光源與光發(fā)射機

1、4-1 概述； 4-2 半導體光源的工作原理 ； 4-3 半導體激光器； 4-4 發(fā)光二極管； 4-5 光源的調(diào)制及驅(qū)動電路； 4-5 LD光發(fā)射機的控制電路； 本章思考題,第四章的主要內(nèi)容,4-1 概述,光源光發(fā)射機的核心部件： 半導體激光管LD； 半導體發(fā)光二極管LED,電信號,對光源進行調(diào)制,輔助電路：穩(wěn)定信號，控制溫度,光信號,一、光發(fā)射機簡單框圖,適用于長距離大容量的光纖通信系統(tǒng)，尤其是單縱模半導體激光器，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,適用于短距離、低碼速的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，或者是模擬光纖通信系統(tǒng)。其制造工藝簡單、成本低、可靠性好,4-1 概述,此動畫為光發(fā)射機工

2、作原理動畫，光源在調(diào)制電流的作用下發(fā)光，然后耦合進光纖傳輸,4-1 概述,二、光發(fā)射機的主要指標 光發(fā)射機的指標很多，我們僅從應(yīng)用的角度介紹其主要指標。 1. 平均發(fā)送功率及其穩(wěn)定度 平均發(fā)送功率是指光源尾纖的平均輸出光功率，是在“0”、 “1”碼等概率調(diào)制的情況下，光發(fā)送機輸出的光功率值，單位為dBm。 2. 消光比 消光比定義為全“1”碼的輸出功率與全“0”碼的輸出功率之比，取常用對數(shù)，通常用符號EXT表示,4-1 概述,光發(fā)射機的消光比一般要求大于8.2dB，即“0”碼光脈沖功率是“1”碼光脈沖功率的七分之一。 三、對光源的要求 1. 光源發(fā)射的峰值波長應(yīng)在光纖的低損耗窗口內(nèi)； 2. 有

3、足夠高和穩(wěn)定的輸出功率； 3. 電光轉(zhuǎn)換效率高、驅(qū)動功率低，同時要求壽命長，可靠性高； 4. 單色性和方向性好,4-1 概述,5. 易調(diào)制、響應(yīng)速度快； 6. 光強對驅(qū)動電流的線性要好，以保證足夠多的信號模擬調(diào)制光源而不發(fā)生畸變； 7. 體積小、重量輕。 為什么目前多采用半導體光源呢？ 半導體光源可以直接進行調(diào)制，即注入調(diào)制電流而實現(xiàn)光波強度調(diào)制,4-2 半導體光源的工作原理,一、原子能級躍遷光源的物理基礎(chǔ) 能級：原子由原子核和核外電子組成，核外電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)，每個電子的運行軌道并不相同，各代表不同的量子態(tài)，即：原子中的電子只能在一定的量子態(tài)中運動；在最里層的軌道上量子態(tài)的能量最低，電子受

4、原子核束縛最強，最外層的軌道量子態(tài)能量最高，電子受原子核束縛最弱，這些不同的軌道運行時相應(yīng)的能量值（包括電子的動能和電位能）稱為能級,4-2 半導體光源的工作原理,能級躍遷：原子中的電子可通過與外界交換能量的方式發(fā)生量子躍遷，量子躍遷交換的能量有熱能、光能，分別為熱躍遷和光躍遷,熱躍遷：交換的能量是熱運動的能量,光躍遷：交換的能量是光能,4-2 半導體光源的工作原理,考慮雙能級的系統(tǒng)，低能級E1和高能級E2，設(shè)處于高能級E2和低能級E1上的電子數(shù)分別為N2和N1，當系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時，存在下面的分布： k=1.38110-23J/K，為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度。 由于(E2-E1)0，T0

5、，所以在熱平衡狀態(tài)下，總是N1N2，這說明電子總是首先占據(jù)能量低的能級,4-2 半導體光源的工作原理,自發(fā)輻射：高能級E2上的電子不穩(wěn)定，會按一定的概率自發(fā)地躍遷到低能級E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量以光子（頻率為，能量為h= E2- E1 ）的形式輻射。 所以，自發(fā)輻射過程的特點如下： 處于高能級電子的自發(fā)行為，與是否存在外界激勵作用無關(guān)； 由于自發(fā)輻射可以發(fā)生在一系列的能級之間（如共價晶體中導帶向價帶的自發(fā)輻射），因此材料的發(fā)射光譜范圍很寬； 即使躍遷過程滿足相同的能級差（光子頻率一致），它們也是獨立的、隨機的輻射，是一種非相干光,分裂的能帶，這些光子僅僅能量相同而彼此無關(guān)，可以有不同的相位

6、和不同的偏振方向，可以向空間各個方向傳播，是非相干光（熒光,4-2 半導體光源的工作原理,受激吸收/躍遷：處于低能級上的電子在感應(yīng)光場的作用下（感應(yīng)光子能量為h= E2- E1 ），吸收一個光子從低能級E1躍遷到高能級E2上。 所以，受激吸收過程的特點如下： 受激吸收時需要消耗外來光能； 受激吸收過程對應(yīng)光子被吸收，生成電子空穴對的光電轉(zhuǎn)換過程,當某物質(zhì)與外界處在熱平衡狀態(tài)下，低能級的粒子（電子）數(shù)N1總是大于高能級的粒子（電子）數(shù)N2，在這種狀態(tài)下，有感應(yīng)光場時，必然是受激吸收占主要地位，不會出現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象，光波經(jīng)過該物質(zhì)時強度按指數(shù)規(guī)律衰減，光波被吸收,4-2 半導體光源的工作原理,受激輻射

7、： 處于高能級E2的電子在感應(yīng)光場作用下（感應(yīng)光子能量為h= E2- E1 ），發(fā)射一個和感應(yīng)光子一模一樣的光子，躍遷到低能級E1上。 所以，受激輻射的特點如下： 外來光子的能量等于躍遷的能級之差。 受激過程中發(fā)射出來的光子與外來光子不僅頻率相同，而且相位、偏振方向和傳播方向都相同，因此稱它們是全同光子，是相干光。 受激輻射過程實質(zhì)上是將感應(yīng)光得到放大,發(fā)射光子和感應(yīng)光子不僅頻率相同，而且相位、偏振方向和傳播方向都相同，是相干光,4-2 半導體光源的工作原理,4-2 半導體光源的工作原理,每種躍遷是不是獨立存在的呢？ 實際上，在光電器件中，自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收過程總是同時出現(xiàn)，但對于各

8、種特點的光電器件，只有一種機理起主要作用，分別對應(yīng)的是：發(fā)光二極管LED，半導體激光管LD和光電二極管/光電探測器。 光纖通信多數(shù)采用LD，則受激輻射的條件和結(jié)果,4-2 半導體光源的工作原理,條件-粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài): 如果外界向物質(zhì)提供了能量，就會使得低能級上的電子獲得能量大量地激發(fā)到高能級上去，像一個泵不斷地將低能級上的電子“抽運”到高能級上，我們稱這個能量為激勵或者泵浦過程，從而達到高能級上的粒子數(shù)N2大于低能級上的粒子數(shù)N1的分布狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。 結(jié)果-光放大過程:當物質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)下，高能級上的大量電子就會在受到外來感應(yīng)光子的激發(fā)下，發(fā)射出與入射光子的頻

9、率、相位、偏振方向、傳播方向完全相同的相干光，這樣，就實現(xiàn)了用一個弱的入射光激發(fā)出一個強的出射光的光放大過程,4-2 半導體光源的工作原理,二、半導體能帶結(jié)構(gòu)和載流子 在大量原子相互靠近形成半導體晶體時，由于半導體晶體內(nèi)部電子的共有化運動，晶體能譜分裂成若干組，每組中能級彼此靠得很近，組成有一定寬度的帶能帶。 半導體內(nèi)部自由運動的電子(簡稱自由電子)所填充的能帶稱為導帶；價電子所填充的能帶稱為價帶；導帶和價帶之間不允許電子填充，所以稱為禁帶，其寬度稱為禁帶寬度/帶隙，用Eg表示，單位為電子伏特(eV,Eg =Ec-Ev,4-2 半導體光源的工作原理,此動畫為晶體的能帶動畫：導帶和價帶為光源提供

10、了物理基礎(chǔ),4-2 半導體光源的工作原理,電子在能級上是如何分布的呢？(遵循的規(guī)律) 電子的能級分布：費米-狄拉克統(tǒng)計規(guī)律 在熱平衡條件下，能量為E的能級被電子占據(jù)的概率p(E)服從費米分布函數(shù) 費米統(tǒng)計規(guī)律是物質(zhì)粒子能級分布的基本規(guī)律，它反映了物質(zhì)中的電子按一定規(guī)律占據(jù)能級。 費米能級：不是一個可以被電子占據(jù)的實際存在的能級，它是反映電子在各能級中分布情況的參量，具有能級的量綱，位置由總電子數(shù)能級具體情況決定，對本征半導體，在禁帶的中心,4-2 半導體光源的工作原理,p(E)是電子在各能級分布的概率，所以有 當E=Ef時， p(E) =1/2， 能級E被電子占據(jù)的概率和空穴占據(jù)的概率相等，實

11、際上費米能級不存在； 當E1/2， 能級E被電子占據(jù)的概率比較大，如果(Ef-E)kT，則p(E) 1，能級幾乎被電子占據(jù)； 當EEf時， p(E)kT，則p(E) 0，能級幾乎被空穴占據(jù),4-2 半導體光源的工作原理,根據(jù)費米統(tǒng)計規(guī)律，可得各種半導體中電子的統(tǒng)計分布,a) 本征半導體,b) 兼并型P型半導體,c) 兼并型N型半導體,低溫下，本征半導體費米能級的禁帶的中心位置,對于重摻雜兼并型P型半導體，由于受主雜質(zhì)的摻入（三價元素的雜質(zhì)），多數(shù)載流子是空穴，費米能級進入半導體的價帶,對于重摻雜兼并型N型半導體，由于施主雜質(zhì)的摻入（五價元素的雜質(zhì)），多數(shù)載流子是電子，費米能級進入半導體的導帶,

12、4-2 半導體光源的工作原理,雙兼并型半導體，是一種非熱平衡狀態(tài)下的情況，因而用兩種費米能級Efc和Efv來表征載流子的統(tǒng)計分布。在價帶中，載流子的統(tǒng)計分布與兼并型P型半導體的分布相似，而導帶中則與兼并型N型半導體的情況類似。因此，Efc和Efv之間形成了一個粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的區(qū)域。若有一光波，光子能量滿足Egh (Efc -Efv )，則這束光波經(jīng)過雙兼并型半導體時將被放大（光放大）。 半導體激光器LD就是利用這種重摻雜的雙兼并型半導體的特點,4-2 半導體光源的工作原理,三、PN結(jié) 1. PN結(jié)的形成 P型半導體和N型半導體形成PN結(jié)時，載流子的濃度差引起擴散運動，P區(qū)的空穴向N區(qū)擴散，剩下帶負

13、電的電離受主，從而在靠近PN結(jié)界面的區(qū)域形成了一個帶負電的區(qū)域；同樣，N區(qū)的電子向P區(qū)擴散，剩下帶正電的電離施主，從而造成一個帶正電的區(qū)域。這樣一來，載流子擴散運動的結(jié)果形成了一個空間電荷區(qū)/結(jié)區(qū)?？臻g電荷區(qū)的電場方向由N區(qū)指向P區(qū)，這個電場稱為“自建電場/內(nèi)建電場”，與外加電場相反,內(nèi)建電場,在P型半導體中存在大量帶正電的空穴，同時還存在著等量的帶負電的電離受主，它們的電性相互抵消而表現(xiàn)出電中性,在N型半導體中存在大量帶負電的電子，同時還存在著等量的帶正電的電離施主，它們的電性相互抵消而表現(xiàn)出電中性,4-2 半導體光源的工作原理,自建電場逐漸加強，直到漂移運動（自建電場引起）完全抵消了擴散運

14、動，從而使PN結(jié)達到動態(tài)平衡狀態(tài)（熱平衡狀態(tài)），客觀上沒有電流通過。 2. PN結(jié)的能帶（熱平衡狀態(tài)） 由于一個熱平衡系統(tǒng)只能有一個費米能級，這就要求原來在P區(qū)和N區(qū)高低不同的費米能級達到相同的水平。在走向熱平衡狀態(tài)的過程中，費米能級趨向同一高度，如果N區(qū)的能級位置不變，那么P區(qū)的能級應(yīng)該提高，從而使PN結(jié)的能帶發(fā)生傾斜彎曲。 PN結(jié)能帶的彎曲正反映了空間電荷區(qū)的存在,4-2 半導體光源的工作原理,4-2 半導體光源的工作原理,在空間電荷區(qū)內(nèi)，自建場從N區(qū)指向P區(qū)，這說明P區(qū)相對于N區(qū)為負電荷，用-VD來表示，叫做接觸電位差/PN結(jié)的勢壘高度，P區(qū)所有能級的電子都附加了位能，其值為(-e0).

15、(-VD)=e0 VD，從而使P區(qū)的能帶相對于N區(qū)來說提高了 e0 VD。 3. 正向偏置下(PN結(jié)施加正向電壓)形成增益區(qū)/有源區(qū) 正向電壓施加以后，削弱了原有內(nèi)建電場，使勢壘降低。如果N區(qū)的能帶還保持不變，則P區(qū)的能帶應(yīng)向下移動，下降的數(shù)值應(yīng)為e0 V （ V VD ）。在這種非熱平衡狀態(tài)下，費米能級隨之發(fā)生了分裂，在PN結(jié)出現(xiàn)了兩個費米能級，N區(qū)和P區(qū)的費米能級分別為Efc和Efv,4-2 半導體光源的工作原理,正向偏置的作用下，熱平衡狀態(tài)被破壞，外加電場區(qū)（正向電壓形成）使空穴向N區(qū)運動，電子向P區(qū)運動，在PN結(jié)形成一個特殊的增益區(qū)/有源區(qū)。在增益區(qū)，導帶的多數(shù)載流子是電子，價帶的多數(shù)

16、載流子是空穴，結(jié)果形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 在滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件的情況下，當Egh (Efc -Efv )時（自發(fā)輻射的光波），則光子能量為h的這束光波經(jīng)過雙兼并型半導體時將被放大,h,4-3 半導體激光器,一、形成激光振蕩的條件 1. 知識回顧激光產(chǎn)生的三個條件 能夠產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)； 能夠使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的泵浦源；（激活物質(zhì)） 能夠完成頻率選擇及反饋作用的光學諧振腔。 工作物質(zhì)在泵浦源的作用下發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，成為激活物質(zhì)（將處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的物質(zhì)稱為激活物質(zhì)/增益物質(zhì)），從而有光的放大作用。 激活物質(zhì)和光學諧振腔是產(chǎn)生激光振蕩的必要條件,4-3 半導體激光器,2.

17、半導體激光器形成激光振蕩條件 工作物質(zhì)-重摻雜的雙兼并型PN結(jié)； 激活物質(zhì)/增益物質(zhì)-產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布； 正向偏置的重摻雜PN結(jié)。 光學諧振機制-提供正反饋，并且在有源區(qū)里建立起穩(wěn)定的振蕩。 當PN結(jié)加上正向電壓后，P區(qū)和N區(qū)注入的非平衡載流子在擴散過程中不斷地復(fù)合，這種電子空穴復(fù)合發(fā)出熒光（自發(fā)輻射），形成半導體激光器中的初始光場,4-3 半導體激光器,半導體激光器的初始光場由于來源于導帶和價帶的自發(fā)輻射，頻譜較寬、方向也雜亂無章，此時必須有光學諧振機制對光的頻率和方向進行選擇，以獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出,光學諧振機制,諧振腔：晶體的天然解理面形成F-P腔,有源區(qū)一側(cè)的波紋結(jié)構(gòu)：DF

18、B（分布反饋）、DBR（分布布拉格反射,4-3 半導體激光器,二、F-P腔半導體激光器 1. 原理結(jié)構(gòu) F-P諧振腔是一種最簡單的光學反饋裝置，它由一對平行放置的平面反射鏡（通常直接利用半導體晶體材料的天然解理面：高度平行）組成。 作用：選擇方向；建立起穩(wěn)定的振蕩。 穩(wěn)定的光振蕩需要滿足什么樣的條件,4-3 半導體激光器,1）光振蕩需要滿足的相位條件 一束光（一個光子）走一周的相位 因此，只有確定波長的光能在諧振腔內(nèi)建立穩(wěn)定的振蕩，使激光器的發(fā)射光譜呈現(xiàn)出譜線尖銳的結(jié)構(gòu),4-3 半導體激光器,由相位條件導出縱模的頻率間隔或波長間隔為 （2）建立穩(wěn)定振蕩的閾值條件/振幅條件 光在F-P諧振腔內(nèi)的

19、傳播同時受到增益和衰減兩大相互矛盾因素的共同作用 一方面，在外部激勵源的作用下，激光器內(nèi)部形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的有源區(qū)，往返傳輸?shù)墓庾硬粩嗾T發(fā)受激輻射，使得光信號不斷增強； 另一方面，腔內(nèi)也存在著損耗，例如鏡面的反射損耗（鏡面反射率總是小于1）、工作物質(zhì)的吸收和散射損耗等,4-3 半導體激光器,閾值條件的物理意義：當光信號往返傳輸一周幅度不發(fā)生變化時稱為達到閾值狀態(tài)。如果用光強（光功率）來衡量信號的強弱，那么閾值條件用公式表示 th為閾值增益系數(shù)，為諧振腔內(nèi)部工作物質(zhì)的強度損耗系數(shù)，R1和R2是鏡面的反射系數(shù),4-3 半導體激光器,F-P腔激光器的基本原理,4-3 半導體激光器,2. 雙異質(zhì)結(jié)（DH

20、）結(jié)構(gòu)實際應(yīng)用型結(jié)構(gòu) 實際上， F-P腔激光二極管從結(jié)構(gòu)上可分為3種，如下圖所示,4-3 半導體激光器,1）同質(zhì)結(jié)半導體激光器 核心部分是一個PN結(jié)，由結(jié)區(qū)發(fā)出激光。 缺點是閾值電流高，且不能在室溫下連續(xù)工作，不能實用。 （2）異質(zhì)結(jié)半導體激光器 異質(zhì)結(jié)半導體激光器包括單異質(zhì)結(jié)和雙異質(zhì)結(jié)半導體激光器兩種。 異質(zhì)結(jié)半導體激光器的“結(jié)”是由不同的半導體材料制成，目的是降低閾值電流，提高效率。 特點是對電子和光子產(chǎn)生限制作用，減少了注入電流，增加了發(fā)光強度,4-3 半導體激光器,目前，光纖通信用的激光器大多采用銦鎵砷磷（InGaAsP）雙異質(zhì)結(jié)條形激光器。 N-InGaAsP是發(fā)光的作用區(qū)-有源區(qū)，

21、其上、下兩層稱為限制層，它們和有源區(qū)構(gòu)成光學諧振腔。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。早期的是GaAs、 GaAlAs。 前后兩個晶體解理面作為反射鏡構(gòu)成(F-P)諧振腔,4-3 半導體激光器,4-3 半導體激光器,因此，從能帶圖可以看出，窄帶隙的有源區(qū)材料被夾在寬帶隙之間，施加正向電壓以后，注入到有源區(qū)的電子和空穴被限制在有源區(qū)內(nèi)形成反轉(zhuǎn)粒子分布，有源區(qū)電子-空穴對復(fù)合輻射出激光。 異質(zhì)結(jié)的優(yōu)點： 帶隙差形成的勢壘對載流子起限制作用，阻止了有源區(qū)里的載流子逃離出去，此時只要很小的外加電流，就可以使電子

22、和空穴濃度增大而提高效益； 有源層的折射率比限制層高，產(chǎn)生的激光被束縛在有源層內(nèi)。（折射率差由帶隙差決定，約5%） 結(jié)果： DH半導體激光器的閾值電流很低，散熱量很小，可在室溫下持續(xù)工作，而且電/光轉(zhuǎn)換效率很高,4-3 半導體激光器,3）量子阱半導體激光器 量子阱激光器與一般雙異質(zhì)結(jié)激光器類似，只是有源區(qū)的厚度很薄，屬于雙異質(zhì)結(jié)器件。 理論分析表明，當有源區(qū)的厚度非常小時，則在有源層與兩邊相鄰層的能帶將出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，在有源區(qū)的異質(zhì)結(jié)將產(chǎn)生一個勢能阱，因此將產(chǎn)生這種量子效應(yīng)的激光器稱為量子阱半導體激光器。 結(jié)構(gòu)中這種“阱”的作用使得電子和空穴被限制在極薄的有源區(qū)內(nèi)，因此有源區(qū)內(nèi)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的

23、濃度很高。量子阱半導體激光器還可分為單量子阱和多量子阱激光器,量子阱半導體激光器,4-3 半導體激光器,超晶格量子阱半導體激光器的特性： 閾值電流低； 波長可調(diào)諧； 線寬窄，頻率啁啾低； 調(diào)制速率高； 溫度穩(wěn)定性強,4-3 半導體激光器,4-3 半導體激光器,三、 分布反饋(DFB)和分布布拉格反射(DBR)半導體激光器 1. 結(jié)構(gòu)特點 特點：激光振蕩不是由反射鏡提供，而是折射率周期性變化的波紋光柵（波紋結(jié)構(gòu)：在有源區(qū)一側(cè)生長波紋結(jié)構(gòu)，可以取不同形狀，如正弦、三角或方波）提供,4-3 半導體激光器,DFB激光器是一種可以產(chǎn)生動態(tài)控制的單縱模激光器，即在高速調(diào)制下仍能單縱模工作的半導體激光器。

24、DFB激光器是在異質(zhì)結(jié)激光器具有光放大作用的有源層附近，刻有波紋狀的周期光柵而構(gòu)成的。 DFB激光器的結(jié)構(gòu)和工作原理(基于布拉格反射原理)與DBR激光器類似(閾值電流要比DFB激光器的)，不同的是DBR激光器的波紋結(jié)構(gòu)在有源區(qū)的外面，從而避免光柵制作過程中造成晶格損傷。 布拉格反射是指當光波入射到兩種不同介質(zhì)的交界面時，能夠產(chǎn)生周期性的反射，把這種反射稱為布拉格反射,在有源區(qū)的一側(cè)或兩側(cè)加了一段分布式布拉格反射器，起著衍射光柵的作用，因此可以將它看成是端面反射率隨波長變化而變化的特殊激光器,4-3 半導體激光器,2. 工作原理 DFB激光器的周期性溝槽在有源層波導兩外側(cè)的無源波導層上，這兩個無

25、源的光柵波導充當Bragg反射鏡的作用；只有在Bragg波長附近的光波才能滿足振蕩條件，從而發(fā)射激光,4-3 半導體激光器,因此，DFB和DBR的工作原理可以用Bragg反射來說明。 波紋光柵為受激輻射產(chǎn)生的光子提供周期性的反射點，在一定條件下，圖中I，I，I等反射光束同相位加強，形成某方向(+90o)的主極強,4-3 半導體激光器,根據(jù)光柵方程=m，反射光束同相加強的條件為 由圖中所示B， 的幾何關(guān)系，上式也可表示為 DFB或DBR激光器的分布反饋是=/2的布拉格反射，這時有源區(qū)的光在柵條間來回振蕩。此時產(chǎn)生激光輸出的布拉格條件為,4-3 半導體激光器,此動畫為DBR激光器工作原理光路動畫,

26、4-3 半導體激光器,3. DFB激光器相對于F-P腔(包括DH激光二極管)的優(yōu)點 (1) 單縱模振蕩 發(fā)射光譜主要由光柵周期決定，由于DFB的的長度很小，所以m階和（m+1）階模之間的波長間隔（縱模間隔）比F-P腔大得多，多個微型諧振腔也起到選模作用，很容易設(shè)計成單縱模（單頻）振蕩,4-3 半導體激光器,對于給定的峰值波長，模式間距隨L的減小而增加。 當L = 200m時， =2/2nL=0.547nm,在該帶寬內(nèi)的模數(shù)是FWHM / = 6/0.547 = 10nm。 當腔長減小到L = 20m時，模式間距增加到5.47nm，此時該帶寬內(nèi)的模數(shù)是FWHM / = 6/5.47= 1.1nm

27、。因此只有一個模式。 很顯然，減小腔長，可以抑制高階模,4-3 半導體激光器,2) 譜線窄，波長穩(wěn)定性好 DFB激光器的每個柵距相當于一個F-P腔，其布喇格反射可比作多級調(diào)諧，使諧振波長的選擇性大大提高，譜線明顯變窄，可以窄到幾GHz。并且光柵的作用有助于使發(fā)射波長鎖定在諧振波長上，使波長的穩(wěn)定性改善。 (3) 動態(tài)譜線好 DFB激光器在高速調(diào)制時譜線有所展寬（啁啾），但依然保持單縱模特性。 (4) 線性度好,4-3 半導體激光器,4垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL ） VCSEL激光器的結(jié)構(gòu),4-3 半導體激光器,四、 半導體激光器的主要特性 1. 輸出光功率特性 光功率隨注入電流變化，所以用

28、P-I特性表示。 典型的激光器P-I特性,4-3 半導體激光器,1）閾值電流（Ith） 在P-I曲線中，激光器由自發(fā)輻射到開始受激振蕩時的臨界注入電流，稱為閾值電流（外加正向電流達到某一數(shù)值時，輸出光功率急劇增加）。它是一個正向電流值，用符號Ith表示。 下圖為利用P-I曲線求解Ith常用的簡單方法：雙斜率法 和反向延長法。 閾值電流越小越好還是越大越好？ 越小越好,4-3 半導體激光器,2）功率線性度 （3）光輸出飽和度 （4）激光器的光電轉(zhuǎn)換效率 P-I特性曲線中的斜率表征。 轉(zhuǎn)換效率的表示方法： 采用功率效率和各類量子效率指標來衡量激光器的換能效率。 P為激光器的輸出功率，Vj為激光器的

29、結(jié)電壓，Rs為激光器的串聯(lián)電阻，I為注入電流,4-3 半導體激光器,量子效率分為內(nèi)量子效率、外量子效率和外微分量子效率。 內(nèi)量子效率定義為i=(有源區(qū)里每秒鐘產(chǎn)生的光子數(shù))/(有源區(qū)里每秒鐘注入的電子-空穴對數(shù))。 用Rr和Rnr分別表示輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合的速率，內(nèi)量子效率i可以表示為 外量子效率ex定義為ex=(激光器每秒鐘產(chǎn)生的光子數(shù))/(激光器每秒鐘注入的電子-空穴對數(shù),4-3 半導體激光器,所以，外量子效率可以表示為 由于hEg eV ，所以有 定義外微分量子效率D為 由于PPth，所以 或者用功率表示,4-3 半導體激光器,2. 溫度特性 半導體激光器對溫度變化敏感，輸出光功率隨溫

30、度發(fā)生變化，產(chǎn)生變化的原因有兩個： 首先，表現(xiàn)出外微分量子效率隨溫度升高而下降； 對于線性度良好的激光器，輸出光功率可以表示為 其次，閾值電流隨溫度的升高而加大，呈指數(shù)變化，結(jié)區(qū)溫度為T時的閾值電流,4-3 半導體激光器,4-3 半導體激光器,另外，溫度對激光器數(shù)字調(diào)制將產(chǎn)生結(jié)發(fā)熱效應(yīng)。 所謂結(jié)發(fā)熱效應(yīng)， 是指調(diào)制電流的作用引起半導體激光器PN結(jié)結(jié)區(qū)的溫度發(fā)生變化，導致輸出光脈沖的形狀發(fā)生變化。結(jié)發(fā)熱效應(yīng)引起調(diào)制失真。 相對于高碼速通信，低碼速光纖通信系統(tǒng)的“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”更加明顯，這是因為隨著調(diào)制速率的提高，碼元時間間隔縮短，PN結(jié)結(jié)區(qū)溫度來不及發(fā)生變化,4-3 半導體激光器,3. 光譜特性單

31、色性 （1）發(fā)射波長 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出的能量，這個能量近似等于禁帶寬度Eg(eV)= h =hc/， (Hz)和(m)分別為發(fā)射光的頻率和波長，1eV=1.601019 J，所以有激光器的發(fā)射波長 由于帶隙Eg與半導體材料的成分及其含量有關(guān)，因此根據(jù)這個原理可以制成不同發(fā)射波長的激光器,4-3 半導體激光器,半導體激光器的光譜隨著注入電流的變化而變化。當IIth時，發(fā)出的是熒光，光譜很寬；當I Ith后，發(fā)射光譜突然變窄，譜線中心強度急劇增加，此時發(fā)出激光，如圖所示,4-3 半導體激光器,2）激光器的縱模反映器件的光譜特性 縱模數(shù)隨注入電流（驅(qū)動電流）

32、而變。隨著注入電流的增加，縱模模數(shù)逐漸減少，譜線寬度變窄，當驅(qū)動電流足夠大時，多縱模變?yōu)閱慰v模，這種激光器稱為靜態(tài)單縱模激光器； 隨注入電流的增加，主模的增益增加而邊模的增加減少，振蕩模數(shù)減少。 峰值波長隨結(jié)溫升高而向長波長移動； 半導體材料的禁帶寬度Eg隨著結(jié)溫升高而變窄,4-3 半導體激光器,普通激光器工作在直流或低碼速情況下，它具有良好的單縱模譜線，所對應(yīng)的光譜只有一根譜線，而在高碼速調(diào)制（脈沖調(diào)制）時，動態(tài)譜線隨調(diào)制電流Im增加而展寬，甚至其線譜呈現(xiàn)多縱模譜線。 為什么呢,4-3 半導體激光器,對于脈沖調(diào)制，調(diào)制電流Im不斷變化，使有源區(qū)載流子濃度隨之變化，進而導致折射率變化，最終使激

33、光器的振蕩頻率發(fā)生漂移，動態(tài)譜線展寬。 Im不斷變化 載流子濃度變化 n變化 變化 動態(tài)譜線展寬對高速光纖通信不利。一般情況，用F-P諧振腔可以得到的是直流驅(qū)動的靜態(tài)單縱模激光器，要得到高速數(shù)字調(diào)制的動態(tài)單縱模激光器，必須改變激光器的結(jié)構(gòu)，采用分布反饋半導體激光器DFB等。 多模激光:光譜有多個峰值波長（中心波長），其中最大峰值波長稱為主中心波長，該模式也稱為主模，其它的模式稱為邊模,4-3 半導體激光器,3）激光器的譜線寬度,4-3 半導體激光器,多縱模激光器： 用均方根譜寬rms或半值滿譜寬1/2表示。 對于使用多縱模激光器的光發(fā)射機，其譜寬 rms一般要求在210nm范圍。 單縱模激光器

34、： 用3dB或20dB譜寬 -20dB表示。 -20dB=6.07 rms，對于使用單縱模激光器的光發(fā)射機，其譜寬 -20dB要求在1nm以下,4-3 半導體激光器,4）邊模抑制比 邊模抑制比是指主縱模的光功率P1和最大邊模光功率P2之比 一般，光發(fā)射機的SMSR大于30dB，即主縱模的光功率是最大邊模光功率的1000倍以上,4-3 半導體激光器,4. 激光束的空間分布方向性 激光器的方向性指輸出光束的空間發(fā)散程度。 遠場光強下降到最大值一半之處時，在垂直于P-N結(jié)平面的方向上，對激光器輸出端面的張角大小，稱為垂直發(fā)散角，用來表示；在平行于P-N結(jié)平面的方向上，對LD輸出端面的張角大小，稱為平

35、行發(fā)散角，用/來表示。,4-3 半導體激光器,激光器的橫模決定了輸出光束的空間分布，發(fā)散角直接影響到器件與光纖的耦合效率。與縱模的意義不同，橫模反映的是由于邊界條件的存在對腔內(nèi)電磁場形態(tài)的橫向空間約束作用。 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中，有源區(qū)厚度很薄(1m)，通常僅有基垂直橫模被激發(fā)，而水平橫模受PN結(jié)條款的影響，一般情況， 30o，/10o,4-3 半導體激光器,5. 瞬態(tài)特性 半導體激光二極管（LD）具有電光轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快、可進行直接調(diào)制等優(yōu)點，被視為光纖通信中的理想光源。 但是對于LD進行脈沖調(diào)制時，尤其是高碼速光纖通信中，LD往往呈現(xiàn)出復(fù)雜的動態(tài)性質(zhì),易自脈動現(xiàn)象,4-3 半導體激光器,1）

36、從圖中可以看出，LD在脈沖調(diào)制中出現(xiàn)的動態(tài)特性有 存在電光延遲，一般為ns量級； 出現(xiàn)張弛振蕩：LD輸出光脈沖會出現(xiàn)幅度逐漸衰減的振蕩；-激光器內(nèi)部光電相互作用所變現(xiàn)的固有特性 出現(xiàn)自脈動現(xiàn)象：輸出光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅的高頻振蕩；LD內(nèi)部不均與增益或不均與吸收產(chǎn)生，以及P-I曲線有明顯扭折的LD易出現(xiàn)自脈動現(xiàn)象 是和的混合,4-3 半導體激光器,2）產(chǎn)生張弛振蕩的原因分析,tIth）時，有源區(qū)里電子密度n增加，但這段時間n小于閾值電流密度nth，激光并不會產(chǎn)生，所以光功率存在一個延遲時間，即電光延遲時間,tdtt1 ： 當n增加到nth以后，激光開始產(chǎn)生，但光子密度s存在一個增加的時間過程，光子

37、密度s達到穩(wěn)態(tài)值之前，n繼續(xù)增加，s達到穩(wěn)態(tài)值時，n達到最大值,4-3 半導體激光器,t1tt2： 當t1時刻后，光場已經(jīng)建立，s迅速增加，同時消耗粒子數(shù)，n下降，當s達到峰值時，n下降到nth,t2tt3： 當n下降到nth以后，有源區(qū)里載流子復(fù)合仍將持續(xù)一段時間，此時電子密度n繼續(xù)下降到nth以下，s也開始下降，下降到穩(wěn)態(tài)值時，n已達到最小，激光停止或減弱，此刻又開始電子的填充。由于電子的存儲效應(yīng)，電子的填充時間比上次短，電子密度和光子密度的過沖也上次小,4-3 半導體激光器,3）分析瞬態(tài)過程的出發(fā)點 出發(fā)點是LD速率方程組的瞬態(tài)解。由速率方程組(簡化)得到的張弛振蕩頻率wr及其幅度衰減時

38、間0和電光延遲時間td的表達式為 式中，0表示張弛振蕩的幅度衰減為初始值1/ e的時間，i和ith分別為注入電流密度和閾值電流密度。 sp和ph分別為電子自發(fā)復(fù)合壽命和諧振腔內(nèi)光子壽命,4-3 半導體激光器,由以上三式可以得到： 張弛振蕩的角頻率wr隨諧振腔內(nèi)光子壽命ph和自發(fā)輻射壽命時間sp的減小而增加，并隨注入電流的增加而升高； 張弛振蕩的衰減時間與自發(fā)輻射的壽命時間sp同數(shù)量級，并隨注入電流的增加而減??； 電光延遲時間td與自發(fā)輻射的壽命時間sp為相同數(shù)量級，并隨注入電流i的增加而減小,4-3 半導體激光器,4） 對LD進行脈沖調(diào)制時，減小電光延遲時間行之有效的方法 在發(fā)射機電路中施加直

39、流預(yù)偏置電流。直流預(yù)偏置電流在脈沖到來時，電光延遲的時間大大減少，而且張弛振蕩現(xiàn)象也可得到一定程度的抑制。 簡化的速率方程組是基于下列條件提出的： 注入電流均勻恒定，即電流密度i為常數(shù)，電子和光子密度在腔內(nèi)處處均勻，因而可以不考慮梯度場和漂移場的作用； 光子完全被介質(zhì)波導限制在有源區(qū)中，不需要考慮側(cè)向光場的漏出； 忽略非輻射復(fù)合的影響； 激光器在閾值之上單縱模振蕩,4-3 半導體激光器,5）電光延遲和張弛振蕩的后果是限制調(diào)制速率： 電光延遲要產(chǎn)生碼型效應(yīng) 當電光延遲時間td與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時間T/2為相同數(shù)量級時，會使“0”碼過后的第一個“1”碼的脈沖寬度變窄，幅度變小，嚴重時可能使單個“

40、1”丟失。-碼型效應(yīng),4-3 半導體激光器,碼型效應(yīng)的特點： 在脈沖序列中較長的連“0”碼后出現(xiàn)的“1”碼，其脈沖明顯顯效，而且連“0”碼越多，調(diào)制速率越高，則碼型效應(yīng)越明顯。 為什么？ 原因分析：在兩個接連出現(xiàn)的“1”碼中，第一個脈沖到來之前，有較長的連“0”碼，由于電光延遲時間長和光脈沖上升時間的影響，因此脈沖變小。第二個脈沖到來時，由于第一脈沖的電子空穴復(fù)合尚未完全消失，有源區(qū)電子密度較高，因此電光延遲時間短，脈沖較大。 碼型效應(yīng)對光纖通信不利，那么如何消除呢,4-3 半導體激光器,消除碼型效應(yīng)的方法： 第一，增加直流偏置電流，使LD偏置在Ith附近。-最簡單的方法 當LD偏置在Ith附

41、近時，脈沖持續(xù)時和脈沖過后有源區(qū)里電子密度變化不大，從而使電子存儲時間大大減少。 第二，雙脈沖信號進行調(diào)制。 每一個正脈沖跟隨一個負脈沖，正脈沖產(chǎn)生光脈沖，負脈沖消除有源區(qū)里的存儲電荷，但是負脈沖不能過大，否則PN結(jié)將被擊穿。 當最高調(diào)制頻率接近張弛振蕩頻率時，波形嚴重失真，以至于使光接收機在抽樣判決時增加誤碼率，因此實際使用的最高調(diào)制速率應(yīng)低于張弛振蕩頻率,4-3 半導體激光器,6）自脈動現(xiàn)象作為一種高頻干擾嚴重地威脅到激光器高速脈沖調(diào)制的性能 自脈動現(xiàn)象的出現(xiàn)與調(diào)制狀態(tài)無關(guān)，即注入電流與注入脈沖電流都可能出現(xiàn)自脈動現(xiàn)象，只是與注入的總電流有關(guān)； 自脈動現(xiàn)象是目前激光器在某些注入電流值的情況

42、下發(fā)生的現(xiàn)象，且振蕩頻率隨注入電流的增加而升高； 自脈動現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)在P-I特性曲線扭折處,4-4 發(fā)光二極管,一、工作原理 發(fā)光二極管是非相干光源（熒光），它的發(fā)射過程主要對應(yīng)光的自發(fā)輻射過程。在發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)中不存在諧振腔，當PN結(jié)注入正向電流時，注入的非平衡載流子在擴散過程中復(fù)合發(fā)光，發(fā)光過程中PN結(jié)也不一定需要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),4-4 發(fā)光二極管,二、結(jié)構(gòu)與分類 發(fā)光二極管不需要諧振腔，并且為了獲得高輻射亮度，LED常采用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。 按照光輸出的位置不同，LED可分為邊發(fā)射型LED、面發(fā)射型LED和超輻射發(fā)光二極管(SLED,4-4 發(fā)光二極管,三、基本特性 1. 輸出光功率特性（

43、P-I特性） 沒有閾值，其輸出功率基本上與注入電流成正比，適合短距離和模擬光纖通信中；實際上也存在非線性區(qū)域。 LED的工作電流通常 50mA100mA,4-4 發(fā)光二極管,2. 溫度特性 溫度對LED影響不大，實際使用中也可以不進行溫度控制，如果需要，確保實驗系統(tǒng)或使用設(shè)備的穩(wěn)定，可以加裝散熱裝置。另外，溫度升高時，LED的輸出功率也將降低。 3. 光譜特性 自發(fā)輻射光，沒有諧振腔對波長的選擇，為非相干光，譜線較寬，在30120nm，光譜約3001600nm,4-4 發(fā)光二極管,4. 光束空間分布 輻射角大， LED與光纖的耦合效率通常小于10，一般只適用于短距離通信，邊發(fā)光型和面發(fā)光型不一

44、樣，見圖。 5. 響應(yīng)速度 時域上的概念，在頻域上對應(yīng)為帶寬，調(diào)制頻率比LD低很多，面發(fā)光型LED的可調(diào)制頻率僅為幾十MHz，邊發(fā)光型LED的可調(diào)制頻率可達200MHz,4-4 發(fā)光二極管,四、優(yōu)點與應(yīng)用 盡管發(fā)光二極管的輸出光功率較低，光譜較寬，但由于使用簡單、壽命長、可靠性高、調(diào)制電路簡單、制造工藝簡單、成本低等優(yōu)點。 LED通常和多模光纖耦合，在1.31m或0.85m波長的小容量、中低速率、短距離的光纖數(shù)字通信系統(tǒng)和光纖模擬信號傳輸系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。 LD通常和單模光纖耦合，用于1.31m或1.55m大容量、長距離光通信系統(tǒng)。 DFB和DBR主要也和單模光纖或特殊設(shè)計的單模光纖耦合，

45、用于1.55m超大容量的新型光纖系統(tǒng)，這是目前光纖通信發(fā)展的主要趨勢,4-4 發(fā)光二極管,4-5 光源的調(diào)制及驅(qū)動電路,一、調(diào)制方式 1. 光調(diào)制 將光信號加載到光源的發(fā)射光束上。調(diào)制后的光波經(jīng)過光纖信道送至接收端，由光接收機鑒別出它的變化，再現(xiàn)出原來的信息，稱為光解調(diào)。 2. 調(diào)制方式的分類 （1）直接調(diào)制/內(nèi)調(diào)制-僅適用于半導體光源(LD和LED) 把要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘栕⑷隠D或LED，從而獲得相應(yīng)的光信號，采用的是電源調(diào)制方法。 直接調(diào)制后的光波電場振幅的平方比例于調(diào)制信號，是一種光強度（IM）的方法。 DIM,4-5 光源的調(diào)制及驅(qū)動電路,2）間接調(diào)制/外調(diào)制 對光源的輸出信號

46、進行調(diào)制。 利用晶體的電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、聲光效應(yīng)等性質(zhì)來實現(xiàn)對激光輻射信號的調(diào)制，這種調(diào)制方法適合于半導體激光器，也適應(yīng)于其他類型的激光器。 間接調(diào)制也可采用內(nèi)調(diào)制。用集成光學的方法把激光器和調(diào)制器集成在一起，用調(diào)制信號控制調(diào)制元件的物理性質(zhì)，從而改變激光輸出特性以實現(xiàn)調(diào)制,4-5 光源的調(diào)制及驅(qū)動電路,4-5 光源的調(diào)制及驅(qū)動電路,間接調(diào)制/外調(diào)制與直接調(diào)制/內(nèi)調(diào)制的區(qū)別： 光源直接調(diào)制的優(yōu)點是簡單、經(jīng)濟、容易實現(xiàn)，但調(diào)制速率受載流子壽命及高速率下的性能退化的限制。 外調(diào)制方式需要調(diào)制器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但可獲得優(yōu)良的調(diào)制性能，特別適合高速率光通信系統(tǒng)。 目前已提出的間接調(diào)制方式有電光調(diào)制、聲光

47、調(diào)制和磁光調(diào)制,4-5 光源的調(diào)制及驅(qū)動電路,電光調(diào)制 電光調(diào)制的基本工作原理是利用晶體的電光效應(yīng)。 電光效應(yīng)是指由外加電壓引起的晶體的折射率發(fā)生變化的現(xiàn)象。 基本工作原理：利用電光晶體（如鈮酸鋰晶體等）的電光效應(yīng)，當外加電場變化時，將引起晶體折射率n隨之變化的現(xiàn)象，折射率的變化又將引起光波相位的變化。其中電場變化實際上就是對應(yīng)于調(diào)制電壓的變化（即需要傳輸?shù)男盘柕淖兓?。這樣，調(diào)制電壓的變化最終將得到光波的相位的變化，從而達到電光調(diào)相的結(jié)果,4-5 光源的調(diào)制及驅(qū)動電路,當一個Asin(wt+0)的光波入射到光波調(diào)制器(Z=0)，經(jīng)過長度為L的外電場作用區(qū)后，輸出光場(Z=L)即已調(diào)制光波為A

48、sin(wt+0+) ，相位變化因子受外電壓的控制從而實現(xiàn)相位調(diào)制。 普科爾（Pockel）效應(yīng)(常用)與克爾（Kerr）效應(yīng)。 Pockel：當晶體的折射率與外加電場幅度成線性變化；Kerr：當晶體的折射率與外加電場幅度的平方成比例變化,4-5 光源的調(diào)制及驅(qū)動電路,聲光調(diào)制 聲光調(diào)制器是利用介質(zhì)的聲光效應(yīng)制成的。 聲光調(diào)制的工作原理：當調(diào)制電信號變化時，由于壓電效應(yīng)，使壓電晶體產(chǎn)生機械振動形成超聲波，這個聲波引起聲光介質(zhì)的密度發(fā)生變化，使介質(zhì)折射率跟著變化，從而形成一個變化的光柵，由于光柵的變化，使光強隨之發(fā)生變化，結(jié)果使光波受到調(diào)制,4-5 光源的調(diào)制及驅(qū)動電路,磁光調(diào)制 磁光調(diào)制磁光調(diào)

49、制是利用法拉第效應(yīng)得到的一種光間接調(diào)制； 基本原理：入射光信號經(jīng)過起偏器，使入射光變?yōu)槠窆?，這束偏振光通過YIG磁棒時，其偏置方向隨繞在上面線圈的調(diào)制信號而變化，當偏振方向與后面的檢偏器相同時，輸出光強最大，當偏振方向與檢偏器方向垂直時，輸出光強最小，從而使輸出光強隨調(diào)制信號變化，實現(xiàn)了光的間接調(diào)制,4-5 光源的調(diào)制及驅(qū)動電路,4-5 光源的調(diào)制及驅(qū)動電路,二、光源的模擬信號調(diào)制 直接用連續(xù)的模擬信號（如話音、電視等信號）對光源進行調(diào)制。 LED模擬調(diào)制原理：連續(xù)的模擬信號電流疊加在直流偏置電流上，適當選擇直流偏置的大小，使靜態(tài)工作點位于發(fā)光管特性曲線線性段的中點，可以減小光信號的非線性失

50、真。 在所有通信系統(tǒng)中，用LED作為光源時，均采用直接強度調(diào)制,4-5 光源的調(diào)制及驅(qū)動電路,光源的模擬信號調(diào)制,4-5 光源的調(diào)制及驅(qū)動電路,典型的模擬模擬調(diào)制電路 電流放大電路：放大倍數(shù)=Ic/Ib,4-5 光源的調(diào)制及驅(qū)動電路,三、光源的數(shù)字調(diào)制 數(shù)字調(diào)制主要是指PCM編碼調(diào)制。 信號電流為單向二進制數(shù)字信號，用單向脈沖電流的“有”、“無”(“1”碼和“0”碼)控制發(fā)光管的發(fā)光與否。 1. LED的數(shù)字調(diào)制 LED數(shù)字系統(tǒng)都是通過控制流經(jīng)發(fā)光管電流的辦法達到調(diào)制輸出光功率的目的。 LED的數(shù)字調(diào)制電路采用電流開關(guān)電路，最常用的是差分電流開關(guān)電路，提高調(diào)制速率,4-5 光源的調(diào)制及驅(qū)動電路

51、,數(shù)字信號從基極輸入，通過集電極的電流驅(qū)動LED，“0”碼時三極管截止，“1”碼時三極管導通,對于LED的二值碼調(diào)制信號，其直流偏置可以選擇在零點，即輸入信號為零時，輸出功率也為零。因此驅(qū)動電路中可以沒有直流偏置調(diào)整電路,4-5 光源的調(diào)制及驅(qū)動電路,LED的數(shù)字信號調(diào)制,4-5 光源的調(diào)制及驅(qū)動電路,2. LD的數(shù)字調(diào)制 LD數(shù)字系統(tǒng)通常用于高速系統(tǒng)，且是閾值器件，它的溫度穩(wěn)定性較差，與LED相比，其調(diào)制問題要復(fù)雜的多，驅(qū)動條件的選擇、調(diào)制電路的形式和工藝， 都對調(diào)制性能至關(guān)重要。 LD驅(qū)動電路中必須有直流偏置電流，因此驅(qū)動LD器件發(fā)光的是Ib+Im共同作用的結(jié)果。 Im的選擇應(yīng)考慮光源輸出

52、光脈沖的幅度，又要考慮自脈動現(xiàn)象,4-5 光源的調(diào)制及驅(qū)動電路,此動畫為LD的數(shù)字調(diào)制動畫：注意與LED數(shù)字調(diào)制時其P-I特性曲線的區(qū)別,4-5 光源的調(diào)制及驅(qū)動電路,LD數(shù)字驅(qū)動電路通過差分電流開關(guān)提高開關(guān)速度，V1、V2是一對差分管，一個導通、一個截止，組成一個電流開關(guān)，數(shù)字電信號uin從V1的基極輸入，VB是直流參考電壓施加在V2的基極上，V3是恒流源,4-5 光源的調(diào)制及驅(qū)動電路,1）LD的輸出功率監(jiān)控方法 由于溫度變化和工作時間加長，LD的輸出功率會發(fā)生變化(降低)，采用控制電路的反饋電流使輸出功率穩(wěn)定，控制電路的功能是動態(tài)地調(diào)整其偏置電流，從而實現(xiàn)輸出功率穩(wěn)定。 利用LD輸出光纖的功率，由Y型光纖耦合器分流出一小部分光功率進行監(jiān)控。 LD的后解理面發(fā)射的光通常被用于這種監(jiān)控目的,4-5 光源的調(diào)制及驅(qū)動電路,慢啟動110ms,4-5 光源的調(diào)制及驅(qū)動電路,2）輸出功率監(jiān)控電路中的慢啟動電路 慢啟動電路是一保護電路。在光發(fā)射機中，調(diào)制電路、偏置電路、反饋電路等經(jīng)常都是共用一組電源。為防止接通電源時光源電流的瞬態(tài)過沖，往往先讓調(diào)制電路、反饋電路及運算放大器等接通，而偏置電流Ib卻是緩慢增加