光源和光发射机

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 光源和光发射机,4.1 概述,4.2 发光机理,4.3 器件结构,4.4 激光器组件,4.5 半导体激光器的特性,4.6 光发射机设计,4.7 光频率稳定及其控制,4.8 激光器常用参数及其测量方法,4.9 激光器的保护,1,4.1 概述,光发射机,组成：,将电信号转换成光信号的转换装置,将光信号送入光纤的传输装置,光源,半导体光发射二极管,激光二极管,光发射组件是光发射机的主要部件，光源是核心,2,半导体光源的优点：,发光光谱在石英光纤的各个低损耗、低色散的窗口,具有较高的发射功率而且与光纤之间有较高的耦合效率,调制简单，直接调制，无需外部的光调制器,可靠性高，发光二极管寿命达 小时以上（100年），激光二极管寿命达 小时,体积特别小,3,光源要求,光源的峰值波长，应在光纤低损耗窗口内,（波长要求）,足够高，稳定的功率（功率要求）,电光转换效率高，驱动功率低，寿命长，可靠性好（可靠性要求）,单色性和方向性好,易于调制,强度噪声小,对驱动电流的 线性好,4,调制方式,直接调制,信号输入,复用,编码,调制,光源,耦合,光纤,输出光信号,控制,信号编码后直接控制光的发射,放大,光功率控制 AGC,温度控制 自动温度控制 ATC,匹配,耦合器,5,外调制,大多数采用直接控制,在高速DWDM,系统和相干检测系统中必须采用光外调制,信号输入,复用,编码,控制,光源,外调,制器,光隔离器,驱动,光纤输出光信号,6,6. 光发射机组成,光源,直流偏置驱动电路,阻抗匹配电路,光隔离器,监视光源发射功率的监视光电二极管,自动功率控制电路,光源恒温控制系统,7,4.2 发光机理,灯泡：热激励能转变成光能,发光二极管：通过电子在能带间的跃迁，发出光，构成半导体晶体的原子内部，存在不同的能带。高能带,Ec,的电子跃迁到低能带,Ev,上，将能量差 以光的形式放出，发出光的波长由 决定，,8,半导体材料几乎可以全波覆盖从可见光区到红外光区的整个波长范围。,砷化镓（GaAs）：,掺以相邻元素铝、 铟、磷、镝，改变波长,在,CaAlAs材料中CaAs：半径波长0.9um,在InGaAsP材料中：InP半径波长1.7um，,掺镓掺砷可达1um,9,发光过程：自发辐射、受激发射,能量：,受激吸收：晶体中有光场存在时，处在低能带某能级上的电子杂入射光场的作用下，可能吸收一个光子而跃迁到高能带某能级上,受激辐射和受激吸收的概率相同,10,辐射和吸收的区分：,电子密度在两个能带上的分布,高能带电子密度高于低能带：受激发射,高能带电子密度低于低能带：受激吸收,激光器工作在正向偏置下，注入正向电流，高能带中电子密度增加，受激发射。,11,受激发射条件,单位体积：具有能量,Ev,的电子数,Nv,（,低能级）,具有能级,Ec,的电子数,Nc,（,高能级）,hv,Ec,Nc,hv,Nv,Ev,12,介质吸收光子，电子从低级,Ec,跃迁到高能级,Ec,，其跃迁率以,Nv,电子数有关，也与单位体积内具有,hvEcEv,能量的光子有关。,受激发射条件：,（1）NcNv,（2）具有一个保持光子浓度足够大的光腔,13,激光器起振的阈值条件,研究平面电磁波在谐振腔内的传输，腔内单位长度平均损耗 ，平面波的幅度为,Eo,，,频率为 ，反射系数：,R1、R2,光从,z,=0,出发，在,z=L,处被反射回,z,=0,处，光强衰减了,另一方面，单位长度受激发射放大得到增益,g，,光往返一次，光强放大了,expg（2L）,倍,14,谐振：当功率保持不变,15,于是：,激光器起振的条件：,16,激光器起振的相位条件,增益介质长度,L,，增益介质折射率为,n,，由于增益介质内等于半波长 的整数倍,m,，,从而：,得出：,m m+1,于是：,17,4.3、器件结构,同质结构：只有一个简单的PN结（同一种物质构成PN结）,异质结构：由两种不同材料构成的PN,结,异质结半导体激光器,单异质结,双异质结,多异质结,18,量子阱制激光器：电子或空穴允许占据能量状态的限制,特点：,阈值低,线宽窄,微分增益高,对温度不敏感，调制速度快，增益曲线容易控制,19,典型的量子阱激光器中，很薄的GaAs有源层夹在两层很厚的AIGaAs半导体材料中，有源层,d,很薄，以至于导带中的集带势能把电子封闭在,x,方向的一维势能阱内.,类型：,单量子阱,SQW: Single Quantum Well,多量子阱 MQW: Multiple Quantum Well,量子线 QWI: Quantum Wires,量子点 QD: Quantum Dots,20,分布反馈激光器,单纵模（,SLM:Single Longitudinal Mode）,半导体激光器,分类：,分布反馈（,DFB:Distributed,FeedBack,）,激光器,分布布拉格反射（,DBR：Distributed,Brogg,Reflector）,激光器,21,波长可调谐半导体激光器,实现,WDM,的重要器件。有,MQW、DFB、DBR,等类型，能在10,nm,范围内调谐，可以调谐出2,4,个不同的波长，目前性能/特性一般，研究空间较大。,希望实现,:(1),宽范围内调谐,(2),多波长调谐,22,4.4 激光器组件,在光发射机中，激光器形成了一个紧凑结构。,紧密结构中有,（1）激光二极管LD芯片,（2）实现LD,工作必须的电路模块器件,23,基本组件有,光隔离器：防止LD输出的激光反射，实现光的单向传输，位于LD输出端。,监视二极管：监视LD的输出功率变化，位于LD背面。,尾纤和跳线：光纤连接器。,LD的驱动电路：包括电源和LD芯片之间的匹配电路。,热敏电阻：测量组件内的温度,热电致热口(TEC)：半导体热电元件，加热或致冷。,自动控温电路(ATC)：恒温，保证激光参数的稳定性。,自动功率控制电路(APC)：保证LD有恒定的光输出功率。,24,4.5 半导体激光器的特性,1. 基本特性,(1) 速率方程,表示有源区内光子和电子的相互作用,25,(2)阈值电流, (十几mA),(3)温度特性 ：,(4),波长特性,中心波长：光谱范围内辐射强度最大的值对应的波长,;,光谱宽度：光谱范围辐射强度最大值下降50处对应的宽度;,光谱模数,26,波长特性对传输系统设计的影响：,中心波长必须与探测器响应波长匹配；,中心波长、光谱宽度及其偏差与波长选择器、滤波器等特性相匹配；,中心波长确定波长损耗；,中心波长和光谱宽度决定光纤色度色散。,单模激光器光谱特性,:线宽，频谱线宽。,27,模式特性,纵模：决定频率特性,横模：决定光场的空间分布,3.,调制响应,小信号调制,：决定可以调制到半导体激光器上的最高频率。,当偏置大于阈值电流（ ）,3dB,调制的带宽：,G,N,:,电子数变化的增益；,q:,电子电荷。,28,大信号调制：,（ ）半导体激光器偏置 电流接近阈值电流，调制电流超过阈值电流，以获得代表电数值的光脉冲。,29,相位调制,：幅度调制随着相位调制,注入 载流子浓度变化 增量变化,实现对光信号调制,电流 引起折射率的变换 形成相位调制,30,频率啁啾,线性调频频率（chirp）啁啾： 表示了光波相位随时间变化，使实际频率偏离稳态中心频率。,31,4.6,光发射机设计,直接调制的光发射机驱动电路,阻抗匹配,v,Vs,Ib,高速模拟信号驱动电路,32,4.7 光频率稳定及其控制,中心频率随温度环境的变化，采取自动温度控制措施；,多新道光纤通信系统中，不仅要使每一信道的载波频率稳定，而且要保持各载波频率的稳定，使信道间隔恒定。,33,4.8 激光二极管和激光器组件的 常用参数及其测量方法,参数（,20,多个）,主要有：正向电压、电压电流特性、,P-I,曲线、光输出饱和度、阈值电流、阈值光输出功率、光谱宽度、中心波长温度特性、比特误码率、啁啾等,34,4.9 激光器的保护,激光器是易损器件,光源慢启动保护,过流保护,反向冲击电流,焊接和静电保护（烙铁断电、260度不超过10,s）,35,课堂练习：,1.画出实现外调制的框图。,2.叙述发光二极管的发光机理。,3.证明在半波长为 的谐振腔内，激光器起振的相位条件为波长间隔,36,