第4章光源和光发射机ppt课件

光纤通信简明教程第第4章章 光源和光发射机光源和光发射机本章内容本章内容4.1 半导体的能带理论半导体的能带理论4.2 发光二极管发光二极管4.3 半导体激光器半导体激光器4.4 光调制光调制4.5 光发送机光发送机小结、习题小结、习题 第4章光源和光发射机本章内容概概 述述一，光通信对光源的要求一，光通信对光源的要求合适的波长合适的波长 0，而且光谱窄，而且光谱窄足够的入纤光功率足够的入纤光功率P良好的调制特性良好的调制特性 （响应速度快）（响应速度快）稳定性好，寿命长，成本低稳定性好，寿命长，成本低 概述一，光通信对光源的要求合适的波长0，而且光谱窄常用半导体激光器常用半导体激光器LD和发光二极管和发光二极管LED；二，采用半导体光源的理由二，采用半导体光源的理由体积小，易与光纤耦合体积小，易与光纤耦合发光波长适合光纤的低损耗传输窗口发光波长适合光纤的低损耗传输窗口可以电光直接调制可以电光直接调制可靠性较高可靠性较高常用半导体激光器LD二，采用半导体光源的理由体积小，易与光纤4.1 半导体的能带理论半导体的能带理论1.1.半导体的能带半导体的能带半导体的主要特征是它们的内部原子有规则地、周期半导体的主要特征是它们的内部原子有规则地、周期性地排列着。作共有化运动的电子受到周期性排列着性地排列着。作共有化运动的电子受到周期性排列着的原子的作用，它们的势能具有晶格的周期性。因此，的原子的作用，它们的势能具有晶格的周期性。因此，晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同而分裂成若干组。虽然在半导体中能级还是离散的，而分裂成若干组。虽然在半导体中能级还是离散的，但是每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带。但是每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带。人们把这些组想象为很宽的连续的能量区，称为能带。人们把这些组想象为很宽的连续的能量区，称为能带。4.1半导体的能带理论1.半导体的能带能级理论：能级理论：原子由原子核和核外沿固定轨道旋转的电子组成；原子由原子核和核外沿固定轨道旋转的电子组成；电子在特定的能级中运动，并通过与外界交换能量电子在特定的能级中运动，并通过与外界交换能量发生能级跃迁；发生能级跃迁；能级所对应的能量值是离散的。能级所对应的能量值是离散的。能级理论：锗锗、硅硅和和GaAs等等都都是是共共价价晶晶体体。形形成成共共价价键键的的价价电电子子所占据的能带称为价带。所占据的能带称为价带。价带下面的能带是被电子占满了，称为满带。价带下面的能带是被电子占满了，称为满带。价带上面的能带称为导带。价带上面的能带称为导带。价价带带和和导导带带之之间间的的宽宽度度，不不能能被被电电子子占占据据,因因此此称称为为禁禁带。带。锗、硅和GaAs等都是共价晶体。形成共价键的价电子所占据的能（1）半导体的禁带很窄，）半导体的禁带很窄，价价带中的电子较易进入导带。导带中的电子较易进入导带。导带中的电子在外场作用下运动而参与导电。带中的电子在外场作用下运动而参与导电。（3）金属）金属导体没有禁带，可显示很强的导电性。导体没有禁带，可显示很强的导电性。（2）绝缘体的禁带很宽，）绝缘体的禁带很宽，价价带中的电子很难进入导带，带中的电子很难进入导带，导电性很差。导电性很差。外外 场场 价价带带导带导带价价带带导带导带价价带带导带导带（1）半导体）半导体禁带禁带禁带禁带外外 场场（2）绝缘体绝缘体（3）金属）金属（1）半导体的禁带很窄，价带中的电子较易进入导带。导带中的电半导体光源：半导体光源：在注入电流作用下，电子从低能级在注入电流作用下，电子从低能级跃迁到高能态，形成粒子数反转，电子再从高能态跃跃迁到高能态，形成粒子数反转，电子再从高能态跃迁到低能态产生光子而发光。迁到低能态产生光子而发光。半导体光检测器：半导体光检测器：注入光作用下，电子从低能态注入光作用下，电子从低能态跃迁到高能态，并在外加电场作用下形成光生电流。跃迁到高能态，并在外加电场作用下形成光生电流。半导体光源：在注入电流作用下，电子从低能级跃迁到高能态，形成 处于高能态（导带）电子不稳定，向低能态（价带）处于高能态（导带）电子不稳定，向低能态（价带）跃迁，而能量以光子形式释放出来，发射光子的能量跃迁，而能量以光子形式释放出来，发射光子的能量h等于导带价带能量差，即等于导带价带能量差，即hEc-EvEg。发光过程：发光过程：n自发发射：自发发射：处于高能态的电子按照处于高能态的电子按照一定的概率自发地跃迁到低能态上，一定的概率自发地跃迁到低能态上，并发射一个能量为并发射一个能量为E2-E1的光子；的光子；n受激发射：受激发射：处在高能态的电子在外处在高能态的电子在外界光场的感应下，发射一个和感应光界光场的感应下，发射一个和感应光子一模一样的光子，跃迁到低能态。子一模一样的光子，跃迁到低能态。处于高能态（导带）电子不稳定，向低能态（价带）跃迁，自发发射自发发射 光子随机地向各个方向发射，每次发射没有确定的相位关系光子随机地向各个方向发射，每次发射没有确定的相位关系非相干光。非相干光。LED通过自发发射过程发光。通过自发发射过程发光。受激发射受激发射 光子的发射方向、相位、频率都与激发它们的光子相同光子的发射方向、相位、频率都与激发它们的光子相同相相干光。干光。LD通过受激发射过程发光。通过受激发射过程发光。由于价带和导带之间是多个能级参与辐射，所以半由于价带和导带之间是多个能级参与辐射，所以半导体发射的光存在一定的光谱宽度。导体发射的光存在一定的光谱宽度。自发发射受激发射由于价带和导带之间是多个能级光吸收：光吸收：处于低能态电子，如果受到外来光的照射，处于低能态电子，如果受到外来光的照射，当光子能量等于或大于禁带能量时，光子将被吸收而当光子能量等于或大于禁带能量时，光子将被吸收而使电子跃迁到高能态。使电子跃迁到高能态。光吸收过程：光吸收过程：u受激吸收：受激吸收：如果入射光子的能如果入射光子的能量量h近似等于近似等于E2-E1，光子能量，光子能量就会被吸收，同时基态上的电子就会被吸收，同时基态上的电子跃迁到高能态。跃迁到高能态。u半导体光检测器基于这种效应。半导体光检测器基于这种效应。自发发射、受激发射和受激吸收三种过程是同时自发发射、受激发射和受激吸收三种过程是同时存在的。存在的。光吸收：处于低能态电子，如果受到外来光的照射，当光子能量等于 考虑两能级原子系统。在单位物质中，处于低能考虑两能级原子系统。在单位物质中，处于低能级级E1和高能级和高能级E2的原子数分别为的原子数分别为N1和和N2。系统处于。系统处于热平衡状态时，服从玻尔兹曼统计分布：热平衡状态时，服从玻尔兹曼统计分布：考虑两能级原子系统。在单位物质中，处于低能级E1和高N1N2：u在热平衡状态下，自发发射居支配地位，不能发射在热平衡状态下，自发发射居支配地位，不能发射相干光。相干光。N2N1：u受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，产受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，产生放大作用。生放大作用。u这种分布和正常状态的分布相反，称为粒子数反转。这种分布和正常状态的分布相反，称为粒子数反转。N1N2：费米能级费米能级-在热平衡下电子占据能级的概率在热平衡下电子占据能级的概率0.510TT式中，玻尔兹曼常数式中，玻尔兹曼常数 K是绝对温度是绝对温度当 K=0,EEf f(E)=0E=Ef f(E)=0.5如如 则则 f(E)0如如 则则 f(E)99.3%费米能级位置高低费米能级位置高低反映电子占据能级的水平反映电子占据能级的水平（近似认为（近似认为 以上无电子）以上无电子）费米能级-在热平衡下电子占据能级的概率0.510TT式第4章光源和光发射机ppt课件物质物质禁带禁带Eg（eV）波长（波长（nm）Si1.171067Ge0.7751610GaAs1.424876InP1.35924InGaAs0.751.2416641006AlGaAs1.421.92879650InGaAsP0.751.351664924物质禁带Eg（eV）波长（nm）Si1.171067Ge0.2.半导体半导体PN结的形成结的形成当一个当一个P型半导体和一个型半导体和一个N型半导体有了物理接触时，型半导体有了物理接触时，就形成一个就形成一个PN结。结。GaAs 掺Ge或Zn P型 23 45 GaAs 掺Te或Si N型 3 465 2.半导体PN结的形成当一个P型半导体和一个N型半导体有了物nN型半导体中过剩电子占据了本征半导体的导带。型半导体中过剩电子占据了本征半导体的导带。nP型半导体中过剩空穴占据了价带。型半导体中过剩空穴占据了价带。本征半导体的费米能级位于带隙中间；本征半导体的费米能级位于带隙中间；N型掺杂将使费米能级向导带移动，型掺杂将使费米能级向导带移动，P型掺杂使费米能型掺杂使费米能级向价带移动；级向价带移动；对于重掺杂对于重掺杂N型半导体，费米能级位于导带内型半导体，费米能级位于导带内兼并兼并型型N型半导体；型半导体；对于重掺杂对于重掺杂P型，费米能级位于价带内型，费米能级位于价带内兼并型兼并型P型半型半导体；导体；N型半导体中过剩电子占据了本征半导体的导带。本征半导体的费米双兼并型半导体：双兼并型半导体：n非热平衡状态时，在非热平衡状态时，在Efc和和Efv之间形成了一个粒子数之间形成了一个粒子数反转区域。反转区域。n如果入射光波能量满足：如果入射光波能量满足：则经过双兼并型半导体时将得到放大。则经过双兼并型半导体时将得到放大。双兼并型半导体：PN结具有单向导电性结具有单向导电性当当PN结结加加上上正正向向电电压压时时，外外加加电电压压的的电电场场方方向向消消弱弱了了自自建建场场，P区区的的空空穴穴通通过过PN结结流流向向N区区，N区区的的电电子子也也流流向向P区区，形形成成正正向向电电流流。由由于于P区区的的空空穴穴和和N区的电子都很多，所以这股正向电流是大电流。区的电子都很多，所以这股正向电流是大电流。当当PN结结加加反反向向电电压压时时，外外电电场场的的方方向向和和自自建建场场相相同同，多多数数载载流流子子将将背背离离PN结结的的交交界界面面移移动动，使使空空间间电电荷荷区区变变宽宽。空空间间电电荷荷区区内内电电子子和和空空穴穴都都很很少少，它它变变成成高阻层，因而反向电流非常小。高阻层，因而反向电流非常小。PN结具有单向导电性当PN结加上正向电压时，外加电压的电场方正向偏压：正向偏压：P区空穴不断流向区空穴不断流向N区，区，N区电子流向区电子流向P区，通过复合区，通过复合发光。发光。自发发射复合自发发射复合LED受激发射复合受激发射复合LD反向偏压：反向偏压：区域内电子和空穴都很少，形成高阻区。区域内电子和空穴都很少，形成高阻区。正向偏压：一个热平衡系统只能有一个费米能级。一个热平衡系统只能有一个费米能级。处于热平衡状态时，处于热平衡状态时，PN结两侧的费米能级相等。结两侧的费米能级相等。如果如果N区的能级位置保持不变，则区的能级位置保持不变，则P区的能级应该区的能级应该提高。提高。P区区N区区一个热平衡系统只能有一个费米能级。处于热平衡状态时，PN结n当正向电压加大到某一值后，当正向电压加大到某一值后，PN结里出现了增益区结里出现了增益区(有源区有源区)。nEfc和和Efv之间价带主要由空穴占据，导带主要由电子之间价带主要由空穴占据，导带主要由电子占据，即实现了粒子数反转占据，即实现了粒子数反转。当正向电压加大到某一值后，PN结里出现了增益区(有源区)。3.同质结和异质结同质结和异质结同质结就是在同质结就是在PN结的两边使用相同的半导体材料。结的两边使用相同的半导体材料。采用同质结结构的激光器或发光二极管存在如下两采用同质结结构的激光器或发光二极管存在如下两个问题。个问题。首先是对光波的限制不完善。首先是对光波的限制不完善。另一方面的问题是对载流子的限制不完善。另一方面的问题是对载流子的限制不完善。因此，为了降低同质结半导体激光器的阈值电流，因此，为了降低同质结半导体激光器的阈值电流，就要从上述两个方面来进行改进。就要从上述两个方面来进行改进。3.同质结和异质结同质结就是在PN结的两边使用相同的半导体材 双异质结：在宽带隙的双异质结：在宽带隙的P型和型和N型半导体材料之间型半导体材料之间插进一薄层窄带隙的材料。插进一薄层窄带隙的材料。双异质结：在宽带隙的P型和N型半导体材料之间插进一薄异质结异质结(heterojunction)1,本征材料本征材料-宽带隙材料，如：宽带隙材料，如：组分组分x改变改变折射率折射率n带隙带隙Eg损耗损耗2,分类分类反型异质结反型异质结同型异质结同型异质结P型型GaAs N型型GaAlAsN型型GaAs P型型GaAlAs P型型GaAs P型型GaAlAsN型型GaAs N型型GaAlAs异质结(heterojunction)1,本征材料-3,构成例构成例单异质结单异质结（SH）异质结异质结 作用区作用区双异质结双异质结（DH）作用区作用区 异质结异质结3,构成例单异质结异质结作用区双异质结作用 双异质结双异质结(DH)是窄带隙有源区是窄带隙有源区(GaAs)材料被夹在材料被夹在宽带隙的材料宽带隙的材料(GaAlAs)之间构成。之间构成。增加载流子的注入效率增加载流子的注入效率 形成光波导效应形成光波导效应 降低阈值电流降低阈值电流带隙差形成的势垒将电子和带隙差形成的势垒将电子和空穴限制在有源区复合发光；空穴限制在有源区复合发光；折射率使光场（光子）有效折射率使光场（光子）有效地限制在有源区。地限制在有源区。双异质结(DH)是窄带隙有源区(GaAs)材料被夹4.2 发光二极管的工作原理发光二极管的工作原理发发光光二二极极管管(LED)是是低低速速、短短距距离离光光通通信信系系统统中中常常用用光光源源。目目前前广广泛泛采采用用PN异异质质结结制制造造。LED的的原原理理是是在在LED注注入入正正向向电电流流时时，注注入入的的非非平平衡衡载载流子在扩散过程中发光。流子在扩散过程中发光。LED是是非非相相干干光光源源，它它的的发发光光过过程程是是自自发发辐辐射射过过程程，发发出出的的是是荧荧光光，它它没没有有光光学学谐谐振振腔腔，是是无无阈阈值器件。值器件。4.2发光二极管的工作原理发光二极管(LED)是低速、短距1.LED的结构和工作原理的结构和工作原理 正向电压正向电压V提供的外加能量激发了处于导带的电提供的外加能量激发了处于导带的电子和空穴进入耗尽区并且发生复合，促使发光二极管子和空穴进入耗尽区并且发生复合，促使发光二极管LED产生了能量。与普通二极管以热能的方式释放能产生了能量。与普通二极管以热能的方式释放能量不同，量不同，LED将大部分产生的能量以可见光的方式释将大部分产生的能量以可见光的方式释放出来。放出来。1.LED的结构和工作原理正向电压V提供的外加光功率光功率电流电流N电子数目电子数目量子效率量子效率Ep光子能量光子能量光功率电流N电子数目LED可分为面发光二极管和边发光二极管两大类可分为面发光二极管和边发光二极管两大类 1)面发光二极管（面发光二极管（SLED）Surface从平行于结平面的表面发光。从平行于结平面的表面发光。LED可分为面发光二极管和边发光二极管两大类1)面发光二极SLED光束呈朗伯分布：光束呈朗伯分布：P=P0cosSLED特点：特点：n工艺简单。工艺简单。n发散角大。发散角大。n效率低。效率低。n调制带宽较窄。调制带宽较窄。SLED光束呈朗伯分布：P=P0cosSLED特点：为提高面发光为提高面发光LED与光纤的耦合效率：与光纤的耦合效率：u在井中放置一个截球透镜；在井中放置一个截球透镜；u或者将光纤末端形成球透镜。或者将光纤末端形成球透镜。为提高面发光LED与光纤的耦合效率：2）边发光二极管）边发光二极管（ELED）Edge边发光二极管结构，边发光二极管结构，1.31m，双异质结，双异质结InGaAsP/InP。核心部分是一个。核心部分是一个N-AlGaAs有源层，有源层，及其两边的及其两边的P-AlGaAs和和N-AlGaAs导光层导光层(限制层限制层)。导光层的折射率比有源层低，但比其他周围材料的导光层的折射率比有源层低，但比其他周围材料的折射率高，从而有源层产生的光波从端面发射出来。折射率高，从而有源层产生的光波从端面发射出来。2）边发光二极管（ELED）Edge边发光二极管结构，1.ELED特点：特点：发散角、耦合效率和调制带宽均比面发光发散角、耦合效率和调制带宽均比面发光LED有改善。有改善。ELED特点：LED有如下工作特性：有如下工作特性：1)LED的光谱特性的光谱特性它的谱线宽度较宽，对高速率调制是不利的。它的谱线宽度较宽，对高速率调制是不利的。短波长短波长长波长长波长LED有如下工作特性：短波长长波长2）LED的输出光功率特性的输出光功率特性 LED的的P-I曲线线性范围较大，当驱动电流曲线线性范围较大，当驱动电流I较小较小时，时，P-I曲线的线性较好，在进行调制时，动态曲线的线性较好，在进行调制时，动态范围大，信号失真小。范围大，信号失真小。工作电流工作电流入纤光功率：几百微瓦入纤光功率：几百微瓦输出光功率：几十毫瓦输出光功率：几十毫瓦2）LED的输出光功率特性LED的P-I曲线线性范围较大，3）耦合特性）耦合特性 发散角发散角耦合效率低耦合效率低SLED4）温度特性）温度特性 温度特性较好温度特性较好典型渐变折射率典型渐变折射率62.5/125光纤的光纤的NA是是0.2753）耦合特性发散角耦合效率低SLED4）温度特性温度特性5）载流子生存周期和调制带宽）载流子生存周期和调制带宽 SLEDELED辐射复合生存期辐射复合生存期非辐射复合生存期非辐射复合生存期5）载流子生存周期和调制带宽SLEDELED辐射复合生存期4.3 半导体激光器半导体激光器 半导体激光器（半导体激光器（LD）主要适用于长距离大容）主要适用于长距离大容量的光纤通信系统。尤其是单纵模半导体激光器，量的光纤通信系统。尤其是单纵模半导体激光器，在高速率、大容量的数字光纤通信系统中得到广在高速率、大容量的数字光纤通信系统中得到广泛应用。近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是泛应用。近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是WDM光纤通信系统的关键器件，越来越受到人光纤通信系统的关键器件，越来越受到人们的关注。们的关注。4.3半导体激光器半导体激光器（LD）主要适1、光纤通信对半导体激光器的主要要求、光纤通信对半导体激光器的主要要求 半半导导体体激激光光器器(LD)是是光光纤纤通通信信最最主主要要的的光光源源，对它的基本要求有以下几点：对它的基本要求有以下几点：（1）光源应在光纤的三个低损耗窗口工作，即发）光源应在光纤的三个低损耗窗口工作，即发光波长为光波长为0.85m、1.31m或或1.55m。（2）光源的谱线宽度较窄，）光源的谱线宽度较窄，=0.11.0nm。（3）能提供足够的输出功率，可达到）能提供足够的输出功率，可达到10mW以上。以上。（4）与光纤耦合效率高，）与光纤耦合效率高，30%50%。（5）能长时间连续工作，工作稳定，提供足够的）能长时间连续工作，工作稳定，提供足够的输出光功率。输出光功率。1、光纤通信对半导体激光器的主要要求2、LD的工作原理的工作原理半导体激光器的组成半导体激光器的组成工作物质工作物质激励源激励源光学谐振腔光学谐振腔半导体激光器产生激光输出的基本条件：半导体激光器产生激光输出的基本条件：粒子数反转分布粒子数反转分布光反馈光反馈激光振荡的阈值条件激光振荡的阈值条件2、LD的工作原理在热平衡下具有统一的费米能级在热平衡下具有统一的费米能级两异型半导体一接触两异型半导体一接触 开始，载流子扩散运动占优势开始，载流子扩散运动占优势但扩散形成势垒，不仅有碍扩散，而且导致反向漂移。但扩散形成势垒，不仅有碍扩散，而且导致反向漂移。最终，扩散运动和漂移运动相互平衡，能带弯扭，最终，扩散运动和漂移运动相互平衡，能带弯扭，E f 电电子子势势能能孔孔穴穴势势能能（就导带的电子而言：（就导带的电子而言：P区的较区的较N区的高出势能区的高出势能,同理对于孔穴势能：同理对于孔穴势能：N区的比区的比P区的高区的高）从而具有统一的费米能级从而具有统一的费米能级在热平衡下具有统一的费米能级两异型半导体一接触Ef电子势能孔穴势能n 外加正偏压下，（势垒降低）外加正偏压下，（势垒降低）在结区形成集居数分布反转在结区形成集居数分布反转+_载流子复合载流子复合辐射发光辐射发光E电孔外加正偏压下3.常用半导体激光器常用半导体激光器 1）法布里）法布里珀罗激光器珀罗激光器普普通通的的半半导导体体激激光光器器一一般般采采用用条条形形结结构构双双异异质质结结半半导导体体激激光光器器(BH LD)，光光学学谐谐振振腔腔为为法法布布里里珀珀罗罗腔腔(FP)，它它可可以以分分为为两两类类，即即增增益益波波导导LD和折射率波导和折射率波导LD。3.常用半导体激光器1）法布里珀罗激光器L驻波条件及谐振频率驻波条件及谐振频率谐振腔总损耗谐振腔总损耗（平均衰减系数）L驻波条件及谐振频率谐振腔总损耗（平均衰减系数）FP 腔中满足谐振条件的纵模是均匀分布的：腔中满足谐振条件的纵模是均匀分布的：纵模间距：纵模间距：FP腔中满足谐振条件的纵模是均匀分布的：纵模间距：利用纵模间距：利用纵模间距：可计算激光器的腔长：可计算激光器的腔长：主导模式：最靠近增益峰的模式。主导模式：最靠近增益峰的模式。多模激光器：主模及其临近的两个边模同时振荡多模激光器：主模及其临近的两个边模同时振荡利用纵模间距：可计算激光器的腔长：主导模式：最靠近增益峰的模（2）动态单纵模半导体激光器）动态单纵模半导体激光器所谓动态单纵模半导体激光器所谓动态单纵模半导体激光器(SLM-LD)，就是，就是指在高速调制下仍能单纵模工作的半导体激光器。指在高速调制下仍能单纵模工作的半导体激光器。目前，比较成熟的单纵模激光器有分布反馈激光目前，比较成熟的单纵模激光器有分布反馈激光器器DFB及耦合腔激光器及耦合腔激光器（2）动态单纵模半导体激光器所谓动态单纵模半导体激光器(SL分布反馈半导体激光器分布反馈半导体激光器(DFB-LD)，它是在异质结激，它是在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近，刻上波纹状的周光器具有光放大作用的有源层附近，刻上波纹状的周期的光栅来构成的，如图示。期的光栅来构成的，如图示。波长选择性波长选择性分布反馈半导体激光器(DFB-LD)，它是在异质结激光器具有由于分布反馈激光器的这种工作方式，使得它具有由于分布反馈激光器的这种工作方式，使得它具有极强的波长选择性，从而实现动态单纵模工作。极强的波长选择性，从而实现动态单纵模工作。单纵模单纵模LD中除了一个主模外，其它纵模都被抑制了，中除了一个主模外，其它纵模都被抑制了，同时主模的谱线宽度非常窄，通常小于同时主模的谱线宽度非常窄，通常小于1nm，用于，用于高速光纤通信系统是非常理想的。高速光纤通信系统是非常理想的。由于分布反馈激光器的这种工作方式，使得它具有极强的波长选择性（3）量子阱激光器）量子阱激光器为了进一步提高激光发射效率，可以使用一种特为了进一步提高激光发射效率，可以使用一种特殊的制造技术来得到特别薄的激活区，厚度大概殊的制造技术来得到特别薄的激活区，厚度大概在在4-20nm，这种技术被称为量子阱激光器。，这种技术被称为量子阱激光器。量子激光器的主要优点在于阈值电流低，线宽窄，量子激光器的主要优点在于阈值电流低，线宽窄，较高的光电转换效率，对输出光束更高的限制，较高的光电转换效率，对输出光束更高的限制，以及发射更多可能波长光线的能力。以及发射更多可能波长光线的能力。（3）量子阱激光器为了进一步提高激光发射效率，可以使用一种特4 激光器激光器LD的工作特性的工作特性n（1）P-I曲线曲线阈值特性阈值特性线性特性线性特性4激光器LD的工作特性（1）P-I曲线阈值特性线性特性 2)光谱特性光谱特性 GaAs LD的光谱特性曲线如图所示。的光谱特性曲线如图所示。单纵模与多纵模单纵模与多纵模峰值波长峰值波长谱线宽度（谱线宽度（-20dB）2)光谱特性单纵模与多纵模峰值波长谱线宽度（-20dB）3)温度特性温度特性（1）阈阈值值电电流流Ith随随温温度度的的升升高高而而加加大大，为为了了使使光光纤纤通通信信系系统统稳稳定定、可可靠靠地地工工作作，一一般般都都要要采采用用自自动动温温度度控控制制电电路路，来来稳稳定定激激光光器器的的阈阈值值电电流流和和输输出出光光功率。功率。（2）激光二级管的中心波长）激光二级管的中心波长随温度升高而增加。随温度升高而增加。3)温度特性4）转换效率）转换效率定义为激光器达到阈值后，输出光子数的增量定义为激光器达到阈值后，输出光子数的增量与注入电子数的增量之比与注入电子数的增量之比 4）转换效率定义为激光器达到阈值后，输出光子数的增量与注入电 LD LED工作波长工作波长/m1.3 1.55 1.3 1.55谱线宽度谱线宽度/nm12 13 50100 60120阈值电流阈值电流Ith/mA2030 3060工作电流工作电流I/mA 50150 100150输出功率输出功率P/mW 510 510 15 13入纤功率入纤功率P/mW 13 130.10.3 0.10.2 调制带宽调制带宽B/MHz5002000 5001000 50150 30100辐射角辐射角/（）2030 2050 30120 30120寿命寿命t/h106107 105106 108 107工作温度工作温度/-2050 -2050 -2050 -2050LDLED4.4 光调制光调制 根据调制与光源的关系，光调制可分为直接调根据调制与光源的关系，光调制可分为直接调制和间接调制两大类。从调制信号的形式来说，制和间接调制两大类。从调制信号的形式来说，光源的调制又可分为模拟信号调制和数字信号光源的调制又可分为模拟信号调制和数字信号调制。调制。4.4光调制根据调制与光源的关系，光调制可分为直接调制和1直接调制与间接调制直接调制与间接调制1）光源的直接调制）光源的直接调制光强度调制光强度调制光源的直接调制又称为光源的内部调制，它是将调光源的直接调制又称为光源的内部调制，它是将调制信号直接作用在光源上，把要传送的信息转变为制信号直接作用在光源上，把要传送的信息转变为电信号注入到电信号注入到LD或或LED，获得相应的光信号。，获得相应的光信号。1直接调制与间接调制1）光源的直接调制光强度调制2）光源的外部调制）光源的外部调制光源的间接调制通常称为光源的外部调制，它是由恒定光源的间接调制通常称为光源的外部调制，它是由恒定光源输出激光后，外加光调制器对光进行调制光源输出激光后，外加光调制器对光进行调制 声光调制声光调制电光调制电光调制磁光调制磁光调制恒定光源恒定光源光调制器光调制器电调制信号输入电调制信号输入光信号输出光信号输出2）光源的外部调制声光调制恒定光源光调制器电调制信号输入光信2模拟信号与数字信号的直接调制模拟信号与数字信号的直接调制模拟信号调制是直接用连续的模拟信号模拟信号调制是直接用连续的模拟信号(如话音、如话音、电视等信号电视等信号)对光源进行调制，这类调制要考虑到对光源进行调制，这类调制要考虑到非线性失真的问题。非线性失真的问题。2模拟信号与数字信号的直接调制模拟信号调制是直接用连续的模数字信号调制是直接用数字信号对光源进行调制。数字信号调制是直接用数字信号对光源进行调制。数字信号调制是直接用数字信号对光源进行调制。3、LD调制特性(1)电光延迟电光延迟 （0.5-2.5ns）注入电流注入电流电子密度电子密度光子密度光子密度3、LD调制特性(1)电光延迟注入电流电子密度光子密度n(2)张驰振荡张驰振荡n(3)码型效应码型效应n(4)小信号输入的频率响应小信号输入的频率响应n(5)大信号输入的频率响应大信号输入的频率响应(2)张驰振荡4.5 光发送机光发送机 在光纤通信系统中，光发送机是实现电光在光纤通信系统中，光发送机是实现电光转换的光端机。其功能是将来自于电端机的电转换的光端机。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆中去传输。中去传输。4.5光发送机在光纤通信系统中，光发送机是实1光发送机的要求光发送机的要求1）有合适的输出光功率（入纤功率）有合适的输出光功率（入纤功率）0.015mW2）良好的消光比）良好的消光比 3）调制特性要好）调制特性要好 1光发送机的要求1）有合适的输出光功率（入纤功率）2光发送机的组成光发送机的组成光发送机的组成包括输入电路，反馈稳定驱动电光发送机的组成包括输入电路，反馈稳定驱动电路，光源与光纤的耦合、自动温度控制电路、自路，光源与光纤的耦合、自动温度控制电路、自动功率控制电路及保护电路等。光发送机有直接动功率控制电路及保护电路等。光发送机有直接调制光发送机和外部调制光发送机两种结构。调制光发送机和外部调制光发送机两种结构。2光发送机的组成光发送机的组成包括输入电路，反馈稳定驱动电直接调制的光发送机较为简单，所以目前直接调制的光发送机较为简单，所以目前使用的光发射机大多数是直接调制的光发使用的光发射机大多数是直接调制的光发送机，它的原理如图所示。送机，它的原理如图所示。直接调制的光发送机较为简单，所以目前使用的光发射机大多数是直外部调制电路目前采用的不多，但在超高外部调制电路目前采用的不多，但在超高速光纤系统更具有优越性，有较好的发速光纤系统更具有优越性，有较好的发展前景，它的原理如图所示。展前景，它的原理如图所示。外部调制电路目前采用的不多，但在超高速光纤系统更具有优越性，3输入电路输入电路输入电路的功能是实现电端机（输入电路的功能是实现电端机（PCM）输）输入的信号转换成能在光纤线路传输码型的入的信号转换成能在光纤线路传输码型的信号。信号。3输入电路输入电路的功能是实现电端机（PCM）输入的信号转4调制电路调制电路光源的调制是指在光纤通信系统中，由承载光源的调制是指在光纤通信系统中，由承载信息的数字电信号对光波进行调制使其载荷信息的数字电信号对光波进行调制使其载荷信息。光源调制电路也称为驱动电路，不同信息。光源调制电路也称为驱动电路，不同光端机的驱动电路组成也不相同，最常见的光端机的驱动电路组成也不相同，最常见的是差分电流开关电路。是差分电流开关电路。4调制电路光源的调制是指在光纤通信系统中，由承载信息的数字（1）共发射极）共发射极LED驱动电路驱动电路常用的常用的LED直接调制电路为共发射极直接调制电路为共发射极LED驱动电路。驱动电路。（1）共发射极LED驱动电路单管集电极单管集电极LD驱动电路驱动电路nLD的预偏置电流的预偏置电流IB由电阻由电阻RB支路提供。支路提供。BG工作在导通工作在导通-截截止的开关状态。止的开关状态。n当当Vin为为“0”码时，则码时，则BG截截止，止，LD上只有电流上只有电流IB流过，故流过，故LD不发出激光；当不发出激光；当Vin为为“1”码时，则码时，则BG导通，导通，LD上有电流上有电流IM+IB流过，故流过，故LD发出激光。发出激光。单管集电极驱动电路适用于低单管集电极驱动电路适用于低速率光纤通信系统。速率光纤通信系统。单管集电极LD驱动电路LD的预偏置电流IB由电阻RB支路提供2）射极耦合跟随器）射极耦合跟随器LD驱动电路驱动电路3）反馈稳定）反馈稳定LD驱动电路驱动电路 4）集成激光驱动器）集成激光驱动器2）射极耦合跟随器LD驱动电路图中，半导体三极管图中，半导体三极管BG1、BG2通过射极电通过射极电阻阻Re耦合形成电流开关。耦合形成电流开关。BG1、BG2轮流工作在轮流工作在导通导通-截止的开关状态。截止的开关状态。当当Vin为为“0”码时，则码时，则BG1导通、导通、BG2截止，截止，LD上只有电流上只有电流IB流过，流过，故故LD不发出激光；当不发出激光；当Vin为为“1”码时，则码时，则BG1截止、截止、BG2导通，导通，LD上有电流上有电流IM+IB流过，流过，故故LD发出激光。射极耦发出激光。射极耦合电流开关驱动电路适合电流开关驱动电路适用于中速率和高速率光用于中速率和高速率光纤通信系统。纤通信系统。射极耦合电流开关型射极耦合电流开关型LD驱动电路驱动电路图中，半导体三极管BG1、BG2通过射极电阻Re耦合形成电流射极耦合电流开关型射极耦合电流开关型LED驱动电路驱动电路BG1、BG2形成射极耦合电流开关，工作在导通、截止状态。形成射极耦合电流开关，工作在导通、截止状态。BG3和稳压二极管和稳压二极管DZ构成恒流源电路，稳定驱动电流构成恒流源电路，稳定驱动电流IM。Vb3稳定稳定Ib3稳定稳定Ic3(即即Ie1+Ie2)稳定稳定Ic2即即IM稳定稳定（此时（此时BG1截止、截止、BG2导通）。导通）。稳压二极管稳压二极管DZ对对LED的输出的输出光功率还有温度补偿作用：光功率还有温度补偿作用：工作温度工作温度VDZVb3Ib3Ic3Ic2即即IM（此时（此时BG1截止、截止、BG2导通）导通）LED光功率光功率补偿了补偿了LED输出光功率的负输出光功率的负温度特性温度特性射极耦合电流开关型LED驱动电路BG1、BG2形成射极耦合电5光源与光纤的耦合光源与光纤的耦合 激光器和光纤的耦合方式大致有两种：直激光器和光纤的耦合方式大致有两种：直接耦合和透镜耦合。接耦合和透镜耦合。（1）直接耦合）直接耦合这种耦合方法通常只适用于多模光纤。这种耦合方法通常只适用于多模光纤。5光源与光纤的耦合激光器和光纤的耦合方式大致有两种：直接2）透镜耦合）透镜耦合 边发光边发光LED和和LD一般可以采用用圆柱透镜或一般可以采用用圆柱透镜或采用大数值孔径的自聚焦透镜与光纤耦合，采用大数值孔径的自聚焦透镜与光纤耦合，如图所示。如图所示。自聚焦透镜自聚焦透镜2）透镜耦合边发光LED和LD一般可以采用用圆柱透镜或采用单模光纤的芯径细，模斑尺寸小，故半导体激单模光纤的芯径细，模斑尺寸小，故半导体激光器与单模光纤的耦合困难更大。有时可用一光器与单模光纤的耦合困难更大。有时可用一种简单有效的耦合结构，如图种简单有效的耦合结构，如图4-5-10所示。所示。耦合效率：耦合效率：50%60%单模光纤的芯径细，模斑尺寸小，故半导体激光器与单模光纤的耦合6激光器组件和光发射模块激光器组件和光发射模块在一个相对紧密的结构中包含了多少元器在一个相对紧密的结构中包含了多少元器件或电路块，即相对紧密结构的集成单元件或电路块，即相对紧密结构的集成单元数量，小的集成单元数称之为组件，大的数量，小的集成单元数称之为组件，大的集成单元数称之为模块。集成单元数称之为模块。根据用途不同，模块的种类也越来越多，根据用途不同，模块的种类也越来越多，除了光发射模块外还有光接收模块、光发除了光发射模块外还有光接收模块、光发射接收模块等。射接收模块等。6激光器组件和光发射模块在一个相对紧密的结构中包含了多少元自动功率控制电路（自动功率控制电路（APC）一、功能一、功能APC电路的作用是，稳定电路的作用是，稳定LD输出光功率，使其不随温输出光功率，使其不随温度升高和使用时间增长而改变。度升高和使用时间增长而改变。影响影响LD输出光功率不稳定的因素有：输出光功率不稳定的因素有：温度升高，则温度升高，则Ith增大，且增大，且P-I曲线斜率曲线斜率P/I减小，减小，使输出光功率减小，甚至停止发射激光；使输出光功率减小，甚至停止发射激光；使用时间增长，则使用时间增长，则Ith亦增大，且亦增大，且P/I减小，使减小，使输出光功率减小。输出光功率减小。自动功率控制电路（APC）一、功能APC电路的作用是，稳定L二、典型电路：平均光功率控制型二、典型电路：平均光功率控制型APC电路电路该电路由输入通道、负反馈控制环路和参考通道三该电路由输入通道、负反馈控制环路和参考通道三大部份组成。大部份组成。二、典型电路：平均光功率控制型APC电路 输入通道、负反馈控制环路：输入通道、负反馈控制环路：输入通道是输入通道是BG1、BG2、LD、RB、L构成的射极耦合电流构成的射极耦合电流开关型开关型LD驱动电路，驱动电路，L是用来阻止脉冲式交流是用来阻止脉冲式交流IM流入流入IB回路。回路。负反馈控制环路则由光检测器件负反馈控制环路则由光检测器件PIN、运算放大器、运算放大器A1和和A3、半导体三极管半导体三极管BG3等组成。等组成。负反馈控制环路的工作流程是：负反馈控制环路的工作流程是：LD输出光功率输出光功率PIN输出电流输出电流 A1输出电压输出电压VpA3输出电压输出电压BG3基极电流基极电流BG3集电极电流（即集电极电流（即IB）LD输出光功率输出光功率输入通道、负反馈控制环路：输入通道是BG1、BG 参考通道：由运算放大器参考通道：由运算放大器A2等组成。等组成。（1）提供合适的参考电平）提供合适的参考电平Vr，使不同的，使不同的LD能得到所需要的能得到所需要的IB。（2）当输入通道无信号输入或输入信号为长连）当输入通道无信号输入或输入信号为长连“0”码时，参考码时，参考通道能使反馈控制过程不动作，避免误码发生。通道能使反馈控制过程不动作，避免误码发生。参考通道：由运算放大器A2等组成。（1）提供合适的参考电 注意：如果温度过高则不能采用该方法。因为温度过高，注意：如果温度过高则不能采用该方法。因为温度过高，导致导致Ith很大，使很大，使LD输出光功率下降很多，经输出光功率下降很多，经APC作用后则作用后则IB增加很大，致使增加很大，致使LD管芯温度进一步升高，使管芯温度进一步升高，使Ith更大，如此恶更大，如此恶性循环下去，会烧坏性循环下去，会烧坏LD。注意：如果温度过高则不能采用该方法。因为温度过高，自动温度控制电路（自动温度控制电路（ATC）一、功能一、功能 使使LD管芯的工作温度保持在管芯的工作温度保持在20左右，以提高左右，以提高LD的工作稳定性和寿命。的工作稳定性和寿命。二、典型电路：半导体致冷型二、典型电路：半导体致冷型ATC电路电路自动温度控制电路（ATC）一、功能使LD管芯的工作温电阻电阻R1、R2、R3和热敏电阻和热敏电阻Rt一起构成惠斯登电一起构成惠斯登电桥，电桥对角两端连接到运算放大器桥，电桥对角两端连接到运算放大器A的差动输入端，的差动输入端，运放运放A的输出端连接到半导体三极管的输出端连接到半导体三极管BG的输入端，的输入端，BG的发射极连接有致冷器。致冷器与的发射极连接有致冷器。致冷器与LD、PIN和热和热敏电阻紧密放置在一起。敏电阻紧密放置在一起。电阻R1、R2、R3和热敏电阻Rt一起构成惠斯登电桥，电桥图中选用负温度系数的热敏电阻，即热敏电阻图中选用负温度系数的热敏电阻，即热敏电阻Rt的的阻值大小与所测量的温度成反比。阻值大小与所测量的温度成反比。惠斯登电桥的平衡条件是：惠斯登电桥的平衡条件是：R1Rt=R2R3，此时，此时Va=Vb。即在平衡条件下，惠斯登电桥对角两端电位相。即在平衡条件下，惠斯登电桥对角两端电位相等。等。图中选用负温度系数的热敏电阻，即热敏电阻Rt的阻值大小与所（1）确定标准工作状态）确定标准工作状态首先确定首先确定LD管芯工作温度，通常取为管芯工作温度，通常取为20；查知该温度下热敏电阻查知该温度下热敏电阻Rt(20)之阻值大小；之阻值大小；选取选取R1=R2，R3=Rt(20)。于是，此状态下于是，此状态下Va=Vb，故，故A无差动信号输入，因而无差动信号输入，因而A无输出电无输出电压，以致压，以致BG无基流，使得无基流，使得BG无足够射极电流无足够射极电流Ie，所以，所以20状状态下致冷器不致冷。态下致冷器不致冷。（1）确定标准工作状态首先确定LD管芯工作温度，通常取为2（2）动态控制过程）动态控制过程LD管芯温度管芯温度热敏电阻温度热敏电阻温度Rt阻值阻值VbA的输出电压的输出电压BG基流基流致冷电流致冷电流Ie产生产生致冷致冷器致冷器致冷LD管芯温度管芯温度。（2）动态控制过程LD管芯温度热敏电阻温度Rt阻值第4章光源和光发射机ppt课件