光源和光发射机

光源和光发射机1第一页，共七十八页，编辑于2023年，星期日4.1与激光器有关的概念光源是光纤通信系统中光发射机的重要组成部件，其主要作用是将电信号转换为光信号送入光纤。目前用于光纤通信的光源包括半导体激光器（LaserDiode，LD）和半导体发光二极管（LightEmittingDiode，LED）。2第二页，共七十八页，编辑于2023年，星期日4.1与激光器有关的概念1．光子的概念2．费米能级3．光和物质的相互作用3第三页，共七十八页，编辑于2023年，星期日1．光子的概念光是由能量为hf的光量子组成的，其中h=6.626×10-34J·S，称为普朗克常数；f是光波频率。人们将这些光量子称为光子。不同频率的光子具有不同的能量。光具有波、粒两重性。4第四页，共七十八页，编辑于2023年，星期日2．费米能级（1）原子能级的概念物质是由原子组成的，而原子是由原子核和核外电子构成的。当物质中原子的内部能量变化时，可能产生光波。电子在原子中围绕原子核按一定轨道运动，而且只能有某些允许的轨道。由于在每一个轨道内运动，就相应具有一定的电子能量，因此，电子运动的能量只能有某些允许的数值。这些所允许的能量值因轨道不同，都是一个个地分开的，即是不连续的。我们把这些分立的能量值称为原子的不同能级。5第五页，共七十八页，编辑于2023年，星期日2．费米能级（2）费米能级电子按能量大小的分布确有一定的规律。电子占据能级的概率遵循费米能级统计规律：在热平衡条件下，能量为E的能级被一个电子占据的概率为费米统计规律是物质粒子能级分布的基本规律它反映了物质中的电子按一定规律占据能级6第六页，共七十八页，编辑于2023年，星期日费米分布函数变化曲线7第七页，共七十八页，编辑于2023年，星期日3．光和物质的相互作用光可以被物质吸收，也可以从物质中发射。在研究光与物质的相互作用时，爱因斯坦指出，这里存在着三种不同的基本过程，即自发辐射、受激吸收以及受激辐射。8第八页，共七十八页，编辑于2023年，星期日3．光和物质的相互作用（1）自发辐射发射光子的频率自发辐射的特点如下：①这个过程是在没有外界作用的条件下自发产生的，是自发跃迁。②辐射光子的频率亦不同，频率范围很宽。③电子的发射方向和相位也是各不相同的，是非相干光。9第九页，共七十八页，编辑于2023年，星期日3．光和物质的相互作用原子的自发辐射10第十页，共七十八页，编辑于2023年，星期日3．光和物质的相互作用（2）受激吸收物质在外来光子的激发下，低能级上的电子吸收了外来光子的能量，而跃迁到高能级上，这个过程叫做受激吸收。受激吸收的特点如下。①这个过程必须在外来光子的激发下才会产生，因此是受激跃迁。②外来光子的能量要等于电子跃迁的能级之③受激跃迁的过程不是放出能量，而是消耗外来光能。11第十一页，共七十八页，编辑于2023年，星期日3．光和物质的相互作用原子的受激吸收12第十二页，共七十八页，编辑于2023年，星期日3．光和物质的相互作用（3）受激辐射处于高能级E2的电子，当受到外来光子的激发而跃迁到低能级E1时，放出一个能量为hf的光子。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，因此叫做受激辐射。13第十三页，共七十八页，编辑于2023年，星期日3．光和物质的相互作用受激辐射的特点如下。①外来光子的能量等于跃迁的能级之差。②受激过程中发射出来的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，因此称它们是全同光子。③这个过程可以使光得到放大。14第十四页，共七十八页，编辑于2023年，星期日3．光和物质的相互作用原子的受激辐射15第十五页，共七十八页，编辑于2023年，星期日4.2激光器的工作原理激光器是指能够产生激光的自激振荡器。要使得光产生振荡，必须先使光得到放大，而产生光放大的前提，由前面的讨论可知，是物质中的受激辐射必须大于受激吸收。受激辐射是产生激光的关键。16第十六页，共七十八页，编辑于2023年，星期日4.2激光器的工作原理1．粒子数反转分布与光放大之间的关系2．激光器的基本组成3．光学谐振腔4．激光器的参量17第十七页，共七十八页，编辑于2023年，星期日1．粒子数反转分布与光放大之间的关系在热平衡条件下，物质不可能有光放大作用要想物质能够产生光的放大，就必须使受激辐射作用大于受激吸收作用，也就是必须使N2>N1。这种粒子数一反常态的分布，称为粒子数反转分布。粒子数反转分布状态是使物质产生光放大的必要条件。将处于粒子数反转分布状态的物质称为增益物质或激活物质。18第十八页，共七十八页，编辑于2023年，星期日2．激光器的基本组成激光振荡器必须包括以下三个部分：能够产生激光的工作物质，能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源，能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。19第十九页，共七十八页，编辑于2023年，星期日3．光学谐振腔①光学谐振腔的结构。在增益物质两端，适当的位置，放置两个反射镜M1和M2互相平行，就构成了最简单的光学谐振腔。如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是球面镜，则称为球面腔。20第二十页，共七十八页，编辑于2023年，星期日3．光学谐振腔对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，如M1的反射系数r=1；另一个为部分反射，如M2的反射系数r<1，产生的激光由此射出。②谐振腔如何产生激光振荡。21第二十一页，共七十八页，编辑于2023年，星期日3．光学谐振腔图3-5光学谐振腔的结构22第二十二页，共七十八页，编辑于2023年，星期日3．光学谐振腔激光器示意图23第二十三页，共七十八页，编辑于2023年，星期日3．光学谐振腔综合上述分析可知，要构成一个激光器，必须具备以下三个组成部分：工作物质、泵浦源和光学谐振腔。工作物质在泵浦源的作用下发生粒子数反转分布，成为激活物质，从而有光的放大作用。激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。24第二十四页，共七十八页，编辑于2023年，星期日4．激光器的参量（1）平均衰减系数α在光学谐振腔内产生振荡的先决条件是放大的光能要足以抵消腔内的损耗。谐振腔内损耗的大小用平均衰减系数α表示为25第二十五页，共七十八页，编辑于2023年，星期日4．激光器的参量（2）增益系数激活物质的放大作用用增益系数G来表示。G表示光通过单位长度的激活物质之后，光强增长的百分比。26第二十六页，共七十八页，编辑于2023年，星期日4．激光器的参量激活物质的放大作用27第二十七页，共七十八页，编辑于2023年，星期日4．激光器的参量（3）阈值条件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为其中Gt称为阈值增益系数。激光器的阈值条件只决定于光学谐振腔的固有损耗。损耗越小，阈值条件越低，激光器就越容易起振。28第二十八页，共七十八页，编辑于2023年，星期日4．激光器的参量（4）谐振频率谐振频率是光学谐振腔的重要参数。光学谐振腔的谐振条件或称驻波条件29第二十九页，共七十八页，编辑于2023年，星期日4.3半导体激光器半导体激光器是有阈值的器件，它和发光二极管（LED）同属半导体发光器件。光纤通信对半导体发光器件的基本要求有下列几点。（1）光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口,即短波长波段的0.85μm、长波长波段的1.31μm与1.55μm。。（2）能长时间连续工作，并能提供足够的光输出功率。（3）与光纤的耦合效率高。（4）光源的谱线宽度窄。（5）寿命长，工作稳定。30第三十页，共七十八页，编辑于2023年，星期日4.3半导体激光器1．半导体激光器（LD）的结构和工作原理2．半导体激光器的工作特性31第三十一页，共七十八页，编辑于2023年，星期日1．LD的结构和工作原理用半导体材料作为激活物质的激光器，称为半导体激光器。在半导体激光器中，从光振荡的形式上来看，主要有两种方式构成的激光器，一种是用天然解理面形成的F-P腔（法布里-珀罗谐振腔），这种激光器称为F-P腔激光器；另一种是分布反馈型（DFB）激光器。32第三十二页，共七十八页，编辑于2023年，星期日1．LD的结构和工作原理F-P腔激光器从结构上可分为同质结半导体激光器、单异质结半导体激光器和双异质结半导体激光器。33第三十三页，共七十八页，编辑于2023年，星期日1．LD的结构和工作原理半导体激光器的结构示意图34第三十四页，共七十八页，编辑于2023年，星期日1．LD的结构和工作原理InGaAsP双异质结条形激光器示意图35第三十五页，共七十八页，编辑于2023年，星期日1．LD的结构和工作原理半导体的能带分布。①本征半导体的能带分布。②P型半导体和N型半导体的形成。③在重掺杂情况下，N型半导体和P型半导体的能带分布。④P-N结外加正偏压后的能带分布以及激光的产生。36第三十六页，共七十八页，编辑于2023年，星期日1．LD的结构和工作原理本征半导体的能带分布37第三十七页，共七十八页，编辑于2023年，星期日1．LD的结构和工作原理N型半导体和P型半导体重掺杂能带图38第三十八页，共七十八页，编辑于2023年，星期日1．LD的结构和工作原理P-N结空间电荷区39第三十九页，共七十八页，编辑于2023年，星期日1．LD的结构和工作原理④P-N结外加正偏压后的能带分布以及激光的产生。ⅠP-N结空间电荷区的形成。ⅡP-N结形成后的能带分析。ⅢP-N结外加正偏压后的能带分布。Ⅳ激光的产生。40第四十页，共七十八页，编辑于2023年，星期日1．LD的结构和工作原理P-N结形成后的能带分布41第四十一页，共七十八页，编辑于2023年，星期日1．LD的结构和工作原理外加正偏压后P-N结的能带分布42第四十二页，共七十八页，编辑于2023年，星期日2．半导体激光器的工作特性（1）阈值特性对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流值称为阈值电流，用It表示。43第四十三页，共七十八页，编辑于2023年，星期日2．半导体激光器的工作特性激光器输出特性曲线44第四十四页，共七十八页，编辑于2023年，星期日2．半导体激光器的工作特性（2）光谱特性半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变化。激光器产生的激光有多模和单模。45第四十五页，共七十八页，编辑于2023年，星期日2．半导体激光器的工作特性（2）光谱特性半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变化。激光器产生的激光有多模和单模。46第四十六页，共七十八页，编辑于2023年，星期日2．半导体激光器的工作特性GaAs激光器的光谱47第四十七页，共七十八页，编辑于2023年，星期日2．半导体激光器的工作特性GaAlAs/GaAs激光器的典型输出光谱48第四十八页，共七十八页，编辑于2023年，星期日2．半导体激光器的工作特性（3）温度特性激光器的阈值电流和光输出功率随温度变化的特性为温度特性。49第四十九页，共七十八页，编辑于2023年，星期日2．半导体激光器的工作特性激光器阈值电流随温度变化的曲线50第五十页，共七十八页，编辑于2023年，星期日2．半导体激光器的工作特性（4）转换效率半导体激光器是把电功率直接转换成光功率的器件，衡量转换效率的高低常用功率转换效率来表示。激光器的功率转换效率定义为输出光功率与消耗的电功率之比，用ηP表示。51第五十一页，共七十八页，编辑于2023年，星期日4.4发光二极管发光二极管（LED）是非相干光源，是无阈值器件，它的基本工作原理是自发辐射。

发光二极管与半导体激光器差别是：发光二极管没有光学谐振腔，不能形成激光。仅限于自发辐射，所发出的是荧光，是非相干光。半导体激光器是受激辐射，发出的是相干光。52第五十二页，共七十八页，编辑于2023年，星期日

LED也多采用双异质结芯片，不同的是LED没有解理面，即没有光学谐振腔。由于不是激光振荡，所以没有阈值。

LED分为两大类：一类是面发光型LED，另一类是边发光型LED4.4发光二极管53第五十三页，共七十八页，编辑于2023年，星期日

常用的两类发光二极管（LED）4.4发光二极管54第五十四页，共七十八页，编辑于2023年，星期日（1）光谱特性

LED谱线宽度∆λ比激光器宽得多。下图是InGaAsPLED的输出光谱。

4.4发光二极管55第五十五页，共七十八页，编辑于2023年，星期日

（2）输出光功率特性两种类型LED输出光功率特性。驱动电流I较小时，P−I曲线的线性较好；当I过大时，由于P-N结发热产生饱和现象，使P−I曲线的斜率减小4.4发光二极管56第五十六页，共七十八页，编辑于2023年，星期日

（3）温度特性由于LED是无阈值器件，因此温度特性较好（4）耦合效率由于LED发射出的光束的发散角较大，因此与光纤的耦合效率较低。一般只适于短距离传输（5）使用寿命长4.4发光二极管57第五十七页，共七十八页，编辑于2023年，星期日

（6）调制特性调制频率较低。在一般工作条件下，面发光型LED截止频率为20MHz～30MHz，边发光型LED截止频率为100MHz～150MHz。4.4发光二极管58第五十八页，共七十八页，编辑于2023年，星期日

比较：

LED与LD相比，LED输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。但LED性能稳定，寿命长，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。4.4发光二极管59第五十九页，共七十八页，编辑于2023年，星期日4.5光源的调制光源所采用的调制方式包括内调制和外调制（也称为直接调制或间接调制）。60第六十页，共七十八页，编辑于2023年，星期日4.5光源的调制直接调制：直接在光源上进行调制，调制半导体激光器的注入电流。间接调制：在光源输出的通路上外加调制器来对光波进行调制。可通过光电效应或其他方式实现对光波的调制61第六十一页，共七十八页，编辑于2023年，星期日4.5光源的调制直接调制的方法：模拟强度调制（AIM） 脉位调制（PPM）数字调制（PCM-IM）

62第六十二页，共七十八页，编辑于2023年，星期日4.5光源的调制半导体光源的直接调制原理63第六十三页，共七十八页，编辑于2023年，星期日4.5光源的调制在IM-DD光纤通信系统中，采用的是内调制。通常内调制适用于半导体光源。缺点：动态谱线增宽；调制时延；调制速度受限。64第六十四页，共七十八页，编辑于2023年，星期日4.5光源的调制间接调制方法：光电调制器声光调制器

65第六十五页，共七十八页，编辑于2023年，星期日4.6光发射机(2)对光发射机的要求①光源的发光波长要合适②合适的输出光功率③较好的消光比④调制特性好此外还希望光发射机的稳定性好，光源的寿命长等。66第六十六页，共七十八页，编辑于2023年，星期日光数字发射机原理图扰码编码扰码编码驱动67第六十七页，共七十八页，编辑于2023年，星期日4.6光发射机(3)光发射机的组成方框图和各部分功能①均衡放大②码型变换③时钟68第六十八页，共七十八页，编辑于2023年，星期日4.6光发射机④扰码为了保证所提取时钟的频率以及相位与光发射机中的时钟信号一致，必须避免所传信号码流中出现长“0”或长“1”的现象。解决这一问题的方法就是扰码，即在发送端加入一个扰码电路，而在接收端则要加一个与扰码相反的解扰电路，以恢