo)體材料可以分為光電性質(zhì)完全不同的兩類，即直接帶隙材料直接帶隙材料和間接帶隙材料間接帶隙材料。 在直接帶隙材料中，導(dǎo)帶中的最低能量狀態(tài)與價帶中的最高能量狀態(tài)具有相同的波矢量，即位于動量空間中的同一點上。 在間接帶隙材料中，導(dǎo)帶中的最低能量狀態(tài)與價帶中的最高能量狀態(tài)處在不同的波矢量位置上，即具有不同的動量。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機圖3.1.4 直接帶隙半導(dǎo)體(a)與間接帶隙半導(dǎo)體( b)的能量-動量圖第第3 3章章 光

22、源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 能帶結(jié)構(gòu)的這種差別使得這兩類半導(dǎo)體材料的光電性質(zhì)具有非常大的差異。 在直接帶隙材料直接帶隙材料中，電子在價帶和導(dǎo)帶之間躍遷符合動量守恒條件，因此具有較大的躍遷幾率。 在間接帶隙材料間接帶隙材料中，電子在價帶和導(dǎo)帶之間躍遷不符合動量守恒條件，光子與電子的相互作用需要在聲子聲子的作用下才能完成，因此躍遷幾率非常低。 所以間接帶隙材料發(fā)光效率比較低，不適合于制間接帶隙材料發(fā)光效率比較低，不適合于制作光源。作光源。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機5）發(fā)光效率）發(fā)光效率 半導(dǎo)體pn結(jié)中的發(fā)光過程存在輻射復(fù)合與無輻射復(fù)合兩種過程。為了衡量它們的相對大小，定義內(nèi)量子效

23、率i ：數(shù)單位時間內(nèi)注入的電子數(shù)單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光子i 設(shè)由輻射復(fù)合機理決定的少數(shù)載流子的平均生存時間為輻射復(fù)合壽命， r；由無輻射復(fù)合機理決定的少數(shù)載流子的平均生存時間為無輻射復(fù)合壽命， nr。 設(shè)p區(qū)及n區(qū)中注入的少數(shù)載流子的密度分別為第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機n及p，按照晶體電中性的要求， n p。因此輻射復(fù)合效率為n/ r, 無輻射復(fù)合效率為n / nr 。則內(nèi)量子效率：rnrrnrrrinnn11nrr111其中： 稱為少數(shù)載流子的平均壽命第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 半導(dǎo)體發(fā)光器件的內(nèi)量子效率可做的很高，但實際光器件的輸出光子遠小于有源層中產(chǎn)生的光

24、子數(shù)。這是：一、由于發(fā)光區(qū)產(chǎn)生的光子，部分被材料吸收；二、由于半導(dǎo)體材料的高折射率(n=34)，光子在界面出受到高反射，使逸出界面的光子數(shù)大為減少。 因此定義外量子效率（發(fā)光器件的總效率）：geeTIEPeIhfP注入的總電子數(shù)輸出的光子數(shù)式中：Pe為輸出功率，I為注入電流，Eg為材料帶隙能量第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 另外，器件效率（即功率轉(zhuǎn)換效率）為輸出光功率與輸入電功率IV之比，%100%100VEIVPgTe式中：I為注入電流，V為工作電壓。半導(dǎo)體光源的僅為百分之幾。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機第二節(jié)第二節(jié) 發(fā)光二極管發(fā)光二極管一、發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)一、

25、發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)在光纖通信系統(tǒng)中，發(fā)光二極管只用面發(fā)光二極管面發(fā)光二極管和邊發(fā)光二極管邊發(fā)光二極管兩種，如下圖所示。這兩種結(jié)構(gòu)都可以用同質(zhì)結(jié)制造，也可以用異質(zhì)結(jié)制造，只不過在實際中多采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機SLED的結(jié)構(gòu)第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機ELED的結(jié)構(gòu)動畫演示動畫演示第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 面發(fā)光二極管由NPP雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)成。 這種LED發(fā)射面積限定在一個小區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域的橫向尺寸與光纖尺寸相近。利用腐蝕的方法在襯底利用腐蝕的方法在襯底材料正對有源區(qū)的地方腐蝕出一個凹陷的區(qū)域，使材料正對有源區(qū)的地方腐蝕出一個凹陷

26、的區(qū)域，使光纖可以與發(fā)射面靠近，同時，在凹陷的區(qū)域注入光纖可以與發(fā)射面靠近，同時，在凹陷的區(qū)域注入環(huán)氧樹脂，并在光纖末端放置透鏡或形成球透鏡，環(huán)氧樹脂，并在光纖末端放置透鏡或形成球透鏡，以提高光纖的接收效率。以提高光纖的接收效率。面發(fā)光二極管輸出的功率較大，一般注入100mA電流時，就可達幾個毫瓦，但光發(fā)散角大，水平和垂直發(fā)散角都可達到120，與光纖的耦合效率低。 第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機SLED的光輻射分布第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 邊發(fā)光二極管，也采用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。 利用利用SiO2掩模技術(shù)，在掩模技術(shù)，在P面形成垂直于端面的條面形成垂直于端面的條形接

27、觸電極（約形接觸電極（約4050m），從而限定了有源區(qū)的寬），從而限定了有源區(qū)的寬度；同時，增加光波導(dǎo)層，進一步提高光的限定能力，度；同時，增加光波導(dǎo)層，進一步提高光的限定能力，把有源區(qū)產(chǎn)生的光輻射導(dǎo)向發(fā)光面，以提高與光纖的把有源區(qū)產(chǎn)生的光輻射導(dǎo)向發(fā)光面，以提高與光纖的耦合效率。耦合效率。其有源區(qū)一端鍍高反射膜，另一端鍍增透膜，以實現(xiàn)單向出光。在垂直于結(jié)平面方向，發(fā)散角約為30，具有比面發(fā)光二極管高的輸出耦合效率。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機二、發(fā)光二極管的工作特性二、發(fā)光二極管的工作特性1）PI特性特性 發(fā)光二極管的發(fā)光二極管的PI特性是指輸出的光功率隨特性是指輸出的光功率隨

28、注入電流的變化關(guān)系注入電流的變化關(guān)系，其PI曲線如下圖所示。當(dāng)注入電流較小時，線性度非常好；但當(dāng)注入電流比較大時，由于PN結(jié)的發(fā)熱，發(fā)光效率降低，出現(xiàn)了飽和現(xiàn)象飽和現(xiàn)象。在同樣的注入電流下，面發(fā)光二極管的輸出功率要比邊發(fā)光二極管大2.53倍，這是由于邊發(fā)光二極管受到更多的吸收和界面復(fù)合的影響。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機LED的輸出特性的輸出特性第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 在通常應(yīng)用條件下，發(fā)光二極管的工作電流為50150mA，輸出功率為幾個毫瓦，但因其與光纖的耦合效率很低，入纖功率要小得多。 溫度對發(fā)光二極管的PI特性也有影響，當(dāng)溫度升高時，同一電流下的發(fā)射

29、功率要降低，如上圖所示。 發(fā)光二極管的溫度特性相對較好（與LD相比較），在實際應(yīng)用中，一般可以不加溫度控制。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機2）光譜特性）光譜特性 由于發(fā)光二極管是自發(fā)輻射發(fā)光，并且沒有諧振腔實現(xiàn)對波長的選擇，因此發(fā)光譜線較寬。定義光強下降一半的波長變化為輸出譜線寬度（半功率點全寬FWHP），這就是光源的線寬 ，如下圖。 一般短波長GaAlAsGaAs發(fā)光二極管的譜線寬度約為2540nm，長波長InGaAsPInP發(fā)光二極管的譜線寬度約為75100nm。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機光源線寬第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 發(fā)光二極管的譜線

30、寬度反映了有源區(qū)材料的導(dǎo)帶與價帶內(nèi)的載流子分布。 線寬隨有源區(qū)摻雜濃度的增加而增加。面發(fā)光二極管一般是重摻雜，而邊發(fā)光二極管為輕摻雜，因此面發(fā)光二極管的線寬就較寬面發(fā)光二極管的線寬就較寬。而且，重摻雜時，發(fā)射波長還向長波長方向移動。同時，溫度的變化會使線寬加寬，載流子的能量分布變化也會引起線寬的變化，如下圖所示。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機LED的譜線特性第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機3）調(diào)制特性）調(diào)制特性 根據(jù)PI特性可以看出，改變發(fā)光二極管的注入電流就可以改變其輸出光功率如下圖。LED的數(shù)字調(diào)制(a)及模擬調(diào)制( b)第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送

31、機 把這種直接改變光源注入電流實現(xiàn)調(diào)制的方式稱為直接調(diào)制直接調(diào)制或內(nèi)調(diào)制內(nèi)調(diào)制。 需要注意的是，在圖示的模擬調(diào)制中，首先要給發(fā)光二極管直流偏置直流偏置，以防止當(dāng)信號為負時，可能會因反偏而造成的損壞。 顯然，對于模擬調(diào)制PI關(guān)系的非線性會使調(diào)制信號產(chǎn)生失真調(diào)制信號產(chǎn)生失真（如下圖），在需要的情況下，可以利用線性補償電路來進行改善。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機光源非線性諧波的產(chǎn)生第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 LED調(diào)制特性的另一個重要參量是調(diào)制帶寬調(diào)制帶寬。 設(shè)LED受頻率的信號調(diào)制，則輸出功率為：2)(1)0()(PwP 式中，P(0)為直流(=0)時的光輸出，為

32、LED及驅(qū)動電路的時間常數(shù)。 當(dāng)1/ 時，P(w)=0.707P(0)。在接收機中，檢測電流正比與光功率，光功率下降到0.707（-1.5dB)時，接收電功率下降到(0.707)2=0.5,即-3dB。 第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機21(3電）dBf因此，1/ 就是就是LED的的3dB調(diào)制帶寬或調(diào)制帶寬或3dB電帶寬。電帶寬。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機第三節(jié)第三節(jié) 半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理一、半導(dǎo)體激光器的工作原理 半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光輸出的基本條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光反饋閾值條件1、粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 在熱平衡條件下，二能級原子系統(tǒng)中上能級的粒子要比下

33、能級少得多，服從波爾茲曼分布。此時不會發(fā)生受激發(fā)射。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 為了產(chǎn)生受激輻射，必須建立非平衡得分布，即使上能級的粒子數(shù)大于下能級的粒子數(shù)，使受激發(fā)射大于受激吸收，這種狀態(tài)叫做粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。波爾茲曼分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 激光器的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)可采用電或光的泵浦電或光的泵浦。2、光反饋和激光振蕩、光反饋和激光振蕩 在有源區(qū)內(nèi)，開始少數(shù)載流子的自發(fā)輻射產(chǎn)生光子。一部分光子一旦產(chǎn)生，就穿出有源區(qū)，得不到放大；另一部分光子可能在有源區(qū)內(nèi)傳播，并引起其他電子空穴對的受激輻射，產(chǎn)生更多的性能相同的光子，得到放大。 為了得到激

34、光，必須將激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，如下圖。 通過腔兩端的反射，向光子提供正反饋提供正反饋。光信號每通過一次增益媒質(zhì)就得到一次放大。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機激光器中的光反饋及FP腔 這種光學(xué)結(jié)構(gòu)稱為法布里珀羅諧振腔法布里珀羅諧振腔，簡稱F-P諧振腔諧振腔。 在LD中，作為增益媒質(zhì)晶體兩端的自然解理面形成反射鏡，即光腔。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 由于在諧振腔中，光波是在兩塊反射鏡之間往復(fù)傳輸?shù)?，這時只有在滿足特定相位關(guān)系的光波才能得到彼此加強，因此這種條件稱為相位條件相位條件，2qcqfnL 激光器中振蕩光頻率只能取某些分立值，不同q的一系列取值對應(yīng)于沿諧

35、振腔軸向一系列不同的電磁場分布狀態(tài)，一種分布就是一個激光器的縱?？v模。相鄰兩縱模之間的頻率之差：第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機2cfnL稱為縱模間隔，它與諧振腔長及工作物質(zhì)有關(guān)。F-P腔的透射頻譜特性如下圖：腔的透射頻譜特性如下圖：第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機半功率點全寬為：半功率點全寬為：Fff/2/1RRF1F為F-P腔的精細度，可表示為：R增大，F(xiàn)增大。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機3、激光振蕩的閾值條件、激光振蕩的閾值條件 在注入電流的作用下，有源區(qū)的受激輻射不斷增強，稱為增益增益。 在F-P腔中，每次通過增益媒質(zhì)時的增益盡管很小，但經(jīng)過多次

36、振蕩后，增益變得足夠大。 當(dāng)腔內(nèi)增益超過總損耗腔內(nèi)增益超過總損耗（包括載流子吸收、缺陷散射及端面輸出）時，就產(chǎn)生了激光。 見下圖：第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機FP-LD的增益曲線(a)腔模(b)及輸出的縱模(c)第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機第四節(jié)第四節(jié) 半導(dǎo)體激光器的工作特性半導(dǎo)體激光器的工作特性1、P-I特性特性典型的半導(dǎo)體激光器如下圖所示0Ith100150注入電流 / mA功率 / mW3.53.02.52.01.51.00.5050圖4.14 半導(dǎo)體激光器PI曲線第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 從圖上可以看出，半導(dǎo)體激光器存在閾值電流閾值電

37、流Ith。當(dāng)注入電流小于閾值電流時，器件發(fā)出微弱的自發(fā)輻射光，類似于發(fā)光二極管的發(fā)光情況。當(dāng)注當(dāng)注入電流超過閾值，器件進入受激輻射狀態(tài)時，光功入電流超過閾值，器件進入受激輻射狀態(tài)時，光功率輸出迅速增加，輸出功率與注入電流基本保持線率輸出迅速增加，輸出功率與注入電流基本保持線性關(guān)系。性關(guān)系。 半導(dǎo)體激光器的PI特性對溫度很敏感，下圖給出了不同溫度下PI特性的變化情況。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機05010015080706050403022注入電流 / mA功率 / mW654321圖4.15 半導(dǎo)體激光器PI曲線隨溫度的變化動畫演示第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機

38、由圖可見，隨著溫度的升高，閾值電流增大，發(fā)隨著溫度的升高，閾值電流增大，發(fā)光功率降低。光功率降低。閾值電流與溫度的關(guān)系可以表示為：00( )exp()thTITIT 其中,T為器件的絕對溫度；T0為激光器的特征溫度；I0為常數(shù)。 為解決半導(dǎo)體激光器溫度敏感的問題，可以在驅(qū)動電路中進行溫度補償溫度補償，或是采用制冷器來保持器件的溫度穩(wěn)定溫度穩(wěn)定。 通常將半導(dǎo)體激光器與熱敏電阻、半導(dǎo)體制冷器等封裝在一起，構(gòu)成組件。熱敏電阻用來檢測器件溫度，控制制冷器，實現(xiàn)閉環(huán)負反饋自動恒溫。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機2、模式特性與線寬、模式特性與線寬LD輸出譜特性，或為多縱?；驗閱慰v模，如下圖。

39、LD的多模(a)及單模(b)輸出譜第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 1、模式特性 從使用來說，首先考慮的是模式的穩(wěn)定性穩(wěn)定性，它隨時間、電流的任何變化都會給系統(tǒng)附加噪聲。其次，對高速光纖通信系統(tǒng)來說，單縱模窄譜寬單縱模窄譜寬的光源有利于減小光纖色散的影響。 在模式特性上還要注意到橫模的問題。 激光振蕩也可能出現(xiàn)在垂直于腔軸的平面內(nèi)，其中TEM00為基橫模為基橫模，TEM10、TEM11等為高次橫模。 由于TEMTEM0000模的光斑與光纖中基模模的光斑與光纖中基模LPLP0101模場光斑相模場光斑相匹配，故耦合效率最高匹配，故耦合效率最高。 同時LD工作在TEM00模時相干性最好相

40、干性最好，因此在LD的設(shè)計及結(jié)構(gòu)上都應(yīng)保證基橫模工作保證基橫模工作。 第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機2、線寬LD輸出的有限線寬來自于兩個因素： 一、是激光腔內(nèi)自發(fā)發(fā)射事件引起的光場相位脈動。 二、是載流子濃度脈動引起的折射率變化，使光腔庇振頻率產(chǎn)生變化。簡化理論推導(dǎo)的光源線寬可表示為：PX41式中，X為自發(fā)發(fā)射事件的平均速率；P為光功率；為線寬提高因子，表示折射率實部與虛部之比。 第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機由上式可知，為了降低LD的線寬，可采取下列措施：增大光功率（或腔內(nèi)總光子數(shù)）。 減小自發(fā)發(fā)射速率。從外部穩(wěn)定載流子密度以使幅值-相位耦合最小。 第一點可通過改

41、變腔結(jié)構(gòu)、增加總體積、增加單位體積內(nèi)儲能（如增加端面反射系數(shù)）或增加輸出功率來實現(xiàn)。 第二點可通過注入鎖定來實現(xiàn)。 第三點，通過驅(qū)動電流的反饋控制來穩(wěn)定載流子密度，有效減少激光場的幅值-個位耦合。 第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機3、調(diào)制特性、調(diào)制特性 如下圖為半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制的原理圖。 激光二極管的調(diào)制原理圖 (a)數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制；(b)模擬調(diào)制模擬調(diào)制光功率輸 出 功 率信號電流電 流時 間(b)時間光功率輸 出 功 率信號電流電 流時 間(a)時間第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 與發(fā)光二極管的調(diào)制不同的是，由于存在閾值電閾值電流流，在實際的調(diào)制電路中，為

42、提高響應(yīng)速度及不失真，需要進行直流偏置處理。 在高速調(diào)制情況下，半導(dǎo)體激光器會出現(xiàn)許多復(fù)雜動態(tài)性質(zhì)，如出現(xiàn)電光延遲電光延遲、張弛振蕩、自脈張弛振蕩、自脈動動和碼型效應(yīng)碼型效應(yīng)等現(xiàn)象。這些特性會對系統(tǒng)傳輸速率和通信質(zhì)量帶來影響。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機1）張馳振蕩）張馳振蕩 當(dāng)電流脈沖突然加到LD上時，其光輸出呈現(xiàn)下圖所示的動態(tài)相應(yīng)，這是注入電子與所產(chǎn)生光子簡相互作用的量子力學(xué)過程。LD的張弛振蕩特性第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 當(dāng)注入電流從零快速增大到閾值以上時，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)過幾個周期后達到平衡值。 這種特性可定性解

43、釋如下： 當(dāng)階躍電流加到LD時，有源層中的電子濃度迅速增加。在未達到閾值時沒有激光輸出，但經(jīng)過電子延遲時間td后電子濃度達到閾值，并馬上產(chǎn)生激光輸出。而在光子濃度到穩(wěn)態(tài)值前，電子濃度仍在增大，直到電子濃度達到最大值，而光子濃度達到穩(wěn)態(tài)值。由于導(dǎo)帶內(nèi)超量儲存電子，受激復(fù)合過程進一步增大，直到光子濃度升到最大值，而電子濃度則降到閾值； 第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機由于光子壽命，及逸出腔外需要一定時間，使有源區(qū)內(nèi)的過量復(fù)合仍維持一段時間，電子濃度進一步下降到閾值以下，光子濃度也開始迅速下降。當(dāng)電子濃度下降到最低點，有源層中的激射可能減弱甚至停止。緊接著又開始新一輪導(dǎo)帶電子填充過程。但

44、由于電子但由于電子的存儲效應(yīng)，這一輪的填充時間比上次短，電子濃度的存儲效應(yīng)，這一輪的填充時間比上次短，電子濃度和光子濃度的過沖量也比上次小。和光子濃度的過沖量也比上次小。這種衰減振蕩過程重復(fù)多次，直到輸出光功率達到穩(wěn)態(tài)值。 顯然，如果LD預(yù)偏置在閾值附近，光脈沖上升時預(yù)偏置在閾值附近，光脈沖上升時間及張弛振蕩的幅度都會顯著降低間及張弛振蕩的幅度都會顯著降低。 另外，在結(jié)構(gòu)上具有橫向光波導(dǎo)的LD（如隱埋導(dǎo)質(zhì)結(jié)LD），其張弛振蕩較弱。 第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機2)電光延遲電光延遲 半導(dǎo)體激光器在高速脈沖調(diào)制下，輸出光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形如下圖所示。輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在一

45、個時間延遲，稱為電光延遲時間電光延遲時間，一般為納秒量級。光脈沖電脈沖光脈沖的電光延遲和張弛振蕩光脈沖的電光延遲和張弛振蕩第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 電光延遲的原因是由于載流子濃度達到激光閾值需要一定的時間（0.52.5ns)。 張馳振蕩張馳振蕩和電光延遲電光延遲與激光器有源區(qū)的電子自發(fā)有源區(qū)的電子自發(fā)復(fù)合壽命復(fù)合壽命和諧振腔內(nèi)光子壽命諧振腔內(nèi)光子壽命以及注入電流初始偏置注入電流初始偏置量量有關(guān)。 當(dāng)信號的調(diào)制頻率接近張弛振蕩頻率時，將會使輸出光信號的波形嚴(yán)重失真波形嚴(yán)重失真，勢必會增加接收機的誤誤碼率碼率，所以，半導(dǎo)體激光器的張弛振蕩和電光延遲的存在限制了信號的調(diào)制速率應(yīng)低

46、于張弛振蕩頻率，這樣才能保證信息傳輸?shù)目煽俊?第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 可以通過在半導(dǎo)體激光器脈沖調(diào)制時加直流預(yù)偏直流預(yù)偏置置的方法來使脈沖到來之前將有源區(qū)內(nèi)的電子密度提高到一定程度，從而使脈沖到來時，電光延遲時間大大減小，而且張馳振蕩現(xiàn)象可以得到一定程度的抑制。隨著直流預(yù)偏置電流的增大，電光延遲時間逐漸減小。增加直流預(yù)偏置電流也有利于抑制張馳振蕩。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機3）碼型效應(yīng)）碼型效應(yīng) 電光延遲還會產(chǎn)生碼型效應(yīng)。 當(dāng)電光延遲時間與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時間為相同數(shù)量級時，會使后一個光脈沖幅度受到前一個脈沖的影響，這種影響現(xiàn)象稱為“碼型效應(yīng)碼型效應(yīng)”

47、，如下圖 (a)、(b)所示?？紤]在兩個接連出現(xiàn)的考慮在兩個接連出現(xiàn)的“1”碼脈沖調(diào)制時，碼脈沖調(diào)制時，第一個脈沖過后，存儲在有源區(qū)的電子以指數(shù)形式衰第一個脈沖過后，存儲在有源區(qū)的電子以指數(shù)形式衰減，減，如果調(diào)制速率很高，脈沖間隔小于其衰減周期，如果調(diào)制速率很高，脈沖間隔小于其衰減周期，就會使第二個脈沖到來之時，前一個電流脈沖注入的就會使第二個脈沖到來之時，前一個電流脈沖注入的電子并沒有完全復(fù)合消失電子并沒有完全復(fù)合消失，此時有源區(qū)電子密度較高，此時有源區(qū)電子密度較高，因此電光延遲時間短，因此電光延遲時間短，輸出光脈沖幅度和寬度就會增輸出光脈沖幅度和寬度就會增大大。第第3 3章章 光源與光發(fā)送

48、機光源與光發(fā)送機2ns5ns2ns電流脈沖光脈沖(a)(b)(c)碼型效應(yīng)碼型效應(yīng)第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 “碼型效應(yīng)”的特點是，在脈沖序列中較長的連在脈沖序列中較長的連“0”碼后出現(xiàn)的碼后出現(xiàn)的“1”碼，其脈沖明顯變小，而且連碼，其脈沖明顯變小，而且連“0”碼數(shù)目越多，調(diào)制速率越高，這種效應(yīng)越明顯碼數(shù)目越多，調(diào)制速率越高，這種效應(yīng)越明顯。 消除碼型效應(yīng)最簡單的方法就是增加直流偏置電增加直流偏置電流流。當(dāng)激光器偏置在閾值附近時，脈沖持續(xù)時間和脈沖過后有源區(qū)內(nèi)電子密度變化不大，電子存儲的時間大大減小，碼型效應(yīng)就可得到抑制。 還可以采用在每一個正脈沖后跟一個負脈沖的雙雙脈沖信號

49、脈沖信號進行調(diào)制的方法，如上圖 (c)所示：第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 正脈沖產(chǎn)生光脈沖，負脈沖來消除有源區(qū)內(nèi)的存儲電子。但負脈沖的幅度不能過大，以免激光器PN結(jié)被反向擊穿。 4）調(diào)制譜特性 LD在信號電流直接調(diào)制下，除了輸出強度發(fā)生變化外，其譜特性也會發(fā)生變化，如下圖。 在閾值附近，輸出較寬，隨著電流的增大，模式選在閾值附近，輸出較寬，隨著電流的增大，模式選擇性增大，相鄰模得到抑制。擇性增大，相鄰模得到抑制。這時，總的強度不變，但模間相對強度在改變。 這種模間分配效應(yīng)在直接調(diào)制下最明顯，使長距離光纖系統(tǒng)中因光纖色散而在接收機內(nèi)產(chǎn)生強度脈動，使誤碼率增大。第第3 3章章 光源

50、與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機GaAs-LD直流光輸出譜特性第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機下圖示出了1ns單個脈沖持續(xù)周期內(nèi)的模式脈動現(xiàn)象。脈沖持續(xù)期內(nèi)的動態(tài)譜特性第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 4、波長調(diào)諧特性、波長調(diào)諧特性 在波分復(fù)用及相干光纖傳輸系統(tǒng)中，光源常常需要調(diào)諧。下面介紹幾種調(diào)諧方法。 熱調(diào)諧：是利用不同溫度下諧振腔尺寸的變化，引起諧振頻率的變化，調(diào)諧靈敏度為1020GHz/oC。 外腔機械調(diào)諧：是將作為增益媒質(zhì)的LD芯片，置于一外腔中，改變外腔尺寸而實現(xiàn)波長調(diào)諧。 外腔結(jié)構(gòu)有光柵、光纖或自聚焦透鏡等，如下圖：第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機光柵

51、外腔可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器 LD芯片的一個端面增透鍍覆，從該端面出來的光由一個透鏡準(zhǔn)直后與光柵形成外腔，激射頻率由旋轉(zhuǎn)光柵來粗調(diào)，軸向移動光柵來細調(diào)。 當(dāng)外腔長為25cm時，這種結(jié)構(gòu)在1.55m波長上獲得了40nm的調(diào)諧。 同時，外腔也使輸出線寬大大壓縮，達到5kHz左右。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機5、噪聲特性、噪聲特性LD的噪聲源主要有：相位或頻率噪聲。工作不穩(wěn)定引起的噪聲，如PI特性的扭折與自脈動。光纖端面與LD之間互作用引起的噪聲。模噪聲與模分配噪聲。 相位噪聲是LD所固有的，它源于LD中分力和隨機的自發(fā)發(fā)射或受激躍遷事件，產(chǎn)生光發(fā)射中的強度脈動，使電磁場相位大小與符號隨機

52、跳動。 其中，(2)(4)可通過模式穩(wěn)定及光隔離來降低或消除。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 LD輸出幅值或強度的脈動導(dǎo)致光強度噪聲。隨機的強度脈動建立的噪聲源稱為相對強度噪聲(RIN)，它定義為LD輸出的均方功率脈動與平均光功率平方2P之比，即：22PPRIN功率脈動可用功率譜密度SRIN(f)表示為：02)(dffSPRIN第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 對于單模LD，RIN的典型值約為-130 -160dB/Hz。RIN的大小與以下因素有關(guān)：（1）隨注入電流Ib的增大而減小，并正比于31thbII（2）調(diào)制頻率fm有關(guān)。（3）反射到LD的信號將使RIN增大10

53、 20dB。因此，采用LD輸出隔離器。 LD的噪聲除了其固有噪聲外，還有于系統(tǒng)有關(guān)的噪聲： 模噪聲模噪聲,主要存在于采用相干光源（LD）及多模光纖的系統(tǒng)中。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 對低于100Mb/s的系統(tǒng)，這種噪聲影響不大。但對高速系統(tǒng)，必須設(shè)法消除。模噪聲對模擬系統(tǒng)的影響較大。 模分配噪聲模分配噪聲，于不同激光縱模間的強度脈動及單模光纖色散的聯(lián)合作用有關(guān)。 單縱模工作的LD沒有模分配噪聲，但如果在注入電流調(diào)制下出現(xiàn)多模振蕩及動態(tài)線寬加寬，則會引進模分配噪聲，并成為高速單模光纖系統(tǒng)的靈敏度限制。 LD與光纖間互作用引起的噪聲與光纖間互作用引起的噪聲，源自光纖端面反射產(chǎn)生

54、的反饋。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機光纖通信系統(tǒng)組成信源電發(fā)射機光發(fā)射機光接收機電接收機信宿 話話音音300-3400Hz模模擬基帶電擬基帶電信號信號已調(diào)已調(diào)光信光信號號PCM基群或基群或高次群高次群電信號電信號PCM基基群或高群或高次群電次群電信號信號300-3400Hz的的基帶基帶信號信號話話音音第五節(jié)第五節(jié) 光發(fā)送機光發(fā)送機信源：信源：將用戶原始信息轉(zhuǎn)換為基帶電信號。電發(fā)射機電發(fā)射機：將基帶信號轉(zhuǎn)換為適合信道傳輸?shù)男盘枴０〝?shù)模轉(zhuǎn)換、多路復(fù)用。光發(fā)射機光發(fā)射機：將電信號轉(zhuǎn)換為適合光纖傳輸?shù)墓庑盘枴５诘? 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 光發(fā)送機由輸入接口、光源、驅(qū)動

55、電路、公務(wù)及監(jiān)控電路、自動偏置控制電路、溫度控制電路等組成。如下圖：光發(fā)送機框圖第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機光發(fā)送機的性能主要包括以下幾個方面：光源性能，包括波長、譜寬、P-I特性及壽命等調(diào)制方式（模擬、數(shù)字或外調(diào)制）傳輸速率或帶寬輸出功率（入纖平均光功率為0.0110mW，穩(wěn)定度在510左右）數(shù)字光脈沖的消光比EXT0.1（ EXT為全“0”平均光功率與全“1”平均光功率之比）無張馳振蕩第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機一、光載波的調(diào)制一、光載波的調(diào)制 把信息加載到光波上的過程就是調(diào)制。 分類分類：模擬調(diào)制模擬調(diào)制、數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制 模擬調(diào)制有可分為：強度調(diào)制強度調(diào)

56、制和副載波調(diào)制副載波調(diào)制。 強度調(diào)制強度調(diào)制是用模擬基帶信號直接對光源進行強度調(diào)制。 副載波調(diào)制副載波調(diào)制是利用連續(xù)或脈沖的射頻波作為副載波，模擬基帶信號先對它的幅度、頻率或相位等進行調(diào)制，再用該受調(diào)制的副載波去強度調(diào)制光源。 按調(diào)制方式與光源的關(guān)系來分：按調(diào)制方式與光源的關(guān)系來分： 直接調(diào)制直接調(diào)制和和外調(diào)制外調(diào)制第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 直接調(diào)制直接調(diào)制指直接用電調(diào)制信號來控制半導(dǎo)體光源的振蕩參數(shù)（光強、頻率），得到光頻的調(diào)幅波，又稱為內(nèi)調(diào)制。 外調(diào)制外調(diào)制是讓光源輸出的幅度與頻率等恒定的光載波通過光調(diào)制器，電信號通過調(diào)制器實現(xiàn)對光載波的幅度、頻率及相位等進行調(diào)制。 目

57、前光纖通信系統(tǒng)中應(yīng)用最多的是光源的基帶直接強度調(diào)制、副載波強度調(diào)制及數(shù)字調(diào)制，高速率是采用外調(diào)制。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機二、發(fā)光二極管驅(qū)動電路二、發(fā)光二極管驅(qū)動電路1）LED模擬驅(qū)動電路LED模擬驅(qū)動電路第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機對驅(qū)動電路的要求：對驅(qū)動電路的要求： 一、提供合適的工作點（偏置）及足夠的信號驅(qū)動電路，使光源能輸出足夠的功率。 二、輸出光功率的幅值和相位按輸入信號變化，非線性失真小。 LED的非線性失真為30dB-50dB，因此在高質(zhì)量要求的信號傳輸中（如TV傳輸），需要對LED進行線性補償。 在模擬光纖電視傳輸系統(tǒng)中，光源的非線性失真造成

58、微分增益（微分增益（DG）和微分相位微分相位(DP)兩個參量的惡化。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 微分增益（微分增益（DG）會使圖像的彩色飽和度隨亮度電平發(fā)生變化。 微分相位（微分相位（DP）會使圖像的彩色色調(diào)隨亮度電平發(fā)生變化。 需要在驅(qū)動電路中進行非線性補償，可以采用預(yù)預(yù)失真校正法，失真校正法，如下圖。有預(yù)失真校正電路的發(fā)送機框圖第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機DP校正(a)和DG校正(b)電路第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 TV信號經(jīng)緩沖放大器后先進行DP及DG預(yù)校正，再送到驅(qū)動器，推動LED。 DP、DG預(yù)校正電路（如上圖）由電阻和二極管組成，

59、二極管D1、D2、D3偏置于不同的電壓V1、V2、V3，使它們依次導(dǎo)通，使總電阻也在不斷變化，因而電路總增益也在變化，分別補償LED的PI特性及相移的非線性。通常用三點補償就夠了。第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機2）LED數(shù)字驅(qū)動電路數(shù)字驅(qū)動電路 LED作為數(shù)字系統(tǒng)光源時，驅(qū)動電路要求提供幾十到幾百毫安的“開”、“關(guān)”電流。由于發(fā)光二極管的特性曲線比較平直，溫度對光功率的影響也不嚴(yán)重，因此它的驅(qū)動電路一般比較簡單，不需要復(fù)雜的溫度控制和功率控制。不需要復(fù)雜的溫度控制和功率控制。如下圖：第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機三、激光二極管驅(qū)動電路三、激光二極管驅(qū)動電路 與LED

60、相比，LD的驅(qū)動要復(fù)雜得多。尤其在高速調(diào)制系統(tǒng)中，驅(qū)動條件的選擇、調(diào)制電路的形式和工藝、激光器的控制等都對調(diào)制性能至關(guān)重要。 偏置電流的選擇直接影響偏置電流的選擇直接影響LD的高速調(diào)制特性。的高速調(diào)制特性。選擇直流預(yù)偏置電流時應(yīng)考慮：選擇直流預(yù)偏置電流時應(yīng)考慮： （1）增大直流預(yù)偏置電流(Ib)使其逼近閾值，可以減小電光延遲時間，抑制張馳振蕩；(Ib =(0.850.9)Ith ) （2）當(dāng)激光器偏置在閾值附近時，較小的調(diào)制脈沖電流就能得到足夠的輸出光脈沖，這樣可以大大減小碼型效應(yīng)；第第3 3章章 光源與光發(fā)送機光源與光發(fā)送機 （3）加大直流偏置電流，使激光器在發(fā)“0”和發(fā)“1”時的光功率之比