光源和光發(fā)射機電子通信專業(yè)演示文稿

光源和光發(fā)射機電子通信專業(yè)演示文稿目前一頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點優(yōu)選光源和光發(fā)射機電子通信專業(yè)目前二頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點第四章光源和光發(fā)射機在光纖通信中，將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘柺怯晒獍l(fā)射機來完成的。光發(fā)射機的關(guān)鍵器件是光源：

LED(LightEmissionDiode) LD(LaserDiode)目前三頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點第四章光源和光發(fā)射機4.1光源4.2光發(fā)射機主要介紹數(shù)字光發(fā)射機的基本組成、工作特性和主要電路！目前四頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.1半導(dǎo)體的能帶理論4.1.2PN結(jié)同質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)4.1.3發(fā)光二極管(LED)4.1.4激光二極管(LD)(半導(dǎo)體激光器)4.1.5若干半導(dǎo)體激光器簡介4.1.6半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用4.1光源目前五頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.1半導(dǎo)體的能帶理論在半導(dǎo)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。1.能帶4.1光源目前六頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.1半導(dǎo)體的能帶理論與原子價電子相應(yīng)的能帶.接近絕對0K時電子均束縛于價帶中,價帶以上的能帶是空的.價帶:由于熱或光的激發(fā),價帶中的部分電子掙脫原子束縛成為自由電子進入價帶上面空著的能帶,這些電子是能參與導(dǎo)電的,故稱價帶上面的能帶為導(dǎo)帶.導(dǎo)帶:4.1光源目前七頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.1半導(dǎo)體的能帶理論電子空穴激發(fā)復(fù)合--導(dǎo)帶底能級--價帶頂能級--禁帶寬度,能隙4.1光源ValencebandConductionbandbandgap目前八頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.1半導(dǎo)體的能帶理論熱平衡(T)下本征半導(dǎo)體載流子的濃度例: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--為電子和空穴的有效質(zhì)量4.1光源目前九頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.1半導(dǎo)體的能帶理論2.N型和P型半導(dǎo)體向本征半導(dǎo)體中摻雜V族元素(P,As,Sb),導(dǎo)帶中的電子濃度增加,電子為多數(shù)載流子.電子-負電荷-Negative-N型向本征半導(dǎo)體中摻雜III族元素(B,Al,Ga,In),價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型本征P型acceptorlevelN型Donorlevel4.1光源目前十頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.1半導(dǎo)體的能帶理論3.費米(Fermi)能級EfT=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.N型P型本征4.1光源目前十一頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.1半導(dǎo)體的能帶理論N型P型本征T≠0熱平衡狀態(tài)下,能量為E的能級被電子占據(jù)的幾率為費米分布:4.1光源目前十二頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.1半導(dǎo)體的能帶理論導(dǎo)帶和價帶中的載流子的密度不同4.1光源N型導(dǎo)帶導(dǎo)帶中電子密度大于價帶中的空穴密度P型價帶價帶中空穴密度大于導(dǎo)帶中的電子密度本征電子空穴密度相等目前十三頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.1半導(dǎo)體的能帶理論準(zhǔn)費米能級：4.1光源當(dāng)體系由于外界作用(如光照)而破壞熱平衡狀態(tài)時，體系不存在統(tǒng)一的費米能級，但費米能級分布對導(dǎo)帶和價帶各自仍然適用---導(dǎo)帶費米能級，價帶費米能級，即準(zhǔn)費米能級。目前十四頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.2PN結(jié)同質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)1.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光源目前十五頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.2PN結(jié)同質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)2.PN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)I1P區(qū)N區(qū)反向I2外電場方向不同,導(dǎo)電性大不相同.I1>>I24.1光源目前十六頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.2PN結(jié)同質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)PN結(jié)形成圖解:圖解1:P,N半導(dǎo)體接觸前4.1光源目前十七頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.2PN結(jié)同質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)圖解2:P,N半導(dǎo)體接觸4.1光源目前十八頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.2PN結(jié)同質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)圖解3:載流子擴散4.1光源目前十九頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.2PN結(jié)同質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)圖解4:內(nèi)電場建立,擴散運動和漂移運動同在,能帶發(fā)生傾斜4.1光源目前二十頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.2PN結(jié)同質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)圖解5:PN結(jié)形成后4.1光源目前二十一頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.2PN結(jié)同質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)3.外加正向電場的PN結(jié)圖解1:外接電源4.1光源目前二十二頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.2PN結(jié)同質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)外加正向電場的PN結(jié)圖解2:接通電源,內(nèi)電場被削弱,耗盡層變窄4.1光源目前二十三頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.2PN結(jié)同質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)激活區(qū)電子-空穴復(fù)合發(fā)光是LED,LD產(chǎn)生輻射的“源”!圖解3:能帶發(fā)生移動,產(chǎn)生激活區(qū)4.1光源目前二十四頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.2PN結(jié)同質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)4.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-GaAsp-GaAsn-GaAsp-GaAsp+-GaAlAsp+-GaAsn-GaAlAsp-GaAsp+-GaAlAsp+-GaAsn+-GaAs同質(zhì)結(jié)單異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)(DH)4.1光源(DH:DoubleHeterostructure/Heterojunction)目前二十五頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.2PN結(jié)同質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)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)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光源目前二十六頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.3發(fā)光二極管(LED)4.1光源（LED：light-emittingdiode）目前二十七頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.3發(fā)光二極管(LED)1.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.光的自發(fā)輻射EcEvhnhn發(fā)光二極管—光的自發(fā)輻射當(dāng)電子返回低能級時，它們各自獨立地分別發(fā)射光子,有不同的相位、偏振方向和傳播方向，因而是非相干光。處于不同的高能級的電子自發(fā)輻射到不同的低能級，發(fā)射光子的能量有一定的差別，因而LED輻射線寬較寬。4.1光源目前二十八頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.3發(fā)光二極管(LED)2.LED結(jié)構(gòu):面發(fā)光SLED(Surface-emittingLED)4.1光源基片熱沉/散熱器目前二十九頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.3發(fā)光二極管(LED)邊發(fā)光ELED(Edge-emittingLED)4.1光源目前三十頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.3發(fā)光二極管(LED)3.LED光譜特性自發(fā)輻射,非相干光Eg

單位為eV波長:中心波長(Peak)取決于禁帶寬度EgEcEvEg能量E空穴電子導(dǎo)帶費米能級價帶費米能級光子eVhvEFnEFp狀態(tài)密度4.1光源目前三十一頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.3發(fā)光二極管(LED)Eg

單位為eV如:半導(dǎo)體LED經(jīng)驗公式:(x為AlAs與GaAs的摩爾比率)4.1光源目前三十二頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.3發(fā)光二極管(LED)SpectralemissionpatternofGa1-xAlxAsLEDwithx=0.08810770850nm36nm線寬:通常達幾十nm4.1光源目前三十三頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.3發(fā)光二極管(LED)4.LED光束的空間分布輻射光功率:--朗伯(Lambert)分布半功率點處:q=60度半功率寬度:4.1光源目前三十四頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.3發(fā)光二極管(LED)4.1光源目前三十五頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.3發(fā)光二極管(LED)5.SLED的輸出功率、耦合功率、耦合效率SLED為朗伯(Lambert)體4.1光源光纖SLED輸出總功率：耦合到光纖的功率：耦合效率：目前三十六頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.3發(fā)光二極管(LED)6.內(nèi)量子效率(internalquantumefficiency)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。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.又其中I為電流強度光功率:4.1光源內(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非輻射non-radiation目前三十七頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.3發(fā)光二極管(LED)7.LED的P-I特性曲線43210501001500℃25℃70℃電流/mA輸出功率/mW驅(qū)動電流I較小時，

P-I線性較好；I過大時，PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和;溫度上升，輻射功率下降4.1光源目前三十八頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.3發(fā)光二極管(LED)8.頻率響應(yīng)H(f)以頻率(w=2pf)對LED驅(qū)動電流I進行調(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:其中teff稱為載流子有效壽命.4.1光源目前三十九頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.3發(fā)光二極管(LED)光帶寬:定義:得:對應(yīng)的頻率為光帶寬---3dB點4.1光源目前四十頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.3發(fā)光二極管(LED)9.LED應(yīng)用范圍,優(yōu)點,缺點:4.1光源目前四十一頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.4激光二極管(LD)4.1光源(LD:Laserdiode)目前四十二頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.4激光二極管(LD)1.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.光的受激發(fā)射EchnEvhn輸入輸出激光器—光的受激發(fā)射產(chǎn)生激光的條件:泵浦源(激勵源):注入能量,實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布激活物質(zhì):

產(chǎn)生激光的物質(zhì)基礎(chǔ),PN結(jié)光學(xué)諧振腔:

提供正反饋,滿足振蕩條件4.1光源目前四十三頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.4激光二極管(LD)2.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的實現(xiàn):注入電流達到一定值,準(zhǔn)費米能級之差大于禁帶寬度,PN結(jié)中出現(xiàn)一個增益區(qū)(有源區(qū),激活區(qū)),價帶主要由空穴占據(jù),導(dǎo)帶主要由電子占據(jù),實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn).4.1光源目前四十四頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.4激光二極管(LD)3.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光源目前四十五頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.4激光二極管(LD)產(chǎn)生激光的閾值條件---分別為增益系數(shù)和損耗系數(shù)閾值條件:4.1光源目前四十六頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.4激光二極管(LD)產(chǎn)生激光的相位條件腔內(nèi)沿相反方向行進的兩列行波疊加形成駐波,腔長為半波長的整數(shù)倍.中心波長:取決于禁帶寬度Eg(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),相位條件:4.1光源目前四十七頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.4激光二極管(LD)用頻率表示:相鄰縱模間隔:I=100mAP=10mWI=95mAP=6mWI=80mAP=4mW隨注入電流而變化的若干縱模圖樣4.1光源目前四十八頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.4激光二極管(LD)邊模抑制比(SMSR：Side-modesuppressionratio)4.1光源主縱模與最大邊模之間的強度差的量度目前四十九頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.4激光二極管(LD)4.激光束的空間分布GaAlAs-DH條形激光器近場圖樣遠場圖樣光強的角分布4.1光源目前五十頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.4激光二極管(LD)5.激光光功率和量子效率:典型的P－I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)。I<Ith，自發(fā)輻射，發(fā)出的是非相干光I>Ith，受激輻射，發(fā)出的是相干光4.1光源目前五十一頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.4激光二極管(LD)4.1光源量子效率：內(nèi)量子效率hintL

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，即目前五十二頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.4激光二極管(LD)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hext逸出腔外的光子數(shù)與注入的載流子數(shù)之比目前五十三頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.4激光二極管(LD)典型的P－I曲線閾值電流以上時每個電子-空穴對的輻射性復(fù)合產(chǎn)生的光子數(shù).實驗中通常由P-I曲線的直線部分來計算hext4.1光源外微分量子效率hd常用于表示激光器的電/光轉(zhuǎn)換效率目前五十四頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.4激光二極管(LD)典型的P－I曲線光功率：線性部分4.1光源斜度效率S：目前五十五頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.4激光二極管(LD)6.頻率響應(yīng)以頻率(w=2pf)對LD驅(qū)動電流I進行調(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tsp受激載流子壽命tst輻射的光子壽命tph理論上,調(diào)制頻率不要超過下面的弛豫振蕩頻率Ith

和I0分別為閾值電流和偏置電流；I′是零增益電流.4.1光源目前五十六頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.4激光二極管(LD)頻率響應(yīng):ξ為阻尼因子4.1光源目前五十七頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.4激光二極管(LD)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時間延遲，一般為納秒量級電光延遲:張弛振蕩:自脈動: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。當(dāng)注入電流增大到某個范圍時,輸出光光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅的高頻振蕩.光電延遲張弛振蕩自脈動張弛振蕩和自脈動的結(jié)合4.1光源目前五十八頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.4激光二極管(LD)7.溫度特性溫度升高時性能下降，閾值電流隨溫度按指數(shù)增長。T0--LD的特征溫度，與器件的材料、結(jié)構(gòu)等有關(guān)。T0代表Ith對溫度的靈敏度，也可解釋為激光二極管的熱穩(wěn)定性。較高的T0意味著當(dāng)溫度快速增加時，激光二極管Ith增加不大。4.1光源目前五十九頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.5若干半導(dǎo)體激光器簡介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)諧激光器目前六十頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.5若干半導(dǎo)體激光器簡介4.1光源目前六十一頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.5若干半導(dǎo)體激光器簡介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光源目前六十二頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.5若干半導(dǎo)體激光器簡介1.異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器Lnp光電流Ixyz光np電流ILdpn光w電流IL

同質(zhì)結(jié)構(gòu)

雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)

掩埋雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)4.1光源目前六十三頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.5若干半導(dǎo)體激光器簡介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)LD同質(zhì)結(jié)構(gòu)只有一個簡單PN結(jié)，且P區(qū)和N區(qū)都是同一物質(zhì)的半導(dǎo)體激光器。該激光器閾值電流密度太大，工作時發(fā)熱非常嚴重，只能在低溫環(huán)境、脈沖狀態(tài)下工作4.1光源目前六十四頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.5若干半導(dǎo)體激光器簡介異質(zhì)結(jié)就是由兩種不同材料(例如GaAs和GaAlAs)構(gòu)成的PN結(jié)。有源區(qū)被禁帶寬度大、折射率較低的介質(zhì)材料包圍,形成了一個像光纖波導(dǎo)的折射率分布，限制了光波向外圍的泄漏，使閾值電流降低，發(fā)熱現(xiàn)象減輕，可在室溫狀態(tài)下連續(xù)工作。異質(zhì)結(jié)LDdPNN+P++PGaAsGaAsGaAlAsGaAsGaAlAs有源區(qū)5%Dn折射率-+m~0.1m4.1光源目前六十五頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.5若干半導(dǎo)體激光器簡介InGaAsP雙異質(zhì)結(jié)條形激光器的基本結(jié)構(gòu)4.1光源n—InGaAsP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n—InP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。目前六十六頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.5若干半導(dǎo)體激光器簡介2.分布反饋激光器(DFB-LD)分布反饋(DFB)激光器(DFB-LD)

（DFB：DistributedFeedBacklaser）主要有兩類分布布拉格反射(DBR)激光器(DBR-LD)(DBR：DistributedBraggReflectorlaser)4.1光源目前六十七頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.5若干半導(dǎo)體激光器簡介DFB-LD結(jié)構(gòu)及其原理在有源區(qū)介質(zhì)表面上使用全息光刻法做成周期性的波紋形狀4.1光源目前六十八頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.5若干半導(dǎo)體激光器簡介lBl(nm)0.1nm光功率PN光柵波導(dǎo)區(qū)有源區(qū)L光輸出LDFB-LD沒有集總的諧振腔反射鏡,只有波長滿足“Bragg反射條件”的光波才能在介質(zhì)中來回反射，得到不斷的加強和增長。4.1光源產(chǎn)生動態(tài)控制的單縱模激光目前六十九頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.5若干半導(dǎo)體激光器簡介lBl(nm)0.1nm光功率PN光柵波導(dǎo)區(qū)有源區(qū)L光輸出LBragg反射條件:相鄰光柵波紋產(chǎn)生的反射光相干疊加折射率衍射級數(shù)Bragg波長光柵間距分布式反饋

非常好的單色性和方向性4.1光源目前七十頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.5若干半導(dǎo)體激光器簡介PN光柵波導(dǎo)區(qū)有源區(qū)L光輸出L理論分析表明，在完全沒有鏡面反射的理想情況下，

DFB激光器的模式不正好是Bragg波長，而是對稱的位于lB兩側(cè)4.1光源目前七十一頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.5若干半導(dǎo)體激光器簡介PN光柵波導(dǎo)區(qū)有源區(qū)L光輸出L4.1光源由于布拉格光柵只有很小的反射帶寬，一般只有零階模(k＝0)在光柵的反射帶寬內(nèi)獲得反饋。目前七十二頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.5若干半導(dǎo)體激光器簡介DBR激光器在有源區(qū)外緊靠其右側(cè)增加一段分布式布拉格反射器，起著衍射光柵的作用。DBR-LD結(jié)構(gòu)及其原理入射光反射光ABLPN有源區(qū)激話區(qū)波紋電介質(zhì)光柵分布式布拉格反射器光輸出DBR激光器的結(jié)構(gòu)相長干涉為介質(zhì)折射率只有波長滿足“Bragg反射條件”的光波才能在介質(zhì)中來回反射，得到不斷的加強和增長。4.1光源目前七十三頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.5若干半導(dǎo)體激光器簡介3.量子限制激光器*量子限制激光器:對電子或空穴允許占據(jù)能量狀態(tài)進行限制的激光器。如QW-LD,QWi-LD,QD-LD優(yōu)點:具有閾值低，線寬窄，微分增益高，以及對溫度不敏感，調(diào)制速度快和增益曲線容易控制等許多優(yōu)點。4.1光源目前七十四頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.5若干半導(dǎo)體激光器簡介量子阱器件很薄的GaAs有源層夾在兩層很寬的AlGaAs半導(dǎo)體材料中,導(dǎo)帶中的禁帶勢能把電子封閉在x方向一維勢能阱內(nèi)，能帶量化分成離散值。量子阱(QW:QuantumWell)-LDAlGaAsAlGaAsGaAsDyDzdxyzEEn=2n=1EEE321Eg1Eg2EcDEvDg()Ed量子阱狀態(tài)密度普通LDQW結(jié)構(gòu)原理圖量子能級4.1光源目前七十五頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.5若干半導(dǎo)體激光器簡介多量子阱(MQW:MultipleQuantumWell)-LD量子阱xzy勢壘層InPInGaAs量子阱InGaAsP有源層EcEvE隔離層

多量子阱LD能級4.1光源目前七十六頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.5若干半導(dǎo)體激光器簡介量子線(QWi:QuantumWires)-LD能量狀態(tài)密度pn多量子線4.1光源目前七十七頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.5若干半導(dǎo)體激光器簡介能量狀態(tài)密度量子點(QD:QuantumDots)-LDpn多量子點4.1光源目前七十八頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.5若干半導(dǎo)體激光器簡介波長可調(diào)激光器是WDM、分組交換和光分插復(fù)用網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的最重要器件。4.波長可調(diào)半導(dǎo)體激光器*波長可調(diào)激光器主要有耦合腔波導(dǎo)型衍射光柵PIC型陣列波導(dǎo)光柵（AWG）PIC型4.1光源目前七十九頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.5若干半導(dǎo)體激光器簡介耦合腔波導(dǎo)型切開的耦合腔(C3:CleavedCoupledCavity)LD腔模PN有源區(qū)I1I2有源區(qū)光輸出LDm1m在L段lll在D段在L+D段只有波長與外腔縱模中的一個模相同時才能產(chǎn)生同相反饋。4.1光源目前八十頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.5若干半導(dǎo)體激光器簡介耦合腔波導(dǎo)型衍射光柵耦合腔LD光柵PN有源區(qū)I可旋轉(zhuǎn)反射器激光輸出4.1光源目前八十一頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.5若干半導(dǎo)體激光器簡介耦合腔波導(dǎo)型多段分布反饋耦合腔LDPN布拉格光柵有源段I1I2I3激光輸出相位控制段4.1光源目前八十二頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.5若干半導(dǎo)體激光器簡介衍射光柵PIC型(PIC:PhotonicIntegratedCircuits)光子集成電路Oli9個SOAPNP0LNL0SOA泵浦電流由一個集成的固定光柵和一個SOA陣列組成當(dāng)SOA陣列中的任一個注入電流泵浦,它就以它在光柵中的相對位置確定的波長發(fā)射光譜4.1光源目前八十三頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.5若干半導(dǎo)體激光器簡介光發(fā)射方向與腔體垂直，光腔軸線與注入電流方向相同。5.垂直腔表面發(fā)射激光器*

(VCSEL,VerticalCavitySurfaceEmittingLaser)有源區(qū)電極電極電介質(zhì)鏡襯底電介質(zhì)鏡+表面發(fā)射l/(4n1)Ll/(4n2)ddn1n212z=0.1mmInGaAsAlGaAsGaAs4.1光源目前八十四頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.5若干半導(dǎo)體激光器簡介優(yōu)點：發(fā)光效率高(850nm的VCSEL，10mA驅(qū)動1.5mW輸出光功率)工作閾值極低（工作電流5~15mA，簡化了驅(qū)動電路的設(shè)計）可單縱模也可多縱模工作（應(yīng)用于以多模光纖為傳輸媒介底局域網(wǎng)中或VSR）調(diào)制速率高壽命長（Honeywell進行了可靠性實驗）價格低、產(chǎn)量高4.1光源目前八十五頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點二維激光器陣列可任意配置高密度二維激光陣列。4.1.5若干半導(dǎo)體激光器簡介4.1光源目前八十六頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.6半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用4.1光源表3.1半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)的一般性能-20~50-20~50-20~50-20~50工作溫度/°C108107106~107105~106壽命t/h30×12030×12020×5020×50輻射角50~15030~100500~2000500~1000調(diào)制帶寬B/MHz0.1~0.30.1~0.21~31~3入纖功率P/mW1~51~35~105~10輸出功率P/mW100~150100~150工作電流I/mA20~3030~60閥值電流Ith/mA50~10060~1201~21~3譜線寬度1.31.551.31.55工作波長LEDLD目前八十七頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.1.6半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用4.1光源光源組件實例目前八十八頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點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，耦合進入一個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，室溫下自由電子進入導(dǎo)帶的概率為多少？（1.12*10-12）提示：練習(xí)題目前八十九頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點第四章光源和光發(fā)射機4.1光源4.2光發(fā)射機主要介紹數(shù)字光發(fā)射機的基本組成、工作特性和主要電路！目前九十頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點光源調(diào)制器驅(qū)動電路放大器光電二極管判決器光纖光纖中繼器光發(fā)射機將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?.2光發(fā)射機目前九十一頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點1.光發(fā)射機的組成數(shù)據(jù)線路編碼驅(qū)動電路功控溫控接口電路HDB35B6BAPCATC光源光隔離器數(shù)據(jù)線路編碼驅(qū)動電路調(diào)制器功控溫控接口電路HDB35B6BAPCATC光源光隔離器直接調(diào)制外調(diào)制4.2光發(fā)射機目前九十二頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點1.光發(fā)射機的組成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)射機目前九十三頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點2.接口電路數(shù)據(jù)線路編碼驅(qū)動電路功控溫控接口電路HDB35B6BAPCATC光源光隔離器直接調(diào)制抽樣量化編碼碼型變換PAM量化PAMPCMNRZ/RZ/AMI/HDB3m(t)4.2光發(fā)射機目前九十四頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點抽樣每隔一定時間對模擬信號抽取一個瞬時幅度值脈沖序列信號脈沖幅度調(diào)制信號模擬信號抽樣門(Pulseamplitudemodulation)2.接口電路4.2光發(fā)射機目前九十五頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點量化將信號幅度按一定的規(guī)則離散化。量化方法：量化PAM量化四舍五入法舍去法補足法量化誤差：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）：相鄰兩個量化值的差4.2光發(fā)射機目前九十六頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點編碼將量化后的PAM信號用一組二進制碼組表示．三位碼編碼規(guī)則量化值量值范圍普通二進碼折疊二進碼a1a2a3b1b2b3+3.5+3.0~+4.0111111+2.5+2.0~+3.0110110+1.5+1.0~+2.0101101+0.50.0~+1.0100100-0.5-1.0~0.0011000-1.5-2.0~-1.0010001-2.5-3.0~-2.0001010-3.5-4.0~-3.0000011b1(極性),b2b3(幅值)3位編碼---8個量化級8位編碼---256個量化級PCM(Pulsecodemodulation)PCM編碼量化PAM0100001101111111111014.2光發(fā)射機目前九十七頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點碼型變換為使電端機編碼器輸出的”0”,”1”單極性碼便于在線路上傳輸,需要進行碼型變換.常見的碼型有:單極性不歸零碼(NRZ,Non-Returntozero)單極性歸零碼(RZ,Return-to-zero),雙極性信號交替反轉(zhuǎn)碼(AMI,AlternateMarkInversion)3級高密度雙極性碼(HDB3,HighDensityBipolarofOrder3)以上碼型均稱為PCM碼4.2光發(fā)射機目前九十八頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點011010110000110單極性,占空比100%單極性,占空比50%雙極性,占空比50%,“1”碼極性依次交替雙極性,占空比50%,連零抑制碼V,B（替代碼）4.2光發(fā)射機目前九十九頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點0110101100001100000111HDB3碼型的編碼規(guī)則:HDB3碼是連0抑制碼

(1)凡”1”碼正負交替;(2)長連“0”中的第4個“0”用V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碼正負交替;(4)如果兩個V碼間”1”的個數(shù)為偶數(shù),則在4個“0”的第一位用B碼代替,并符合前面的極性交替規(guī)律4.2光發(fā)射機目前一百頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點01101001000010000111000111100000001100000011HDB3編碼練習(xí)4.2光發(fā)射機目前一百零一頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點選擇碼型要求從線路碼流中容易提取時鐘碼流中不宜含直流成分，且低頻分量盡量少碼流中高頻成分應(yīng)盡量少碼間干擾應(yīng)盡量少4.2光發(fā)射機目前一百零二頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點數(shù)據(jù)線路編碼驅(qū)動電路功控溫控接口電路HDB35B6BAPCATC光源光隔離器直接調(diào)制將適合電路傳輸?shù)拇a型(雙極性)變換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:擾碼字母型平衡碼(mBnB)插入型碼3.線路編碼4.2光發(fā)射機目前一百零三頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.2光發(fā)射機

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的靈敏度數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對線路碼型的要求

能提供足夠的定時信息：

使“1”碼和“0”碼的分布均勻，保證定時信息豐富

能提供一定的冗余碼：

用于平衡碼流、誤碼監(jiān)測和公務(wù)通信目前一百零四頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點通過擾碼器,將原始的二進制碼序列加以變換,使其接近于隨機序列,從而改善了碼流的一些特性.擾碼例如：擾碼前：1100000011000…

擾碼后：1101110110011…4.2光發(fā)射機目前一百零五頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點字母型平衡碼(mBnB)mBnB為組碼,即將m比特一組碼，根據(jù)轉(zhuǎn)換原則,在同樣長的時間內(nèi)選擇成n比特的一組碼代替.

n>m，一般選取n=m+1。mBnB碼有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B、17B18B等。碼速提高率:(以5B6B為例)4.2光發(fā)射機碼速變化:目前一百零六頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點碼字數(shù)字和(WDS):在nB組碼中，用“-1”代表“0”碼，用“+1”代表“１”碼，整個碼字的代數(shù)和即為WDS。4.2光發(fā)射機nB碼的選擇原則:盡可能選擇|WDS|小的碼字目前一百零七頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點線路碼（4B）信號碼（3B）模式2（負組）模式1（正組）WDS碼子WDS碼子-20010+211011117-21000+20111110601010010101015010010100110040011000110011300101001010102-20001+211100011-20100+2101100003B4B編碼表4.2光發(fā)射機目前一百零八頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.2光發(fā)射機mBnB編譯碼器有兩種編譯碼電路：

?一種是組合邏輯電路，就是把整個編譯碼器都集成在一小塊芯片上，組成一個大規(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，即把設(shè)計好的碼表全部存儲到一塊只讀存儲器(PROM)內(nèi)而構(gòu)成，國內(nèi)設(shè)備一般采用這種方法。目前一百零九頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.2光發(fā)射機3B4B碼編碼器工作原理并→串PROMB1B2B3B4b1b2b3串→并組別變換ABC變前時鐘已變換的輸出4B碼流變換時鐘待變換輸入3B信號碼流目前一百一十頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點5B6B編碼器原理圖

串并變換EPROM10分頻并串變換緩存器12分頻環(huán)路濾波壓控振蕩鑒頻鑒相4.2光發(fā)射機目前一百一十一頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點插入型碼把輸入二進制原始碼流分成每m比特一組，然后在每組mB碼末尾按一定規(guī)律插入一個碼，組成m+1個碼為一組的線路碼流。典型的有:mB1C碼:mB1H碼:mB1P碼:插入1bit補碼C(Compensation)插入1bit混合碼H(Hybrid)插入1bit奇偶校驗碼P(Parity)4.2光發(fā)射機目前一百一十二頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.2光發(fā)射機mB1C碼的結(jié)構(gòu)：C碼的作用：引入冗余碼，可以進行在線誤碼率監(jiān)測，同時改善了“0”碼和“1”碼的分布，有利于定時提取。mB1C碼mB碼為：100110001101……mB1C碼為：1001110100101010……插入的C碼是第m比特的反碼，例如：目前一百一十三頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.2光發(fā)射機mB1H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)：HHHH優(yōu)點:碼速提高不大，誤碼增值小,可以實現(xiàn)在線誤碼檢測、區(qū)間通信和輔助信息傳輸。

缺點:碼流的頻譜特性不如mBnB碼目前一百一十四頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點4.2光發(fā)射機mB1P碼mB1P碼的結(jié)構(gòu)：PPPP插入的是奇偶校驗碼若是偶校驗，則（m+1）碼中“1”的個數(shù)為偶數(shù)，即當(dāng)mB碼字中“1”的個數(shù)為奇數(shù)時，則插入“1”；若“1”的個數(shù)為偶數(shù)時，則插入“0”若是奇校驗，則（m+1）碼中“1”的個數(shù)為奇數(shù)，。。。目前一百一十五頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點數(shù)據(jù)線路編碼驅(qū)動電路功控溫控接口電路HDB35B6BAPCATC光源光隔離器直接調(diào)制提供光源偏置電流及調(diào)制電流.LED驅(qū)動電路LD驅(qū)動電路4.驅(qū)動電路及調(diào)制特性4.2光發(fā)射機目前一百一十六頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點LED驅(qū)動電路LED數(shù)字調(diào)制原理LED是自發(fā)輻射器件，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:LED集成元件驅(qū)動電路LED單管驅(qū)動電路LED射極耦合驅(qū)動電路4.2光發(fā)射機目前一百一十七頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點LED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4.2光發(fā)射機目前一百一十八頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點LED單管驅(qū)動電路晶體管的集電極電流提供LED的驅(qū)動電流。當(dāng)高脈沖到來時，晶體管飽和導(dǎo)通，LED發(fā)光；當(dāng)?shù)碗娖降絹頃r，晶體管截止，LED不發(fā)光。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.4.2光發(fā)射機目前一百一十九頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點LED射極耦合驅(qū)動電路當(dāng)輸入端Si

為“1”時，VT1導(dǎo)通，VT2截止，沒有電流流過LED，LED不發(fā)光；

Si

為“0”時，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)射機目前一百二十頁\總數(shù)一百三十四頁\編于二十三點LD驅(qū)動電路LD數(shù)字調(diào)制原理圖LD器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