《现代光纤通信技术及应用》课件 第3章 光发送机和光接收机

现代光纤通信技术及应用第3章光发送机和光接收机目录CATALOG010203043.1激光产生的物理基础3.2半导体激光器和发光二极管3.3几种特殊结构的半导体激光器3.4光调制0506073.5光发送机3.6光检测器3.7光接收机3.1激光产生的物理基础PART013.1.1激光产生的原理3.1.2激光器的工作原理12内容三种能级跃迁的方式3.1.1激光产生的原理自发辐射：高能级E2上的电子不稳定，会按一定的概率自发地跃迁到低能机E1上与空穴复合，释放的能量以光子的形式辐射。受激吸收：处于低能级上的电子在入射光的作用下，吸收频率为的光子能量，从低能级E1跃迁到高能级E2上。受激辐射：处于高能级E2的电子在入射光作用下，发射一个和入射光一模一样的光子，跃迁到低能级E1上。3.1.1激光产生的原理双能级原子系统的三种跃迁h

E2E1自发发射跃迁E2E1受激吸收跃迁h

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E2E1受激发射跃迁h

h

受激发射的光子与原光子具有相同的波长、相位和传播方向自发发射和受激发射的特点3.1.1激光产生的原理自发发射的同时总伴有受激发射发生。在热平衡情况下，自发发射占绝对优势。当外界给系统提供能量时，如采用光照（即光泵）或电流注入（即电泵），打破热平衡状态，大量粒子处于高能级，即粒子数反转后，在发光束方向上的受激发射比自发发射的强度大几个数量级。总结激光发射的首要条件：工作物质（即能实现粒子跃迁的晶体材料，如GaAs和InGaAsP）外界供给能量满足粒子数反转（常采用电流注入法）光的吸收和放大3.1.1激光产生的原理光吸收的过程：当某物质与外界处在热平衡状态下，低能级的粒子（电子）数N1总是大于高能级的粒子（电子）数N2，在这种分布状态下，当有光入射时，必然是受激吸收占主要地位，不会出现发光现象，光波经过该物质时强度按指数规律衰减，光波被吸收。粒子数反转分布状态：如果外界向物质提供了能量，就会使得低能级上的电子获得能量大量地激发到高能级上去，像一个泵不断地将低能级上的电子“抽运”到高能级上，我们称这个能量为激励或者泵浦过程，从而达到高能级上的粒子数N2大于低能级上的粒子数N1的分布状态，这种状态称为粒子数反转分布状态。光放大过程:当物质粒子数反转分布状态下，高能级上的大量电子就会在受到外来入射光子的激发下，发射出与入射光子的频率、相位、偏振方向、传播方向完全相同的激发光，这样，就实现了用一个弱的入射光激发出一个强的出射光的放大过程。3.1.2激光器的工作原理激光器的一般工作原理激光器的产生激光器是1960年由美国人梅曼发明的新型光源，利用受激辐射原理，是一种方向性好、强度很高、相干性好的光源。

激光器是用来产生激光的装置，包括工作物质、激励系统和光学谐振腔3个最基本的部分。

1.工作物质：指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的粒子体系，也称激光增益介质。对激光工作物质的主要要求是，尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转。

2.激励系统：指为使激光工作物质实现并维持粒子数反转而提供能量来源的机构或装置。

3.光学谐振腔：通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的两个反射镜按特定的方式组合而成的.3.1.2激光器的工作原理L满足粒子数反转分布的激光工作物质部分反射镜激光器的构成图反射镜激光输出激光器的构成3.1.2激光器的工作原理光学谐振腔示意图光学谐振腔的作用：（1）提供光学反馈能力，使受激辐射光子在腔内多次往返以形成相干的持续振荡。（2）对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一定的定向性和单色性。

光学谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入射光，产生稳定振荡的条件为2L=m

/n，m为纵模基数，n为激光介质的折射率。光的吸收和放大3.1.1激光产生的原理光吸收的过程：当某物质与外界处在热平衡状态下，低能级的粒子（电子）数N1总是大于高能级的粒子（电子）数N2，在这种分布状态下，当有光入射时，必然是受激吸收占主要地位，不会出现发光现象，光波经过该物质时强度按指数规律衰减，光波被吸收。粒子数反转分布状态：如果外界向物质提供了能量，就会使得低能级上的电子获得能量大量地激发到高能级上去，像一个泵不断地将低能级上的电子“抽运”到高能级上，我们称这个能量为激励或者泵浦过程，从而达到高能级上的粒子数N2大于低能级上的粒子数N1的分布状态，这种状态称为粒子数反转分布状态。光放大过程:当物质粒子数反转分布状态下，高能级上的大量电子就会在受到外来入射光子的激发下，发射出与入射光子的频率、相位、偏振方向、传播方向完全相同的激发光，这样，就实现了用一个弱的入射光激发出一个强的出射光的放大过程。3.2半导体激光器和发光二极管 PART023.2.1半导体激光器的发光机理3.2.2半导体激光器的工作特性3.2.3半导体发光二极管的发光机理3.2.4半导体发光二极管的工作特性1234内容1.PN结的能带和电子分布半导体激光器是以半导体材料作为工作物质而产生激光的器件，其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。3.2.1半导体激光器的发光机理图半导体的能带和电子分布2.注入式半导体激光器的工作原理注入式半导体激光器结构示意图上图所示，注入式半导体激光器的主体是一个正向偏置的PN结，当电流密度超过阈值时，注入载流子（电子和空穴）在PN结结区通过受激辐射复合，产生激光。3.2.1半导体激光器的发光机理图注入式半导体激光器结构示意图1.阈值当半导体激光器外加激励的能源功率（一般为电能）超过某一临界值时，激光物质中的粒子数反转达到一定程度，激光器才能克服光学谐振腔内的损耗而产生激光，此临界值就是它的阈值。P-I特性是半导体激光器最重要的特性，注入式半导体激光器P-I特性曲线示意图如上图所示。当注入电流增大时，输出功率也随之增大，在达到阈值电流Ith之前输出荧光，达到Ith之后输出激光。3.2.2半导体激光器的工作特性图注入式半导体激光器P-I特性曲线示意图2.转换效率（1）功率转换效率是输出光功率与消耗的电功率之比：3.2.2半导体激光器的工作特性（2）输出光子数与注入电子数之比为量子效率：3.激光器的温度特性式中，T为器件的绝对温度；I0为常数；T0为激光器材料的特征温度，T0越大，器件的温度特性越好。3.2.2半导体激光器的工作特性半导体激光器的阈值电流、输出光功率和发光波长随温度而变化的特性称为温度特性。4.发射波长和光谱特性1）发射波长3.2.2半导体激光器的工作特性2）光谱特性单模激光(SLM):光谱只有1根谱线，谱线峰值波长称为中心波长，谱线宽度小于0.1nm，光谱很窄。多模激光(MLM):光谱有多根谱线，对应于多个中心波长，其中最大峰值波长称为主中心波长，该模式也称为主模，其它的模式称为边模，谱线宽度为几个纳米。LED发光原理示意图半导体发光二极管（LightEmittingDiode，LED）由P型半导体形成的P层和N型半导体形成的N层，以及中间由双异质结构成的有源层组成。3.2.3半导体发光二极管的发光机理1.P-I特性在注入电流较小时，曲线基本是线性的；当注入电流较大时，由于PN结发热而出现饱和现象。3.2.4半导体发光二极管的工作特性LED的P-I特性曲线示意图2.转换效率（1）内部量子效率是输出光子数与注入电子数之比3.2.4半导体发光二极管的工作特性2.转换效率（2）外部量子效率为3.2.4半导体发光二极管的工作特性3.光谱特性及温度依赖性在室温下，短波长GaAlAs-GaAsLED谱线宽度为30～50nm，长波长InGaAsP-InPLED谱线宽度为60～120nm。随着温度升高，谱线宽度增大，且相应的发射峰值波长向长波长方向漂移，其漂移量为0.3nm/℃左右。3.2.4半导体发光二极管的工作特性LED的光谱特性4.U-I特性图

LED的U-I特性曲线示意图3.2.4半导体发光二极管的工作特性3.2.4半导体发光二极管的工作特性LED与LD的工作原理不同，LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光。LED不需要光学谐振腔，没有阈值。3.3几种特殊结构的半导体激光器 PART033.3.1分布反馈激光器3.3.2分布式布拉格反射激光器3.3.3垂直腔面发射激光器3.3.4光纤激光器1234内容分布反馈（DFB）激光器是采用折射率周期变化的结构实现谐振腔反馈功能的半导体激光器。3.3.1分布反馈激光器图

分布反馈激光器结构示意图3.3.2分布式布拉格反射激光器图

分布式布拉格反射激光器示意图3.3.3垂直腔面发射激光器垂直腔面发射激光器（VCSEL）是很有发展前景的新型光电器件，也是光通信中革命性的光发射器件。VCSEL优于边发射激光器的地方有：易于实现二维平面和光电集成；圆形光束易于实现与光纤的有效耦合；可以实现高速调制，能够应用于长距离、高速率的光纤通信系统；有源区尺寸极小，可实现高封装密度和低阈值电流；芯片生长后无须解理，封装后即可进行在片实验；在很大的温度和电流范围内都能单纵模工作；价格低。3.3.4光纤激光器图

光纤激光器基本结构示意图

3.4光调制 PART043.4.1直接调制3.4.2间接调制12内容光调制方式内

调

制外

调

剂幅度键控半导体光源：直接调制调频副载波（数字信号运用）半导体光源，外腔调制半导体光源，LiNbO3（铌酸锂）调制器频移键控半导体相干光源：直接调制（电控光频微变）半导体相干光源，LiNbO3调制器相移键控半导体相干光源：直接调制（电控光相变化）半导体相干光源，LiNbO3调制器（1）幅度键控（ASK）是通过改变光能强度以载送数字信息，也称光强调制。（2）频移键控（FSK）是通过改变光波的频率以载送数字信息，也称光频调制。（3）相移键控（PSK）是通过改变光波的相位以载送数字信息，也称光相调制。FSK和PSK必须采用相干性很好的光源，即单纵模的谱线很窄的激光光源。根据调制与光源的关系，光调制可分为直接调制和间接调制两大类。表3-1光调制方式直接调制是在光源上直接施加调制信号，使光源在发光过程中完成光的参数调制。半导体激光器或发光二极管都可采用直接调制。半导体激光器的调制信号连同偏流必须超过它的阈值才能实现调制。3.4.1直接调制间接调制是利用晶体电光效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射的调制，这种调制方式既适用于半导体激光器，也适应于其他类型的激光器。间接调制最常用的是外调制的方法，即在激光形成以后加载调制信号。具体方法是在激光器谐振腔外的光路上放置调制器，在调制器上加电压，使调制器的某些物理特性发生相应的变化，激光通过它时得到调制。对某些类型的激光器，间接调制也可以采用内调制的方法，即用集成光学的方法把激光器和调制器集成在一起，用调制信号控制调制元件的物理性质，从而改变激光输出特性以实现调制。3.4.2间接调制

3.5光发送机PART053.5.1光发送机的结构3.5.2光发送机的主要技术指标12内容光发送机由输入接口、光源、驱动电路、监控电路、控制电路等构成，其核心是光源及驱动电路。3.5.1光发送机的结构图光发送机框图1.平均发光功率3.5.2光发送机的主要技术指标2.谱宽3.光源器件的寿命

3.6光检测器PART063.6.1光纤通信对光检测器的要求3.6.2PIN光电二极管的工作机理3.6.3PIN光电二极管的特性3.6.4雪崩光电二极管的工作机理1234内容53.6.5雪崩光电二极管的特性（1）灵敏度高3.6.1光纤通信对光检测器的要求（2）响应速度快（3）噪声小（4）稳定可靠3.6.2PIN光电二极管的工作机理图

PIN光电二极管的结构和它在反向偏压下的电场分布3.6.2PIN光电二极管的工作机理图InGaAsPIN光电二极管的结构1.截止波长λc3.6.3PIN光电二极管的特性2.响应度R3.量子效率3.6.3PIN光电二极管的特