光纤通信第四章

第4章光源和光发射机本章内容4.1半导体的能带理论4.2发光二极管4.3半导体激光器4.4光调制4.5光发送机小结、习题

4.1半导体的能带理论1.半导体的能带半导体的主要特征是它们的内部原子有规则地、周期性地排列着。作共有化运动的电子受到周期性排列着的原子的作用，它们的势能具有晶格的周期性。因此，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。虽然在半导体中能级还是离散的，但是每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带。人们把这些组想象为很宽的连续的能量区，称为能带，如图4-1-2所示。

锗、硅和CaAs等都是共价晶体。形成共价键的价电子所占据的能带称为价带。价带下面的能带是被电子占满了，称为满带。价带上面的能带称为导带。价带和导带，价带和满带之间的宽度，不能被电子占据因此称为禁带。2.半导体PN结的形成当一个P型半导体和一个N型半导体有了物理接触时，就形成一个PN结。在结的交界面处，载流子的浓度差引起扩散运动，P区的空穴向N区扩散，剩下带负电的电离受主，从而在靠近PN结界面的区域形成一个带负电的区域。同样，N区的电子向P区扩散，剩下带正电的电离施主，从而造成一个带正电的区域。载流子扩散运动的结果形成了一个空间电荷区，如图4-1-4所示。PN结具有单向导电性当PN结加上正向电压时，外加电压的电场方向消弱了自建场，P区的空穴通过PN结流向N区，N区的电子也流向P区，形成正向电流。由于P区的空穴和N区的电子都很多，所以这股正向电流是大电流。当PN结加反向电压时，外电场的方向和自建场相同，多数载流子将背离PN结的交界面移动，使空间电荷区变宽。空间电荷区内电子和空穴都很少，它变成高阻层，因而反向电流非常小。3.同质结和异质结同质结就是在PN结的两边使用相同的半导体材料采用同质结结构的激光器或发光二极管存在如下两个问题。首先是对光波的限制不完善另一方面的问题是对载流子的限制不完善因此，为了降低同质结半导体激光器的阈值电流，就要从上述两个方面来进行改进。

为了降低同质结半导体激光器的阈值电流，就要从上述两个方面改进。双异质结(DH)是窄带隙有源区(GaAs)材料被夹在宽带隙的材料(GaAlAs)之间构成。如图4-1-6所示。4.4发光二极管的工作原理发光二极管(LED)是低速、短距离光通信系统中常用光源。目前广泛采用PN异质结制造。LED的原理是在LED注入正向电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中发光。LED是非相干光源，它的发光过程是自发辐射过程，发出的是荧光，它没有光学谐振腔，是无阈值器件。1.LED的结构和工作原理LED的基本工作原理是光的自发辐射。图4-2-1所示为双异质结半导体发光二极管的结构。正向电压V提供的外加能量激发了处于导带的电子和空穴进入耗尽区并且发生复合，促使发光二极管LED产生了能量。与普通二极管以热能的方式释放能量不同，LED将大部分产生的能量以可见光的方式释放出来。LED可分为面发光二极管和边发光二极管两大类。

1)面发光二极管2）边发光二极管边发光二极管结构示意图如图4-2-3所示，它为长波长1.31μm双异质结InGaAsP/InP边发光型LED的结构。它的核心部分是一个N-AlGaAs有源层，及其两边的P-AlGaAs和N-AlGaAs导光层(限制层)。导光层的折射率比有源层低，但比其他周围材料的折射率高，从而有源层产生的光波从端面发射出来LED有如下工作特性：1)LED的光谱特性它的谱线宽度较宽，对高速率调制是不利的。

LED的光谱特性如图4-2-4所示2）LED的输出光功率特性

从图4-2-5中可见LED的P-I曲线线性范围较大，当驱动电流I较小时，P-I曲线的线性较好，在进行调制时，动态范围大，信号失真小4.3半导体激光器半导体激光器（LD）主要适用于长距离大容量的光纤通信系统。尤其是单纵模半导体激光器，在高速率、大容量的数字光纤通信系统中得到广泛应用。近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是WDM光纤通信系统的关键器件，越来越受到人们的关注。1、光纤通信对半导体激光器的主要要求半导体激光器(LD)是光纤通信最主要的光源，对它的基本要求有以下几点：

（1）光源应在光纤的三个低损耗窗口工作，即发光波长为0.85μm、1.31μm或1.55μm。（2）光源的谱线宽度较窄，Δλ=0.1～1.0nm。（3）能提供足够的输出功率，可达到10mW以上。（4）与光纤耦合效率高，30%～50%。（5）能长时间连续工作，工作稳定，提供足够的输出光功率。2、LD的工作原理半导体激光器由如下三个部分组成：产生激光的工作物质（激活物质）能够产生激光的工作物质，也就是处于粒子数反转分布状态的工作物质，它是产生激光的必要条件。能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源（泵浦源）使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，称为泵浦源。物质在泵浦源的作用下，使粒子数从低能级跃迁到高能级，使得在这种情况下受激辐射大于受激吸收，从而有光的放大作用。这时的工作物质已被激活，成为激活物质或增益物质。有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。激活物质只能使光放大，只有把激活物置于光学谐振腔中，以提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。在激活物质的两端的适当位置，放置两个反射系数分别为r1和r2的平面反射镜M1和M2，就构成了最简单的光学谐振腔，如图4-3-1所示的这两个反射镜，一个为全反射镜，一个为半反射镜。半导体激光器产生激光输出应满足三个基本条件：粒子数反转分布光反馈激光振荡的阈值条件3.常用半导体激光器

1）法布里—珀罗激光器普通的半导体激光器一般采用条形结构双异质结半导体激光器(BHLD)，光学谐振腔为法布里－珀罗腔(F－P)，它可以分为两类，即增益波导LD和折射率波导LD。（2）动态单纵模半导体激光器所谓动态单纵模半导体激光器(SLM-LD)，就是指在高速调制下仍能单纵模工作的半导体激光器。目前，比较成熟的单纵模激光器有分布反馈激光器DFB及耦合腔激光器

分布反馈半导体激光器(DFB-LD)，它是在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近，刻上波纹状的周期的光栅来构成的，如图4-3-4所示。由于分布反馈激光器的这种工作方式，使得它具有极强的波长选择性，从而实现动态单纵模工作。从图4-3-6的LD多模光谱和单模光谱的比较可以看出，单纵模LD中除了一个主模外，其它纵模都被抑制了，同时主模的谱线宽度非常窄，通常小于1nm，用于高速光纤通信系统是非常理想的。（3）量子阱激光器为了进一步提高激光发射效率，可以使用一种特殊的制造技术来得到特别薄的激活区，厚度大概在4~20nm，这种技术被称为量子阱激光器。量子激光器的主要优点在于阈值电流低，线宽窄，较高的光电转换效率，对输出光束更高的限制，以及发射更多可能波长光线的能力。4．激光器LD的工作特性LD的工作特性可以用一些特性曲线和特性参量来描述。（1）P-I曲线阈值特性当注入电流很小时，LD的发出的光功率很小，为自发幅射所致，发出的是荧光当达到某个电流值时，光功率突然增强，这个电流称为阈值电流It；当I＞It时，LD发出的是激光。对于一个LD来说，It越低越好,目前最好的半导体激光器阈值电流可小于10mA。线性特性I＞It的一段范围内，发射的光功率P近似与注入电流近似为线性关系。为了使光纤通信系统稳定可靠地工作，应该有很好的线性关系。

2)光谱特性

GaAsLD的光谱特性曲线如图4-6-2所示。半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变化。当I＜It时光谱很宽，此时为荧光光谱；当I＞It时光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加，表明发出激光。(a)单纵模与多纵模光谱中只有一根谱线，这样的激光器为单纵模激光器，上图的光谱有很多条谱线，这样的激光器即为多纵模激光器。(b)峰值波长λp所谓峰值波长是在规定光功率时，光谱内若干发射模式中最大强度的光谱波长，用λp表示，LD的峰值波长相当明显。(c)谱线宽度Δλ谱线宽度简称为线宽用Δλ来表示。采用ITU-TG957建议的最大–20dB宽度定义。即在规定光功率下，主模中心波长的最大峰值功率跃落-20dB时的最大全宽为光谱宽度。3)温度特性（1）阈值电流It随温度的升高而加大，为了使光纤通信系统稳定、可靠地工作，一般都要采用自动温度控制电路，来稳定激光器的阈值电流和输出光功率。(2)激光二级管的中心波长λ随温度升高而增加。4）转换效率定义为激光器达到阈值后，输出光子数的增量与注入电子数的增量之比4.4光调制

实现光纤通信，首先要解决的问题是如何将电信号加载到光源的发射光束上变成光信号，即需要进行光调制。根据调制与光源的关系，光调制可分为直接调制和间接调制两大类。从调制信号的形式来说，光源的调制又可分为模拟信号调制和数字信号调制。1．直接调制与间接调制

1）光源的直接调制光源的直接调制又称为光源的内部调制，它是将调制信号直接作用在光源上，把要传送的信息转变为电信号注入到LD或LED，获得相应的光信号。2）光源的外部调制光源的间接调制通常称为光源的外部调制，它是由恒定光源输出激光后，外加光调制器对光进行调制目前可以使用的外部调制方式有电光调制、声光调制和磁光调制。电光调制最容易实现，在光纤通信系统广泛使用，下面加以介绍。电光调制的基本工作原理是晶体的线性电光效应。电光效应是指电场引起晶体折射率变化的现象，能够产生电光效应的晶体称为电光晶体。电光调制器可以利用电光效应进行电光相位调制、电光强度调制和电光频率调制。2．模拟信号与数字信号的直接调制模拟信号调制是直接用连续的模拟信号(如话音、电视等信号)对光源进行调制，这类调制要考虑到非线性失真的问题。数字信号调制是直接用数字信号对光源进行调制3．LD调制特性(1)电光延迟电光延迟就是在电信号到来时，光信号相对于电信号的时间延迟，用延迟时间td来表示，电光延迟的原因是由于载流子浓度达到激光阈值需要一定的时间(约0.5～2.5ns)。理论和实验都证实，LD预偏置在阈值附近，td可以显著减小，且这时载流子寿命τsp也缩短了，有利于提高调制速率。(2)张驰振荡

当电流脉冲突然加到LD上，其光输出呈现图4-4-6所示的动态响应，这是注入电子与所产生的光子间相互作用的量子力学过程。当注入电流从零快速增大到阈值以上时，经电光延迟后产生激光输出，并在脉冲顶部出现阻尼振荡，经过几个周期后达到平衡值，这种特性称为张驰振荡特性。除了电光延迟和张弛振荡外还有(3)码型效应(4)小信号输入的频率响应(5)大信号输入的频率响应4.5光发送机

在光纤通信系统中，光发送机是实现电光转换的光端机。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆中去传输。1．光发送机的要求1）有合适的输出光功率

光发送机的输出光功率，通常是指耦合进光纤的功率，亦称入纤功率。入纤功率越大，可通信的距离就越长，但光功率太大也会使系统工作在非线性状态，对通信将产生不良影响。因此，要求光源应有合适的光功率输出，一般为0.01～5mW。与此同时，要求输出光功率要保持恒定，在环境温度变化或器件老化的过程中，稳定度要求为5%～10%.2）良好的消光比消光比的定义为全“1”码平均发送光功率与全“0”码平均发送光功率之比，可用下式表示：（4-5-1）式中，P11为全“1”码时的平均光功率；P00为全“0”时的平均光功率。理想情况下，当进行“0”码调制时应没有光功率输出，但实际输出的是功率很小的荧光，这给光纤通信系统引入噪声，从而造成接收机灵敏度降低，故一般要求EXT≥10dB。3）调制特性要好

所谓调制特性要好，是指光源的P-I曲线在使用范围内线性特性良好，否则再调制后将产生非线性失真。2．光发送机的组成光发送机的组成包括输入电路，反馈稳定驱动电路，光源与光纤的耦合、自动温度控制电路、自动功率控制电路及保护电路等。光发送机有直接调制光发送机和外部调制光发送机两种结构。直接调制的光发送机较为简单，所以目前使用的光发射机大多数是直接调制的光发送机，它的原理如图4-5-1所示。外部调制电路目前采用的不多，但在超高速光纤系统