光源及光發(fā)射機

1、光源及光發(fā)射機第1頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一4.1 半導體中光的發(fā)射和激射原理 4.1.1 激光產(chǎn)生的物理基礎 1.原子的能級 激光的產(chǎn)生與光源內部原子的結構和運動狀態(tài)密切相關。原子由原子核和繞原子核旋轉的核外電子組成。近代物理實驗證明，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。第2頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 我們把這種電子、原子、分子等微觀粒子的能量不連續(xù)的分立的內能稱為粒子的能級。粒子處于最低能級時稱為基態(tài)，處于比基態(tài)高的能級時，稱為激發(fā)態(tài)。 通常

2、情況下，大多數(shù)粒子處于基態(tài)，少數(shù)粒子被激發(fā)至高能級，且能級越高，處于該能級的粒子數(shù)越少。在熱平衡條件下，各能級上的粒子數(shù)分布滿足玻爾茲曼統(tǒng)計分布(4.1) 第3頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 其中，N1、N2為處于能級E1、E2上的粒子數(shù)，k0=1.38110-23 J/K為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，如圖4.1為玻爾茲曼分布曲線。 2.光與物質的相互作用 研究指出，光與物質間存在以下三種相互作用關系： （1）自發(fā)輻射。 在沒有外界激發(fā)的情況下，處于高能級E2上的粒子由于不穩(wěn)定，將自發(fā)的向低能級E1躍遷，發(fā)射出能量為hf的光子，f為光子的頻率，有(4.2) 第4頁，

3、共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 圖4.1 玻爾茲曼分布曲線 第5頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 式中，h=6.62510-34 Js為普朗克常數(shù)。這種發(fā)光過程稱為自發(fā)輻射，如圖4.2(a)所示。 對于處在高能級E2上的粒子來說，它們各自獨立地、隨機地分別躍遷到低能級E1上，發(fā)射出一個一個的光子，這些光子的能量相同，但彼此無關，且具有不同的相位及偏振方向，因此自發(fā)輻射發(fā)出的光是非相干光。第6頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 （2）受激吸收。 在外來光子的作用下，處在低能級上的粒子，吸收光子的能量躍遷到較高能級上的過程，

4、稱為受激吸收，如圖4.2(b)所示。處在低能級E1上的粒子在一個頻率為f=(E2-E1)/h的外來光子的作用下，吸收光子能量躍遷到能級E2上去。第7頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 圖4.2 自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射示意圖 (a)自發(fā)輻射；(b)受激吸收；(c)受激輻射第8頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 （3）受激輻射。 處在高能級E2上的粒子，在受到頻率為f=(E2-E1)/h的光子作用下，受激躍遷到低能級E1上并發(fā)出頻率為f的光子的過程，稱為受激輻射，如圖4.2(c)所示。受激輻射的過程不是自發(fā)的，是受到外來入射光子激發(fā)引起的，而且

5、受激輻射所發(fā)射的光子具有與入射光子相同的能量、頻率以及相同的相位、偏振方向、傳播方向等，這種光子稱為全同光子。因此受激輻射的發(fā)光是相干光。第9頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 3.粒子數(shù)的反轉分布及光放大 通常情況下(即熱平衡條件下)，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。粒子在各能級之間分布符合費米統(tǒng)計規(guī)律(4.3) 第10頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 其中,f(E)是能量為E的能級被粒子占據(jù)的幾率，稱為費米分布函數(shù);Ef為費米能級，與物質特性有關，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

6、志。當能級E0.5時，說明這種能級被粒子占據(jù)的幾率大于50%；當能級EEf ，f(E)0.5時，說明這種能級被粒子占據(jù)的幾率小于50%。也就是說，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。第11頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 在外界能量作用下，處于低能級的粒子將不斷地被激發(fā)到高能級上去，從而使高能級上的粒子數(shù)大于低能級上的粒子數(shù)，這種分布狀態(tài)稱為粒子數(shù)的反轉分布。在外界入射光的激發(fā)下，高能級上的粒子產(chǎn)生大量的全同光子，以實現(xiàn)對入射光的放大作用。 我們把處于粒子數(shù)反轉分布的物質稱為激活物質或增益物質。這種物質可以是固體、液體或氣體，也

7、可以是半導體材料。把利用光激勵、放電激勵或化學激勵等方法達到粒子數(shù)反轉分布的方法稱為泵浦或抽運。第12頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 4.激光器的一般工作原理 （Laser, Light Amplificationby Simulated Emissionof Radiation）是具有極好單色性、方向性和光強的一種光源。世界上第一臺激光器是1960年美國人梅曼發(fā)明的紅寶石激光器。實現(xiàn)一個激光器必須滿足的三個基本條件是： （1）需要有合適的工作物質（發(fā)光介質），具有合適的能級分布，可以產(chǎn)生合適波長的光輻射； （2）需要可以實現(xiàn)工作物質粒子數(shù)反轉分布的激勵能源泵浦源；

8、 （3）需要可以進行方向和頻率選擇的光學諧振腔。第13頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 如圖4.3激光器構成原理示意圖所示，反射率為100%的全反射鏡與反射率為90%95%的部分反射鏡平行放置在工作物質兩端以構成諧振腔。諧振腔中的工作物質在泵浦源的作用下，處在粒子數(shù)反轉分布狀態(tài)，自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子由于受激輻射不斷放大，產(chǎn)生的光子在諧振腔中經(jīng)過反射鏡多次反射，在諧振腔中沿非軸線方向的光子很快逸出了腔外，而沿軸線方向的光子往復傳輸，不斷被放大，且方向性、增益不斷改善，最后從反射鏡輸出即為激光。第14頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一圖4.3 激光器

9、構成原理示意圖 第15頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 除了上述三個基本條件，要產(chǎn)生激光還必須滿足閾值條件及相位條件。在激光器工作過程中，光在諧振腔內傳播，除了增益介質的光放大作用外，還存在工作物質的吸收、介質不均勻引起的散射、反射鏡的非理想性引起的透射及散射等損耗情況，所以也就只有光波在諧振腔內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(4.4) 第16頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 其中，th為實現(xiàn)穩(wěn)定激光輸出所必須的最小增益，稱為閾值增益系數(shù);為諧振腔內工作物質的損耗系數(shù)；L為諧

10、振腔腔長；r1、r2為兩個反射鏡的反射率。 由于在諧振腔中，光波是在兩塊反射鏡之間往復傳輸?shù)模@時只有在滿足特定相位關系的光波才能得到彼此加強，因此這種條件稱為相位條件，即(4.5) 第17頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 式中，fq為光波的頻率;n為工作介質的折射率;c為光速;q=1，2，。由上式可以看出，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模。相鄰兩縱模之間的頻率之差 (4.6) 稱為縱模間隔，它與諧振腔長及工作物質有關。第18頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13

11、分，星期一 激光振蕩也可以出現(xiàn)在垂直于腔軸線的方向，這是平面波偏離軸向傳輸時產(chǎn)生的橫向電磁場分布，稱為橫模。 上面介紹了激光產(chǎn)生的一般原理。自從1960年激光器問世以來，人們已經(jīng)研制出了各種固體、氣體以及半導體激光器等。由于半導體激光器具有體積小、重量輕、壽命長、調制方便、調制速度高等優(yōu)點，在光纖通信等方面得到了廣泛應用。下面就來介紹半導體光源的發(fā)光基本原理。第19頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 4.1.2 半導體中光的發(fā)射原理 1.半導體材料的能帶結構 半導體是由大量原子周期性有序排列構成的共價晶體，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

12、布的能帶。根據(jù)能帶能量的高低，有導帶、禁帶和價帶之分。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。 第20頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 處在導帶底Ec與價帶頂Ev之間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)。 半導體光源的核心是PN結。將P型半導體與N型半導體相接觸就形成PN結。本征半導體中摻入施主雜質形成N型半導體，過剩的電子占據(jù)本征半導體中空的導帶，處在高能級

13、的電子增多，其費米能級就較本征半導體的要高。當雜質濃度增大時，費米能級向導帶移動，在重摻雜情況下，費米能級可以進入導帶，稱為兼并型N型半導體。 第21頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 本征半導體中摻入受主雜質形成P型半導體，其費米能級就較本征半導體的要低，當雜質濃度增大時，費米能級向價帶移動，在重摻雜情況下，費米能級可以進入價帶，稱為兼并型P型半導體，如圖4.4所示。第22頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 圖4.4 半導體能帶圖(a)本征半導體；(b)N型半導體；(c)P型半導體 第23頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期

14、一 2.半導體PN結光源 在形成PN結之前，重摻雜的N型半導體和P型半導體的能帶分布如圖4.5(a)所示，費米能級分別進入導帶和價帶。由于選用同種材料，N型半導體和P型半導體的禁帶寬度大致相同。當P型半導體與N型半導體相接觸形成PN結時，由于存在電子與空穴的濃度差，電子從N區(qū)向P區(qū)擴散，空穴從P區(qū)向N區(qū)擴散，因此使N區(qū)的費米能級降低，P區(qū)的費米能級升高。當P區(qū)的空穴擴散到N區(qū)后，在P區(qū)留下帶負電的離子，形成一個帶負電荷區(qū)域； 第24頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 當N區(qū)的電子擴散到P區(qū)后，在N區(qū)留下帶正電的離子，形成一個帶正電荷區(qū)域。由于這兩個正負電荷區(qū)域的存在，出

15、現(xiàn)了一個由N區(qū)指向P區(qū)的電場，稱為內建電場，如圖4.5(b)所示。在內建電場作用下，出現(xiàn)了電子從P區(qū)向N區(qū)移動、空穴從N區(qū)向P區(qū)移動的與擴散相反的漂移運動。同時，內建電場使P區(qū)與N區(qū)出現(xiàn)勢壘，阻止電子從N區(qū)向P區(qū)的擴散。開始時，擴散運動占優(yōu)勢，但隨著內建電場的加強，勢壘的增高，漂移運動也不斷加強，最后漂移運動完全抵消了擴散運動，達到了動態(tài)平衡，宏觀上沒有電流流過PN結。這時N區(qū)與P區(qū)的費米能級達到相等，從而使PN結的能帶發(fā)生彎曲，如圖4.5(c)所示。第25頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 PN結外加一個足夠大的正向偏壓（即P接正、N接負），P區(qū)內的空穴大量注入N區(qū)，

16、N區(qū)的電子大量注入P區(qū)，這樣，在P區(qū)與N區(qū)靠近界面的地方就產(chǎn)生了復合發(fā)光。PN結在正向偏置時，N區(qū)的電子及P區(qū)的空穴會克服內建電場的阻擋作用，穿過結區(qū)(擴散運動超過漂移運動)，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。第26頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 當PN結外加一個正向偏壓時，產(chǎn)生了一個與內建電場方向相反的電場，這個電場減弱了內建電場的影響，削弱了漂移運動，使擴散運動加強，整個PN結的平衡狀態(tài)被

17、打破，原來統(tǒng)一的費米能級發(fā)生分離，出現(xiàn)了P區(qū)和N區(qū)的兩個準費米能級EPf、ENf，如圖4.5(d)所示。這時，在PN結區(qū)，導帶主要由電子占據(jù)，價帶主要由空穴占據(jù)，即實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉分布的區(qū)域，稱為有源區(qū)，這個有源區(qū)可以實現(xiàn)光的放大作用。由自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子，在有源區(qū)由于受激輻射將不斷得到放大。同時，如果利用半導體材料晶體的天然解理面構造光學諧振腔，那么，在有源區(qū)的放大補償了各種損耗后，就會有穩(wěn)定的激光輸出。這就是半導體激光器的的基本原理。第27頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一圖4.5 重摻雜下PN結能帶圖 第28頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期

18、一 由于半導體內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。自由電子運動的動量狀態(tài) p，由電子的量子力學波矢量k決定，即 p=hk (4.7) 其中,h為約化普朗克常數(shù)。第29頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 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。根據(jù)能帶結構的能量與波矢量關系(如圖4.6所示)，半導體材料可以分為光電性質完全不同的兩類，即直接帶隙材料和間接帶隙材料。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

19、一點上。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。 第30頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 能帶結構的這種差別使得這兩類半導體材料的光電性質具有非常大的差異。在直接帶隙材料中，電子在價帶和導帶之間躍遷符合動量守恒條件，因此具有較大的躍遷幾率，而在間接帶隙材料中，電子在價帶和導帶之間躍遷不符合動量守恒條件，光子與電子的相互作用需要在聲子的作用下才能完成，因此躍遷幾率非常低。所以間接帶隙材料發(fā)光效率比較低，不適合于制作光源。第31頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一圖4.6 直接帶隙和間接

20、帶隙材料能帶、波矢量關系示意圖 (a)直接帶隙材料；(b)間接帶隙材料第32頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 目前廣泛應用的半導體材料主要有： （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。 （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。 （3）砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）、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

21、器的制作。第33頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 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）表示的發(fā)射波長為(4.8) 例如，對于GaAs，Eg=1.42eV，用它制作的LED的發(fā)射波長就為=0.87m。不同的半導體材料、不同的材料成分有不同的禁帶寬度，可以發(fā)射不同波長的光。表4.1為不同半導體材料的帶隙及發(fā)光波長。第34頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一表4.1 不同半導體材料的帶隙及發(fā)光波長 第35頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 3.異質結 上述發(fā)光原理的PN結是由同一種半導體

22、材料構成的，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結稱為同質結。同質結導波作用很弱，光波在PN結兩側滲透較深，從而致使損耗增大，發(fā)光區(qū)域較寬。因此，同質結構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，不可能在室溫下連續(xù)工作。第36頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 為了克服同質結的缺點，需要加強結區(qū)的光波導作用及對載流子的限定作用，這時可以采用異質結結構。所謂異質結，就是由帶隙及折射率都不同的兩種半導體材料構成的PN結。異質結可分為單異質結（SH）和雙異質結（D

23、H）。 異質結半導體激光器與同質結半導體激光器不同。它是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。圖4.7給出了同質結、單異質結、雙異質結半導體激光器加正向偏壓時，能帶的結構以及折射率、光強的分布?？梢钥闯觯p異質結激活區(qū)兩側存在勢壘，對載流子有限制作用；材料折射率差異較大，光波導效應顯著，損耗大大減少。第37頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一圖4.7 同質結、單異質結和雙異質結半導體激 光器加正向偏壓時的情況 第38頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一4.2 半導體發(fā)光二極管 4.2.1 發(fā)光二極管的結構 發(fā)光二極

24、管根據(jù)其發(fā)光面與PN結的結平面平行或垂直可分為面發(fā)光二極管和邊發(fā)光二極管兩種結構，如圖4.8所示。這兩種結構都可以用同質結制造，也可以用異質結制造，只不過在實際中多采用異質結結構。第39頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 圖4.8(a)即為面發(fā)光二極管的典型結構，由NPP雙異質結構成。這種LED發(fā)射面積限定在一個小區(qū)域內，該區(qū)域的橫向尺寸與光纖尺寸相近。利用腐蝕的方法在襯底材料正對有源區(qū)的地方腐蝕出一個凹陷的區(qū)域，使光纖可以與發(fā)射面靠近，同時，在凹陷的區(qū)域注入環(huán)氧樹脂，并在光纖末端放置透鏡或形成球透鏡，以提高光纖的接收效率。面發(fā)光二極管輸出的功率較大，一般注入100mA

25、電流時，就可達幾個毫瓦，但光發(fā)散角大，水平和垂直發(fā)散角都可達到120，與光纖的耦合效率低。 第40頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 圖4.8(b)為邊發(fā)光二極管，也采用雙異質結結構。利用SiO2掩模技術，在P面形成垂直于端面的條形接觸電極（約4050m），從而限定了有源區(qū)的寬度；同時，增加光波導層，進一步提高光的限定能力，把有源區(qū)產(chǎn)生的光輻射導向發(fā)光面，以提高與光纖的耦合效率。其有源區(qū)一端鍍高反射膜，另一端鍍增透膜，以實現(xiàn)單向出光。在垂直于結平面方向，發(fā)散角約為30，具有比面發(fā)光二極管高的輸出耦合效率。第41頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一

26、圖4.8 發(fā)光二極管的結構(a)發(fā)光二極管的結構；(b)邊發(fā)光二極管的結構 第42頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 圖4.8 發(fā)光二極管的結構(a)發(fā)光二極管的結構；(b)邊發(fā)光二極管的結構 第43頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 4.2.2 發(fā)光二極管的工作特性 作為光纖通信系統(tǒng)中所用的光源，我們所關注的發(fā)光二極管的特性包括發(fā)光效率、光譜特性、PI特性、調制特性等。 1.光譜特性 由于發(fā)光二極管是自發(fā)輻射發(fā)光，并且沒有諧振腔實現(xiàn)對波長的選擇，因此發(fā)光譜線較寬，半最大值處的全寬度（FWHM）=1.8kT(2/ch)nm，隨輻射波長的增加按2增

27、加。一般短波長GaAlAsGaAs發(fā)光二極管的譜線寬度約為1050nm，長波長InGaAsPInP發(fā)光二極管的譜線寬度約為50120nm。 第44頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 如圖4.9(a)為一典型1.3mLED的輸出譜線。發(fā)光二極管的譜線寬度反映了有源區(qū)材料的導帶與價帶內的載流子分布。線寬隨有源區(qū)摻雜濃度的增加而增加。面發(fā)光二極管一般是重摻雜，而邊發(fā)光二極管為輕摻雜，因此面發(fā)光二極管的線寬就較寬。而且，重摻雜時，發(fā)射波長還向長波長方向移動。同時，溫度的變化會使線寬加寬，載流子的能量分布變化也會引起線寬的變化，如圖4.9(b)、(c)所示。第45頁，共142頁，

28、2022年，5月20日，4點13分，星期一圖4.9 發(fā)光二極管的輸出譜線特性第46頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 2. PI特性 發(fā)光二極管的PI特性是指輸出的光功率隨注入電流的變化關系，其PI曲線如圖4.10(a)所示。當注入電流較小時，線性度非常好；但當注入電流比較大時，由于PN結的發(fā)熱，發(fā)光效率降低，出現(xiàn)了飽和現(xiàn)象。在同樣的注入電流下，面發(fā)光二極管的輸出功率要比邊發(fā)光二極管大2.53倍，這是由于邊發(fā)光二極管受到更多的吸收和界面復合的影響。第47頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 在通常應用條件下，發(fā)光二極管的工作電流為50150mA，輸

29、出功率為幾個毫瓦，但因其與光纖的耦合效率很低，入纖功率要小得多。溫度對發(fā)光二極管的PI特性也有影響，當溫度升高時，同一電流下的發(fā)射功率要降低，如圖4.10(b)所示。發(fā)光二極管的溫度特性相對較好，在實際應用中，一般可以不加溫度控制。第48頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一圖4.10 發(fā)光二極管的PI特性及溫度特性 第49頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 3.發(fā)光效率 發(fā)光效率是描述發(fā)光二極管電光能量轉換的重要參量，分為內量子效率和外量子效率。發(fā)光二極管的發(fā)光是靠注入有源區(qū)的電子與空穴的復合輻射發(fā)光的，但是并非所有的注入電子與空穴都能夠產(chǎn)生輻射復

30、合。發(fā)射光子也存在非輻射復合，每種復合的概率取決于材料及結構。內量子效率代表有源區(qū)內產(chǎn)生光子數(shù)與注入的電子空穴對數(shù)之比，即 I= 單位時間內產(chǎn)生的光子數(shù) 單位時間內注入的電子空穴對數(shù) (4.9) 第50頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 發(fā)光二極管的內量子效率可以做得很高，有的甚至可以接近100%，但實際的發(fā)光二極管輸出的光子數(shù)遠低于有源區(qū)中產(chǎn)生的光子數(shù)，這一方面是由于發(fā)光區(qū)產(chǎn)生的光子被其它部分材料吸收，另一方面由于PN結的波導效應，光子能逸出界面的數(shù)目大大減少，所以發(fā)光二極管的外量子效率即總效率為T= 輸出的光子數(shù) 注入的總電子數(shù) (4.10) 第51頁，共142頁，

31、2022年，5月20日，4點13分，星期一 4.調制特性 根據(jù)PI特性可以看出，改變發(fā)光二極管的注入電流就可以改變其輸出光功率，如圖4.11所示為發(fā)光二極管的調制原理圖。把這種直接改變光源注入電流實現(xiàn)調制的方式稱為直接調制或內調制，相對應于第3章中的外調制。需要注意的是，在圖示的模擬調制中，首先要給發(fā)光二極管直流偏置，以防止當信號為負時，可能會因反偏而造成的損壞。顯然，對于模擬調制PI關系的非線性會使調制信號產(chǎn)生失真，在需要的情況下，可以利用線性補償電路來進行改善。第52頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一圖4.11 發(fā)光二極管的調制原理圖 (a)數(shù)字調制；(b)模擬調制

32、第53頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 由于PN結的結電容以及雜散電容的存在，發(fā)光二極管的調制特性隨著調制的頻率提高而變化。發(fā)光二極管的頻率響應可表示為(4.11) 第54頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 式中，f為調制頻率;P(f)為對應于調制頻率f的輸出光功率;為載流子的壽命。如圖4.12所示，隨著調制頻率的提高，光功率輸出要下降。定義發(fā)光二極管的截止頻率fc=1/(2)， 。載流子壽命與摻雜濃度、注入電流密度及有源區(qū)厚度有關。顯然，要提高截止頻率以增加調制帶寬，要盡可能縮短載流子的壽命，可以通過有源區(qū)重摻雜以及高注入等方法來改進。第55

33、頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一圖4.12 發(fā)光二極管的調制響應第56頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一4.3 半導體激光二極管 4.3.1 激光二極管的結構 半導體激光器同發(fā)光二極管一樣，也采用雙異質結結構。不同的是，半導體激光器縱向的兩個端面是晶體的解理面，相互平行且垂直于結平面，一個端面鍍反射膜，另一個端面輸出，構成了激光器的FP諧振腔。同時，采用條形結構，使有源區(qū)光場不僅在垂直于結平面方向受到限制，并且在平行于結平面的水平方向也有波導效應，第57頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 使光子及載流子局限在一個較窄及較

34、薄的條形區(qū)域內，以提高光子及載流子濃度。我們把這種條形有源區(qū)的激光器稱為條形激光器，它與光纖耦合效率較高。第58頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 條形激光器主要有兩種結構：增益導引條形和折射率導引條形。如圖4.13(a)所示為增益導引條形半導體激光器的結構。利用Zn擴散、氧化物隔離等技術，在條形有源區(qū)兩邊形成高阻層，只有在條形有源區(qū)內有電流流過且具有光增益特性，條形區(qū)以外損耗較大，光信號被限制在條形區(qū)域內。這種利用增益分布限制光子的激光器稱為增益導引條形半導體激光器。 如圖4.13(b)所示為折射率導引條形半導體激光器的結構。其條形有源區(qū)兩側為具有較低折射率的材料，形

35、成光波導效應，實現(xiàn)對光子的約束。這種激光器具有輸出功率穩(wěn)定、線性好、調制速率高等優(yōu)點，但制作工藝較為復雜。 第59頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 圖4.13 半導體激光器的橫截面結構(a)增益導引條形；(b)折射率導引條形第60頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 4.3.2 激光二極管的工作特性 1.PI特性 典型的半導體激光器如圖4.14所示。從圖上可以看出，半導體激光器存在閾值電流Ith。當注入電流小于閾值電流時，器件發(fā)出微弱的自發(fā)輻射光，類似于發(fā)光二極管的發(fā)光情況。當注入電流超過閾值，器件進入受激輻射狀態(tài)時，光功率輸出迅速增加，輸出功率

36、與注入電流基本保持線性關系。第61頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 半導體激光器的PI特性對溫度很敏感，圖4.15給出了不同溫度下PI特性的變化情況。由圖可見，隨著溫度的升高，閾值電流增大，發(fā)光功率降低。閾值電流與溫度的關系可以表示為(4.12) 其中,T為器件的絕對溫度；T0為激光器的特征溫度；I0為常數(shù)。 第62頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一圖4.14 半導體激光器PI曲線 第63頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一圖4.15 半導體激光器PI曲線隨溫度的變化 第64頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13

37、分，星期一 為解決半導體激光器溫度敏感的問題，可以在驅動電路中進行溫度補償，或是采用制冷器來保持器件的溫度穩(wěn)定。通常將半導體激光器與熱敏電阻、半導體制冷器等封裝在一起，構成組件。熱敏電阻用來檢測器件溫度，控制制冷器，實現(xiàn)閉環(huán)負反饋自動恒溫。第65頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 2.光譜特性 半導體激光器的光譜特性主要由其縱模決定。圖4.16為多縱模半導體激光器的典型譜線，其中p為具有最大輻射功率的縱模的峰值所對應的波長，稱為峰值波長。為光譜輻射帶寬，包括發(fā)射功率等于大于峰值波長功率50%的所有波長，也稱半高全寬光譜寬度。L是一個縱模中光譜輻射功率為其最大值一半的譜線

38、兩點間的波長間隔。定義邊模抑制比MSR為主模功率P主與最強邊模功率P邊之比，它是半導體激光器頻譜純度的一種度量。主 邊 (4.13) 第66頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 圖4.16 半導體激光器的光譜 第67頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 與發(fā)光二極管的譜線特性相比，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，當注入電流低于閾值電流時，激光器發(fā)出的是熒光，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；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，如圖4.

39、17所示。第68頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一圖4.17 半導體激光器輸出譜線注入電流的變化 第69頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 3.調制特性 如果4.18為半導體激光器的直接調制的原理圖。與發(fā)光二極管的調制不同的是，由于存在閾值電流，在實際的調制電路中，為提高響應速度及不失真，需要進行直流偏置處理。 在高速調制情況下，半導體激光器會出現(xiàn)許多復雜動態(tài)性質，如出現(xiàn)電光延遲、張弛振蕩和自脈動等現(xiàn)象。這些特性會對系統(tǒng)傳輸速率和通信質量帶來影響。第70頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一圖4.18 激光二極管的調制原理圖

40、(a)數(shù)字調制；(b)模擬調制第71頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 （1）電光延遲和張弛振蕩現(xiàn)象。 半導體激光器在高速脈沖調制下，輸出光脈沖瞬態(tài)響應波形如圖4.19所示。輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在一個時間延遲，稱為電光延遲時間，一般為納秒量級。當電流脈沖注入激光器后，輸出光脈沖表現(xiàn)出衰減式的振蕩，稱為張弛振蕩。張弛振蕩的頻率一般為幾百兆赫茲到2GHz的量級。這些特性與激光器有源區(qū)的電子自發(fā)復合壽命和諧振腔內光子壽命以及注入電流初始偏置量有關。第72頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 當信號的調制頻率接近張弛振蕩頻率時，將會使輸出光信號的

41、波形嚴重失真，勢必會增加接收機的誤碼率，所以，半導體激光器的張弛振蕩和電光延遲的存在限制了信號的調制速率應低于張弛振蕩頻率，這樣才能保證信息傳輸?shù)目煽俊?可以通過在半導體激光器脈沖調制時加直流預偏置的方法來使脈沖到來之前將有源區(qū)內的電子密度提高到一定程度，從而使脈沖到來時，電光延遲時間大大減小，而且張馳振蕩現(xiàn)象可以得到一定程度的抑制。隨著直流預偏置電流的增大，電光延遲時間逐漸減小。增加直流預偏置電流也有利于抑制張馳振蕩。第73頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一圖4.19 光脈沖的電光延遲和張弛振蕩 第74頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 （2）

42、碼型效應。 電光延遲還會產(chǎn)生碼型效應。當電光延遲時間與數(shù)字調制的碼元持續(xù)時間為相同數(shù)量級時，會使后一個光脈沖幅度受到前一個脈沖的影響，這種影響現(xiàn)象稱為“碼型效應”，如圖4.20(a)、(b)所示?？紤]在兩個接連出現(xiàn)的“1”碼脈沖調制時，第一個脈沖過后，存儲在有源區(qū)的電子以指數(shù)形式衰減，如果調制速率很高，脈沖間隔小于其衰減周期，就會使第二個脈沖到來之時，第75頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 前一個電流脈沖注入的電子并沒有完全復合消失，此時有源區(qū)電子密度較高，因此電光延遲時間短，輸出光脈沖幅度和寬度就會增大?！按a型效應”的特點是，在脈沖序列中較長的連“0”碼后出現(xiàn)的“1

43、”碼，其脈沖明顯變小，而且連“0”碼數(shù)目越多，調制速率越高，這種效應越明顯。第76頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一圖4.20 碼型效應 第77頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 消除碼型效應最簡單的方法就是增加直流偏置電流。當激光器偏置在閾值附近時，脈沖持續(xù)時間和脈沖過后有源區(qū)內電子密度變化不大，電子存儲的時間大大減小，碼型效應就可得到抑制。還可以采用在每一個正脈沖后跟一個負脈沖的雙脈沖信號進行調制的方法，如圖4.20(c)所示，正脈沖產(chǎn)生光脈沖，負脈沖來消除有源區(qū)內的存儲電子。但負脈沖的幅度不能過大，以免激光器PN結被反向擊穿。 第78頁，共

44、142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 （3）自脈動。 某些激光器在脈沖調制甚至直流驅動下，輸出的光脈沖 出現(xiàn)持續(xù)等幅的振蕩，振蕩的頻率在幾百兆赫茲到2GHz，如圖4.21所示，我們把這種脈沖波形的畸變稱為自脈動現(xiàn)象。和張馳振蕩一樣，它對激光器的高速脈沖調制性能也能帶來影響。自脈動現(xiàn)象的出現(xiàn)是激光器在某些注入電流情況下發(fā)生的，它的出現(xiàn)及振蕩頻率與外加調制速率無關，僅與注入的總電流有關。自脈動現(xiàn)象產(chǎn)生的機理很復雜，主要是由于激光器內部存在非線性增益而造成的，往往和激光器的PI非線性有關。 第79頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一圖4.21 輸出光脈沖的自脈動

45、 第80頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 4.3.3 動態(tài)單縱模激光器 在光纖通信中，為降低光纖色散，希望光源的線寬盡可能的窄，因此要求激光器工作在單縱模狀態(tài)。從前面半導體激光器的輸出譜線隨注入電流變化的特性可以看出，當注入工作電流高于閾值時，隨著輸出光功率的增加，就能夠進入單縱模工作狀態(tài)。這只是在直流情況下，而在實際中，因為進行直接調制使激光器的注入電流不斷發(fā)生變化，有源區(qū)載流子濃度也隨之發(fā)生變化，導致折射率變化，諧振條件發(fā)生變化， 第81頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 隨著調制頻率的提高和調制深度的加大，會使主模的強度下降，鄰近邊模的強

46、度增強，單縱模分裂為多縱模，而且線寬也增大，調制速率越高，調制深度越大，譜線展寬越多。圖4.22所示為激光器在不同調制速率和調制深度時的輸出光譜。這種類型的器件就不適合在高速通信系統(tǒng)中單縱模工作時的要求。在高速調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。第82頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一圖4.22 高速調制時激光器的輸出譜線 第83頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 實現(xiàn)單縱模的方法很多，應用最為廣泛的是分布反饋式激光器。分布反饋式激光器的結構與普通FP激光器不同，它不是靠解理面形成的諧振腔工作，而是依賴沿縱向等間隔分布反

47、射的光柵工作。分布反射式半導體激光器分為分布反饋激光器（DFBLD）和分布布拉格反射激光器（DBRLD），結構分別如圖4.23和圖4.24所示。 第84頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一圖4.23 DFB激光器的結構 第85頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 圖4.24 DBR激光器的結構 第86頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 分布反饋式激光器具有以下優(yōu)點： （1）單縱模振蕩。 利用光柵實現(xiàn)選頻，可以很容易實現(xiàn)單縱模。 （2）譜線窄，波長穩(wěn)定性好。 由于光柵的作用，使分布反饋式激光器的譜線寬度窄到幾個吉赫茲，并且改善了

48、穩(wěn)定性。 （3）動態(tài)譜線好。 在高速調制時分布反饋式激光器譜線也有所展寬，但比FP激光器的動態(tài)譜線展寬小一個數(shù)量級，同時仍然保持單模特性。 （4）線性度好。第87頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一4.4 數(shù)字光發(fā)射機 光發(fā)射機的基本功能是將攜帶信息的電信號轉換成光信號，并將光信號送入光纖中。光發(fā)射機除了前面介紹的半導體光源及其驅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。 根據(jù)LED、LD的調制特性可以知道，傳輸不同的數(shù)字、模擬信號對光源采取的驅動方式不同以及對信號的處理方式不同，造成了模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)的差異。關于模擬傳輸系統(tǒng)將在第6章作具體介紹。本節(jié)

49、主要介紹數(shù)字光發(fā)射機的組成及特性。第88頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 數(shù)字光發(fā)射機的基本組成包括光源、輸入電信號的接口電路、光源的驅動電路以及光源的控制、保護電路等四部分，如圖4.25所示。要傳輸?shù)碾娦盘柺紫韧ㄟ^光發(fā)射機的接口部分進入光發(fā)射機，實現(xiàn)信號的幅度、阻抗的匹配，并進行適當?shù)拇a型變換，以適應光發(fā)射機的要求。例如PDH的一、二、三次群PCM復接設備輸出碼型為HDB3碼，進入光發(fā)射機時需要變換為NRZ碼，以便于光纖中光信號的傳輸，關于碼型變換將在第6章具體介紹。 第89頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一圖4.25 數(shù)字光發(fā)射機結構圖 第

50、90頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 光源的驅動電路是光發(fā)射機的主要部分，對于目前的通信系統(tǒng)，它將輸入的電脈沖信號通過電流強度的調制方式來調制半導體光源發(fā)射光脈沖信號。 為保證光發(fā)射機的正常、可靠地工作，需要對半導體光源的功率、溫度等工作狀態(tài)進行控制，而且要防止在各種異常情況下對器件的損壞，還需要相應的保護控制。第91頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 4.4.1 光源的驅動 光源的驅動就是根據(jù)輸入的電信號產(chǎn)生相應的光信號的過程。根據(jù)器件不同、調制方式的不同、輸入信號類型的不同，都會有不同的驅動方式。 前面已經(jīng)介紹過半導體光源有內調制、外調制兩

51、種調制方式。實際光纖通信系統(tǒng)中主要采用直接改變光源注入電流的內調制方式，使發(fā)出光信號的強度隨輸入電信號的變化而變化。這種內調制的驅動就是使光源的注入電流隨著輸入信號的變化而變化，第92頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 從而使光源發(fā)出的光攜帶有輸入電信號的特性。當然，對于LED與LD由于PI特性存在差異，它們的驅動電路也就不同。 1. LED的驅動 LED作為數(shù)字系統(tǒng)光源時，驅動電路要求提供幾十到幾百毫安的“開”、“關”電流。由于發(fā)光二極管的特性曲線比較平直，溫度對光功率的影響也不嚴重，因此它的驅動電路一般比 較簡單，不需要復雜的溫度控制和功率控制。如圖4.26為LED

52、的幾種典型的數(shù)字調制驅動電路，適用于不同的應用場合。第93頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一圖4.26 LED數(shù)字調制電路 第94頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 2. LD的驅動 與LED相比，LD的驅動要復雜得多。尤其在高速調制系統(tǒng)中，驅動條件的選擇、調制電路的形式和工藝、激光器的控制等都對調制性能至關重要。 偏置電流的選擇直接影響LD的高速調制特性。選擇直流預偏置電流時應考慮： （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，抑制張馳振蕩； （2）當激光器偏置在閾值附近時，較小的調制脈沖電流就能得到足夠的輸出光脈沖，這樣可以大

53、大減小碼型效應；第95頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 （3）加大直流偏置電流，使激光器在發(fā)“0”和發(fā)“1”時的光功率之比（即消光比）增大，從而影響接收機的靈敏度。 因此，偏置電流的選擇要兼顧電光延遲、張馳振蕩、碼型效應以及消光比等各種因素。 根據(jù)器件的性能，系統(tǒng)的具體要求，要適當選擇。調制電流幅度的選擇，因根據(jù)激光器的PI曲線，既要有足夠的輸出光脈沖幅度，又要考慮光源的負擔，還要避免出現(xiàn)自脈動現(xiàn)象。 圖4.27為已應用在44.7Mbit/s的光發(fā)射機的LD驅動電路。第96頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 圖4.27 LD驅動電路 第97頁，

54、共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 4.4.2 光源的自動溫度控制（ATC） 隨著溫度的變化，半導體光源的特性會發(fā)生變化。特別是對于LD，隨著溫度的升高，閾值電流增加，發(fā)光功率降低，發(fā)射波長向長波長移動等。在實際使用當中，必須對這些影響進行控制，以保證器件工作狀態(tài)的穩(wěn)定、可靠。第98頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 溫度控制由微型制冷器、熱敏元件及控制電路組成，如圖4.28所示。熱敏元件監(jiān)測激光器的結溫，與設定的基準溫度比較，根據(jù)溫度差異的情況，驅動制冷器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。目前微型制冷器多采用利用半導體材料的珀

55、爾帖效應制成的半導體制冷器。珀爾帖效應是當直流電流通過P型和N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。第99頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一圖4.28 自動溫度控制方框圖 第100頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一圖4.29 自動溫度控制的電路原理圖 第101頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 圖4.29為常用的自動溫度控制的電路原理圖。熱敏電阻RT接在電橋的一個臂上，在設定的溫度下，電橋的狀態(tài)應剛好處在使制冷器沒有電流通過，而當溫度升高時，制冷器開始工作。熱敏電阻具有負溫度系數(shù)，電橋狀態(tài)的變化

56、會自動控制制冷量的大小，從而維持激光器的結溫不高于設定的溫度。 溫度控制電路的控制精度，不僅取決于外圍電路的設計，而且還受激光器封裝方式與技術的影響?，F(xiàn)在通常將制冷器和熱敏電阻封裝在激光器管殼內部，熱敏電阻直接探測結區(qū)溫度，制冷器直接與激光器的熱沉接觸，這樣做具有比較高的制冷效率和控制精度。第102頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 4.4.3 光源的自動功率控制（APC） 半導體激光器的輸出功率不僅與溫度的變化有關，而且與器件的老化有關。隨著器件的老化，LD的閾值上升，輸出光功率下降。為了進一步穩(wěn)定輸出光功率，除了采取溫度控制措施外，一般還采取自動功率控制。 圖4.3

57、0為一個自動功率控制的電路原理圖。從LD背向輸出的光功率，經(jīng)PD檢測器檢測，運算放大器A1放大后送到比較器A3的反相輸入端。同時，輸入信號參考電壓和直流參考電壓經(jīng)A2比較放大后，送到A3的同相輸入端。A3和V3組成直流恒流源以調節(jié)LD的偏流，使輸出光功率穩(wěn)定。第103頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一圖4.30 自動功率控制的電路原理圖第104頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 4.4.4 光源的保護和告警 光源的保護是指保護光源不要因為外界因素而受到損害。由于光源特別是LD是易損器件，要求溫度、電流必須在一定的范圍內才能正常工作，否則會降低器件

58、壽命甚至損壞器件，因此必須采取保護措施。光源的保護包括兩個方面：溫度和電流。上面介紹的自動溫度控制實際上也是溫度保護。 電流保護包括電流接通時的保護，工作過程中的過流保護以及反向沖擊電流保護等。第105頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 （1）電流接通時的保護。 電流接通時的保護是為了防止在系統(tǒng)開機接通電源瞬間，由于電路因素引起的沖擊電流可能對LD造成的損壞。實際系統(tǒng)中LD的驅動部分與其它電路是共用一個電源，因此光源的偏置電流必須緩慢增加，以起到保護作用。 （2）工作過程中的過流保護。 工作過程中的過流保護的方法很多，基本思想是利用反饋控制使通過光源的電流不超過某一限定

59、值，從而起到保護的作用。第106頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 （3）反向沖擊電流保護。 為防止光源受到反向沖擊電流或電壓的破壞，一般在光源上并聯(lián)一個肖特基二極管。這樣當反向沖擊電流或電壓出現(xiàn)時，肖特基二極管迅速導通，就可以實現(xiàn)對光源的保護。 完整的光發(fā)射機除了上述各種控制、保護之外，還應包括告警電路，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障或工作不正常時及時發(fā)送告警信號，提醒設備維護人員及時進行相應的處理。一般包括無光告警、壽命告警、溫度告警等。第107頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 4.4.5 光源與光纖的耦合 在光發(fā)射機中，光源發(fā)出的光信號要送入光纖中去，這

60、就涉及到光源與光纖的耦合問題。光源與光纖的耦合效率與光源的類型和光纖的類型有關。一般說來，LD與單模光纖的耦合效率可以達到30%50%，LED與單模光纖的耦合效率非常低，只有百分之幾甚至更小。第108頁，共142頁，2022年，5月20日，4點13分，星期一 影響耦合效率的主要因素是光源的發(fā)散角和光纖的數(shù)值孔徑。發(fā)散角大，耦合效率低；數(shù)值孔徑大，耦合效率高。此外，光源發(fā)光面和光纖端面的尺寸、形狀及兩者之間的距離都會影響到耦合效率。 光源與光纖的耦合一般采用兩種方法，即直接耦合與透鏡耦合。直接耦合是將光纖端面直接對準光源發(fā)光面進行耦合的方法。當光源發(fā)光面積大于纖芯面積時，這是一種唯一有效的方法。