情境4-1 光有源器件

1、情境情境4 4光纤通信系统光纤通信系统光源光源放大器放大器光电二极管光电二极管判决器判决器 光器件可以分为光器件可以分为有源器件有源器件和和无源器件无源器件两大类。两大类。 有源器件有源器件包括包括光源、光检测器光源、光检测器和和光放大器光放大器。 有源器件有源器件定义：定义：需要外加能源驱动工作的光电子器件需要外加能源驱动工作的光电子器件 无源器件无源器件主要有主要有连接器、耦合器、波分复用器、光开关连接器、耦合器、波分复用器、光开关和和隔离器隔离器等。等。 v光发送机是光纤通信系统的基本组成部分之一，它的作光发送机是光纤通信系统的基本组成部分之一，它的作用是将电信号转换为光信号，并将光信号

2、以最大效率耦用是将电信号转换为光信号，并将光信号以最大效率耦合进光纤线路合进光纤线路v光发射机的关键器件是光发射机的关键器件是光源光源 一般，作为光源的光发射器应满足以下基本要求：一般，作为光源的光发射器应满足以下基本要求： 体积小，发光面积应与光纤纤芯尺寸相匹配，光源和光体积小，发光面积应与光纤纤芯尺寸相匹配，光源和光纤之间应有较高的耦合效率；纤之间应有较高的耦合效率；光源所发出的光波长必须落在光纤的三个工作窗口（低损光源所发出的光波长必须落在光纤的三个工作窗口（低损耗、低色散）之一；耗、低色散）之一； 可靠性高，工作寿命长，互换性好；可靠性高，工作寿命长，互换性好； 可进行直接强度调制；可

3、进行直接强度调制； 光功率足够大，响应速度快；光功率足够大，响应速度快； 温度特性好，温度变化时，输出光功率及工作波长的变温度特性好，温度变化时，输出光功率及工作波长的变化在允许范围内。化在允许范围内。v光纤通信中应用的光源主要有光纤通信中应用的光源主要有半导体激光器（半导体激光器（LDLD，Laser DiodeLaser Diode）半导体发光二极管（半导体发光二极管（LEDLED，Light Emitting DiodeLight Emitting Diode）LDLD用于高速率、长距离通信系统用于高速率、长距离通信系统LEDLED用于低速率、短距离或模拟通信系统用于低速率、短距离或模拟

4、通信系统4.1 4.1 激光原理的基础知识激光原理的基础知识4.2 4.2 半导体光源半导体光源4.3 4.3 光电探测器光电探测器4.4 4.4 光发送机光发送机4.1 4.1 激光的基础知识激光的基础知识4.1.1 玻尔的能级假说玻尔的能级假说4.1.2 光子光子4.1.3 自发辐射自发辐射 受激辐射和受激吸收受激辐射和受激吸收4.1.4 粒子数反转粒子数反转其中E2和E1分别为跃迁前、后的原子能级能量，h为普朗克常数，f 为电磁辐射的频率。4.1.1 玻尔的能级假说玻尔的能级假说12EEhfh =6.626110-34 Js（焦耳.秒）能量最低的原子能级E1称为基态能级，其它能量较高的原

5、子能级称为激发态能级Ei(i=2, 3, 4 ) 。4.1.2 光子光子若原子从E2 E 1 ， E=E2 E 1 ，这个差 E将以一个量子的能量形式释放，一个量子的能量被称为光子光子（photon）。）。一个光子的能量Ep由下面的公式定义Ep =hfh是普朗克常数(h=6.626 10-34 J S)，而f是光子的频率。原子从高能级低能级，对应于光子的辐射；原子从低能级高能级，对应于光子的吸收。 电子在低能级电子在低能级E1的基态和高能级的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有的激发态之间的跃迁有三种基本方式：三种基本方式： 处于高能级的原子自发的辐射一个频率为处于高能级的原子自发的辐射一个频

6、率为f、能量、能量为为E的光子，跃迁到低能级，这一过程称为的光子，跃迁到低能级，这一过程称为自发辐自发辐射射。是相位、偏振方向不同的非相干光。是相位、偏振方向不同的非相干光。E2E1N2N1hf自发辐射自发辐射(spontaneous radiation)12EEhfEpE2E1N2N1全同光子全同光子hf受激辐射受激辐射 (stimulated radiation)在能量为在能量为E的入射光子的激励下，原子从高能级向的入射光子的激励下，原子从高能级向低能级跃迁，同时发射一个与入射光子频率、相位、低能级跃迁，同时发射一个与入射光子频率、相位、偏振方向和传播方向都相同的另一个光子，这一过偏振方向

7、和传播方向都相同的另一个光子，这一过程称为程称为受激辐射受激辐射。12EEhfEE2E1N2N1hf上述外来光也有可能被低能级吸收，使原子从E1E2。在入射光子的激励下，在入射光子的激励下，原子从低能级向高能级跃迁，原子从低能级向高能级跃迁，称为称为受激受激吸收吸收。受激吸收受激吸收 (stimulated absorption)12EEhfE三种过程的具体应用三种过程的具体应用光光的的自自发发辐辐射射Ec cEvh h 光光的的受受激激发发射射Ec ch Evh 输输入入输输出出(a) 发发光光二二极极管管光光的的自自发发辐辐射射(b) 激激光光器器光光的的受受激激发发射射Ec c吸吸收收光

8、光子子后后产产生生电电子子Ev光光子子h 输输入入( (输输出出电电流流) )(c) 光光探探测测器器件件光光的的吸吸收收自发辐射是单向性的；受激跃迁是双向的;自发辐射概率与光强无关；受激跃迁概率正比于光强。自发辐射和受激辐射、吸收的区别：例题1、假设一个激光二极管发出的红光的波长=650nm,那么单个光子的能量是多少？解： Ep =h f =hc/ =6.626 10-34 J S 3 108 m/s /65010-9m=3.04 10-19 J 4.1.3 4.1.3 粒子数反转粒子数反转 问题：如何保持受激辐射状态？问题：如何保持受激辐射状态？答案是：答案是：高能级的电子数要远远多于低能

9、级的电子数高能级的电子数要远远多于低能级的电子数。 但在一个热平衡状态中，情形刚好相反，即位于低能级的电子数但在一个热平衡状态中，情形刚好相反，即位于低能级的电子数总是大于高能级的电子数，这是因为在高能级的电子很不稳定，总是总是大于高能级的电子数，这是因为在高能级的电子很不稳定，总是向低能级跃迁。向低能级跃迁。 那么，怎样才能使这种状态反过来呢？那么，怎样才能使这种状态反过来呢？ 这个过程就是所谓的这个过程就是所谓的“粒子数反转粒子数反转”。 粒子数反转粒子数反转能够使高能级的电子数远远多于低能级的电子数。能够使高能级的电子数远远多于低能级的电子数。 怎样实现粒子数反转呢？怎样实现粒子数反转呢

10、？答案是：答案是：如果外界向物质提供了能量，就会使得低能级上如果外界向物质提供了能量，就会使得低能级上的电子获得能量，并大量地激发到高能级上去，像一个泵一的电子获得能量，并大量地激发到高能级上去，像一个泵一样，不断地将低能级上的电子样，不断地将低能级上的电子“抽运抽运”到高能级上，就可达到高能级上，就可达到高能级上的到高能级上的粒子数粒子数N N2 2大于低能级上的粒子数大于低能级上的粒子数N N1 1 ，此时，我，此时，我们称这个能量为们称这个能量为激励激励或者或者泵浦泵浦。 N2N1粒子数反转（粒子数反转（N2 N1）是实现激光放大的必要条件）是实现激光放大的必要条件。为了实现粒子数反转，

11、就需要大量电子跃迁到导带，为此，需要泵浦为跃迁提供能量。此外，还需要亚稳态能级使激发的电子保持一段时间，形成粒子数反转。4.1.4 PN4.1.4 PN结结 PN结结是由是由P型半导体和型半导体和N型半导体共同组成的结。型半导体共同组成的结。 P型半导体和型半导体和N型半导体是通过掺以型半导体是通过掺以过多电子过多电子或或缺少电子缺少电子的杂的杂质方法而得到的。质方法而得到的。 根据根据PN结的性质不同，可以分为：结的性质不同，可以分为：同质结同质结单异质结单异质结双异质结双异质结量子阱量子阱 半导体光源的核心，即发光区（半导体光源的核心，即发光区（有源区有源区）就是由一个或多个垂直方向的就是

12、由一个或多个垂直方向的PN结组成的。结组成的。 半导体光源通常采用半导体光源通常采用异质结结构异质结结构作为作为有源有源发光区发光区。 采用异质结结构有如下好处：采用异质结结构有如下好处：1.1.两种半导体之间的两种半导体之间的带隙差带隙差有助于有助于电子电子- -空穴复合空穴复合，在有，在有源层中就会不断有源层中就会不断有光产生光产生；2.2.由于有源层具有更小的带隙，所以其折射率比其周围由于有源层具有更小的带隙，所以其折射率比其周围的的P P型和型和N N型包层折射率略大。这样，有源层可以看成型包层折射率略大。这样，有源层可以看成是一个是一个介质波导介质波导。通过改变有源层厚度可以达到控制

13、。通过改变有源层厚度可以达到控制有源层所支持的光波波长。有源层所支持的光波波长。 4.2 半导体光源半导体光源4.2.1 半导体激光器的特点和应用半导体激光器的特点和应用4.2.2 半导体激光器（半导体激光器（LD）4.2.2 发光二极管（发光二极管（LED）4.2.1 半导体激光器的特点和应用半导体激光器的特点和应用半导体激光器是通过半导体激光器是通过受激辐射受激辐射产生光的器件。产生光的器件。受激辐射的特征受激辐射的特征：一个外来光子迫使一个带有类似能量：一个外来光子迫使一个带有类似能量E E的光子被发射；所有受激光子的发射方向都与激发他们的的光子被发射；所有受激光子的发射方向都与激发他们

14、的光子相同；受激光子仅在有外来光子激发他们的时候才辐光子相同；受激光子仅在有外来光子激发他们的时候才辐射射同步的。同步的。4.2.1 半导体激光器的特点和应用半导体激光器的特点和应用形成正反馈的方法：用两个镜面、光栅形成谐振器。形成正反馈的方法：用两个镜面、光栅形成谐振器。受激光子快速增加需要导带中有无数受激电子来维持这受激光子快速增加需要导带中有无数受激电子来维持这个动态过程。因此需要比个动态过程。因此需要比LEDLED快得多的速度来激活电子，快得多的速度来激活电子，需要粒子数反转。为了实现粒子数反转，需要在激活区加需要粒子数反转。为了实现粒子数反转，需要在激活区加大的正向电流。大的正向电流

15、。为了使激光二极管产生光，增益必须大于损耗。为了使激光二极管产生光，增益必须大于损耗。综上所述，半导体激光器的激射条件为：综上所述，半导体激光器的激射条件为： 粒子数反转粒子数反转 受激受激辐辐射射 正反馈正反馈4.2.1 4.2.1 半导体光源工作原理半导体光源工作原理1. LD1. LD与与LEDLED激光器被视为激光器被视为2020世纪的三大发明（还有半导体和原子能）世纪的三大发明（还有半导体和原子能）之一，特别是半导体激光器之一，特别是半导体激光器LDLD倍受重视。倍受重视。光纤通信中最常用的光源是半导体激光器光纤通信中最常用的光源是半导体激光器LDLD和发光二极管和发光二极管LEDL

16、ED。两者主要差别：两者主要差别：发光二极管输出非相干光（自发辐射）发光二极管输出非相干光（自发辐射）半导体激光器输出相干光（受激辐射）半导体激光器输出相干光（受激辐射）比起半导体激光器，因为比起半导体激光器，因为LEDLED不需要热稳定和光稳定电不需要热稳定和光稳定电路，所以路，所以LEDLED的的驱动电路相对简单驱动电路相对简单，另外制作，另外制作成本低成本低、产量产量高高。LEDLED的主要工作原理对应光的自发辐射过程，因而是一的主要工作原理对应光的自发辐射过程，因而是一种种非相干光源非相干光源。LEDLED发射光的发射光的谱线较宽谱线较宽、方向性较差，本身、方向性较差，本身的响应速度又

17、较慢，所以只的响应速度又较慢，所以只适用于速率较低的通信系统适用于速率较低的通信系统。在高速、大容量的光纤通信系统中主要采用在高速、大容量的光纤通信系统中主要采用半导体激半导体激光器光器LDLD作光源。作光源。普通普通LDLDLD LD 外形图外形图2. 2. 发光二极管发光二极管LEDLEDv对于光纤通信系统，如果使用多模光纤且信息比特率在对于光纤通信系统，如果使用多模光纤且信息比特率在100100200Mb/s200Mb/s以下，同时只要求几十微瓦的输入光功率，以下，同时只要求几十微瓦的输入光功率，那么那么LEDLED是可选用的最佳光源。是可选用的最佳光源。vLEDLED通常和多模光纤耦合

18、，用于通常和多模光纤耦合，用于1.31m1.31m或或0.85m0.85m波长的小波长的小容量、短距离的光通信系统。容量、短距离的光通信系统。vLDLD通常和单模光纤耦合，用于通常和单模光纤耦合，用于1.31m1.31m或或1.55m1.55m大容量、大容量、长距离光通信系统。长距离光通信系统。v分布反馈半导体激光器（分布反馈半导体激光器（DFB-LDDFB-LD）主要也和单模光纤或特）主要也和单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于殊设计的单模光纤耦合，用于1.55m1.55m超大容量的新型光纤超大容量的新型光纤系统，这是目前光纤通信发展的主要趋势。系统，这是目前光纤通信发展的主要趋势。1.

19、1. 半导体激光器半导体激光器用半导体材料作为工作物质的激光器，称为半导体激光器用半导体材料作为工作物质的激光器，称为半导体激光器（LDLD）。在光纤通信系统中，使用的激光光源几乎都是半导体）。在光纤通信系统中，使用的激光光源几乎都是半导体激光器激光器半导体激光器产生的输出光具有强单色性，而且光束具有半导体激光器产生的输出光具有强单色性，而且光束具有很好的方向性。很好的方向性。半导体激光器的典型响应时间小于半导体激光器的典型响应时间小于1ns1ns，光谱带宽小于或，光谱带宽小于或等于等于2nm2nm，并且它们可以和具有小芯径和小模场直径的光纤实，并且它们可以和具有小芯径和小模场直径的光纤实现耦

20、合，注入光纤的功率可达到几十毫瓦。现耦合，注入光纤的功率可达到几十毫瓦。4.2.2 4.2.2 半导体激光器半导体激光器2. 2. 激光器的构成和工作原理激光器的构成和工作原理vLDLD发射激光的首要条件发射激光的首要条件-粒子数反转粒子数反转vLDLD发射激光另一个条件发射激光另一个条件-半导体激光器中必须存在光半导体激光器中必须存在光学谐振腔，并在谐振腔里建立起稳定的振荡。学谐振腔，并在谐振腔里建立起稳定的振荡。LR1R2反射波相互干涉反射波相互干涉M1M2反反射射镜镜反反射射镜镜ABab3 3激光的产生条件激光的产生条件v激光器并不是在任何情况下都可以产生激光，还要满足一定激光器并不是在

21、任何情况下都可以产生激光，还要满足一定的的振幅平衡振幅平衡和和相位平衡相位平衡条件条件v振幅平衡振幅平衡条件即是阈值条件，是光的放大和损耗应满足的平条件即是阈值条件，是光的放大和损耗应满足的平衡条件衡条件v将激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的将激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的阈值条件阈值条件v在谐振腔中，光波在两块反射镜之间往复传输，只有在满足在谐振腔中，光波在两块反射镜之间往复传输，只有在满足特定相位的驻波才能得到彼此加强，这种条件称为特定相位的驻波才能得到彼此加强，这种条件称为相位条件相位条件4. 4. 半导体激光器的结构半导体激光器的结构长度约为长度约为20020050

22、0m500m宽度为宽度为5 515m15m厚度为厚度为0.10.10.2m0.2mv法布里帕罗腔半导体激光器的核心是法布里帕罗腔半导体激光器的核心是PN结，结，PN结的两个结的两个端面是按照晶体的天然晶面剖切开的，表面非常光滑，成为端面是按照晶体的天然晶面剖切开的，表面非常光滑，成为两个平行的镜面，称为解理面两个平行的镜面，称为解理面v两个解理面之间组成一个光学谐振腔，即法布里帕罗腔两个解理面之间组成一个光学谐振腔，即法布里帕罗腔（F-P腔）腔）v其作用是提供强的纵向光反馈，得到激光其作用是提供强的纵向光反馈，得到激光v激光器谐振腔可能会有许多谐振频率，但仅有那些增益足以激光器谐振腔可能会有许

23、多谐振频率，但仅有那些增益足以克服损耗的频率振荡得以输出克服损耗的频率振荡得以输出 5. 5. 导体激光器的分类导体激光器的分类v半导体激光器半导体激光器LDLD按纵向（垂直于按纵向（垂直于PNPN结）结构的不同，可分为结）结构的不同，可分为同质结同质结LDLD、单异质结、单异质结LDLD和双异质结和双异质结LDLD实际使用的所有半导体激光器都是多层异质结器件实际使用的所有半导体激光器都是多层异质结器件6. 6. 半导体激光器的特性半导体激光器的特性半导体激光器仍然属于半导体二极管，具有二极管的一般半导体激光器仍然属于半导体二极管，具有二极管的一般特性（如伏安特性），还具有特殊的光频特性。特性

24、（如伏安特性），还具有特殊的光频特性。（1 1）激光器的）激光器的P-IP-I特性特性v激光器的激光器的P-IP-I特性曲线表明激光器输出光功率（输出）与特性曲线表明激光器输出光功率（输出）与注入电流（输入）变化的关系注入电流（输入）变化的关系阈值阈值（2 2）激光器效率）激光器效率v可用功率转换效率和量子效率衡量激光器转换效率的高低可用功率转换效率和量子效率衡量激光器转换效率的高低v外微分量子效率外微分量子效率d是用来衡量激光器的电光转换效率高低是用来衡量激光器的电光转换效率高低的一个参量，其定义为：激光器输出光子数的增量与注入电的一个参量，其定义为：激光器输出光子数的增量与注入电子数的增量

25、之比子数的增量之比 v功率转换效率功率转换效率p是用来衡量激光器的电光转换效率高低的是用来衡量激光器的电光转换效率高低的另一个参量，其定义为：激光器的输出光功率与器件消耗的另一个参量，其定义为：激光器的输出光功率与器件消耗的电功率之比电功率之比IPhfeeIhfPd/IVRIPsp20（3 3）光谱特性）光谱特性v半导体激光器的纵向光场不是以行波形式传输，而是成驻波形式半导体激光器的纵向光场不是以行波形式传输，而是成驻波形式振荡振荡v因此，激光器输出的是一系列模式明确，谱宽很窄，功率不同的因此，激光器输出的是一系列模式明确，谱宽很窄，功率不同的尖锐的谱线，称为激光器的纵模尖锐的谱线，称为激光器

26、的纵模 v当当注入电流低于阈值时，发射光谱以自发辐射为主注入电流低于阈值时，发射光谱以自发辐射为主，发出的是荧，发出的是荧光光v当注入电流当注入电流大于阈值后大于阈值后，谐振腔里的增益大于损耗，产生，谐振腔里的增益大于损耗，产生激光振激光振荡荡，其发射光谱变窄，谱线中心强度急剧增加，其发射光谱变窄，谱线中心强度急剧增加v激光器产生的激光有单模和多模激光器产生的激光有单模和多模v单模激光器（单模激光器（SLM）是指激光器发出的激光是单纵模，所）是指激光器发出的激光是单纵模，所对应的光谱只有一个谱线对应的光谱只有一个谱线v当有很多谱线时，即为多纵模激光器（当有很多谱线时，即为多纵模激光器（MLM）

27、 v所谓光谱特性是指激光器输出的光功率随波长的变化情况，所谓光谱特性是指激光器输出的光功率随波长的变化情况，一般用光源谱线宽度一般用光源谱线宽度 来表示，激光器的来表示，激光器的 越小越好越小越好v对于多纵模激光器，线宽可用半高全宽光谱宽度来度量对于多纵模激光器，线宽可用半高全宽光谱宽度来度量一般含有一般含有35个纵模，对应的线宽为个纵模，对应的线宽为35 nmv对于单纵模激光器，则以光功率峰值下降到对于单纵模激光器，则以光功率峰值下降到20dB时的功率时的功率点对应的宽度评定点对应的宽度评定约为约为0.1 nm，甚至更小，甚至更小 （4 4）温度特性）温度特性v半导体激光器的阈值电流、输出光

28、功率和输出光波波长随温半导体激光器的阈值电流、输出光功率和输出光波波长随温度变化的特性称为温度特性度变化的特性称为温度特性v双异质结半导体条形激光器的温度特性曲线如图双异质结半导体条形激光器的温度特性曲线如图 （5 5）啁啾）啁啾v单纵模激光器在高速直接调制（强度调制）时，注入有源层单纵模激光器在高速直接调制（强度调制）时，注入有源层的电子密度不断变化，导致折射率的变化，而且使激光器的的电子密度不断变化，导致折射率的变化，而且使激光器的输出波长和强度都发生变化，在调制脉冲的上升沿向短波长输出波长和强度都发生变化，在调制脉冲的上升沿向短波长漂移，在调制脉冲的下降沿向长波长漂移，从而使输出谱线漂移

29、，在调制脉冲的下降沿向长波长漂移，从而使输出谱线加宽，这种动态谱线加宽现象叫做啁啾加宽，这种动态谱线加宽现象叫做啁啾 v啁啾的存在使得光信号的频谱大大展宽，成为制约光纤高速啁啾的存在使得光信号的频谱大大展宽，成为制约光纤高速传输的一个关键因素传输的一个关键因素 v解决频率啁啾问题的方法包括对注入电流脉冲形状的控制、解决频率啁啾问题的方法包括对注入电流脉冲形状的控制、注入锁模、采用耦合腔半导体激光器等注入锁模、采用耦合腔半导体激光器等v最直接的方法就是设计出具有较小线宽展宽因子的激光器，最直接的方法就是设计出具有较小线宽展宽因子的激光器，如采用量子阱结构设计如采用量子阱结构设计 v采用外调制器的

30、方法，可根本消除调制引起的频率啁啾采用外调制器的方法，可根本消除调制引起的频率啁啾7. 7. 新型半导体激光器新型半导体激光器v为了提高光源的调制速率和减小模分配噪声，通常希望为了提高光源的调制速率和减小模分配噪声，通常希望LDLD单单纵模输出纵模输出vLDLD的输出光谱宽度和模式特性与其光增益谱分布和选模机制的输出光谱宽度和模式特性与其光增益谱分布和选模机制有关有关vF-PF-P腔激光器由于谐振腔的长度较长，导致纵模间隔小，相腔激光器由于谐振腔的长度较长，导致纵模间隔小，相邻纵模间的增益差别小，因此要得到单纵模振荡非常困难邻纵模间的增益差别小，因此要得到单纵模振荡非常困难 （1 1）分布反馈

31、）分布反馈DFBDFB激光器激光器v分布反馈分布反馈DFBDFB激光器与激光器与F-PF-P激光器的主要区别在于它不需要解激光器的主要区别在于它不需要解理面进行光反馈理面进行光反馈v其反射机构是由有源区波导上的其反射机构是由有源区波导上的BraggBragg光栅提供，光栅提供，v因为光栅具有很好的选频功能，因为光栅具有很好的选频功能，DFBDFB具有非常好的单色性和具有非常好的单色性和方向性，成为一种性能很好的激光器方向性，成为一种性能很好的激光器 vDFB激光器就是在条形结构的基础上，用光刻技术将有源激光器就是在条形结构的基础上，用光刻技术将有源层刻成波纹光栅形式层刻成波纹光栅形式vDFB利

32、用光栅的二次选频功能，满足布拉格条件的光波在利用光栅的二次选频功能，满足布拉格条件的光波在有源区传播过程中沿途不断地经历反射、叠加，不断得到放有源区传播过程中沿途不断地经历反射、叠加，不断得到放大加强，而不满足条件的光波得不到放大，很快衰减掉，其大加强，而不满足条件的光波得不到放大，很快衰减掉，其中，光栅起到一个分布式滤波器的作用。中，光栅起到一个分布式滤波器的作用。vDFB激光器也比激光器也比F-P激光器有更好的线性响应激光器有更好的线性响应 （2 2）分布布拉格反射）分布布拉格反射DBRDBR激光器激光器v分布布拉格反射分布布拉格反射DBR激光器也是基于光栅的布拉格反射激光器也是基于光栅的

33、布拉格反射条件工作的，其结构与条件工作的，其结构与DFB激光器类似激光器类似反馈作用反馈作用反射作用反射作用（3 3）量子阱）量子阱QWQW激光器激光器v量子阱（量子阱（QW，Quantum Well）激光器与一般双异质结激）激光器与一般双异质结激光器类似，只是有源区的厚度很薄，在光器类似，只是有源区的厚度很薄，在10 nm左右，属于双左右，属于双异质结器件异质结器件v采用先进的半导体材料外延生长工艺（如分子束外延生长工采用先进的半导体材料外延生长工艺（如分子束外延生长工艺），将厚度仅为几十个原子层的半导体发光材料（作为量艺），将厚度仅为几十个原子层的半导体发光材料（作为量子阱）交替生长在光限

34、制材料（作为量子势垒）之间，使其子阱）交替生长在光限制材料（作为量子势垒）之间，使其产生量子限制效应产生量子限制效应v有源层与两边相邻层的能带不连续，在有源层的异质结上出有源层与两边相邻层的能带不连续，在有源层的异质结上出现导带和价带的突变，这样窄带隙的有源区为导带中的电子现导带和价带的突变，这样窄带隙的有源区为导带中的电子和价带中的空穴创造了一个势能阱，将载流子限制在很薄的和价带中的空穴创造了一个势能阱，将载流子限制在很薄的有源区内，使有源区内的粒子数反转浓度非常高有源区内，使有源区内的粒子数反转浓度非常高v量子阱激光器有单量子阱（量子阱激光器有单量子阱（SQW）激光器和多量子阱）激光器和多

35、量子阱（MQW）激光器）激光器 v多量子阱激光器有相对较好的光模式限制特性，所以其电流多量子阱激光器有相对较好的光模式限制特性，所以其电流密度的阈值相对较低密度的阈值相对较低v输出波长可以通过调整有源层厚度输出波长可以通过调整有源层厚度d来改变来改变 v量子阱激光器能在较低的电流驱动下就产生较强的激光，从量子阱激光器能在较低的电流驱动下就产生较强的激光，从而降低温度对激光器性能的影响，使之能在较高的温度下正而降低温度对激光器性能的影响，使之能在较高的温度下正常工作常工作 （4 4）垂直腔面发射激光器）垂直腔面发射激光器VCSELVCSELv垂直腔面发射激光器（垂直腔面发射激光器（VCSELVC

36、SEL，Vertical Cavity Surface Vertical Cavity Surface Emitting LaserEmitting Laser）是一种电流和发射光束方向都与芯片表面）是一种电流和发射光束方向都与芯片表面垂直的激光器垂直的激光器v垂直腔结构对于二维应用具有很好的灵活性垂直腔结构对于二维应用具有很好的灵活性v与光纤耦合具有较高的耦合效率与光纤耦合具有较高的耦合效率v在平行光信息处理及广互联等新光电子领域十分引入注目在平行光信息处理及广互联等新光电子领域十分引入注目vVCSEL由有源区、限制区和布拉格反射镜组成，结构通由有源区、限制区和布拉格反射镜组成，结构通常是上

37、下两块反射镜中间夹着有源区常是上下两块反射镜中间夹着有源区4.2.3 4.2.3 半导体发光二极管半导体发光二极管1. 1. 半导体发光二极管半导体发光二极管发光二极管发光二极管(LED)(LED)是光纤通信系统中常用的另一种光源是光纤通信系统中常用的另一种光源，发光机理与发光机理与LDLD也相同，不同之处是也相同，不同之处是LEDLED没有平面反射镜。没有平面反射镜。LEDLED的性质：的性质：辐射的光是自发辐射产生的，是荧光辐射的光是自发辐射产生的，是荧光它是非阈值器件。它是非阈值器件。产生非相干光产生非相干光光谱的谱线较宽光谱的谱线较宽2. 2. 半导体发光二极管的结构半导体发光二极管的

38、结构 用于光纤通信系统的发光二极管有两种基本结构，用于光纤通信系统的发光二极管有两种基本结构，面发光二极管（面发光二极管（SLEDSLED）也称为）也称为BurrusBurrus或前发射或前发射边发光二极管（边发光二极管（ELEDELED） 面发光二极管v面发光二极管中，有源发光面与光纤轴垂直面发光二极管中，有源发光面与光纤轴垂直v面发光二极管发出的光束是各向同性的，总的半功率光束宽面发光二极管发出的光束是各向同性的，总的半功率光束宽度为度为120边发光二极管v边发光二极管由一个有源结区和两个导光层组成边发光二极管由一个有源结区和两个导光层组成v导光层的折射率比有源区的折射率低，但比周围材料的

39、折射率高，导光层的折射率比有源区的折射率低，但比周围材料的折射率高，从而形成一个波导通道，使辐射光的方向朝向光纤的纤芯从而形成一个波导通道，使辐射光的方向朝向光纤的纤芯 v边发光二极管的条形接触面的宽度一般为边发光二极管的条形接触面的宽度一般为505070m70m之间之间v有源区的长度通常在有源区的长度通常在100 100 150m150m之间之间v边发光二极管比面发光二极管具有更好的方向性，与光纤的耦合边发光二极管比面发光二极管具有更好的方向性，与光纤的耦合效率更高，发光亮度要大效率更高，发光亮度要大 3. 3. 半导体发光二极管的工作特性半导体发光二极管的工作特性 P-IP-I特性特性 光

40、谱特性光谱特性 调制特性调制特性（1 1）P-IP-I特性特性vLEDLED是无阈值器件，加上电流后，即有输出光，且随着注是无阈值器件，加上电流后，即有输出光，且随着注入电流的增加，输出光功率近似呈线性增加入电流的增加，输出光功率近似呈线性增加 当注入电流较大时，由于当注入电流较大时，由于PNPN结结的发热而出现饱和现象的发热而出现饱和现象 LEDLED的工作电流通常为的工作电流通常为5050100 100 mAmA，输出功率约为几毫瓦，由，输出功率约为几毫瓦，由于光束辐射角大，入纤光功率于光束辐射角大，入纤光功率只有几百微瓦只有几百微瓦（2 2）光谱特性）光谱特性vLEDLED是自发辐射光源

41、，谱线宽度是自发辐射光源，谱线宽度比比LDLD宽得多宽得多v谱线宽度谱线宽度定义为辐射光强下降一半的两点间波长变化值定义为辐射光强下降一半的两点间波长变化值v在短波长范围内，在短波长范围内，LEDLED线宽线宽的典型值为的典型值为252540nm40nm 在长波长在长波长131013101550nm1550nm波波段，线宽段，线宽的典型值为的典型值为50 50 100 nm100 nm（3 3）温度特性）温度特性v温度特性主要影响温度特性主要影响LEDLED的输出光功率、的输出光功率、P-IP-I特性的线性及工作特性的线性及工作波长波长v当温度上升时，当温度上升时，LEDLED的输出光功率会下

42、降，例如当温度从的输出光功率会下降，例如当温度从2020C C提高到提高到7070C C时，输出功率将下降约一半，但相对时，输出功率将下降约一半，但相对LDLD而而言，温度的影响较小言，温度的影响较小v温度上升还将导致线性工作区变窄，电路噪声增加，系统性温度上升还将导致线性工作区变窄，电路噪声增加，系统性能下降，峰值工作波长向长波长方向漂移，附加损耗增大能下降，峰值工作波长向长波长方向漂移，附加损耗增大 4. 4. 半导体光源的应用半导体光源的应用vLEDLED与与LDLD相比，相比，LEDLED输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低率较低v但但LEDL

43、ED性能稳定，寿命长，可达到性能稳定，寿命长，可达到3 310105 5 小时以上，使用简小时以上，使用简单，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉单，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉vLEDLED通常和多模光纤耦合，用于通常和多模光纤耦合，用于1310 nm1310 nm或或850 nm850 nm波长的小容波长的小容量、短距离的光通信系统量、短距离的光通信系统vLDLD通常和单模光纤耦合，用于通常和单模光纤耦合，用于1310 nm1310 nm或或1550 nm1550 nm大容量、长大容量、长距离光通信系统距离光通信系统 LDLD与与LEDLED的比较的比较返回

44、4.1.4 4.1.4 数字光发送机数字光发送机数字光发送机是数字光纤通信系统基本组成部分之一，其数字光发送机是数字光纤通信系统基本组成部分之一，其主要作用是将电端机送来的数字信号变换为光信号，并耦合进主要作用是将电端机送来的数字信号变换为光信号，并耦合进光纤线路中进行传输。光纤线路中进行传输。 光发送机中的光源是整个系统的核心器件。光发送机中的光源是整个系统的核心器件。 光源的调制速率、谱线宽度、输出光功率和光束方向性等光源的调制速率、谱线宽度、输出光功率和光束方向性等性能直接影响光纤通信系统的传输容量和传输距离性能直接影响光纤通信系统的传输容量和传输距离 。1. 1. 光源的调制方式光源的

45、调制方式光发射机由光源、调制器和信道耦合器组成。光信号光发射机由光源、调制器和信道耦合器组成。光信号是用电信号调制光载波产生的。是用电信号调制光载波产生的。对半导体光源的调制有两种方法对半导体光源的调制有两种方法一类是直接调制，又称为内调制一类是直接调制，又称为内调制另一类是间接调制，又称外调制另一类是间接调制，又称外调制 （1 1）直接调制）直接调制v直接调制就是将电信号直接注入光源，使其输出的光载波直接调制就是将电信号直接注入光源，使其输出的光载波信号的强度随调制信号的变化而变化，又称为内调制。信号的强度随调制信号的变化而变化，又称为内调制。v直接调制具有调制简单、损耗小、成本低等特点。但

46、存在直接调制具有调制简单、损耗小、成本低等特点。但存在波长波长(频率频率)的抖动。的抖动。v直接调制方法仅适用于半导体光源（直接调制方法仅适用于半导体光源（LD和和LED）。）。直接光强度数字调制原理直接光强度数字调制原理（2 2）间接调制）间接调制v间接调制不直接调制光源，而是利用晶体的电光、磁光和声间接调制不直接调制光源，而是利用晶体的电光、磁光和声光特性对光特性对LDLD所发出的光载波进行调制，即光辐射之后再加载所发出的光载波进行调制，即光辐射之后再加载调制电压，使经过调制器的光载波得到调制，这种调制方式调制电压，使经过调制器的光载波得到调制，这种调制方式又称作外调制。又称作外调制。v间

47、接调制的调制系统比较复杂、损耗大、而且造价也高。但间接调制的调制系统比较复杂、损耗大、而且造价也高。但谱线宽度窄，可以应用于谱线宽度窄，可以应用于2.5Gbit/s2.5Gbit/s的高速大容量传输系的高速大容量传输系统之中，而且传输距离也超过统之中，而且传输距离也超过300km300km以上。以上。v直接调制会引入频率啁啾，即光脉冲的载频随时间变化直接调制会引入频率啁啾，即光脉冲的载频随时间变化v由于带啁啾的光脉冲在光纤中传输时会加剧色散展宽，所以由于带啁啾的光脉冲在光纤中传输时会加剧色散展宽，所以在高速系统中需要采用外调制技术在高速系统中需要采用外调制技术v此外相干光通信系统也需要采用间接

48、调制此外相干光通信系统也需要采用间接调制 v商用化的外调制器一般作为一个单独的器件或作为一个部件商用化的外调制器一般作为一个单独的器件或作为一个部件集成到激光器封装中集成到激光器封装中 v光信号间接调制是利用一些材料的电光效应、声光效应、磁光信号间接调制是利用一些材料的电光效应、声光效应、磁光效应和电吸收效应使输出光的强度等参数随电信号而变，光效应和电吸收效应使输出光的强度等参数随电信号而变，达到调制的目的达到调制的目的v目前光通信中实用的调制器主要有两种：目前光通信中实用的调制器主要有两种：一种是一种是M-ZM-Z（Mach-ZehnderMach-Zehnder）波导调制器）波导调制器另一

49、种是电吸收调制器另一种是电吸收调制器 M-Z调制器vM-Z调制器用电光材料制作，如调制器用电光材料制作，如LiNbO3 v输入光信号在第一个输入光信号在第一个3 dB耦合器处被分成相等的两束，分耦合器处被分成相等的两束，分别进入两波导传输别进入两波导传输v波导采用电光材料制成，其折射率随外部施加的电压大小而波导采用电光材料制成，其折射率随外部施加的电压大小而变化，从而导致两路光信号到达第二个耦合器的相位延时不变化，从而导致两路光信号到达第二个耦合器的相位延时不同同 M-Z调制器v如果两束光的光程差是波长的整数倍，两束光相干加强如果两束光的光程差是波长的整数倍，两束光相干加强v如果两束光的光程差

50、是波长的一半，两束光相干抵消，调制如果两束光的光程差是波长的一半，两束光相干抵消，调制器输出很小器输出很小v因此，只要控制外加电压，就能对光束进行调制因此，只要控制外加电压，就能对光束进行调制 电吸收调制器v电吸收调制器（电吸收调制器（EAMEAM，Electro-absorption ModulatorElectro-absorption Modulator）是）是一种损耗调制器，为半导体结型器件一种损耗调制器，为半导体结型器件v当外加反向偏置时，耗尽层的电场引起带隙能量（当外加反向偏置时，耗尽层的电场引起带隙能量（E Eg g）减少，）减少，即所谓即所谓Franz-KeldyshFranz

51、-Keldysh效应，利用这个效应可以改变光束的效应，利用这个效应可以改变光束的通断通断 电吸收调制器v由于能量低于带隙能量的光子可以通过半导体，而能量高于带隙能量的由于能量低于带隙能量的光子可以通过半导体，而能量高于带隙能量的光子将被吸收并产生自由电子空穴对光子将被吸收并产生自由电子空穴对v当当EAMEAM无偏压时，带隙能量较大，光子通过，输出功率最大，无偏压时，带隙能量较大，光子通过，输出功率最大，当当EAM外外加反向偏压，将减小带隙能量，原来可传输波长的光子将被吸收，输出加反向偏压，将减小带隙能量，原来可传输波长的光子将被吸收，输出功率最小，从而实现调制功率最小，从而实现调制电吸收调制器

52、v电吸收式调制器可以制成分立器件，通过对接耦合或者光纤电吸收式调制器可以制成分立器件，通过对接耦合或者光纤与半导体激光器连接与半导体激光器连接vEAMEAM也很容易与激光器（通常是也很容易与激光器（通常是DFBDFB型型LDLD）集成在一起，制成）集成在一起，制成体积小、结构紧凑的单片集成组件，这样可以获得较低的连体积小、结构紧凑的单片集成组件，这样可以获得较低的连接损耗，所需的驱动电压也更低接损耗，所需的驱动电压也更低v控制控制EAMEAM的电压有两种状态：零电压时对应于传输，而加一的电压有两种状态：零电压时对应于传输，而加一个小的（在个小的（在1.5 V1.5 V左右）反向电压则对应于吸收

53、左右）反向电压则对应于吸收 电吸收调制器vEAMEAM可以适应可以适应10 Gb/s10 Gb/s甚至甚至40 Gb/s40 Gb/s的系统，其插入损耗在的系统，其插入损耗在10 10 dBdB左右，这一损耗可以通过与调制器集成在同一衬底的光放左右，这一损耗可以通过与调制器集成在同一衬底的光放大器来补偿大器来补偿vEAMEAM的频率啁啾比的频率啁啾比M-ZM-Z调制器更大，一般不用于传输距离特别调制器更大，一般不用于传输距离特别长的高速率海缆系统长的高速率海缆系统v当利用当利用G.652G.652光纤时，对光纤时，对2.5 Gb/s2.5 Gb/s系统，系统，EAMEAM的传输距离可达的传输距

54、离可达到到600 km 600 km 直接强度调制和外调制的区别直接强度调制和外调制的区别线路编码驱动电路L D 或LED控制电路电信号输入光信号直接调制的光发射机直接调制的光发射机线路编码驱动电路LD或LED控制电路电信号输入光信号外调制器件间接调制的光发射机间接调制的光发射机2. 2. 数字光发送机的基本组成数字光发送机的基本组成在光纤通信系统中，光发送机的作用是将输入电信号转换在光纤通信系统中，光发送机的作用是将输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号有效注入光纤传输为光信号，并用耦合技术把光信号有效注入光纤传输采用直接调制（采用直接调制（IMIM）的光发送机主要包括：）的光发送机主

55、要包括：输入电路（输入盘）输入电路（输入盘）电光转换电路（发送盘）电光转换电路（发送盘） （1 1）输入电路各部分功能）输入电路各部分功能 均衡器均衡器：是对由：是对由PCMPCM电端机送来的电端机送来的HDB3HDB3码（又称三阶高码（又称三阶高密度双极性码）或密度双极性码）或CMICMI（又称信号反转码）码流进行均衡，用（又称信号反转码）码流进行均衡，用以补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变，保证电、光端机（发以补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变，保证电、光端机（发送机和接收机统称端机）间信号的幅度、阻抗适配，以便正确送机和接收机统称端机）间信号的幅度、阻抗适配，以便正确译码。译码。 码型变换：

56、码型变换：PCMPCM电端机送来的电端机送来的HDB3HDB3或或CMICMI码并不适合在码并不适合在光纤通信系统中传输，需要码型变换。并且光纤通信系统中传输，需要码型变换。并且HDB3HDB3或或CMICMI线路码线路码是双极性码，在光纤系统中不宜使用，需要将其变成适合于光是双极性码，在光纤系统中不宜使用，需要将其变成适合于光纤线路中传输的单极性码。这样经译码后，还原为原来的二进纤线路中传输的单极性码。这样经译码后，还原为原来的二进制代码。制代码。 信号扰码信号扰码：译码获得的：译码获得的NRZNRZ二进制信号不直接送光发送二进制信号不直接送光发送电路进行光驱动。加电路进行光驱动。加扰码电路

57、扰码电路可有规律地破坏长连可有规律地破坏长连“0 0”和长连和长连“1 1”的码流，从而使的码流，从而使“0 0”、“1 1”等概率出现。等概率出现。 线路编码：线路编码：提取定时信息、误码检测能力。线路编码将提取定时信息、误码检测能力。线路编码将改变线路的传输速率。改变线路的传输速率。时钟提取时钟提取：由于码型和扰码都需要以时钟信号为基础，：由于码型和扰码都需要以时钟信号为基础，因此，在均衡电路之后，由因此，在均衡电路之后，由时钟提取电路时钟提取电路提取出时钟信号，提取出时钟信号，供给码型变换、扰码电路和线路编码使用供给码型变换、扰码电路和线路编码使用 （2 2）电光转换电路各部分的功能）电

58、光转换电路各部分的功能电光转换电路（发送盘）主要完成将电信号转换成光信电光转换电路（发送盘）主要完成将电信号转换成光信号，并将光信号送入光纤。主要由驱动电路、自动功率控制电号，并将光信号送入光纤。主要由驱动电路、自动功率控制电路和自动温度控制电路和保护电路组成。路和自动温度控制电路和保护电路组成。 光源驱动电路（又称为调制电路）：光源驱动电路（又称为调制电路）：是电光转换是电光转换电路的核心。电路的核心。自动功率控制电路自动功率控制电路APC：是自动跟踪光功率输出的变化，：是自动跟踪光功率输出的变化，相应地改变相应地改变LD的偏置电流和调制电流，使光功率输出保持恒的偏置电流和调制电流，使光功率

59、输出保持恒定定自动温度控制电路自动温度控制电路ATCATC：ATCATC就是保持就是保持LDLD的工作温度基本的工作温度基本恒定，不受外界温度变化和恒定，不受外界温度变化和LDLD本身结发热效应的影响，可大大本身结发热效应的影响，可大大提高提高LDLD的稳定性和使用寿命。的稳定性和使用寿命。ATCATC一般由致冷器、热敏电阻和一般由致冷器、热敏电阻和控制电路组成。控制电路组成。 ATCATC电路：电路：在设定温度（例如在设定温度（例如2020）时，调节）时，调节R3R3使电桥使电桥平衡，平衡，A A、B B两点没有电位差，传输到运算放大器两点没有电位差，传输到运算放大器A A的信号为零，的信号

60、为零，流过致冷器流过致冷器TECTEC的电流也为零。的电流也为零。 保护电路保护电路：实用的光发送机还应考虑各种：实用的光发送机还应考虑各种保护、告警和保护、告警和监测监测的需要，增设其它电路。比如，光发送机电路出现故障，的需要，增设其它电路。比如，光发送机电路出现故障，或输入信号中断，或激光器失效，都将使激光器长时间不发光，或输入信号中断，或激光器失效，都将使激光器长时间不发光，无光告警电路就会告警；随使用时间增长，无光告警电路就会告警；随使用时间增长，LD的阈值电流逐的阈值电流逐步增大，当增大到原来的步增大，当增大到原来的1.5倍时，寿命告警电路就会告警；倍时，寿命告警电路就会告警；为避免