光纖通信 第三章光源與光發(fā)射機

1、光纖通信 Fiber-Optic Communication Technology第三章光源與光發(fā)射機 主要內(nèi)容n一、半導體中光的發(fā)射和激射原理一、半導體中光的發(fā)射和激射原理 n二、二、半導體發(fā)光二極管半導體發(fā)光二極管(LED) n三、半導體激光二極管三、半導體激光二極管(LD)n四、數(shù)字光發(fā)射機四、數(shù)字光發(fā)射機 光纖通信系統(tǒng)對光源的要求n（1）合適的發(fā)射波長，光纖的低損耗窗口；n（2）足夠大的輸出功率，較長的傳輸距離；n（3）較窄的發(fā)光譜線，減少光纖色散的影響；n（4）易于與光纖耦合，提高耦合效率，確保更多的光功率進入光纖；n（5）易于調(diào)制，響應速度要快，調(diào)制失真小，帶寬大；n（6）要求在室

2、溫下能連續(xù)工作，可靠性高，壽命至少在10萬小時以上。一、半導體中光的發(fā)射和激射原理半導體中光的發(fā)射和激射原理 n能級n光與物質(zhì)的相互作用n半導體材料的能帶結(jié)構(gòu)n半導體PN結(jié)光源n發(fā)光波長n直接帶隙和間接帶隙材料n異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié) 能級n原子中的電子只能以一定的量子狀態(tài)存在，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。我們把這種電子的能量不連續(xù)的分立的內(nèi)能稱為能級。處于最低能級時稱為基態(tài)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)。光與物質(zhì)的相互作用n自發(fā)輻射自發(fā)輻射電子無外界激勵而從高能級自發(fā)躍遷到低能級，同時釋放出光子。n受激輻射受激輻射高能級電子受到外來

3、光子作用，被迫躍遷到低能級，同時釋放出光子，且產(chǎn)生的新光子與外來激勵光子同頻同方向，為相干光。n受激吸收受激吸收低能級電子在外來光子作用下吸收光能量而躍遷到高能級。 半導體材料的能帶結(jié)構(gòu)n半導體是由大量原子周期性有序排列構(gòu)成的共價晶體，其原子最外層電子軌道互相重疊，從而使其分立的能級形成了能級連續(xù)分布的能帶。n根據(jù)能帶能量的高低，有導帶、禁帶和價帶之分。n能量低的能帶是價帶，相對應于原子最外層電子（價電子）所填充的能帶，處在價帶的電子被原子束縛，不能參與導電。價帶中電子在外界能量作用下，可以克服原子的束縛，被激發(fā)到能量更高的導帶之中去，成為自由電子，可以參與導電。處在導帶底Ec與價帶頂Ev之間

4、的能帶不能為電子所占據(jù)，稱為禁帶，其能帶寬度稱為帶隙Eg(Eg=Ec-Ev)。費米能級n通常情況下（熱平衡條件下），處于低能級的粒子數(shù)較高能級的粒子數(shù)要多，稱為粒子數(shù)正常分布。粒子在各能級間分布符合費米統(tǒng)計規(guī)律：n 是能量為 的能級被粒子占據(jù)的幾率，稱為費米分布函數(shù)。 為費米能級，與物質(zhì)特性有關，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)能級狀況的標志。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據(jù)的幾率小。)(EfkTEEfeEf)(11)(fEE半導體PN結(jié)光源nPN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

5、動)，從P區(qū)到N區(qū)產(chǎn)生凈電流。電子與空穴在擴散運動中產(chǎn)生復合作用，釋放出光能，實現(xiàn)發(fā)光。這種發(fā)光是一種自發(fā)輻射，所以發(fā)出的是熒光。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。這就是發(fā)光二極管的工作原理。發(fā)光波長 n半導體光源發(fā)射的光子的能量、波長取決于半導體材料的帶隙Eg，以電子伏特（eV）表示的帶隙Eg發(fā)射波長為1.240()()gmEeV 直接帶隙和間接帶隙材料n由于半導體內(nèi)光子與電子之間的相互作用所導致的電子的躍遷除需要滿足能量守恒條件之外，還必須滿足動量守恒條件。n光子的動量與電子的動量相比可以忽略，因此，電子的躍遷前后應具有相同的動量，也即有相同的波矢量。n根據(jù)能帶結(jié)構(gòu)

6、的能量與波矢量關系，半導體材料可以分為光電性質(zhì)完全不同的兩類，即直接帶隙材料和間接帶隙材料。n在直接帶隙材料中，導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。n而在間接帶隙材料中，導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。 n（1）硅（Si）、鍺（Ge）等族半導體材料，屬于間接帶隙材料，不能用來制作半導體激光器，主要用于集成電路和光電檢測器的制作。n（2）碲化鎘（GdTe）、碲化鋅（ZnTe）等族化合物半導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。n（3）砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）

7、、砷磷化銦鎵（InGaAsP）等絕大多數(shù)的族化合物半導體材料均為直接帶隙材料，主要用于集成電路和光纖通信用半導體發(fā)光二極管、激光器、光電檢測器的制作。 不同半導體材料的帶隙及發(fā)光波長n合金化合物半導體AlxGa1-xAs （GaAs和 AlAs ）n經(jīng)驗公式Eg=1.424+1.266x+0.266x2同質(zhì)結(jié)質(zhì)結(jié) n上述發(fā)光原理的PN結(jié)是由同一種半導體材料構(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?。?，這種PN結(jié)稱為同質(zhì)結(jié)。同質(zhì)結(jié)導波作用很弱，光波在PN結(jié)兩側(cè)滲透較深，從而致使損耗增大，發(fā)光區(qū)域較寬。n構(gòu)成的光源有很大的缺點：發(fā)光不集中，強度低，需要較大的注

8、入電流。器件工作時發(fā)熱非常嚴重，必須在低溫環(huán)境下工作，不能在室溫下連續(xù)工作。異質(zhì)結(jié) n由帶隙及折射率都不同的兩種半導體材料構(gòu)成 。n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。加強結(jié)區(qū)的光波導作用及對載流子的限定作用 ，改善同質(zhì)結(jié)發(fā)光不集中、強度低的不足。n單異質(zhì)結(jié)（SH）和雙異質(zhì)結(jié)（DH）同質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)LD能級圖及光子密度分布的能級圖及光子密度分布的比較比較雙異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)光光子子密密度度能能量量GaAsGaAs激光激光PNhv(0.11)%折折射射率率同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)光光子子密密度度Eg(a)(a)(b)(b)dPNN+P+PGaAsGaAsGa

9、AlAsGaAsGaAlAs導帶導帶價帶價帶Eg有源區(qū)有源區(qū)EgEc cEv v= =1.41.4Ec cEv veV= eV2Ec c 5% n折折射射率率- -+ + 0.1 m有源區(qū)有源區(qū)eV2eV2電子電子空穴空穴在雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，有三種材料，有源區(qū)被禁帶寬度大、在雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，有三種材料，有源區(qū)被禁帶寬度大、折射率較低的介質(zhì)材料包圍。折射率較低的介質(zhì)材料包圍。二、二、半導體發(fā)光二極管半導體發(fā)光二極管(LED)nLight Emitting Dioden結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)： 面發(fā)光、邊發(fā)光n工作特性工作特性： 光譜特性、P-I特性、發(fā)光效率、調(diào)制特性等發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)n實際中多采用

10、異質(zhì)結(jié)n根據(jù)發(fā)光面與PN結(jié)的結(jié)平面平行或垂直可分為面發(fā)光二極管（SLED）和邊發(fā)光二極管（ELED）兩種結(jié)構(gòu) 面發(fā)光二極管（SLED）邊發(fā)光二極管（ELED）工作特性nP-I特性n光譜特性n發(fā)光效率n調(diào)制特性光譜特性n自發(fā)輻射發(fā)光，沒有諧振腔，發(fā)光譜線較寬 n半最大值處的全寬度（FWHM）=1.8kT(2/ch)nm n線寬隨有源區(qū)摻雜濃度的增加而增加n隨著溫度的升高線寬加寬發(fā)光效率n分為內(nèi)量子效率和外量子效率 n內(nèi)量子效率：（存在非輻射復合） n外量子效率：（材料吸收、波導效應等）空穴對數(shù)單位時間內(nèi)注入的電子數(shù)單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光子注入的總電子數(shù)輸出的光子數(shù)P-I特性n輸出的光功率隨注入電流的

11、變化關系n當注入電流較小時，線性度非常好；n當注入電流比較大時，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。n溫度對PI特性的影響，當溫度升高時，同一電流下的發(fā)射功率要降低 P-I特性調(diào)制特性n改變發(fā)光二極管的注入電流就可以改變其輸出光功率，即可以直接由信號電流來調(diào)制光信號直接調(diào)制或內(nèi)調(diào)制發(fā)光二極管的模擬調(diào)制原理圖 發(fā)光二極管的數(shù)字調(diào)制原理圖發(fā)光二極管的頻率響應nPN結(jié)存在結(jié)電容及雜散電容，發(fā)光二極管的調(diào)制特性隨著調(diào)制的頻率提高而變化。頻率響應可表示為 t為載流子的壽命 n隨著調(diào)制頻率的提高，輸出光功率下降。n要提高截止頻率fc=1/(2pt)以增加調(diào)制帶寬，要縮短載流子的壽命，可以通過有

12、源區(qū)重摻雜以及高注入等方法來改進。 )2(11)0()()(tpfPfPfH發(fā)光二極管的頻率響應 三、導體激光二極管（三、導體激光二極管（LD）n Laser Diode，半導體激光器n結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)： 諧振腔，條形結(jié)構(gòu)n工作特性工作特性： 光譜特性、P-I特性、調(diào)制特性等激光器的一般工作原理激光器的一般工作原理 n激光器的三個基本條件是n（1）需要有合適的工作物質(zhì)（發(fā)光介質(zhì)），具有合適的能級分布，可以產(chǎn)生合適波長的光輻射；n（2）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。n（3）需要可以進行方向和頻率選擇的光學諧振腔。 n產(chǎn)生激光還必須滿足閾值條件及相位條件閾值條件n存在工作物質(zhì)的吸收、

13、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，只有光在諧振腔內(nèi)往復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（臨界條件）為21ln21RRLth相位條件n諧振腔中，光波是在兩塊反射鏡之間往復傳播的，只有在滿足特定相位關系的光波才能得到彼此加強，這種條件稱為相位條件，有 q=1，2， n激光器中振蕩光頻率只能取某些分立值，不同q的一系列取值對應于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縱?？v模。 nLcqfq2激光二極管的結(jié)構(gòu)激光二極管的結(jié)構(gòu)n也采用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。n縱向的兩個端面是晶體的解理面，相互平行且垂直于結(jié)平

14、面，一個端面鍍反射膜，另一個端面輸出，構(gòu)成了激光器的FP諧振腔。n采用條形結(jié)構(gòu)，在垂直于結(jié)平面方向受到限制，在平行于結(jié)平面的水平方向也有波導效應，使光子及載流子局限在一個較窄及較薄的條形區(qū)域內(nèi)，提高光子及載流子濃度。稱為條形激光器，與光纖耦合效率較高。n兩種結(jié)構(gòu)：增益導引條形和折射率導引條形。 P-I特性n存在閾值電流存在閾值電流Ith：當注入電流小于Ith時，自發(fā)輻射發(fā)光；當注入電流超過Ith時，受激輻射發(fā)光；輸出功率與注入電流基本保持線性關系。n對溫度很敏感對溫度很敏感：隨著溫度的升高，閾值電流增大，發(fā)光功率降低。需進行溫度控制。有 )exp()(00TTITIth光譜特性n主要由其縱模決

15、定n峰值波長峰值波長n譜寬譜寬：功率等于大于峰值波長功率50%的所有波長范圍 n線寬線寬：某一縱模中功率等于大于最大功率一半的所有波長范圍 n邊模抑制比邊模抑制比( (S SMSR) )：主模功率與最強邊模功率之比 (Side Mode Suppression Ratio) )/lg(10邊主PPSMSR n半導體激光器的發(fā)光譜線較為復雜，會隨著工作條件的變化而發(fā)生變化。n當注入電流低于閾值電流時，激光器發(fā)出的是熒光熒光，光譜較寬；當電流增大到閾值電流時，光譜突然變窄，強度增強，出現(xiàn)激光激光；當注入電流進一步增大，主模的增益增加，而邊模的增益減小，振蕩模式減少，最后會出現(xiàn)單縱模單縱模。n溫度升

16、高時激光器的發(fā)射譜的峰值波長向長波長方向移動 調(diào)制特性n半導體激光器會出現(xiàn)許多復雜動態(tài)性質(zhì)，會對系統(tǒng)傳輸速率和通信質(zhì)量帶來影響。n電光延遲n張弛振蕩n碼型效應 n自脈動n單縱模分裂為多縱模 電光延遲和張弛振蕩n電光延遲電光延遲：輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在的時間延遲，一般為納秒量級。n張弛振蕩張弛振蕩：當電流脈沖注入后，輸出光脈沖表現(xiàn)出的衰減式振蕩。幾百MHz2Ghz的量級。n與有源區(qū)的電子自發(fā)復合壽命和諧振腔內(nèi)光子壽命以及注入電流初始偏差量有關。 碼型效應 n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，使后一個光脈沖幅度受到前一個脈沖的影響的效應n兩個連“1”時，第一個脈沖過后，

17、有源區(qū)的電子以指數(shù)形式衰減。調(diào)制速率很高，脈沖間隔小于衰減周期，使第二個脈沖到來時，前一電流脈沖注入的電子并沒有完全復合消失，有源區(qū)電子密度較高，輸出光脈沖幅度和寬度增大。n消除：增加直流偏置電流。在閾值附近，脈沖持續(xù)時和脈沖過后有源區(qū)內(nèi)電子密度變化不大，電子存儲的時間大大減小，碼型效應得到抑制。還可以采用在每一正脈沖后跟一負脈沖的雙脈沖信號進行調(diào)制的方法，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。單負脈沖的幅度不能過大，以免激光器PN結(jié)被反向擊穿。 自脈動n某些激光器在脈沖調(diào)制甚至直流驅(qū)動下，輸出光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅的振蕩，振蕩的頻率在幾百MHz到2GHzn激光器內(nèi)部存在非線性增益而造

18、成的 單縱模分裂為多縱模 n直接調(diào)制使激光器的注入電流不斷發(fā)生變化，有源區(qū)載流子濃度隨之發(fā)生變化，導致折射率變化，諧振條件發(fā)生變化。隨著調(diào)制頻率的提高和調(diào)制深度的加大，會使主模的強度下降，鄰近邊模的強度增強，單縱模分裂為多縱模，而且線寬也增大，調(diào)制速率越高，調(diào)制深度越大，譜線展寬越多。 高速調(diào)制時激光器的輸出譜線 動態(tài)單縱模激光器 n為降低光纖色散，希望光源的譜寬盡可能窄，要求激光器工作在單縱模狀態(tài)。 n在高速調(diào)制下仍然可以工作在單縱模的半導體激光器稱為動態(tài)單縱模激光器。n實現(xiàn)動態(tài)單縱模的方法很多，應用最為廣泛的是分布反饋式激光器。DFBLD、DBRLD等。 分布反饋式激光器n結(jié)構(gòu)與FP激光器

19、不同，不靠解理面形成的諧振腔工作，而是依賴沿縱向分布的光柵工作。n分布反饋激光器（DFBLD）n分布布拉格反射激光器（DBRLD）LED與LD的比較LED LD 結(jié)構(gòu) 異質(zhì)結(jié)、無諧振腔 異質(zhì)結(jié)、諧振腔發(fā)光 自發(fā)輻射、熒光、功率低 受激輻射、激光 、功率高 P-I特性 線性好 有閾值，線性差 光譜特性 譜寬較寬，單色性較差 譜寬窄，單色性好 溫度特性 影響小，不需溫度控制影響大，需溫度控制四、數(shù)字光發(fā)射機四、數(shù)字光發(fā)射機n光發(fā)射機的基本功能是將攜帶信息的電信號轉(zhuǎn)換成光信號，并將光信號送入光纖中。n光發(fā)射機除了半導體光源及其驅(qū)動電路之外還包括使系統(tǒng)正常、可靠工作的一些輔助控制電路部分。 數(shù)字光發(fā)射

20、機結(jié)構(gòu)圖 光源的驅(qū)動 n光源的驅(qū)動就是根據(jù)輸入的電信號產(chǎn)生相應的光信號的過程。采用的器件不同、調(diào)制方式的不同、輸入信號類型的不同都有不同的驅(qū)動方式。 LED的驅(qū)動的驅(qū)動 LD的驅(qū)動的驅(qū)動 n與LED相比，LD的驅(qū)動要復雜的多。 n（1）增大直流預偏置電流使其逼近閾值，可以減小電光延遲時間，抑制張遲振蕩；n（2）當激光器偏置在閾值附近，較小的調(diào)制脈沖電流就能得到足夠的輸出光脈沖，可以大大減小碼型效應；n（3）加大直流偏置電流使激光器在發(fā)“0”與發(fā)“1”時的光功率之比（即消光比）增大，影響接收機的靈敏度。n因此，偏置電流的選擇要兼顧電光延遲、張遲振蕩、碼型效應以及消光比等各種因素，根據(jù)器件的性能，

21、系統(tǒng)的具體要求，適當選擇。光源的自動溫度控制（ATC） n隨著溫度的升高，半導體光源（特別是隨著溫度的升高，半導體光源（特別是LDLD ）的）的特性要發(fā)生劣化（發(fā)光功率降低、波長漂移、閾特性要發(fā)生劣化（發(fā)光功率降低、波長漂移、閾值增加等）。值增加等）。n溫度控制采用微型制冷器、熱敏元件及控制電路溫度控制采用微型制冷器、熱敏元件及控制電路組成。熱敏元件監(jiān)測激光器的結(jié)溫，與設定的基組成。熱敏元件監(jiān)測激光器的結(jié)溫，與設定的基準溫度比較，根據(jù)溫度差異的情況，驅(qū)動制冷器準溫度比較，根據(jù)溫度差異的情況，驅(qū)動制冷器的控制電路，改變制冷效果，從而使激光器在恒的控制電路，改變制冷效果，從而使激光器在恒定的溫度下工作。定的溫度下工作。n微型制冷器多采用利用半導體材料的珀爾帖效應微型制冷器多采用利用半導體材料的珀爾帖效應制成的半導體制冷器。珀爾帖效應是當直流電流制成的半導體制冷器。珀爾帖效應是當直流電流通過通過P P型和型和N N型兩種半導體組成的電偶時，可以使型兩種半導體組成的電偶時，可以使一端吸熱而使另一端放熱的一種現(xiàn)象。一端吸熱而使另一端放熱的一種現(xiàn)象。 自動溫度控制方框圖 激光器激光器制冷器制冷器熱敏電阻熱敏電阻