光纤通信技术第三章光源与光发射系统

1、3.1 半导体材料中的光电效应3.2 半导体激光器（LD）3.3 半导体发光二极管（LED）3.4 新型半导体激光器3.5 光源的调制3.6 光发射机第三章 光源与光发射系统光纤通信技术第三章光源与光发射系统3.1.1 能级与能带1光子的概念光是由能量为hf的光量子组成的，其中h=6.62610-34JS称为普朗克常数；f是光波频率。人们将这些光量子称为光子。不同频率的光子具有不同的能量。光具有波、粒两重性。当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或发射。 光纤通信技术第三章光源与光发射系统2原子的能级物质是由原子组成的，而原子是由原子核和核外电子构成的。电子在原子中围绕原子核按一定

2、轨道运动，而且只能有某些允许的轨道。轨道越高，能量也越高。当电子在每一个这样的轨道上运动时，原子具有确定的能量，称为原子的一个能级。 这些所允许的能量值因轨道不同，都是一个个地分开的，即是不连续的。我们把这些分立的能量值称为原子的不同能级。 光纤通信技术第三章光源与光发射系统3晶体的能带 晶体的能谱在简并能级的基础上按共有化运动的不同而分裂成若干组。每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带，称为能带 。在晶体物理中，通常把这种形成共价键的价电子所占据的能带称为价带，而把价带上面邻近的空带（自由电子占据的能带）称为导带 。光纤通信技术第三章光源与光发射系统原子中的电子可以通过和外界交换能量的方

3、式发生量子跃迁，或称能级的跃迁。若跃迁过程中交换的能量是热运动的能量，称为热跃迁；若交换的能量是光能，则称为光跃迁。后者是研究光与物质相互作用的基础。光纤通信技术第三章光源与光发射系统爱因斯坦指出，光与物质的相互作用存在着三种不同的基本过程：受激吸收自发辐射受激辐射这三种物理过程表明，在光与物质的相互作用时，光可以被物质吸收，也可以从物质中发射出来。3.1.2 光与物质的三种作用光纤通信技术第三章光源与光发射系统在正常状态下，电子处于低能级E1上，在频率为f=(E2-E1)/h的入射光子的激发下，低能级E1上的电子将会吸收外来光子的能量，而跃迁到高能级E2上，这个过程叫做受激吸收过程。 1.

4、受激吸收光纤通信技术第三章光源与光发射系统受激吸收的特点如下：受激吸收过程必须在入射光子的激发下才会产生，因此是受激跃迁。入射光子的能量要等于电子跃迁的能级之差。受激跃迁的过程不是放出能量，而是消耗外来光能。 光纤通信技术第三章光源与光发射系统处于高能级E2上的电子是不稳定的，即使在没有受到外界激发的情况下也会自发地向低能级E1上跃迁，与空穴复合，发射出一个能量为E=E2-E1的光子，称为光的自发辐射过程。 2. 自发辐射光纤通信技术第三章光源与光发射系统自发辐射的特点如下： 自发辐射过程是在没有外界作用的条件下自发产生的，是自发跃迁。由于发射出光子的频率取决于所跃迁的能级，而发生自发辐射的高

5、能级不只是一个，可以是一系列的高能级，因此，辐射出的光子的频率不同，频率范围很宽。 即使跃迁过程满足相同的能级差（光子频率一致），它们也是独立的、随机的辐射，产生的光子仅仅能量相同而彼此无关，各列光波可以有不同的相位与偏振方向，并且向空间各个角度传播，是一种非相干光 光纤通信技术第三章光源与光发射系统在高能级E2上的电子，在受到入射光的作用下，将会被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放出一个能量为E=E2-E1的光子，产生光辐射，叫做受激辐射 。 3. 受激辐射光纤通信技术第三章光源与光发射系统受激辐射的特点如下： 入射光子的能量等于跃迁的能级之差。 受激辐射产生的光子与感应光子是全同光子，不

6、仅频率相同，而且相位、偏振方向、传播方向都相同，因此产生的是相干光。 受激辐射过程实质上是对外来入射光的放大过程 光纤通信技术第三章光源与光发射系统3.1.3 激光器的一般工作原理激光的英文缩写是LASER，即Light Amplification by Simulated Emission of Radiation，意思是通过受激辐射实现光放大。产生光放大的前提是物质中的受激辐射必须大于受激吸收。因此，受激辐射是产生激光的关键。 光纤通信技术第三章光源与光发射系统1. 粒子数反转分布 设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2E1)的原子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态时，

7、存在下面的分布其中，k为波耳兹曼常数=1.3810-23J/K，T为绝对温度。由于(E2E1)0，T0，因此在正常状态下，总是有N1N2。而受激吸收的速率与N1成正比，受激辐射的速率与N2成正比，所以在正常状态下，受激吸收大于受激辐射。也就是说，在热平衡条件下，物质不可能有光放大作用。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。 光纤通信技术第三章光源与光发射系统1. 粒子数反转分布 要想物质能够产生光的放大，就必须使受激辐射作用大于受激吸收作用，也就是必须使N2N1。这种与正常状态分布（N1N2）相反的反常态粒子数分布，称为粒子数反转分布。处于粒子数反转分布状态的物质称为增益物

8、质或者激活物质。光纤通信技术第三章光源与光发射系统2. 激光器的基本组成增益物质可以使粒子数处于反转分布状态的工作物质 泵浦源使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源 光学谐振腔 提供必要的反馈以及进行频率选择光纤通信技术第三章光源与光发射系统光学谐振腔光学谐振腔的结构最简单的的光学谐振腔是在增益物质两端的适当位置，分别放置一个反射镜，受激辐射产生的光子在腔内（两块反射镜之间）来回反射，如图所示。其中一个反射镜M1能全反射，即M1的理想反射系数为100%；另一个反射镜M2需要开一个小孔，M2为部分反射，反射系数则约在90%左右，产生的激光由反射镜M2的小孔射出。 （a）平面腔 （b）球面腔光纤

9、通信技术第三章光源与光发射系统光学谐振腔谐振腔如何产生激光振荡将在泵浦源激发下处于粒子数反转分布状态的激活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。沿着光学谐振腔的轴线传播的光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，使光学谐振腔内的光能密度不断增加。这样可以使受激辐射的概率远大于自发辐射的概率，从而使沿着光学谐振腔的轴线传播的光在粒子数反转分布的条件下，受激辐射占绝对优势。 光纤通信技术第三章光源与光发射系统光学谐振腔激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。但要产生激光还需要满足以下两个条件：光的增益和损耗应满足平衡的条件，即阈值条件。谐振腔中的光

10、往复反射得到增强应满足相位平衡的条件。 光纤通信技术第三章光源与光发射系统3. 激光器的阈值条件和相位平衡条件阈值条件:由于谐振腔内激活物质存在吸收，反射镜存在透射和散射，因此光受到一定损耗。当增益和损耗相等(满足振幅平衡条件)时，在谐振腔内就会建立稳定的激光振荡，其阈值条件为 式中，gth为阈值增益系数，i 为谐振腔内激活物质的损耗系数，L为谐振腔的长度，R1、R2Ith的一段范围内，发射的光功率P与注入电流近似为线性关系。为使光纤通信系统稳定可靠地工作，阈值电流越小越好。 光纤通信技术第三章光源与光发射系统 (a) 短波长AlGaAs/GaAs (b) 长波长InGaAsP/InP 当II

11、th 时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。 光纤通信技术第三章光源与光发射系统2. 电/光转换效率 激光器的电/光转换效率用外微分量子效率d表示，其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数由此得到 式中，P和I分别为激光器的输出光功率和驱动电流，Pth 和Ith 分别为相应的阈值，h f 和e分别为光子能量和电子电荷。 光纤通信技术第三章光源与光发射系统 3. 光谱特性 半导体激光器的发射波长等于禁带宽度Eg(eV)/h，由式(3.1)得到 h f =Eg(3.6)不同半导体有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长。 镓铝砷-镓砷(GaAlAs-GaAs)材料适用于

12、0.85 m波段 铟镓砷磷 - 铟磷(InGaAsP-InP)材料适用于1.31.55 m波段式中，f=c/，f (Hz)和(m)分别为发射光的频率和波长， c=3108 m/s为光速，h=6.62810-34JS为普朗克常数， 1eV=1.610-19 J，代入上式得到光纤通信技术第三章光源与光发射系统 GaAlAs-DH激光器的光谱特性 (a) 直流驱动; (b) 300 Mb/s数字调制 0799 800 801 802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI= 8 0mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mWL=250mW=12 mT=300K

13、830 828 832 830 828 832 830 828 826832 830 828 826 824836 834 832 830 828 826 824 822 820(a)(b) 由图可见，随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。光纤通信技术第三章光源与光发射系统 在直流驱动下， 发射光波长只有符合激光振荡的相位条件式的波长存在。 这些波长取决于激光器纵向长度L，并称为激光器的纵模。 驱动电流变大，纵模模数变小 ，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

14、。 光纤通信技术第三章光源与光发射系统4. 温度特性 激光器输出光功率随温度而变化有两个原因（1）激光器的阈值电流Ith 随温度升高而增大（2）外微分量子效率d随温度升高而减小。 温度升高时，Ith 增大，d减小， 输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了。当以直流电流驱动激光器时，阈值电流随温度的变化更加严重。光纤通信技术第三章光源与光发射系统 当对激光器进行脉冲调制时，阈值电流随温度呈指数变化，在一定温度范围内，可以表示为式中，I0为常数，T为结区的热力学温度，T0为激光器材料的特征温度。 GaAlAs GaAs 激光器T0=100150 K InGaAsP-InP 激光器T0

15、=4070 K 所以长波长InGaAsP-InP激光器输出光功率对温度的变化更加敏感。 外微分量子效率随温度的变化不十分敏感。 Ith=I0 exp光纤通信技术第三章光源与光发射系统3.1 半导体材料中的光电效应3.2 半导体激光器（LD）3.3 半导体发光二极管（LED）3.4 新型半导体激光器3.5 光源的调制3.6 光发射机第三章 光源与光发射系统光纤通信技术第三章光源与光发射系统 LD 和LED的区别 LD发射的是受激辐射光 LED发射的是自发辐射光 LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结(DH)芯片，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔， 没有阈值。光

16、纤通信技术第三章光源与光发射系统3.3.1 半导体发光二极管工作原理 在热平衡状态下，有源区（P区）几乎没有电子和空穴，因此在一般情况下发光二极管不会发光；在激励（通常为电激励方式，即外加合适的正向偏压）状态下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区，有源区存在大量的电子和空穴，此时导带中的电子与价带中的空穴自发复合，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量以发射光子的形式释放出来，即发光二极管将会由于自发辐射而发光，这就是发光二极管的基本原理。 光纤通信技术第三章光源与光发射系统光纤通信技术第三章光源与光发射系统发光二极管不是阈值器件，它的输出功率基本上与注入电流成正比。 光纤通信技术第三

17、章光源与光发射系统(a) 正面发光型； (b) 侧面发光型 发光二极管的类型：正面发光型LED和侧面发光型LED 3.3.2 半导体发光二极管结构和分类 光纤通信技术第三章光源与光发射系统和正面发光型LED相比，侧面发光型LED驱动电流较大，输出光功率较小，但由于光束辐射角较小，与光纤的耦合效率较高，因而入纤光功率比正面发光型LED大。目前单模数字光纤通信系统大多采用侧面发光型LED。光纤通信技术第三章光源与光发射系统光谱特性。电/光转换效率 光束的空间分布温度特性3.3.3 半导体发光二极管特性光纤通信技术第三章光源与光发射系统发光二极管的主要工作特性： (1) 光谱特性。 发光二极管发射的

18、是自发辐射光， 没有谐振腔对波长的选择，谱线较宽。 光纤通信技术第三章光源与光发射系统 (2) 电/光转换效率。 发光二极管实际输出的光子数远远小于有源区产生的光子数，一般外微分量子效率d小于10%。 驱动电流I较小时， P - I曲线的线性较好；I过大时，由于PN结发热产生饱和现象，使P -I 曲线的斜率减小。光纤通信技术第三章光源与光发射系统 (3) 光束的空间分布。 在垂直于发光平面上， 正面发光型LED辐射图呈朗伯分布， 即P()=P0 cos，半功率点辐射角120。 侧面发光型LED，120，2535。由于大，LED与光纤的耦合效率一般小于 10%。 (3) 温度特性。 4 3 2

19、1 0 50 100 150 02570电流/mA输出功率/ mW当温度上升时，LED的平均发送光功率会下降；线性工作区变窄，系统性能下降；峰值工作波长向长波长方向移动。但由于LED是无阈值器件，其温度特性比LD的要好得多，一般不需要加温度控制电路。 光纤通信技术第三章光源与光发射系统3.1 半导体材料中的光电效应3.2 半导体激光器（LD）3.3 半导体发光二极管（LED）3.4 新型半导体激光器3.5 光源的调制3.6 光发射机第三章 光源与光发射系统光纤通信技术第三章光源与光发射系统3.4 新型半导体激光器分布反馈激光器耦合腔半导体激光器量子阱激光器（MQW） 光纤通信技术第三章光源与光

20、发射系统 分布反馈(DFB)激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性结构(波纹状)衍射光栅实现光反馈。这种衍射光栅的折射率周期性变化，使光沿有源层分布式反馈。 分布反馈(DFB)激光器 (a) 结构； (b) 光反馈 3.4.1 分布反馈式激光器光纤通信技术第三章光源与光发射系统分布反馈半导体激光器（DFB）通过腔体内的周期分布反馈光栅来实现分布布拉格反射激光器（DBR）分布反馈光栅刻在有源区的外面 （a）DFB （b）DBR光纤通信技术第三章光源与光发射系统 DFB激光器和DBR激光器的工作原理都是基于布拉格反射原理，当光波入射到两种不同介质的交界面时，能够产生周期性的反射，把这种反射称为布

21、拉格反射。 由有源层发射的光，一部分在光栅波纹峰反射(如光线a)， 另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰反射(如光线b)。 光栅周期 =m ne 为材料有效折射率，B为布喇格波长，m为衍射级数。 光纤通信技术第三章光源与光发射系统 DFB激光器与F-P激光器相比， 具有以下优点： 单纵模激光器； 谱线窄， 波长稳定性好 动态谱线好； 线性好光纤通信技术第三章光源与光发射系统3.4.2 耦合腔半导体激光器耦合腔半导体激光器具有两个谐振腔，光从激光主腔中耦合进一个外腔，一部分光从外腔反馈回主腔，外腔反馈等效于一个与波长有关的反射镜。纵模的模式选择通过耦合腔结构实现，虽然两个谐振腔具有各自不同的

22、振荡纵模，但是当两个谐振腔放在一起构成耦合腔（或复合腔）时，只有两个谐振腔中相同的纵模才能成为耦合腔的振荡纵模，再加上增益谱的作用，最终可以实现模式选择功能。光纤通信技术第三章光源与光发射系统3.4.2 耦合腔半导体激光器两种类型：光栅外部耦合腔激光器耦合腔单片集成设计激光器C3激光器在光栅外部耦合腔激光器中，除了LD为有源器件外其他部分均为无源器件，属于有源无源结构；而在C3激光器中，两个LD均为有源器件，属于有源有源结构。光纤通信技术第三章光源与光发射系统3.4.3 量子阱激光器（MQW）量子阱半导体激光器与一般F-P双异质半导体激光器类似，只是有源区的厚度很薄。一般F-P双异质半导体激光

23、器源区的厚度为10002000埃，而量子阱激光器有源区的厚度一般只有10100埃。当有源区的厚度非常薄时，在有源层与两边相邻层的能带将出现不连续现象，在有源区的异质结将产生一个势能阱，因此，将产生这种量子效应的激光器称为量子阱半导体激光器。结构中的这种“阱”使得电子和空穴被限制在极薄的有源区内，因此有源区内粒子数反转分布的浓度很高。 光纤通信技术第三章光源与光发射系统量子阱半导体激光器可以分为单量子阱激光器和多量子阱激光器。 光纤通信技术第三章光源与光发射系统量子阱激光器具有一系列优越的特性，主要有：阈值电流很低，微分量子效率很高。谱线宽度窄，频率啁啾小。响应速度加快，适合研制高速调制激光器。

24、光纤通信技术第三章光源与光发射系统3.1 半导体材料中的光电效应3.2 半导体激光器（LD）3.3 半导体发光二极管（LED）3.4 新型半导体激光器3.5 光源的调制3.6 光发射机第三章 光源与光发射系统光纤通信技术第三章光源与光发射系统3.5 光源的调制直接调制 用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。 这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。 外调制 把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。 外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统

25、中使用。光纤通信技术第三章光源与光发射系统3.5.1 光源的直接调制直接调制方法只适用于LD和LED，这是LD和LED的输出光功率（对LD来说，是指阈值以上线性部分）基本上与注入电流成正比，而且电流的变化转换为光频调制也呈线性。 只要在呈直线的部位加入调制信号（即随输入信号变化的注入电流信号），则输出的光功率就跟随输入信号而变化，输入信号就调制到光波上了。 光纤通信技术第三章光源与光发射系统以发光二极管的模拟直接调制为例，直接用连续的模拟信号对光源进行调制，使LED的输出光功率随模拟输入电信号的波形变化。 连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上，适当地选择直流偏置电流的大小，可以减小已调制光信

26、号的非线性失真。 光纤通信技术第三章光源与光发射系统在模拟调制系统中，要求调制电路提供合适的偏置电流以及足够的信号调制电流，前者是为了确定合理的工作点，即使静态工作点位于LED的P-I曲线的线性段中点；后者是为了使光源有足够的输出光功率。 V是提供LED注入电流的三极晶体管，当信号从A点输入时，集电极电流将随模拟电信号而变化，即发光二极管的注入电流随模拟电信号变化，因此发光二极管的输出光功率随模拟电信号而变化。 光纤通信技术第三章光源与光发射系统 （1）LED的数字调制 数字信号Uin从三极管V的基极输入，通过集电极的电流驱动LED。 数字信号“0”码和“1”码对应于V的截止和饱和状态，电流的

27、大小根据对输出光信号幅度的要求确定。 这种驱动电路适用于10 Mb/s以下的低速率系统，更高速率系统应采用差分电流开关电路。 光纤通信技术第三章光源与光发射系统（2）LD的数字调制 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，如常见的电光延迟、 张弛振荡和自脉动现象。 这些特性严重限制系统传输速率和通信质量，因此在电路的设计时要给予充分考虑。光纤通信技术第三章光源与光发射系统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下图所示。 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

28、为 ns。 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0.52 GHz。 光纤通信技术第三章光源与光发射系统 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。 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。 光纤通信技术第三章光源与光发射系统输出光脉冲瞬态响应光纤通信技术第三章光源与光发射系统 式中，o是张弛振荡幅度衰减到初始值的1/e的时间，j和jth分别为注入电流

29、密度和阈值电流密度。sp和ph分别为电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命。在典型的激光器中，sp10-9s, ph10-12s，即spph。通过LD速率方程组的瞬态解得到的张弛振荡频率r及其幅度衰减时间o和电光延迟时间td的表达式为：光纤通信技术第三章光源与光发射系统电光延迟要产生码型效应。 当电光延迟时间td与数字调制的码元持续时间T/2为相同数量级时，会使“0”码过后的第一个“1码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个“”码丢失， 这种现象称为“码型效应”。 在两个接连出现的“1”码中，第一个脉冲到来前，有较长的连“0”码， 由于电光延迟时间长和光脉冲上升时间的影响，因此脉冲变小。 第二

30、个脉冲到来时，由于第一个脉冲的电子复合尚未完全消失，有源区电子密度较高，因此电光延迟时间短， 脉冲较大。 光纤通信技术第三章光源与光发射系统 “码型效应”的特点是：在脉冲序列中较长的连“0”码后出现的“1”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。用适当的“过调制”补偿方法， 可以消除码型效应。 1 2电脉冲光脉冲2ns5ns2ns 码型效应（a) 、(b)码型效应波形；（c）改善后波形(a)(b)(c)光纤通信技术第三章光源与光发射系统可以看到： (1) 张弛振荡频率r随sp、ph的减小而增加，随j的增加而增加。这个振荡频率决定了LD的最高调制频率。 (2) 张弛振荡幅度衰减时间o与sp为相同数量级，并随j的增加而减小。 (3) 电光延迟时间td与sp为相同数量级，并随j的增加而减小(jjth)。 由此可见，增加注入电流j，有利于提高张弛振荡频率r，减小其幅度衰减时间o，以及减小电光延迟时间td，因此对LD施加偏置电流是非常必要的。 光纤通信技术第三章光源与光