桂工光纖通信CH2-光源和光發(fā)射機(jī)

光纖通信B授課老師：覃國車Email：277856898@2015年秋教材：顧畹儀，《光纖通信》（第2版），人民郵電出版社，2011。參考書：1.JosephC.Palais，《光纖通信》（第5版），電子工業(yè)出版社，2015。2.王輝等，《光纖通信》(第3版)電子工業(yè)出版社，2014。3.馬麗華等，《光纖通信系統(tǒng)》北京郵電大學(xué)出版社，2009。第2章光源和光發(fā)射機(jī)1.半導(dǎo)體激光器2.半導(dǎo)體發(fā)光二極管3.光源的直接調(diào)制4.光源的間接調(diào)制光纖通信對光源的要求1.波長：位于光纖的低損耗窗口，能產(chǎn)生不同波長的光束。2.輻射性能：光功率足夠高，單色性、方向性好,且穩(wěn)定。3.調(diào)制：易于調(diào)制，相應(yīng)速度快。4.強(qiáng)度噪聲小5.電光轉(zhuǎn)換效率高，驅(qū)動功率低，壽命長一、激光原理的基礎(chǔ)知識(一)原子的能級電子繞核運(yùn)動的能量是不連續(xù)的、分立的量子態(tài)。電子軌道量子化條件：

2πr*mv=nh,n=1,2,…當(dāng)電子在每一個這樣的軌道上運(yùn)動時，原子具有確定的能量，稱為原子的一個能級。一、激光原理的基礎(chǔ)知識(一)原子的能級軌道越低，能量越小?；鶓B(tài)激發(fā)態(tài)一、激光原理的基礎(chǔ)知識(二)晶體的能帶當(dāng)大量原子結(jié)合成晶體后，原來圍繞一個原子運(yùn)動的電子，現(xiàn)在可能轉(zhuǎn)移到鄰近原子的同一軌道上去，晶體中的電子不再屬于個別原子所有，它們一方面圍繞每個原子運(yùn)動，同時又要在原子之間做共有化運(yùn)動。一、激光原理的基礎(chǔ)知識(二)晶體的能帶晶體的能譜在原子能級的基礎(chǔ)上按共有化運(yùn)動的不同而分裂成若干組。每組中能級彼此靠得很近，組成有一定寬度的帶，成為能帶。一、激光原理的基礎(chǔ)知識(二)晶體的能帶電子與空穴的復(fù)合發(fā)光主要發(fā)生在價帶和導(dǎo)帶之間一、激光原理的基礎(chǔ)知識(三)能級的光躍遷處于高能態(tài)(導(dǎo)帶)的電子是不穩(wěn)定的，它們會向低能態(tài)(價帶)躍遷，而將能量以光子的形式釋放出來，發(fā)射光子的能量hv等于導(dǎo)帶和價帶的能量差。處于低能態(tài)的電子如果受到外來光的照射，當(dāng)光子的能量hv等于或大于禁帶能量時，光子將被吸收而使電子躍遷至高能態(tài)。一、激光原理的基礎(chǔ)知識(三)能級的光躍遷——自發(fā)輻射一、激光原理的基礎(chǔ)知識(三)能級的光躍遷——受激輻射一、激光原理的基礎(chǔ)知識(三)能級的光躍遷——受激吸收一、激光原理的基礎(chǔ)知識(四)PN結(jié)——為什么采用半導(dǎo)體作為光源？半導(dǎo)體禁帶寬度：1eV=1.602176565(35)*10-19J普朗克常數(shù):h=6.62606896(33)*10-34J/sv的數(shù)量級為1015，位于光纖通信頻段半導(dǎo)體禁帶寬度決定半導(dǎo)體激光器頻率范圍位于光纖通信頻段內(nèi)一、激光原理的基礎(chǔ)知識(四)PN結(jié)禁帶寬度費(fèi)米爾能級：反映電子在各能級中分布情況的參量。自由電子能級價電子能級E<Ef,能級E被電子占據(jù)的概率大，E>Ef,能級E被空穴占據(jù)的概率大。一、激光原理的基礎(chǔ)知識(四)PN結(jié)N型半導(dǎo)體中主要由電子導(dǎo)電，當(dāng)重?fù)诫s時費(fèi)米爾能級Ef會進(jìn)入導(dǎo)帶，稱為兼并型N型半導(dǎo)體。Ef變大，Ef>Ev的可能性越大，Ev中被電子占據(jù)的可能性越大。一、激光原理的基礎(chǔ)知識(四)PN結(jié)P型半導(dǎo)體中主要由空穴導(dǎo)電，當(dāng)重?fù)诫s時費(fèi)米爾能級Ef會進(jìn)入價帶，稱為兼并型P型半導(dǎo)體。Ef變小，Ef>Ee的可能性越大，Ee中被空穴占據(jù)的可能性越大。一、激光原理的基礎(chǔ)知識(四)PN結(jié)N區(qū)P區(qū)PN結(jié)加上正向電壓一、激光原理的基礎(chǔ)知識(四)PN結(jié)價帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶主要由電子占據(jù)，價帶主要由空穴占據(jù)——粒子數(shù)反轉(zhuǎn)有源區(qū)P區(qū)準(zhǔn)費(fèi)米爾能級N區(qū)準(zhǔn)費(fèi)米爾能級禁帶寬度Ege0V>Eg，使P區(qū)空穴獲取足夠的能量向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)的電子有足夠的能量向P區(qū)擴(kuò)散一、激光原理的基礎(chǔ)知識(四)PN結(jié)e0V有源區(qū)對光子能量滿足Eg<hv<e0V的光子有放大作用一、激光原理的基礎(chǔ)知識(四)制作半導(dǎo)體光源的材料動量守恒為了保證動量守恒，必須有另外的粒子參與間接帶隙半導(dǎo)體材料發(fā)光效率低，故應(yīng)使用直接帶隙的半導(dǎo)體材料作為半導(dǎo)體光源。一、激光原理的基礎(chǔ)知識(四)制作半導(dǎo)體光源的材料

材料的禁帶寬度決定了激光器自發(fā)輻射的波長范圍。因?yàn)殡娮榆S遷過程中產(chǎn)生的光子能量等于直接帶隙的禁帶寬度。二、半導(dǎo)體激光器(一)LD的工作原理半導(dǎo)體激光器工作原理是激勵方式，利用半導(dǎo)體物質(zhì)（即利用電子）在能帶間躍遷發(fā)光，在光學(xué)諧振腔的作用下使光振蕩、反饋，產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光。因此，產(chǎn)生激光的三個先決物質(zhì)條件為：1.

激勵源（泵浦源）:能量的提供者，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。2.激活物質(zhì)（增益物質(zhì)——半導(dǎo)體材料）:產(chǎn)生激光的物質(zhì)基礎(chǔ)，提供光放大。3.光學(xué)諧:振腔提供光反饋。二、半導(dǎo)體激光器(二)激光激射條件1.要產(chǎn)生足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即高能態(tài)粒子數(shù)足夠的大于處于低能態(tài)的粒子數(shù)；2.有一個合適的光學(xué)諧振腔能夠起到反饋?zhàn)饔?，使受激輻射光子增生從而產(chǎn)生激光震蕩；3.要滿足一定的閥值條件，以使光子增益等于或大于光子的損耗。二、半導(dǎo)體激光器(三)半導(dǎo)體激光器的通用結(jié)構(gòu)（1）有源區(qū)（2）光反饋裝置（3）頻率選擇元件（4）光束的方向選擇元件（5）光波導(dǎo)

二、半導(dǎo)體激光器(三)半導(dǎo)體激光器的通用結(jié)構(gòu)——有源區(qū)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，存在光增益的區(qū)域，又稱為增益區(qū)。

當(dāng)注入光子能量滿足：導(dǎo)帶電子躍遷至價帶，并與價帶中的空穴復(fù)合，同時發(fā)射光子：Eg<hv<e0V二、半導(dǎo)體激光器(三)半導(dǎo)體激光器的通用結(jié)構(gòu)——有源區(qū)同質(zhì)結(jié)：構(gòu)成PN結(jié)的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體為同一種材料，僅摻雜類型不同。單異質(zhì)結(jié)：構(gòu)成PN結(jié)的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體為不同種材料，可分為同型異質(zhì)結(jié)（N-n型和P-p型）和異型異質(zhì)結(jié)（N-p型和P-n型）。二、半導(dǎo)體激光器(三)半導(dǎo)體激光器的通用結(jié)構(gòu)——有源區(qū)雙異質(zhì)結(jié)：由帶隙能量較高的P型和N型半導(dǎo)體材料中間夾一層很薄的帶隙能量較低的另一種半導(dǎo)體材料而構(gòu)成波導(dǎo)。各半導(dǎo)體的材料不同。如左圖所示為N-n-P雙異質(zhì)結(jié)。閾值電流密度大大降低二、半導(dǎo)體激光器(三)半導(dǎo)體激光器的通用結(jié)構(gòu)——有源區(qū)量子阱激光器：（1）閾值電流低（2）波長可調(diào)諧（3）線寬窄，頻率啁啾低（4）調(diào)制速率高（5）溫度穩(wěn)定性強(qiáng)。二、半導(dǎo)體激光器(三)半導(dǎo)體激光器的通用結(jié)構(gòu)——光反饋裝置光學(xué)諧振器可提供必要的正反饋以促進(jìn)激光振蕩。光振蕩的形成主要采用兩種方式：1.

F-P（法布里-帕羅）諧振腔：由一對平行放置的平面反射鏡組成。2.

布拉格反射器：一種基于波紋光柵的光學(xué)諧振器，其材料折射率在空間某方向上呈現(xiàn)出周期性變化，從而為受激輻射產(chǎn)生的光子提供周期性反射.二、半導(dǎo)體激光器(三)半導(dǎo)體激光器的通用結(jié)構(gòu)——光反饋裝置1.F-P（法布里-帕羅）諧振腔用晶體天然解理面形成的F-P（法布里-帕羅）諧振腔，當(dāng)光在諧振腔中滿足一定的相位條件和振幅條件時，建立起穩(wěn)定的光振蕩。這種激光器稱為F-P腔激光器。二、半導(dǎo)體激光器(三)半導(dǎo)體激光器的通用結(jié)構(gòu)——光反饋裝置1.F-P（法布里-帕羅）諧振腔表示沿諧振腔傳播方向上的駐波振蕩特性表示諧振腔橫截面上的場型分布二、半導(dǎo)體激光器(三)半導(dǎo)體激光器的通用結(jié)構(gòu)——光反饋裝置1.F-P（法布里-帕羅）諧振腔激光器的縱模反映了它的發(fā)射光譜性質(zhì)增益大于損耗二、半導(dǎo)體激光器(三)半導(dǎo)體激光器的通用結(jié)構(gòu)——光反饋裝置1.F-P（法布里-帕羅）諧振腔增大L以降低增益存在多個諧振峰落在滿足增益大于損耗的范圍內(nèi)，難以實(shí)現(xiàn)單模。二、半導(dǎo)體激光器(三)半導(dǎo)體激光器的通用結(jié)構(gòu)——光反饋裝置2.布拉格反射器同相面，發(fā)生干涉由于珊距很小，因此相鄰模式頻率間隔大，易于實(shí)現(xiàn)單模。二、半導(dǎo)體激光器(三)基本性質(zhì)——P/I特性閥值電流：激光從自發(fā)輻射到開始受激震蕩時的臨界注入電流第一階段：自發(fā)輻射。第二階段：超輻射狀態(tài)。第三階段：激光。二、半導(dǎo)體激光器(三)基本性質(zhì)——溫度特性閥值電流：隨溫度的升高而加大。功率效率：隨溫度的升高而下降。二、半導(dǎo)體激光器(四)光譜特征光譜特性描述的是激光器輸出功率隨波長的分布規(guī)律。半導(dǎo)體激光器激射以后的光譜呈現(xiàn)模式結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定工作時光譜由以下因素共同決定。1.發(fā)射波長范圍：取決于激光器的自發(fā)輻射譜。2.精細(xì)的譜結(jié)構(gòu)：取決于光腔中縱模分布。3.波長分量的強(qiáng)弱：取決于激射時各模式的增益條件。二、半導(dǎo)體激光器(四)光譜特征——峰值波長峰值波長：光譜內(nèi)強(qiáng)度最大的光波長。二、半導(dǎo)體激光器(四)光譜特征——譜寬和線寬譜寬：峰值半功率點(diǎn)所限定的波譜范圍。線寬：單縱模激光器的譜寬即為線寬。中心波長：譜寬范圍的中心點(diǎn)對應(yīng)的波長。二、半導(dǎo)體激光器(四)光譜特征——縱模數(shù)與注入電流的關(guān)系當(dāng)激光器僅注入直流電流時，隨著注入電流的增大，縱模數(shù)減小，譜寬變窄二、半導(dǎo)體激光器(四)光譜特征——峰值波長與溫度的關(guān)系當(dāng)溫度增加時，峰值波長向長波段漂移。無溫控器件二、半導(dǎo)體激光器(四)光譜特征——動態(tài)譜線與注入電流的關(guān)系對激光器進(jìn)行直接強(qiáng)度調(diào)制會使縱模數(shù)變多，譜寬變寬。隨著調(diào)制電流的變大，譜寬增大更明顯。遠(yuǎn)場圖為遠(yuǎn)離半導(dǎo)體激光器輸出端面的輻射束光功率強(qiáng)度分布。近場圖為半導(dǎo)體激光器輸出端面的輻射束光功率強(qiáng)度分布。二、半導(dǎo)體激光器(五)光束特點(diǎn)通常使用激光器近場圖和遠(yuǎn)場圖來表征其光束特性。由橫模決定由橫模和發(fā)散角共同決定二、半導(dǎo)體激光器(五)光束特點(diǎn)橫模和發(fā)散角決定了激光器輸出光束的方向性。三、半導(dǎo)體發(fā)光二極管（一）

工作原理

當(dāng)注入正向電流時，注入的非平衡載流子在擴(kuò)散過程中復(fù)合發(fā)光。

特點(diǎn)（與半導(dǎo)體激光器比較）：非相干光源，自發(fā)發(fā)射為主，發(fā)射熒光過程;

無光學(xué)諧振腔，不一定需要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn);

非閾值電流，輸出功率基本上與注入電流成正比。三、半導(dǎo)體發(fā)光二極管（二）基本性質(zhì)——P/I曲線不是閾值器件，對溫度不敏感三、半導(dǎo)體發(fā)光二極管（二）基本性質(zhì)——發(fā)射光譜自發(fā)輻射，光譜較寬（幾十nm）三、半導(dǎo)體發(fā)光二極管（二）基本性質(zhì)

發(fā)射譜線和發(fā)散角

－光譜較寬，光纖色散嚴(yán)重；－發(fā)散角大，與光纖的耦合效率較低；

響應(yīng)速度

－調(diào)制速率低，適用于低速傳輸網(wǎng)絡(luò)

熱特性

－溫度特性較好，無需溫控電路;

壽命長，可靠性高邊發(fā)射型發(fā)光二極管(ELED)的結(jié)構(gòu)三、半導(dǎo)體發(fā)光二極管面發(fā)射型發(fā)光二極管(SLED)的結(jié)構(gòu)三、半導(dǎo)體發(fā)光二極管LD和LED的比較四、光源的調(diào)制光調(diào)制：在發(fā)送端將信息加載到光源輸出的光束上的過程。在光纖通信系統(tǒng)中，通常以電信號的形式呈現(xiàn)信息，故光調(diào)制是將電信號加載到光源輸出的光束上的過程。光解調(diào)：光接收機(jī)鑒別從光纖信道上傳輸過來的光波的變化規(guī)律，從而將原始信息還原的過程。四、光源的調(diào)制直接調(diào)制：將要傳遞的信息轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動電流控制光源的發(fā)光過程。四、光源的調(diào)制間接解調(diào)：利用晶體的電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、聲光效應(yīng)和電吸收效應(yīng)等性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)對激光輻射的調(diào)制。四、光源的調(diào)制由于理想半導(dǎo)體光源的P-I曲線呈線性關(guān)系，因此直接調(diào)制是利用輸入電流直接控制輸出光強(qiáng)的過程。（一）直接調(diào)制將連續(xù)變化的模擬信號疊加在直流偏置的工作點(diǎn)上對光源進(jìn)行調(diào)制四、光源的調(diào)制由于理想半導(dǎo)體光源的P-I曲線呈線性關(guān)系，因此直接調(diào)制是利用輸入電流直接控制輸出光強(qiáng)的過程。（一）直接調(diào)制直流偏置工作點(diǎn)四、光源的調(diào)制（一）直接調(diào)制——LD數(shù)字調(diào)制過程的瞬態(tài)分析瞬態(tài)現(xiàn)象：半導(dǎo)體激光器在進(jìn)行直接調(diào)制時顯示出來的現(xiàn)象。主要瞬態(tài)現(xiàn)象有電光延遲，張弛振蕩和持續(xù)振蕩。持續(xù)振蕩（自脈動）四、光源的調(diào)制（一）直接調(diào)制——LD數(shù)字調(diào)制過程的瞬態(tài)分析對導(dǎo)帶底部填充電子，使電子密度達(dá)到nth激光器開始激射，光場建立，導(dǎo)帶中電子超量填充四、光源的調(diào)制（一）直接調(diào)制——LD數(shù)字調(diào)制過程的瞬態(tài)分析有源區(qū)過量復(fù)合過量復(fù)合持續(xù)，電子密度降到nth以下，S也下降電子密度和光子密度的微擾項(xiàng)都是衰減式振蕩形式四、光源的調(diào)制（一）直接調(diào)制——LD數(shù)字調(diào)制過程的瞬態(tài)分析n(t)和s(t):

分別為有源區(qū)里自由電子和光子密度j:注入電流密度e0：電子電荷d:有源區(qū)的厚度Rsp：自發(fā)輻射的速率，Rsp=n(t)/

spg(n):

增益函數(shù)ph：光子的壽命時間：自發(fā)發(fā)射進(jìn)入激光模式的系數(shù)四、光源的調(diào)制（一）直接調(diào)制——LD數(shù)字調(diào)制過程的瞬態(tài)分析張弛振蕩的衰減時間與自發(fā)輻射的壽命時間同一數(shù)量級，并隨注入電流的增加而減小。張弛振蕩衰減系數(shù)張弛振蕩的幅度衰減為初始值的1/e的時間，稱之為張弛振蕩的衰減時間。加直流預(yù)偏置可以加速張弛振蕩的衰減為什么要加速張弛振蕩的衰減呢？四、光源的調(diào)制（一）直接調(diào)制——LD數(shù)字調(diào)制過程的瞬態(tài)分析張弛振蕩的角頻率與ph和sp有關(guān)，并隨注入電流的增加而升高。張弛振蕩角頻率張弛振蕩頻率一般在幾百M(fèi)Hz至2GHz的數(shù)量級張弛振蕩對所有系統(tǒng)的危害都是一致的嗎？四、光源的調(diào)制（一）直接調(diào)制——LD數(shù)字調(diào)制過程的瞬態(tài)分析電光延遲時間電光延遲時間與自發(fā)輻射的壽命時間同一數(shù)量級，并隨注入電流的增加而減小。加直流預(yù)偏置可以減小電光延遲時間為什么要減小電光延遲時間？四、光源的調(diào)制（一）直接調(diào)制——直接調(diào)制激光發(fā)射機(jī)四、光源的調(diào)制（一）直接調(diào)制——直接調(diào)制激光發(fā)射機(jī)1.驅(qū)動電路——偏置電流大小的選擇（1）加大直流偏置電流使其逼近閾值減小電光延遲時間，提高頻譜利用率和通信容量，一定程度上抑制張弛振蕩，較小的調(diào)制電流就能獲得足夠大的輸出光脈沖，減小碼型效應(yīng)。（2）偏置電流意味著激光器的消光比（EXT）惡化，EXT應(yīng)該大于10dB.（3）實(shí)驗(yàn)觀察到異質(zhì)結(jié)激光器的散粒噪聲在閾值處常有一很陡的峰值，因此I0的選取應(yīng)避開此峰值。

四、光源的調(diào)制（一）直接調(diào)制——直接調(diào)制激光發(fā)射機(jī)1.驅(qū)動電路——調(diào)制電流大小的選擇（1）足夠的光脈沖幅度（2）減小光源負(fù)擔(dān)（3）避開可能發(fā)生自脈動的區(qū)域四、光源的調(diào)制（一）直接調(diào)制——直接調(diào)制激光發(fā)射機(jī)2.控制電路激光器的閾值電