光纖通信課件chap

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