第4章光源與光發(fā)送機(jī)

光通信原理與技術(shù)第4章光源與光發(fā)送機(jī)本章內(nèi)容物質(zhì)與光之間的互作用半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體激光器光放大器光發(fā)送機(jī)的基本組成及指標(biāo)4.1

物質(zhì)與光之間的互作用光的波粒二象性光具有波粒二象性光波，光子描述光波的特征參量：頻率υ和波矢量k描述光子的特征參量：能量E和動(dòng)量P之間的關(guān)系原子的能級(jí)原子的能量狀態(tài)是量子化的，這些分離的能量狀態(tài)稱為能級(jí)最低的能量狀態(tài)稱為基態(tài)或基能級(jí)，其他的較高的能量狀態(tài)都稱為激發(fā)態(tài)或高能級(jí)處于高能級(jí)原子有向高能級(jí)躍遷的趨勢(shì)，處于低能級(jí)的原子有吸收能量向高能級(jí)躍遷的可能費(fèi)米-狄拉克分布在熱平衡狀態(tài)下，某個(gè)能級(jí)被電子占據(jù)的幾率服從費(fèi)米-狄拉克分布，即電子占據(jù)能量為E的能級(jí)的幾率為其中，T為絕對(duì)溫度，k為玻爾茲曼常數(shù)，Ef為材料的費(fèi)米能級(jí)，是一個(gè)參考能級(jí)對(duì)于E>Ef

的能級(jí)，被電子占據(jù)的可能性小于1/2，而對(duì)于E<Ef

的能級(jí)，被電子占據(jù)的可能性大于1/2。原子中電子的躍遷原子中的電子存在著三種躍遷過(guò)程，對(duì)應(yīng)著三種光與物質(zhì)的互作用過(guò)程受激吸收自發(fā)輻射受激輻射hυhυhυhυhυE2E1E1E2E1E2受激吸收自發(fā)輻射受激輻射躍遷幾率受激吸收幾率自發(fā)發(fā)射幾率受激發(fā)射幾率B12

和B21：

愛(ài)因斯坦系數(shù)

發(fā)光與光的放大在熱平衡狀態(tài)下，低能級(jí)粒子占絕對(duì)多數(shù)，此時(shí)光子的受激吸收是占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的非熱平衡狀態(tài)下，可能出現(xiàn)高能級(jí)粒子數(shù)占多數(shù)的情況，稱之為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的情況下，物質(zhì)的自發(fā)輻射和受激輻射占一定優(yōu)勢(shì)，物質(zhì)表現(xiàn)出發(fā)光特性光放大受激發(fā)射的特點(diǎn)：產(chǎn)生的新光子與原光子嚴(yán)格同頻、同相、同極化如果外部有合適頻率的光信號(hào)進(jìn)入粒子數(shù)反轉(zhuǎn)區(qū)，則在受激輻射的作用下，該光信號(hào)被放大、光子數(shù)倍增，原有光波特點(diǎn)保留4.2半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）4.2.1半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)理純凈半導(dǎo)體晶體的能帶半導(dǎo)體晶體的晶格結(jié)構(gòu)使分立的能級(jí)形成具有一定寬度的能帶在共價(jià)晶體中，最外層的電子和相鄰的原子形成共價(jià)鍵通常把價(jià)電子所占據(jù)的能帶稱為價(jià)帶價(jià)帶以上的能帶（被自由電子占據(jù)）稱為導(dǎo)帶價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底之間的能量差為Eg，稱為禁帶寬度或帶隙寬度在較低溫度下，本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)處于禁帶的中間位置Eg

較大時(shí)，導(dǎo)帶被電子占據(jù)的可能性遠(yuǎn)小于1/2，而價(jià)帶被占據(jù)的可能性遠(yuǎn)大于1/2價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶寬度EgEf費(fèi)米能級(jí)半導(dǎo)體的摻雜純凈半導(dǎo)體幾乎是絕緣體摻雜可使其特性發(fā)生變化當(dāng)摻入受主雜質(zhì)時(shí)（外層電子數(shù)少于4個(gè)），P型半導(dǎo)體當(dāng)摻入施主雜質(zhì)時(shí)（外層電子數(shù)多于4個(gè)），N型半導(dǎo)體Ef本征半導(dǎo)體EfP型半導(dǎo)體EfN型半導(dǎo)體PN結(jié)的形成P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體接觸時(shí)，在邊界面上，由于載流子濃度不同，出現(xiàn)擴(kuò)散P區(qū)空穴向N區(qū)擴(kuò)散并與該區(qū)電子復(fù)合N區(qū)電子向P區(qū)擴(kuò)散并與該區(qū)空穴復(fù)合載流子擴(kuò)散后，打破了原先的電平衡，在P區(qū)和N區(qū)的界面附近形成自建場(chǎng)，方向從N區(qū)指向P區(qū)載流子在自建場(chǎng)作用下發(fā)生漂移，方向與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相反載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)終將取得平衡，此時(shí)PN結(jié)形成自建場(chǎng)空間電荷區(qū)-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+P區(qū)N區(qū)PN結(jié)的特點(diǎn)自建場(chǎng)的方向由N區(qū)指向P區(qū)空間電荷區(qū)幾乎沒(méi)有載流子存在，又稱為耗盡區(qū)PN結(jié)具有單向?qū)щ娦援?dāng)在N區(qū)加正電壓P區(qū)接地時(shí)，外加電場(chǎng)與自建場(chǎng)方向一致，加強(qiáng)了自建場(chǎng)，在漂移作用下，耗盡區(qū)變寬，PN結(jié)電阻愈大，幾乎不導(dǎo)電當(dāng)在P區(qū)加正電壓N區(qū)接地時(shí)，外加電場(chǎng)與自建場(chǎng)方向相反，抵消了自建場(chǎng)，當(dāng)消弱后的自建場(chǎng)不再能阻止載流子發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)時(shí)，PN結(jié)開(kāi)始導(dǎo)電有源區(qū)的形成P區(qū)N區(qū)熱平衡狀態(tài)下，費(fèi)米能級(jí)統(tǒng)一P區(qū)N區(qū)Ef外加正向電壓時(shí)，費(fèi)米能級(jí)分裂，形成兩個(gè)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)（Ef）c（Ef）v有源區(qū)增益區(qū)有源區(qū)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，自發(fā)輻射和受激輻射將占優(yōu)勢(shì)，半導(dǎo)體發(fā)光，且光子能量約為禁帶寬度，即：hυ≈Eg

4.2.2LED的結(jié)構(gòu)直接帶隙和間接帶隙直接帶隙半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂在E-k空間中是對(duì)齊的，電子-空穴復(fù)合時(shí)，電子的動(dòng)量不變，直接產(chǎn)生輻射復(fù)合間接帶隙半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂在E-k空間中是錯(cuò)位的，為了保持動(dòng)量守恒，電子-空穴復(fù)合時(shí)，必須有一個(gè)聲子參與，因此發(fā)光概率非常低硅是間接帶隙半導(dǎo)體，所以難以用于制作發(fā)光器件常用的直接帶隙半導(dǎo)體材料包括GaAs、GaInP、AlGaAs、InGaAs和GaAsP等同質(zhì)結(jié)的效率問(wèn)題同質(zhì)結(jié)指制作P區(qū)和N區(qū)均使用同一種半導(dǎo)體摻雜制成同質(zhì)PN結(jié)發(fā)光效率比較低電子-空穴分布范圍大，濃度低，輻射躍遷幾率也低PN結(jié)與P區(qū)和N區(qū)的相對(duì)折射率差小，光子方向雜散，不能有效輸出改進(jìn)辦法：使用異質(zhì)PN結(jié)Eg導(dǎo)帶價(jià)帶折射率光強(qiáng)0.1~1%使用異質(zhì)結(jié)提高發(fā)光效率異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)指在有源區(qū)的兩邊加上相異的寬帶隙的半導(dǎo)體材料異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，特別是雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，對(duì)載流子和光子都形成約束，大大提高了發(fā)光效率導(dǎo)帶價(jià)帶折射率光強(qiáng)0.1~1%同質(zhì)結(jié)單異質(zhì)結(jié)~5%雙異質(zhì)結(jié)面發(fā)射和邊發(fā)射按發(fā)光面可以將LED分為兩種類型面發(fā)射二極管發(fā)射方向垂直于p-n結(jié)區(qū)優(yōu)點(diǎn)：便于與圓形的光纖端面耦合邊發(fā)射二極管從p-n結(jié)型有源區(qū)的端面發(fā)射優(yōu)點(diǎn)：功率較大，方向性較好4.2.3發(fā)光二極管的工作特性LED的P-I特性輸出光功率基本上與注入電流成正比PI頻譜特性LED沒(méi)有諧振腔，其光譜就是半導(dǎo)體材料的自發(fā)輻射譜LED的發(fā)射譜線較寬GaAlAsLED譜線寬度約30~50nmInGaAsPLED譜線寬度約60~120nm面發(fā)光LED較邊發(fā)光LED的譜寬更寬邊發(fā)光LED面發(fā)光LED光束發(fā)射特性LED發(fā)出的光束為非相干光，可視作朗伯光源，空間發(fā)散角較大面發(fā)光LED光束的輻射功率隨角度的變化而呈余弦變化，光束的半功率發(fā)散角為120°邊發(fā)光LED由于在平行于PN結(jié)的方向有異質(zhì)結(jié)的折射率變化約束，因此光束的垂直發(fā)射角小一些，約30~50°，另外一個(gè)方向上發(fā)射角較大，約120°調(diào)制特性LED的頻率響應(yīng)特性取決于以下幾個(gè)因素有源區(qū)的摻雜濃度復(fù)合區(qū)的注入載流子壽命LED的寄生電容提高LED調(diào)制特性的方法加大有源區(qū)的摻雜濃度，減小有源區(qū)的體積加大調(diào)制電流，提高空穴濃度減少寄生電容通信用LED的常用典型值出纖功率典型值：-15dBm調(diào)制帶寬100Mbps以上半功率譜線寬度50~120nm工作電流100mA4.3半導(dǎo)體激光器（LD）4.3.1LD的工作原理

光與物質(zhì)的三種相互作用發(fā)光及光放大有源區(qū)的形成

形成有源區(qū)是否可以產(chǎn)生激光？激射條件當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓形成有源區(qū)后，還不能產(chǎn)生激光電振蕩器的起振必要條件反饋，凈增益同樣，產(chǎn)生激光也需要類似的兩個(gè)條件存在光學(xué)諧振腔（振蕩的必要條件：反饋）有源區(qū)對(duì)光的增益足夠大（振蕩的必要條件：克服損耗）LD的基本結(jié)構(gòu)增益介質(zhì)由P區(qū)和N區(qū)之間的有源區(qū)（增益區(qū)）提供光反饋解理面構(gòu)成的F-P腔提供泵浦注入電流PN解理面L有源區(qū)注入電流R1R2增益介質(zhì)F-P腔ZXY工作條件物質(zhì)條件增益介質(zhì)光反饋泵浦起振條件閾值條件相位條件起振條件——閾值條件閾值條件指光在腔內(nèi)往返一次，在介質(zhì)中所獲得的增益必須不小于介質(zhì)的損耗和腔的反射損耗PN解理面L有源區(qū)注入電流R1R2增益介質(zhì)F-P腔ZXY起振條件——相位條件相位條件指波從某一點(diǎn)出發(fā)，經(jīng)腔內(nèi)往返一周后應(yīng)與初始相位同相，即相差為2π

的整數(shù)倍，從而形成光的相加干涉PN解理面L有源區(qū)注入電流R1R2增益介質(zhì)F-P腔ZXY頻率間隔：結(jié)論閾值增益穩(wěn)定駐波條件4.3.2LD的分類與制作按制作材料分直接帶隙、間接帶隙按垂直于PN結(jié)方向上的結(jié)構(gòu)分同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)、量子阱按平行于PN結(jié)方向上的結(jié)構(gòu)分寬面激光器條形激光器臺(tái)面條形、平面條形、隱埋條形LD的分類制作材料短波長(zhǎng)LD雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，由襯底開(kāi)始各層及其大約厚度為：N-GaAs(50~80m)、N-GaAlAs(~2m)

、P-GaAs(有源層，0.05~2m)

、P-GaAlAs(~2)

、P-GaAs(~1m)工作在850nm左右長(zhǎng)波長(zhǎng)LD雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，各層厚度與短波長(zhǎng)LD接近，使用材料為N+-InP、N-InP、P-InGaAsP、P-InP、P-InGaAsP根據(jù)InGaAsP各材料濃度的不同，可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)從920~1650nm變化，用于光纖通信時(shí)一般選擇在1310nm和1550nm附近制作工藝流程制備襯底材料外延生長(zhǎng)襯底按結(jié)構(gòu)要求連續(xù)生長(zhǎng)出各外延層液相外延生長(zhǎng)汽相外延生長(zhǎng)分子束外延生長(zhǎng)掩蔽和隔離形成耦合電極解理和鍵合耦合和封裝InP或GaAs與光纖直接耦合熱沉LD管芯光纖光纖夾持器邊發(fā)光器件電極光纖膠有源區(qū)Cu熱沉SiO2SiO2面發(fā)光器件存在問(wèn)題LD發(fā)射的光束均有一定的空間發(fā)散角度掩埋條形LD：約30~50°，

‖約5~10°光纖的集光能力：數(shù)值孔徑：多模光纖NA約0.2，空間角度約11.5°

；單模光纖NA約0.1，空間角度約6°

如果光纖和光源直接耦合，將有大部分光能量不能耦合進(jìn)光纖，耦合效率很低，僅有10%左右，造成出纖功率下降提高耦合效率方法兩大類方法加入微型光學(xué)元件在光源與光纖之間加入各種透鏡等光學(xué)元件，使更多的光能量能夠有效入射進(jìn)光纖纖芯處理光纖端面將光纖端面加工成球形、楔形等，提高其集光能力通過(guò)上述方法，光源與光纖的耦合效率可提高到70%左右用微型光學(xué)元件提高耦合效率球透鏡微球透鏡附加透鏡GRIN柱透鏡處理光纖端面提高耦合效率圓頭光纖球形光纖端面楔形光纖端面面發(fā)光器件組合方法柱透鏡+球形光纖端面柱透鏡LD柱透鏡光纖熱沉LD管芯致冷器封裝接線條PD管芯熱敏電阻4.3.3LD的工作特性激光器的工作特性內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面P-I特性轉(zhuǎn)換效率頻譜特性溫度特性調(diào)制特性激光光束的空間特性PI1、P-I特性激光器的P-I特性表現(xiàn)出明顯的閾值特性當(dāng)注入電流小于閾值電流時(shí)，不發(fā)射激光，輸出光功率隨注入電流的增加而緩慢增長(zhǎng)當(dāng)注入電流大于閾值電流時(shí)，發(fā)射激光，輸出光功率隨注入電流的增加而迅速線性增長(zhǎng)Ith兩個(gè)問(wèn)題對(duì)于通信應(yīng)用來(lái)說(shuō)，閾值電流大點(diǎn)好還是小點(diǎn)好？如何改善？2、轉(zhuǎn)換效率功率效率輸出光功率比上輸入電功率內(nèi)量子效率有源區(qū)內(nèi)每秒產(chǎn)生的光子數(shù)比上每秒注入的電子-空穴對(duì)數(shù)外量子效率每秒LD輸出的光子數(shù)比上外部向激光器內(nèi)注入的電子-空穴對(duì)數(shù)外微分量子效率在激射段，凈增的輸出光子速率比上凈增的注入電子-空穴對(duì)速率3、頻譜特性使用天然解理面構(gòu)成F-P諧振腔的半導(dǎo)體激光器存在多縱模振蕩的情況每一個(gè)縱模對(duì)應(yīng)一個(gè)振蕩波長(zhǎng)總體上LD的頻譜呈現(xiàn)多譜線結(jié)構(gòu)，譜線包絡(luò)為高斯輪廓縱模波長(zhǎng)主模頻率（波長(zhǎng)）增益譜縱模頻率（波長(zhǎng)）滿足兩個(gè)條件增益條件，各縱模對(duì)應(yīng)的光子的能量必須在有源區(qū)的增益譜內(nèi)相位條件，各縱模頻率必須是2倍腔長(zhǎng)倒數(shù)的整數(shù)倍輸出譜線隨注入電流變化75mA2.3mW80mA4mW100mA10mW縱模之間存在競(jìng)爭(zhēng)，即爭(zhēng)奪反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)在低注入條件下，各縱模競(jìng)爭(zhēng)力均不強(qiáng)，在較寬譜范圍內(nèi)出現(xiàn)多條振蕩譜線隨著注入電流的增大，主模的競(jìng)爭(zhēng)力提高，邊模在較大程度上被抑制，電流增大到一定程度時(shí)，出現(xiàn)單縱模輸出LD的光譜特性參數(shù)峰值波長(zhǎng)具有最大輻射功率的縱模的峰值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)中心波長(zhǎng)光譜中各模波長(zhǎng)的加權(quán)平均值光譜輻射寬度（譜寬）發(fā)射功率大于等于峰值波長(zhǎng)功率一半的所有波長(zhǎng)，也稱為半高全寬光譜寬度光譜線寬（線寬）在一個(gè)縱模中光譜輻射功率為其最大值一半的譜線兩點(diǎn)間的波長(zhǎng)間隔邊模抑制比MSR主模功率與最強(qiáng)邊模功率之比，是半導(dǎo)體激光器頻譜純度的一種度量

FWHM意義下譜寬與線寬譜寬和線寬4、溫度特性LD是溫度敏感器件，溫度變化對(duì)LD的工作狀態(tài)影響主要存在以下幾個(gè)方面溫度升高，閾值電流升高溫度升高，外微分量子效率降低溫度變化，LD發(fā)光的中心波長(zhǎng)變化溫度升高時(shí)性能下降，閾值電流隨溫度按指數(shù)增長(zhǎng)T0是LD的特征溫度，與器件的材料、結(jié)構(gòu)等有關(guān)上式反映了Ith

對(duì)溫度的敏感度溫度vs.閾值電流溫度變化的P-I曲線溫度vs.中心波長(zhǎng)溫度升高或電流增加，由電流的熱效應(yīng)使結(jié)溫升高，從而使發(fā)光的中心波長(zhǎng)漂移結(jié)溫升高，半導(dǎo)體材料禁寬變窄，激光器發(fā)射光譜峰值波長(zhǎng)移向長(zhǎng)波長(zhǎng)5、調(diào)制特性--瞬態(tài)性質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行調(diào)制時(shí)，呈現(xiàn)出復(fù)雜的動(dòng)態(tài)性質(zhì)——光電瞬態(tài)響應(yīng)光強(qiáng)相關(guān)電光延遲張弛振蕩碼型效應(yīng)光譜相關(guān)頻譜展寬與啁啾電光延遲與張馳振蕩LD存在兩種現(xiàn)象會(huì)影響其調(diào)制特性電光延遲激光輸出較電流滯后張馳振蕩當(dāng)階躍電流注入激光器后（0），電子濃度持續(xù)增大，達(dá)閾值后輸出光子（1）由于光子密度增加需要時(shí)間，在到達(dá)穩(wěn)態(tài)前（1-3），電子出現(xiàn)超量填充，如此光子密度可增大到穩(wěn)態(tài)值以上高密度光子超量消耗電子（3-5），造成電子濃度迅速下降，直到穩(wěn)態(tài)以下，如此光子密度也將隨之下降到穩(wěn)態(tài)以下重復(fù)以上過(guò)程，出現(xiàn)張馳振蕩INP012345碼型效應(yīng)由于電光延遲的存在，光脈沖的高度與信號(hào)序列圖樣出現(xiàn)關(guān)聯(lián)，稱之為碼型效應(yīng)長(zhǎng)連0后的1碼光脈沖高度較低在用兩個(gè)相鄰的1碼調(diào)制LD，前一個(gè)延遲較大且幅度和寬度較??；而后一個(gè)光脈沖的延遲時(shí)間較小而幅度和寬度較大電流脈沖光脈沖抑制光強(qiáng)相關(guān)瞬態(tài)效應(yīng)的方法電光延遲、張弛振蕩及碼型效應(yīng)均可使用加偏置電流的方法來(lái)抑制偏置電流越大，抑制效果越好，但如果超過(guò)閾值電流則可能引入較大的0碼光，這將使接收機(jī)誤碼率升高通常偏置電流取得小于但又很很接近閾值電流頻譜展寬與頻率啁啾頻譜展寬在強(qiáng)注入條件下，LD進(jìn)入單縱模振蕩狀態(tài)，但如果加上變化的調(diào)制電流，LD將重新回到多縱模振蕩狀態(tài)，出現(xiàn)頻譜展寬頻率啁啾有源區(qū)內(nèi)，電子濃度的變化將導(dǎo)致其折射率發(fā)生微小的變化，直接影響縱模波長(zhǎng)和縱模的競(jìng)爭(zhēng)在調(diào)制脈沖的上升沿主模波長(zhǎng)向短波長(zhǎng)方向漂移，在調(diào)制脈沖的下降沿主模波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向漂移，此即為頻率啁啾頻率啁啾同樣會(huì)造成LD的頻譜展寬，光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)，受到色散的影響將加重啁啾（Chirp）在直接調(diào)制激光器時(shí)，不僅輸出光功率隨調(diào)制電流發(fā)生變化，而且光的頻率也會(huì)發(fā)生波動(dòng)，即在幅度調(diào)制的同時(shí)還受到頻率調(diào)制解決辦法：采用外部調(diào)制器6、光束發(fā)射特性半導(dǎo)體激光器的有源區(qū)是一個(gè)類似于矩形平面介質(zhì)波導(dǎo)近區(qū)場(chǎng)呈橢圓形分布，長(zhǎng)軸在波導(dǎo)的寬邊方向，短軸在窄邊方向遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)也呈橢圓形分布，但由于激光為相干光，相干疊加的結(jié)果使得光束的長(zhǎng)軸在波導(dǎo)的窄邊方向，短軸在寬邊方向遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)表現(xiàn)出LD光束的發(fā)射特性，通常垂直發(fā)散角約300～500，水平發(fā)散角約

50～100

4.3.4LD的改進(jìn)理想的光纖通信光源性能考慮合適的功率窄光譜高調(diào)制速率成本考慮長(zhǎng)壽命小體積低功耗簡(jiǎn)單的外圍電路早期LD的情況1962年，出現(xiàn)同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器（GaAs）低溫下脈沖工作77K，重頻50kHz高閾值電流密度105A/cm2壽命短小時(shí)量級(jí)問(wèn)題剖析壽命影響因素：大電流溫度壽命短性能更高的效率更窄的譜線方法效率載流子利用效率（內(nèi)量子效率）光子輸出效率（外量子效率）譜線動(dòng)態(tài)單縱模振蕩解決內(nèi)量子效率問(wèn)題同質(zhì)結(jié)的效率問(wèn)題同質(zhì)PN結(jié)發(fā)光效率比較低電子-空穴分布范圍大，濃度低，增益低PN結(jié)與P區(qū)和N區(qū)的相對(duì)折射率差小，雜散方向上光子多，不能有效反饋、輸出發(fā)光效率低意味著閾值高，工作電流大，LD溫度高，壽命短改進(jìn)辦法：使用異質(zhì)PN結(jié)Eg導(dǎo)帶價(jià)帶折射率光強(qiáng)0.1~1%矮墻使用異質(zhì)結(jié)提高發(fā)光效率異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)指在有源區(qū)的兩邊加上相異的寬帶隙的半導(dǎo)體材料異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，特別是雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，對(duì)載流子和光子都形成約束，大大提高了發(fā)光效率，可降低LD的閾值，延長(zhǎng)LD的壽命導(dǎo)帶價(jià)帶折射率光強(qiáng)0.1~1%同質(zhì)結(jié)單異質(zhì)結(jié)~5%雙異質(zhì)結(jié)量子阱（QW）技術(shù)對(duì)非平衡載流子的約束雙異質(zhì)結(jié)相當(dāng)于用“寬溝”將對(duì)載流子進(jìn)行約束，溝內(nèi)的載流子能量連續(xù)分布量子阱技術(shù)使用“窄溝”對(duì)載流子進(jìn)行約束，溝內(nèi)載流子由于空間約束，其能量形成量子化分布在注入條件一定的情況下，量子阱技術(shù)可在局部（勢(shì)阱內(nèi)）形成某些能量差之間更高的非平衡載流子濃度，使閾值條件變得更低量子阱的實(shí)現(xiàn)將有源層厚度減小到nm量級(jí)，可出現(xiàn)量子阱多層半導(dǎo)體可形成多量子阱結(jié)構(gòu)Eg2有源層（100?）Eg1SQW勢(shì)壘量子阱MQW量子線與量子點(diǎn)技術(shù)思路：利用空間分割，進(jìn)一步約束注入載流子的分布方法：3維納米尺度效果10Gb/s直調(diào)在20℃至50℃的溫度范圍內(nèi)，光輸出特性基本不依賴溫度的變化內(nèi)量子效率改進(jìn)小結(jié)同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，105A/cm2勢(shì)阱結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)，103~

104A/cm2量子阱，102A/cm2空間分割量子線，101A/cm2量子點(diǎn)，100A/cm2解決外量子效率問(wèn)題增益導(dǎo)引激光器特點(diǎn)使用窄條形金屬電極和SiO2掩蔽層限制載流子分布，利用有源區(qū)內(nèi)載流子濃度引起的微小射率變化對(duì)光子進(jìn)約束使用晶體的天然解理面作為諧振腔反射鏡存在問(wèn)題光子輸出效率低Cu熱沉N-GaAs襯底N-GaAlAsP-GaAs有源層P-GaAlAs金屬電極層SiO2掩蔽層解理鏡面折射率導(dǎo)引激光器優(yōu)點(diǎn)可以對(duì)有源區(qū)的橫向光場(chǎng)形成更好的限制P-InPSiO2SiO2有源層-InGaAsPN-InPN+-InP

襯底Cu熱沉脊弱折射率脊型導(dǎo)引LD

P-InPInGaAsP(有源層)N-InPN+-InP

襯底Cu熱沉P-InPN-InP臺(tái)面強(qiáng)折射率導(dǎo)引掩埋型LD解決動(dòng)態(tài)單縱橫振蕩問(wèn)題單縱模振蕩LD單縱模振蕩的實(shí)現(xiàn)方式選頻反饋外腔式選頻分布反饋選頻DFB——分布反饋DBR——分布布拉格反射使用超短諧振腔，增大縱模波長(zhǎng)間隔，使邊模落在增益譜外存在問(wèn)題：腔太短易引起光在腔內(nèi)來(lái)回反射一次的增益不足以補(bǔ)償反射鏡的損耗DFB和DBRBragg光柵P區(qū)N區(qū)Bragg光柵有源區(qū)DBR-LDDFB和DBR均可實(shí)現(xiàn)單縱模輸出，輸出波長(zhǎng)為布喇格波長(zhǎng)二者相比較，DBR制作工藝要求更高，特性也更好一些有源區(qū)內(nèi)載流子濃度會(huì)對(duì)其折射率造成影響有源區(qū)折射率的變化引起了光柵參數(shù)的變化，布拉格波長(zhǎng)隨之變化，導(dǎo)致LD譜線移動(dòng)對(duì)LD調(diào)制時(shí)，信號(hào)電流導(dǎo)致載流子濃度交變，LD輸出產(chǎn)生頻率啁啾，頻譜展寬DBR的光柵反射區(qū)基本沒(méi)有折射率變化，因此反射波長(zhǎng)穩(wěn)定P區(qū)N區(qū)1/4波長(zhǎng)Bragg光柵有源區(qū)DFB-LDVCSELVCSEL：Vertical-CavitySurfaceEmittingLaser，垂直腔面發(fā)射激光管專門設(shè)計(jì)了反射鏡以降低反射損耗，有時(shí)還使用布拉格光柵增強(qiáng)其對(duì)特定波長(zhǎng)的反射率優(yōu)點(diǎn)：調(diào)制存速率高，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，成本低，易集成缺點(diǎn)：功率較低，長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL器件還不成熟電極光纖膠N-InPInGaAsPMQW有源區(qū)限流區(qū)鏡面Cu熱沉P-InP4.3.5LD的典型參數(shù)實(shí)際產(chǎn)品參數(shù)列表F-PMQWLDDFB-MQWLDP-I和V-I特性曲線通信用LD常用典型值功率大多LD功率可達(dá)0dBm閾值電流雙異質(zhì)結(jié)LD的Ith為典型值為20mA~40mA多量子阱LD的Ith典型值為10mA譜寬F-P腔LD的RMS譜寬典型值為2nmDFBLD的-20dB譜寬典型值為0.4nm4.4光放大器4.4.1光放大器基本概念光傳輸中的中繼問(wèn)題光纖通信目標(biāo)：大容量、長(zhǎng)距離通信對(duì)傳輸距離的限制因素?fù)p耗：信號(hào)幅度下降，接收機(jī)信噪比降低色散：信號(hào)脈沖展寬，出現(xiàn)碼間串?dāng)_延伸傳輸距離的方法對(duì)光信號(hào)進(jìn)行中繼TR320kmRRR80km80km80km80km兩種中繼方法（一）光-電-光中繼優(yōu)點(diǎn)損耗、色散問(wèn)題均可解決沒(méi)有噪聲積累問(wèn)題，最大通信距離不受限缺點(diǎn)中繼距離受限于接收機(jī)靈敏度，對(duì)于高速系統(tǒng)，中繼距離較短速率受電器件限制，一般情況下，不同系統(tǒng)速率的中繼器不通用在波分復(fù)用環(huán)境中，系統(tǒng)配置較為復(fù)雜電域光域光域O/EE/O2R/3R光纖光纖TTTTTRTRTRTRDWDMDWDMRRRRDWDMO/E/OO/E/OO/E/OO/E/ODWDM電中繼DWDM應(yīng)用時(shí)的情況TTTTTRTRTRTRDWDMDWDMRRRR電中繼DWDM應(yīng)用時(shí)的情況？?jī)煞N中繼方法（二）全光中繼（放大）優(yōu)點(diǎn)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)波長(zhǎng)的中繼放大透明，信號(hào)速率幾乎不受限制光放大器小信號(hào)增益能夠達(dá)35dB以上，中繼距離較長(zhǎng)缺點(diǎn)：存在光噪聲積累問(wèn)題，全光中繼最大通信距離受限不能解決光纖色散造成的光脈沖展寬問(wèn)題，全光中繼距離受限光放大器光域兩種中繼方法的常見(jiàn)應(yīng)用場(chǎng)合光/電/光中繼單路系統(tǒng)，需要上下低速通路，通信速率不高典型應(yīng)用場(chǎng)景：早期單路光纜通信線路，長(zhǎng)途光纜線路上下通路站全光中繼高速多路系統(tǒng)，不需要上下低速通路典型應(yīng)用場(chǎng)景海纜通信，我國(guó)西部長(zhǎng)途光纜線路光放大器基本概念定義一種可以不經(jīng)過(guò)任何光電、電光的內(nèi)部轉(zhuǎn)換而直接放大光信號(hào)的放大器作用對(duì)光信號(hào)放大，延伸中繼距離光放大器基本原理受激輻射E1E2hυhυhυ同頻、同相、同偏振態(tài)光放大器基本結(jié)構(gòu)輸入信號(hào)光輸出信號(hào)光激勵(lì)源輔助部件（耦合，隔離）增益物質(zhì)光放大器與電放大器的異同工作原理（異）電放大器：四兩撥千斤光放大器：滾雪球工作特性（同）增益、帶（譜）寬、線性、噪聲工作方式（同）小信號(hào)放大，功率放大光放大器種類半導(dǎo)體光放大器SOA光纖放大器摻雜光纖放大器典型代表：EDFA非線性光纖放大器典型代表：RFA光放大器的主要工作參數(shù)功率增益飽和輸出功率噪聲系數(shù)增益帶寬（譜寬）功率增益功率增益定義表示光放大器的放大能力飽和輸出功率輸出飽和功率定義為小信號(hào)增益下降3dB時(shí)的輸出功率噪聲系數(shù)信噪比的惡化用噪聲系數(shù)Fn表示,定義為輸入信噪比與輸出信噪比之比：噪聲系數(shù)與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)差有關(guān)，充分泵浦有利于減小噪聲增益帶（譜）寬由于粒子受激輻射產(chǎn)生光放大的速度非?？?，因此可以認(rèn)為光放大器的輸出能夠完美地跟蹤輸入光信號(hào)的變化光放大器的增益帶寬主要指可增益的光譜寬度，一般也稱作增益譜寬對(duì)光放大器增益譜的要求盡可能寬盡可能平坦4.4.2半導(dǎo)體光放大器(SOA)FP型SOA原理半導(dǎo)體晶體的兩個(gè)解理面作為形成法布里－珀羅腔的部分反射端面鏡光信號(hào)進(jìn)入FPA后，在兩個(gè)鏡面間來(lái)回反射并得到放大，直到以較高的強(qiáng)度輻射出去特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：容易制作，增益較高缺點(diǎn)：可能出現(xiàn)自激，存在諧振特性，且受外界影響大溫度敏感，注入電流強(qiáng)度敏感，入射光頻率敏感TW（行波）型SOA基本原理對(duì)LD的端面做增透處理（鍍膜），或者斜切形成角度，避免發(fā)生內(nèi)反射，入射光僅通過(guò)一次即形成光放大特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：增益譜較寬缺點(diǎn)：由于半導(dǎo)體腔長(zhǎng)很短，因此增益受限SOA的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：體積小、制作工藝成熟，且便于與其它光器件進(jìn)行集成、組件器件少，結(jié)構(gòu)緊湊具有快速的增益響應(yīng)工作波段可覆蓋1.3um和1.5um兩個(gè)波段缺點(diǎn)與光纖耦合困難，耦合損失大噪聲及串?dāng)_較大對(duì)光的偏振特性較為敏感增益較低，飽和輸出功率較小SOA的偏振敏感性SOA結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)增益腔形狀：極扁的長(zhǎng)方體，截面非軸對(duì)稱橫截面典型寬度=10m

量級(jí)，高度<1m不同偏振方向上的光增益不同，此即為偏振敏感解決辦法級(jí)聯(lián)并聯(lián)4.4.3摻鉺光纖放大器(EDFA)SOA的主要缺點(diǎn)及其成因耦合損失大，對(duì)光的偏振特性較為敏感成因：極扁的增益腔截面較小的增益和飽和輸出功率成因：增益腔很短噪聲大成因：增益腔很短，增益隨機(jī)分布較大串?dāng)_較大成因：增益腔體積小，載流子和光子濃度均很高，非線性效應(yīng)強(qiáng)更理想的光放大器--EDFA使用摻鉺光纖擔(dān)任增益物質(zhì)與輸入輸出光纖可形成良好匹配增益腔截面為圓形，無(wú)固有的偏振敏感特性增益腔截面面積大，長(zhǎng)度長(zhǎng)，光子密度相對(duì)較低，非線性效應(yīng)弱，串?dāng)_小增益腔較長(zhǎng)，可獲得足夠的增益和足夠的飽和輸出功率增益腔較長(zhǎng)，增益隨機(jī)性減弱，噪聲系數(shù)較低EDFA的增益物質(zhì)—鉺Er3+的相關(guān)能級(jí)結(jié)構(gòu)Er+3的能級(jí)結(jié)構(gòu)圖參與放大過(guò)程的三個(gè)能帶基態(tài)能帶E1亞穩(wěn)能帶E2泵浦能帶E3（高能態(tài)）泵浦方式可使用980nm或1480nm的光實(shí)現(xiàn)對(duì)Er3+粒子的光泵浦E3E2E1Er3+受激輻射工作示意圖980nm泵浦光將粒子從基態(tài)激發(fā)到E3態(tài)E3上粒子壽命很短，將通過(guò)無(wú)輻射躍遷的形式，迅速轉(zhuǎn)移到E2能態(tài)當(dāng)波長(zhǎng)在1550nm附近的光子通過(guò)時(shí)，處于E2能態(tài)的粒子發(fā)生受激輻射回到基態(tài)，同時(shí)發(fā)射三同光子，形成光放大使用1480nm泵浦光時(shí)，粒子將直被接泵浦到E2能態(tài)兩種波長(zhǎng)的泵浦光的特點(diǎn)EDFA可以使用980nm和1480nm兩種波長(zhǎng)的泵浦光使用980nm泵浦光時(shí)，放大器噪聲系數(shù)較小，但泵浦效率較低使用1480nm泵浦光時(shí)，特點(diǎn)與前者正好相反EDFA的基本結(jié)構(gòu)摻鉺光纖半導(dǎo)體泵浦二極管耦合器光隔離器EDFA的三種泵浦方式信號(hào)和泵浦光同方向傳輸—正向泵浦反向泵浦雙向泵浦LD2WDM2EDFAPCAPCinoutLD1WDM1LDWDMEDFAPCAPCinoutLDWDMEDFAPCAPCinout三種泵浦方式的比較前泵增益系數(shù)大，但易達(dá)到增益飽和而使噪聲增加

后泵不易達(dá)到飽和，因而噪聲性能較好雙向泵浦這種泵浦方式結(jié)合了同向泵浦和反向泵浦的優(yōu)點(diǎn)，使泵浦光在光纖中均勻分布，從而使其增益也在光纖中均勻分布對(duì)于輸出功率要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合，主要使用前兩種泵浦方式，雙向泵浦甚至多泵主要應(yīng)用在功率放大場(chǎng)合，以期獲得較大的飽和輸出功率EDFA的典型增益曲線EDFA的優(yōu)點(diǎn)（一）工作波長(zhǎng)與光纖最低損耗窗口一致，可在光纖通信中獲得應(yīng)用耦合效率高因?yàn)槭枪饫w型放大器，易與光纖耦合連接，連接損耗低至0.1dB能量轉(zhuǎn)換效率高光與物質(zhì)的作用充分，作用長(zhǎng)度較長(zhǎng)，轉(zhuǎn)換效率很高EDFA的優(yōu)點(diǎn)（二）增益高、噪聲低、輸出功率大增益可達(dá)40dB輸出功率可達(dá)+20dBm以上噪聲系數(shù)可低至3～4dB增益特性穩(wěn)定對(duì)溫度不敏感，適應(yīng)各種環(huán)境EDFA的典型應(yīng)用方式前置放大器利用EDFA的低噪特性，將其前置于接收機(jī)，以提高接收靈敏度功率放大器利用EDFA的高飽和輸出功率和快速響應(yīng)特性，將其置于高速光發(fā)射機(jī)的輸出端，以提高高速光信號(hào)的入纖功率，延長(zhǎng)傳輸距離中繼放大器替代傳統(tǒng)的光電光中繼器，對(duì)線路中的光信號(hào)直接進(jìn)行放大，以實(shí)現(xiàn)全光通信4.4.4拉曼光纖放大器（RFA）受激拉曼散射SRS量子力學(xué)描述入射光波的一個(gè)光子被一個(gè)分子散射成另一個(gè)低頻光子，同時(shí)分子完成振動(dòng)態(tài)間的躍遷，入射光作為泵浦光，產(chǎn)生稱為斯托克斯波的頻移光是泵浦光頻率，是斯托克斯頻率，是斯托克斯頻移亞穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)基態(tài)FRA原理石英光纖具有很寬的受激拉曼散射（SRS）增益譜，并在13THz附近有一較寬的主峰如果一個(gè)弱信號(hào)與一強(qiáng)泵浦光波同時(shí)在光纖中傳輸，并使弱信號(hào)波長(zhǎng)置于泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，弱信號(hào)光即可得到放大FRA特點(diǎn)分布式放大FRA具有頻帶寬、增益高、輸出功率大、響應(yīng)快與系統(tǒng)連接方便等優(yōu)點(diǎn)泵浦效率低，需要很大的泵浦光功率，限制了其應(yīng)用4.5光發(fā)送機(jī)的基本組成及指標(biāo)4.5.1光發(fā)送機(jī)一般結(jié)構(gòu)光發(fā)送機(jī)的一般構(gòu)成光發(fā)送機(jī)的任務(wù)實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換數(shù)字式光發(fā)送機(jī)的主要部分包括光線路編碼調(diào)制電路控制電路光線路編碼調(diào)制電路光源控制電路數(shù)字電信號(hào)數(shù)字光信號(hào)4.5.2光源的調(diào)制內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制內(nèi)調(diào)制指直接利用改變光源的注入條件實(shí)現(xiàn)調(diào)制利用半導(dǎo)體光源的輸出光功率隨注入電流的變化而變化的特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)LED和LD的內(nèi)調(diào)制內(nèi)調(diào)制通常只能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制（IM：IntensityModulation）外調(diào)制指光源本身光輸出穩(wěn)定，在外部使用專門的調(diào)制器