光纤通信：第二章 光信号产生机制

第二章光信号产生机制VocabularyChapter22SOEI,HUSTOpticaltransmitter：光发射机LED:发光二极管LD：激光二极管Spontaneousemission：自发辐射Stimulatedemission：受激发射Stimulatedabsorption：受激吸收Boltzmanstatistics：玻尔兹曼统计分布Thermalequilibrium：热平衡Spectraldensity：光谱密度Populationinversion：粒子数反转Fermi-Diracdistribution：费米狄拉克分布Conductionband：导带Valenceband：价带Forward-biased：正向偏置Junction：结Fermilevel：费米能级Bandgap：带隙Heavydoping：重掺杂Homojunction：同质结Heterojunction：异质结Doubleheterostructure：双异质结recombination：复合Claddinglayer：包层Augerrecombination：俄歇复合Kineticenergy：动能Nonradiativerecombination：非辐射复合Surfacerecombination：表面复合Internalquantumefficiency：内量子效率Directbandgap：直接带隙Indirectbandgap：非直接带隙Carrierlifetime：载流子寿命Latticeconstant：晶格常数Ternaryandquaternarycompound：三元系和四元系化合物Substrate:衬底LPE：液相外延VPE：汽相外延MBE：分子束外延MOCVD：改进的化学汽相沉积MQW:多量子阱Electron-holepairs电子空穴对Externalquantumefficiency外量子效率Chapter23SOEI,HUSTFresneltransmissivity菲涅耳透射率Power-conversionefficiency功率转换效率Wall-plugefficiency电光转换效率Responsivity响应度Rateequation速率方程Surface-emitting表面发射Beamdivergence光束发散Edge-emitting边发射Resonantcavity谐振腔Gaincoefficient增益系数Differentialgain微分增益Laserthreshold激光阈值Thresholdcurrent阈值电流Groupindex群折射率Externalcavity外腔VCSEL:verticalcavitysurface-emittinglasers垂直腔表面发射激光器Photonlifetime光子寿命Slopeefficiency斜率效率Differentialquantumefficiency微分量子效率Linewidthenhancementfactor线宽加强因子Broadarea宽面Stripegeometry条形Diffusion扩散Index-guided折射率导引Ridgewaveguidelaser脊波导激光器Buriedheterostructure掩埋异质结Lateral侧向Transverse横向SLM:SingleLongitudinalmode单纵模MSR:Modesuppressionratio模式抑制比DFB:DistributedFeedback分布式反馈Braggdiffraction布拉格衍射Braggcondition布拉格条件DBR:distributedBraggreflector分布式布拉格反射器Phase-shiftedDFBlaser相移DFB激光器Gaincoupled增益耦合Coupledcavity耦合腔Characteristicstemperature特征温度OOK开关键控DPSK差分相移键控QPSK正交相移键控QAM正交幅度调制Dualpolarization双偏振态（偏振复用）Chapter24SOEI,HUST第二章光信号产生机制2.1光发射机结构2.2半导体发光原理2.3半导体激光器(发光二极管)及发光特点2.4发射机设计2.5外调制及先进调制形式Chapter25SOEI,HUST2.1.1光发射机原理图单个二进制编码/线路编码调制器光源驱动电路PCM信道耦合器光信号输出Chapter26SOEI,HUST偏置电流调制电流(≥10Gbit/s)调制电流偏置电流(≤2.5Gbit/s)直接调制外调制Chapter27SOEI,HUST稳定性:功率&波长可靠性:>25年(PouttoPout/2)小发射区域便于与纤芯匹配合适的波长范围0.85µm:GaAlAs/GaAs1.31µm,1.55µm:InP/InGaAsP窄线宽→减少色散及相位噪声易于直接调制高效率&低阈值:MQW-LD,Ith~10mAMQWDFBLD2.1.2光源要求Chapter28SOEI,HUSTChap.2光信号产生机制2.1光发射机结构2.2半导体发光原理2.3半导体激光器(发光二极管)及发光特点2.4发射机设计2.5外调制及先进调制形式Chapter29SOEI,HUST1.三种基本跃迁过程

自发辐射→LED

受激辐射→LD,SOA

受激吸收→PIN,APD

光发射2.2.1半导体能带受激辐射自发辐射受激吸收光接收Chapter210SOEI,HUSTE2N2N1E1:光谱密度热平衡下,根据波尔兹曼统计规律:kB:波尔兹曼常数T:绝对温度普朗克公式:2.发射及吸收速率Chapter211SOEI,HUST可见光及近红外区域，室温条件下：,热辐射源N2>N1,Rstim>Rabs(粒子数反转)热平衡

受激辐射

?光放大条件:外界泵浦实现粒子数反转:注入电流,泵浦光源.

爱因斯坦系数Chapter212SOEI,HUST3.电子—空穴对复合Efc,Efv分别为导带及价带的费米能级费米狄拉克统计分布=》电子空穴对在导带及价带的分布概率密度:半导体的导带与价带.Chapter213SOEI,HUSTρcv:联合态密度，定义为单位体积单位能量范围内的总态数Eg:带隙

mr:折合质量mc,mv:分别为导带及价带中电子和空穴的有效质量Chapter214SOEI,HUST粒子数条件:热平衡下:泵浦方法：注入电流得到泵浦能力使费米能级分离:激光输出条件,Chapter215SOEI,HUST2.2.2p-n结半导体类型本征半导体:无掺杂.费米能级位于禁带中心N型半导体:随着掺杂浓度增加，费米能级向导带移动P型半导体:随着掺杂浓度增加，费米能级向价带移动Chapter216SOEI,HUST热平衡下正向偏置下2.p-n结正向偏置下:内建电场减小形成扩散电流电子-空穴对在有源区复合通过自发辐射和受激辐射产生光子热平衡下:

通过p-n结的费米能级必须是连续的通过扩散过程使Fc=FvChapter217SOEI,HUST同质结:p、n采用相同带隙材料相同半导体材料电子-空穴对复合区域宽难以获得高浓度载流子异质结:p、n采用不同带隙材料双异质结:在p型和n型半导体间夹一薄层,并让它的带隙隔小于其他层（窄带隙夹层）3.同质结&异质结Chapter218SOEI,HUST(a)同质结

和(b)双异质结的

p–n结

在热平衡条件(上)和正向偏置时(下)的能带图Chapter219SOEI,HUST有源层:电子空穴对易在此复合，光子产生窄带隙→高折射差→波导(1D)异质结:限制载流子&光导0.85µm:

包层/有源层:GaAlAs/GaAs1.31µm,1.55µm:

包层/有源层:InP/InGaAsP在双异质结设计结构中，同时限制载流子和光场Chapter220SOEI,HUST1.电子-空穴复合缺陷复合表面复合俄歇复合非辐射复合2.2.3非辐射复合辐射服和辐射服和辐射服和辐射复合自发辐射受激辐射非辐射复合光热量电子或空穴的动能Chapter221SOEI,HUST2.内量子效率Rrr:辐射复合速率Rnr:非辐射复合速率Rtot:总复合速率τ:复合时间

非辐射复合,特别俄歇复合(温度影响)对设备有害!正反馈Chapter222SOEI,HUSTE0E0k1k2直接带隙(GaAs,InP)间接带隙(Si,Ge)3.载流子寿命A:缺陷&陷阱复合系数

B:自发辐射复合系数C:俄歇复合系数

<<<<Chapter223SOEI,HUST第二章光信号产生机制2.1光发射机结构2.2半导体发光原理2.3半导体激光器(发光二极管)及发光特点2.4发射机设计2.5外调制及先进调制形式Chapter224SOEI,HUST2.3.1振幅和相位条件优点(与LED相比):输出高功率(to100mW)发散角小窄线宽高频率下能实现直接调制(to10GHz)1.LD的条件和构成:增益媒介光增益半导体材料谐振腔光反馈泵浦源粒子数反转注入电流外置谐振腔内置光栅Chapter225SOEI,HUST媒介的峰值增益:

当

:微分增益系数(gaincrosssection) :注入载流子密度 :透明时载流子密度:阈值载流子密度NT

与Nth

相同

?2.光增益Chapter226SOEI,HUST1.3-μmInGaAsP激光器在不同载流子密度

N下的光谱增益.不同载流子密度N.和峰值增益gp关系。虚线表示高增益区域线性性能。Chapter227SOEI,HUST反馈R1R2n0=1n3.反馈和激光阈值不镀膜Chapter228SOEI,HUST阈值

Chapter229SOEI,HUST振幅条件相位条件谐振频率间隔谐振频率阈值增益MLMChapter230SOEI,HUST2.3.2LD结构1.宽广型半导体激光器宽广型半导体激光器.有源层夹在宽带隙材料制成的p-n型材料之间，如阴影部分所示双异质结结构特点可解释结区垂直方向上光的限制机理XY近场分布Chapter231SOEI,HUST结的平行方向光不受限制光产生于整个激光器宽度范围内薄夹层中阈值电流高且空间模式呈椭圆，模式不易受电流控制远场光波导模式分布如何？

Chapter232SOEI,HUST2.条型半导体激光器增益波导半导体激光器使用的两个条型激光器结构截面设计增益导引半导体激光器，被称为(a)氧化条型和(b)结条型XYChapter233SOEI,HUST通过条形区域限制注入电流从而解决光限制问题随着激光器功率增加，光斑尺寸仍不稳定Chapter234SOEI,HUST折射率波导半导体激光器两个折射率导引型半导体激光器的横截面：(a)山脊型波导结构用于弱折射率导引；(b)etched-mesaburiedheterostructureforstrongindexguiding。XYChapter235SOEI,HUST当光在腔内尺寸小于波长，表现出量子特性多于波特性。3.多量子阱半导体激光器在多量子阱结构中，经常一系列量子阱一个相邻另一个的顶端。相邻的分离层厚度很小(~10nm)并且具有不同的带隙。多量子阱结构能降低发射阈值，限制横模模式形成，具有的光谱线宽小于常见结构。Chapter236SOEI,HUST同质结双异质结条形结构多量子阱结构注入载流子、输出光子限制作用逐渐增强,电流阈值更低，斜率效率提高。Chapter237SOEI,HUSTSideModeSuppressionRatio(SMSR):or多纵模损耗单纵模2.3.3纵模调制Chapter238SOEI,HUST反馈不仅是发生在端面而是分布在整个腔长范围内。内置光栅形成折射率的周期性变化。反馈依靠布拉格衍射实现，布拉格衍射产生前向或后向行波，前向与后向行波相互耦合。DFB激光器的模式选择性：波长满足布拉格条件才能发生耦合。布拉格条件为：1.分布反馈激光器(DFB)Chapter239SOEI,HUST2.外腔激光器

结构：LD，衍射光栅，反射镜，聚焦透镜。调节反射镜角度可控激光波长。通过优化组件结构，当波长改变时，激光谐振腔不会产生模式跳变。常见Chapter240SOEI,HUST3.取样光栅DBR激光器DBR:分布布拉格反射器Chapter241SOEI,HUST4.解理耦合腔激光器由常见多纵模半导体激光器从中间解理制成，中间由窄带隙(~1μm)空气分开。带隙宽度适当时，解理面约30%的反射率可使分裂的两部分具有较强的光场耦合。作为模式控制器，通过改变一个腔的注入电流可以调整可调谐输出波长范围~20nm。为了避免模式跳跃，调谐并不能连续，大约有2nm调谐间隔。Chapter242SOEI,HUSTR>98%5.VCSELs(垂直腔表面发射激光器)Chapter243SOEI,HUST镜子栈由具有不同折射率材料构成的交替层制成，形成布拉格光栅，具有波长选择性。有源区短，外延生长高反射率DBR反射镜形成微腔结构。绝缘氧化铝层，作为介质控制，应用氧化隔离技术限制了电流和光学横向模式。低分化圆形光束使光纤耦合更为简单、高效。典型的耦合输出功率为几毫瓦。Chapter244SOEI,HUST2.3.4噪声和线宽1.噪声机理电流偏置恒定，强度、相位、频率仍会波动。噪声机理：每个自发发射光子增至相干场（受激辐射产生）上，以随机方式扰乱振幅和相位。强度波动限制信噪比(SNR)，相位波动限制谱线宽。Chapter245SOEI,HUST2.线宽和测量方法修改后的Scholow-Towns公式给出了线宽和自发辐射之间的关系:

P,激光腔内光子密度;Rsp

,自发辐射因子;αlw,线宽增强因子谱宽和线宽Chapter246SOEI,HUST线宽决定相干时间和相干线宽：相干长度描述了在相干时间内光信号传播距离，vg

是光信号群速度一光源线宽约为10kHz,相干长度约为30km.相干时间是线宽的倒数。线宽测量由延时自外差技术实现。如果马赫-泽德的差分延时比光信号相干时间长，通过不同路径的响应部分在第二个光耦合器非相干耦合。它等同于两个具有相同谱宽的独立光源叠加。Chapter247SOEI,HUSTESA线宽测量方法OCOCChapter248SOEI,HUST在延迟自差检测中频率转换和线宽的关系声光频率调制器(AOFM)用作频移器，避免大多数电频谱分析仪(ESA)低频区的高噪水平。AOFM在fIF附近大致可产生几百兆频移。因此光信号外差检测可在光电探测器中运用。Chapter249SOEI,HUST如果规范化无线电谱密度通过ESA测量为SIF(f)，光信号功率谱密度Sp,s(f)将满足下面自卷积：Chapter250SOEI,HUST2.3.5LD连续波（CW）特点

1.速率方程对单纵模激光器，速率方程如下：P,N:光子&载流子数目净受激辐射速率，相当于光增益：g:材料峰值增益:增益横截面/微分增益系数光子寿命：Chapter251SOEI,HUSTForI>Ith,R1=R22.连续激光（CW）

运行条件：Chapter252SOEI,HUSTP-I曲线阈值自发辐射受激辐射I0:常数,T0:特征温度GaAs:T0=120K,InGaAsP:T0=50~70KP-I曲线弯曲度

Rnr:主要取决于InGaAsPLDs的俄歇复合解决方法:在InGaAsPLDs中内置半导体制冷器3.P-I曲线Chapter253SOEI,HUST内量子效率:斜率效率:微分量子效率:外量子效率:总量子效率:GaAsl激光器:InGaAsP激光器:4.效率Chapter254SOEI,HUST2.3.6LDs的调制响应

小信号调制:频率响应:1.小信号调制调制带宽:弛豫振荡频率弛豫振荡电阻率Chapter255SOEI,HUST偏置时，调制频率函数与调制响应关系调制频率远大于Ωr时

，响应度急剧下降。Chapter256SOEI,HUST2.大信号调制高速通信使用外调制频率啁啾βc:幅度-相位耦合参数，对大体积材料：4~8，对MQW:~3.频移:前沿:纵模频率蓝移（升高）后沿:纵模频率红移（下降）

Chapter257SOEI,HUST电光延迟&弛豫振荡当激光器受外界泵浦，粒子数反转后上能级粒子数得到累积，才能输出激光。输出激光迅速消耗上能级粒子数。如果泵浦不够快，激光输出将迅速停止。当泵浦足够使粒子数反转时，激光有马上恢复输出。Chapter258SOEI,HUST第二章光信号产生机制2.1光发射机结构2.2半导体发光原理2.3半导体激光器(发光二极管)及发光特点2.4发射机设计2.5外调制及先进调制形式Chapter259SOEI,HUST2.4.1基本概念1.数字调制LD数字调制对于LD直接调制。偏置设在阈值附近。缓解电光延迟和弛豫振荡抑制码型效应恶化消光比&增强散粒噪声Chapter260SOEI,HUST2.数字逻辑电平

0 1 TTL:0~0.8V 2.0~5.0V (-5V)ECL:-1.75V -0.85 V (+5V)PECL:+3.25V +4.15 V3.消光比PP1P00tChapter261SOEI,HUST4.光源-光纤耦合

5.封装

光源光纤Rf涂层透镜光纤die基板PD冷源TEC制冷光纤金属外壳TEC(ThermallyExpandCore)FiberChapter262SOEI,HUSTChapter263SOEI,HUST2.4.2驱动和调制回路1.自动功率控制（APC）数字调制回路T1和T2轮流截止和导通，避免载流子恢复时间的影响，可工作于高速率；射极耦合电路为恒流源，总电流可保持不变，噪声小；由于T2和T3导通电压的负温度特性，可另加两个二极管D1、D2对T2、T3进行补偿，使温度变化时驱动电流保持恒定。Chapter264SOEI,HUST热敏电阻RT接在电桥的一个臂上；在设定温度下，电桥处于平衡状态，制冷器没有电流流过；由于热敏电阻具有负的温度系数，温度升高时电桥平衡被破坏，制冷器开始工作，从而可使得LD的结温不超过设定温度。由于VT的单向导通特性，图示电路中的制冷器只能工作在单一模式（制冷或加热）2.自动时间校正（ATC）

回路Chapter265SOEI,HUST第二章光信号产生机制2.1光发射机结构2.2半导体发光原理2.3半导体激光器(发光二极管)及发光特点2.4发射机设计2.5外调制及先进调制形式Chapter266SOEI,HUST2.5.1外调制及调制器电吸收调制器（EAM）1.外调制EAM利用夫兰兹-凯耳什效应(Franz–Keldysheffect),依据电场作用半导体带隙减小的特性因此，当外部施加电压时，能量带隙减小，透明半导体层开始吸收光。Chapter267SOEI,HUST特点:相对较低驱动电压(~2V)批量生产具有成本效益，易于集成连续波长吸收减小动态消光比(<10dB)频率啁啾较大限制光功率处理能力Chapter268SOEI,HUST马赫-泽德调制器(MZM)光波导马赫-泽德干涉仪行波阻抗匹配电极结构马赫-泽德调制器通过光学相位调制和干涉原理

制成干涉仪电光材料（如LiNbO3

）的折射率随外部施加电压变化而改变电压引起折射率变化从而引入相移Chapter269SOEI,HUST2.MZMs工作原理相应手臂的相移:输出光场:改变一只手臂的电压入相移变化π,使光场由1变化为0，对应的电压称为开关电压Vπ。Chapter270SOEI,HUSTV1(t)=-V2(t),Eout(t)中相位项被消除，称之为推拉操作。输出光场强度:正弦功率传递函数Chapter271SOEI,HUST偏置和调制电压:单驱动MZM电场NRZ数据Chapter272SOEI,HUST2.5.2光信号产生1.NRZ码型反向加载正向加载1111100000波形眼图Chapter273SOEI,HUST2.RZ码型33%RZNRZ67%CSRZChapter274SOEI,HUSTPulsecarvingDifferentRZformatscanbeimplementedby

pulsecarving:50%RZ—在最大和最小传输之间利用数据速率B进行正弦驱动，也就是，振荡幅值设为Vπ/2，偏置电压设置为-Vπ/2.输出光强为:因此

，占空比为50%.Chapter275SOEI,HUST33%RZ—在传输极小值间利用数据速率B/2的正弦驱动，产生占空比为33%的脉冲67%CSRZ--在传输极大值间利用数据速率B/2的正弦驱动，产生占空比为67%、具有交替相位的脉冲？Chapter276SOEI,HUST3.NRZ-DPSK/BPSK码型010利用推拉模式，andOpticalNRZ-DPSK/BPSK