第05章光源与光发送机.ppt

1、1,第五章 光源与光发送机,5.1 半导体光源的物理基础 5.2 半导体光源的工作原理 5.3 光源的工作特性 5.4 光 发 送 机 5.5 驱动电路和辅助电路,3,5.1 半导体光源的物理基础,半导体物理： 原子的能级、能带以及电子跃迁 自发辐射、受激辐射、受激吸收 半导体本征材料和非本征材料,4,原子核,电子,高能级,低能级,5.1.1 孤立原子的能级和半导体的能带,围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特定的离 散值(离散轨道)，这种现象称为电子能量的量子化。,电子优先抢占低能级,1.孤立原子的能级,5,满带：各个能级都被电子填满的能带,禁带：两个能带之间的区域其宽度直接决定导电

2、性,2.半导体的能带,空带：所有能级都没有电子填充的能带,价带：由最外层价电子能级分裂后形成的能带,未被电子占满的价带称为导带,禁带的宽度称为带隙,6,导体、绝缘体和半导体,导体： (导)价带电子,绝缘体： 无价带电子 禁带太宽,半导体： 价带充满电子 禁带较窄,外界能量激励,满带电子激励成为导带电子,满带留下空穴,7,导带 EC,价带 EV,电子跃迁,带隙 Eg = 1.1 eV,电子态数量,空穴态数量,电子浓度分布,空穴浓度分布,空穴,电子,本征半导体的能带图,电子向导带跃迁 空穴向价带反向跃迁,8,硅的晶格结构,硅的晶格结构 (平面图),本征半导体材料 Si,电子和空穴是成对出现的,Si

3、电子受到激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对出现,E,此时外加电场，发生电子/空穴移动导电,9,As+4,As+5,非本征半导体材料：n型,掺入第V族元素(如磷P, 砷As, 锑Sb)后，某些电子受到很弱的束 缚，只要很少的能量DED (0.040.05eV)就能让它成为自由电子。 这个电离过程称为杂质电离。,施主杂质,10,施主能级,被施主杂质束缚住的多余电子所处的能级称为施主能级 施主能级位于离导带很近的禁带 施主能级上的电子吸收少量的能量DED后可以跃迁到导带,施主能级,电子能量,电子浓度分布,空穴浓度分布,施主杂质电离使导带 电子浓度增加,11,非本征半导体材料：p型,掺入第III族元素

4、(如铟In,镓Ga,铝Al)，晶体只需要很少的能量 DEA Eg 就可以产生自由空穴,B,受主杂质,12,受主能级,被受主杂质束缚的空穴所处的能级称为受主能级 受主能级位于靠近价带EV的禁带中 空穴获得较小的能量DEA后就能反向跃迁到价带成为导电空穴,电子浓度分布,空穴浓度分布,受主能级电离使导带 空穴浓度增加,电子能量,13,光作用下的跃迁和辐射,E2 - E1 = hv,E1,E2,(a) 受激吸收,hv,E1,E2,(b) 自发辐射：非相干光,hv,E1,E2,(c) 受激辐射：相干光,hv,hv,hv,5.1.2 光与物质的相互作用,14,N1：处于低能级的粒子数量 (价带电子数) N

5、2：处于高能级的粒子数量 (导带电子数/价带空穴数) (1) N1 N2，粒子数正常分布状态，光吸收大于光辐射。当光通过这种半导体时，光强按指数衰减。 (2) N2 N1，粒子数反转分布状态，光辐射大于光吸收。当光通过这种半导体时，会产生放大作用。,5.1.3半导体粒子分布状态,问题: 如何得到粒子数反转分布的状态?,5.2 半导体光源,激光器被视为20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LD倍受重视。 光纤通信中最常用的光源是半导体激光器LD和发光二极管LED。 主要差别： 发光二极管输出非相干光； 半导体激光器输出相干光。,16,5.2.1 发光二极管(LED: l

6、ight emitting diode) 的工作原理,原理：外加电场实现粒子数反转，大量电子-空穴对的自发复 合导致发光 为什么要使用LED： 1. 驱动电路简单 2. 不需要温控电路 3. 成本低、产量高 缺点： 4. 输出功率不高：几个毫瓦 5. 谱宽很宽：几十个纳米到上百纳米 应用场合：短距离传输,5.2 半导体光源的工作原理,17,双异质结构,异质结,0.3 mm,不连续的带隙结构 加强对载流子的束缚,不连续分布的折射率 加强对产生光子的约束,18,优点：LED到光纤的耦合效率高,载流子注入,1. 发光二极管的类型结构：面、边和超辐射3种,面发光二极管,19,边发光二极管,优点：与面发

7、光LED比，光出射方向性好 缺点：需要较大的驱动电流、发光功率低,载流子注入,30,120,20,PN结,2. 内建电场的驱动导致载流子做反向漂移运动,1. 浓度的差别导致载流子的扩散运动,5.2.1 发光二极管的工作原理,21,反向偏压使耗尽区加宽,扩散运动被抑制，只存在少数载流子的漂移运动,22,正向偏压使耗尽区变窄,扩散 漂移,n型,p型,23,电致发光,正向偏压使pn节形成一个增益区： -导带主要是电子，价带主要是空穴，实现了粒子数反转 -大量的导带电子和价带的空穴复合，产生自发辐射光,外加正偏压 注入载流子 粒子数反转 载流子复合发光,hv,24,5.2.2 激光二极管的工作原理,激

8、光-LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 受激辐射的光放大) 。 激光器产生激光的条件： 粒子数反转LED也具备 产生大量的受激辐射 光反馈 光放大 (增益 损耗) 相位条件 波长选择,25,光反馈：光学谐振腔,1. 将工作物质置于光学谐振腔 (F-P腔),2. 光的产生及方向选择 1) 少数载流子的自发辐射产生光子 2) 偏离轴向的光子产生后穿出有源区，得不到放大 3) 轴向传播的光子引发受激辐射，产生大量相干光子,3. 通过来回反射，特定波长的光最终得到放大，并被输出,法布里珀罗 (F-P) 谐振腔,2

9、.激光二极管的工作原理,26,法布里-珀罗 (F-P) 激光器立体图,27,阈值条件,光在谐振腔内传播，包括： 1. 增益介质的光放大 2. 损耗： A) 工作物质的吸收 B) 介质不均匀引起的散射 C) 端面反射镜的透射及散射,幅度条件：增益能克服损耗 相位条件：光经反射回到初始位置时与原来相位一致,28,g()为增益系数， 为材料损耗系数。当光经反射镜R1和R2反射在腔内往返传播2L回到原点之后，电场分量为：,能量为hn的光子的辐射强度E()在腔内随传播距离z变化：,谐振腔的光传播,要能在腔内产生稳定的振荡，需要满足下列关系：,在空间中传播的光电场分布可以表示为：,和,(b2L=2mp),

10、光幅度放大,光相长放大,29,传播五周的相位5p/3,传播五周的相位5p/3,传播四周的相位4p/3,传播四周的相位4p/3,传播三周的相位p,传播三周的相位p,传播两周的相位2p/3,传播一周的相位p/3,传播两周的相位2p/3,传播一周的相位p/3,e-jb2L 1 或 b2L 2kp,假设相位变化 b2L = p/3，对于空间某点：,初始时刻的相位0,初始时刻的相位0,30,因此有幅度条件,和相位条件,幅度条件和相位条件,上式表明，激光器只能产生一些离散的波长。每个波长称为激 光器的一个纵模。相邻两波长(纵模)之间的波长之差约为：,31,增益与波长的关系：,其中l0为中心波长,输出光谱：

11、多纵模,如果需要激光器工作在单纵 模状态就需要模式选择技术,32,(N)InGaAsP：发光的作用区，其上下两层称为限制层 根据对横模限制机制的不同进一步可分为： 增益引导型 和 折射率引导型,铟镓砷磷(InGaAsP)双异质结条形激光器：波长13001600 nm,1.激光二极管的类型结构,33,横向约束的双异质结构：增益引导型,机制：利用光增益区宽度来限制横模，(增益区宽度取决于电流流经的区域宽度), 接触区有电流流过，有光增益，其他区域没有，最终，辐射光横模限制在条形有源区内部 特点：1) 辐射功率高，但有2)散光性，且3)工作不稳定,I,15 mm,34,机制：1) 在横向引入一个折射

12、率分布实现对光模式的限制 2) 在横向将电流严格地限制在有源区，使得 60% 的注 入电流用于发光 特点：输出光束具有很好的准直性、能工作在基横模,横向约束的双异质结构：折射率引导型,光强,-10,0,10,FP LD的结构,很难将光导引到光纤,增益导引半导体激光器：沿激光长度方向放置一个窄的条形电极，将注入电流限制在一个窄条里。,缺点：光功率增大时，光斑尺寸不稳定，模式稳定性亦不高。,折射率导引半导体激光器，引入折射率差。结构简单，制造工艺不太复杂，辐射光空间分布稳定性高，被大多数光波系统使用。,36,分布反馈式 (DFB) 激光器,内置布拉格光栅FBG： 只有符合反射条件的 光会得到强烈反

13、射经 历放大过程,输出的波长为：,m是纵模的阶数,37,DFB激光器微观结构,- L相当于F-P激光器的腔长L，每一个L形成一个微型谐振腔 - 很小使得m阶和(m+1)阶模之间的波长间隔比F-P大得多 - 多个微型腔级联易实现选模的同时保证光束能获得足够增益,38,DFB激光器照片,量子阱激光器QW LD,特点： 低阈值电流 高输出功率 窄线宽 频率啁啾改善 调制速率高,有源区厚度薄110nm（FP腔100200nm） 周期结构，将窄带隙的很薄的有源区夹在宽带隙的半导体材料之间，形成势能阱 多个势能阱-多量子阱（MQW），单个势能阱-单量子阱（SQW）,40,5.3.1 LED的工作特性,5.

14、3 光源的工作特性,1. P-I特性,驱动电流较小 - LED P-I特性线性度好 驱动电流较大 - pn结发热产生饱和现象 - 曲线斜率减小 通常，LED工作电流为50100mA，输出光功率为几毫瓦,41,2. 光谱特性,发光二极管发射的是自发辐射光， 没有谐振腔对波长的选择，谱线较宽 谱线宽度-光强下降一半时的波长宽度-半幅全宽,LED光谱特性,42,LED的频率响应可以用下式求解,式中w为调制频率，P(w)为输出光功率，e为注入载流子寿命。 当wc = 1/e时，P(wc) = 0.707P(0)。在接收机中，检测电流正比于光功率。光功率下降到 0.707 时，接收电功率下降到0.707

15、2 = 0.5倍，即下降了3 dB。因此wc定义为截止频率。,3.LED的调制特性,43,适当增加工作电流,载流子寿命缩短,调制带宽增加,一般地： f面 = 2030 MHz f边 = 100150 MHz,不同载流子寿命下的LED调制曲线,44,光电检测器平方检波机制导致了所谓的光调制系统电和光3-dB带宽定义的区别：,光调制系统的电和光3-dB带宽的区别,前面所提及的wc应为电3-dB带宽,45,从电的角度看，光电检测器输出电功率变为原来一半，即系统输出光电流变为0.707时所对应的频率定义为3-dB带宽，即电3-dB带宽,光调制系统的电3-dB带宽,46,从光的角度看，LED输出光功率变

16、为原来的一半时所对应的频率定义为光3-dB带宽，此时光电检测器输出的光电流相应地减小为1/2,光调制系统的光3-dB带宽,47,4.温度特性,温度特性主要影响到LED的平均发送光功率、P-I特性的线性及工作波长。 实际上，LED的工作状态对温度的依赖性要远远小于LD。,48,5.3.2 LD的工作特性,1.LD的P-I特性,阈值电流Ith 当激光器的注入电流IIth时，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加，激光器发出激光。,49,常用的衡量激光器换能指标为：功率效率和量子效率,Rr:辐射复合速率：辐射过程中发射光子， Rnr:非辐射复核速率：导带和价带的能量差以声子的形式释放，转换为晶格的震

17、动,量子效率：内量子效率、外量子效率、外微分量子效率,功率效率(功率转换效率):输出的光功率与消耗的电功率之比,内量子效率,50,对应P-I曲线阈值以上线性部分斜率,外微分量子效率,外量子效率,外量子效率取决于内量子效率，而且与载流子对有源区的注入效率，光子在谐振腔的运输效率和谐振腔端面的取光效率有关,51,2.光谱特性,式子和光谱图表明： 实现单模输出的一条途径是减少谐振腔长，增加模式之间 的波长间隔，使Dl大于增益线宽 (即增加滤波器自由谱宽),52,式中：P(0)是频率为0时LD输出的光功率值；fr为LD的类共振 频率，是LD的阻尼因子。,3.调制特性,LD的频率响应函数：,53,温度升

18、高： - 阈值电流呈指数增长 - 输出功率则明显下降，当达到一定温度时LD不激射,4.温度特性,温控对LD的正常使用至关重要,54,1. 光源的主要技术指标 几种国产半导体光源的主要技术指标,5.3.3 光源的主要技术指标及简易检测,55,光调制方式分类 根据光源与调制信号的关系，可以将光源的调制方式分为直接调制方式和外部(或间接)调制方式。 直接调制: 是指直接将调制信号施加在光源上来完成光源参数的调制过程。外部调制: 通过外部调制器来完成光源参数的调制过程。 (2) 根据已调制信号的性质，可以将光源的调制方式分为模拟调制方式和数字调制方式。,5.4.1 光调制原理,5.4 光发送机,56,

19、2. 已调制信号表达式,由于其他调制方式应用极少，因此我们在这里仅仅给出用电场表示的、常用强度调制方式的已调制信号表达式： 式中：KT为与发送光功率有关的正常数；m为调制系数(0m1)；x(t)为归一化幅度的调制信号波形；c为光载波角频率，0为初相位。,57,5.4.2 光发送机的构成及指标,光发送机构成 数字光发射机主要有光源和电路两部分。光源是实现电/光转换的关键器件，在很大程度上决定着光发射机的性能。 电路的设计应以光源为依据，使输出光信号准确反映输入电信号。,58,2.光发送机主要技术指标,平均发送功率Pt ： 通常指光源尾纤的平均输出光功率。 稳定度 指平均发送光功率的相对变化量。,

20、消光比EX “1”码光脉冲功率与“0”码光脉冲功率之比 实际测量消光比：,59,对通信用光源的要求 (1) 发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，即中心波长应在0.85 m、 1.31 m和1.55 m附近。 光谱单色性要好， 即谱线宽度要窄， 以减小光纤色散对带宽的限制。 ,(2) 电/光转换效率要高，即要求在足够低的驱动电流下， 有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。 发射光束的方向性要好，即远场的辐射角要小，以利于提高光源与光纤之间的耦合效率。 ,60,(3) 允许的调制速率要高或响应速度要快， 以满足系统的大传输容量的要求。 (4) 器件应能在常温下以连续波方式工作， 要求温度稳定

21、性好， 可靠性高，寿命长。 (5) 此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。,调制速率、谱线宽度、输出光功率和光束方向性，直接影响光纤通信系统的传输容量和传输距离，是光源最重要的技术指标。,61,5.5 驱动电路和辅助电路,5.5.1 驱动电路 对驱动电路的要求 一个优良的驱动电路应该满足以下条件： (1) 能够提供较大的、稳定的驱动电流； (2) 有足够快的响应速度，最好大于光源的驱动速度； (3) 保证光源具有稳定的输出特性。,62,2. 驱动电路的工作原理,LED数字系统都是通过控制流经发光管电流的办法达到调制输出光功率的目的。,LED数字信号调制电路只有一级共发射极的晶体

22、管调制电路，晶体管用作饱和开关，晶体管的集电极电流就是LED的注入电流。 信号由A点接入。“0”码时晶体三极管不导通；“1”码时晶体三极管导通，于是注入电流注入到LED管，使得LED管发光，从而实现了数字信号调制。,图5.16 共射极驱动电路,63,LD数字系统通常用于高速系统，且是阈值器件，它的温度稳定性较差，与LED相比，其调制问题要复杂的多，驱动条件的选择、调制电路的形式和工艺， 都对调制性能至关重要。,图5-17 射级耦合驱动电路,V1、V2组成一个电流开关，数字电信号Vin从V1的基极输入，Vb是直流参考电压施加在V2的基极上。 当信号为“0”码时，V1的基极电位高于V2的基极电位，

23、电流源全部电流流过V1的集电极，LD接在V2上不发光，故LD不发光，相当于发“0”码。 当信号为“1”码时，V2基极电位高于V1基极电位时，则反过来V2导通，全部电流源电流流过V2的集电极支路，对应于发一个“1”码。,64,5.5.2 辅助电路,1.自动功率控制电路,自动功率控制：自动功率控制电路维持半导体激光器的输出光功率维持在恒定值。 (1) 自动功率控制电路的分类 能够完成自动功率控制功能的电路很多，主要包括普通电参数控制电路和光电反馈控制电路。 在光发送机中，光电反馈控制电路应用最多。,LD结温度的变化以及老化都会使Ith增大，量子效率下降，从而导致输出光脉冲的幅度发生变化。为了保证激光器有稳定的输出光功