《光源与光发送机》PPT课件.ppt

1 第五章光源与光发送机 5 1半导体光源的物理基础5 2半导体光源的工作原理5 3光源的工作特性5 4光发送机5 5驱动电路和辅助电路 3 5 1半导体光源的物理基础 半导体物理 原子的能级 能带以及电子跃迁自发辐射 受激辐射 受激吸收半导体本征材料和非本征材料 4 原子核 电子 高能级 低能级 5 1 1孤立原子的能级和半导体的能带 围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值 只能取特定的离散值 离散轨道 这种现象称为电子能量的量子化 电子优先抢占低能级 1 孤立原子的能级 5 满带 各个能级都被电子填满的能带 禁带 两个能带之间的区域 其宽度直接决定导电性 2 半导体的能带 空带 所有能级都没有电子填充的能带 价带 由最外层价电子能级分裂后形成的能带 未被电子占满的价带称为导带 禁带的宽度称为带隙 6 导体 绝缘体和半导体 导体 导 价带电子 绝缘体 无价带电子禁带太宽 半导体 价带充满电子禁带较窄 外界能量激励 满带电子激励成为导带电子 满带留下空穴 7 导带EC 价带EV 电子跃迁 带隙Eg 1 1eV 电子态数量 空穴态数量 电子浓度分布 空穴浓度分布 空穴 电子 本征半导体的能带图 电子向导带跃迁空穴向价带反向跃迁 8 硅的晶格结构 硅的晶格结构 平面图 本征半导体材料Si 电子和空穴是成对出现的 Si电子受到激励跃迁到导带 导致电子和空穴成对出现 E 此时外加电场 发生电子 空穴移动导电 9 As 4 As 5 非本征半导体材料 n型 掺入第V族元素 如磷P 砷As 锑Sb 后 某些电子受到很弱的束缚 只要很少的能量DED 0 04 0 05eV 就能让它成为自由电子 这个电离过程称为杂质电离 施主杂质 10 施主能级 被施主杂质束缚住的多余电子所处的能级称为施主能级施主能级位于离导带很近的禁带施主能级上的电子吸收少量的能量DED后可以跃迁到导带 施主能级 电子能量 电子浓度分布 空穴浓度分布 施主杂质电离使导带电子浓度增加 11 非本征半导体材料 p型 掺入第III族元素 如铟In 镓Ga 铝Al 晶体只需要很少的能量DEA Eg就可以产生自由空穴 B 受主杂质 12 受主能级 被受主杂质束缚的空穴所处的能级称为受主能级受主能级位于靠近价带EV的禁带中空穴获得较小的能量DEA后就能反向跃迁到价带成为导电空穴 电子浓度分布 空穴浓度分布 受主能级电离使导带空穴浓度增加 电子能量 13 光作用下的跃迁和辐射 E2 E1 hv E1 E2 a 受激吸收 hv E1 E2 b 自发辐射 非相干光 hv E1 E2 c 受激辐射 相干光 hv hv hv 5 1 2光与物质的相互作用 14 N1 处于低能级的粒子数量 价带电子数 N2 处于高能级的粒子数量 导带电子数 价带空穴数 1 N1 N2 粒子数正常分布状态 光吸收大于光辐射 当光通过这种半导体时 光强按指数衰减 2 N2 N1 粒子数反转分布状态 光辐射大于光吸收 当光通过这种半导体时 会产生放大作用 5 1 3半导体粒子分布状态 问题 如何得到粒子数反转分布的状态 5 2半导体光源 激光器被视为20世纪的三大发明 还有半导体和原子能 之一 特别是半导体激光器LD倍受重视 光纤通信中最常用的光源是半导体激光器LD和发光二极管LED 主要差别 发光二极管输出非相干光 半导体激光器输出相干光 16 5 2 1发光二极管 LED lightemittingdiode 的工作原理 原理 外加电场实现粒子数反转 大量电子 空穴对的自发复合导致发光为什么要使用LED 1 驱动电路简单2 不需要温控电路3 成本低 产量高缺点 4 输出功率不高 几个毫瓦5 谱宽很宽 几十个纳米到上百纳米应用场合 短距离传输 5 2半导体光源的工作原理 17 双异质结构 异质结 0 3mm 不连续的带隙结构加强对载流子的束缚 不连续分布的折射率加强对产生光子的约束 18 优点 LED到光纤的耦合效率高 载流子注入 1 发光二极管的类型结构 面 边和超辐射3种 面发光二极管 19 边发光二极管 优点 与面发光LED比 光出射方向性好缺点 需要较大的驱动电流 发光功率低 载流子注入 30 120 20 PN结 2 内建电场的驱动导致载流子做反向漂移运动 1 浓度的差别导致载流子的扩散运动 5 2 1发光二极管的工作原理 21 反向偏压使耗尽区加宽 扩散运动被抑制 只存在少数载流子的漂移运动 22 正向偏压使耗尽区变窄 扩散 漂移 n型 p型 23 电致发光 正向偏压使pn节形成一个增益区 导带主要是电子 价带主要是空穴 实现了粒子数反转 大量的导带电子和价带的空穴复合 产生自发辐射光 外加正偏压 注入载流子 粒子数反转 载流子复合发光 hv 24 5 2 2激光二极管的工作原理 激光 LASER LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation受激辐射的光放大 激光器产生激光的条件 粒子数反转 LED也具备 产生大量的受激辐射光反馈 光放大 增益 损耗 相位条件 波长选择 25 光反馈 光学谐振腔 1 将工作物质置于光学谐振腔 F P腔 2 光的产生及方向选择1 少数载流子的自发辐射产生光子2 偏离轴向的光子产生后穿出有源区 得不到放大3 轴向传播的光子引发受激辐射 产生大量相干光子 3 通过来回反射 特定波长的光最终得到放大 并被输出 法布里 珀罗 F P 谐振腔 2 激光二极管的工作原理 26 法布里 珀罗 F P 激光器立体图 27 阈值条件 光在谐振腔内传播 包括 1 增益介质的光放大2 损耗 A 工作物质的吸收B 介质不均匀引起的散射C 端面反射镜的透射及散射 幅度条件 增益能克服损耗相位条件 光经反射回到初始位置时与原来相位一致 28 g 为增益系数 为材料损耗系数 当光经反射镜R1和R2反射在腔内往返传播2L回到原点之后 电场分量为 能量为hn的光子的辐射强度E 在腔内随传播距离z变化 谐振腔的光传播 要能在腔内产生稳定的振荡 需要满足下列关系 在空间中传播的光电场分布可以表示为 和 b 2L 2mp 光幅度放大 光相长放大 29 传播五周的相位5p 3 传播五周的相位5p 3 传播四周的相位4p 3 传播四周的相位4p 3 传播三周的相位p 传播三周的相位p 传播两周的相位2p 3 传播一周的相位p 3 传播两周的相位2p 3 传播一周的相位p 3 e jb 2L 1或b 2L 2kp 假设相位变化b 2L p 3 对于空间某点 初始时刻的相位0 初始时刻的相位0 30 因此有幅度条件 和相位条件 幅度条件和相位条件 上式表明 激光器只能产生一些离散的波长 每个波长称为激光器的一个纵模 相邻两波长 纵模 之间的波长之差约为 31 增益与波长的关系 其中l0为中心波长 输出光谱 多纵模 如果需要激光器工作在单纵模状态就需要模式选择技术 32 N InGaAsP 发光的作用区 其上下两层称为限制层根据对横模限制机制的不同进一步可分为 增益引导型和折射率引导型 铟镓砷磷 InGaAsP 双异质结条形激光器 波长1300 1600nm 1 激光二极管的类型结构 33 横向约束的双异质结构 增益引导型 机制 利用光增益区宽度来限制横模 增益区宽度取决于电流流经的区域宽度 接触区有电流流过 有光增益 其他区域没有 最终 辐射光横模限制在条形有源区内部特点 1 辐射功率高 但有2 散光性 且3 工作不稳定 I 1 5mm 34 机制 1 在横向引入一个折射率分布实现对光模式的限制2 在横向将电流严格地限制在有源区 使得 60 的注入电流用于发光特点 输出光束具有很好的准直性 能工作在基横模 横向约束的双异质结构 折射率引导型 光强 10 0 10 F PLD的结构 很难将光导引到光纤 增益导引半导体激光器 沿激光长度方向放置一个窄的条形电极 将注入电流限制在一个窄条里 缺点 光功率增大时 光斑尺寸不稳定 模式稳定性亦不高 折射率导引半导体激光器 引入折射率差 结构简单 制造工艺不太复杂 辐射光空间分布稳定性高 被大多数光波系统使用 36 分布反馈式 DFB 激光器 内置布拉格光栅FBG 只有符合反射条件的光会得到强烈反射经历放大过程 输出的波长为 m是纵模的阶数 37 DFB激光器微观结构 L相当于F P激光器的腔长L 每一个L形成一个微型谐振腔 很小使得m阶和 m 1 阶模之间的波长间隔比F P大得多 多个微型腔级联易实现选模的同时保证光束能获得足够增益 38 DFB激光器照片 量子阱激光器QWLD 特点 低阈值电流高输出功率窄线宽频率啁啾改善调制速率高 有源区厚度薄1 10nm FP腔100 200nm 周期结构 将窄带隙的很薄的有源区夹在宽带隙的半导体材料之间 形成势能阱多个势能阱 多量子阱 MQW 单个势能阱 单量子阱 SQW 40 5 3 1LED的工作特性 5 3光源的工作特性 1 P I特性 驱动电流较小 LEDP I特性线性度好驱动电流较大 pn结发热产生饱和现象 曲线斜率减小通常 LED工作电流为50 100mA 输出光功率为几毫瓦 41 2 光谱特性 发光二极管发射的是自发辐射光 没有谐振腔对波长的选择 谱线较宽谱线宽度 光强下降一半时的波长宽度 半幅全宽 LED光谱特性 42 LED的频率响应可以用下式求解 式中w为调制频率 P w 为输出光功率 e为注入载流子寿命 当wc 1 e时 P wc 0 707P 0 在接收机中 检测电流正比于光功率 光功率下降到0 707时 接收电功率下降到0 7072 0 5倍 即下降了3dB 因此wc定义为截止频率 3 LED的调制特性 43 适当增加工作电流 载流子寿命缩短 调制带宽增加 一般地 f面 20 30MHzf边 100 150MHz 不同载流子寿命下的LED调制曲线 44 光电检测器平方检波机制导致了所谓的光调制系统电和光3 dB带宽定义的区别 光调制系统的电和光3 dB带宽的区别 前面所提及的wc应为电3 dB带宽 45 从电的角度看 光电检测器输出电功率变为原来一半 即系统输出光电流变为0 707时所对应的频率定义为3 dB带宽 即电3 dB带宽 光调制系统的电3 dB带宽 46 从光的角度看 LED输出光功率变为原来的一半时所对应的频率定义为光3 dB带宽 此时光电检测器输出的光电流相应地减小为1 2 光调制系统的光3 dB带宽 47 4 温度特性 温度特性主要影响到LED的平均发送光功率 P I特性的线性及工作波长 实际上 LED的工作状态对温度的依赖性要远远小于LD 48 5 3 2LD的工作特性 1 LD的P I特性 阈值电流Ith当激光器的注入电流IIth时 发射光谱突然变窄 谱线中心强度急剧增加 激光器发出激光 49 常用的衡量激光器换能指标为 功率效率和量子效率 Rr 辐射复合速率 辐射过程中发射光子 Rnr 非辐射复核速率 导带和价带的能量差以声子的形式释放 转换为晶格的震动 量子效率 内量子效率 外量子效率 外微分量子效率 功率效率 功率转换效率 输出的光功率与消耗的电功率之比 内量子效率 50 对应P I曲线阈值以上线性部分斜率 外微分量子效率 外量子效率 外量子效率取决于内量子效率 而且与载流子对有源区的注入效率 光子在谐振腔的运输效率和谐振腔端面的取光效率有关 51 2 光谱特性 式子和光谱图表明 实现单模输出的一条途径是减少谐振腔长 增加模式之间的波长间隔 使Dl大于增益线宽 即增加滤波器自由谱宽 52 式中 P 0 是频率为0时LD输出的光功率值 fr为LD的类共振频率 是LD的阻尼因子 3 调制特性 LD的频率响应函数 53 温度升高 阈值电流呈指数增长 输出功率则明显下降 当达到一定温度时LD不激射 4 温度特性 温控对LD的正常使用至关重要 54 1 光源的主要技术指标几种国产半导体光源的主要技术指标 5 3 3光源的主要技术指标及简易检测 55 光调制方式分类根据光源与调制信号的关系 可以将光源的调制方式分为直接调制方式和外部 或间接 调制方式 直接调制 是指直接将调制信号施加在光源上来完成光源参数的调制过程 外部调制 通过外部调制器来完成光源参数的调制过程 2 根据已调制信号的性质 可以将光源的调制方式分为模拟调制方式和数字调制方式 5 4 1光调制原理 5 4光发送机 56 2 已调制信号表达式 由于其他调制方式应用极少 因此我们在这里仅仅给出用电场表示的 常用强度调制方式的已调制信号表达式 式中 KT为与发送光功率有关的正常数 m为调制系数 0 m 1 x t 为归一化幅度的调制信号波形 c为光载波角频率 0为初相位 57 5 4 2光发送机的构成及指标 光发送机构成数字光发射机主要有光源和电路两部分 光源是实现电 光转换的关键器件 在很大程度上决定着光发射机的性能 电路的设计应以光源为依据 使输出光信号准确反映输入电信号 58 2 光发送机主要技术指标 平均发送功率Pt 通常指光源尾纤的平均输出光功率 稳定度指平均发送光功率的相对变化量 消光比EX 1 码光脉冲功率与 0 码光脉冲功率之比实际测量消光比 59 对通信用光源的要求 1 发射的光波长应和光纤低损耗 窗口 一致 即中心波长应在0 85 m 1 31 m和1 55 m附近 光谱单色性要好 即谱线宽度要窄 以减小光纤色散对带宽的限制 2 电 光转换效率要高 即要求在足够低的驱动电流下 有足够大而稳定的输出光功率 且线性良好 发射光束的方向性要好 即远场的辐射角要小 以利于提高光源与光纤之间的耦合效率 60 3 允许的调制速率要高或响应速度要快 以满足系统的大传输容量的要求 4 器件应能在常温下以连续波方式工作 要求温度稳定性好 可靠性高 寿命长 5 此外 要求器件体积小 重量轻 安装使用方便 价格便宜 调制速率 谱线宽度 输出光功率和光束方向性 直接影响光纤通信系统的传输容量和传输距离 是光源最重要的技术指标 61 5 5驱动电路和辅助电路 5 5 1驱动电路 对驱动电路的要求 一个优良的驱动电路应该满足以下条件 1 能够提供较大的 稳定的驱动电流 2 有足够快的响应速度 最好大于光源的驱动速度 3 保证光源具有稳定的输出特性 62 2 驱动电路的工作原理 LED数字系统都是通过控制流经发光管电流的办法达到调制输出光功率的目的 LED数字信号调制电路只有一级共发射极的晶体管调制电路 晶体管用作饱和开关 晶体管的集电极电流就是LED的注入电流 信号由A点接入 0 码时晶体三极管不导通 1 码时晶体三极管导通 于是注入电流注入到LED管 使得LED管发光 从而实现了数字信号调制 图5 16共射极驱动电路 63 LD数字系统通常用于高速系统 且是阈值器件 它的温度稳定性较差 与LED相比 其调制问题要复杂的多 驱动条件的选择 调制电路的形式和工艺 都对调制性能至关重要 图5 17射级耦合驱动电路 V1 V2组成一个电流开关 数字电信号Vin从V1的基极输入 Vb是直流参考电压施加在V2的基极上 当信号为 0 码时 V1的基极电位高于V2的基极电位 电流源全部电流流过V1的集电极 LD接在V2上不发光 故LD不发光 相当于发 0 码 当信号为 1 码时 V2基极电位高于V1基极电位时 则反过来V2导通 全部电流源电流流过V2的集电极支路 对应于发一个 1 码 64 5 5 2辅助电路 1 自动功率控制电路 自动功率控制 自动功率控制电路维持半导体激光器的输出光功率维持在恒定值 1 自动功率控制电路的分类 能够完成自动功率控制功能的电路很多 主要包括普通电参数控制电路和光电反馈控制电路 在光发送机中 光电反馈控制电路应用最多 LD结温度的变化以及老化都会使Ith增大 量子效率下降 从而导致输出光脉冲的幅度发生变化 为了保证激光器有稳定的输出光功率 需要有各种辅助电路 例如功率控制电路 温控电路 限流保护电路和各种告警电路等 65 图5 18APC电路原理 66 温度控制原理 微制冷器多采用半导体制冷器 它利用半导体材料的珀尔帖效应制成的 当直流电流通过两种半导体组成的电偶时 出现一端吸热另一端放热的现象 这种现象称为珀尔帖效应 微型半导体制冷器的温差可以达到30 40 2 自动温度控制电路 67 自动温度控制电路 ATC典型电路 热敏电阻Rf 制冷器RC Rf Rl R2 R3组成桥式电路 其输出电压加到差分放大器的同相和反相输入端 在某温度下 电桥达到平衡 例 LD温度升高时 Rf下降 差分放大器输入压降升高 差分放大器输出电压升高 BGl正向导通 通过制冷器RC的电流IC加大 使LD的温度下降 IC 68 LD的温控设备 69 其他保护 监测电路 光发送机除了上述各部分电路外 还有如下一些辅助电路 LD保护电路 使半导体激光器的偏流慢启动以及限制偏流不要过大 由于激光器老化以后输出功率将降低 自动功率控制电路将使激光器偏流不断增加 如果不限制偏流就可能烧毁激光器 无光告警电路 当光发射机电路出现故障 或输入信号中断 或激光器失效都将使激光器较长时间不发光 这时延迟告警电路将发出告警指示 70 第五章小结 LD和LED的区别LED输出光功率较小 谱线宽度较宽 调制频率较低但性能稳定 寿命长 使用简单 输出光功率线性范围宽 而且制造工艺简单 价格低廉LED通常和多模光纤耦合 用于1310nm或850nm波长的小容量 短距离的光通信系统LD通常和单模光纤耦合 用于1310nm或1550nm大容量 长距离光通信系统 已成为目前光纤通信发展的主要趋势 71 常用器件 发光二极管 LED 和激光二极管 LD 比较