光纤通信简明教程ch4gx1

,*,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,袁国良、李元元编著,光纤通信简明教程,第4章 光源和光发射机,本章内容,4.1 半导体的能带理论,4.2 发光二极管,4.3 半导体激光器,4.4 光调制,4.5 光发送机,小结、习题,4.1 半导体的能带理论,1.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，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，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，如图4-1-2所示。,锗、硅和,CaAs,等都是共价晶体。形成共价键的价电子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。,价带上面的能带称为导带。,价带和导带，价带和满带之间的宽度，不能被电子占据因此称为禁带。,2.半导体,PN,结的形成,当一个,P,型半导体和一个,N,型半导体有了物理接触时，就形成一个,PN,结。在结的交界面处，载流子的浓度差引起扩散运动，,P,区的空穴向,N,区扩散，剩下带负电的电离受主，从而在靠近,PN,结界面的区域形成一个带负电的区域。同样，,N,区的电子向,P,区扩散，剩下带正电的电离施主，从而造成一个带正电的区域。载流子扩散运动的结果形成了一个空间电荷区，如图4-1-4所示。,PN,结具有单向导电性,当,PN,结加上正向电压时，外加电压的电场方向消弱了自建场，,P,区的空穴通过,PN,结流向,N,区，,N,区的电子也流向,P,区，形成正向电流。由于,P,区的空穴和,N,区的电子都很多，所以这股正向电流是大电流。,当,PN,结加反向电压时，外电场的方向和自建场相同，多数载流子将背离,PN,结的交界面移动，使空间电荷区变宽。空间电荷区内电子和空穴都很少，它变成高阻层，因而反向电流非常小。,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料,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。,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,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。,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改进。,双异质结(,DH),是窄带隙有源区(,GaAs,),材料被夹在宽带隙的材料(,GaAlAs,),之间构成。,如图4-1-6所示。,4.4 发光二极管的工作原理,发光二极管(,LED),是低速、短距离光通信系统中常用光源。目前广泛采用,PN,异质结制造。,LED,的原理是在,LED,注入正向电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中发光。,LED,是非相干光源，它的发光过程是自发辐射过程，发出的是荧光，它没有光学谐振腔，是无阈值器件。,1.,LED,的结构和工作原理,LED,的基本工作原理是光的自发辐射。图4-2-1所示为双异质结半导体发光二极管的结构。正向电压,V,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,LED,产生了能量。与普通二极管以热能的方式释放能量不同，,LED,将大部分产生的能量以可见光的方式释放出来。,LED,可分为面发光二极管和边发光二极管两大类。,1)面发光二极管,2）边发光二极管,边发光二极管结构示意图如图4-2-3所示，它为长波长1.31,m,双异质结,InGaAsP,/,InP,边发光型,LED,的结构。它的核心部分是一个,N-,AlGaAs,有源层，及其两边的,P-,AlGaAs,和,N-,AlGaAs,导光层(限制层)。导光层的折射率比有源层低，但比其他周围材料的折射率高，从而有源层产生的光波从端面发射出来,LED,有如下工作特性：,1),LED,的光谱特性,它的谱线宽度较宽，对高速率调制是不利的。,LED,的光谱特性如图4-2-4所示,2）,LED,的输出光功率特性,从图4-2-5中可见,LED,的,P-I,曲线线性范围较大，当驱动电流,I,较小时，,P-I,曲线的线性较好，在进行调制时，动态范围大，信号失真小,4.3 半导体激光器,半导体激光器（,LD）,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，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,WDM,光纤通信系统的关键器件，越来越受到人们的关注。,1、光纤通信对半导体激光器的主要要求,半导体激光器(,LD),是光纤通信最主要的光源，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，即发光波长为0.85,m、1.31m,或1.55,m。,（2）,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10,mW,以上。,（4）与光纤耦合效率高，30%50%。,（5）能长时间连续工作，工作稳定，提供足够的输出光功率。,2、,LD,的工作原理,半导体激光器产生激光输出应满足三个基本条件：,粒子数反转分布,光反馈,激光振荡的阈值条件,3.常用半导体激光器,1）法布里珀罗激光器,普通的半导体激光器一般采用条形结构双异质结半导体激光器(,BH LD)，,光学谐振腔为法布里珀罗腔(,FP)，,它可以分为两类，即增益波导,LD,和折射率波导,LD。,（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(,SLM-LD)，,就是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器,DFB,及耦合腔激光器,分布反馈半导体激光器(,DFB-LD)，,它是在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近，刻上波纹状的周期的光栅来构成的，如图4-3-4所示。,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。,从图4-3-6的,LD,多模光谱和单模光谱的比较可以看出，单纵模,LD,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1,nm，,用于高速光纤通信系统是非常理想的。,（3）量子阱激光器,为了进一步提高激光发射效率，可以使用一种特殊的制造技术来得到特别薄的激活区，厚度大概在420,nm，,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，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。,4 激光器,LD,的工作特性,LD,的工作特性可以用一些特性曲线和特性参量来描述。,（1）,P-I,曲线,2)光谱特性,GaAs,LD,的光谱特性曲线如图4-6-2所示。,3)温度特性,（1）阈值电流,I,t,随温度的升高而加大，为了使光纤通信系统稳定、可靠地工作，一般都要采用自动温度控制电路，来稳定激光器的阈值电流和输出光功率。,(2)激光二级管的中心波长,随温度升高而增加。,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子数的增量之比,4.4 光调制,实现光纤通信，首先要解决的问题是如何将电信号加载到光源的发射光束上变成光信号，即需要进行光调制。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，光源的调制又可分为模拟信号调制和数字信号调制。,1直接调制与间接调制,1）光源的直接调制,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电信号注入到,LD,或,LED，,获得相应的光信号。,2,）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，它是由恒定光源输出激光后，外加光调制器对光进行调制,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拟信号(如话音、电视等信号)对光源进行调制，这类调制要考虑到非线性失真的问题。,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,(2)张驰振荡,(3)码型效应,(4)小信号输入的频率响应,(5)大信号输入的频率响应,4.5光发送机,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中去传输。,1光发送机的要求,1）有合适的输出光功率,2）良好的消光比,3）调制特性要好,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。光发送机有直接调制光发送机和外部调制光发送机两种结构。,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送机，它的原理如图4-5-1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，有较好的发展前景，它的原理如图4-5-2所示。,3输入电路,输入电路的功能是实现电端机（,PCM）,输入的信号转换成能在光纤线路传输码型的信号，原理框图见图4-5-3,4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。,（1）共发射极,LED,驱动电路,常用的,LED,直接调制电路为共发射极,LED,驱动电路，如图4-5-4所示。,2）射极耦合跟随器,LD,驱动电路,3）反馈稳定,LD,驱动电路,4）集成激光驱动器,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：直接耦合和透镜耦合。,（1）直接耦合,这种耦合方法通常只适用于多模光纤。,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大数值孔径的自聚焦透镜与光纤耦合，如图4-5-9所示。,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。有时可用一种简单有效的耦合结构，如图4-5-10所示。,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器件或电路块，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，除了光发射模块外还有光接收模块、光发射接收模块等。,