桂工光纤通信CH2-光源和光发射机

光纤通信B授课老师：覃国车Email：277856898@2015年秋教材：顾畹仪，《光纤通信》（第2版），人民邮电出版社，2011。参考书：1.JosephC.Palais，《光纤通信》（第5版），电子工业出版社，2015。2.王辉等，《光纤通信》(第3版)电子工业出版社，2014。3.马丽华等，《光纤通信系统》北京邮电大学出版社，2009。第2章光源和光发射机1.半导体激光器2.半导体发光二极管3.光源的直接调制4.光源的间接调制光纤通信对光源的要求1.波长：位于光纤的低损耗窗口，能产生不同波长的光束。2.辐射性能：光功率足够高，单色性、方向性好,且稳定。3.调制：易于调制，相应速度快。4.强度噪声小5.电光转换效率高，驱动功率低，寿命长一、激光原理的基础知识(一)原子的能级电子绕核运动的能量是不连续的、分立的量子态。电子轨道量子化条件：

2πr*mv=nh,n=1,2,…当电子在每一个这样的轨道上运动时，原子具有确定的能量，称为原子的一个能级。一、激光原理的基础知识(一)原子的能级轨道越低，能量越小。基态激发态一、激光原理的基础知识(二)晶体的能带当大量原子结合成晶体后，原来围绕一个原子运动的电子，现在可能转移到邻近原子的同一轨道上去，晶体中的电子不再属于个别原子所有，它们一方面围绕每个原子运动，同时又要在原子之间做共有化运动。一、激光原理的基础知识(二)晶体的能带晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同而分裂成若干组。每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带，成为能带。一、激光原理的基础知识(二)晶体的能带电子与空穴的复合发光主要发生在价带和导带之间一、激光原理的基础知识(三)能级的光跃迁处于高能态(导带)的电子是不稳定的，它们会向低能态(价带)跃迁，而将能量以光子的形式释放出来，发射光子的能量hv等于导带和价带的能量差。处于低能态的电子如果受到外来光的照射，当光子的能量hv等于或大于禁带能量时，光子将被吸收而使电子跃迁至高能态。一、激光原理的基础知识(三)能级的光跃迁——自发辐射一、激光原理的基础知识(三)能级的光跃迁——受激辐射一、激光原理的基础知识(三)能级的光跃迁——受激吸收一、激光原理的基础知识(四)PN结——为什么采用半导体作为光源？半导体禁带宽度：1eV=1.602176565(35)*10-19J普朗克常数:h=6.62606896(33)*10-34J/sv的数量级为1015，位于光纤通信频段半导体禁带宽度决定半导体激光器频率范围位于光纤通信频段内一、激光原理的基础知识(四)PN结禁带宽度费米尔能级：反映电子在各能级中分布情况的参量。自由电子能级价电子能级E<Ef,能级E被电子占据的概率大，E>Ef,能级E被空穴占据的概率大。一、激光原理的基础知识(四)PN结N型半导体中主要由电子导电，当重掺杂时费米尔能级Ef会进入导带，称为兼并型N型半导体。Ef变大，Ef>Ev的可能性越大，Ev中被电子占据的可能性越大。一、激光原理的基础知识(四)PN结P型半导体中主要由空穴导电，当重掺杂时费米尔能级Ef会进入价带，称为兼并型P型半导体。Ef变小，Ef>Ee的可能性越大，Ee中被空穴占据的可能性越大。一、激光原理的基础知识(四)PN结N区P区PN结加上正向电压一、激光原理的基础知识(四)PN结价带导带导带主要由电子占据，价带主要由空穴占据——粒子数反转有源区P区准费米尔能级N区准费米尔能级禁带宽度Ege0V>Eg，使P区空穴获取足够的能量向N区扩散，N区的电子有足够的能量向P区扩散一、激光原理的基础知识(四)PN结e0V有源区对光子能量满足Eg<hv<e0V的光子有放大作用一、激光原理的基础知识(四)制作半导体光源的材料动量守恒为了保证动量守恒，必须有另外的粒子参与间接带隙半导体材料发光效率低，故应使用直接带隙的半导体材料作为半导体光源。一、激光原理的基础知识(四)制作半导体光源的材料

材料的禁带宽度决定了激光器自发辐射的波长范围。因为电子跃迁过程中产生的光子能量等于直接带隙的禁带宽度。二、半导体激光器(一)LD的工作原理半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（即利用电子）在能带间跃迁发光，在光学谐振腔的作用下使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光。因此，产生激光的三个先决物质条件为：1.

激励源（泵浦源）:能量的提供者，实现粒子数反转。2.激活物质（增益物质——半导体材料）:产生激光的物质基础，提供光放大。3.光学谐:振腔提供光反馈。二、半导体激光器(二)激光激射条件1.要产生足够的粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数；2.有一个合适的光学谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生从而产生激光震荡；3.要满足一定的阀值条件，以使光子增益等于或大于光子的损耗。二、半导体激光器(三)半导体激光器的通用结构（1）有源区（2）光反馈装置（3）频率选择元件（4）光束的方向选择元件（5）光波导

二、半导体激光器(三)半导体激光器的通用结构——有源区实现粒子数反转分布，存在光增益的区域，又称为增益区。

当注入光子能量满足：导带电子跃迁至价带，并与价带中的空穴复合，同时发射光子：Eg<hv<e0V二、半导体激光器(三)半导体激光器的通用结构——有源区同质结：构成PN结的P型半导体和N型半导体为同一种材料，仅掺杂类型不同。单异质结：构成PN结的P型半导体和N型半导体为不同种材料，可分为同型异质结（N-n型和P-p型）和异型异质结（N-p型和P-n型）。二、半导体激光器(三)半导体激光器的通用结构——有源区双异质结：由带隙能量较高的P型和N型半导体材料中间夹一层很薄的带隙能量较低的另一种半导体材料而构成波导。各半导体的材料不同。如左图所示为N-n-P双异质结。阈值电流密度大大降低二、半导体激光器(三)半导体激光器的通用结构——有源区量子阱激光器：（1）阈值电流低（2）波长可调谐（3）线宽窄，频率啁啾低（4）调制速率高（5）温度稳定性强。二、半导体激光器(三)半导体激光器的通用结构——光反馈装置光学谐振器可提供必要的正反馈以促进激光振荡。光振荡的形成主要采用两种方式：1.

F-P（法布里-帕罗）谐振腔：由一对平行放置的平面反射镜组成。2.

布拉格反射器：一种基于波纹光栅的光学谐振器，其材料折射率在空间某方向上呈现出周期性变化，从而为受激辐射产生的光子提供周期性反射.二、半导体激光器(三)半导体激光器的通用结构——光反馈装置1.F-P（法布里-帕罗）谐振腔用晶体天然解理面形成的F-P（法布里-帕罗）谐振腔，当光在谐振腔中满足一定的相位条件和振幅条件时，建立起稳定的光振荡。这种激光器称为F-P腔激光器。二、半导体激光器(三)半导体激光器的通用结构——光反馈装置1.F-P（法布里-帕罗）谐振腔表示沿谐振腔传播方向上的驻波振荡特性表示谐振腔横截面上的场型分布二、半导体激光器(三)半导体激光器的通用结构——光反馈装置1.F-P（法布里-帕罗）谐振腔激光器的纵模反映了它的发射光谱性质增益大于损耗二、半导体激光器(三)半导体激光器的通用结构——光反馈装置1.F-P（法布里-帕罗）谐振腔增大L以降低增益存在多个谐振峰落在满足增益大于损耗的范围内，难以实现单模。二、半导体激光器(三)半导体激光器的通用结构——光反馈装置2.布拉格反射器同相面，发生干涉由于珊距很小，因此相邻模式频率间隔大，易于实现单模。二、半导体激光器(三)基本性质——P/I特性阀值电流：激光从自发辐射到开始受激震荡时的临界注入电流第一阶段：自发辐射。第二阶段：超辐射状态。第三阶段：激光。二、半导体激光器(三)基本性质——温度特性阀值电流：随温度的升高而加大。功率效率：随温度的升高而下降。二、半导体激光器(四)光谱特征光谱特性描述的是激光器输出功率随波长的分布规律。半导体激光器激射以后的光谱呈现模式结构，稳定工作时光谱由以下因素共同决定。1.发射波长范围：取决于激光器的自发辐射谱。2.精细的谱结构：取决于光腔中纵模分布。3.波长分量的强弱：取决于激射时各模式的增益条件。二、半导体激光器(四)光谱特征——峰值波长峰值波长：光谱内强度最大的光波长。二、半导体激光器(四)光谱特征——谱宽和线宽谱宽：峰值半功率点所限定的波谱范围。线宽：单纵模激光器的谱宽即为线宽。中心波长：谱宽范围的中心点对应的波长。二、半导体激光器(四)光谱特征——纵模数与注入电流的关系当激光器仅注入直流电流时，随着注入电流的增大，纵模数减小，谱宽变窄二、半导体激光器(四)光谱特征——峰值波长与温度的关系当温度增加时，峰值波长向长波段漂移。无温控器件二、半导体激光器(四)光谱特征——动态谱线与注入电流的关系对激光器进行直接强度调制会使纵模数变多，谱宽变宽。随着调制电流的变大，谱宽增大更明显。远场图为远离半导体激光器输出端面的辐射束光功率强度分布。近场图为半导体激光器输出端面的辐射束光功率强度分布。二、半导体激光器(五)光束特点通常使用激光器近场图和远场图来表征其光束特性。由横模决定由横模和发散角共同决定二、半导体激光器(五)光束特点横模和发散角决定了激光器输出光束的方向性。三、半导体发光二极管（一）

工作原理

当注入正向电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中复合发光。

特点（与半导体激光器比较）：非相干光源，自发发射为主，发射荧光过程;

无光学谐振腔，不一定需要实现粒子数反转;

非阈值电流，输出功率基本上与注入电流成正比。三、半导体发光二极管（二）基本性质——P/I曲线不是阈值器件，对温度不敏感三、半导体发光二极管（二）基本性质——发射光谱自发辐射，光谱较宽（几十nm）三、半导体发光二极管（二）基本性质

发射谱线和发散角

－光谱较宽，光纤色散严重；－发散角大，与光纤的耦合效率较低；

响应速度

－调制速率低，适用于低速传输网络

热特性

－温度特性较好，无需温控电路;

寿命长，可靠性高边发射型发光二极管(ELED)的结构三、半导体发光二极管面发射型发光二极管(SLED)的结构三、半导体发光二极管LD和LED的比较四、光源的调制光调制：在发送端将信息加载到光源输出的光束上的过程。在光纤通信系统中，通常以电信号的形式呈现信息，故光调制是将电信号加载到光源输出的光束上的过程。光解调：光接收机鉴别从光纤信道上传输过来的光波的变化规律，从而将原始信息还原的过程。四、光源的调制直接调制：将要传递的信息转变为驱动电流控制光源的发光过程。四、光源的调制间接解调：利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应和电吸收效应等性质来实现对激光辐射的调制。四、光源的调制由于理想半导体光源的P-I曲线呈线性关系，因此直接调制是利用输入电流直接控制输出光强的过程。（一）直接调制将连续变化的模拟信号叠加在直流偏置的工作点上对光源进行调制四、光源的调制由于理想半导体光源的P-I曲线呈线性关系，因此直接调制是利用输入电流直接控制输出光强的过程。（一）直接调制直流偏置工作点四、光源的调制（一）直接调制——LD数字调制过程的瞬态分析瞬态现象：半导体激光器在进行直接调制时显示出来的现象。主要瞬态现象有电光延迟，张弛振荡和持续振荡。持续振荡（自脉动）四、光源的调制（一）直接调制——LD数字调制过程的瞬态分析对导带底部填充电子，使电子密度达到nth激光器开始激射，光场建立，导带中电子超量填充四、光源的调制（一）直接调制——LD数字调制过程的瞬态分析有源区过量复合过量复合持续，电子密度降到nth以下，S也下降电子密度和光子密度的微扰项都是衰减式振荡形式四、光源的调制（一）直接调制——LD数字调制过程的瞬态分析n(t)和s(t):

分别为有源区里自由电子和光子密度j:注入电流密度e0：电子电荷d:有源区的厚度Rsp：自发辐射的速率，Rsp=n(t)/

spg(n):

增益函数ph：光子的寿命时间：自发发射进入激光模式的系数四、光源的调制（一）直接调制——LD数字调制过程的瞬态分析张弛振荡的衰减时间与自发辐射的寿命时间同一数量级，并随注入电流的增加而减小。张弛振荡衰减系数张弛振荡的幅度衰减为初始值的1/e的时间，称之为张弛振荡的衰减时间。加直流预偏置可以加速张弛振荡的衰减为什么要加速张弛振荡的衰减呢？四、光源的调制（一）直接调制——LD数字调制过程的瞬态分析张弛振荡的角频率与ph和sp有关，并随注入电流的增加而升高。张弛振荡角频率张弛振荡频率一般在几百MHz至2GHz的数量级张弛振荡对所有系统的危害都是一致的吗？四、光源的调制（一）直接调制——LD数字调制过程的瞬态分析电光延迟时间电光延迟时间与自发辐射的寿命时间同一数量级，并随注入电流的增加而减小。加直流预偏置可以减小电光延迟时间为什么要减小电光延迟时间？四、光源的调制（一）直接调制——直接调制激光发射机四、光源的调制（一）直接调制——直接调制激光发射机1.驱动电路——偏置电流大小的选择（1）加大直流偏置电流使其逼近阈值减小电光延迟时间，提高频谱利用率和通信容量，一定程度上抑制张弛振荡，较小的调制电流就能获得足够大的输出光脉冲，减小码型效应。（2）偏置电流意味着激光器的消光比（EXT）恶化，EXT应该大于10dB.（3）实验观察到异质结激光器的散粒噪声在阈值处常有一很陡的峰值，因此I0的选取应避开此峰值。

四、光源的调制（一）直接调制——直接调制激光发射机1.驱动电路——调制电流大小的选择（1）足够的光脉冲幅度（2）减小光源负担（3）避开可能发生自脉动的区域四、光源的调制（一）直接调制——直接调制激光发射机2.控制电路激光器的阈值电