光纤通信原理与技术

1、第三章光源与光发送机3.1 半导体材料中的光发射与光吸收3.2发光二极管的结构与特性半导体激光器的工作原理与结构半导体激光器的工作特性光源与光纤的耦合光发送机光发送机光发送机，光发射系统（光源，驱动电路）作用：将电信号转变为光信号，并有效地把光信号送入传输光纤光源要求发射波长与使用的光纤传输窗口波长一致；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；长、体积小、耗电省等。光源：半导体光源（半导体）发光二极管（LED）激光二极管（LD，半导体激光器）LEDLD光相干性非相干光相干光谱宽宽窄入纤功率小大调制速率低高光通信系统短距离低速长距离高速3.1 半导

2、体材料中的光发射与光吸收1. 光的吸收与发射hf E2E1，h为常数，f为吸收或发射的光子频率光的受激吸收其中受激吸收系数，f入射光能量密度(体积、B12有公式，kB常数，T绝对温度，c光速kB 1.38 10-23 J/K光的自发发射dN 2 AN(3.1.4)212dtA21为自发发射系数，对该式积分有：tN2 N2 exp(A21t) N2 exp00(3.1.5)sp其中sp1/A21为E2能级的sp较长的能级为亚稳态，也称自发发射自发发射与入射光信号无关，发射光子的方向、相位及偏振态间没有确定的关系，是非相干光发射光的受激发射dN 2 WN(3.1.6)212dtW21为受激发射几率

3、 B21fW21(3.1.7)B21为受激发射系数受激发射产生的光子与入射光子处于同一状态，它们具有相同的方向、频率、相位及偏振态，因此是相干光发射关系系数A21、B12、B21都是由E1和E2特性决定其关系因此B12f N1 A21N2 B21f N2N2A21(3.1.8)(3.1.9)fN B N B112221热平衡下，能级上原子数服从统计g1 exp(E1 / kT)N1g1exp hf kT (3.1.10)gexp(EN/ kT)g2222g1与g2为两个能级的简并度1A g B hf因此f 121 112 exp(3.1.11)B21 g2 B21 kT 1 8hf 3 hf

4、比较exp kT 13(.1.3)fc3 g2B得gB(.3.112)12211 8hf 3A21(3.1.13)c3B21若g1g2，则B12=B21，即吸收和受激发射几率相同3个系数是相关的因此【例题3.1.1】问题:一白炽光源的工作温度为1000 K，平均发射波长为0.5 m。试计算受激发射与自发发射之比。解：平均发射频率3108cf 0.5106 610Hz14设g1=g2有受激发射 速率 B21f1(3.1.15)exp(hf / kT) 11A21自发发射 速率 6.631034 6 1014exp 11.381023 1000 1/ exp(28.8) 31013一般情况下，自发

5、发射为主要受激发射，要有两个条件：N2N1，粒子数反转，通过泵浦实现f很大，用谐振腔提供光反馈来实现2. 半导体的光发射本征半导体价带、导带、禁带（带隙）禁带宽度（带隙能量）Eg载流子：电子，空穴热平衡时，电子能级占有几率：分布函数(3.1.16)1P(E) E E1 expFkTEF为能级，表示材料内载流子分布状态【例题3.1.2】问题：计算室温下半导体材料GaAs在导带激发电子的概率解：GaAs, Eg1.424 eV, EcEF0.712 eV则kBT 1.3810 300 4.1410J 0.026 eV-23-21导带激发电子的概率11 1.281012P(E) E E1 exp 0

6、.712 1 exp 0.026 FkT掺杂n 型半导体：多数载流子为电子，施主能级，p 型半导体：多数载流子为空穴，受主能级，能级上升能级下降重掺杂时(n+，p+)，能级进入导带或价带pn 结电子空穴扩散耗尽层内建电场漂移平衡p区和n区有的能级pn 结的偏臵反向偏臵：耗尽层加宽，势垒增高正向偏臵：耗尽层变窄，势垒降低光探测器半导体光源能级分离，形成准能级EF和EFpn少数载流子异质结和同质结对应不同的半导体材料组成由带隙宽度及折射率不同的半导体材料的pn结限制载流子复合区域对光场具有很好的约束大大提高发光强度直接带隙与间接带隙半导体间接带隙半导体不适合做光源，可以做光探测器光子能量大，动量小

7、，hf/c = h/ h/a第三个粒子（声子）参与少数载流子长，复合慢（10-210-4 s）无辐射跃迁概率大发光波长hc1.24(m) (3.1.17)eE gEg (eV)GaAs Eg1.424 eV，0.87 mAlxGa1-xAs当x 0.37时，有材料折射率Eg 1.424 1.266x 0.266x2n 3.59 0.71x(3.1.18)(3.1.19)半导体器件制造晶体生长技术：外延生长法(taxial)汽相外延、液相外延、分子束外延晶格常数匹配1.3 m 或1.55 m处，使用In1-xGaxAsyP1-y当x 0.47时，有材料折射率Eg 1.35 1.89x 1.48x

8、2 0.56x3(3.1.20)(3.1.21)n2 9.6 4.52x 37.6x2y用以调节与衬底InP的晶格匹配，y 2.2 x3.2发光二极管1. 发光二极管结构五种：面发光（SLED）边发光（ELED）平面LED圆顶形LED超发光二极管SLD用于光通信显示等工业应用光学陀螺、传感器等面发光（SLED）结构12 m 4050 m发光分布分布I() I0 cos (3.2.1)有 120与光纤耦合效率低边发光（ELED）结构0.050.1 m2. 发光二极管的主要特性PI特性工作电流50 100 mA偏臵电压1.2 1.8 V输出功率 mW入纤功率 W温度影响比LD小发光效率时间内产生的

9、光子数内量子效率辐射复合 (3.1.22)i时间内注入的电子数r，非辐射复合nr，产生载流子密度np则辐射复合率n/ r，非辐射复合率n/ nrn1ri nn 1 r r(3.1.23)nr rnr1 1 1 其中(3.1.24)rnr为少数载流子平均，一般为ms到ns量级半导体发光器件，内量子效率一般为50，最高接近100T ie输出效率 100 (吸收，反射）外量子效率（发光器件的总效率）输出的光子数 Po / hfPo(3.1.25)T注入的总电子数I / eIEg其中，Po为输出光功率，I为注入电流，Eg为材料的带隙能量一般LED的外量子效率（总效率）在15以下P I hf hc I

10、IoTTeehc I hc IP I hf iieeerT ie器件效率（功率转换效率） Eg100% Po 100% (3.1.26)TIVV其中I为注入电流，V为工作电压半导体光源的器件效率一般仅百分之几谱特性线宽大 (谱线宽度，半高全宽FWHM） = 25 40 nm，长波长时可达75 100 nm发光光谱与材料、掺杂、结构、温度有关掺杂调制特性直接调制线性用总谐波失真（THD）衡量若PI曲线可表示为23P(t) P0 a i(t) ai (t) a i (t) (3.2.2)1 s2 s3 s其中P0为偏臵功率a1 、a2 、a3为线性系数和二次、三次非线性系数定义2总谐波电功率 总谐

11、波光功率21 a I 2 s THD (3.2.3)2 a1基波功率基波光功率与非线性系数及调制信号大小有关调制带宽输出光功率P() P(0)(3.2.4)1 ()2其中P(0)为直流时光输出。为LED及驱动电路的时间常数优良电路，主要取决于LED有源层少数载流子当1/时，P = 0.707 P(0) (- 1.5 dB)，接收电功率 -3 dB1/即LED的3 dB调制带宽或3 dB电带宽，有(电） 11f3dB (电） 23dB实际系统带宽和相关电路有关3 dB电带宽p()I2 ()f (电） 10lg 10 lg(3.2.5)I2 (0)p(0)I为相应的检测(光)电流，p为信号电功率3

12、 dB光带宽P0.5 P(0)，大于电带宽f (光） 10lg P() 10 lg I()(3.2.7)P(0)I(0)当系统响应为高斯型时，有f3dB (光) 2f3dB (电)(3.2.8)【例题3.2.1】（该题有问题）问题：设LED的少数载流子带宽。为5 ns，计算其光带宽及电P(0)解：利用P() (3.2.4)1 ()23325109有f(光） 55.1 MHz3dB2则电带宽f(电) f3dB (光) 55.1 39 MHz3dB22提高调制带宽缩短少数载流子，r小， r hf Eg 不被吸收cV感应电子向下跃迁，产生受激发射光反馈和激光振荡光学谐振腔（FP腔，谐振腔）入射光场振

13、幅Ai，反射光场振幅Ar，透射光场振幅At，则Ar A1 A2 A3 Ai (r tt r ei Ai r tt r ei tt r3 e2i )/(1 r2 ei )(3.3.1)其中，r，r，t，t分别为反射和透射系数为单次来回引入的位相差 4n1L cos(3.3.2)谐振频率(3.3.3)式中n1为媒质折射率，L为腔长，f c(4n1L cos)1设反射系数和透射系数为R，T，有Rr2，Tt2，则Ai (1 e j )R 1 Re jAr (3.3.4)同样A TAt B1 B2 B3 i1 Re j(3.3.5)反射功率和透射功率分别为*4R sin2 ( / 2)PA A r Pi

14、rr*(3.3.6)(1 R)2 4R sin2 ( / 2)A Aii(1 R)2P t (3.3.7)(1 R)2 4R sin 2 ( / 2)Pi当2mcmf ,m为整数(3.3.8)2n1L cos若0，则有谐振条件（驻波条件）m L(3.3.9) 2n1 模式间隔， 光谱范围FSR2(3.3.10)2n1Lcf 决定于腔长(3.3.11)2n L1例: Al0.03Ga0.97As/GaAs LD, 工作波长850 nm, n1 = 3.57，L = 300 m，计算模式阶数和光谱范围解：利用m2n L(3.3.9)1 则模式阶数m 2n1L 2 3.57 300 2520光谱范围

15、0.8520.8524 3.37 10m 0.337nm2n1L2 3.57 300或f 3108c 1.4 1011 Hz2n L2 3.57 300 1061f1/ 2 f / F(3.3.12)其中，F为FP腔的精细度F R(3.3.13)1 R决定于反射率RR反射率半导体解理面 n 12R n 1GaAs，n3.57，则R0.3232精细度F2.5，宽谱激光振荡的阈值条件增益 损耗设增益介质则腔内光功率为光约束因子长度的增益系数为g，损耗系数为iP(z) P(0) exp(g i )z(3.3.14)若L为腔长，R1 、R2为端面反射系数来回一次后有P(2L) RRexp2(g )L(

16、3.3.15)12iP(0)P(2L) RRexp2(g )L(3.3.15)12iP(0)稳态条件 P(2L) = P(0)，则R1R2 exp2(g i )L 1(3.3.16)因此，阈值增益条件11g ln(3.3.17)thi2LR R12gth 为阈值增益系数【例题3.3.1】问题：有一LD采用GaAs材料，其折射率n = 3.6。若其损耗系数i10cm-1，长度L = 300 m， 计算其阈值增益系数。解： n 12R 0.32 n 1阈值增益系数1112 31021 48cm1g 10 lnlnthi0.3222LR R12增益具有一定的谱宽( 0 )2 g() g(0) exp

17、(3.3.18)22多纵模 几个 nm单纵模 Jth，稳态条件下有 J Nthg(N)S 0(3.4.7)thedspS Nthg(N)S 0(3.4.8)thphsp很小，通常为10-2 10-5，因此可忽略自发发射的贡献得体积内的光子数为S ph(J J)(3.4.9)thed产生光功率P hf (I Ii )(3.4.10)ethe其中I为注入电流，i为内量子效率hc I hc IP I hf 对比LED阈值iieeer考虑损耗，输出光功率mP hf (I Ii )(3.4.11)oth eim11ln其中则为激光腔端面损耗m2LR R12P hf (I Id )(3.4.12)othe

18、m 其中为微分外量子效率di imP hf 一般， 接近100， 满足(斜效率）(3.4.13)iddIeP hf 一般， 接近100， 满足(3.4.13)iddIe即P / hfePP(mW)Pd E 0.8065(m)I(mA) 1.24(3.4.14)I / eIIg式中，Eg为带隙能量， 为工作波长。一般，LD的 d为1525，最高可达3040 Po / hf定义外量子效率(3.4.15)extI / e则 Ithd 1(3.4.16)extI在高注入电流时， ext d，低注入时下降LD转换效率（输出光功率和输入电功率之比）10【例题3.1.3】问题：一GaAs LD光源在外加电压

19、V2.5 V时的注入电流为I50 mA，Pe10 mW。计算其功率转换效率。解：外量子效率（发光器件的总效率）Po10 14%T50 1.424IEg器件效率（功率转换效率） Eg100% 0.14 1.424 100% 8% TV2.5Po10 100% 100% 8%50 2.5IV降低阈值电流edJN(3.4.6)ththspmP hf (I Ii )(3.4.11)oth eimd小降低腔的损耗增强光场约束（折射率导引）PI特性与温度有关J(T) J exp T T(3.4.17)th00 其中，T0为器件的特征温度：越大，稳定性越好取决于器件材料和结构AlGaAs， T0120190

20、oC， InGaAsP， T04075oC ，量子阱器件， T0437oC斜率减小阈值电流增大自动温度控制反馈2. 模式特性与线宽模式稳定性单纵模，窄线宽基横模：TEM00线宽激光腔内自发发射引起光场相位变化载流子浓度变化引起折射率变化，从而使光腔谐振频率变化 X(1 )光源线宽(3.4.18)4P X(1 )光源线宽(3.4.18)4P增大光功率P改变腔结构，增加总体积，增加积储能，增加输出功率减小自发发射速率X注入锁定稳定载流子密度N驱动电流的反馈控制降低线宽提高因子量子阱结构体一般线宽提高因子3 5是折射率实部与虚部之比，幅值-相位耦合因子3. 调制特性幅度调制AM，频率调制FM直接电流

21、调制光强调制(1) 频率响应瞬态特性振荡电光延迟码型效应小信号频率响应限制本征参量寄生参量LD本征参量对调制频率响应影响，电光耦合速率方程：g(N)dN JND(N N)S(3.4.19)theddtspdS D(N NSN)S (3.4.20)thdtphspN为电子浓度，S为光子浓度，J为注入电流密度，Nth为反转阈值电子浓度，d为有源区厚度，为光场约束因子，D为和增益系数相关的比例系数，为自发发射耦合进激光模式的部分，sp为自发发射ph为光子，可表示为 c c g111nln(3.4.21)phith2LR Rn12对于gth50 cm-1，n3.5， ph2 ps决定了直接调制的速率上

22、限近似0，将N、S及J分为稳态及与频率有关的两部分 0 1 exp( jt)(3.4.22)稳态时，有J0 / ed N0 / sp D(N0 Nth )S0D(N0 Nth )S0 S0 / ph 0 0(3.4.23)(3.4.24)利用稳态条件，得 jN1 J1 / ed (1/ sp DS0 )N1 S1/(ph )(3.4.25)jS1 DS0N1(3.4.26)J1DS0 / ed得S () (3.4.27)12 j(1/ DS ) DS / sp00ph1/ 22 则 DS0 1 1 DS(3.4.28)2 0 r 为谐振频率，或phsp振荡频率此时与频率有关的光子浓度呈现峰值一

23、般LD，L300 m，ph=10-12s， sp = 410-9s，DS0 = 109s-1近似有DS0 (3.4.29)rph小信号调制带宽DS0 (3.4.29)rph增大r：增加光增益系数g，增加光子浓度S0，减小光子ph工作在较高电流（IIth），此时有1II1r (3.4.30)spph thL = 300 m， sp = 1 ns， ph=2 ps， I/Ith=2时， r 可达30 GHz工作电流阈值电流寄生参量影响：封装引线电感、电容、电阻(2) 电光延迟电光延迟时间：载流子浓度达到激光阈值需要一定时间阈值前dN JN(3.4.31)spdted达到阈值所需时间1Nth JN

24、J0tdN ln(3.4.32) eddspJ Jspth通过预偏臵，可减小电光延迟时间1JJN Nth tdN plnNdspspJp (Jb Jth ) edbIp ln(3.4.33)spI (II)pbth预偏臵减弱振荡缩短电光延迟时间消除码型效应连“1”连“0”后出现“1”(3) 调制谱特性(4) 动态线宽加宽频率啁啾频率变化： d 4 dtf (t) ln P(t) P(t)(3.4.34)为线宽提高因子，为与LD结构有关的参量消除啁啾降低预偏臵4. 波长调谐特性热（温度）调谐腔长变化0.1 nm/外腔机械调谐：光栅，光纤，自聚焦透镜改变注入电流5. 噪声特性相位或频率噪声工作不稳

25、定引起的噪声 (如P-I 非线性）光纤端面与LD之间互作用引起的噪声（反射噪声，回波损耗）模（式）噪声与模分配噪声相对强度噪声（RIN）P2RIN(1/ Hz ) (3.4.35)2P f其中f为带宽或写为RIN(dB / Hz ) 10 lgP21(3.4.36)f2P单模LD，RIN为-130-160 dB/Hz随注入电流增大而减小与调制频率有关反射到LD的信号会使RIN增大1020 dB，需器【例题3.4.1】问题：设LD的RIN为-160 dB/Hz，为100 W，带宽为1 GHz。计算解：RIN = -160 dB/Hz=10-16(1/Hz)接收的噪声功率P RIN(1/ Hz )P2f 1/ 2 1016 (100 106 )2 109 1/ 2 0.0316W的平均接收功率接收的噪声功率。模噪声(模式噪声)模分配噪声模噪声(模式噪声)在相干光源+多模光纤中存在散斑模分配噪声多纵模反射噪声（光在界面上的反射）激光器不稳定（相位噪声、强度噪声，码间串扰）解决方法光器折射率匹配液，物理接触，一定角