桂工光纤通信CH2-光源和光发射机

1、CH 2光纤通信光纤通信B授课老师：覃国车授课老师：覃国车Email：2015年秋年秋CH 2教材教材：顾畹仪，光纤通信（第2版），人民邮电出版社，2011。参考书参考书：1.Joseph C. Palais，光纤通信（第5版），电子工业出版社，2015。2.王辉 等，光纤通信(第3版)电子工业出版社，2014。3.马丽华 等，光纤通信系统北京邮电大学出版社，2009。CH 2第第2章章 光源和光发射机光源和光发射机1.1.半导体激光器半导体激光器2.2.半导体发光二极管半导体发光二极管3.3.光源的直接调制光源的直接调制4.4.光源的间接调制光源的间接调制CH 2光纤通信对光源的要求光纤通信

2、对光源的要求1.1.波长波长：位于光纤的低损耗窗口，能产生不：位于光纤的低损耗窗口，能产生不同波长的光束。同波长的光束。2.2.辐射性能辐射性能：光功率足够高，单色性、方向：光功率足够高，单色性、方向性好性好, ,且稳定。且稳定。3.3.调制调制：易于调制，相应速度快。：易于调制，相应速度快。4.4.强度噪声小强度噪声小5.5.电光转换效率高，驱动功率低，寿命长电光转换效率高，驱动功率低，寿命长CH 2一、激光原理的基础知识一、激光原理的基础知识( (一一) )原子的能级原子的能级电子绕核运动的能电子绕核运动的能量是不连续的、量是不连续的、 分立分立的量子态。的量子态。电子轨道量子化条件：电子

3、轨道量子化条件： 2r*mv=nh,n=1,2,当电子在每一个这样的当电子在每一个这样的轨道上运动时，轨道上运动时，原子具有原子具有确定的能量，称为原子的确定的能量，称为原子的一个能级。一个能级。CH 2一、激光原理的基础知识一、激光原理的基础知识( (一一) )原子的能级原子的能级基态激发态CH 2一、激光原理的基础知识一、激光原理的基础知识( (二二) )晶体的能带晶体的能带当大量原子结合成晶体后，原来围绕一个原子运动当大量原子结合成晶体后，原来围绕一个原子运动的电子，现在可能的电子，现在可能转移到邻近原子的同一轨道上去转移到邻近原子的同一轨道上去 ，晶体中的电子不再属于个别原子所有，它们

4、一方面围晶体中的电子不再属于个别原子所有，它们一方面围绕每个绕每个原子运动，原子运动，同时又要在原子之间做同时又要在原子之间做共有化运动。共有化运动。CH 2一、激光原理的基础知识一、激光原理的基础知识( (二二) )晶体的能带晶体的能带晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同而分裂成若干组。动的不同而分裂成若干组。每组中能级彼此靠得每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带很近，组成有一定宽度的带，成为能带。，成为能带。CH 2一、激光原理的基础知识一、激光原理的基础知识( (二二) )晶体的能带晶体的能带CH 2一、激光原理的基础知识一、激光原理

5、的基础知识( (三三) )能级的光跃迁能级的光跃迁处于处于高能态高能态(导带导带)的电子的电子是不稳定的，它们会是不稳定的，它们会向向低能态低能态(价带价带)跃迁跃迁，而，而将能量以光子的形式释放将能量以光子的形式释放出出来，发射光子的能量来，发射光子的能量hv等于导带和价带的能量差。等于导带和价带的能量差。处于低能态的电子处于低能态的电子如果受到外来光的照射，如果受到外来光的照射， 当当光子的能量光子的能量hv等于或大于禁带能量时，等于或大于禁带能量时，光子将被吸光子将被吸收收而而使电子跃迁至高能态使电子跃迁至高能态。CH 2一、激光原理的基础知识一、激光原理的基础知识( (三三) )能级的

6、光跃迁能级的光跃迁自发辐射自发辐射CH 2一、激光原理的基础知识一、激光原理的基础知识( (三三) )能级的光跃迁能级的光跃迁受激辐射受激辐射CH 2一、激光原理的基础知识一、激光原理的基础知识( (三三) )能级的光跃迁能级的光跃迁受激吸收受激吸收CH 2一、激光原理的基础知识一、激光原理的基础知识( (四四)PN)PN结结为什么采用半导体作为光源？为什么采用半导体作为光源？半导体禁带宽度：半导体禁带宽度：1eV=1.602176565(35)1eV=1.602176565(35)* *1010-19-19 J J普朗克常数普朗克常数:h=6.62606896(33):h=6.6260689

7、6(33)* *1010-34-34J/sJ/sv v的数量级为的数量级为10101515，位于光纤通信频段，位于光纤通信频段CH 2一、激光原理的基础知识一、激光原理的基础知识( (四四)PN)PN结结禁带宽度费米尔能级：反映电子在各能级中分布情况的参量。自由电子能级价电子能级CH 2一、激光原理的基础知识一、激光原理的基础知识( (四四)PN)PN结结N N型半导体型半导体中主要由电子中主要由电子导电，当重掺杂时费米尔能导电，当重掺杂时费米尔能级级E Ef f会进入导带，称为兼并会进入导带，称为兼并型型N N型半导体。型半导体。Ef变大，变大，EfEv的可能性的可能性越大，越大，Ev中被电

8、子占据的中被电子占据的可能性越大。可能性越大。CH 2一、激光原理的基础知识一、激光原理的基础知识( (四四)PN)PN结结P P型半导体型半导体中主要由空穴中主要由空穴导电，当重掺杂时费米尔能导电，当重掺杂时费米尔能级级E Ef f会进入价带，称为兼并会进入价带，称为兼并型型P P型半导体。型半导体。Ef变小，变小，EfEe的可能性的可能性越大，越大，Ee中被空穴占据的中被空穴占据的可能性越大。可能性越大。CH 2一、激光原理的基础知识一、激光原理的基础知识( (四四)PN)PN结结CH 2N区区P区区PNPN结加上正向电压结加上正向电压一、激光原理的基础知识一、激光原理的基础知识( (四四

9、)PN)PN结结价带价带导带导带导带主要由电子占据，价带主导带主要由电子占据，价带主要由空穴占据要由空穴占据粒子数反转粒子数反转有源区有源区P区准费米区准费米尔能级尔能级N区准费区准费米尔能级米尔能级禁带宽度禁带宽度Ege0V Eg，使，使P区空穴获取区空穴获取足够的能量向足够的能量向N区扩散，区扩散，N区的电子有足够的能量区的电子有足够的能量向向P区扩散区扩散CH 2一、激光原理的基础知识一、激光原理的基础知识( (四四)PN)PN结结e0VCH 2一、激光原理的基础知识一、激光原理的基础知识( (四四) )制作半导体光源的材料制作半导体光源的材料动量守恒为了保证动量守恒，必须有另外的粒子参

10、与CH 2一、激光原理的基础知识一、激光原理的基础知识( (四四) )制作半导体光源的材料制作半导体光源的材料 材料的禁带宽度决定了激光器自发辐射的材料的禁带宽度决定了激光器自发辐射的波长范围。因为电子跃迁过程中产生的波长范围。因为电子跃迁过程中产生的光子能光子能量等于直接带隙的禁带宽度量等于直接带隙的禁带宽度。CH 2CH 2二、半导体激光器二、半导体激光器( (一一)LD)LD的工作原理的工作原理半导体激光器工作原理是半导体激光器工作原理是激励方式激励方式，利用半导体物质（即，利用半导体物质（即利利用电子用电子）在能带间）在能带间跃迁发光跃迁发光，在，在光学谐振腔光学谐振腔的作用下使光振荡

11、、的作用下使光振荡、反馈，反馈，产生光的辐射放大，输出激光产生光的辐射放大，输出激光。因此，产生激光的三个。因此，产生激光的三个先决物质条件为：先决物质条件为：1. 激励源（泵浦源）激励源（泵浦源）:能量的提供者，实现粒子数反能量的提供者，实现粒子数反转转。2.激活物质（增益物质激活物质（增益物质半导体材料）半导体材料）:产生激光的产生激光的物质基础，提供光放大。物质基础，提供光放大。3.光学谐光学谐:振腔提供光反馈。振腔提供光反馈。CH 2二、半导体激光器二、半导体激光器( (二二) )激光激射条件激光激射条件1.1.要产生足够的要产生足够的粒子数反转粒子数反转分布，即高能态分布，即高能态粒

12、子数足够的大于处于低能态的粒子数；粒子数足够的大于处于低能态的粒子数；2.2.有一个合适的有一个合适的光学谐振腔光学谐振腔能够起到反馈作能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生从而产生激光震荡；用，使受激辐射光子增生从而产生激光震荡；3.3.要满足一定的要满足一定的阀值条件阀值条件，以使光子增益等，以使光子增益等于或大于光子的损耗。于或大于光子的损耗。CH 2CH 2二、半导体激光器二、半导体激光器( (三三) )半导体激光器的通用结构半导体激光器的通用结构（1）有源区）有源区 （2）光反馈装置）光反馈装置（3）频率选择元件）频率选择元件（4）光束的方向）光束的方向选择选择元件元件（5）光波导）光

13、波导 CH 2二、半导体激光器二、半导体激光器( (三三) )半导体激光器的通用结构半导体激光器的通用结构有源区有源区实现实现粒子数反转粒子数反转分布，存在分布，存在光增益光增益的区域，又称的区域，又称为增益区。为增益区。 当注入光子能量满足：当注入光子能量满足：导带导带电子电子跃迁至价带，并跃迁至价带，并与与价带中的价带中的空穴复合空穴复合，同时同时发射光子发射光子：CH 2二、半导体激光器二、半导体激光器( (三三) )半导体激光器的通用结构半导体激光器的通用结构有源区有源区同质结同质结：构成：构成PN结的结的P型半导体和型半导体和N型型半导体半导体为同一种材料为同一种材料，仅掺杂类型不同

14、。，仅掺杂类型不同。单异质结单异质结：构成：构成PN结的结的P型半导体和型半导体和N型型半半导体为不同种材料导体为不同种材料，可分为同型异质结（，可分为同型异质结（N-n型型和和P-p型）和异型异质结（型）和异型异质结（N-p型和型和P-n型）。型）。CH 2二、半导体激光器二、半导体激光器( (三三) )半导体激光器的通用结构半导体激光器的通用结构有源区有源区双异质结双异质结：由：由带隙能量带隙能量较高的较高的P型和型和N型半导体型半导体材材料料中间夹一层很薄的带隙中间夹一层很薄的带隙能量较低的另一种半导体能量较低的另一种半导体材料而构成波导。各半导材料而构成波导。各半导体的材料不同。如左图

15、所体的材料不同。如左图所示为示为N-n-P双异质结。双异质结。CH 2二、半导体激光器二、半导体激光器( (三三) )半导体激光器的通用结构半导体激光器的通用结构有源区有源区量子阱量子阱激光器：激光器：（1）阈值电流低（2）波长可调谐（3）线宽窄，频率啁啾低（4）调制速率高（5）温度稳定性强。CH 2二、半导体激光器二、半导体激光器( (三三) )半导体激光器的通用结构半导体激光器的通用结构光反馈装置光反馈装置光学谐振器可提供必要的正反馈以促进激光振荡。光学谐振器可提供必要的正反馈以促进激光振荡。光振荡的形成主要采用两种方式：光振荡的形成主要采用两种方式：1.1. F-PF-P（法布里（法布里

16、- -帕罗）谐振腔：帕罗）谐振腔：由一对平行放置由一对平行放置的平面反射镜组成。的平面反射镜组成。2.2. 布拉格反射器布拉格反射器：一种基于波纹光栅的光学谐振：一种基于波纹光栅的光学谐振器，其材料折射率在空间某方向上呈现出周期性变化，器，其材料折射率在空间某方向上呈现出周期性变化，从而为受激辐射产生的光子提供周期性反射从而为受激辐射产生的光子提供周期性反射. .CH 2二、半导体激光器二、半导体激光器( (三三) )半导体激光器的通用结构半导体激光器的通用结构光反馈装置光反馈装置1.F-P1.F-P（法布里（法布里- -帕罗）谐振腔帕罗）谐振腔用晶体天然解理面形成的用晶体天然解理面形成的F-

17、PF-P（法布里（法布里- -帕罗）谐振腔帕罗）谐振腔，当，当光在谐振腔中光在谐振腔中满足一定的相位条件和振幅条件满足一定的相位条件和振幅条件时，建立起稳定时，建立起稳定的光振荡。这种激光器称为的光振荡。这种激光器称为F-PF-P腔激光器。腔激光器。CH 2二、半导体激光器二、半导体激光器( (三三) )半导体激光器的通用结构半导体激光器的通用结构光反馈装置光反馈装置1.F-P1.F-P（法布里（法布里- -帕罗）谐振腔帕罗）谐振腔表 示 沿 谐表 示 沿 谐振 腔 传 播振 腔 传 播方 向 上 的方 向 上 的驻 波 振 荡驻 波 振 荡特性特性表 示 谐 振表 示 谐 振腔 横 截 面腔

18、 横 截 面上 的 场 型上 的 场 型分布分布CH 2二、半导体激光器二、半导体激光器( (三三) )半导体激光器的通用结构半导体激光器的通用结构光反馈装置光反馈装置1.F-P1.F-P（法布里（法布里- -帕罗）谐振腔帕罗）谐振腔增益大于损耗CH 2二、半导体激光器二、半导体激光器( (三三) )半导体激光器的通用结构半导体激光器的通用结构光反馈装置光反馈装置1.F-P1.F-P（法布里（法布里- -帕罗）谐振腔帕罗）谐振腔增大增大L以降低增益以降低增益存在多个谐振峰落在满存在多个谐振峰落在满足增益大于损耗的范围足增益大于损耗的范围内，内，难以实现单模难以实现单模。CH 2二、半导体激光器

19、二、半导体激光器( (三三) )半导体激光器的通用结构半导体激光器的通用结构光反馈装置光反馈装置2.2.布拉格反射器布拉格反射器同相面，同相面，发生干涉发生干涉由于珊距很小，因此相邻模式频率间隔大，由于珊距很小，因此相邻模式频率间隔大，易于实现单模易于实现单模。CH 2CH 2二、半导体激光器二、半导体激光器( (三三) )基本性质基本性质P/IP/I特性特性阀值电流：阀值电流：激激光从自发辐射光从自发辐射到开始受激震到开始受激震荡时的临界注荡时的临界注入电流入电流第一阶段：自发辐射。第一阶段：自发辐射。第二阶段：超辐射状态。第二阶段：超辐射状态。第三阶段：激光。第三阶段：激光。CH 2二、半

20、导体激光器二、半导体激光器( (三三) )基本性质基本性质温度特性温度特性阀值电流阀值电流：随温度的：随温度的升高而加大。升高而加大。功率效率功率效率：随温度的：随温度的升高而下降。升高而下降。CH 2二、半导体激光器二、半导体激光器( (四四) )光谱特征光谱特征光谱特性描述的是激光器光谱特性描述的是激光器输出功率随波长的分布输出功率随波长的分布规律。半导体激光器激射以后的光谱呈现模式结构，规律。半导体激光器激射以后的光谱呈现模式结构，稳定工作时光谱由以下因素共同决定。稳定工作时光谱由以下因素共同决定。1.发射波长范围发射波长范围：取决于激光器的自发辐射谱。：取决于激光器的自发辐射谱。2.精

21、细的谱结构精细的谱结构：取决于光腔中纵模分布。：取决于光腔中纵模分布。3.波长分量的强弱波长分量的强弱：取决于激射时各模式的增：取决于激射时各模式的增益条件。益条件。CH 2二、半导体激光器二、半导体激光器( (四四) )光谱特征光谱特征峰值波长峰值波长峰值波长：峰值波长：光光谱内强度最大谱内强度最大的光波长。的光波长。CH 2二、半导体激光器二、半导体激光器( (四四) )光谱特征光谱特征谱宽和线宽谱宽和线宽谱宽：谱宽：峰值半峰值半功率点所限定功率点所限定的波谱范围。的波谱范围。线 宽 ：线 宽 ： 单单纵 模 激 光纵 模 激 光器 的 谱 宽器 的 谱 宽即为线宽。即为线宽。中心波长：中

22、心波长：谱谱宽范围的中心宽范围的中心点对应的波长。点对应的波长。CH 2二、半导体激光器二、半导体激光器( (四四) )光谱特征光谱特征纵模数与注入电流的关系纵模数与注入电流的关系CH 2二、半导体激光器二、半导体激光器( (四四) )光谱特征光谱特征峰值波长与温度的关系峰值波长与温度的关系无温控器件CH 2二、半导体激光器二、半导体激光器( (四四) )光谱特征光谱特征动态谱线与注入电流的关系动态谱线与注入电流的关系CH 2远场图远场图为远离半导体激光器为远离半导体激光器输出端面输出端面的辐射束光的辐射束光功率强度分布。功率强度分布。近场图近场图为半导体激光器为半导体激光器输出端面输出端面的

23、辐射束光功率的辐射束光功率强度分布。强度分布。二、半导体激光器二、半导体激光器( (五五) )光束特点光束特点通常使用激光器近场图和远场图来表征其光束特通常使用激光器近场图和远场图来表征其光束特性。性。由横模决定由横模决定由横模和由横模和发散角共发散角共同决定同决定CH 2二、半导体激光器二、半导体激光器( (五五) )光束特点光束特点CH 2三、半导体发光二极管三、半导体发光二极管CH 2三、半导体发光二极管三、半导体发光二极管CH 2三、半导体发光二极管三、半导体发光二极管CH 2三、半导体发光二极管三、半导体发光二极管CH 2三、半导体发光二极管三、半导体发光二极管CH 2三、半导体发光

24、二极管三、半导体发光二极管CH 2CH 2四四、光源的调制、光源的调制光调制光调制：在发送端将：在发送端将信息加载到信息加载到光源输出的光源输出的光束上光束上的过程。的过程。在光纤通信系统中，通常以电信号的形式呈在光纤通信系统中，通常以电信号的形式呈现信息，故光调制是将电信号加载到光源输出的现信息，故光调制是将电信号加载到光源输出的光束上的过程。光束上的过程。光解调光解调：光接收机鉴别从光纤信道上传输过：光接收机鉴别从光纤信道上传输过来的光波的变化规律，从而将原始信息还原的过来的光波的变化规律，从而将原始信息还原的过程。程。CH 2四四、光源的调制、光源的调制直接调制直接调制：将要传递的信息转

25、变为驱动电流：将要传递的信息转变为驱动电流控制光源的发光过程。控制光源的发光过程。CH 2四四、光源的调制、光源的调制间接解调间接解调：利用晶体的电光效应、磁光效应、声：利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应和电吸收效应等性质来实现对激光辐射的调制。光效应和电吸收效应等性质来实现对激光辐射的调制。CH 2四四、光源的调制、光源的调制由于理想半导体光源的由于理想半导体光源的P-IP-I曲线呈线性关系，因曲线呈线性关系，因此直接调制是利用此直接调制是利用输入电流直接控制输出光强输入电流直接控制输出光强的过程。的过程。将连续变化的模将连续变化的模拟信号叠加在直流拟信号叠加在直流偏置的工作点上对偏置的

26、工作点上对光源进行调制光源进行调制CH 2四四、光源的调制、光源的调制由于理想半导体光源的由于理想半导体光源的P-IP-I曲线呈线性关系，因曲线呈线性关系，因此直接调制是利用此直接调制是利用输入电流直接控制输出光强输入电流直接控制输出光强的过程。的过程。直流偏置工作点直流偏置工作点CH 2四四、光源的调制、光源的调制瞬态现象：瞬态现象：半导体激光器在进行直接调制时显示半导体激光器在进行直接调制时显示出来的现象。主要出来的现象。主要瞬态瞬态现象有现象有电光延迟，张弛振荡和电光延迟，张弛振荡和持续振荡持续振荡。 持续振荡（自脉动）持续振荡（自脉动）CH 2四四、光源的调制、光源的调制对导带底部填充

27、电子，使电子密度达到对导带底部填充电子，使电子密度达到nth激光器开始激射，光场建立，导带中电子超量填充激光器开始激射，光场建立，导带中电子超量填充CH 2四四、光源的调制、光源的调制有源区过量复合有源区过量复合过量复合持续，电子密度过量复合持续，电子密度降到降到nth 以下，以下，S也下降也下降CH 2四四、光源的调制、光源的调制n(t)和s(t): 分别为有源区里自由电子和光子密度j: 注入电流密度注入电流密度e0：电子电荷d: 有源区的厚度Rsp：自发辐射自发辐射的速率的速率，Rsp = n(t)/ spg(n): 增益函数 ph：光子的寿命时间光子的寿命时间 ： 自发发射进入激光模式的

28、系数自发发射进入激光模式的系数CH 2四四、光源的调制、光源的调制张弛振荡张弛振荡的衰减时间与自发辐射的寿命时间同的衰减时间与自发辐射的寿命时间同一数量级，并一数量级，并随注入电流的增加而随注入电流的增加而减小减小。张弛振荡衰减系数张弛振荡的幅度衰减为初始值的1/ e的时间，称之为张弛振荡的衰减时间。CH 2四四、光源的调制、光源的调制张弛振荡张弛振荡的角频率与的角频率与 ph和和 sp有关，并随有关，并随注入电注入电流的增加而升高流的增加而升高。张弛振荡角频率CH 2四四、光源的调制、光源的调制电光延迟时间电光延迟时间电光延迟时间与自发辐射的寿命时间同一数量与自发辐射的寿命时间同一数量级，并

29、级，并随注入电流的增加而随注入电流的增加而减小减小。CH 2四四、光源的调制、光源的调制CH 2四四、光源的调制、光源的调制（1）加大直流偏置电流使其逼近阈值）加大直流偏置电流使其逼近阈值减小电光延迟时间，提高频谱利用率和通信容量，一定程度上抑制张弛振荡，较小的调制电流就能获得足够大的输出光脉冲，减小码型效应。（2）偏置电流意味着激光器的消光比（偏置电流意味着激光器的消光比（EXT）恶）恶化，化，EXT应该大于应该大于10dB.（3）实验观察到异质结激光器的散粒噪声在阈值实验观察到异质结激光器的散粒噪声在阈值处常有一很陡的峰值，因此处常有一很陡的峰值，因此I0的选取应避开此峰值。的选取应避开此峰值。CH 2四四、光源的调制、光源的调制CH 2四四、光源的调制、光源的调制激光器的激光器的阈值电流随温阈值电流随温度度呈指数规律呈