第三章 光發(fā)射機(jī)1

1、劉建國(guó)劉建國(guó)中國(guó)科學(xué)院大學(xué)中國(guó)科學(xué)院大學(xué)optical pre- amplifierphoto- detectorsemiconductor laseroptical modulatoroptical fiberelectrical signaloptical signaloptical receiverelectronicsoptical transmitteroptical amplifieroptical fiberoptical fiberoptical transmitteroptical receiverrepeaterinformation receiverreceiver el

2、ectronicsinformation sourcedrive electronicsoptical pre- amplifierphoto- detectorsemiconductor laseroptical modulatoroptical fiberelectrical signaloptical signaloptical receiverelectronicsoptical transmitteroptical amplifieroptical fiberoptical fiberoptical transmitteroptical receiverrepeaterinforma

3、tion receiverreceiver electronicsinformation sourcedrive electronics光發(fā)送機(jī)中繼器光放大器光接收機(jī)光源光纖光纖光纖信源信宿電信號(hào)光信號(hào)內(nèi)容提要內(nèi)容提要n 光發(fā)送機(jī)n 光源（LED&LD)n LD動(dòng)態(tài)特性與調(diào)制n 將數(shù)字或者模擬電信號(hào)加載到光波上，并耦合進(jìn)光纖中進(jìn)行傳輸n 核心器件：光源、調(diào)制器n美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）制定的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)n19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜的“19英寸”表示機(jī)柜中安置的機(jī)架式設(shè)備的寬度n機(jī)柜內(nèi)設(shè)備安裝所占高度用一個(gè)特殊單位“U”表示；使用19寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜的設(shè)備面板一般都是按nU的規(guī)格制造 。1U=44.45m

4、m=1.75英寸n沒(méi)有1U的機(jī)柜,只有1U的設(shè)備,機(jī)柜6U-47U不等；例如，一臺(tái)42U的機(jī)柜理論上可以安裝42臺(tái)1U高的設(shè)備，但實(shí)際一般放10-20個(gè)正常,因?yàn)樗麄冎g需要間隔散熱n激光器的溫度主要影響發(fā)射波長(zhǎng)n控制精度達(dá)到0.01Cn波長(zhǎng)穩(wěn)定性達(dá)到200MHz/24小時(shí)由光檢測(cè)器來(lái)感應(yīng)激光器后端面輻射光功率的變化，并與參考功率相比較，然后根據(jù)比較結(jié)果自動(dòng)調(diào)整直流偏置電流，最終使光功率峰值保持為一個(gè)穩(wěn)定值。高高精度溫控與低溫波恒流流源精度溫控與低溫波恒流流源優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：高電流穩(wěn)定度：高電流穩(wěn)定度：紋波在A量級(jí)。高精度溫控高精度溫控：精度在0.001量級(jí)。自動(dòng)保護(hù)功能自動(dòng)保護(hù)功能：激光器短路保

5、護(hù)，反接保護(hù)，慢啟動(dòng)保護(hù)，TEC短路保護(hù)，防浪涌保護(hù)。操作簡(jiǎn)便：操作簡(jiǎn)便：人性化控制面板設(shè)計(jì)參數(shù)名稱參數(shù)名稱特性指標(biāo)特性指標(biāo)輸出電流量程輸出電流量程100mA/300mA可選調(diào)諧精度調(diào)諧精度0.01mA電流紋波電流紋波1A溫控范圍溫控范圍1040溫控精度溫控精度0.001功耗功耗小于15W外接電源外接電源220V儲(chǔ)存溫度儲(chǔ)存溫度-4085 工作溫度工作溫度-2065 TECTEC工作電壓工作電壓5V激光器保護(hù)激光器保護(hù) 短路保護(hù) 緩啟動(dòng)保護(hù) 反接保護(hù) TEC短路保護(hù) 防浪涌保護(hù)光纖通信對(duì)光源的要求光纖通信對(duì)光源的要求n波長(zhǎng)準(zhǔn)：波長(zhǎng)準(zhǔn)：窗口之內(nèi)，符合窗口之內(nèi)，符合ITU標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn);n功率高：功率高

6、：以滿足系統(tǒng)對(duì)光中繼段距離的要求以滿足系統(tǒng)對(duì)光中繼段距離的要求;n高可靠：高可靠：壽命長(zhǎng)，可靠性高壽命長(zhǎng)，可靠性高;n單縱模：?jiǎn)慰v模：以減少光纖的材料色散；以減少光纖的材料色散；n噪聲低噪聲低: 以提高模擬調(diào)制系統(tǒng)的信噪比以提高模擬調(diào)制系統(tǒng)的信噪比;n高線性高線性: 以保證模擬調(diào)制不失真。以保證模擬調(diào)制不失真。n。最常用的光源最常用的光源n光纖通信中最常用的光源是光纖通信中最常用的光源是:半導(dǎo)體激光器（半導(dǎo)體激光器（LD Laser Diode ）發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LED Light Emitting Diode）n尤其是單縱模（或單頻）尤其是單縱模（或單頻）LD，在高速率、大容量的，在

7、高速率、大容量的數(shù)字光纖系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用；數(shù)字光纖系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用；n近年來(lái)逐漸成熟的波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器是多信道近年來(lái)逐漸成熟的波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器是多信道WDM光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，越來(lái)越受到人們的關(guān)注光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。pn-junction物理基礎(chǔ)物理基礎(chǔ)n原子的能級(jí)、能帶以及電子躍遷原子的能級(jí)、能帶以及電子躍遷n自發(fā)輻射與受激輻射自發(fā)輻射與受激輻射n 能級(jí)能級(jí)理論理論是是一一種解釋原子核外電子運(yùn)動(dòng)軌道的一種解釋原子核外電子運(yùn)動(dòng)軌道的一種理論。它認(rèn)為電子只能在特定的、分立的軌道種理論。它認(rèn)為電子只能在特定的、分立的軌道上運(yùn)動(dòng)，各個(gè)軌道上的電子具有分立的能量，這上

8、運(yùn)動(dòng)，各個(gè)軌道上的電子具有分立的能量，這些能量值即為能級(jí)些能量值即為能級(jí)。原子核電子高能級(jí)低能級(jí)電子優(yōu)先搶占低能級(jí)N = 4N = 9n能帶結(jié)構(gòu)由多條能帶組成，能帶分為傳導(dǎo)帶（簡(jiǎn)稱導(dǎo)帶）、價(jià)電帶（簡(jiǎn)稱價(jià)帶）和禁帶n能帶結(jié)構(gòu)可以解釋導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體三大類區(qū)別的由來(lái)討論：金屬，半導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別？討論：金屬，半導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別？As+4As+5摻入第V族元素(如磷P, 砷As, 銻Sb)后，某些電子受到很弱的束縛，只要很少的能量DED (0.040.05eV)就能讓它成為自由電子。這個(gè)電離過(guò)程稱為雜質(zhì)電離。施主雜質(zhì)摻入第III族元素(如硼B(yǎng),銦In,鎵Ga,鋁Al)，晶體只需要很少的能量D

9、EA 損耗p 泵浦源：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)p 諧振腔：光反饋 相位鎖定，波長(zhǎng)選擇(受激輻射的光放大受激輻射的光放大)泵浦R1R2增益介質(zhì)反射鏡Ln1917年愛(ài)因斯坦提出“受激輻射”理論，一個(gè)光子使得受激原子發(fā)出一個(gè)相同的光子。n1953年美國(guó)物理學(xué)家Charles Townes用微波實(shí)現(xiàn)了激光器的前身：微波受激發(fā)射放大（首字母縮寫(xiě)Maser）n1957年Townes的博士生Gordon Gould創(chuàng)造了“l(fā)aser”這個(gè)單詞，從理論上指出可以用光激發(fā)原子，產(chǎn)生一束相干光束，之后人們?yōu)槠渖暾?qǐng)了專利n1960年美國(guó)加州Hughes 實(shí)驗(yàn)室的Theodore Maiman實(shí)現(xiàn)了第一束激光n 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體

10、激光器的優(yōu)點(diǎn)：的優(yōu)點(diǎn)：尺寸小，耦合效率高，響應(yīng)速度快，波長(zhǎng)和尺寸與光纖尺寸適配，可直接調(diào)制，相干性好。n 按結(jié)構(gòu)分類：按結(jié)構(gòu)分類：F-P 激光器、 DFB激光器、 DBR激光器、 量子阱激光器、 VCSEL激光器n禁帶寬度決定了激光器的激射波長(zhǎng)，不同的半導(dǎo)體材料禁帶寬度不同，需要根據(jù)所需波長(zhǎng)范圍選擇材料直接帶隙直接帶隙nF-P型激光器是最常見(jiàn)最簡(jiǎn)單的激光器.n由外延生長(zhǎng)的有源層和有源層兩邊的限制層構(gòu)成，諧振腔由晶體的兩個(gè)解理面構(gòu)成。通常為雙異質(zhì)結(jié)型。1. 將工作物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔 (F-P腔)2. 光的產(chǎn)生及方向選擇 少數(shù)載流子的自發(fā)輻射產(chǎn)生光子 偏離軸向的光子產(chǎn)生后穿出有源區(qū)，得不到放大 軸

11、向傳播的光子引發(fā)受激輻射，產(chǎn)生大量相干光子3. 通過(guò)來(lái)回反射，特定波長(zhǎng)的光最終得到放大，并被輸出法布里珀羅 (F-P) 諧振腔 zhvhvgeEzE0g()為增益系數(shù)， 為材料損耗系數(shù)。當(dāng)光經(jīng)反射鏡R1和R2反射在腔內(nèi)往返傳播2L回到原點(diǎn)之后，電場(chǎng)分量為：能量為hn的光子的輻射強(qiáng)度E()在腔內(nèi)隨傳播距離z變化：)( hvhvgLeRRELE22102要能在腔內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩，需要滿足下列關(guān)系：在空間中傳播的光電場(chǎng)分布可以表示為： )(,ztjOezEtzE 02ELE和12Lje光幅度放大光相位同步幅度條件211ln21RRLgth相位條件mL22/2cn2(1,2,3)cn Lmm上式表明，

12、激光器只能產(chǎn)生一些離散的波長(zhǎng)。每個(gè)波長(zhǎng)稱為激光器的一個(gè)縱模。相鄰兩波長(zhǎng)(縱模)之間的波長(zhǎng)之差約為：Lnc22D 02ELEnLc 2Dn增益譜F-P腔濾波器F-P的諧振波長(zhǎng)D為諧振峰的間隔：F-P自由譜寬頻域采樣有源區(qū)有源區(qū)電流注入電流注入型型型光光hv光光hv解理面解理面(a)半導(dǎo)體激光器(a)半導(dǎo)體激光器 L1 2 34R1 1增益介質(zhì)增益介質(zhì)R2 2光的駐波光的駐波折射率折射率反反射射鏡鏡反反射射鏡鏡(b)縱模駐波(b)縱模駐波 2nnPNm m-m+ (c)縱模共振光譜(c)縱模共振光譜增益差增益差11光光增增益益 o(a) 腔內(nèi)允許產(chǎn)生的模式腔內(nèi)允許產(chǎn)生的模式 m m( ) /2=

13、L(b)mn 相相對(duì)對(duì)光光強(qiáng)強(qiáng) m (a)+(b)=(c)(c)半導(dǎo)體激光器的輸出光譜(c)半導(dǎo)體激光器的輸出光譜光增益與波長(zhǎng)的關(guān)系光增益與波長(zhǎng)的關(guān)系 m m解理面解理面 = 0Z = xZ n 模式特性首先取決于光腔的三個(gè)線度（橫向、側(cè)向、縱向的尺寸）及介質(zhì)特性。通常腔內(nèi)能存在許多模式，但只有獲得凈增益（滿足閾值條件）的那些模式才能被激勵(lì)，它的頻率才會(huì)出現(xiàn)在輸出光中。在實(shí)際應(yīng)用中，模式的穩(wěn)定性和線寬是對(duì)系統(tǒng)性能影響較大的兩個(gè)參量。n 分為縱模和橫模模式間存在競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致不穩(wěn)定模式間存在競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致不穩(wěn)定機(jī)制：從頂層一個(gè)窄的條形歐姆接觸區(qū)進(jìn)行載流子注入，改變有源區(qū)的折射率，從而對(duì)光子形成橫向的約束，能有效抑制橫模特點(diǎn)：1) 輻射功率高，但有2)散光性，且3)工作不穩(wěn)定In(I)15 mm光強(qiáng)-20020機(jī)制：1) 在橫向引入一個(gè)折射率分布實(shí)現(xiàn)對(duì)光模式的限制2) 在橫向?qū)㈦娏鲊?yán)格地限制在有源區(qū)，使得 60% 的注 入電流用于發(fā)光特點(diǎn)：輸出光束具有很好的準(zhǔn)直性、能工作在基橫模光強(qiáng)-10010 閾值電流低(100 mA) ，激光純度高； 發(fā)光面大、易于耦合； 體積小