第三章光源与光发射机

1、第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机第三章第三章 光源与光发射机光源与光发射机光发射机的作用： 将电信号转变成光信号，并有效的把光信号送入传输光纤。光发射机的核心：光源光源、驱动电路驱动电路光纤通信系统对光源的要求：发射波长与使用的传输窗口波长一致调制容易、线性好、带宽大输出谱窄、以降低光纤色散的影响辐射角小、与光纤的耦合效率高寿命长、体积小、耗电省等第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机两种半导体光源两种半导体光源发光二极管（发光二极管（LED）：）： 输出非相关光，谱宽宽、入纤功率小、调制速率低。 适用短距离低速系统激光二极管激光二极管(LD): 输出相干光，谱宽窄、入纤功率

2、大、调制速率高。 适用长距离高速系统第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机第一节：第一节：半导体中的光发射半导体中的光发射第二节：第二节：发光二极管发光二极管第三节第三节 半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理 第四节第四节 半导体激光器的工作特性半导体激光器的工作特性第五节第五节 光发送机光发送机第六节第六节 光源与光纤的耦合光源与光纤的耦合第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机第一节第一节 半导体中的光发射半导体中的光发射一、光吸收与发射一、光吸收与发射1、激光产生的物理基础激光产生的物理基础1）原子的能级原子的能级 近代物理实验证明，原子中的电子只能以一定的量子状态存在

3、，也即只能在特定的轨道上运动，电子的能量不能为任意值，只能具有一系列的不连续的分立值。 我们把这种电子、原子、分子等微观粒子的能量不连续的分立的内能称为粒子的能级能级。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 粒子处于最低能级时称为基态，处于比基态高的能级时，称为激发态激发态。 通常情况下，大多数粒子处于基态，少数粒子被激发至高能级，且能级越高，处于该能级的粒子数越少。在热平衡条件下，各能级上的粒子数分布满足玻玻尔兹曼统计分布。尔兹曼统计分布。210()/21EEk TNeN第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 其中，N1、N2为处于能级E1、E2上的粒子数，k0=1.38110-

4、23 J/K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，下图为玻尔兹曼分布曲线。0EE1E2E3N3N2N1N第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机2）光与物质的相互作用光与物质的相互作用光与物质间存在以下三种相互作用关系：（1）自发辐射自发辐射 没有外界激发的情况下，处于高能级E2上的粒子由于不稳定，将自发的向低能级E1跃迁，发射出能量为hf的光子，f为光子的频率，有：21EEfh第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机h=6.62510-34 Js为普朗克常数。这种发光过程称为自发辐射，如下图所示。 对于处在高能级E2上的粒子来说，它们各自独立地、随机地分别跃迁到低能级E1上，发射出一个一个的

5、光子，这些光子的能量相同，但彼此无关，且具有不同的相位及偏振方向，因此自发辐射发出的光是非相干光非相干光。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机(2)受激吸收受激吸收 在外来光子的作用下，处在低能级上的粒子，吸收光子的能量跃迁到较高能级上的过程，称为受激吸收，如下图所示。处在低能级E1上的粒子在一个频率为f=(E2-E1)/h的外来光子的作用下，吸收光子能量跃迁到能级E2上去。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机(3)受激辐射受激辐射 处在高能级E2上的粒子，在受到频率为f=(E2-E1)/h的光子作用下，受激跃迁到低能级E1上并发出频率为f的光子的过程，称为受激辐射，如下图所示

6、。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机3.粒子数的反转分布及光放大粒子数的反转分布及光放大 通常情况下通常情况下(即热平衡条件下即热平衡条件下)，处于低能级的粒，处于低能级的粒子数较高能级的粒子数要多，称为子数较高能级的粒子数要多，称为粒子数正常分布粒子数正常分布。粒子在各能级之间分布符合粒子在各能级之间分布符合费米统计规律费米统计规律：)exp(11)(kTEEEpf第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 其中,p(E)是能量为E的能级被粒子占据的几率，称为费米分布函数;Ef为费米能级为费米能级，与物质特性有关，不一定是一个为粒子占据的实际能级，只是一个表明粒子占据能级状况的标

7、志。当能级E0.5时，说明这种能级被粒子占据的几率大于50%；当能级EEf ，f(E)0.5时，说明这种能级被粒子占据的几率小于50%。也就是说，低于费米能级的能级被低于费米能级的能级被粒子占据的几率大，高于费米能级的能级被粒子占粒子占据的几率大，高于费米能级的能级被粒子占据的几率小。据的几率小。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 在外界能量作用下，处于低能级的粒子将不断地被激发到高能级上去，从而使高能级上的粒子数大于低能级上的粒子数，这种分布状态称为粒子数的反转分布粒子数的反转分布。在外界入射光的激发下，高能级上的粒子产生大量的全同光子，以实现对入射光的放大作用。 我们把处于粒子数

8、反转分布的物质称为激活激活物质或增益物质物质或增益物质。这种物质可以是固体、液体或气体，也可以是半导体材料。把利用光激励、放电激励或化学激励等方法达到粒子数反转分布的方法称为泵浦泵浦或抽运抽运。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机4、激光器的一般工作原理、激光器的一般工作原理（Laser, Light Amplificationby Simulated Emissionof Radiation）是具有极好单色性、方向性和光强的一种光源。世界上第一台激光器是1960年美国人梅曼发明的红宝石激光器。实现一个激光器必须满足的三个基本三个基本条件是：条件是：需要有合适的工作物质（发光介质），具

9、有合适的能级分布，可以产生合适波长的光辐射。需要可以实现工作物质粒子数反转分布的激励能源泵浦源。需要可以进行方向和频率选择的光学谐振腔。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机反射镜工作物质部分反射镜激光输出z激光器构成原理示意图 反射率为100%的全反射镜与反射率为90%95%的部分反射镜平行放置在工作物质两端以构成谐振腔。动画演示动画演示第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 谐振腔中的工作物质在泵浦源的作用下，处在粒子数反转分布状态，自发辐射产生的光子由于受激辐射不断放大，产生的光子在谐振腔中经过反射镜多次反射，在谐振腔中沿非轴线方向的光子很快逸出了腔外，而沿轴线方向的光子往复

10、传输，不断被放大，且方向性、增益不断改善，最后从反射镜输出即为激光激光。 除了上述三个基本条件，要产生激光还必须满足阈值条件阈值条件及相位条件相位条件。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 在激光器工作过程中，光在谐振腔内传播，除了除了增益介质的光放大作用外，还存在工作物质的吸收、增益介质的光放大作用外，还存在工作物质的吸收、介质不均匀引起的散射、反射镜的非理想性引起的介质不均匀引起的散射、反射镜的非理想性引起的透射及散射等损耗情况透射及散射等损耗情况，所以也就只有光波在谐振腔内往复一次的放大增益大于各种损耗引起的衰减，激光器才能建立起稳定的激光输出，其阈值条件阈值条件（临界条件）为1

11、21ln2thrLr第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 th为实现稳定激光输出所必须的最小增益，称为阈值增益系数;为谐振腔内工作物质的损耗系数；L为谐振腔腔长；r1、r2为两个反射镜的反射率。 由于在谐振腔中，光波是在两块反射镜之间往复传输的，这时只有在满足特定相位关系的光波才能得到彼此加强，因此这种条件称为相位条件相位条件，即：2qcqfnL第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 式中，fq为光波的频率;n为工作介质的折射率;c为光速;q=1，2，。由上式可以看出，激光器中振荡光激光器中振荡光频率只能取某些分立值，不同频率只能取某些分立值，不同q的一系列取值对应于的一系列取值

12、对应于沿谐振腔轴向一系列不同的电磁场分布状态，一种分沿谐振腔轴向一系列不同的电磁场分布状态，一种分布就是一个激光器的布就是一个激光器的纵模纵模。相邻两纵模之间的频率之差：2cfnL称为纵模间隔，它与谐振腔长及工作物质有关。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 激光振荡也可以出现在垂直于腔轴线的方向，这是平面波偏离轴向传输时产生的横向电磁场分布，称为横模横模。二、半导体的光发射二、半导体的光发射1）pn结结 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，如图3.1。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机E

13、g/2Eg/2EfEcEvEg导带价带能量EcEfEgEvEgEcEfEv(a)(b)(c)图3.1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 第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 能量低的能带称为价带价带，能量高的能带称为导带导带，导带底的能量Ec和价带顶的能量Ev之间的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度禁带宽度或带隙带隙。电子不可能占据禁带。 半导体光源的核心是半导体光源的核心是PN结结。 将将P型半导体与型半导体与N型半导体相接触就形成型半导体相接触就形成PN结。结。 无杂质及晶格缺陷的完善的半导体称为本征半无杂质及晶格缺陷的完善的半导体

14、称为本征半导体导体第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 本征半导体中掺入施主杂质形成N型半导体型半导体，过剩的电子占据本征半导体中空的导带，处在高能级的电子增多，其费米能级就较本征半导体的要高。 本征半导体中掺入受主杂质形成P型半导体型半导体，其费米能级就较本征半导体的要低。 如图3.1所示：P型、型、N型半导体能带图型半导体能带图第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机2）电致发光）电致发光 当P型半导体与N型半导体相接触形成PN结时，由于存在电子与空穴的浓度差，电子从N区向P区扩散，空穴从P区向N区扩散，因此使N区的费米能级降低，P区的费米能级升高。当P区的空穴扩散到N区后，在

15、P区留下带负电的离子，形成一个带负电荷区域； 当N区的电子扩散到P区后，在N区留下带正电的离子，形成一个带正电荷区域。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 由于这两个正负电荷区域的存在，出现了一个由N区指向P区的电场，称为内建电场内建电场，如下图。 第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 在内建电场作用下，出现了电子从P区向N区移动、空穴从N区向P区移动的与扩散相反的漂移运动漂移运动。 同时，内建电场使P区与N区出现势垒，阻止电子从N区向P区的扩散。 开始时，扩散运动占优势，但随着内建电场的加强，势垒的增高，漂移运动也不断加强，最后漂移运动完全抵消了扩散运动，达到了动动态平衡态平

16、衡，宏观上没有电流流过PN结。此时PN结的能带发生倾斜。如下图：第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机Pn结中的能带图： 图3.1.2 半导体中的光发射(d)pn结中的能带图第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 如果如果PN结外加一个足够大的正向偏压（即P接正、N接负），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。 PN结在正向偏置时，N区的电子及P区的空穴会克服内建电场的阻挡作用，穿过结区(扩散运动超过漂移运动)，电子运动方向与电场方向相反，便使便使N区的电子向区的电子向P区运动，区运动，P区的空穴区的空穴向向N区运动区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益增益

17、区区。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粒子数反转分布，如下图：第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机半导体中的光发射(f)正向偏置的pn结 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。动画演示动画演示第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 由于这种发光是正向偏置把电子注入到结区的，又称为电致发光电致发光。这就是发光二极管的工作原理发光二极管的工作原理。 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。 我们可以利用半导

18、体材料晶体的天然解理面构造光学谐振腔，那么，在有源区的放大补偿了各种损耗后，就会有稳定的激光输出。这就是半导体激光器的的基本原理。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 目前广泛应用的半导体材料主要有：目前广泛应用的半导体材料主要有： （1）硅（Si）、锗（Ge）等族半导体材料，属于间接带隙材料，不能用来制作半导体激光器，主要用于集成电路和光电检测器的制作。 （2）碲化镉（GdTe）、碲化锌（ZnTe）等族化合物半导体材料均为直接带隙材料，主要用于可见光和红外光电子器件的制作。 （3）砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、砷磷化铟镓（InGaAsP）等绝大多数的族化合物半导体材料均为直接

19、带隙材料，主要用于集成电路和光纤通信用半导体发光二极管、激光器、光电检测器的制作。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 半导体光源发射的光子的能量、波长取决于半导体材料的带隙Eg，以电子伏特（eV）表示的发射波长为：1.240()()gmEeV 例如，对于GaAs，Eg=1.42eV，用它制作的LED的发射波长就为=0.87m。不同的半导体材料、不同的材料成分有不同的禁带宽度，可以发射不同波长的光。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机2）异质结）异质结 上述发光原理的PN结是由同一种半导体材料构成的，P区、N区具有相同的带隙、接近相同的折射率（掺杂后折射率稍有变化，但很小），这

20、种PN结称为同质结同质结。 在同质结中，光发射在结的两边都可以发生，因此，发光不集中，强度低，需要较大的注入电流。器件工作时发热非常严重，必须在低温环境下工作，不可能在室温下连续工作。 为了克服同质结的缺点，需要加强结区的光波导作用及对载流子的限定作用，这时可以采用异质结结构异质结结构。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 所谓异质结异质结，就是由带隙及折射率都不同的两种半导体材料构成的PN结。 异质结可分为单异质结（单异质结（SH）和双异质结双异质结（DH）。）。 异质结是利用不同折射率的材料来对光波进行限制，利用不同带隙的材料对载流子进行限制。如下图：第第3 3章章 光源与光发送机

21、光源与光发送机第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机4）直接带隙与间接带隙半导体直接带隙与间接带隙半导体 根据能带结构的能量与波矢量关系(如下图所示)，半导体材料可以分为光电性质完全不同的两类，即直接带隙材料直接带隙材料和间接带隙材料间接带隙材料。 在直接带隙材料中，导带中的最低能量状态与价带中的最高能量状态具有相同的波矢量，即位于动量空间中的同一点上。 在间接带隙材料中，导带中的最低能量状态与价带中的最高能量状态处在不同的波矢量位置上，即具有不同的动量。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机图3.1.4 直接带隙半导体(a)与间接带隙半导体( b)的能量-动量图第第3 3章章 光

22、源与光发送机光源与光发送机 能带结构的这种差别使得这两类半导体材料的光电性质具有非常大的差异。 在直接带隙材料直接带隙材料中，电子在价带和导带之间跃迁符合动量守恒条件，因此具有较大的跃迁几率。 在间接带隙材料间接带隙材料中，电子在价带和导带之间跃迁不符合动量守恒条件，光子与电子的相互作用需要在声子声子的作用下才能完成，因此跃迁几率非常低。 所以间接带隙材料发光效率比较低，不适合于制间接带隙材料发光效率比较低，不适合于制作光源。作光源。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机5）发光效率）发光效率 半导体pn结中的发光过程存在辐射复合与无辐射复合两种过程。为了衡量它们的相对大小，定义内量子效

23、率i ：数单位时间内注入的电子数单位时间内产生的光子i 设由辐射复合机理决定的少数载流子的平均生存时间为辐射复合寿命， r；由无辐射复合机理决定的少数载流子的平均生存时间为无辐射复合寿命， nr。 设p区及n区中注入的少数载流子的密度分别为第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机n及p，按照晶体电中性的要求， n p。因此辐射复合效率为n/ r, 无辐射复合效率为n / nr 。则内量子效率：rnrrnrrrinnn11nrr111其中： 称为少数载流子的平均寿命第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 半导体发光器件的内量子效率可做的很高，但实际光器件的输出光子远小于有源层中产生的光

24、子数。这是：一、由于发光区产生的光子，部分被材料吸收；二、由于半导体材料的高折射率(n=34)，光子在界面出受到高反射，使逸出界面的光子数大为减少。 因此定义外量子效率（发光器件的总效率）：geeTIEPeIhfP注入的总电子数输出的光子数式中：Pe为输出功率，I为注入电流，Eg为材料带隙能量第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 另外，器件效率（即功率转换效率）为输出光功率与输入电功率IV之比，%100%100VEIVPgTe式中：I为注入电流，V为工作电压。半导体光源的仅为百分之几。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机第二节第二节 发光二极管发光二极管一、发光二极管的结构一、

25、发光二极管的结构在光纤通信系统中，发光二极管只用面发光二极管面发光二极管和边发光二极管边发光二极管两种，如下图所示。这两种结构都可以用同质结制造，也可以用异质结制造，只不过在实际中多采用异质结结构。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机SLED的结构第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机ELED的结构动画演示动画演示第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 面发光二极管由NPP双异质结构成。 这种LED发射面积限定在一个小区域内，该区域的横向尺寸与光纤尺寸相近。利用腐蚀的方法在衬底利用腐蚀的方法在衬底材料正对有源区的地方腐蚀出一个凹陷的区域，使材料正对有源区的地方腐蚀出一个凹陷

26、的区域，使光纤可以与发射面靠近，同时，在凹陷的区域注入光纤可以与发射面靠近，同时，在凹陷的区域注入环氧树脂，并在光纤末端放置透镜或形成球透镜，环氧树脂，并在光纤末端放置透镜或形成球透镜，以提高光纤的接收效率。以提高光纤的接收效率。面发光二极管输出的功率较大，一般注入100mA电流时，就可达几个毫瓦，但光发散角大，水平和垂直发散角都可达到120，与光纤的耦合效率低。 第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机SLED的光辐射分布第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 边发光二极管，也采用双异质结结构。 利用利用SiO2掩模技术，在掩模技术，在P面形成垂直于端面的条面形成垂直于端面的条形接

27、触电极（约形接触电极（约4050m），从而限定了有源区的宽），从而限定了有源区的宽度；同时，增加光波导层，进一步提高光的限定能力，度；同时，增加光波导层，进一步提高光的限定能力，把有源区产生的光辐射导向发光面，以提高与光纤的把有源区产生的光辐射导向发光面，以提高与光纤的耦合效率。耦合效率。其有源区一端镀高反射膜，另一端镀增透膜，以实现单向出光。在垂直于结平面方向，发散角约为30，具有比面发光二极管高的输出耦合效率。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机二、发光二极管的工作特性二、发光二极管的工作特性1）PI特性特性 发光二极管的发光二极管的PI特性是指输出的光功率随特性是指输出的光功率随

28、注入电流的变化关系注入电流的变化关系，其PI曲线如下图所示。当注入电流较小时，线性度非常好；但当注入电流比较大时，由于PN结的发热，发光效率降低，出现了饱和现象饱和现象。在同样的注入电流下，面发光二极管的输出功率要比边发光二极管大2.53倍，这是由于边发光二极管受到更多的吸收和界面复合的影响。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机LED的输出特性的输出特性第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 在通常应用条件下，发光二极管的工作电流为50150mA，输出功率为几个毫瓦，但因其与光纤的耦合效率很低，入纤功率要小得多。 温度对发光二极管的PI特性也有影响，当温度升高时，同一电流下的发射

29、功率要降低，如上图所示。 发光二极管的温度特性相对较好（与LD相比较），在实际应用中，一般可以不加温度控制。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机2）光谱特性）光谱特性 由于发光二极管是自发辐射发光，并且没有谐振腔实现对波长的选择，因此发光谱线较宽。定义光强下降一半的波长变化为输出谱线宽度（半功率点全宽FWHP），这就是光源的线宽 ，如下图。 一般短波长GaAlAsGaAs发光二极管的谱线宽度约为2540nm，长波长InGaAsPInP发光二极管的谱线宽度约为75100nm。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机光源线宽第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 发光二极管的谱线

30、宽度反映了有源区材料的导带与价带内的载流子分布。 线宽随有源区掺杂浓度的增加而增加。面发光二极管一般是重掺杂，而边发光二极管为轻掺杂，因此面发光二极管的线宽就较宽面发光二极管的线宽就较宽。而且，重掺杂时，发射波长还向长波长方向移动。同时，温度的变化会使线宽加宽，载流子的能量分布变化也会引起线宽的变化，如下图所示。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机LED的谱线特性第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机3）调制特性）调制特性 根据PI特性可以看出，改变发光二极管的注入电流就可以改变其输出光功率如下图。LED的数字调制(a)及模拟调制( b)第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送

31、机 把这种直接改变光源注入电流实现调制的方式称为直接调制直接调制或内调制内调制。 需要注意的是，在图示的模拟调制中，首先要给发光二极管直流偏置直流偏置，以防止当信号为负时，可能会因反偏而造成的损坏。 显然，对于模拟调制PI关系的非线性会使调制信号产生失真调制信号产生失真（如下图），在需要的情况下，可以利用线性补偿电路来进行改善。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机光源非线性谐波的产生第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 LED调制特性的另一个重要参量是调制带宽调制带宽。 设LED受频率的信号调制，则输出功率为：2)(1)0()(PwP 式中，P(0)为直流(=0)时的光输出，为

32、LED及驱动电路的时间常数。 当1/ 时，P(w)=0.707P(0)。在接收机中，检测电流正比与光功率，光功率下降到0.707（-1.5dB)时，接收电功率下降到(0.707)2=0.5,即-3dB。 第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机21(3电）dBf因此，1/ 就是就是LED的的3dB调制带宽或调制带宽或3dB电带宽。电带宽。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机第三节第三节 半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理一、半导体激光器的工作原理 半导体激光器产生激光输出的基本条件：粒子数反转光反馈阈值条件1、粒子数反转 在热平衡条件下，二能级原子系统中上能级的粒子要比下

33、能级少得多，服从波尔兹曼分布。此时不会发生受激发射。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 为了产生受激辐射，必须建立非平衡得分布，即使上能级的粒子数大于下能级的粒子数，使受激发射大于受激吸收，这种状态叫做粒子数反转粒子数反转。波尔兹曼分布粒子数反转第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 激光器的粒子数反转状态可采用电或光的泵浦电或光的泵浦。2、光反馈和激光振荡、光反馈和激光振荡 在有源区内，开始少数载流子的自发辐射产生光子。一部分光子一旦产生，就穿出有源区，得不到放大；另一部分光子可能在有源区内传播，并引起其他电子空穴对的受激辐射，产生更多的性能相同的光子，得到放大。 为了得到激

34、光，必须将激活物质置于光学谐振腔中，如下图。 通过腔两端的反射，向光子提供正反馈提供正反馈。光信号每通过一次增益媒质就得到一次放大。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机激光器中的光反馈及FP腔 这种光学结构称为法布里珀罗谐振腔法布里珀罗谐振腔，简称F-P谐振腔谐振腔。 在LD中，作为增益媒质晶体两端的自然解理面形成反射镜，即光腔。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 由于在谐振腔中，光波是在两块反射镜之间往复传输的，这时只有在满足特定相位关系的光波才能得到彼此加强，因此这种条件称为相位条件相位条件，2qcqfnL 激光器中振荡光频率只能取某些分立值，不同q的一系列取值对应于沿谐

35、振腔轴向一系列不同的电磁场分布状态，一种分布就是一个激光器的纵模纵模。相邻两纵模之间的频率之差：第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机2cfnL称为纵模间隔，它与谐振腔长及工作物质有关。F-P腔的透射频谱特性如下图：腔的透射频谱特性如下图：第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机半功率点全宽为：半功率点全宽为：Fff/2/1RRF1F为F-P腔的精细度，可表示为：R增大，F增大。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机3、激光振荡的阈值条件、激光振荡的阈值条件 在注入电流的作用下，有源区的受激辐射不断增强，称为增益增益。 在F-P腔中，每次通过增益媒质时的增益尽管很小，但经过多次

36、振荡后，增益变得足够大。 当腔内增益超过总损耗腔内增益超过总损耗（包括载流子吸收、缺陷散射及端面输出）时，就产生了激光。 见下图：第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机FP-LD的增益曲线(a)腔模(b)及输出的纵模(c)第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机第四节第四节 半导体激光器的工作特性半导体激光器的工作特性1、P-I特性特性典型的半导体激光器如下图所示0Ith100150注入电流 / mA功率 / mW3.53.02.52.01.51.00.5050图4.14 半导体激光器PI曲线第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 从图上可以看出，半导体激光器存在阈值电流阈值电

37、流Ith。当注入电流小于阈值电流时，器件发出微弱的自发辐射光，类似于发光二极管的发光情况。当注当注入电流超过阈值，器件进入受激辐射状态时，光功入电流超过阈值，器件进入受激辐射状态时，光功率输出迅速增加，输出功率与注入电流基本保持线率输出迅速增加，输出功率与注入电流基本保持线性关系。性关系。 半导体激光器的PI特性对温度很敏感，下图给出了不同温度下PI特性的变化情况。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机05010015080706050403022注入电流 / mA功率 / mW654321图4.15 半导体激光器PI曲线随温度的变化动画演示第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机

38、由图可见，随着温度的升高，阈值电流增大，发随着温度的升高，阈值电流增大，发光功率降低。光功率降低。阈值电流与温度的关系可以表示为：00( )exp()thTITIT 其中,T为器件的绝对温度；T0为激光器的特征温度；I0为常数。 为解决半导体激光器温度敏感的问题，可以在驱动电路中进行温度补偿温度补偿，或是采用制冷器来保持器件的温度稳定温度稳定。 通常将半导体激光器与热敏电阻、半导体制冷器等封装在一起，构成组件。热敏电阻用来检测器件温度，控制制冷器，实现闭环负反馈自动恒温。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机2、模式特性与线宽、模式特性与线宽LD输出谱特性，或为多纵模或为单纵模，如下图。

39、LD的多模(a)及单模(b)输出谱第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 1、模式特性 从使用来说，首先考虑的是模式的稳定性稳定性，它随时间、电流的任何变化都会给系统附加噪声。其次，对高速光纤通信系统来说，单纵模窄谱宽单纵模窄谱宽的光源有利于减小光纤色散的影响。 在模式特性上还要注意到横模的问题。 激光振荡也可能出现在垂直于腔轴的平面内，其中TEM00为基横模为基横模，TEM10、TEM11等为高次横模。 由于TEMTEM0000模的光斑与光纤中基模模的光斑与光纤中基模LPLP0101模场光斑相模场光斑相匹配，故耦合效率最高匹配，故耦合效率最高。 同时LD工作在TEM00模时相干性最好相

40、干性最好，因此在LD的设计及结构上都应保证基横模工作保证基横模工作。 第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机2、线宽LD输出的有限线宽来自于两个因素： 一、是激光腔内自发发射事件引起的光场相位脉动。 二、是载流子浓度脉动引起的折射率变化，使光腔庇振频率产生变化。简化理论推导的光源线宽可表示为：PX41式中，X为自发发射事件的平均速率；P为光功率；为线宽提高因子，表示折射率实部与虚部之比。 第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机由上式可知，为了降低LD的线宽，可采取下列措施：增大光功率（或腔内总光子数）。 减小自发发射速率。从外部稳定载流子密度以使幅值-相位耦合最小。 第一点可通过改

41、变腔结构、增加总体积、增加单位体积内储能（如增加端面反射系数）或增加输出功率来实现。 第二点可通过注入锁定来实现。 第三点，通过驱动电流的反馈控制来稳定载流子密度，有效减少激光场的幅值-个位耦合。 第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机3、调制特性、调制特性 如下图为半导体激光器的直接调制的原理图。 激光二极管的调制原理图 (a)数字调制数字调制；(b)模拟调制模拟调制光功率输 出 功 率信号电流电 流时 间(b)时间光功率输 出 功 率信号电流电 流时 间(a)时间第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 与发光二极管的调制不同的是，由于存在阈值电阈值电流流，在实际的调制电路中，为

42、提高响应速度及不失真，需要进行直流偏置处理。 在高速调制情况下，半导体激光器会出现许多复杂动态性质，如出现电光延迟电光延迟、张弛振荡、自脉张弛振荡、自脉动动和码型效应码型效应等现象。这些特性会对系统传输速率和通信质量带来影响。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机1）张驰振荡）张驰振荡 当电流脉冲突然加到LD上时，其光输出呈现下图所示的动态相应，这是注入电子与所产生光子简相互作用的量子力学过程。LD的张弛振荡特性第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 当注入电流从零快速增大到阈值以上时，经电光延迟后产生激光输出，并在脉冲顶部出现阻尼振荡，经过几个周期后达到平衡值。 这种特性可定性解

43、释如下： 当阶跃电流加到LD时，有源层中的电子浓度迅速增加。在未达到阈值时没有激光输出，但经过电子延迟时间td后电子浓度达到阈值，并马上产生激光输出。而在光子浓度到稳态值前，电子浓度仍在增大，直到电子浓度达到最大值，而光子浓度达到稳态值。由于导带内超量储存电子，受激复合过程进一步增大，直到光子浓度升到最大值，而电子浓度则降到阈值； 第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机由于光子寿命，及逸出腔外需要一定时间，使有源区内的过量复合仍维持一段时间，电子浓度进一步下降到阈值以下，光子浓度也开始迅速下降。当电子浓度下降到最低点，有源层中的激射可能减弱甚至停止。紧接着又开始新一轮导带电子填充过程。但

44、由于电子但由于电子的存储效应，这一轮的填充时间比上次短，电子浓度的存储效应，这一轮的填充时间比上次短，电子浓度和光子浓度的过冲量也比上次小。和光子浓度的过冲量也比上次小。这种衰减振荡过程重复多次，直到输出光功率达到稳态值。 显然，如果LD预偏置在阈值附近，光脉冲上升时预偏置在阈值附近，光脉冲上升时间及张弛振荡的幅度都会显著降低间及张弛振荡的幅度都会显著降低。 另外，在结构上具有横向光波导的LD（如隐埋导质结LD），其张弛振荡较弱。 第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机2)电光延迟电光延迟 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下图所示。输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一

45、个时间延迟，称为电光延迟时间电光延迟时间，一般为纳秒量级。光脉冲电脉冲光脉冲的电光延迟和张弛振荡光脉冲的电光延迟和张弛振荡第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 电光延迟的原因是由于载流子浓度达到激光阈值需要一定的时间（0.52.5ns)。 张驰振荡张驰振荡和电光延迟电光延迟与激光器有源区的电子自发有源区的电子自发复合寿命复合寿命和谐振腔内光子寿命谐振腔内光子寿命以及注入电流初始偏置注入电流初始偏置量量有关。 当信号的调制频率接近张弛振荡频率时，将会使输出光信号的波形严重失真波形严重失真，势必会增加接收机的误误码率码率，所以，半导体激光器的张弛振荡和电光延迟的存在限制了信号的调制速率应低

46、于张弛振荡频率，这样才能保证信息传输的可靠。 第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 可以通过在半导体激光器脉冲调制时加直流预偏直流预偏置置的方法来使脉冲到来之前将有源区内的电子密度提高到一定程度，从而使脉冲到来时，电光延迟时间大大减小，而且张驰振荡现象可以得到一定程度的抑制。随着直流预偏置电流的增大，电光延迟时间逐渐减小。增加直流预偏置电流也有利于抑制张驰振荡。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机3）码型效应）码型效应 电光延迟还会产生码型效应。 当电光延迟时间与数字调制的码元持续时间为相同数量级时，会使后一个光脉冲幅度受到前一个脉冲的影响，这种影响现象称为“码型效应码型效应”

47、，如下图 (a)、(b)所示。考虑在两个接连出现的考虑在两个接连出现的“1”码脉冲调制时，码脉冲调制时，第一个脉冲过后，存储在有源区的电子以指数形式衰第一个脉冲过后，存储在有源区的电子以指数形式衰减，减，如果调制速率很高，脉冲间隔小于其衰减周期，如果调制速率很高，脉冲间隔小于其衰减周期，就会使第二个脉冲到来之时，前一个电流脉冲注入的就会使第二个脉冲到来之时，前一个电流脉冲注入的电子并没有完全复合消失电子并没有完全复合消失，此时有源区电子密度较高，此时有源区电子密度较高，因此电光延迟时间短，因此电光延迟时间短，输出光脉冲幅度和宽度就会增输出光脉冲幅度和宽度就会增大大。第第3 3章章 光源与光发送

48、机光源与光发送机2ns5ns2ns电流脉冲光脉冲(a)(b)(c)码型效应码型效应第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 “码型效应”的特点是，在脉冲序列中较长的连在脉冲序列中较长的连“0”码后出现的码后出现的“1”码，其脉冲明显变小，而且连码，其脉冲明显变小，而且连“0”码数目越多，调制速率越高，这种效应越明显码数目越多，调制速率越高，这种效应越明显。 消除码型效应最简单的方法就是增加直流偏置电增加直流偏置电流流。当激光器偏置在阈值附近时，脉冲持续时间和脉冲过后有源区内电子密度变化不大，电子存储的时间大大减小，码型效应就可得到抑制。 还可以采用在每一个正脉冲后跟一个负脉冲的双双脉冲信号

49、脉冲信号进行调制的方法，如上图 (c)所示：第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 正脉冲产生光脉冲，负脉冲来消除有源区内的存储电子。但负脉冲的幅度不能过大，以免激光器PN结被反向击穿。 4）调制谱特性 LD在信号电流直接调制下，除了输出强度发生变化外，其谱特性也会发生变化，如下图。 在阈值附近，输出较宽，随着电流的增大，模式选在阈值附近，输出较宽，随着电流的增大，模式选择性增大，相邻模得到抑制。择性增大，相邻模得到抑制。这时，总的强度不变，但模间相对强度在改变。 这种模间分配效应在直接调制下最明显，使长距离光纤系统中因光纤色散而在接收机内产生强度脉动，使误码率增大。第第3 3章章 光源

50、与光发送机光源与光发送机GaAs-LD直流光输出谱特性第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机下图示出了1ns单个脉冲持续周期内的模式脉动现象。脉冲持续期内的动态谱特性第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 4、波长调谐特性、波长调谐特性 在波分复用及相干光纤传输系统中，光源常常需要调谐。下面介绍几种调谐方法。 热调谐：是利用不同温度下谐振腔尺寸的变化，引起谐振频率的变化，调谐灵敏度为1020GHz/oC。 外腔机械调谐：是将作为增益媒质的LD芯片，置于一外腔中，改变外腔尺寸而实现波长调谐。 外腔结构有光栅、光纤或自聚焦透镜等，如下图：第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机光栅

51、外腔可调谐半导体激光器 LD芯片的一个端面增透镀覆，从该端面出来的光由一个透镜准直后与光栅形成外腔，激射频率由旋转光栅来粗调，轴向移动光栅来细调。 当外腔长为25cm时，这种结构在1.55m波长上获得了40nm的调谐。 同时，外腔也使输出线宽大大压缩，达到5kHz左右。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机5、噪声特性、噪声特性LD的噪声源主要有：相位或频率噪声。工作不稳定引起的噪声，如PI特性的扭折与自脉动。光纤端面与LD之间互作用引起的噪声。模噪声与模分配噪声。 相位噪声是LD所固有的，它源于LD中分力和随机的自发发射或受激跃迁事件，产生光发射中的强度脉动，使电磁场相位大小与符号随机

52、跳动。 其中，(2)(4)可通过模式稳定及光隔离来降低或消除。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 LD输出幅值或强度的脉动导致光强度噪声。随机的强度脉动建立的噪声源称为相对强度噪声(RIN)，它定义为LD输出的均方功率脉动与平均光功率平方2P之比，即：22PPRIN功率脉动可用功率谱密度SRIN(f)表示为：02)(dffSPRIN第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 对于单模LD，RIN的典型值约为-130 -160dB/Hz。RIN的大小与以下因素有关：（1）随注入电流Ib的增大而减小，并正比于31thbII（2）调制频率fm有关。（3）反射到LD的信号将使RIN增大10

53、 20dB。因此，采用LD输出隔离器。 LD的噪声除了其固有噪声外，还有于系统有关的噪声： 模噪声模噪声,主要存在于采用相干光源（LD）及多模光纤的系统中。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 对低于100Mb/s的系统，这种噪声影响不大。但对高速系统，必须设法消除。模噪声对模拟系统的影响较大。 模分配噪声模分配噪声，于不同激光纵模间的强度脉动及单模光纤色散的联合作用有关。 单纵模工作的LD没有模分配噪声，但如果在注入电流调制下出现多模振荡及动态线宽加宽，则会引进模分配噪声，并成为高速单模光纤系统的灵敏度限制。 LD与光纤间互作用引起的噪声与光纤间互作用引起的噪声，源自光纤端面反射产生

54、的反馈。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机光纤通信系统组成信源电发射机光发射机光接收机电接收机信宿 话话音音300-3400Hz模模拟基带电拟基带电信号信号已调已调光信光信号号PCM基群或基群或高次群高次群电信号电信号PCM基基群或高群或高次群电次群电信号信号300-3400Hz的的基带基带信号信号话话音音第五节第五节 光发送机光发送机信源：信源：将用户原始信息转换为基带电信号。电发射机电发射机：将基带信号转换为适合信道传输的信号。包括数模转换、多路复用。光发射机光发射机：将电信号转换为适合光纤传输的光信号。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 光发送机由输入接口、光源、驱动

55、电路、公务及监控电路、自动偏置控制电路、温度控制电路等组成。如下图：光发送机框图第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机光发送机的性能主要包括以下几个方面：光源性能，包括波长、谱宽、P-I特性及寿命等调制方式（模拟、数字或外调制）传输速率或带宽输出功率（入纤平均光功率为0.0110mW，稳定度在510左右）数字光脉冲的消光比EXT0.1（ EXT为全“0”平均光功率与全“1”平均光功率之比）无张驰振荡第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机一、光载波的调制一、光载波的调制 把信息加载到光波上的过程就是调制。 分类分类：模拟调制模拟调制、数字调制数字调制 模拟调制有可分为：强度调制强度调

56、制和副载波调制副载波调制。 强度调制强度调制是用模拟基带信号直接对光源进行强度调制。 副载波调制副载波调制是利用连续或脉冲的射频波作为副载波，模拟基带信号先对它的幅度、频率或相位等进行调制，再用该受调制的副载波去强度调制光源。 按调制方式与光源的关系来分：按调制方式与光源的关系来分： 直接调制直接调制和和外调制外调制第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 直接调制直接调制指直接用电调制信号来控制半导体光源的振荡参数（光强、频率），得到光频的调幅波，又称为内调制。 外调制外调制是让光源输出的幅度与频率等恒定的光载波通过光调制器，电信号通过调制器实现对光载波的幅度、频率及相位等进行调制。 目

57、前光纤通信系统中应用最多的是光源的基带直接强度调制、副载波强度调制及数字调制，高速率是采用外调制。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机二、发光二极管驱动电路二、发光二极管驱动电路1）LED模拟驱动电路LED模拟驱动电路第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机对驱动电路的要求：对驱动电路的要求： 一、提供合适的工作点（偏置）及足够的信号驱动电路，使光源能输出足够的功率。 二、输出光功率的幅值和相位按输入信号变化，非线性失真小。 LED的非线性失真为30dB-50dB，因此在高质量要求的信号传输中（如TV传输），需要对LED进行线性补偿。 在模拟光纤电视传输系统中，光源的非线性失真造成

58、微分增益（微分增益（DG）和微分相位微分相位(DP)两个参量的恶化。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 微分增益（微分增益（DG）会使图像的彩色饱和度随亮度电平发生变化。 微分相位（微分相位（DP）会使图像的彩色色调随亮度电平发生变化。 需要在驱动电路中进行非线性补偿，可以采用预预失真校正法，失真校正法，如下图。有预失真校正电路的发送机框图第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机DP校正(a)和DG校正(b)电路第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 TV信号经缓冲放大器后先进行DP及DG预校正，再送到驱动器，推动LED。 DP、DG预校正电路（如上图）由电阻和二极管组成，

59、二极管D1、D2、D3偏置于不同的电压V1、V2、V3，使它们依次导通，使总电阻也在不断变化，因而电路总增益也在变化，分别补偿LED的PI特性及相移的非线性。通常用三点补偿就够了。第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机2）LED数字驱动电路数字驱动电路 LED作为数字系统光源时，驱动电路要求提供几十到几百毫安的“开”、“关”电流。由于发光二极管的特性曲线比较平直，温度对光功率的影响也不严重，因此它的驱动电路一般比较简单，不需要复杂的温度控制和功率控制。不需要复杂的温度控制和功率控制。如下图：第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机三、激光二极管驱动电路三、激光二极管驱动电路 与LED

60、相比，LD的驱动要复杂得多。尤其在高速调制系统中，驱动条件的选择、调制电路的形式和工艺、激光器的控制等都对调制性能至关重要。 偏置电流的选择直接影响偏置电流的选择直接影响LD的高速调制特性。的高速调制特性。选择直流预偏置电流时应考虑：选择直流预偏置电流时应考虑： （1）增大直流预偏置电流(Ib)使其逼近阈值，可以减小电光延迟时间，抑制张驰振荡；(Ib =(0.850.9)Ith ) （2）当激光器偏置在阈值附近时，较小的调制脉冲电流就能得到足够的输出光脉冲，这样可以大大减小码型效应；第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 （3）加大直流偏置电流，使激光器在发“0”和发“1”时的光功率之比