光纖通信第四章

第4章光源和光發(fā)射機(jī)本章內(nèi)容4.1半導(dǎo)體的能帶理論4.2發(fā)光二極管4.3半導(dǎo)體激光器4.4光調(diào)制4.5光發(fā)送機(jī)小結(jié)、習(xí)題

4.1半導(dǎo)體的能帶理論1.半導(dǎo)體的能帶半導(dǎo)體的主要特征是它們的內(nèi)部原子有規(guī)則地、周期性地排列著。作共有化運(yùn)動(dòng)的電子受到周期性排列著的原子的作用，它們的勢(shì)能具有晶格的周期性。因此，晶體的能譜在原子能級(jí)的基礎(chǔ)上按共有化運(yùn)動(dòng)的不同而分裂成若干組。雖然在半導(dǎo)體中能級(jí)還是離散的，但是每組中能級(jí)彼此靠得很近，組成有一定寬度的帶。人們把這些組想象為很寬的連續(xù)的能量區(qū)，稱為能帶，如圖4-1-2所示。

鍺、硅和CaAs等都是共價(jià)晶體。形成共價(jià)鍵的價(jià)電子所占據(jù)的能帶稱為價(jià)帶。價(jià)帶下面的能帶是被電子占滿了，稱為滿帶。價(jià)帶上面的能帶稱為導(dǎo)帶。價(jià)帶和導(dǎo)帶，價(jià)帶和滿帶之間的寬度，不能被電子占據(jù)因此稱為禁帶。2.半導(dǎo)體PN結(jié)的形成當(dāng)一個(gè)P型半導(dǎo)體和一個(gè)N型半導(dǎo)體有了物理接觸時(shí)，就形成一個(gè)PN結(jié)。在結(jié)的交界面處，載流子的濃度差引起擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，剩下帶負(fù)電的電離受主，從而在靠近PN結(jié)界面的區(qū)域形成一個(gè)帶負(fù)電的區(qū)域。同樣，N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散，剩下帶正電的電離施主，從而造成一個(gè)帶正電的區(qū)域。載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的結(jié)果形成了一個(gè)空間電荷區(qū)，如圖4-1-4所示。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦援?dāng)PN結(jié)加上正向電壓時(shí)，外加電壓的電場(chǎng)方向消弱了自建場(chǎng)，P區(qū)的空穴通過PN結(jié)流向N區(qū)，N區(qū)的電子也流向P區(qū)，形成正向電流。由于P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子都很多，所以這股正向電流是大電流。當(dāng)PN結(jié)加反向電壓時(shí)，外電場(chǎng)的方向和自建場(chǎng)相同，多數(shù)載流子將背離PN結(jié)的交界面移動(dòng)，使空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)內(nèi)電子和空穴都很少，它變成高阻層，因而反向電流非常小。3.同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)就是在PN結(jié)的兩邊使用相同的半導(dǎo)體材料采用同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的激光器或發(fā)光二極管存在如下兩個(gè)問題。首先是對(duì)光波的限制不完善另一方面的問題是對(duì)載流子的限制不完善因此，為了降低同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的閾值電流，就要從上述兩個(gè)方面來進(jìn)行改進(jìn)。

為了降低同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的閾值電流，就要從上述兩個(gè)方面改進(jìn)。雙異質(zhì)結(jié)(DH)是窄帶隙有源區(qū)(GaAs)材料被夾在寬帶隙的材料(GaAlAs)之間構(gòu)成。如圖4-1-6所示。4.4發(fā)光二極管的工作原理發(fā)光二極管(LED)是低速、短距離光通信系統(tǒng)中常用光源。目前廣泛采用PN異質(zhì)結(jié)制造。LED的原理是在LED注入正向電流時(shí)，注入的非平衡載流子在擴(kuò)散過程中發(fā)光。LED是非相干光源，它的發(fā)光過程是自發(fā)輻射過程，發(fā)出的是熒光，它沒有光學(xué)諧振腔，是無閾值器件。1.LED的結(jié)構(gòu)和工作原理LED的基本工作原理是光的自發(fā)輻射。圖4-2-1所示為雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)。正向電壓V提供的外加能量激發(fā)了處于導(dǎo)帶的電子和空穴進(jìn)入耗盡區(qū)并且發(fā)生復(fù)合，促使發(fā)光二極管LED產(chǎn)生了能量。與普通二極管以熱能的方式釋放能量不同，LED將大部分產(chǎn)生的能量以可見光的方式釋放出來。LED可分為面發(fā)光二極管和邊發(fā)光二極管兩大類。

1)面發(fā)光二極管2）邊發(fā)光二極管邊發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-2-3所示，它為長(zhǎng)波長(zhǎng)1.31μm雙異質(zhì)結(jié)InGaAsP/InP邊發(fā)光型LED的結(jié)構(gòu)。它的核心部分是一個(gè)N-AlGaAs有源層，及其兩邊的P-AlGaAs和N-AlGaAs導(dǎo)光層(限制層)。導(dǎo)光層的折射率比有源層低，但比其他周圍材料的折射率高，從而有源層產(chǎn)生的光波從端面發(fā)射出來LED有如下工作特性：1)LED的光譜特性它的譜線寬度較寬，對(duì)高速率調(diào)制是不利的。

LED的光譜特性如圖4-2-4所示2）LED的輸出光功率特性

從圖4-2-5中可見LED的P-I曲線線性范圍較大，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流I較小時(shí)，P-I曲線的線性較好，在進(jìn)行調(diào)制時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍大，信號(hào)失真小4.3半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器（LD）主要適用于長(zhǎng)距離大容量的光纖通信系統(tǒng)。尤其是單縱模半導(dǎo)體激光器，在高速率、大容量的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。近年來逐漸成熟的波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器是WDM光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，越來越受到人們的關(guān)注。1、光纖通信對(duì)半導(dǎo)體激光器的主要要求半導(dǎo)體激光器(LD)是光纖通信最主要的光源，對(duì)它的基本要求有以下幾點(diǎn)：

（1）光源應(yīng)在光纖的三個(gè)低損耗窗口工作，即發(fā)光波長(zhǎng)為0.85μm、1.31μm或1.55μm。（2）光源的譜線寬度較窄，Δλ=0.1～1.0nm。（3）能提供足夠的輸出功率，可達(dá)到10mW以上。（4）與光纖耦合效率高，30%～50%。（5）能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，工作穩(wěn)定，提供足夠的輸出光功率。2、LD的工作原理半導(dǎo)體激光器由如下三個(gè)部分組成：產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)（激活物質(zhì)）能夠產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)，也就是處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的工作物質(zhì)，它是產(chǎn)生激光的必要條件。能夠使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的激勵(lì)源（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(lì)源，稱為泵浦源。物質(zhì)在泵浦源的作用下，使粒子數(shù)從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，使得在這種情況下受激輻射大于受激吸收，從而有光的放大作用。這時(shí)的工作物質(zhì)已被激活，成為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)。有能夠完成頻率選擇及反饋?zhàn)饔玫墓鈱W(xué)諧振腔。激活物質(zhì)只能使光放大，只有把激活物置于光學(xué)諧振腔中，以提供必要的反饋及對(duì)光的頻率和方向進(jìn)行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。在激活物質(zhì)的兩端的適當(dāng)位置，放置兩個(gè)反射系數(shù)分別為r1和r2的平面反射鏡M1和M2，就構(gòu)成了最簡(jiǎn)單的光學(xué)諧振腔，如圖4-3-1所示的這兩個(gè)反射鏡，一個(gè)為全反射鏡，一個(gè)為半反射鏡。半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光輸出應(yīng)滿足三個(gè)基本條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布光反饋激光振蕩的閾值條件3.常用半導(dǎo)體激光器

1）法布里—珀羅激光器普通的半導(dǎo)體激光器一般采用條形結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(BHLD)，光學(xué)諧振腔為法布里－珀羅腔(F－P)，它可以分為兩類，即增益波導(dǎo)LD和折射率波導(dǎo)LD。（2）動(dòng)態(tài)單縱模半導(dǎo)體激光器所謂動(dòng)態(tài)單縱模半導(dǎo)體激光器(SLM-LD)，就是指在高速調(diào)制下仍能單縱模工作的半導(dǎo)體激光器。目前，比較成熟的單縱模激光器有分布反饋激光器DFB及耦合腔激光器

分布反饋半導(dǎo)體激光器(DFB-LD)，它是在異質(zhì)結(jié)激光器具有光放大作用的有源層附近，刻上波紋狀的周期的光柵來構(gòu)成的，如圖4-3-4所示。由于分布反饋激光器的這種工作方式，使得它具有極強(qiáng)的波長(zhǎng)選擇性，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)單縱模工作。從圖4-3-6的LD多模光譜和單模光譜的比較可以看出，單縱模LD中除了一個(gè)主模外，其它縱模都被抑制了，同時(shí)主模的譜線寬度非常窄，通常小于1nm，用于高速光纖通信系統(tǒng)是非常理想的。（3）量子阱激光器為了進(jìn)一步提高激光發(fā)射效率，可以使用一種特殊的制造技術(shù)來得到特別薄的激活區(qū)，厚度大概在4~20nm，這種技術(shù)被稱為量子阱激光器。量子激光器的主要優(yōu)點(diǎn)在于閾值電流低，線寬窄，較高的光電轉(zhuǎn)換效率，對(duì)輸出光束更高的限制，以及發(fā)射更多可能波長(zhǎng)光線的能力。4．激光器LD的工作特性LD的工作特性可以用一些特性曲線和特性參量來描述。（1）P-I曲線閾值特性當(dāng)注入電流很小時(shí)，LD的發(fā)出的光功率很小，為自發(fā)幅射所致，發(fā)出的是熒光當(dāng)達(dá)到某個(gè)電流值時(shí)，光功率突然增強(qiáng)，這個(gè)電流稱為閾值電流It；當(dāng)I＞It時(shí)，LD發(fā)出的是激光。對(duì)于一個(gè)LD來說，It越低越好,目前最好的半導(dǎo)體激光器閾值電流可小于10mA。線性特性I＞It的一段范圍內(nèi)，發(fā)射的光功率P近似與注入電流近似為線性關(guān)系。為了使光纖通信系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作，應(yīng)該有很好的線性關(guān)系。

2)光譜特性

GaAsLD的光譜特性曲線如圖4-6-2所示。半導(dǎo)體激光器的光譜隨著激勵(lì)電流的變化而變化。當(dāng)I＜It時(shí)光譜很寬，此時(shí)為熒光光譜；當(dāng)I＞It時(shí)光譜突然變窄，譜線中心強(qiáng)度急劇增加，表明發(fā)出激光。(a)單縱模與多縱模光譜中只有一根譜線，這樣的激光器為單縱模激光器，上圖的光譜有很多條譜線，這樣的激光器即為多縱模激光器。(b)峰值波長(zhǎng)λp所謂峰值波長(zhǎng)是在規(guī)定光功率時(shí)，光譜內(nèi)若干發(fā)射模式中最大強(qiáng)度的光譜波長(zhǎng)，用λp表示，LD的峰值波長(zhǎng)相當(dāng)明顯。(c)譜線寬度Δλ譜線寬度簡(jiǎn)稱為線寬用Δλ來表示。采用ITU-TG957建議的最大–20dB寬度定義。即在規(guī)定光功率下，主模中心波長(zhǎng)的最大峰值功率躍落-20dB時(shí)的最大全寬為光譜寬度。3)溫度特性（1）閾值電流It隨溫度的升高而加大，為了使光纖通信系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地工作，一般都要采用自動(dòng)溫度控制電路，來穩(wěn)定激光器的閾值電流和輸出光功率。(2)激光二級(jí)管的中心波長(zhǎng)λ隨溫度升高而增加。4）轉(zhuǎn)換效率定義為激光器達(dá)到閾值后，輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量之比4.4光調(diào)制

實(shí)現(xiàn)光纖通信，首先要解決的問題是如何將電信號(hào)加載到光源的發(fā)射光束上變成光信號(hào)，即需要進(jìn)行光調(diào)制。根據(jù)調(diào)制與光源的關(guān)系，光調(diào)制可分為直接調(diào)制和間接調(diào)制兩大類。從調(diào)制信號(hào)的形式來說，光源的調(diào)制又可分為模擬信號(hào)調(diào)制和數(shù)字信號(hào)調(diào)制。1．直接調(diào)制與間接調(diào)制

1）光源的直接調(diào)制光源的直接調(diào)制又稱為光源的內(nèi)部調(diào)制，它是將調(diào)制信號(hào)直接作用在光源上，把要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)注入到LD或LED，獲得相應(yīng)的光信號(hào)。2）光源的外部調(diào)制光源的間接調(diào)制通常稱為光源的外部調(diào)制，它是由恒定光源輸出激光后，外加光調(diào)制器對(duì)光進(jìn)行調(diào)制目前可以使用的外部調(diào)制方式有電光調(diào)制、聲光調(diào)制和磁光調(diào)制。電光調(diào)制最容易實(shí)現(xiàn)，在光纖通信系統(tǒng)廣泛使用，下面加以介紹。電光調(diào)制的基本工作原理是晶體的線性電光效應(yīng)。電光效應(yīng)是指電場(chǎng)引起晶體折射率變化的現(xiàn)象，能夠產(chǎn)生電光效應(yīng)的晶體稱為電光晶體。電光調(diào)制器可以利用電光效應(yīng)進(jìn)行電光相位調(diào)制、電光強(qiáng)度調(diào)制和電光頻率調(diào)制。2．模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的直接調(diào)制模擬信號(hào)調(diào)制是直接用連續(xù)的模擬信號(hào)(如話音、電視等信號(hào))對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，這類調(diào)制要考慮到非線性失真的問題。數(shù)字信號(hào)調(diào)制是直接用數(shù)字信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制3．LD調(diào)制特性(1)電光延遲電光延遲就是在電信號(hào)到來時(shí)，光信號(hào)相對(duì)于電信號(hào)的時(shí)間延遲，用延遲時(shí)間td來表示，電光延遲的原因是由于載流子濃度達(dá)到激光閾值需要一定的時(shí)間(約0.5～2.5ns)。理論和實(shí)驗(yàn)都證實(shí)，LD預(yù)偏置在閾值附近，td可以顯著減小，且這時(shí)載流子壽命τsp也縮短了，有利于提高調(diào)制速率。(2)張馳振蕩

當(dāng)電流脈沖突然加到LD上，其光輸出呈現(xiàn)圖4-4-6所示的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，這是注入電子與所產(chǎn)生的光子間相互作用的量子力學(xué)過程。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，這種特性稱為張馳振蕩特性。除了電光延遲和張弛振蕩外還有(3)碼型效應(yīng)(4)小信號(hào)輸入的頻率響應(yīng)(5)大信號(hào)輸入的頻率響應(yīng)4.5光發(fā)送機(jī)

在光纖通信系統(tǒng)中，光發(fā)送機(jī)是實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。其功能是將來自于電端機(jī)的電信號(hào)對(duì)光源發(fā)出的光波進(jìn)行調(diào)制，成為已調(diào)光波，然后再將已調(diào)的光信號(hào)耦合到光纖或光纜中去傳輸。1．光發(fā)送機(jī)的要求1）有合適的輸出光功率

光發(fā)送機(jī)的輸出光功率，通常是指耦合進(jìn)光纖的功率，亦稱入纖功率。入纖功率越大，可通信的距離就越長(zhǎng)，但光功率太大也會(huì)使系統(tǒng)工作在非線性狀態(tài)，對(duì)通信將產(chǎn)生不良影響。因此，要求光源應(yīng)有合適的光功率輸出，一般為0.01～5mW。與此同時(shí)，要求輸出光功率要保持恒定，在環(huán)境溫度變化或器件老化的過程中，穩(wěn)定度要求為5%～10%.2）良好的消光比消光比的定義為全“1”碼平均發(fā)送光功率與全“0”碼平均發(fā)送光功率之比，可用下式表示：（4-5-1）式中，P11為全“1”碼時(shí)的平均光功率；P00為全“0”時(shí)的平均光功率。理想情況下，當(dāng)進(jìn)行“0”碼調(diào)制時(shí)應(yīng)沒有光功率輸出，但實(shí)際輸出的是功率很小的熒光，這給光纖通信系統(tǒng)引入噪聲，從而造成接收機(jī)靈敏度降低，故一般要求EXT≥10dB。3）調(diào)制特性要好

所謂調(diào)制特性要好，是指光源的P-I曲線在使用范圍內(nèi)線性特性良好，否則再調(diào)制后將產(chǎn)生非線性失真。2．光發(fā)送機(jī)的組成光發(fā)送機(jī)的組成包括輸入電路，反饋穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)電路，光源與光纖的耦合、自動(dòng)溫度控制電路、自動(dòng)功率控制電路及保護(hù)電路等。光發(fā)送機(jī)有直接調(diào)制光發(fā)送機(jī)和外部調(diào)制光發(fā)送機(jī)兩種結(jié)構(gòu)。直接調(diào)制的光發(fā)送機(jī)較為簡(jiǎn)單，所以目前使用的光發(fā)射機(jī)大多數(shù)是直接調(diào)制的光發(fā)送機(jī)，它的原理如圖4-5-1所示。外部調(diào)制電路目前采用的不多，但在超高速光纖系統(tǒng)