光源和光發(fā)射機(jī)

光源和光發(fā)射機(jī)1第一頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日4.1與激光器有關(guān)的概念光源是光纖通信系統(tǒng)中光發(fā)射機(jī)的重要組成部件，其主要作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)送入光纖。目前用于光纖通信的光源包括半導(dǎo)體激光器（LaserDiode，LD）和半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LightEmittingDiode，LED）。2第二頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日4.1與激光器有關(guān)的概念1．光子的概念2．費(fèi)米能級(jí)3．光和物質(zhì)的相互作用3第三頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日1．光子的概念光是由能量為hf的光量子組成的，其中h=6.626×10-34J·S，稱為普朗克常數(shù)；f是光波頻率。人們將這些光量子稱為光子。不同頻率的光子具有不同的能量。光具有波、粒兩重性。4第四頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日2．費(fèi)米能級(jí)（1）原子能級(jí)的概念物質(zhì)是由原子組成的，而原子是由原子核和核外電子構(gòu)成的。當(dāng)物質(zhì)中原子的內(nèi)部能量變化時(shí)，可能產(chǎn)生光波。電子在原子中圍繞原子核按一定軌道運(yùn)動(dòng)，而且只能有某些允許的軌道。由于在每一個(gè)軌道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，就相應(yīng)具有一定的電子能量，因此，電子運(yùn)動(dòng)的能量只能有某些允許的數(shù)值。這些所允許的能量值因軌道不同，都是一個(gè)個(gè)地分開(kāi)的，即是不連續(xù)的。我們把這些分立的能量值稱為原子的不同能級(jí)。5第五頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日2．費(fèi)米能級(jí)（2）費(fèi)米能級(jí)電子按能量大小的分布確有一定的規(guī)律。電子占據(jù)能級(jí)的概率遵循費(fèi)米能級(jí)統(tǒng)計(jì)規(guī)律：在熱平衡條件下，能量為E的能級(jí)被一個(gè)電子占據(jù)的概率為費(fèi)米統(tǒng)計(jì)規(guī)律是物質(zhì)粒子能級(jí)分布的基本規(guī)律它反映了物質(zhì)中的電子按一定規(guī)律占據(jù)能級(jí)6第六頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日費(fèi)米分布函數(shù)變化曲線7第七頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日3．光和物質(zhì)的相互作用光可以被物質(zhì)吸收，也可以從物質(zhì)中發(fā)射。在研究光與物質(zhì)的相互作用時(shí)，愛(ài)因斯坦指出，這里存在著三種不同的基本過(guò)程，即自發(fā)輻射、受激吸收以及受激輻射。8第八頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日3．光和物質(zhì)的相互作用（1）自發(fā)輻射發(fā)射光子的頻率自發(fā)輻射的特點(diǎn)如下：①這個(gè)過(guò)程是在沒(méi)有外界作用的條件下自發(fā)產(chǎn)生的，是自發(fā)躍遷。②輻射光子的頻率亦不同，頻率范圍很寬。③電子的發(fā)射方向和相位也是各不相同的，是非相干光。9第九頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日3．光和物質(zhì)的相互作用原子的自發(fā)輻射10第十頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日3．光和物質(zhì)的相互作用（2）受激吸收物質(zhì)在外來(lái)光子的激發(fā)下，低能級(jí)上的電子吸收了外來(lái)光子的能量，而躍遷到高能級(jí)上，這個(gè)過(guò)程叫做受激吸收。受激吸收的特點(diǎn)如下。①這個(gè)過(guò)程必須在外來(lái)光子的激發(fā)下才會(huì)產(chǎn)生，因此是受激躍遷。②外來(lái)光子的能量要等于電子躍遷的能級(jí)之③受激躍遷的過(guò)程不是放出能量，而是消耗外來(lái)光能。11第十一頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日3．光和物質(zhì)的相互作用原子的受激吸收12第十二頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日3．光和物質(zhì)的相互作用（3）受激輻射處于高能級(jí)E2的電子，當(dāng)受到外來(lái)光子的激發(fā)而躍遷到低能級(jí)E1時(shí)，放出一個(gè)能量為hf的光子。由于這個(gè)過(guò)程是在外來(lái)光子的激發(fā)下產(chǎn)生的，因此叫做受激輻射。13第十三頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日3．光和物質(zhì)的相互作用受激輻射的特點(diǎn)如下。①外來(lái)光子的能量等于躍遷的能級(jí)之差。②受激過(guò)程中發(fā)射出來(lái)的光子與外來(lái)光子不僅頻率相同，而且相位、偏振方向和傳播方向都相同，因此稱它們是全同光子。③這個(gè)過(guò)程可以使光得到放大。14第十四頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日3．光和物質(zhì)的相互作用原子的受激輻射15第十五頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日4.2激光器的工作原理激光器是指能夠產(chǎn)生激光的自激振蕩器。要使得光產(chǎn)生振蕩，必須先使光得到放大，而產(chǎn)生光放大的前提，由前面的討論可知，是物質(zhì)中的受激輻射必須大于受激吸收。受激輻射是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵。16第十六頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日4.2激光器的工作原理1．粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布與光放大之間的關(guān)系2．激光器的基本組成3．光學(xué)諧振腔4．激光器的參量17第十七頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日1．粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布與光放大之間的關(guān)系在熱平衡條件下，物質(zhì)不可能有光放大作用要想物質(zhì)能夠產(chǎn)生光的放大，就必須使受激輻射作用大于受激吸收作用，也就是必須使N2>N1。這種粒子數(shù)一反常態(tài)的分布，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)是使物質(zhì)產(chǎn)生光放大的必要條件。將處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的物質(zhì)稱為增益物質(zhì)或激活物質(zhì)。18第十八頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日2．激光器的基本組成激光振蕩器必須包括以下三個(gè)部分：能夠產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)，能夠使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的激勵(lì)源，能夠完成頻率選擇及反饋?zhàn)饔玫墓鈱W(xué)諧振腔。19第十九頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日3．光學(xué)諧振腔①光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)。在增益物質(zhì)兩端，適當(dāng)?shù)奈恢?，放置兩個(gè)反射鏡M1和M2互相平行，就構(gòu)成了最簡(jiǎn)單的光學(xué)諧振腔。如果反射鏡是平面鏡，稱為平面腔；如果反射鏡是球面鏡，則稱為球面腔。20第二十頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日3．光學(xué)諧振腔對(duì)于兩個(gè)反射鏡，要求其中一個(gè)能全反射，如M1的反射系數(shù)r=1；另一個(gè)為部分反射，如M2的反射系數(shù)r<1，產(chǎn)生的激光由此射出。②諧振腔如何產(chǎn)生激光振蕩。21第二十一頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日3．光學(xué)諧振腔圖3-5光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)22第二十二頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日3．光學(xué)諧振腔激光器示意圖23第二十三頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日3．光學(xué)諧振腔綜合上述分析可知，要構(gòu)成一個(gè)激光器，必須具備以下三個(gè)組成部分：工作物質(zhì)、泵浦源和光學(xué)諧振腔。工作物質(zhì)在泵浦源的作用下發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，成為激活物質(zhì)，從而有光的放大作用。激活物質(zhì)和光學(xué)諧振腔是產(chǎn)生激光振蕩的必要條件。24第二十四頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日4．激光器的參量（1）平均衰減系數(shù)α在光學(xué)諧振腔內(nèi)產(chǎn)生振蕩的先決條件是放大的光能要足以抵消腔內(nèi)的損耗。諧振腔內(nèi)損耗的大小用平均衰減系數(shù)α表示為25第二十五頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日4．激光器的參量（2）增益系數(shù)激活物質(zhì)的放大作用用增益系數(shù)G來(lái)表示。G表示光通過(guò)單位長(zhǎng)度的激活物質(zhì)之后，光強(qiáng)增長(zhǎng)的百分比。26第二十六頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日4．激光器的參量激活物質(zhì)的放大作用27第二十七頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日4．激光器的參量（3）閾值條件將激光器能產(chǎn)生激光振蕩的最低限度稱為激光器的閾值條件閾值條件為其中Gt稱為閾值增益系數(shù)。激光器的閾值條件只決定于光學(xué)諧振腔的固有損耗。損耗越小，閾值條件越低，激光器就越容易起振。28第二十八頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日4．激光器的參量（4）諧振頻率諧振頻率是光學(xué)諧振腔的重要參數(shù)。光學(xué)諧振腔的諧振條件或稱駐波條件29第二十九頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日4.3半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是有閾值的器件，它和發(fā)光二極管（LED）同屬半導(dǎo)體發(fā)光器件。光纖通信對(duì)半導(dǎo)體發(fā)光器件的基本要求有下列幾點(diǎn)。（1）光源的發(fā)光波長(zhǎng)應(yīng)符合目前光纖的三個(gè)低損耗窗口,即短波長(zhǎng)波段的0.85μm、長(zhǎng)波長(zhǎng)波段的1.31μm與1.55μm。。（2）能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，并能提供足夠的光輸出功率。（3）與光纖的耦合效率高。（4）光源的譜線寬度窄。（5）壽命長(zhǎng)，工作穩(wěn)定。30第三十頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日4.3半導(dǎo)體激光器1．半導(dǎo)體激光器（LD）的結(jié)構(gòu)和工作原理2．半導(dǎo)體激光器的工作特性31第三十一頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日1．LD的結(jié)構(gòu)和工作原理用半導(dǎo)體材料作為激活物質(zhì)的激光器，稱為半導(dǎo)體激光器。在半導(dǎo)體激光器中，從光振蕩的形式上來(lái)看，主要有兩種方式構(gòu)成的激光器，一種是用天然解理面形成的F-P腔（法布里-珀羅諧振腔），這種激光器稱為F-P腔激光器；另一種是分布反饋型（DFB）激光器。32第三十二頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日1．LD的結(jié)構(gòu)和工作原理F-P腔激光器從結(jié)構(gòu)上可分為同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器、單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器和雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器。33第三十三頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日1．LD的結(jié)構(gòu)和工作原理半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖34第三十四頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日1．LD的結(jié)構(gòu)和工作原理InGaAsP雙異質(zhì)結(jié)條形激光器示意圖35第三十五頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日1．LD的結(jié)構(gòu)和工作原理半導(dǎo)體的能帶分布。①本征半導(dǎo)體的能帶分布。②P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的形成。③在重?fù)诫s情況下，N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的能帶分布。④P-N結(jié)外加正偏壓后的能帶分布以及激光的產(chǎn)生。36第三十六頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日1．LD的結(jié)構(gòu)和工作原理本征半導(dǎo)體的能帶分布37第三十七頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日1．LD的結(jié)構(gòu)和工作原理N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體重?fù)诫s能帶圖38第三十八頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日1．LD的結(jié)構(gòu)和工作原理P-N結(jié)空間電荷區(qū)39第三十九頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日1．LD的結(jié)構(gòu)和工作原理④P-N結(jié)外加正偏壓后的能帶分布以及激光的產(chǎn)生。ⅠP-N結(jié)空間電荷區(qū)的形成。ⅡP-N結(jié)形成后的能帶分析。ⅢP-N結(jié)外加正偏壓后的能帶分布。Ⅳ激光的產(chǎn)生。40第四十頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日1．LD的結(jié)構(gòu)和工作原理P-N結(jié)形成后的能帶分布41第四十一頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日1．LD的結(jié)構(gòu)和工作原理外加正偏壓后P-N結(jié)的能帶分布42第四十二頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日2．半導(dǎo)體激光器的工作特性（1）閾值特性對(duì)于半導(dǎo)體激光器，當(dāng)外加正向電流達(dá)到某一值時(shí)，輸出光功率將急劇增加，這時(shí)將產(chǎn)生激光振蕩，這個(gè)電流值稱為閾值電流，用It表示。43第四十三頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日2．半導(dǎo)體激光器的工作特性激光器輸出特性曲線44第四十四頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日2．半導(dǎo)體激光器的工作特性（2）光譜特性半導(dǎo)體激光器的光譜隨著激勵(lì)電流的變化而變化。激光器產(chǎn)生的激光有多模和單模。45第四十五頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日2．半導(dǎo)體激光器的工作特性（2）光譜特性半導(dǎo)體激光器的光譜隨著激勵(lì)電流的變化而變化。激光器產(chǎn)生的激光有多模和單模。46第四十六頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日2．半導(dǎo)體激光器的工作特性GaAs激光器的光譜47第四十七頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日2．半導(dǎo)體激光器的工作特性GaAlAs/GaAs激光器的典型輸出光譜48第四十八頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日2．半導(dǎo)體激光器的工作特性（3）溫度特性激光器的閾值電流和光輸出功率隨溫度變化的特性為溫度特性。49第四十九頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日2．半導(dǎo)體激光器的工作特性激光器閾值電流隨溫度變化的曲線50第五十頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日2．半導(dǎo)體激光器的工作特性（4）轉(zhuǎn)換效率半導(dǎo)體激光器是把電功率直接轉(zhuǎn)換成光功率的器件，衡量轉(zhuǎn)換效率的高低常用功率轉(zhuǎn)換效率來(lái)表示。激光器的功率轉(zhuǎn)換效率定義為輸出光功率與消耗的電功率之比，用ηP表示。51第五十一頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日4.4發(fā)光二極管發(fā)光二極管（LED）是非相干光源，是無(wú)閾值器件，它的基本工作原理是自發(fā)輻射。

發(fā)光二極管與半導(dǎo)體激光器差別是：發(fā)光二極管沒(méi)有光學(xué)諧振腔，不能形成激光。僅限于自發(fā)輻射，所發(fā)出的是熒光，是非相干光。半導(dǎo)體激光器是受激輻射，發(fā)出的是相干光。52第五十二頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日

LED也多采用雙異質(zhì)結(jié)芯片，不同的是LED沒(méi)有解理面，即沒(méi)有光學(xué)諧振腔。由于不是激光振蕩，所以沒(méi)有閾值。

LED分為兩大類：一類是面發(fā)光型LED，另一類是邊發(fā)光型LED4.4發(fā)光二極管53第五十三頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日

常用的兩類發(fā)光二極管（LED）4.4發(fā)光二極管54第五十四頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日（1）光譜特性

LED譜線寬度?λ比激光器寬得多。下圖是InGaAsPLED的輸出光譜。

4.4發(fā)光二極管55第五十五頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日

（2）輸出光功率特性兩種類型LED輸出光功率特性。驅(qū)動(dòng)電流I較小時(shí)，P?I曲線的線性較好；當(dāng)I過(guò)大時(shí)，由于P-N結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使P?I曲線的斜率減小4.4發(fā)光二極管56第五十六頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日

（3）溫度特性由于LED是無(wú)閾值器件，因此溫度特性較好（4）耦合效率由于LED發(fā)射出的光束的發(fā)散角較大，因此與光纖的耦合效率較低。一般只適于短距離傳輸（5）使用壽命長(zhǎng)4.4發(fā)光二極管57第五十七頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日

（6）調(diào)制特性調(diào)制頻率較低。在一般工作條件下，面發(fā)光型LED截止頻率為20MHz～30MHz，邊發(fā)光型LED截止頻率為100MHz～150MHz。4.4發(fā)光二極管58第五十八頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日

比較：

LED與LD相比，LED輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低。但LED性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，使用簡(jiǎn)單，輸出光功率線性范圍寬，而且制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。4.4發(fā)光二極管59第五十九頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日4.5光源的調(diào)制光源所采用的調(diào)制方式包括內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制（也稱為直接調(diào)制或間接調(diào)制）。60第六十頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日4.5光源的調(diào)制直接調(diào)制：直接在光源上進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制半導(dǎo)體激光器的注入電流。間接調(diào)制：在光源輸出的通路上外加調(diào)制器來(lái)對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制。可通過(guò)光電效應(yīng)或其他方式實(shí)現(xiàn)對(duì)光波的調(diào)制61第六十一頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日4.5光源的調(diào)制直接調(diào)制的方法：模擬強(qiáng)度調(diào)制（AIM） 脈位調(diào)制（PPM）數(shù)字調(diào)制（PCM-IM）

62第六十二頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日4.5光源的調(diào)制半導(dǎo)體光源的直接調(diào)制原理63第六十三頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日4.5光源的調(diào)制在IM-DD光纖通信系統(tǒng)中，采用的是內(nèi)調(diào)制。通常內(nèi)調(diào)制適用于半導(dǎo)體光源。缺點(diǎn)：動(dòng)態(tài)譜線增寬；調(diào)制時(shí)延；調(diào)制速度受限。64第六十四頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日4.5光源的調(diào)制間接調(diào)制方法：光電調(diào)制器聲光調(diào)制器

65第六十五頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日4.6光發(fā)射機(jī)(2)對(duì)光發(fā)射機(jī)的要求①光源的發(fā)光波長(zhǎng)要合適②合適的輸出光功率③較好的消光比④調(diào)制特性好此外還希望光發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定性好，光源的壽命長(zhǎng)等。66第六十六頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日光數(shù)字發(fā)射機(jī)原理圖擾碼編碼擾碼編碼驅(qū)動(dòng)67第六十七頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日4.6光發(fā)射機(jī)(3)光發(fā)射機(jī)的組成方框圖和各部分功能①均衡放大②碼型變換③時(shí)鐘68第六十八頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期日4.6光發(fā)射機(jī)④擾碼為了保證所提取時(shí)鐘的頻率以及相位與光發(fā)射機(jī)中的時(shí)鐘信號(hào)一致，必須避免所傳信號(hào)碼流中出現(xiàn)長(zhǎng)“0”或長(zhǎng)“1”的現(xiàn)象。解決這一問(wèn)題的方法就是擾碼，即在發(fā)送端加入一個(gè)擾碼電路，而在接收端則要加一個(gè)與擾碼相反的解擾電路，以恢