第5章 光源与光发送机.ppt

第五章光源与光发送机 1 电子与信息工程学院通信技术研究所 目录 5 1半导体光源的物理基础 1 孤立原子的能级和半导体的能带 2 光与物质的相互作用 3 粒子数反转分布状态5 2半导体光源的工作原理 1 发光二极管的工作原理 2 激光二极管的工作原理5 3光源的工作特性 1 LED的工作特性 2 LD的工作特性 3 光源的主要技术指标及简易检测5 4光发送机 1 光调制原理 2 光发送机的构成及指标5 5驱动电路和辅助电路 1 驱动电路 2 辅助电路 2 概述 光源从光纤通信的意义上来说 将在近红外光谱附近产生电磁场能的发生器称为光源 光源是光发送机的核心器件 通过光源器件 可以将调制信号变换成已调制信号 简单地说 就是借助光源完成电信号到光信号的变换 半导体光源器件由于半导体器件具有体积小 重量轻 效率高及耗电少等特点 现代光纤通信系统均使用半导体光源器件 3 概述 光源的两种类型常用的两种半导体光源 分别是 半导体发光二极管 简称为发光管 和半导体激光二极管 简称为激光管或激光器 光发送机为了实现光的调制或电光变换 在实际系统中总是将光源 驱动电路及其辅助电路构成一体 形成所谓的光发送机 本章内容光源结构 基本工作原理及其工作特性 光调制的基本原理 光发送机的构成 光发送机的工作原理及光发送机的主要技术指标 5 1半导体光源的物理基础 5 5 1半导体光源的物理基础 5 1 1孤立原子的能级和半导体的能带1 孤立原子的能级定义 围绕原子核旋转的电子的能量只能取特定的离散值 这些离散值称为孤立原子的能级 这种现象称为电子能量的量子化 2 半导体的能带能带 大量原子相互靠近形成半导体晶体时 由于半导体晶体内部电子的共有化运动 使孤立原子中离散能级变成能带 导带 半导体内部自由运动的电子所填充的能带称为导带 价带 价电子所填充的能带称为价带 禁带 导带和价带之间不允许电子填充 所以称为禁带 用表示 单位为电子伏特 eV 6 5 1半导体光源的物理基础 5 1 2光与物质的相互作用光可以被物质材料吸收 物质材料也可以发光 光的吸收和发射与物质材料内部能量状态的变化有关 在研究光与物质的相互作用时 爱因斯坦指出存在三种基本过程 自发辐射 受激辐射及受激吸收 1 自发辐射处于高能级的电子状态是不稳定的 它将自发地从高能级 半导体的导带能级 运动 跃迁 到低能级 半导体的价带能级 与空穴复合 同时释放出一个光子 由于不需要外部激励 所以称为自发辐射 是半导体发光二极管的工作原理 辐射光子的频率 相位及方向是随机的 具有较宽的光谱范围 自发辐射的能量为 式中 为普朗克常数 其值为J S 为光子的频率 为高能级能量 为低能级能量 7 5 1半导体光源的物理基础 2 受激辐射在外来光子的激励下 电子从高能级跃迁到低能级与空穴复合 同时释放一个与外来光子同频 同相的光子 由于需要外部激励 所以该过程称为受激辐射 是半导体激光二极管的工作原理 辐射光子的频率 相位及方向与外来光子相同 因此光谱范围较窄 能量变化公式与1中自发辐射相同 3 受激吸收在外来光子的激励下 电子吸收外来光子能量而从低能级跃迁到高能级变成自由电子 这种过程称为受激吸收 是半导体光电检测器的工作原理 能量变化公式与1中自发辐射相同 8 5 1半导体光源的物理基础 4 小结实际物质中 三种现象有可能同时存在 为了使物质材料成为发光物质 光源 就应该使自发辐射或受激辐射占据优势 同样 为了构成光电检测器 就应该使受激吸收占据优势 5 1半导体光源的物理基础 5 1 3粒子数反转分布状态1 粒子数正常分布状态在热平衡状态下 高能级上的电子数要少于低能级上的电子数 一般地我们将这种粒子数的分布状态称之为粒子数正常分布状态 2 粒子数反转分布状态要物质内部的自发辐射和 或受激辐射占据优势 就必须是高能级上的电子数多于低能级上的电子数 这种现象称为粒子数反转分布状态 3 实现粒子数反转分布的方法有多种方法可以实现能级之间的粒子数反转分布状态 这些方法包括光激励方法 电激励方法等 在半导体光源器件中 通常是利用外加适当的正向电压来实现粒子数反转分布状态的 10 5 2半导体光源的工作原理 11 5 2半导体光源的工作原理 5 2 1发光二极管的工作原理半导体发光二极管 Light emittingDiode LED 基本用GaAlAs和InGaAsP材料 可以覆盖整个光纤通信系统使用波长范围 典型值为0 85um 1 31um 1 55um 在PN结构上 使用最多的是双异质结构 DH 1 发光二极管的类型结构按照器件输出光的方式 可以将发光二极管分为三种类型结构 表面发光二极管 边发光二极管 超辐射发光二极管 三种发光二极管的输出光方式是不同 表面发光二极管输出的光束方向垂直于有源层 边发光二极管和超辐射发光二极管是沿着有源层发光的 12 5 2半导体光源的工作原理 2 发光二极管的工作原理 1 LED的能带结构在热平衡状态下 有源区 p区 几乎没有电子和空穴 因此一般情况LED不会发光 而在激励 通常为电激励方式 即外加合适的正向电压 状态下有源区存在大量的电子和空穴 因此将会由于自发辐射而发光 13 5 2半导体光源的工作原理 2 LED的工作原理当给LED外加合适的正向电压时 Pp结之间的势垒 相对于空穴 和Np结之间的势垒 相对于电子 降低 大量的空穴和电子分别从P区扩散到p区和从N区扩散到p区 由于双异质结构 p区中外来的电子和空穴不会分别扩散到P区和N区 在有源区形成粒子数反转分布状态 最终克服受激吸收及其他衰减而产生自发辐射的光输出 14 5 2半导体光源的工作原理 5 2 2激光二极管的工作原理构成 同其他激光器一样 由三部分构成 激励源 工作物质及谐振腔 激励源 主要作用是使工作物质形成粒子数反转分布状态 为受激放大提供条件 半导体LD采用电激励方式 工作物质 主要作用是提供合适的能带结构 以便LD能够在要求的波长发光 谐振腔 是LD不同于LED的地方 主要作用是提供正反馈功能 大部分半导体LD使用材料与LED相同 覆盖了整个光纤通信系统使用波长范围 在PN结构上 使用最多的是与LED相同的双异质结构 DH 15 5 2半导体光源的工作原理 1 激光二极管的类型结构 1 常用激光二极管的类型结构在双异质结构的LD中 通常采用具有横模限制作用的激光二极管结构 这种激光二极管称为条形激光二极管或窄区激光二极管 条形激光二级管又可以分为增益波导型激光二极管和折射率波导型激光二极管两种 5 2半导体光源的工作原理 2 单频激光二极管一般地 普通激光二极管只能工作于多纵模状态 其增益峰值附近的数个模式携带着大部分的输出光功率 这主要是因为普通激光二极管的反馈 由解理面构成的谐振腔提供 对所有纵模都是一样的 所以纵模选择性只能借助于增益谱来完成 由于纵模选择性极差 因此影响了光纤通信系统的传输速率的提高 17 5 2半导体光源的工作原理 一种改变纵模选择性的方法是采用不同频率的选择反馈机理 即谐振腔对不同频率具有不同的损耗 为了实现频率选择反馈 目前常常使用分布反馈和耦合腔机理 分布反馈机理激光二极管耦合腔激光二极管量子阱激光二极管波长可调谐单频激光二极管 5 2半导体光源的工作原理 2 激光二极管的工作原理 1 LD的能带结构结构上 LD和LED具有类似的能带结构 二者的主要区别是LD有谐振腔这个谐振腔决定了LD具有受激辐射的特征 2 LD的工作原理当给LD外加适当的正向电压时 由于有源区粒子数的反转分布而首先发生自发辐射现象 那些传播方向与谐振腔高反射率界面垂直的自发辐射光子会在有源层内部边传播 边发生受激辐射放大 其余自发辐射光子均被衰减掉 直至传播到高反射率界面又被反射回有源层 再次向另一个方向传播受激辐射放大 如此反复 直到放大作用足以克服有源层和高反射率界面的损耗后 就会向高反射率界面外面输出激光 19 5 3光源的工作特性 20 5 3光源的工作特性 5 3 1LED的工作特性1 P I特性由于没有阈值而使LED具有非常优良的线性 广泛用于模拟光纤通信系统 超辐射发光二极管更接近于激光二极管 一般来说 LED的发射光功率要比LD小 因此应用于短距离系统 并且具有长工作寿命 21 5 3光源的工作特性 2 光谱特性谱线宽度 定义为光强度下降到最大值一半时对应的波长宽度 有时也称为半幅全宽 LED的典型峰值工作波长为0 85um 1 31um 1 55um 峰值工作波长其中是导带底与价带顶能量差 谱线宽度越大 与波长相关的色散就越大 系统信号速率越低 5 3光源的工作特性 3 调制特性 23 在低频调制条件下 其中 在高频调制情形下 pn结的结电容和寄生电容会短路信号中的高频成分 从而导致交流功率降低 然而 主要影响高频调制特性的是载流子的寿命 它是电荷从注入到复合的平均时间 LED的交流功率与外加电信号的角频率之间的关系为 5 3光源的工作特性 前面的公式可用本页图表示 调制角频率时 交流功率减少到低频时的0 707倍 在接收端 光检测器产生的光生电流与接收光功率成正比 因此 当交流光功率减少到0 707倍时 光检测器的交流电流也降低到原先的0 707倍 接收机的电功率 正比于电流的平方 将减少到0 7072 0 5倍 也就是降低3dB 因此 将称为LED的3dB调制带宽或3dB电带宽 以Hz为单位的3 dB带宽为 24 5 3光源的工作特性 LED的3dB电调制带宽的性质 外部电路的时间常数RC越大 3dB带宽就越小 平均发送光功率越大 3dB带宽越小 3dB带宽越小 可驱动的信号容量就越小 LED的调制带宽一般在100MHz以下 因此LED一般用于低速光纤通信系统 5 3光源的工作特性 4 温度特性当温度增加时 LED的平均发送光功率就会下降 工作温度的增加会使LED线性工作区域变窄 从而增加了光发送电路的噪声 导致系统性能的降低 随着温度的增加 还会使峰值工作波长向长波方向漂移 导致系统附加衰减增大 LED的工作状态对温度的依赖性要远远小于LD 因此不需要采用自动温度控制电路 有利于电路设计的简化及系统可靠性的提高 26 5 3光源的工作特性 5 3 2LD的工作特性1 LD的P I特性LD的阈值电流 定义为自发辐射区曲线与受激辐射区曲线之间的拐点对应的电流值 阈值电流越大 LD的工作寿命越小 微分量子效率和功率转换效率 微分量子效率太大容易导致不稳定 从功率和寿命角度讲 器件串联电阻不能太大 27 5 3光源的工作特性 2 光谱特性下图中的为LD的峰值波长 为谱线宽度 其定义为纵模包络或主模光强度下降到最大值一半时对应的波长宽度 多纵模激光二极管光谱特性包络内含有3 5个纵模 即值约3 5nm较好的单纵模激光二极管的值约为0 1nm 甚至更小 越小越好 由于谐振腔的频率选择作用 LD的谱线宽度要比LED小得多 这是LD应用于长距离 大容量系统的一个基本原因 28 5 3光源的工作特性 3 调制特性对LD进行直接调制时 激光二极管的输出功率与调制信号频率的关系为 式中 是频率为0时LD输出的光功率值 为LD的类共振频率 是LD的阻尼因子 由于可以很大 而3dB调制带宽只要小于就不会发生显著的调制畸变 所以LD具有很大的带宽 LD主要用于高速通信系统 29 5 3光源的工作特性 4 温度特性与LED比较 温度主要对LD的阈值电流 输出光功率及峰值工作波长影响较大 为了降低温度对LD的影响 可以采用两种方法 选择温度特性优异的新型LD 或通过一个外加的自动温度控制电路 使LD的温度特性能够满足系统的要求 由于温度过高会损坏LD的晶体发光面 因此 在光发送机中设置自动温度控制电路也是保护LD的一项措施 30 5 3光源的工作特性 5 3 3光源的主要技术指标及简易检测1 光源的主要技术指标参见书上表5 1 2 光源器件的简易检测利用万用表的高阻抗档测试PN结的正反向电阻 PN结不正常的器件肯定不能正常工作 PN结正常器件的其他特性不一定正常 5 4光发送机 32 5 4光发送机 概述在光纤通信系统中 光发送机的主要作用是以电路的方式完成电光变换作用 即完成光信号的调制功能 因此 光发送机在整个系统中具有十分重要的地位 5 4 1光调制原理1 光调制方式分类 1 按照光源与调制信号的关系分类分为 直接调制方式和外部 间接 调制方式 直接调制方式 是指直接将调制信号施加在光源上完成光源参数的调制过程 特点是电路简单 经济 目前广泛采用 但无法进一步提高速率 外部调制方式 是指通过外部调制器来完成光源参数的调制过程 具有极高的调制速率 但需要外部调制器 可用于相干光纤通信系统 33 5 4光发送机 2 按照已调制信号的性质分类分为模拟调制方式和数字调制方式 模拟调制方式是指已调制信号属于模拟信号 主要包括强度调制方式 振幅调制方式 双边带抑制载波调制方式 单边带调制方式 残余边带调制方式 数字调制方式是指已调制信号属于数字信号 这种调制方式主要包括幅移键控 ASK 调制方式 频移键控 FSK 调制方式 相移键控 PSK 调制方式等 2 已调制信号表达式用电场表示的强度调制的已调信号表达式为 式中 为与发送功率有关的正常数 为调制系数 为归一化幅度的调制信号波形 为光载波角频率 为初相位 这种调制属于模拟调制方式 34 5 4光发送机 5 4 2光发送机的构成及指标1 光发送机构成光发送机主要由光源 驱动电路及辅助电路等构成 驱动电路的主要作用是为光源提供要求的驱动电流 光源的主要作用是完成