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第3章光源與光發(fā)射系統(tǒng)
下圖示出單向傳輸?shù)墓饫w通信系統(tǒng),包括發(fā)射、接收和作為廣義信道的基本光纖傳輸系統(tǒng)。3.1光發(fā)射機(jī)簡(jiǎn)介?數(shù)字光發(fā)射機(jī)的功能:
?電端機(jī)輸出的數(shù)字基帶電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)
?用耦合技術(shù)注入光纖線路
?用數(shù)字電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制
?調(diào)制分為直接調(diào)制和外調(diào)制兩種方式
受調(diào)制的光源特性參數(shù)有:功率、幅度、頻率和相位直接光強(qiáng)數(shù)字調(diào)制原理
當(dāng)激光器的驅(qū)動(dòng)電流大于閾值電流Ith時(shí),出光功率P和驅(qū)動(dòng)電流I基本上是線性關(guān)系輸出光功率和輸入電流成正比,輸出光信號(hào)反映輸入電信號(hào)。輸出光信號(hào)pItIin輸入電信號(hào)pI(a)發(fā)光二極管(LED)數(shù)字調(diào)制原理輸出光信號(hào)輸入電信號(hào)IinIthIb(b)半導(dǎo)體激光器(LD)的數(shù)字調(diào)制原理
直接光強(qiáng)數(shù)字調(diào)制原理
3.2光發(fā)射機(jī)基本組成
數(shù)字光發(fā)射機(jī)的方框圖如圖4.2所示,主要有光源和電路兩部分。
輸入接口線路編碼調(diào)制電路光源控制電路電信號(hào)輸入光信號(hào)輸出圖4.2數(shù)字光發(fā)射機(jī)方框圖
光源是實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件,在很大程度上決定著光發(fā)射機(jī)的性能。電路的設(shè)計(jì)應(yīng)以光源為依據(jù),使輸出光信號(hào)準(zhǔn)確反映輸入電信號(hào)。直接光強(qiáng)調(diào)制的數(shù)字光發(fā)射機(jī)主要電路有:
調(diào)制電路、控制電路和線路編碼電路1.光源
對(duì)通信用光源的要求如下
(1)考慮損耗和色散兩個(gè)傳輸特性發(fā)射的光波長(zhǎng)應(yīng)和光纖低損耗“窗口”一致,即中心波長(zhǎng)應(yīng)在0.85μm、1.31μm和1.55μm附近。
光譜單色性要好,即譜線寬度要窄,以減小光纖色散對(duì)帶寬的限制。(2)電/光轉(zhuǎn)換效率要高,即要求在足夠低的驅(qū)動(dòng)電流下,有足夠大而穩(wěn)定的輸出光功率,且線性良好。發(fā)射光束的方向性要好,即遠(yuǎn)場(chǎng)的輻射角要小,以利于提高光源與光纖之間的耦合效率。(3)允許的調(diào)制速率要高或響應(yīng)速度要快,以滿足系統(tǒng)的大傳輸容量的要求。
(4)
器件應(yīng)能在常溫下以連續(xù)波方式工作,要求溫度穩(wěn)定性好,可靠性高,壽命長(zhǎng)。
(5)此外,要求器件體積小,重量輕,安裝使用方便,價(jià)格便宜。
以上各項(xiàng)中,調(diào)制速率、譜線寬度、輸出光功率和光束方向性,直接影響光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量和傳輸距離,是光源最重要的技術(shù)指標(biāo)。2.調(diào)制電路和控制電路采用激光器作光源時(shí),還有偏置電路對(duì)調(diào)制電路和控制電路的要求如下:
(1)輸出光脈沖的通斷比(全“1”碼平均光功率和全“0”碼平均光功率的比值,或消光比的倒數(shù))應(yīng)大于10,以保證足夠的光接收信噪比。(2)輸出光脈沖的寬度應(yīng)遠(yuǎn)大于開(kāi)通延遲(電光延遲)時(shí)間,光脈沖的上升時(shí)間、下降時(shí)間和開(kāi)通延遲時(shí)間應(yīng)足夠短,以便在高速率調(diào)制下,輸出的光脈沖能準(zhǔn)確再現(xiàn)輸入電脈沖的波形
(3)對(duì)激光器應(yīng)施加足夠的偏置電流,以便抑制在較高速率調(diào)制下可能出現(xiàn)的張弛振蕩,保證發(fā)射機(jī)正常工作
(4)應(yīng)采用自動(dòng)功率控制(APC)和自動(dòng)溫度控制(ATC),以保證輸出光功率有足夠的穩(wěn)定性
3.線路編碼電路電端機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)是適合電纜傳輸?shù)碾p極性碼,而光源不能發(fā)射負(fù)脈沖,要變換為適合于光纖傳輸?shù)膯螛O性碼3.3光源
光源是光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵器件,其功能是把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。目前光纖通信廣泛使用的光源主要有半導(dǎo)體激光二極管或稱激光器(LD)和發(fā)光二極管或稱發(fā)光管(LED),有些場(chǎng)合也使用固體激光器。本節(jié)首先介紹半導(dǎo)體激光器(LD)的工作原理、基本結(jié)構(gòu)和主要特性,然后進(jìn)一步介紹性能更優(yōu)良的分布反饋激光器(DFB-LD),最后介紹可靠性高、壽命長(zhǎng)和價(jià)格便宜的發(fā)光管(LED)。
3.3.1半導(dǎo)體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu)
半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流,實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布,產(chǎn)生受激輻射,再利用諧振腔的正反饋,實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布
有源器件的物理基礎(chǔ)是光和物質(zhì)相互作用的效應(yīng)。在物質(zhì)的原子中,存在許多能級(jí),最低能級(jí)E1稱為基態(tài),能量比基態(tài)大的能級(jí)Ei(i=2,3,4…)稱為激發(fā)態(tài)。電子在低能級(jí)E1的基態(tài)和高能級(jí)E2的激發(fā)態(tài)之間的躍遷有三種基本方式:受激吸收自發(fā)輻射受激輻射
(見(jiàn)圖3.1)
(1)受激吸收在正常狀態(tài)下,電子處于低能級(jí)E1,在入射光作用下,它會(huì)吸收光子的能量躍遷到高能級(jí)E2上,這種躍遷稱為受激吸收。電子躍遷后,在低能級(jí)留下相同數(shù)目的空穴,見(jiàn)圖3.1(a)。(2)自發(fā)輻射
在高能級(jí)E2的電子是不穩(wěn)定的,即使沒(méi)有外界的作用,也會(huì)自動(dòng)地躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合,釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去,這種躍遷稱為自發(fā)輻射,見(jiàn)圖3.1(b)。
(3)受激輻射
在高能級(jí)E2的電子,受到入射光的作用,被迫躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合,釋放的能量產(chǎn)生光輻射,這種躍遷稱為受激輻射,見(jiàn)圖3.1(c)。hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1(a)受激吸收;能級(jí)和電子躍遷(b)自發(fā)輻射;hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1(c)受激輻射受激輻射和受激吸收的區(qū)別與聯(lián)系
受激輻射是受激吸收的逆過(guò)程。電子在E1和E2兩個(gè)能級(jí)之間躍遷,吸收的光子能量或輻射的光子能量都要滿足波爾條件,即
E2-E1=hf12(3.1)式中,h=6.628×10-34J·s,為普朗克常數(shù),f12為吸收或輻射的光子頻率。
受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的光的特點(diǎn)很不相同。
受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同,這種光稱為相干光。
自發(fā)輻射光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產(chǎn)生的,其頻率和方向分布在一定范圍內(nèi),相位和偏振態(tài)是混亂的,這種光稱為非相干光。
產(chǎn)生受激輻射和產(chǎn)生受激吸收的物質(zhì)是不同的。設(shè)在單位物質(zhì)中,處于低能級(jí)E1和處于高能級(jí)E2(E2>E1)的原子數(shù)分別為N1和N2。當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時(shí),存在下面的分布(3.2)式中,k=1.381×10-23J/K,為波爾茲曼常數(shù),T為熱力學(xué)溫度。由于(E2-E1)>0,T>0,所以在這種狀態(tài)下,總是N1>N2。這是因?yàn)殡娮涌偸鞘紫日紦?jù)低能量的軌道。
受激輻射和受激吸收的速率分別比例于N1和N2,且比例系數(shù)相等。如果N1>N2,即受激吸收大于受激輻射。當(dāng)光通過(guò)這種物質(zhì)時(shí),光強(qiáng)按指數(shù)衰減,這種物質(zhì)稱為吸收物質(zhì)。如果N2>N1,即受激輻射大于受激吸收,當(dāng)光通過(guò)這種物質(zhì)時(shí),會(huì)產(chǎn)生放大作用,這種物質(zhì)稱為激活物質(zhì)。
N2>N1的分布,和正常狀態(tài)(N1>N2)的分布相反,所以稱為粒子(電子)數(shù)反轉(zhuǎn)分布。
問(wèn)題:如何得到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)呢?
圖3.2半導(dǎo)體的能帶和電子分布(a)本征半導(dǎo)體;(b)N型半導(dǎo)體;(c)P型半導(dǎo)體2.PN結(jié)的能帶和電子分布在半導(dǎo)體中,由于鄰近原子的作用,電子所處的能態(tài)擴(kuò)展成能級(jí)連續(xù)分布的能帶。能量低的能帶稱為價(jià)帶,能量高的能帶稱為導(dǎo)帶,導(dǎo)帶底的能量Ec和價(jià)帶頂?shù)哪芰縀v之間的能量差Ec-Ev=Eg稱為禁帶寬度或帶隙。電子不可能占據(jù)禁帶。
圖3.2示出不同半導(dǎo)體的能帶和電子分布圖。根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論,在熱平衡狀態(tài)下,能量為E的能級(jí)被電子占據(jù)的概率為費(fèi)米分布
式中,k為波茲曼常數(shù),T為熱力學(xué)溫度。Ef稱為費(fèi)米能級(jí),用來(lái)描述半導(dǎo)體中各能級(jí)被電子占據(jù)的狀態(tài)。在費(fèi)米能級(jí),被電子占據(jù)和空穴占據(jù)的概率相同。(3.3)
一般狀態(tài)下,本征半導(dǎo)體的電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的,用Ef位于禁帶中央來(lái)表示,見(jiàn)圖3.2(a)。在本征半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì),稱為N型半導(dǎo)體,見(jiàn)圖3.2(b)。在本征半導(dǎo)體中,摻入受主雜質(zhì),稱為P型半導(dǎo)體,見(jiàn)圖3.2(c)。在P型和N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)界面上,由于存在多數(shù)載流子(電子或空穴)的梯度,因而產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),形成內(nèi)部電場(chǎng),見(jiàn)圖3.3(a)。內(nèi)部電場(chǎng)產(chǎn)生與擴(kuò)散相反方向的漂移運(yùn)動(dòng),直到P區(qū)和N區(qū)的Ef相同,兩種運(yùn)動(dòng)處于平衡狀態(tài)為止,結(jié)果能帶發(fā)生傾斜,見(jiàn)圖3.3(b)。
一般狀態(tài)下,本征半導(dǎo)體的電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的,用Ef位于禁帶中央來(lái)表示,見(jiàn)圖3.2(a)。在本征半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì),稱為N型半導(dǎo)體,見(jiàn)圖3.2(b)。在本征半導(dǎo)體中,摻入受主雜質(zhì),稱為P型半導(dǎo)體,見(jiàn)圖3.2(c)。在P型和N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)界面上,由于存在多數(shù)載流子(電子或空穴)的梯度,因而產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),形成內(nèi)部電場(chǎng),見(jiàn)圖3.3(a)。內(nèi)部電場(chǎng)產(chǎn)生與擴(kuò)散相反方向的漂移運(yùn)動(dòng),直到P區(qū)和N區(qū)的Ef相同,兩種運(yùn)動(dòng)處于平衡狀態(tài)為止,結(jié)果能帶發(fā)生傾斜,見(jiàn)圖3.3(b)。P區(qū)PN結(jié)空間電荷區(qū)N區(qū)內(nèi)部電場(chǎng)
擴(kuò)散
漂移P-N結(jié)內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng);圖3.3PN結(jié)的能帶和電子分布勢(shì)壘能量EpcP區(qū)EncEfEpvN區(qū)Env零偏壓時(shí)P-N結(jié)的能帶傾斜圖;hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv電子,空穴內(nèi)部電場(chǎng)外加電場(chǎng)正向偏壓下P-N結(jié)能帶圖獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布
增益區(qū)的產(chǎn)生:在PN結(jié)上施加正向電壓,產(chǎn)生與內(nèi)部電場(chǎng)相反方向的外加電場(chǎng),結(jié)果能帶傾斜減小,擴(kuò)散增強(qiáng)。電子運(yùn)動(dòng)方向與電場(chǎng)方向相反,便使N區(qū)的電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng),P區(qū)的空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng),最后在PN結(jié)形成一個(gè)特殊的增益區(qū)。增益區(qū)的導(dǎo)帶主要是電子,價(jià)帶主要是空穴,結(jié)果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布,見(jiàn)圖3.3(c)。在電子和空穴擴(kuò)散過(guò)程中,導(dǎo)帶的電子可以躍遷到價(jià)帶和空穴復(fù)合,產(chǎn)生自發(fā)輻射光。
3.激光振蕩和光學(xué)諧振腔激光振蕩的產(chǎn)生:
粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布(必要條件)+激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中,對(duì)光的頻率和方向進(jìn)行選擇=連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。基本的光學(xué)諧振腔由兩個(gè)反射率分別為R1和R2的平行反射鏡構(gòu)成(如圖3.4所示),并被稱為法布里-珀羅(Fabry-Perot,FP)諧振腔。由于諧振腔內(nèi)的激活物質(zhì)具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布,可以用它產(chǎn)生的自發(fā)輻射光作為入射光。
將兩個(gè)反射鏡M1、M2相互平行地放置在增益物質(zhì)兩端的適當(dāng)位置,M1的反射系數(shù)r1=1,M2的反射系數(shù)r2<1,使M1和M2分別發(fā)生全反射和部分反射,產(chǎn)生的激光由M2的一端射出。從諧振腔內(nèi)某一點(diǎn)發(fā)出的自發(fā)輻射光如果與諧振腔軸線平行,經(jīng)過(guò)激活物質(zhì)放大后將在反射鏡M1、M2之間來(lái)回反射,并不斷激發(fā)出新的光子,由此使光能不斷放大。當(dāng)光能達(dá)到一定強(qiáng)度,就可以從反射鏡M2中透射出一束筆直的激光。在這個(gè)過(guò)程中,由反射鏡M2透射以及不沿諧振腔軸線傳播的光都會(huì)被消耗掉。當(dāng)放大作用足以抵消這部分被消耗掉的光能時(shí),就可以保證激光器輸出穩(wěn)定的光功率。
圖3.4激光器的構(gòu)成和工作原理
(a)激光振蕩;(b)光反饋
入射光經(jīng)反射鏡反射,沿軸線方向傳播的光被放大,沿非軸線方向的光被減弱。當(dāng)損耗和增益相當(dāng)時(shí),在諧振腔中開(kāi)始建立穩(wěn)定的激光震蕩。
式中,γth為閾值增益系數(shù),α為諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù),L為諧振腔的長(zhǎng)度,R1,R2為兩個(gè)反射鏡的反射率
當(dāng)損耗和增益相當(dāng)時(shí),在諧振腔內(nèi)開(kāi)始建立穩(wěn)定的激光振蕩,其閾值條件為γth=α+(3.4)激光振蕩條件(相位條件):
在振蕩過(guò)程中,只有當(dāng)輻射光與腔軸線平行,并且往返一次的相位差為2π的整數(shù)倍時(shí),才能在腔中形成諧振。即如用n表示工作物質(zhì)的折射率則q=1,2,3…稱為縱模模數(shù)。其余波長(zhǎng)的光被消耗掉,只有滿足條件的光輸出。注意:λn是光在諧振腔中的波長(zhǎng),λq是從腔中輸出后的波長(zhǎng),二者頻率不變。
4.半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)多種多樣,基本結(jié)構(gòu)是圖3.5示出的雙異質(zhì)結(jié)(DH)平面條形結(jié)構(gòu)。
這種結(jié)構(gòu)由三層不同類型半導(dǎo)體材料構(gòu)成,不同材料發(fā)射不同的光波長(zhǎng)。圖中標(biāo)出所用材料和近似尺寸。結(jié)構(gòu)中間有一層厚0.1~0.3μm的窄帶隙P型半導(dǎo)體,稱為有源層;兩側(cè)分別為寬帶隙的P型和N型半導(dǎo)體,稱為限制層。三層半導(dǎo)體置于基片(襯底)上,前后兩個(gè)晶體解理面作為反射鏡構(gòu)成法布里-珀羅(FP)諧振腔。
3.3.2半導(dǎo)體激光器的主要特性
1.發(fā)射波長(zhǎng)和光譜特性半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)取決于導(dǎo)帶的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)所釋放的能量,這個(gè)能量近似等于禁帶寬度Eg(eV),由式(3.1)得到
hf=Eg(3.6)不同半導(dǎo)體材料有不同的禁帶寬度Eg,因而有不同的發(fā)射波長(zhǎng)λ。鎵鋁砷-鎵砷(GaAlAs-GaAs)材料適用于0.85μm波段銦鎵砷磷-銦磷(InGaAsP-InP)材料適用于1.3~1.55μm波段式中,f=c/λ,f(Hz)和λ(μm)分別為發(fā)射光的頻率和波長(zhǎng),c=3×108m/s為光速,h=6.628×10-34J·S為普朗克常數(shù),1eV=1.6×10-19J,代入上式得到
在直流驅(qū)動(dòng)下,發(fā)射光波長(zhǎng)只有符合激光振蕩的相位條件式(3.5)的波長(zhǎng)存在。這些波長(zhǎng)取決于激光器縱向長(zhǎng)度L,并稱為激光器的縱模。
縱模是指在諧振腔軸平行方向(即縱向)的電磁場(chǎng)分布模式,它反映激光器光強(qiáng)隨波長(zhǎng)變化情況,即光譜特性。
對(duì)于半導(dǎo)體激光器,當(dāng)注入電流大于閾值電流時(shí),導(dǎo)帶和價(jià)帶自發(fā)輻射譜中那些既滿足駐波條件,同時(shí)增益又足以克服損耗的光頻率,能夠在諧振腔里形成一系列強(qiáng)場(chǎng),其它光則受到抑制,從而使輸出光譜發(fā)生明顯的模式分化,呈現(xiàn)出圍繞一個(gè)或多個(gè)模式振蕩的特點(diǎn),這種受激振蕩的模式就稱為激光器的縱模。
縱模的性質(zhì)(1)縱模隨驅(qū)動(dòng)電流變化隨直流驅(qū)動(dòng)電流的增加,縱模模數(shù)逐漸減少,譜線寬度變窄。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流足夠大時(shí),多縱模變?yōu)閱慰v模。這種激光器稱為靜態(tài)單縱模激光器。這種變化是由于諧振腔對(duì)光波頻率和方向的選擇,使邊模消失、主模增益增加而產(chǎn)生的(2)動(dòng)態(tài)譜線展寬對(duì)激光器進(jìn)行直接光強(qiáng)調(diào)制會(huì)使發(fā)射譜線增寬,振蕩模數(shù)增加。這是因?yàn)閷?duì)激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí),注入電流不斷變化,結(jié)果使有源區(qū)里載流子濃度隨之變化,進(jìn)而導(dǎo)致折射率隨之變化,激光諧振頻率發(fā)生漂移,動(dòng)態(tài)譜線展寬。調(diào)制速率越高,調(diào)制電流越大,譜線展寬也越多。
要得到高速數(shù)字調(diào)制的動(dòng)態(tài)單縱模激光器,必須改變激光器結(jié)構(gòu),例如分布反饋激光器。圖3.7是GaAlAs-DH激光器的光譜特性。圖3.7(b)是300Mb/s數(shù)字調(diào)制的光譜特性,由圖可見(jiàn),隨著調(diào)制電流增大,縱模模數(shù)增多,譜線寬度變寬。
圖3.7GaAlAs-DH激光器的光譜特性
(a)直流驅(qū)動(dòng);(b)300Mb/s數(shù)字調(diào)制0799800801802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI=80mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mWL=250μmW=12μmT=300K830828832830828832830828826832830828826824836834832830828826824822820(a)(b)
2.激光束的空間分布激光束的空間分布用近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)來(lái)描述。
近場(chǎng)是指激光器輸出反射鏡面上的光強(qiáng)分布;
遠(yuǎn)場(chǎng)是指離反射鏡面一定距離處的光強(qiáng)分布。圖3.8是GaAlAs-DH激光器的近場(chǎng)圖和遠(yuǎn)場(chǎng)圖,近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)是由諧振腔(有源區(qū))的橫向尺寸,即平行于PN結(jié)平面的寬度w和垂直于結(jié)平面的厚度t所決定,并稱為激光器的橫模。
橫模指在諧振腔軸垂直方向(即橫向)的電磁場(chǎng)分布模式,反映激光器輸出光束的空間分布,即方向性。
由圖3.8可以看出,平行于結(jié)平面的諧振腔寬度w由寬變窄,場(chǎng)圖呈現(xiàn)出由多橫模變?yōu)閱螜M模;垂直于結(jié)平面的諧振腔厚度t很薄,這個(gè)方向的場(chǎng)圖總是單橫模。
盡管在有源區(qū)端面上的激光光斑呈水平橢圓形狀,但從激光器發(fā)射出的遠(yuǎn)場(chǎng)圖案卻呈垂直橢圓光束,這是由于存在輻射角(發(fā)散角)θ‖和θ⊥圖3.8GaAlAs-DH條形激光器的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)圖樣
3.-9典型半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性和遠(yuǎn)場(chǎng)圖樣
(a)光強(qiáng)的角分布;(b)輻射光束
圖3.9為典型半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性,圖中θ‖和θ⊥分別為平行于結(jié)平面和垂直于結(jié)平面的輻射角,整個(gè)光束的橫截面呈橢圓形。3.轉(zhuǎn)換效率和輸出光功率特性激光器的電/光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率ηd表示,其定義是在閾值電流以上,每對(duì)復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)(3.7a)由此得到(3.7b)式中,P和I分別為激光器的輸出光功率和驅(qū)動(dòng)電流,Pth和Ith分別為相應(yīng)的閾值,hf和e分別為光子能量和電子電荷。圖3.10是典型激光器的光功率特性曲線。當(dāng)I<Ith時(shí)激光器發(fā)出的是自發(fā)輻射光,發(fā)射功率幾乎為零;當(dāng)I>Ith時(shí),發(fā)出的是受激輻射光,光功率隨驅(qū)動(dòng)電流的增加而線性增加。
圖3.10典型半導(dǎo)體激光器的光功率特性
(a)短波長(zhǎng)AlGaAs/GaAs(b)長(zhǎng)波長(zhǎng)InGaAsP/InP4.頻率特性在直接光強(qiáng)調(diào)制下,激光器輸出光功率P和調(diào)制頻率f
的關(guān)系為P(f)=(3.8a)(3.8b)式中,和ξ分別稱為弛豫頻率和阻尼因子,Ith和I0分別為閾值電流和偏置電流;I′是零增益電流,高摻雜濃度的LD,
I′=0,低摻雜濃度的LD,I′=(0.7~0.8)Ith;τsp為有源區(qū)內(nèi)的電子壽命,τph為諧振腔內(nèi)的光子壽命。
τph為諧振腔內(nèi)的光子壽命,指光子從諧振腔端面溢出或在腔內(nèi)被吸收之前存在的時(shí)間。馳豫振蕩(張馳振蕩):當(dāng)電流脈沖注入激光器之后,輸出光脈沖頂部出現(xiàn)衰減式的阻尼振蕩,稱為馳豫振蕩。馳豫振蕩是激光器內(nèi)部光電相互作用所表現(xiàn)出來(lái)的固有特性。
圖3.11半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性
圖3.11示出半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性。弛豫頻率fr
是調(diào)制頻率的上限,一般激光器的fr為1~2GHz。在接近fr處,數(shù)字調(diào)制要產(chǎn)生弛豫振蕩,模擬調(diào)制要產(chǎn)生非線性失真。
Ith=I0exp(3.9)
5.溫度特性對(duì)于線性良好的激光器,輸出光功率特性如式(3.7b)和圖3.10所示。激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個(gè)原因(1)激光器的閾值電流Ith
隨溫度升高而增大(2)外微分量子效率ηd隨溫度升高而減小。溫度升高時(shí),Ith增大,ηd減小,輸出光功率明顯下降,達(dá)到一定溫度時(shí),激光器就不激射了。當(dāng)以直流電流驅(qū)動(dòng)激光器時(shí),閾值電流隨溫度的變化更加嚴(yán)重。當(dāng)對(duì)激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí),閾值電流隨溫度呈指數(shù)變化,在一定溫度范圍內(nèi),可以表示為
式中,I0為常數(shù),T為結(jié)區(qū)的熱力學(xué)溫度,T0為激光器材料的特征溫度。
GaAlAs–GaAs激光器T0=100~150KInGaAsP-InP激光器T0=40~70K
所以長(zhǎng)波長(zhǎng)InGaAsP-InP激光器輸出光功率對(duì)溫度的變化更加敏感。外微分量子效率隨溫度的變化不十分敏感。圖3.12示出脈沖調(diào)制的激光器,由于溫度升高引起閾值電流增加和外微分量子效率減小,造成的輸出光功率特性P-I曲線的變化。圖3.12P-I曲線隨溫度的變化
3.3.3分布反饋激光器
分布反饋(DFB)激光器用靠近有源層沿長(zhǎng)度方向制作的周期性結(jié)構(gòu)(波紋狀)衍射光柵實(shí)現(xiàn)光反饋。這種衍射光柵的折射率周期性變化,使光沿有源層分布式反饋。
分布反饋激光器的要求:
(1)譜線寬度更窄(2)高速率脈沖調(diào)制下保持動(dòng)態(tài)單縱模特性(3)發(fā)射光波長(zhǎng)更加穩(wěn)定,并能實(shí)現(xiàn)調(diào)諧(4)閾值電流更低(5)輸出光功率更大
圖3.13分布反饋(DFB)激光器
(a)結(jié)構(gòu);(b)光反饋
如果兩種不同介質(zhì)交界面上具有周期性的反射點(diǎn),則當(dāng)光入射時(shí)就會(huì)產(chǎn)生周期性的反射——叫做布拉格反射。交界面本身可采取正弦波形或非正弦波形(如方波、三角波等)
如圖3.13所示,由有源層發(fā)射的光,一部分在光柵波紋峰反射(如光線a),另一部分繼續(xù)向前傳播,在鄰近的光柵波紋峰反射(如光線b)。
光柵周期Λ(柵距)λB—空氣中的光波長(zhǎng)(布拉格波長(zhǎng))λn—介質(zhì)中的光波長(zhǎng)
ne——材料有效折射率
m——衍射級(jí)數(shù)。
對(duì)于特定的Λ,可確定λn,波長(zhǎng)為λn的光所產(chǎn)生的各個(gè)反射光將產(chǎn)生干涉,相位差為λn的整數(shù)倍,
DFB利用沿縱向等間隔分布光柵的波長(zhǎng)選擇特性,抑制其它縱模,只允許一種特定模式傳播,實(shí)現(xiàn)模式振蕩。
DFB的m一般取1,只有波長(zhǎng)滿足該條件的光才會(huì)受到強(qiáng)烈反射。DFB激光器與F-P激光器相比,具有以下優(yōu)點(diǎn):
①波長(zhǎng)選擇性
DFB激光器的發(fā)射波長(zhǎng)雖然受到激光器增益譜的影響,但主要由光柵周期Λ決定。m階和(m+1)階模之間的間隔一般比激光器的增益譜寬度要大得多,以致只有一個(gè)激射模能獲得足夠的增益。因此,DFB激光器很容易實(shí)現(xiàn)單縱模工作。②譜線窄,波長(zhǎng)穩(wěn)定性好③動(dòng)態(tài)譜線好
在高速調(diào)制時(shí)也能保持單模特性④線性好
3.3.4發(fā)光二極管LD和LED的區(qū)別
LD發(fā)射的是受激輻射光
LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光
LED的結(jié)構(gòu)和LD相似,大多是采用雙異質(zhì)結(jié)(DH)芯片,把有源層夾在P型和N型限制層中間,不同的是LED不需要光學(xué)諧振腔,沒(méi)有閾值。
圖3.14兩類發(fā)光二極管(LED)(a)正面發(fā)光型;(b)側(cè)面發(fā)光型發(fā)光二極管的類型:正面發(fā)光型LED和側(cè)面發(fā)光型LED
發(fā)光二極管的特點(diǎn):輸出光功率較??;譜線寬度較寬;調(diào)制頻率較低;性能穩(wěn)定,壽命長(zhǎng);輸出光功率線性范圍寬;制造工藝簡(jiǎn)單,價(jià)格低廉;適用于小容量短距離系統(tǒng)發(fā)光二極管的主要工作特性:
(1)光譜特性。發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光,沒(méi)有諧振腔對(duì)波長(zhǎng)的選擇,譜線較寬,如圖3.15。隨著溫度升高或驅(qū)動(dòng)電流增大,光譜增寬,且峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。
圖3.15LED光譜特性(2)光束的空間分布。在垂直于發(fā)光平面上,正面發(fā)光型LED輻射圖呈朗伯分布,即P(θ)=P0cosθ,半功率點(diǎn)輻射角θ≈120°。
側(cè)面發(fā)光型LED,θ‖≈120°,θ⊥≈25°~35°。
由于θ大,LED與光纖的耦合效率一般小于10%。
(3)輸出光功率特性。發(fā)光二極管實(shí)際輸出的光子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有源區(qū)產(chǎn)生的光子數(shù),一般外微分量子效率ηd小于10%。兩種類型發(fā)光二極管的輸出光功率特性示于圖3.16。
驅(qū)動(dòng)電流I較小時(shí),
P-I曲線的線性較好;I過(guò)大時(shí),由于PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象,使P-I
曲線的斜率減小。
式中,f為調(diào)制頻率,P(f)為對(duì)應(yīng)于調(diào)制頻率f的輸出光功率,τe為少數(shù)載流子(電子)的壽命。定義fc為發(fā)光二極管的截止頻率,當(dāng)f=fc=1/(2πτe)時(shí),|H(fc)|=,最高調(diào)制頻率應(yīng)低于截止頻率。
(4)頻率特性。發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)可以表示為|H(f)|=(3.12)
圖3.17示出發(fā)光二極管的頻率響應(yīng),圖中顯示出少數(shù)載流子的壽命τe和截止頻率fc
的關(guān)系。對(duì)有源區(qū)為低摻雜濃度的LED,適當(dāng)增加工作電流可以縮短載流子壽命,提高截止頻率。圖3.17發(fā)光二極管(LED)的頻率響應(yīng)
3.3.5半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用半導(dǎo)體光源的一般性能表:
3.1和表3.2列出半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)的一般性能。
LED通常和多模光纖耦合,用于1.3μm(或0.85μm)波長(zhǎng)的小容量短距離系統(tǒng)。因?yàn)長(zhǎng)ED發(fā)光面積和光束輻射角較大,而多模SIF光纖或G.651規(guī)范的多模GIF光纖具有較大的芯徑和數(shù)值孔徑,有利于提高耦合效率,增加入纖功率。
LD通常和G.652或G.653規(guī)范的單模光纖耦合,用于1.3μm或1.55μm大容量長(zhǎng)距離系統(tǒng)。
分布反饋激光器(DFB-LD)主要和G.653或G.654規(guī)范的單模光纖或特殊設(shè)計(jì)的單模光纖耦合,用于超大容量的新型光纖系統(tǒng)。表3.1半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)的一般性能-20×50-20×50-20×50-20×50工作溫度/°C壽命t/h30×12030×12020×5020×50輻射角50~15030~100500~2000500~1000調(diào)制帶寬B/MHz0.1~0.30.1~0.21~31~3入纖功率P/mW1~51~35~105~10輸出功率P/mW100~150100~150工作電流I/mA20~3030~60閥值電流Ith/mA50~10060~1201~21~3譜線寬度1.31.551.31.55工作波長(zhǎng)LEDLD表3.2分布反饋激光器(DFB-LD)一般性能20~4015~30輸出功率P/mW(連續(xù)單縱模,25oC)2015外量子效率/%15~2020~30閥值電流Ith/mA<0.08頻譜漂移/(nm/oC)30~35邊模抑制比/dB0.04~0.5(Gb/s,RZ)直接調(diào)制單縱模連續(xù)波單縱模譜線寬度1.31.55工作波長(zhǎng)3.4.1調(diào)制特性半導(dǎo)體激光器是光纖通信的理想光源,但在高速脈沖調(diào)制下,其瞬態(tài)特性仍會(huì)出現(xiàn)許多復(fù)雜現(xiàn)象,如常見(jiàn)的電光延遲、張弛振蕩和自脈動(dòng)現(xiàn)象。這些特性嚴(yán)重限制系統(tǒng)傳輸速率和通信質(zhì)量,因此在電路的設(shè)計(jì)時(shí)要給予充分考慮。1.電光延遲和張弛振蕩現(xiàn)象半導(dǎo)體激光器在高速脈沖調(diào)制下,輸出光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形如圖4.3所示。輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在一個(gè)初始延遲時(shí)間,稱為電光延遲時(shí)間td,其數(shù)量級(jí)一般為ns。當(dāng)電流脈沖注入激光器后,輸出光脈沖會(huì)出現(xiàn)幅度逐漸衰減的振蕩,稱為張弛振蕩,其振蕩頻率fr(=ωr/2π)一般為0.5~2GHz。這些特性與激光器有源區(qū)的電子自發(fā)復(fù)合壽命和諧振腔內(nèi)光子壽命以及注入電流初始偏差量有關(guān)。
圖4.3光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形
張弛振蕩和電光延遲的后果是限制調(diào)制速率。當(dāng)最高調(diào)制頻率接近張弛振蕩頻率時(shí),波形失真嚴(yán)重,會(huì)使光接收機(jī)在抽樣判決時(shí)增加誤碼率,因此實(shí)際使用的最高調(diào)制頻率應(yīng)低于張弛振蕩頻率。電光延遲要產(chǎn)生碼型效應(yīng)。當(dāng)電光延遲時(shí)間td與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時(shí)間T/2為相同數(shù)量級(jí)時(shí),會(huì)使“0”碼過(guò)后的第一個(gè)“1碼的脈沖寬度變窄,幅度減小,嚴(yán)重時(shí)可能使單個(gè)“1”碼丟失,這種現(xiàn)象稱為“碼型效應(yīng)”。如圖4.4,在兩個(gè)接連出現(xiàn)的“1”碼中,第一個(gè)脈沖到來(lái)前,有較長(zhǎng)的連“0”碼,由于電光延遲時(shí)間長(zhǎng)和光脈沖上升時(shí)間的影響,因此脈沖變小。第二個(gè)脈沖到來(lái)時(shí),由于第一個(gè)脈沖的電子復(fù)合尚未完全消失,有源區(qū)電子密度較高,因此電光延遲時(shí)間短,脈沖較大。
“碼型效應(yīng)”的特點(diǎn)是:在脈沖序列中較長(zhǎng)的連“0”碼后出現(xiàn)的“1”碼,其脈沖明顯變小,而且連“0”碼數(shù)目越多,調(diào)制速率越高,這種效應(yīng)越明顯。用適當(dāng)?shù)摹斑^(guò)調(diào)制”補(bǔ)償方法,可以消除碼型效應(yīng),見(jiàn)圖4.4(c)所示。12電脈沖光脈沖2ns5ns2ns
圖4.4碼型效應(yīng)(a)、(b)碼型效應(yīng)波形;(c)改善后波形(a)(b)(c)(4.1)(4.2)(4.3)
式中,τo是張弛振蕩幅度衰減到初始值的1/e的時(shí)間,j和jth分別為注入電流密度和閾值電流密度。τsp和τph分別為電子自發(fā)復(fù)合壽命和諧振腔內(nèi)光子壽命。在典型的激光器中,τsp≈10-9s,τph≈10-12s,即τsp》τph。通過(guò)LD速率方程組的瞬態(tài)解得到的張弛振蕩頻率ωr及其幅度衰減時(shí)間τo和電光延遲時(shí)間td的表達(dá)式為:由式(4.1)~式(4.3)可以看到:
(1)張弛振蕩頻率ωr隨τsp、τph的減小而增加,隨j的增加而增加。這個(gè)振蕩頻率決定了LD的最高調(diào)制頻率。
(2)張弛振蕩幅度衰減時(shí)間τo與τsp為相同數(shù)量級(jí),并隨j的增加而減小。
(3)電光延遲時(shí)間td與τsp為相同數(shù)量級(jí),并隨j的增加而減小(j>jth)。
由此可見(jiàn),增加注入電流j,有利于提高張弛振蕩頻率ωr,減小其幅度衰減時(shí)間τo,以及減小電光延遲時(shí)間td,因此對(duì)LD施加偏置電流是非常必要的。2.自脈動(dòng)現(xiàn)象某些激光器在脈沖調(diào)制甚至直流驅(qū)動(dòng)下,當(dāng)注入電流達(dá)到某個(gè)范圍時(shí),輸出光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅的高頻振蕩,這種現(xiàn)象稱為自脈動(dòng)現(xiàn)象,如圖4.5所示。自脈動(dòng)頻率可達(dá)2GHz,嚴(yán)重影響LD的高速調(diào)制特性。電脈沖光脈沖圖4.5激光器自脈沖動(dòng)現(xiàn)象
自脈動(dòng)現(xiàn)象是激光器內(nèi)部不均勻增益或不均勻吸收產(chǎn)生的,往往和LD的P-I曲線的非線性有關(guān),自脈動(dòng)發(fā)生的區(qū)域和P-I曲線扭折區(qū)域相對(duì)應(yīng)。
3.4.2調(diào)制電路和自動(dòng)功率控制數(shù)字信號(hào)調(diào)制電路應(yīng)采用電流開(kāi)關(guān)電路,最常用的是差分電流開(kāi)關(guān)電路。
圖4.6示出由三極管組成的共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路,這種簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路主要用于以發(fā)光二極管LED作為光源的光發(fā)射機(jī)。數(shù)字信號(hào)Uin從三極管V的基極輸入,通過(guò)集電極的電流驅(qū)動(dòng)LED。數(shù)字信號(hào)“0”碼和“1”碼對(duì)應(yīng)于V的截止和飽和狀態(tài),電流的大小根據(jù)對(duì)輸出光信號(hào)幅度的要求確定。這種驅(qū)動(dòng)電路適用于10Mb/s以下的低速率系統(tǒng),更高速率系統(tǒng)應(yīng)采用差分電流開(kāi)關(guān)電路。圖4.6共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路
圖4.7是常用的射極耦合驅(qū)動(dòng)電路,適合于激光器系統(tǒng)使用。電流源為由V1和V2組成的差分開(kāi)關(guān)電路,它提供了恒定的偏置電流。在V2基極上施加直流參考電壓UB,V2集電極的電壓取決于LD的正向電壓,數(shù)字電信號(hào)Uin加反相器從V1基極輸入。當(dāng)信號(hào)為“0”碼時(shí),V1基極電位比UB高而搶先導(dǎo)通,V2截止,LD不發(fā)光;反之,當(dāng)信號(hào)為“1”碼時(shí),V1基極電位比UB低,V2搶先導(dǎo)通,驅(qū)動(dòng)LD發(fā)光。
V1和V2處于輪流截止和非飽和導(dǎo)通狀態(tài),有利于提高調(diào)制速率。當(dāng)三極管截止頻
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