《光纖通信》光器件課件(PPT 50頁)

1、第四講(1)光源Optical source第1頁，共50頁。主要內(nèi)容 一、半導體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu)二、半導體光源之一:LD 三、光發(fā)射機基本組成及驅(qū)動電路和自動功率 控制四、半導體光源之二:LED五、光電檢測器及光接收機7/22/20222第2頁，共50頁。引言一、 光纖通信系統(tǒng)對光源的基本要求： （1）穩(wěn)定性好，可在室溫下連續(xù)工作； （2）尺寸和結(jié)構(gòu)要?。?（3）光波應匹配光纖的兩個低損耗波段； （4）信號調(diào)制容量大。7/22/20223第3頁，共50頁。引言二、 最常用的發(fā)光器件： （1）LD：半導體激光二極管或稱激光器(LD) a. 極窄的光譜帶寬；b. 極大的調(diào)制容量； c 有

2、定向輸出特性；d. 輻射具有光相干特性。 適用于長距離，大容量，高碼速系統(tǒng) （2）LED：發(fā)光二極管或稱發(fā)光管(LED) a. 非相干的自發(fā)輻射； b.結(jié)構(gòu)及工作方式簡單； 適用于短距離，低速，模擬系統(tǒng) 7/22/20224第4頁，共50頁。第一節(jié) 半導體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu) 半導體激光器是向半導體PN結(jié)注入電流，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。 激光，其英文LASER就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激輻射的光放大)的縮寫。 所以討論激光器工作原理要從受

3、激輻射開始。一、受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 有源器件的物理基礎(chǔ)是光和物質(zhì)相互作用的效應。在物質(zhì)的原子中，存在許多能級，最低能級E1稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的能級Ei（i=2，3，4）稱為激發(fā)態(tài)。7/22/20225第5頁，共50頁。以前所學過的有關(guān)知識 半導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。 能量低的能帶稱為價帶，能量高的能帶稱為導帶，導帶底的能量 Ec 和價帶頂?shù)哪芰?Ev 之間的能量差 Ec-Ev=Eg 稱為禁帶寬度或帶隙。電子不可能占據(jù)禁帶。7/22/20226第6頁，共50頁。受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 電子

4、在低能級E1的基態(tài)和高能級E2的激發(fā)態(tài)之間的躍遷有三種基本方式：1. 光的受激吸收： stimulated transition2. 光的自發(fā)輻射：spontaneous emission 3. 光的受激輻射:stimulated emission of radiationEEcEvEg光子 hf EcEvEg光子 hfEcEvEg光子 hf光子 hf EE空穴復合留下空穴7/22/20227第7頁，共50頁。受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布（續(xù)） 受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的光的特點很不相同。受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干光。自發(fā)輻射光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍

5、遷產(chǎn)生的，其頻率和方向分布在一定范圍內(nèi)，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱為非相干光。 產(chǎn)生受激輻射和產(chǎn)生受激吸收的物質(zhì)是不同的。設(shè)在單位物質(zhì)中，處于低能級E1和處于高能級E2(E2 E1)的粒子數(shù)分別為N1和N2。當系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時，存在下面的分布： N2/ N1 =exp(-(E2-E1) / kT)7/22/20228第8頁，共50頁。受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布（續(xù)） N2/ N1 =exp(-(E2-E1) / kT) 式中，k=1.381 10-23 J/K，為波爾茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度。由于(E2 - E1) 0，T0，所以在這種狀態(tài)下，總是N1N2 。這是因為電子總是首先占據(jù)低能

6、量的軌道。受激吸收和受激輻射的速率分別比例于N1和N2 ，且比例系數(shù)（吸收和輻射的概率）相等。 如果N1N2 ，即受激吸收大于受激輻射。當光通過這種物質(zhì)時，光強按指數(shù)衰減，這種物質(zhì)稱為吸收物質(zhì)。如果N2N1 ，即受激輻射大于受激吸收，當光通過這種物質(zhì)時，會產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱為激活物質(zhì)。 N2N1 的分布，和正常狀態(tài)N1N2的分布相反，所以稱為粒子（電子）數(shù)反轉(zhuǎn)分布。7/22/20229第9頁，共50頁。二、激光振蕩和光學諧振腔光學諧振腔的結(jié)構(gòu) 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

7、輸出。 在增益物質(zhì)兩端，適當?shù)奈恢?，放置兩個反射鏡M1、M2，使其互相平行，就構(gòu)成了最簡單的光學諧振腔(也稱法布里-珀羅，F(xiàn)-P諧振腔)。如果反射鏡是平面鏡，稱為平面腔；如果反射鏡是球面鏡，則稱為球面腔，結(jié)構(gòu)如圖所示。 7/22/202210第10頁，共50頁。諧振腔如何產(chǎn)生激光振蕩 對于兩個反射鏡，要求其中一個能全反射，如 M1的反射系數(shù) r =1；另一個為部分反射，如M2的反射系數(shù)r1。產(chǎn)生的激光由此射出。 當工作物質(zhì)在泵浦源的作用下，變?yōu)榧せ钗镔|(zhì)以后，即有了放大作用，如果被放大的光有一部分能夠反饋回來再參加激勵，這就相當于電路中用正反饋實現(xiàn)振蕩，這時，被激勵的光就可產(chǎn)生振蕩，滿足一定條件

8、后，即可發(fā)出激光。 泵浦源：使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵源，稱為泵浦源。7/22/202211第11頁，共50頁。諧振腔如何產(chǎn)生激光振蕩（續(xù)） 將在泵浦源激發(fā)下，處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的工作物質(zhì)，置于光學諧振腔內(nèi)，腔的軸線應該與激活物質(zhì)的軸線重合。被放大的光在諧振腔內(nèi)，在兩個反射鏡之間來回反射，并不斷地激發(fā)出新的光子，進一步進行放大。但在這個運動過程中也要消耗一部分能量（不沿諧振腔軸向傳輸?shù)墓獠?，會很快射出腔外，以及M2反射鏡的透射等也會損耗部分能量），當放大足以抵消腔內(nèi)的損耗時，就可以使這種運動不停地進行下去，即形成光振蕩。當滿足一定條件后，就會從反射鏡M2透射出來一束筆直的強光，

9、即是激光。 7/22/202212第12頁，共50頁。諧振腔如何產(chǎn)生激光振蕩（小結(jié)） 綜上所述，可得出結(jié)論：激光器的組成：三要素 工作物質(zhì)：又稱增益物質(zhì)； 諧振腔：提供必要的反饋以及進行頻率選擇。 激勵源：激發(fā)工作物質(zhì)實現(xiàn)NcNv的外界能源。 如 正向偏置的PN結(jié)激光器激光的特性 方向性好； 亮度大； 單色性好； 相干性好。7/22/202213第13頁，共50頁。三、激光器的參量 1發(fā)射波長和光譜特性 半導體激光器的發(fā)射波長取決于導帶的電子躍遷到價帶時所釋放的能量，這個能量近似等于禁帶寬度Eg(eV)，得到 hf= Eg 式中，f=c/ ，f(Hz)和(um)分別為發(fā)射光的頻率和波長，c=3

10、108m/s為光速，h=6.62810-34Js為普朗克常數(shù)，1eV=1.610-19J，代入上式得到 =hc/Eg=1.24/Eg 不同半導體材料有不同的禁帶寬度Eg ，因而有不同的發(fā)射波長。鎵鋁砷-鎵砷（GaAlAsGaAs）材料適用于0.85um波段，銦鎵砷磷-銦磷（InGaAsPInP）材料適用于1.31.55um波段。7/22/202214第14頁，共50頁。三、激光器的參量 圖示是GaAlAsDH激光器的光譜特性。在直流驅(qū)動下，發(fā)射光波長有一定分布，譜線具有明顯的模式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生是因為導帶和價帶都是由許多連續(xù)能級組成的有一定寬度的能帶，兩個能帶中不同能級之間電子的躍遷會產(chǎn)生

11、連續(xù)波長的輻射光。其中只有符合激光振蕩的相位條件的波長存在。這些波長取決于激光器縱向長度L，并稱為激光器的縱模。7/22/202215第15頁，共50頁。三、激光器的參量 隨著驅(qū)動電流的增加，縱模模數(shù)逐漸減少，譜線寬度變窄。這種變化是由于諧振腔對光波頻率和方向的選擇，使邊模消失、主模 增益增加而產(chǎn)生的。當驅(qū)動 電流足夠大時，多縱模變?yōu)?單縱模，這種激光器稱為 靜態(tài)單縱模激光器。 右圖所示是300Mb/s數(shù)字調(diào)制的光譜特性，由圖可見，隨著調(diào)制電流增大，縱模模數(shù)增多，譜線寬度變寬。7/22/202216第16頁，共50頁。三、激光器的參量2、平均衰減系數(shù)a 在光學諧振腔內(nèi)產(chǎn)生振蕩的先決條件，是放大

12、的光能要足以抵消腔內(nèi)的損耗，而諧振腔內(nèi)損耗的大小，我們用平均衰減系數(shù)a表示。為 a=ai+ar=ai+(1/2l)*(1/r1*r2) 其中： ai 是除反射鏡透射損耗以外的其他所有損耗所引起的衰減系數(shù)； ar 是諧振腔反射鏡的透射損耗引起的衰減系數(shù)；l是諧振腔兩個反射鏡之間的距離； r1、r2 是腔的兩個反射鏡的功率反射系數(shù)。 7/22/202217第17頁，共50頁。三、激光器的參量（續(xù)）3、增益系數(shù)G 激活物質(zhì)的放大作用，我們用增益系數(shù)G來表示。 如圖所示I0為激活物質(zhì)的輸入光強，經(jīng)過距離Z以后，光強放大到I，到了（ZdZ）處，光強為（IdI），那么，在dZ長度上，光強的增量dI為 dI

13、GI/dZ 其中 G=(dIdZ)I 稱為增益系數(shù)，它表示光通過單位長度的激活物質(zhì)之后，光強增長的百分比。7/22/202218第18頁，共50頁。三、激光器的參量（續(xù)） 4、閥值條件 一個激光器并不是在任何情況下都可以發(fā)出激光的，它需要滿足一定的條件。由前面對衰減系數(shù)的概念可以看出，要使激光器產(chǎn)生自激振蕩，最低限度應要求激光器的增益剛好能抵消掉它的衰減。我們就將激光器能產(chǎn)生激光振蕩的最低限度稱為激光器的閾值條件。 從上面分析可知，閾值條件為： Gt= a = ai+(1/2l)*(1/r1*r2) 其中Gt稱為閾值增益系數(shù)?？梢?，激光器的閾值條件，只決定于光學諧振腔的固有損耗。損耗越小，閾值

14、條件越低，激光器就越容易起振。7/22/202219第19頁，共50頁。三、激光器的參量（續(xù)） 5、諧振頻率 諧振頻率是光學諧振腔的重要參數(shù)。 對于平行平面腔而言，由于腔的尺寸遠大于工作波長，因此，腔內(nèi)的電磁波可認為是均勻平面波，而且在腔內(nèi)往返運動時，是垂直于反射鏡而投射，如圖。從A點出發(fā)的平面波，垂直投射到反射鏡M2，由M2反射后又垂直投射向M1。再回到A點時，波得到加強。如果它們之間的相位差是2的整數(shù)倍時，顯然就達到了諧振。7/22/202220第20頁，共50頁。三、激光器的參量（續(xù)） 設(shè)L為諧振腔的長度，g為諧振腔介質(zhì)中光波的波長 此時應有： L=(g*q) /2 其中q=1，2，3。

15、 上式表明，光波在諧振腔中往返一次，光的距離2L恰好為g的整數(shù)倍，即相位差是2的整數(shù)倍?？傻贸龉獠ㄩL的表示式為 g =2L/q 此即為光學諧振腔的諧振條件或稱駐波條件。 7/22/202221第21頁，共50頁。三、激光器的參量（續(xù)） 當光學諧振腔內(nèi)，工作物質(zhì)的折射指數(shù)為n時，則折算到真空的光學諧振腔的諧振波長og 、與諧振頻率fog為 og = ng =2nL/q fog =c/og =cq/2nL由上面兩式可看出：(1） og與光學諧振腔內(nèi)材料的折射率n有關(guān)；(2）當q不同時，可有不同的fog值，即有無窮多個諧振頻率。 分布反饋激光器7/22/202222第22頁，共50頁。第二節(jié) 半導體

16、光源之一:LD 半導體激光器是利用在有源區(qū)中受激而發(fā)射光的光器件。只有在工作電流越過閾值電流的情況下，才會輸出激光（相干光），因而是有閾值的器件。半導體砷化鎵（GaAs)： 在光纖通信中使用的激光物質(zhì)都是GaAs。 GaAs是高摻雜的-族化合物。當摻入族Te原子取代As原子，自由 電子多，形成N型半導體 當摻入族Zn原 子取代Ga原子，空穴多， 形成P型半導體。S+-pnlaserreflection PN結(jié)激光器的示意 7/22/202223第23頁，共50頁。 半導體的能帶和電子分布(a) 本征半導體； (b) N型半導體； (c) P型半導體 回憶一下相關(guān)知識7/22/202224第24

17、頁，共50頁。 一般狀態(tài)下，本征半導體的電子和空穴是成對出現(xiàn)的，用Ef 位于禁帶中央來表示， Ef 稱為費米能級，用來描述半導體中各能級被電子占據(jù)的狀態(tài)。 在本征半導體中摻入施主雜質(zhì)，稱為N型半導體。 在本征半導體中摻入受主雜質(zhì)，稱為P型半導體。 在P型和N型半導體組成的PN結(jié)界面上，由于存在多數(shù)載流子(電子或空穴)的梯度，因而產(chǎn)生擴散運動，形成內(nèi)部電場。 內(nèi)部電場產(chǎn)生與擴散相反方向的漂移運動，直到P區(qū)和N區(qū)的Ef 相同，兩種運動處于平衡狀態(tài)為止，結(jié)果能帶發(fā)生傾斜。7/22/202225第25頁，共50頁。P區(qū)PN結(jié)空間電荷區(qū)N區(qū)內(nèi)部電場 擴散 漂移 P - N結(jié)內(nèi)載流子運動； PN結(jié)的能帶和

18、電子分布7/22/202226第26頁，共50頁。勢壘能量EpcP區(qū)EncEfEpvN區(qū)Env零偏壓時P - N結(jié)的能帶傾斜；7/22/202227第27頁，共50頁。hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv電子，空穴內(nèi)部電場外加電場正向偏壓下P - N結(jié)能帶圖獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 7/22/202228第28頁，共50頁。 增益區(qū)的產(chǎn)生： 在PN結(jié)上施加正向電壓，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。電子運動方向與電場方向相反，便使N區(qū)的電子向P區(qū)運動，P區(qū)的空穴向N區(qū)運動，最后在PN結(jié)形成一個特殊的增益區(qū)。 增益區(qū)的導帶主要是電子，價帶主要是空穴，結(jié)果獲得粒子數(shù)反

19、轉(zhuǎn)分布。 在電子和空穴擴散過程中，導帶的電子可以躍遷到價帶和空穴復合，產(chǎn)生自發(fā)輻射光。 7/22/202229第29頁，共50頁。 現(xiàn)在所用最普遍的激光器是異質(zhì)結(jié)半導體激光器 它們的“結(jié)”是由不同的半導體材料制成的。主要目的是為了降低閾值電流，提高效率。目前，光纖通信用的激光器大多是銦鎵砷磷(InGaAsP)雙異質(zhì)結(jié)條形激光器，由剖面圖中可以看出，它是由五層半導體材料構(gòu)成。2.1 LD的結(jié)構(gòu)7/22/202230第30頁，共50頁。 其中nInGaAsP是發(fā)光的作用區(qū)，作用區(qū)的上、下兩層稱為限制層，它們和作用區(qū)構(gòu)成光學諧振腔。限制層和作用區(qū)之間形成異質(zhì)結(jié)。最下面一層nInP是襯底，頂層P+-I

20、nGaAsP是接觸層，其作用是為了改善和金屬電極的接觸。頂層上面數(shù)微米寬的窗口為條形電極。InGaAsP雙異質(zhì)結(jié)條形激光器的基本結(jié)構(gòu)7/22/202231第31頁，共50頁。ptitp脈沖調(diào)制 2.2 LD調(diào)制特性 改變光波的振幅、強度、頻率、相位、偏振等參量，使之載荷信息的過程，就是光調(diào)制。 . 按調(diào)制信號類型分： 模擬調(diào)制 脈沖調(diào)制 . 按信號與光源的關(guān)系分：直接調(diào)制（內(nèi)） 間接調(diào)制（外） . LD-內(nèi)調(diào)制 IM調(diào)制消光比EXT 全“0”碼時平均光功率輸出EXT= - 10% 全“1”碼時平均光功率輸出一個被調(diào)制的好的光源，希望在“0” 碼是沒有光功率輸出，否則它使光纖系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲，從而使

21、接收靈敏度降低。一般要求EXTVbb I2=0 LD不發(fā)光 “0”碼.當VinVbb I1=0 LD發(fā)光 “1”碼3.2 驅(qū)動電路和自動功率控制7/22/202238第38頁，共50頁。Vin+VVbbisT1T2ALDPDI1I2VRLD驅(qū)動電路 圖為反饋穩(wěn)定式 LD驅(qū)動電路.PLDUpd(Upd+VR2+VR)UAIbPLDvR2Ib7/22/202239第39頁，共50頁。LD輔助電路VinVbbT1T2A1LDA2A3-V-VT3CPiN.自動功率控制(APC)電路 .因老化 P光A1 A3偏置電流P光 .A2的作用防止當無信號或長“0”碼時，因APC電路使 LD管注入電流增加，引起誤

22、碼。 7/22/202240第40頁，共50頁。LD輔助電路AT1自動溫度控制（ATC）電路 半導體制冷器T是一個熱電偶，加壓后，在一端吸熱另一端放熱，實現(xiàn)制冷(使LD管芯的溫度恒定在20 左右）。. TTLDRtI TLD-VLDR1R2R3RtT+V7/22/202241第41頁，共50頁。第四節(jié) 半導體光源之二:LED 發(fā)光二極管利用正向偏壓下的PN結(jié)在激活區(qū)中載流子 的復合發(fā)出自發(fā)輻射的光，因此LED的出射光是一種非相干光，其譜線較寬（30nm60nm），輻射角也較大。在低速率的數(shù)字通信和較窄帶寬的模擬通信系統(tǒng)中，LED是可以選用的最佳光源，與半導體激光器相比，LED的驅(qū)動電路較為簡單

23、，并且產(chǎn)量高、成本低。 LED主要有五種結(jié)構(gòu)類型，但在光纖通信中獲得了廣泛應用的只有兩種，即面發(fā)光二極管（SLED）和邊發(fā)光二極管（ELED）。 7/22/202242第42頁，共50頁。半導體光源之二:LEDLED是無閾值器件，發(fā)熒光。工作特性： 光譜較寬； 輸出線性好，動態(tài)范圍大，適于模擬通信； 壽命長。 LED發(fā)散角較大，與光纖的耦合效率低，適于短距離通信； 溫度特性好，無閾值電流，一般不需要ATC（自動溫度控制電路）； 發(fā)光二極管是由P型半導體形成的P層和N型半導體形成的N層，以及在中間由異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的有源層組成。有源層是發(fā)光的區(qū)域，其厚度為0.lum0.2um左右。7/22/20224

24、3第43頁，共50頁。4.1 發(fā)光二極管的主要特性 PI特性 LED的輸出光功率P與電流I的關(guān)系，即PI特性如圖所示，是非閾值器件，發(fā)光功率隨工作電流增大，并在大電流時逐漸飽和。LED的工作電流通常為50 mA100mA，這時偏置電壓 l.2Vl.8V，輸出功率約幾mw。4 3 2 1 0 50 100 150 02570電流/mA輸出功率/ mW7/22/202244第44頁，共50頁。 工作溫度升高時，同樣工作電流下LED的輸出功率要下降。例如當溫度從20升高到70時，輸出功率下降約一半，相對而言，溫度的影響要比LD小。光譜特性 LED的工作原理基于半導體的自發(fā)輻射。由于半導體材料的導帶和價帶都由許多不同的能級組成。大多數(shù)的載流子復合發(fā)生在平均帶隙上，但也有一些復合發(fā)生在最低及最高能級之間。設(shè)平均帶隙為Eg，則偏