《光纤通信》_第4讲_光器件(1).ppt

第四讲 1 光源Opticalsource 2020 2 20 2 主要内容 一 半导体激光器工作原理和基本结构 二 半导体光源之一 LD 三 光发射机基本组成及驱动电路和自动功率控制 四 半导体光源之二 LED五 光电检测器及光接收机 2020 2 20 3 引言 一 光纤通信系统对光源的基本要求 1 稳定性好 可在室温下连续工作 2 尺寸和结构要小 3 光波应匹配光纤的两个低损耗波段 4 信号调制容量大 2020 2 20 4 引言 二 最常用的发光器件 1 LD 半导体激光二极管或称激光器 LD a 极窄的光谱带宽 b 极大的调制容量 c有定向输出特性 d 辐射具有光相干特性 适用于长距离 大容量 高码速系统 2 LED 发光二极管或称发光管 LED a 非相干的自发辐射 b 结构及工作方式简单 适用于短距离 低速 模拟系统 2020 2 20 5 第一节半导体激光器工作原理和基本结构 半导体激光器是向半导体PN结注入电流 实现粒子数反转分布 产生受激辐射 再利用谐振腔的正反馈 实现光放大而产生激光振荡的 激光 其英文LASER就是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation 受激辐射的光放大 的缩写 所以讨论激光器工作原理要从受激辐射开始 一 受激辐射和粒子数反转分布有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应 在物质的原子中 存在许多能级 最低能级E1称为基态 能量比基态大的能级Ei i 2 3 4 称为激发态 2020 2 20 6 以前所学过的有关知识 半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体 在这种晶体中 由于邻近原子的作用 电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带 能量低的能带称为价带 能量高的能带称为导带 导带底的能量Ec和价带顶的能量Ev之间的能量差Ec Ev Eg称为禁带宽度或带隙 电子不可能占据禁带 2020 2 20 7 受激辐射和粒子数反转分布 电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式 1 光的受激吸收 stimulatedtransition2 光的自发辐射 spontaneousemission3 光的受激辐射 stimulatedemissionofradiation E Ec Ev Eg 光子hf Ec Ev Eg 光子hf Ec Ev Eg 光子hf 光子hf E E 空穴复合 留下空穴 2020 2 20 8 受激辐射和粒子数反转分布 续 受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同 受激辐射光的频率 相位 偏振态和传播方向与入射光相同 这种光称为相干光 自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的 其频率和方向分布在一定范围内 相位和偏振态是混乱的 这种光称为非相干光 产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的 设在单位物质中 处于低能级E1和处于高能级E2 E2 E1 的粒子数分别为N1和N2 当系统处于热平衡状态时 存在下面的分布 N2 N1 exp E2 E1 kT 2020 2 20 9 受激辐射和粒子数反转分布 续 N2 N1 exp E2 E1 kT 式中 k 1 381 10 23J K 为波尔兹曼常数 T为热力学温度 由于 E2 E1 0 T 0 所以在这种状态下 总是N1 N2 这是因为电子总是首先占据低能量的轨道 受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2 且比例系数 吸收和辐射的概率 相等 如果N1 N2 即受激吸收大于受激辐射 当光通过这种物质时 光强按指数衰减 这种物质称为吸收物质 如果N2 N1 即受激辐射大于受激吸收 当光通过这种物质时 会产生放大作用 这种物质称为激活物质 N2 N1的分布 和正常状态N1 N2的分布相反 所以称为粒子 电子 数反转分布 2020 2 20 10 二 激光振荡和光学谐振腔 光学谐振腔的结构 粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件 但还不能产生激光 只有把激活物质置于光学谐振腔中 对光的频率和方向进行选择 才能获得连续的光放大和激光振荡输出 在增益物质两端 适当的位置 放置两个反射镜M1 M2 使其互相平行 就构成了最简单的光学谐振腔 也称法布里 珀罗 F P谐振腔 如果反射镜是平面镜 称为平面腔 如果反射镜是球面镜 则称为球面腔 结构如图所示 2020 2 20 11 谐振腔如何产生激光振荡 对于两个反射镜 要求其中一个能全反射 如M1的反射系数r 1 另一个为部分反射 如M2的反射系数r 1 产生的激光由此射出 当工作物质在泵浦源的作用下 变为激活物质以后 即有了放大作用 如果被放大的光有一部分能够反馈回来再参加激励 这就相当于电路中用正反馈实现振荡 这时 被激励的光就可产生振荡 满足一定条件后 即可发出激光 泵浦源 使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源 称为泵浦源 2020 2 20 12 谐振腔如何产生激光振荡 续 将在泵浦源激发下 处于粒子数反转分布状态的工作物质 置于光学谐振腔内 腔的轴线应该与激活物质的轴线重合 被放大的光在谐振腔内 在两个反射镜之间来回反射 并不断地激发出新的光子 进一步进行放大 但在这个运动过程中也要消耗一部分能量 不沿谐振腔轴向传输的光波 会很快射出腔外 以及M2反射镜的透射等也会损耗部分能量 当放大足以抵消腔内的损耗时 就可以使这种运动不停地进行下去 即形成光振荡 当满足一定条件后 就会从反射镜M2透射出来一束笔直的强光 即是激光 2020 2 20 13 谐振腔如何产生激光振荡 小结 综上所述 可得出结论 激光器的组成 三要素 工作物质 又称增益物质 谐振腔 提供必要的反馈以及进行频率选择 激励源 激发工作物质实现Nc Nv的外界能源 如正向偏置的PN结激光器激光的特性 方向性好 亮度大 单色性好 相干性好 2020 2 20 14 三 激光器的参量 1 发射波长和光谱特性半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的能量 这个能量近似等于禁带宽度Eg eV 得到hf Eg式中 f c f Hz 和 um 分别为发射光的频率和波长 c 3 108m s为光速 h 6 628 10 34J s为普朗克常数 1eV 1 6 10 19J 代入上式得到 hc Eg 1 24 Eg不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg 因而有不同的发射波长 镓铝砷 镓砷 GaAlAs GaAs 材料适用于0 85um波段 铟镓砷磷 铟磷 InGaAsP InP 材料适用于1 3 1 55um波段 2020 2 20 15 三 激光器的参量 图示是GaAlAs DH激光器的光谱特性 在直流驱动下 发射光波长有一定分布 谱线具有明显的模式结构 这种结构的产生是因为导带和价带都是由许多连续能级组成的有一定宽度的能带 两个能带中不同能级之间电子的跃迁会产生连续波长的辐射光 其中只有符合激光振荡的相位条件的波长存在 这些波长取决于激光器纵向长度L 并称为激光器的纵模 2020 2 20 16 三 激光器的参量 随着驱动电流的增加 纵模模数逐渐减少 谱线宽度变窄 这种变化是由于谐振腔对光波频率和方向的选择 使边模消失 主模增益增加而产生的 当驱动电流足够大时 多纵模变为单纵模 这种激光器称为静态单纵模激光器 右图所示是300Mb s数字调制的光谱特性 由图可见 随着调制电流增大 纵模模数增多 谱线宽度变宽 2020 2 20 17 三 激光器的参量 2 平均衰减系数a在光学谐振腔内产生振荡的先决条件 是放大的光能要足以抵消腔内的损耗 而谐振腔内损耗的大小 我们用平均衰减系数a表示 为a ai ar ai 1 2l 1 r1 r2 其中 ai是除反射镜透射损耗以外的其他所有损耗所引起的衰减系数 ar是谐振腔反射镜的透射损耗引起的衰减系数 l是谐振腔两个反射镜之间的距离 r1 r2是腔的两个反射镜的功率反射系数 2020 2 20 18 三 激光器的参量 续 3 增益系数G激活物质的放大作用 我们用增益系数G来表示 如图所示I0为激活物质的输入光强 经过距离Z以后 光强放大到I 到了 Z dZ 处 光强为 I dI 那么 在dZ长度上 光强的增量dI为dI GI dZ其中G dI dZ I称为增益系数 它表示光通过单位长度的激活物质之后 光强增长的百分比 2020 2 20 19 三 激光器的参量 续 4 阀值条件一个激光器并不是在任何情况下都可以发出激光的 它需要满足一定的条件 由前面对衰减系数的概念可以看出 要使激光器产生自激振荡 最低限度应要求激光器的增益刚好能抵消掉它的衰减 我们就将激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的阈值条件 从上面分析可知 阈值条件为 Gt a ai 1 2l 1 r1 r2 其中Gt称为阈值增益系数 可见 激光器的阈值条件 只决定于光学谐振腔的固有损耗 损耗越小 阈值条件越低 激光器就越容易起振 2020 2 20 20 三 激光器的参量 续 5 谐振频率谐振频率是光学谐振腔的重要参数 对于平行平面腔而言 由于腔的尺寸远大于工作波长 因此 腔内的电磁波可认为是均匀平面波 而且在腔内往返运动时 是垂直于反射镜而投射 如图 从A点出发的平面波 垂直投射到反射镜M2 由M2反射后又垂直投射向M1 再回到A点时 波得到加强 如果它们之间的相位差是2 的整数倍时 显然就达到了谐振 2020 2 20 21 三 激光器的参量 续 设L为谐振腔的长度 g为谐振腔介质中光波的波长此时应有 L g q 2其中q 1 2 3 上式表明 光波在谐振腔中往返一次 光的距离2L恰好为 g的整数倍 即相位差是2 的整数倍 可得出光波长的表示式为 g 2L q此即为光学谐振腔的谐振条件或称驻波条件 2020 2 20 22 三 激光器的参量 续 当光学谐振腔内 工作物质的折射指数为n时 则折算到真空的光学谐振腔的谐振波长 og 与谐振频率fog为 og n g 2nL qfog c og cq 2nL由上面两式可看出 1 og与光学谐振腔内材料的折射率n有关 2 当q不同时 可有不同的fog值 即有无穷多个谐振频率 分布反馈激光器 2020 2 20 23 第二节半导体光源之一 LD 半导体激光器是利用在有源区中受激而发射光的光器件 只有在工作电流越过阈值电流的情况下 才会输出激光 相干光 因而是有阈值的器件 半导体砷化镓 GaAs 在光纤通信中使用的激光物质都是GaAs GaAs是高掺杂的 族化合物 当掺入 族Te原子取代As原子 自由电子多 形成N型半导体当掺入 族Zn原子取代Ga原子 空穴多 形成P型半导体 S p n laser reflection PN结激光器的示意 2020 2 20 24 半导体的能带和电子分布 a 本征半导体 b N型半导体 c P型半导体 回忆一下 相关知识 2020 2 20 25 一般状态下 本征半导体的电子和空穴是成对出现的 用Ef位于禁带中央来表示 Ef称为费米能级 用来描述半导体中各能级被电子占据的状态 在本征半导体中掺入施主杂质 称为N型半导体 在本征半导体中掺入受主杂质 称为P型半导体 在P型和N型半导体组成的PN结界面上 由于存在多数载流子 电子或空穴 的梯度 因而产生扩散运动 形成内部电场 内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动 直到P区和N区的Ef相同 两种运动处于平衡状态为止 结果能带发生倾斜 2020 2 20 26 内部电场 扩散 漂移 P N结内载流子运动 PN结的能带和电子分布 2020 2 20 27 势垒 能量 E n c N 区 零偏压时P N结的能带倾斜 2020 2 20 28 正向偏压下P N结能带图 获得粒子数反转分布 2020 2 20 29 增益区的产生 在PN结上施加正向电压 产生与内部电场相反方向的外加电场 结果能带倾斜减小 扩散增强 电子运动方向与电场方向相反 便使N区的电子向P区运动 P区的空穴向N区运动 最后在PN结形成一个特殊的增益区 增益区的导带主要是电子 价带主要是空穴 结果获得粒子数反转分布 在电子和空穴扩散过程中 导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合 产生自发辐射光 2020 2 20 30 现在所用最普遍的激光器是异质结半导体激光器它们的 结 是由不同的半导体材料制成的 主要目的是为了降低阈值电流 提高效率 目前 光纤通信用的激光器大多是铟镓砷磷 InGaAsP 双异质结条形激光器 由剖面图中可以看出 它是由五层半导体材料构成 2 1LD的结构 2020 2 20 31 其中n InGaAsP是发光的作用区 作用区的上 下两层称为限制层 它们和作用区构成光学谐振腔 限制层和作用区之间形成异质结 最下面一层n InP是衬底 顶层P InGaAsP是接触层 其作用是为了改善和金属电极的接触 顶层上面数微米宽的窗口为条形电极 InGaAsP双异质结条形激光器的基本结构 2020 2 20 32 p t i t p 脉冲调制 2 2LD调制特性改变光波的振幅 强度 频率 相位 偏振等参量 使之载荷信息的过程 就是光调制 按调制信号类型分 模拟调制脉冲调制 按信号与光源的关系分 直接调制 内 间接调制 外 LD 内调制IM调制消光比EXT全 0 码时平均光功率输出EXT 10 全 1 码时平均光功率输出一个被调制的好的光源 希望在 0 码是没有光功率输出 否则它使光纤系统产生噪声 从而使接收灵敏度降低 一般要求EXT 10 2020 2 20 33 2 2LD调制特性 瞬态特性 半导体激光器是光纤通信的理想光源 但在高速脉冲调制下 其瞬态特性仍会出现许多复杂现象 在电路的设计时要给予充分考虑 1 电光延迟和张弛振荡现象半导体激光器在高速脉冲调制下 输出光脉冲瞬态响应波形如图所示 输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间 称为电光延迟时间td 其数量级一般为ns 2020 2 20 34 2 2LD调制特性 瞬态特性 续 当电流脉冲注入激光器后 输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡 称为张弛振荡 其振荡频率fr r 2 一般为0 5 2GHz 这些特性与激光器有源区的电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命以及注入电流初始偏差量有关 张弛振荡和电光延迟的后果是限制调制速率 当最高调制频率接近张弛振荡频率时 波形失真严重 会使光接收机在抽样判决时增加误码率 因此实际使用的最高调制频率应低于张弛振荡频率 2020 2 20 35 2 2LD调制特性 瞬态特性 续 2 自脉动现象某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下 当注入电流达到某个范围时 输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡 这种现象称为自脉动现象 如图所示 自脉动频率可达2GHz 严重影响LD的高速调制特性 自脉动现象是激光器内部不均匀增益或不均匀吸收产生的 往往和LD的P I曲线的非线性有关 因此在选择激光器时应特别注意 2020 2 20 36 第三节光发射机基本组成及调制电路和自动功率控制 3 1光发射机基本组成 数字光发射机的方框图如下图所示 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 2020 2 20 37 典型光发射机方框图 码变换 驱动电路 光源 APC电路 数字信号 光信号 线路编码之所以必要 是因为电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码 而光源不能发射负脉冲 所以要变换为适合于光纤传输的单极性码 2020 2 20 38 Vin V Vbb is T1 T2 LD I1 I2 V LD驱动电路图为射极耦合LD驱动电路T1和T2组成差分开关电路 当Vin VbbI2 0LD不发光 0 码 当Vin VbbI1 0LD发光 1 码 3 2驱动电路和自动功率控制 2020 2 20 39 Vin V Vbb is T1 T2 A LD PD I1 I2 VR LD驱动电路图为反馈稳定式LD驱动电路 PLD Upd Upd VR2 VR UA Ib PLD vR2 Ib 2020 2 20 40 LD辅助电路 Vin Vbb T1 T2 A1 LD A2 A3 V V T3 C PiN 自动功率控制 APC 电路 因老化P光 A1 A3 偏置电流 P光 A2的作用防止当无信号或长 0 码时 因APC电路使LD管注入电流增加 引起误码 2020 2 20 41 LD辅助电路 A T1 自动温度控制 ATC 电路半导体制冷器T是一个热电偶 加压后 在一端吸热另一端放热 实现制冷 使LD管芯的温度恒定在20 左右 T TLD Rt I TLD V LD R1 R2 R3 Rt T V 2020 2 20 42 第四节半导体光源之二 LED 发光二极管利用正向偏压下的PN结在激活区中载流子的复合发出自发辐射的光 因此LED的出射光是一种非相干光 其谱线较宽 30nm 60nm 辐射角也较大 在低速率的数字通信和较窄带宽的模拟通信系统中 LED是可以选用的最佳光源 与半导体激光器相比 LED的驱动电路较为简单 并且产量高 成本低 LED主要有五种结构类型 但在光纤通信中获得了广泛应用的只有两种 即面发光二极管 SLED 和边发光二极管 ELED 2020 2 20 43 半导体光源之二 LED LED是无阈值器件 发荧光 工作特性 光谱较宽 输出线性好 动态范围大 适于模拟通信 寿命长 LED发散角较大 与光纤的耦合效率低 适于短距离通信 温度特性好 无阈值电流 一般不需要ATC 自动温度控制电路 发光二极管是由P型半导体形成的P层和N型半导体形成的N层 以及在中间由异质结构成的有源层组成 有源层是发光的区域 其厚度为0 lum 0 2um左右 2020 2 20 44 4 1发光二极管的主要特性P I特性LED的输出光功率P与电流I的关系 即P I特性如图所示 是非阈值器件 发光功率随工作电流增大 并在大电流时逐渐饱和 LED的工作电流通常为50mA 100mA 这时偏置电压l 2V l 8V 输出功率约几mw 43210 50100150 0 25 70 电流 mA 输出功率 mW 2020 2 20 45 工作温度升高时 同样工作电流下LED的输出功率要下降 例如当温度从20 升高到7