第4章光源和光发射机-电子通信专业

,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,四,四,章,章,光,光,源,源,和,和,光,光,发,发,射,射,机,机,OpticalSourcesandOpticalTransmitter,光,纤,纤,通,通,信,信,张,树,树,东,东,zhangsd2,光,信,信,息,息,科,科,学,学,与,与,技,技,术,术,曲,阜,阜,师,师,范,范,大,大,学,学,物,物,理,理,工,工,程,程,学,学,院,院,光,纤,纤,通,通,信,信,系,系,统,统,的,的,组,组,成,成,组,成,成,基,基,本,本,单,单,元,元,:,光,发,发,射,射,机,机,、,、,光,光,纤,纤,光,光,缆,缆,、,、,中,中,继,继,器,器,与,与,光,光,接,接,收,收,机,机,。,。,互,连,连,与,与,光,光,信,信,号,号,处,处,理,理,器,器,件,件,:,光,纤,纤,连,连,接,接,器,器,、,、,隔,隔,离,离,器,器,、,、,调,调,制,制,器,器,、,、,滤,滤,波,波,器,器,、,、,光,光,开,开,关,关,及,及,路,路,由,由,器,器,、,、,分,分,插,插,复,复,用,用,器,器,ADM,等,。,。,光源,调制器,驱动电路,光发射机,放大器,光电二极管,判决器,光接收机,光纤,光纤,中继器,第,四,四,章,章,光,光,源,源,和,和,光,光,发,发,射,射,机,机,在,光,光,纤,纤,通,通,信,信,中,中,，,，,将,将,电,电,信,信,号,号,转,转,变,变,为,为,光,光,信,信,号,号,是,是,由,由,光,光,发,发,射,射,机,机,来,来,完,完,成,成,的,的,。,。,光发,射,射机,的,的关,键,键器,件,件是,光,光源,：,：,LED(LightEmissionDiode),LD(LaserDiode),第四,章,章,光,光,源,源和,光,光发,射,射机,4.1,光,光,源,源,4.2,光,光,发,发射,机,机,主要,介,介绍,数,数字,光,光发,射,射机,的,的基,本,本组,成,成、,工,工作,特,特性,和,和主,要,要电,路,路！,4.1.1,半导,体,体的,能,能带,理,理论,4.1.2PN,结,同,同质,结,结,异,异质,结,结,4.1.3,发光,二,二极,管,管,(LED),4.1.4,激光,二,二极,管,管,(LD)(,半导体激,光,光器,),4.1.5,若干半导,体,体激光器,简,简介,4.1.6,半导体光,源,源一般性,能,能和应用,4.1,光源,4.1.1,半导体的,能,能带理论,在半导体,中,中，由于,邻,邻近原子,的,的作用，,电,电子所处,的,的能态扩,展,展成能级,连,连续分布,的,的能带。,1.,能带,4.1,光源,4.1.1,半导体的,能,能带理论,与原子价,电,电子相应,的,的能带,.,接近绝对,0K,时电子均,束,束缚于价,带,带中,价带以上,的,的能带是,空,空的,.,价带,:,由于热,或,或光的,激,激发,价带中,的,的部分,电,电子挣,脱,脱原子,束,束缚成,为,为自由,电,电子进,入,入价带,上,上面空,着,着的能,带,带,这些电,子,子是能,参,参与导,电,电的,故称价,带,带上面,的,的能带,为,为导带,.,导带,:,4.1,光源,4.1.1,半导体的能,带,带理论,电子,空穴,激发,复合,-,导带底能级,-,价带顶能级,-,禁带宽度,能隙,4.1,光源,Valence bandConduction bandband gap,4.1.1,半导体的能,带,带理论,热平衡,(T),下本征半导,体,体载流子的,浓,浓度,例,: GaAs,本征半导体,T,=300K,E,g=1.42eV,m,=9.11*10,-31,kg,m,e,=0.068m ;,m,h,=0.56m,则,n,i,=2.62*10,6,cm,-3,-,为电子和空穴的有效质量,4.1,光源,4.1.1,半导体的能,带,带理论,2. N,型和,P,型半导体,向本征半导,体,体中掺杂,V,族元素,(P,As,Sb),导带中,的电子浓度,增,增加,电子为多数,载,载流子,.,电子,-,负电荷,-Negative-,N,型,向本征半导,体,体中掺杂,III,族元素,(B,Al,Ga,In),价带中,的空穴浓度,增,增加,空穴为多数,载,载流子,.,空穴,-,正电荷,-Positive-,P,型,本征,P,型,acceptor level,N,型,Donor level,4.1,光源,4.1.1,半导体的能,带,带理论,3.,费米,(Fermi),能级,E,f,T=0K,热平衡状态,下,下：,E,f,是完全填满,电,电子的能级,和,和完全空缺,的,的能级的界,限,限,.,N,型,P,型,本征,4.1,光源,4.1.1,半导体的能,带,带理论,N,型,P,型,本征,T,0,热平衡状态,下,下,能量为,E,的能级被电,子,子占据的几,率,率为,费米分布,:,4.1,光源,4.1.1,半导体的能,带,带理论,导带和价带,中,中的载流子,的,的密度不同,4.1,光源,N,型,导带,导带中电子密度大于价带中的空穴密度,P,型,价带,价带中空穴密度大于导带中的电子密度,本征,电子空穴密度相等,4.1.1,半导体的能,带,带理论,准费米能级,：,：,4.1,光源,当体系由于,外,外界作用,(,如光照,),而破坏热平,衡,衡状态时，,体,体系不存在,统,统一的费米,能,能级，但费,米,米能级分布,对,对导带和价,带,带各自仍然,适,适用,-,导带费米能,级,级，价带费,米,米能级，即,准,准费米能级,。,。,4.1.2PN,结 同质结,异,异质结,1.,半导体导电,性,性,外电场方向,不,不影响导电,性,性,.,无论本征半,导,导体,还是掺杂的,N,型,P,型半导体,在外加电场,下,下均可导电,导电性介于,导,导体和绝缘,体,体之间,.,4.1,光源,4.1.2PN,结 同质结,异,异质结,2. PN,结,P,型和,N,型半导体接,触,触,在接触面附,近,近形成,PN,结,.,正向,P,区,N,区,I,1,P,区,N,区,反向,I,2,外电场方向,不,不同,导电性大不,相,相同,.,I,1, I,2,4.1,光源,4.1.2PN,结 同质结,异,异质结,PN,结形成图解,:,图解,1: P,N,半导体接触,前,前,4.1,光源,4.1.2PN,结 同质结,异,异质结,图解,2: P,N,半导体接触,4.1,光源,4.1.2PN,结 同质结,异,异质结,图解,3:,载流子扩散,4.1,光源,4.1.2PN,结 同质结,异,异质结,图解,4:,内电场建立,扩散运动和,漂,漂移运动同,在,在,能带发生倾,斜,斜,4.1,光源,4.1.2PN,结 同质结,异,异质结,图解,5: PN,结形成后,4.1,光源,4.1.2PN,结 同质结,异,异质结,3.,外加正向电,场,场的,PN,结,图解,1:,外接电源,4.1,光源,4.1.2PN,结 同质结,异,异质结,外加正向电,场,场的,PN,结,图解,2:,接通电源,内电场被削,弱,弱,耗尽层变窄,4.1,光源,4.1.2PN,结 同质结,异,异质结,激活区电子,-,空穴复合发,光,光是,LED,LD,产生辐射的,“,“源”,!,图解,3:,能带发生移,动,动,产生激活区,4.1,光源,4.1.2PN,结 同质结,异,异质结,4.,同质结和异,质,质结,P,区和,N,区为同一半,导,导体物质的,形,形成的,PN,结,为同质结,P,区和,N,区为不同半,导,导体物质的,形,形成的,PN,结,为异质结,n-GaAs,p-GaAs,n-GaAs,p-GaAs,p,+,-GaAlAs,p,+,-GaAs,n-GaAlAs,p-GaAs,p,+,-GaAlAs,p,+,-GaAs,n,+,-GaAs,同质结,单异质结,双异质结,(DH),4.1,光源,(DH:DoubleHeterostructure/Heterojunction),4.1.2 PN,结 同质,结,结 异质,结,结,典型的双,异,异质结结,构,构,:,n-Ga,1-,x,Al,x,As,光导和载流子限制层,(1um),p-GaAs,金属接触改善层,(1um),n-GaAs,衬底层,金属接触层,n-Ga,1-,y,Al,y,As,复合区,(0.3um),p-Ga,1-,x,Al,x,As,光导和载流子限制层,(1um),金属接触层,4.1,光源,4.1.3,发光二极,管,管,(LED),4.1,光,源,源,（,LED,：,light-emittingdiode,）,4.1.3,发,光,光,二,二,极,极,管,管,(LED),1.,发,光,光,原,原,理,理,:,加,正,正,向,向,偏,偏,压,压,的,的,PN,结,中,中,电,电,子,子,-,空,穴,穴,复,复,合,合,发,发,光,光,.,属,于,于,自,自,发,发,辐,辐,射,射,.,光的自,发辐射,E,c,E,v,h,n,h,n,发光二极管,光的自发辐射,当,电,电,子,子,返,返,回,回,低,低,能,能,级,级,时,时,，,，,它,它,们,们,各,各,自,自,独,独,立,立,地,地,分,分,别,别,发,发,射,射,光,光,子,子,有不,同,同的,相,相位,、,、偏,振,振方,向,向和,传,传播,方,方向,，,，因,而,而是,非相,干,干光,。,处于,不,不同,的,的高,能,能级,的,的电,子,子自,发,发辐,射,射到,不,不同,的,的低,能,能级,，,，发,射,射光,子,子的,能,能量,有,有一,定,定的,差,差别,，,，因,而,而,LED,辐射,线宽较宽,。,4.1,光源,4.1.3,发光二极,管,管,(LED),2.LED,结构,:,面发光,SLED(,Surface-emittingLED,),4.1,光源,基片,热沉,/,散热器,4.1.3,发光二极,管,管,(LED),边发光,ELED(Edge-emitting LED),4.1,光源,4.1.3,发光二极,管,管,(LED),3.LED,光谱特性,自发辐射,非相干光,E,g,单位为,eV,波长,:,中心波长,(Peak),取决于禁,带,带宽度,E,g,E,c,E,v,E,g,能,量,E,空穴,电子,导带费米能级,价带费米能级,光子,eV,hv,E,Fn,E,Fp,状态密度,4.1,光源,4.1.3,发光二极,管,管,(LED),E,g,单位为,eV,如,:,半导体,LED,经验公式,:,(,x,为,AlAs,与,GaAs,的摩尔比,率,率,),4.1,光源,4.1.3,发光二极,管,管,(LED),Spectralemission pattern ofGa,1-,x,Al,x,As LED with,x,= 0.08,810,770,850nm,36nm,线宽,:,通常达几,十,十,nm,4.1,光源,4.1.3,发光二极,管,管,(LED),4. LED,光束的空,间,间分布,辐射光功,率,率,:,-,朗伯,(Lambert),分布,半功率点,处,处,:,q,=60,度,半功率宽,度,度,:,4.1,光源,4.1.3,发光二极,管,管,(LED),4.1,光,源,源,4.1.3,发,光,光,二,二,极,极,管,管,(LED),5.SLED,的,输,输,出,出,功,功,率,率,、,、,耦,耦,合,合,功,功,率,率,、,、,耦,耦,合,合,效,效,率,率,SLED,为,朗,伯,伯,(Lambert),体,4.1,光,源,源,光纤,SLED,输,出,出,总,总,功,功,率,率,：,：,耦,合,合,到,到,光,光,纤,纤,的,的,功,功,率,率,：,：,耦,合,合,效,效,率,率,：,：,4.1.3,发,光,光,二,二,极,极,管,管,(LED),6.,内,量,量,子,子,效,效,率,率,(internalquantumefficiency),与,光,光,功,功,率,率,在,众,众,多,多,的,的,电,电,子,子,-,空,穴,穴,对,对,复,复,合,合,中,中,仅,有,有,部,部,分,分,产,产,生,生,辐,辐,射,射,。,。,其,中,中,R,R,r,R,nr,分,别,别,为,为,总,总,复,复,合,合,速,速,率,率,辐,射,射,复,复,合,合,速,速,率,率,和,和,非,非,辐,辐,射,射,复,复,合,合,速,速,率,率,.,又,其,中,中,I,为,电,电,流,流,强,强,度,度,光,功,功,率,率,:,4.1,光,源,源,内,量,量,子,子,效,效,率,率,为,产,产,生,生,辐,辐,射,射,的,的,复,复,合,合,对,对,数,数,目,目,与,与,总,总,的,的,复,复,合,合,对,对,数,数,目,目,之,之,比,比,.,速,率,率,Rate,辐,射,射,radiation,非,辐,辐,射,射,non-radiation,4.1.3,发,光,光,二,二,极,极,管,管,(LED),7.LED,的,P-I,特,性,性,曲,曲,线,线,4 3 2 1 0,50 100 150,0,25,70,电流,/mA,输出功率,/ mW,驱,动,动,电,电,流,流,I,较,小,小,时,时,，,，,P,-,I,线,性,性,较,较,好,好,；,；,I,过,大,大,时,时,，,，,PN,结,发,发,热,热,产,产,生,生,饱,饱,和,和,;,温,度,度,上,上,升,升,，,，,辐,辐,射,射,功,功,率,率,下,下,降,降,4.1,光,源,源,4.1.3,发光二极管,(LED),8.,频率响应,H(f),以频率,(,w,=2,p,f,),对,LED,驱动电流,I,进行调制,与未调制前,的,的直流相比,则输出光功,率,率,P,Op,下降,理论证明,:,其中,t,eff,称为载流子,有,有效寿命,.,4.1,光源,4.1.3,发光二极管,(LED),光带宽,:,定义,:,得,:,对应的频率,为,为,光带宽,-3,dB,点,4.1,光源,4.1.3,发光二极管,(LED),9.LED,应用范围,优点,缺点,:,4.1,光源,4.1.4,激光二极管,(LD),4.1,光源,(LD:Laserdiode),4.1.4,激光二极管,(LD),1.,发光原理,:,加正向偏压,的,的,PN,结中电子,-,空穴复合发,光,光,.,加谐振腔,受激辐射,.,光的受,激发射,E,c,h,n,E,v,h,n,输入,输出,激光器,光的受激发射,产生激光的,条,条件,:,泵浦源,(,激励源,):,注入能量,实现粒子数,反,反转分布,激活物质,:,产生激光的,物,物质基础,PN,结,光学谐振腔,:,提供正反馈,满足振荡条,件,件,4.1,光源,4.1.4,激光二极管,(LD),2.,粒子数反转,分,分布的实现,:,注入电流达,到,到一定值,准费米能级,之,之差大于禁,带,带宽度,PN,结中出现一,个,个增益区,(,有源区,激活区,),价带主要由,空,空穴占据,导带主要由,电,电子占据,实现粒子数,反,反转,.,4.1,光源,4.1.4,激光二极管,(LD),3.,激光谐振腔,沿特定的晶,体,体解理面,(110),切割组成谐,振,振腔,以,F-P,腔为例,4.1,光源,4.1.4,激光二极管,(LD),产生激光的,阈,阈值条件,-,分别为增益,系,系数和损耗,系,系数,阈值条件,:,4.1,光源,4.1.4,激光二极管,(LD),产生激光的,相,相位条件,腔内沿相反,方,方向行进的,两,两列行波叠,加,加形成驻波,腔长为半波,长,长的整数倍,.,中心波长,:,取决于禁带,宽,宽度,E,g,(,可能的驻波,纵模,),-n,为有源区介,质,质折射率,;,-m,为纵模模数,相位条件,:,4.1,光源,4.1.4,激光二极管,(LD),用频率表示,:,相邻纵模间,隔,隔,:,I=100mA,P=10mW,I=95mA,P=6mW,I=80mA,P=4mW,随注入电流,而,而变化的若,干,干纵模图样,4.1,光源,4.1.4,激光二极管,(LD),边模抑制比,(SMSR,：,Side-modesuppression ratio),4.1,光源,主纵模与最,大,大边模之间,的,的强度差的,量,量度,4.1.4,激光二极管,(LD),4.,激光束的空,间,间分布,GaAlAs-DH,条形激光器,近场图样,远场图样,光强的角分,布,布,4.1,光源,4.1.4,激光二极管,(LD),5.,激光光功率,和,和量子效率,:,典型的,P,I,曲线,阈值电流,I,th,：开始发射受,激,激发射的电,流,流值。,阈值电流与,腔,腔的损耗、,尺,尺寸、有源,区,区材料和厚,度,度等因素有,关,关。,II,th,，受激辐射,，,，发出的是,相,相干光,4.1,光源,4.1.4,激光二极管,(LD),4.1,光源,量子效率：,内量子效率,h,int,L,电极,电流,GaAs,GaAs,n,+,p,+,解理面,电极,有源区,(,受激发射,),L,腔内产生辐,射,射的复合对,数,数目与总的,复,复合对数目,之,之比，即,4.1.4,激光二极管,(LD),4.1,光源,L,电极,电流,GaAs,GaAs,n,+,p,+,解理面,电极,有源区,(,受激发射,),L,外量子效率,h,ext,逸出腔外的,光,光子数与注,入,入的载流子,数,数之比,4.1.4,激光二极管,(LD),典型的,P,I,曲线,阈值电流以,上,上时每个电,子,子,-,空穴对的辐,射,射性复合产,生,生的光子数,.,实验中通常,由,由,P-I,曲线的直线,部,部分来计算,h,ext,4.1,光源,外微,分,分量,子,子效,率,率,h,d,常用,于,于表,示,示,激光,器,器的,电,电,/,光转,换,换效,率,率,4.1.4,激光,二,二极,管,管,(LD),典型,的,的,P,I,曲线,光功,率,率：,线性,部,部分,4.1,光源,斜度,效,效率,S,：,4.1.4,激光,二,二极,管,管,(LD),6.,频率,响,响应,以频,率,率,(,w,=2,p,f,),对,LD,驱动,电,电流,I,进行,调,调制,(,叫直,接,接调,制,制,),调制,的,的频,率,率,f,受限,于,于,PN,结有,源,源区,中,中,:,自发,辐,辐射,寿,寿命,t,sp,受激,载,载流,子,子寿,命,命,t,st,辐射,的,的光,子,子寿,命,命,t,ph,理论,上,上,调制,频,频率,不,不要,超,超过,下,下面,的,的,弛豫,振,振荡,频,频率,I,th,和,I,0,分别,为,为阈,值,值电,流,流和,偏,偏置,电,电流,；,；,I,是零,增,增益,电,电流,.,4.1,光源,4.1.4,激光,二,二极,管,管,(LD),频率,响,响应,:,为阻,尼,尼因,子,子,4.1,光源,4.1.4,激光,二,二极,管,管,(LD),高速,调,调制,下,下,还要,考,考虑,:,激光,输,输出,与,与注,入,入电,脉,脉冲,之,之间,存,存在,一,一个,时,时间,延,延迟,，,，一,般,般为,纳,纳秒,量,量级,电光,延,延迟,:,张弛,振,振荡,:,自脉,动,动,:,当注,入,入电,流,流从,零,零快,速,速增,大,大到,阈,阈值,以,以上,时,时，,经,经电,光,光延,迟,迟后,产,产生,激,激光,输,输出,，,，并,在,在脉,冲,冲顶,部,部出,现,现阻,尼,尼振,荡,荡，,经,经过,几,几个,周,周期,后,后达,到,到平,衡,衡值,。,。,当注,入,入电,流,流增,大,大到,某,某个,范,范围,时,时,输出,光,光光,脉,脉冲,出,出现,持,持续,等,等幅,的,的高,频,频振,荡,荡,.,光电,延,延迟,张弛,振,振荡,自脉,动,动,张弛,振,振荡,和,和自,脉,脉动,的,的结,合,合,4.1,光源,4.1.4,激光,二,二极,管,管,(LD),7.,温度,特,特性,温度,升,升高,时,时性,能,能下,降,降，,阈,阈值,电,电流,随,随温,度,度按,指,指数,增,增长,。,。,T,0,-LD,的特,征,征温,度,度，,与,与器,件,件的,材,材料,、,、结,构,构等,有,有关,。,。,T,0,代表,I,th,对温,度,度的,灵,灵敏,度,度，,也,也可,解,解释,为,为激,光,光二,极,极管,的,的热,稳,稳定,性,性。,较,较高,的,的,T,0,意味,着,着当,温,温度,快,快速,增,增加,时,时，,激,激光,二,二极,管,管,I,th,增加,不,不大,。,。,4.1,光源,4.1.5,若干,半,半导,体,体激,光,光器,简,简介,4.1,光源,半导,体,体激,光,光器,多纵,模,模激,光,光器,(MLM),单纵,模,模激,光,光器,(SLM),分布,反,反馈,(DFB),分布,布,布拉,格,格反,射,射,(DBR),量子,阱,阱,(QW),法布,里,里,-,珀罗,(F-P),双异,质,质结,(DH),波长,可,可调,谐,谐激,光,光器,4.1.5,若干,半,半导,体,体激,光,光器,简,简介,4.1,光源,4.1.5,若干,半,半导,体,体激,光,光器,简,简介,1.,异,质,质,结,结,半,半,导,导,体,体,激,激,光,光,器,器,2.,量,子,子,限,限,制,制,激,激,光,光,器,器,3.,分,布,布,反,反,馈,馈,激,激,光,光,器,器,4.,波,长,长,可,可,调,调,半,半,导,导,体,体,激,激,光,光,器,器,5.,垂,直,直,腔,腔,表,表,面,面,发,发,射,射,激,激,光,光,器,器,4.1,光,源,源,4.1.5,若,干,干,半,半,导,导,体,体,激,激,光,光,器,器,简,简,介,介,1.,异,质,质,结,结,半,半,导,导,体,体,激,激,光,光,器,器,L,n,p,光,电流,I,x,y,z,光,n,p,电流,I,L,d,p,n,光,w,电流,I,L,同,质,质,结,结,构,构,双,异,异,质,质,结,结,构,构,掩,埋,埋,双,双,异,异,质,质,结,结,构,构,4.1,光,源,源,4.1.5,若,干,干,半,半,导,导,体,体,激,激,光,光,器,器,简,简,介,介,L,电极,电流,GaAs,GaAs,n,+,p,+,解理面,电极,有源区,(,受激发射,),L,同,质,质,结,结,构,构,LD,同,质,质,结,结,构,构,只,只,有,有,一,一,个,个,简,简,单,单,PN,结，且,P,区和,N,区都是,同,同一物,质,质的半,导,导体激,光,光器。,该激光,器,器阈值,电,电流密,度,度太大,，,，工作,时,时发热,非,非常严,重,重，只,能,能在低,温,温环境,、,、脉冲,状,状态下,工,工作,4.1,光源,4.1.5,若干半,导,导体激,光,光器简,介,介,异质结,就,就是由,两,两种不,同,同材料,(,例如,GaAs,和,GaAlAs),构成的,PN,结。有,源,源区被,禁,禁带宽,度,度大、,折,折射率,较,较低的,介,介质材,料,料包围,形成了,一,一个像,光,光纤波,导,导的折,射,射率分,布,布，限,制,制了光,波,波向外,围,围的泄,漏,漏，使,阈,阈值电,流,流降低,，,，发热,现,现象减,轻,轻，可,在,在室温,状,状态下,连,连续工,作,作。,异质结,LD,d,P,N,N,+,P,+,+,P,GaAs,GaAs,GaAlAs,GaAs,GaAlAs,有源区,5%,D,n,折,射,率,-,+,m,0.1,m,4.1,光源,4.1.5,若干半,导,导体激,光,光器简,介,介,InGaAsP,双异质,结,结条形,激,激光器,的,的基本,结,结构,4.1,光源,nInGaAsP,是发光,的,的作用,区,区，其,上,上、下,两,两层称,为,为限制,层,层，它,们,们和作,用,用区构,成,成光学,谐,谐振腔,。,。限制,层,层和作,用,用层之,间,间形成,异,异质结,。,。 最,下,下面一,层,层,nInP,是衬底,，,，顶层,P,+,InGaAsP,是接触,层,层，其,作,作用是,为,为了改,善,善和金,属,属电极,的,的接触,。,。,4.1.5,若干半,导,导体激,光,光器简,介,介,2.,分布反,馈,馈激光,器,器,(DFB-LD),分布反,馈,馈,(DFB),激光器,(DFB-LD),（,DFB,：,DistributedFeed Backlaser,）,主要有,两,两类,分布布,拉,拉格反,射,射,(DBR),激光器,(DBR-LD),(DBR,：,DistributedBraggReflectorlaser),4.1,光源,4.1.5,若干半,导,导体激,光,光器简,介,介,DFB-LD,结构及,其,其原理,在有源,区,区介质,表,表面上,使,使用全,息,息光刻,法,法做成,周,周期性,的,的波纹,形,形状,4.1,光源,4.1.5,若干半,导,导体激,光,光器简,介,介,l,B,l,(nm),0.1nm,光,功,率,P,N,光栅波导区,有源区,L,光输出,L,DFB-LD,没有集,总,总的谐,振,振腔反,射,射镜,只有波,长,长满足,“,“,Bragg,反射条,件,件”的光,波,波才能,在,在介质,中,中来回,反,反射，,得,得到不,断,断的加,强,强和增,长,长。,4.1,光源,产生动态控,制,制的单纵模,激,激光,4.1.5,若干半导体,激,激光器简介,l,B,l,(nm),0.1nm,光,功,率,P,N,光栅波导区,有源区,L,光输出,L,Bragg,反射条件,:,相邻光栅波,纹,纹产生的反,射,射光相干叠,加,加,折射率,衍射级数,Bragg,波长,光栅间距,分布式反,馈,馈,非常好的,单,单色性和,方,方向性,4.1,光源,4.1.5,若干半导,体,体激光器,简,简介,P,N,光栅波导区,有源区,L,光输出,L,理论分析,表,表明，在,完,完全没有,镜,镜面反射,的,的理想情,况,况下，,DFB,激光器的,模,模式不正,好,好是,Bragg,波长，而,是,是对称的,位,位于,l,B,两侧,4.1,光源,4.1.5,若干半导,体,体激光器,简,简介,P,N,光栅波导区,有源区,L,光输出,L,4.1,光源,由于布拉,格,格光栅只,有,有很小的,反,反射带宽,，,，一般只,有,有零阶模,(k,0),在光栅的,反,反射带宽,内,内获得反,馈,馈。,4.1.5,若干半导,体,体激光器,简,简介,DBR,激光器在,有,有源区外,紧,紧靠其右,側,側增加一,段,段分布式,布,布拉格反,射,射器，起,着,着衍射光,栅,栅的作用,。,。,DBR-LD,结构及其,原,原理,入射光,反射光,A,B,L,P,N,有源区,激话区,波纹电介质光栅,分布式,布拉格反射器,光输出,DBR,激光器的,结,结构,相长干涉,为介质折,射,射率,只有波长,满,满足“,Bragg,反射条件,”,”的光波,才,才能在介,质,质中来回,反,反射，得,到,到不断的,加,加强和增,长,长。,4.1,光源,4.1.5,若,干,干,半,半,导,导,体,体,激,激,光,光,器,器,简,简,介,介,3.,量,子,子,限,限,制,制,激,激,光,光,器,器,*,量,子,子,限,限,制,制,激,激,光,光,器,器,:,对,电,电,子,子,或,或,空,空,穴,穴,允,允,许,许,占,占,据,据,能,能,量,量,状,状,态,态,进,进,行,行,限,限,制,制,的,的,激,激,光,光,器,器,。,。,如,如,QW-LD,QWi-LD,QD-LD,优,点,点,:,具,有,有,阈,阈,值,值,低,低,，,，,线,线,宽,宽,窄,窄,，,，,微,微,分,分,增,增,益,益,高,高,，,，,以,以,及,及,对,对,温,温,度,度,不,不,敏,敏,感,感,，,，,调,调,制,制,速,速,度,度,快,快,和,和,增,增,益,益,曲,曲,线,线,容,容,易,易,控,控,制,制,等,等,许,许,多,多,优,优,点,点,。,。,4.1,光源,4.1.5,若干,半,半导,体,体激,光,光器,简,简介,量子,阱,阱器,件,件很,薄,薄的,GaAs,有源,层,层夹,在,在两,层,层很,宽,宽的,AlGaAs,半导,体,体材,料,料中,导带,中,中的,禁,禁带,势,势能,把,把电,子,子封,闭,闭在,x,方向,一,一维,势,势能,阱,阱内,，,，能,带,带量,化,化分,成,成离,散,散值,。,。,量子,阱,阱,(QW:QuantumWell)-LD,AlGaAs,AlGaAs,GaAs,D,y,D,z,d,x,y,z,E,E,n,=,2,n,=,1,E,E,E,3,2,1,E,g,1,E,g,2,E,c,D,E,v,D,g,( ),E,d,量,子,阱,状态密度,普,通,LD,QW,结构,原,原理,图,图,量子,能,能级,4.1,光源,4.1.5,若干,半,半导,体,体激,光,光器,简,简介,多量,子,子阱,(MQW:MultipleQuantumWell)-LD,量子,阱,阱,x,z,y,势垒,层,层,InP,InGaAs,量子阱,InGaAsP,有源层,E,c,E,v,E,隔离层,多量,子,子阱,LD,能级,4.1,光源,4.1.5,若干,半,半导,体,体激,光,光器,简,简介,量子,线,线,(QWi:QuantumWires)-LD,能量,状态密度,p,n,多量,子,子线,4.1,光源,4.1.5,若干,半,半导,体,体激,光,光器,简,简介,能量,状态密度,量子,点,点,(QD:QuantumDots)-LD,p,n,多量,子,子点,4.1,光源,4.1.5,若干,半,半导,体,体激,光,光器,简,简介,波长,可,可调,激,激光,器,器是,WDM,、分,组,组交,换,换和,光,光分,插,插复,用,用网,络,络重,构,构的,最,最重,要,要器,件,件。,4.,波长,可,可调,半,半导,体,体激,光,光器*,波长,可,可调,激,激光,器,器主,要,要有,耦合,腔,腔波,导,导型,衍射,光,光栅,PIC,型,阵列,波,波导,光,光栅,（,（,AWG,）,PIC,型,4.1,光源,4.1.5,若干,半,半导,体,体激,光,光器,简,简介,耦合,腔,腔波,导,导型,切开,的,的耦,合,合腔,(C3:CleavedCoupledCavity)LD,腔模,P,N,有源区,I,1,I,2,有源区,光输出,L,D,m,1,m,在,L,段,l,l,l,在,D,段,在,L+D,段,只有,波,波长,与,与外,腔,腔纵,模,模中,的,的一,个,个模,相,相同,时,时才,能,能产,生,生同,相,相反,馈,馈。,4.1,光源,4.1.5,若干,半,半导,体,体激,光,光器,简,简介,耦合,腔,腔波,导,导型,衍射,光,光栅,耦,耦合,腔,腔,LD,光栅,P,N,有源区,I,可旋转,反射器,激光,输出,4.1,光源,4.1.5,若干,半,半导,体,体激,光,光器,简,简介,耦合,腔,腔波,导,导型,多段,分,分布,反,反馈,耦,耦合,腔,腔,LD,P,N,布拉格光栅,有源段,I,1,I,2,I,3,激光,输出,相位控制段,4.1,光源,4.1.5,若干,半,半导,体,体激,光,光器,简,简介,衍,射,射,光,光,栅,栅,PIC,型,(PIC:PhotonicIntegratedCircuits),光,子,子,集,集,成,成,电,电,路,路,O,l,i,9,个,SOA,P,N,P,0,L,N,L,0,SOA,泵浦电流,由,一,一,个,个,集,集,成,成,的,的,固,固,定,定,光,光,栅,栅,和,和,一,一,个,个,SOA,阵,列,列,组,组,成,成,当,SOA,阵,列,列,中,中,的,的,任,任,一,一,个,个,注,注,入,入,电,电,流,流,泵,泵,浦,浦,它,就,就,以,以,它,它,在,在,光,光,栅,栅,中,中,的,的,相,相,对,对,位,位,置,置,确,确,定,定,的,的,波,波,长,长,发,发,射,射,光,光,谱,谱,4.1,光,源,源,4.1.5,若,干,干,半,半,导,导,体,体,激,激,光,光,器,器,简,简,介,介,光,发,发,射,射,方,方,向,向,与,与,腔,腔,体,体,垂,垂,直,直,，,，,光,光,腔,腔,轴,轴,线,线,与,与,注,注,入,入,电,电,流,流,方,方,向,向,相,相,同,同,。,。,5.,垂,直,直,腔,腔,表,表,面,面,发,发,射,射,激,激,光,光,器,器*,(,VCSEL,VerticalCavitySurfaceEmittingLaser),有源区,电极,电极,电介,质镜,衬底,电介,质镜,+,表面发射,l,/(4,n,1,),L,l,/(4,n,2,),d,d,n,1,n,2,1,2,z,= 0.1,m,m,InGaAs,AlGaAs,GaAs,4.1,光,源,源,4.1.5,若,干,干,半,半,导,导,体,体,激,激,光,光,器,器,简,简,介,介,优,点,点,：,：,发,光,光,效,效,率,率,高,高,(850nm,的,VCSEL,，,10mA,驱,动,动,1.5mW,输,出,出,光,光,功,功,率,率,),工,作,作,阈,阈,值,值,极,极,低,低,（,工,工,作,作,电,电,流,流,515mA,，,简,简,化,化,了,了,驱,驱,动,动,电,电,路,路,的,的,设,设,计,计,）,）,可,单,单,纵,纵,模,模,也,也,可,可,多,多,纵,纵,模,模,工,工,作,作,（,应,应,用,用,于,于,以,以,多,多,模,模,光,光,纤,纤,为,为,传,传,输,输,媒,媒,介,介,底,底,局,域,域,网,网,中,中,或,或,VSR,）,调,制,制,速,速,率,率,高,高,寿命长,（,（,Honeywell,进行了,可,可靠性,实,实验）,价格低,、,、产量,高,高,4.1,光源,二维激,光,光器阵,列,列,可任意,配,配置高,密,密度二,维,维激光,阵,阵列。,4.1.5,若干半,导,导体激,光,光器简,介,介,4.1,光源,4.1.6,半导,体,体光,源,源一,般,般性,能,能和,应,应用,4.1,光源,表,3.1,半导,体,体激,光,光器,(LD),和发,光,光二,极,极管,(LED),的一,般,般性,能,能,-20,50-20,50,-20,50-20,50,工作,温,温度,/,C,10,8,10,7,10,6,10,7,10,5,10,6,寿命,t,/h,30,12030,120,20,5020,50,辐射,角,角,5015030100,50020005001000,调制,带,带宽,B,/MHz,0.10.30.10.2,1313,入纤,功,功率,P,/mW,1513,510510,输出功率,P,/mW,100150100150,工作电流,I,/mA,20303060,阀值电流,I,th,/mA,5010060120,1213,谱线宽度,1.31.55,1.31.55,工作波长,LED,LD,4.1.6,半导体光,源,源一般性,能,能和应用,4.1,光源,光源组件实例,1,、对于量,子,子效率为,1%,，峰值波,长,长为,850nm,，正向电,流,流为,50mA,的,LED,，其发光,功,功率为多,少,少？（,0.73mW),2,、当,SLED,的辐射功,率,率为,100uW,，耦合进,入,入一个,n,1,=1.48,，,n,2,=1.46,的,SIF,多模光纤,，,，入纤的,光,光功率为,多,多少？（,5.88uW),3,、本征,GaAs,半导体的,Eg=1.424eV,，室温下,自,自由电子,进,进入导带,的,的概率为,多,多少？（,1.12*10,-12,）,提示：,练习题,第四章,光,光源和,光,光发射机,4.1,光,光源,4.2,光,光发射,机,机,主要介绍,数,数字光发,射,射机的基,本,本组成、,工,工作特性,和,和主要电,路,路！,光源,调制器,驱动电路,放大器,光电二极管,判决器,光纤,光纤,中继器,光发射机,将电信号转变为光信号,4.2,光发射机,1.,光发射机,的,的组成,数据,线路,编码,驱动,电路,功控,温控,接口,电路,HDB3,5B6B,APC,ATC,光源,光隔离器,数据,线路,编码,驱动,电路,调制器,功控,温控,接口,电路,HDB3,5B6B,APC,ATC,光源,光隔,离器,直接调制,外调制,4.2,光发射机,1.,光,光发射机,的,的组成,接口电路,线路编码,驱动电路,光源,控制电路,调制器,将电信号,整,整形并完,成,成非归零,/,归零等码,型,型变换,将适合电,路,路传输的,双,双极性码,型,型变换为,适,适合光通,信,信单极性,码,码型,提供光源,偏,偏置电流,及,及调制电,流,流,光通信的,信,信号载波,如光源的,温,温度控制,和,和功率控,制,制,外调制所,用,用或模拟,通,通信的信,号,号变换,4.2,光发射机,2.,接口电路,数据,线路,编码,驱动,电路,功控,温控,接口,电路,HDB3,5B6B,APC,ATC,光源,光隔离器,直接调制,抽样,量化,编码,码型变换,PAM,量化,PAM,PCM,NRZ/RZ/,AMI/HDB3,m,(,t,),4.2,光发射机,抽样,每隔一定,时,时间对模,拟,拟信号抽,取,取一个瞬,时,时幅度值,脉冲序列,信,信号,脉冲幅度,调,调制信号,模拟信号,抽样门,(Pulse amplitudemodulation),2.,接口电路,4.2,光发射机,量化,将信号幅,度,度按一定,的,的规则离,散,散化。,量化方法,：,：,量化,PAM,量化,四舍五入,法,法,舍去法,补足法,量化误差,：,：,量化噪声,：,：,由于量化,误,误差使电,路,路中形成,的,的噪声,量化级差,（,（量阶）,：,：,相邻两个,量,量化值的,差,差,4.2,光发射机,编码,将量化后,的,的,PAM,信号用一,组,组二进制,码,码组表示,三位码编,码,码规则,量化值,量值范围,普通,二进码,折叠,二进码,a,1,a,2,a,3,b,1,b,2,b,3,+3.5,+3.0 +4.0,111,111,+2.5,+2.0 +3.0,110,110,+1.5,+1.0 +2.0,101,101,+0.5,0.0 +1.0,100,100,-0.5,-1.0 0.0,011,000,-1.5,-2.0 -1.0,010,001,-2.5,-3.0 -2.0,001,010,-3.5,-4.0 -3.0,000,011,b,1,(,极性,),b,2,b,3,(,幅值,),3,位编码,-8,个量化级,8,位编码,-256,个量化级,PCM(Pulse codemodulation),PCM,编码,量化,PAM,010,000,110,111,111,111,101,4.2,光发射机,码型变换,为,使,使,电,电,端,端,机,机,编,编,码,码,器,器,输,输,出,出,的,的,”0,”,”,”,”1,”,”,单,极,极,性,性,码,码,便,便,于,于,在,在,线,线,路,路,上,上,传,传,输,输,需,要,要,进,进,行,行,码,码,型,型,变,变,换,换,.,常,见,见,的,的,码,码,型,型,有,有,:,单,极,极,性,性,不,不,归,归,零,零,码,码,(NRZ,Non-Returntozero),单,极,极,性,性,归,归,零,零,码,码,(RZ,Return-to-zero),双,极,极,性,性,信,信,号,号,交,交,替,替,反,反,转,转,码,码,(AMI,AlternateMarkInversion),3,级,高,高,密,密,度,度,双,双,极,极,性,性,码,码,(HDB3, High DensityBipolar ofOrder 3),以上码型均,称,称为,PCM,码,4.2,光发射机,0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0,单极性,占空比,100%,单极性,占空比,50%,双极性,占空比,50%, “1”,码极性依次交替,双极性,占空比,50%,连零抑制码,V,B,（替代码）,4.2,光发射机,0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1,HDB3,码型的编码,规,规则,:,HDB3,码是连,0,抑制码,(1),凡,”1”,码正负交替,; (2),长连,“0”,中的第,4,个“,0”,用,V,码,代替,并与前面的,“,“,1”,同极性,不符合极性,交,交替规律,; (3),凡,V,码正负交替,; (4),如果两个,V,码间,”1”,的个数为偶,数,数,则在,4,个“,0”,的第一位用,B,码,代替,并符合前面,的,的极性交替,规,规律,4.2,光发射机,0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0,0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1,HDB3,编码练习,4.2,光发射机,选择码型要,求,求,从线路码流,中,中容易提取,时,时钟,码流中不宜,含,含直流成分,，,，且低频分,量,量尽量少,码流中高频,成,成分应尽量,少,少,码间干扰应,尽,尽量少,4.2,光发射机,数据,线路,编码,驱动,电路,功控,温控,接口,电路,HDB3,5B6B,APC,ATC,光源,光隔离器,直接调制,将适合电路,传,传输的码型,(,双极性,),变换为适合,光,光通信需要,的,的码型,(,单极性码,);,增加冗余码,便于误码自,检,检等,.,三大类,:,扰码,字母型平衡,码,码,(mBnB),插入型码,3.,线路编码,4.2,光发射机,4.2,光发射机,能限制信号,带,带宽,:,减小功率谱,中,中的高低频,分,分量,有利于提高,光,光接收机的,灵,灵敏度,数字光纤通,信,信系统对线,路,路码型的要,求,求,能提供足够,的,的定时信息,：,：,使“,1”,码和“,0”,码的分布均,匀,匀， 保证,定,定时信息丰,富,富,能提供一定,的,的冗余码：,用于平衡码,流,流、误码监,测,测和公务通,信,信,通过扰码器,将原始的二,进,进制码序列,加,加以变换,使其接近于,随,随机序列,从而改善了,码,码流的一些,特,特性,.,扰码,例如： ,扰码前：,1 1 00 00 0 01 10 0 0,扰码后：,1 1 01 11 0 11 00 1 1,4.2,光发射机,字母型平衡,码,码,(mBnB),mBnB,为组码,即将,m,比特一组码,，,，根据转换,原,原则,在同样长的,时,时间内选择,成,成,n,比特的一组,码,码代替,.nm,，一般选取,n=m+1,。,mBnB,码有,1B2B,、,3B4B,、,5B6B,、,8B9B,、,17B18B,等。,码速提高率,:,(,以,5B6B,为例,),4.2,光发射机,码速变化,:,码字数字和,(WDS),:,在,nB,组码中，用,“,“,-1”,代表“,0”,码， 用“,+1”,代表“”,码,码，整个码,字,字的代数和,即,即为,WDS,。,4.2,光发射机,nB,码的选择原,则,则,:,尽可能选择,|WDS|,小的,码,码字,线路码（,4B,）,信号码（,3B,）,模式,2,（负组）,模式,1,（正组）,WDS,码子,WDS,码子,-2,0010,+2,1101,111,7,-2,1000,+2,0111,110,6,0,1010,0,1010,101,5,0,1001,0,1001,100,4,0,0110,0,0110,011,3,0,0101,0,0101,010,2,-2,0001,+2,1110,001,1,-2,0100,+2,1011,000,0,3B4B,编码,表,表,4.2,光发,射,射机,4.2,光发,射,射机,mBnB,编译,码,码器,有两,种,种编,译,译码,电,电路,：,：,一种,是,是,组合,逻,逻辑,电,电路,，就,是,是把,整,整个,编,编译,码,码器,都,都集,成,成在,一,一小,块,块芯,片,片上,，,，组,成,成一,个,个大,规,规模,专,专用,集,集成,块,块，,国,国,外,外设,备,备大,多,多采,用,用这,种,种方,法,法。,一种,是,是,码表,存,存储,电,电路,，即把设,计,计好的码,表,表全部存,储,储到一块,只,只读存储,器,器,(PROM),内而构成,，,，国内设,备,备一般采,用,用这种方,法,法。,4.2,光发射机,3B4B,码编码器,工,工作原理,并串,PROM,B,1,B,2,B,3,B,4,b,1,b,2,b,3,串并,组别,变换,A,B,C,变前时钟,已变换的输出,4,B,码流,变换时钟,待变换输入,3B,信号码流,5B6B,编码器原,理,理图,串并变换,EPROM,10,分频,并串变换,缓存器,12,分频,环路滤波,压控振荡,鉴频鉴相,4.2,光发射,机,机,插入型,码,码,把输入,二,二进制,原,原始码,流,流分成,每,每,m,比特一,组,组，然,后,后在每,组,组,mB,码末尾,按,按一定,规,规律插,入,入一个,码,码，组,成,成,m+1,个码为,一,一组的,线,线路码,流,流。,典型的,有,有,:,mB1C,码,:,mB1H,码,:,mB1P,码,:,插入,1bit,补码,C (Compensation),插入,1bit,混合码,H (Hybrid),插入,1bit,奇偶校,验,验码,P (Parity),4.2,光发射,机,机,4.2,光发射,机,机,mB1C,码的结,构,构：,C,码的作,用,用,：引入,冗,冗余码,，,，可以,进,进行在,线,线误码,率,率监测,，,， 同,时,时改善,了,了“,0”,码和“,1”,码的分,布,布，有,利,利于定,时,时提取,。,。,mB1C,码,mB,码为：,100110001101,mB1C,码为：,1001110100101010,插入的,C,码是第,m,比