《光纖通信原理》第05章.ppt

1、第五章 光源與光發(fā)送機,5.1 半導體光源的物理基礎 5.2 半導體光源的工作原理 5.3 光源的工作特性 5.4 光 發(fā) 送 機 5.5 驅動電路和輔助電路,5.1 半導體光源的物理基礎,5.1.1 孤立原子的能級和半導體的能帶 1. 孤立原子的能級 原子是由原子核和圍繞原子核旋轉的電子構成。圍繞原子核旋轉的電子能量不能任意取值，只能取特定的離散值，這種現(xiàn)象稱為電子能量的量子化。,2. 半導體的能帶 在大量原子相互靠近形成半導體晶體時，由于半導體晶體內部電子的共有化運動，使孤立原子中離散能級變成能帶。 在圖5.2中，半導體內部自由運動的電子(簡稱自由電子)所填充的能帶稱為導帶；價電子所填充的

2、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，用Eg表示，單位為電子伏特(eV)。,圖5.2 半導體的能帶結構,5.1.2 光與物質的相互作用 1. 自發(fā)輻射 處于高能級的電子狀態(tài)是不穩(wěn)定的，它將自發(fā)地從高能級(在半導體晶體中更多是指導帶的一個能級)運動(稱為躍遷)到低能級(在半導體晶體中更多是指價帶的一個能級)與空穴復合，同時釋放出一個光子。由于不需要外部激勵，所以該過程稱為自發(fā)輻射。,根據(jù)能量守恒定律，自發(fā)輻射光子的能量為： h12=E2-E1 式中：h為普朗克常數(shù)，其值為6.62610-34Js；12為光子的頻率；E2為高能級能量；E1為低能級能量。,2.

3、 受激輻射 在外來光子的激勵下，電子從高能級躍遷到低能級與空穴復合，同時釋放出一個與外來光子同頻、同相的光子。由于需要外部激勵，所以該過程稱為受激輻射。 3. 受激吸收 在外來光子激勵下，電子吸收外來光子能量而從低能級躍遷到高能級，變成自由電子。,5.1.3 粒子數(shù)反轉分布狀態(tài) 1. 粒子數(shù)正常分布狀態(tài) 在熱平衡狀態(tài)下，高能級上的電子數(shù)要少于低能級上電子數(shù)。,2. 粒子數(shù)反轉分布狀態(tài) 為了使物質發(fā)光，就必須使其內部的自發(fā)輻射和/或受激輻射幾率大于受激吸收的幾率，這一點我們已經(jīng)在介紹光與物質的相互作用過程中提及過。 有多種方法可以實現(xiàn)能級之間的粒子數(shù)反轉分布狀態(tài)，這些方法包括光激勵方法、電激勵方

4、法等。,5.2 半導體光源的工作原理,5.2.1 發(fā)光二極管的工作原理 半導體發(fā)光二極管(Light-emitting Diode，LED)基本應用GaAlAs和InGaAsP材料，可以覆蓋整個光纖通信系統(tǒng)使用波長范圍，典型值為0.85m、1.31m及1.55m。,1. 發(fā)光二極管的類型結構 按照器件輸出光的方式，可以將發(fā)光二極管分為三種類型結構：表面發(fā)光二極管、邊發(fā)光二極管及超輻射發(fā)光二極管。 2. 發(fā)光二極管的工作原理 (1) LED的能帶結構,(2) LED的工作原理 LED的工作原理可以歸納如下：當給LED外加合適的正向電壓時，Pp結之間的勢壘(相對于空穴)和Np結之間的勢壘(相對于電

5、子)降低，大量的空穴和電子分別從P區(qū)擴散到p區(qū)和從N區(qū)擴散到p區(qū)(由于雙異質結構，p區(qū)中外來的電子和空穴不會分別擴散到P區(qū)和N區(qū))，在有源區(qū)形成粒子數(shù)反轉分布狀態(tài)，最終克服受激吸收及其他衰減而產生自發(fā)輻射的光輸出。,5.2.2 激光二極管的工作原理 在結構上，半導體激光二極管(Laser Diode，LD)與其他類型的激光器是相同的，都主要由三部分構成：激勵源、工作物質及諧振腔。,1. 激光二極管的類型結構 (1) 常用激光二極管的類型結構 在雙異質結構的LD中，通常采用具有橫模限制作用的激光二極管結構，這種激光二極管稱為條形激光二極管(Stripe Laser Diode，SLD)或窄區(qū)激光

6、二極管。 一種增益波導型激光二極管的類型結構如圖5.6所示，圖中虛線之間的部分為電流流經(jīng)的區(qū)域。,圖5.6 一種擴散條形激光二極管,一種折射率波導型激光二極管的結構如圖5.7所示。,圖5.7 拱棱波導條形激光二極管,(2) 單頻激光二極管 一般地，普通激光二極管只能工作于多縱模狀態(tài)，其增益峰值附近的數(shù)個模式攜帶著大部分的輸出光功率。 分布反饋機理激光二極管 在分布反饋(Distributed Feedback，DFB)機理激光二極管中，通過諧振腔和具有頻率選擇反饋功能的光柵共同完成反饋作用。, 耦合腔激光二極管 模式選擇也可以采用耦合腔結構實現(xiàn)，其基本機理為：雖然兩個諧振腔具有各自不同的振蕩縱

7、模，但是當兩個諧振腔放在一起構成耦合腔(或復合腔)時，這時只有兩個諧振腔中相同的縱模才能成為耦合腔的振蕩縱模，再加上增益譜的作用，最終實現(xiàn)了模式選擇功能。, 量子阱激光二極管 出現(xiàn)較晚的量子阱(Quantum Well，QW)激光二極管，已經(jīng)在實際系統(tǒng)尤其是相干傳輸系統(tǒng)和波分復用系統(tǒng)中得到廣泛應用。 波長可調諧單頻激光二極管 波長可調諧單頻激光二極管是波分復用系統(tǒng)、相干光通信系統(tǒng)及光交換網(wǎng)絡的關鍵器件，其主要性能指標包括調諧速度和波長調諧范圍。,2. 激光二極管的工作原理 (1) LD的能帶結構 在結構上，LD與LED的主要區(qū)別是LD有諧振腔，而LED沒有諧振腔。 (2) LD的工作原理 LD

8、的工作原理可以歸納如下：當給LD外加適當?shù)恼螂妷簳r，由于有源區(qū)粒子數(shù)的反轉分布而首先發(fā)生自發(fā)輻射現(xiàn)象，,那些傳播方向與諧振腔高反射率界面垂直的自發(fā)輻射光子會在有源層內部邊傳播、邊發(fā)生受激輻射放大(其余自發(fā)輻射光子均被衰減掉)，直至傳播到高反射率界面又被反射回有源層，再次向另一個方向傳播受激輻射放大。如此反復，直到放大作用足以克服有源層和高反射率界面的損耗后，就會向高反射率界面外面輸出激光。,5.3 光源的工作特性,5.3.1 LED的工作特性 1. P-I特性 LED的P-I特性如圖5.11所示。就P-I特性曲線整體而言，由于沒有閾值而使LED具有非常優(yōu)良的線性。,圖5.11 LED的P-I

9、特性,2. 光譜特性 LED的光譜特性如圖5.12所示。在圖中，0為LED的峰值工作波長(典型值為0.85m、1.31m和1.55m)；為譜線寬度，其定義為光強度下降到最大值一半時對應的波長寬度。,圖5.12 LED的光譜特性,3. 調制特性 在一級近似和平均工作電流不變的條件下，發(fā)光二極管的輸出功率與調制信號頻率的關系為： 式中：P (0)是頻率為0時LED輸出的光功率值；e是有源區(qū)少數(shù)載流子的壽命。,4. 溫度特性 溫度特性主要影響到LED的平均發(fā)送光功率、P-I特性的線性及工作波長。 5.3.2 LD的工作特性 1. LD的P-I特性 LD的P-I特性如圖5.13所示。就P-I特性曲線整

10、體而言，由于存在閾值現(xiàn)象，整體線性不如LED。,圖5.13 LD的P-I特性,從P-I特性還可以引出兩個基本參數(shù)：微分量子效率和功率轉換效率。微分量子效率可以定義為輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量之比，表達式為： 式中：P為發(fā)送光功率增量，I為驅動電流增量。曲線越陡，微分量子效率越大。,功率轉換效率定義為輸出光功率與消耗的電功率之比，可以表示為： 式中：V是PN結的正向電壓；Rs是LD的串聯(lián)電阻(包括半導體材料的體電阻和接觸電阻)。,2. 光譜特性 LD的光譜特性如圖5.14所示。在圖中，0為LED的峰值波長(典型值為0.85m、1.31m和1.55m)；為譜線寬度，其定義為縱模包絡或主模光

11、強度下降到最大值一半時對應的波長寬度。,圖5.14 LD的光譜特性,3. 調制特性 在對LD進行直接調制時，激光二極管的輸出功率與調制信號頻率的關系為： 式中：P(0)是頻率為0時LD輸出的光功率值；fr為LD的類共振頻率，是LD的阻尼因子。,4. 溫度特性 與LED比較，溫度主要對LD的閾值電流、輸出光功率及峰值工作波長影響較大。為了降低溫度對LD的影響，可以采用兩種方法：選擇溫度特性優(yōu)異的新型LD，或通過一個外加的自動溫度控制電路，使LD的溫度特性能夠滿足系統(tǒng)的要求。,5.3.3 光源的主要技術指標及簡易檢測 1. 光源的主要技術指標 幾種國產半導體光源的主要技術指標如表5.1所示。,2.

12、 光源器件的簡易檢測 在沒有任何測試儀表或測試手段的情況下，可以通過PN結的測試來初步判斷光源器件的好壞。,5.4 光 發(fā) 送 機,5.4.1 光調制原理 1. 光調制方式分類 (1) 按照光源與調制信號的關系分類 根據(jù)光源與調制信號的關系，可以將光源的調制方式分為直接調制方式和外部(或間接)調制方式。 所謂直接調制方式，是指直接將調制信號施加在光源上來完成光源參數(shù)的調制過程。,(2) 按照已調制信號的性質分類 根據(jù)已調制信號的性質，可以將光源的調制方式分為模擬調制方式和數(shù)字調制方式。 模擬調制方式是指已調制信號屬于模擬信號，這種調制方式主要包括強度調制(Intensity Modulatio

13、n，IM)方式、振幅調制(Amplitude Modulation，AM)方式、雙邊帶抑制載波(Double Sideband/Suppressing Carrier，DSB/SC)調制方式、單邊帶(Single Sideband，SSB)調制方式及殘余邊帶(Vestigial Sideband，VSB)調制方式。,數(shù)字調制方式是指已調制信號屬于數(shù)字信號，這種調制方式主要包括幅移鍵控(Amplitude-shifted Keying，ASK)調制方式、頻移鍵控(Frequency-shifted Keying，F(xiàn)SK)調制方式及相移鍵控(Phase-shifted Keying，PSK)調制方

14、式等。,2. 已調制信號表達式 由于其他調制方式應用極少，因此我們在這里僅僅給出用電場表示的、常用強度調制方式的已調制信號表達式： 式中：KT為與發(fā)送光功率有關的正常數(shù)；m為調制系數(shù)(0m1)；x(t)為歸一化幅度的調制信號波形；c為光載波角頻率，0為初相位。,5.4.2 光發(fā)送機的構成及指標 1. 光發(fā)送機構成 一般地，光發(fā)送機主要由光源、驅動電路及輔助電路等構成。,2. 光發(fā)送機的主要指標 光發(fā)送機的指標很多，我們僅從應用的角度介紹其主要指標。 (1) 平均發(fā)送光功率及其穩(wěn)定度 平均發(fā)送光功率又稱為平均輸出光功率，通常是指光源尾巴光纖的平均輸出光功率。,(2) 消光比 消光比定義為最大平均

15、發(fā)送光功率與最小平均發(fā)送光功率之比，通常用符號EX表示： 若用相對值表示，則為,5.5 驅動電路和輔助電路,5.5.1 驅動電路 1. 對驅動電路的要求 一個優(yōu)良的驅動電路應該滿足以下條件： (1) 能夠提供較大的、穩(wěn)定的驅動電流； (2) 有足夠快的響應速度，最好大于光源的驅動速度； (3) 保證光源具有穩(wěn)定的輸出特性。,2. 驅動電路的工作原理 能夠滿足上述要求的、最簡單的驅動電路是共發(fā)射極驅動電路，如圖5.16所示。 共發(fā)射極驅動電路的工作原理如下所述：當輸入數(shù)據(jù)信號為“0”時，晶體三極管VT處于截止狀態(tài)，LED中沒有電流流過，因此LED不發(fā)光；當輸入數(shù)據(jù)信號為“1”時，晶體三極管VT工作于飽和狀態(tài)，LED中有較大的電流流過，所以LED發(fā)光。,圖5.16 共射極驅動電路,5.5.2 輔助電路 1. 自動功率控制電路 (1) 自動功率控制電路的分類 能夠完成自動功率控制功能的電路很多，主要包括普通電參數(shù)控制電路和光電反饋控制電路。 在光發(fā)送機中，光電反饋控制電路應用最多。,(2) 自動功率控制電路的工作原理 圖5.18所示是一個典型LD自動功率控制電路，其自動功率控制電路的工作原理如下所述：當由于溫度原因使LD輸出光功率降低時，流過PD(通常為PINPD)的電流減小，A1放大器反向輸入端電位增大，A1放大器輸出端電位降低(即A2