光纤通信第3章

1、第三章通信用光3.1光源3.2光探测器3.3光无源元件，返回主目录，第三章通信用光装置，通信用光装置可分为主动元件和被动元件两种类型。主动设备包括光发射机、光接收机和光中继器的核心设备，即光源、光探测器和光放大器，与光纤一起确定基本光纤传输系统的水平。光无源元件主要有连接器、耦合器、波分多路、调制器、光开关和隔离器等，这些装置对光通信系统的配置、功能的扩展和性能的提高不可缺少。本章介绍了通信用光设备的工作原理和主要特点，并为系统设计提供了选择标准。3.1光源，光源是光发射机的核心设备，具有将电信号转换为光信号的功能。目前广泛用于光通信的光源主要是半导体激光二极管或激光(LD)，以及发光二极管或

2、发光管(LED)，还使用固体激光，例如钕掺杂钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器。本节首先介绍半导体激光器(LD)的工作原理、基本结构和主要特性，然后进一步介绍性能更好的分布式反馈激光器(DFB-LD)，最后介绍高可靠性、长寿命和低成本发光管(LED)。羽流、3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器向半导体PN结注入电流，实现粒子数的反向分布，产生感应辐射后，利用谐振腔的正反馈进行光放大，从而产生激光振动。激光(LASER amplifation by stimulated emission of radiation)的缩写。因此，对激光工作原理的讨论应从感应辐射开始。(游戏)1。感应

3、辐射和粒子数反转分布方向性；有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效果。物质的原子有很多能量级别，最低能量级别E1称为基态，能量大于基态ei (I=2，3，4.)被称为此处的状态。低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的电子的转移有三种基本方法(见图3.1):u，图3.1能级和电子跃迁几率(a)感应吸收；(b)自发辐射；(c)感应辐射，(1)在正常状态下，电子位于低能级E1，在入射光作用下吸收光子的能量，并转移到高能级E2，这种转移称为冲击吸收。电子转换后，低能级留下相同数量的孔。请参阅图3.1(a)。在u(2)高能级E2中，电子不稳定，即使没有外部效应，在低能量级E1中，与腔复合自动转换，

4、释放的能量转换为光子辐射，这种转移称为自发辐射。请参阅图3.1(b)。在高能级E2的电子中，入射光的作用下，低能量级E1与腔复合转移和释放的能量产生光的辐射，这种转移称为刺激辐射。请参阅图3.1(c)。尾波，诱导辐射是诱导吸收的逆过程。电子在E1和E2两个级别之间移动，吸收的光子能量或发射的光子能量都必须满足镗孔条件，即hf12 (3.1) 表达式的h=6.62810-34Js，普朗克常量，f12必须满足吸收或发射的光子频率。诱导辐射和自发辐射产生的光的特性很不同。受刺激的发射光线的频率、相位、偏振状态和传播方向与入射光相同，这种光称为干涉光。自发发射光是由许多处于不同激发态的电子的自发转移产

5、生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振状态是混乱的。这种光称为非干涉光。产生感应，感应辐射和产生感应吸收的物质是不同的。单位材料设定的低能级E1和高能级E2(E2E1)的原子数分别为N1和N2。如果系统处于热平衡状态，则存在以下分布：k=1.3810-23j/k，玻耳兹曼常量，t是热力学温度。(E2-E1)0，T0导致在此状态下始终发生N1N2。因为电子总是先占据低能轨道。诱导吸收率和诱导辐射的比率分别为N1和N2，比例系数(吸收和辐射的概率)相同。如果是N1N2，则刺激吸收大于刺激辐射。当光线通过这种物质时，亮度指数衰减，这种物质称为吸收物质。N2N1，即诱导辐射大于诱导吸收时，光线

6、通过这种物质时会发生扩增，这种物质称为激活物质。N2N1的分布与正常状态(N1N2)的分布相反，因此称为粒子(电子)数反向分布。问题是如何获得粒子数反向分布的状态。这个问题将在下面叙述。2.pn结的能带及电子分布极化；半导体是由大量原子周期性秩序组成的共享晶体。在此晶体中，电子的能量状态由相邻原子的作用扩展到能量水平连续分布的能量带，如图3.2所示。能量较低的频带称为扩散带，能量较高的频带称为导带，铅底部的能量Ec和价带顶部的能量Ev之间的能量差Ec-Ev=Eg称为频带宽度或频带间隙。电子不能占据禁区。图3.2半导体的能带和电子分布特征(a)固有半导体；(b) N型半导体；(c) P型半导体，

7、图3.2显示其他半导体的波段和电子分布图。根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为e的能量水平被电子占据的概率是费米分布，在表达式中，k是波兹曼常数，t是热力学温度。T0点P(E)0时，导带几乎没有电子，价格范围内填充了电子。ef被称为费米能量，用于描述半导体的每个能量水平被电子占据的状态。在费米能级，电子占有和孔被占领的概率相同。u形，图3.3km PN结的能带和电子分布运动；(a)P-N结载波运动；(b)零偏压下P-N结的频带图；P-N接合频带图的正向偏置电压(c)通常是唯一半导体中的电子和气阱的对表示，在皮带禁止中心显示为Ef(参见图3.2(a)。固有半导体中混合了称为n型半导体的唐纳杂

8、质。在n型半导体中，随着Ef的增加，导带中的电子增加，原子价带中的孔相对减少(见图3.2(b)。固有半导体中混合了称为p型半导体的主要杂质。在p型半导体中，Ef减少，导向带中的电子减少，原子价带中的洞相对增加(见图3.3 (c)。在由p型和n型半导体组成的PN连接接口中，大多数托架(电子或孔)的倾斜导致形成内部电场的扩散行为(请参见图3.3(a)。内部电场产生扩散和相反方向的漂移运动，直到p区和n区的Ef相同，结果带可以具有倾斜，直到两个运动处于平衡状态(见图3.3(b)。将正向电压应用于PN连接，生成与内部电场方向相反的外部电场，从而减少波段倾斜并提高扩散。如果电子移动方向与电场方向相反，则

9、n区域中的电子移向p区域，p区域中的孔移向n区域，最后在PN连接中形成特殊增益区域。增益区域的导带主要是电子，原子价主要是腔，结果是粒子数的反转分布(见图3.3(见图c)。在电子和腔的扩散过程中，导带上的电子可以转换成原子价和腔的合成，从而产生自发辐射。激光振荡和光学谐振腔粒子数反转分布是产生刺激辐射所必需的，但还不能产生激光。只有将活性物质放置在光谐振腔中，选择光的频率和方向，才能得到连续的光放大和激光振荡输出。基本光谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行镜组成(如图3.4所示)，称为Fabry Perot，FP谐振腔。谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，因此产生的自发辐射光可以用作入射

10、光。入射光通过反射镜反射，轴向传播的光放大，沿非轴向的光减弱。反射光通过多次反馈不断扩大，方向性不断改善，结果增益大大增加。另一方面，由于谐振腔内激活物质的存在吸收，反射镜的透射和散射存在，因此光有所损失。当增益和损失相当大时，谐振腔内稳定的激光振动开始建立。临界条件是图3.4激光器的组成和工作原理失真；(a)激光振动。(b)光反馈，th=，表示式中，th是临界增益系数，是谐振腔内激活物质的损耗系数，L是谐振腔的长度，R1，R21是两个镜的反射度激光振动的相位条件，L=q，表示式中，是激光波长，是.称为纵向模式系数。(游戏)4。半导体激光器基本结构、半导体激光器的结构多样，基本结构是图3.5所

11、示的双异质结(DH)平面条形结构。这种结构由三层不同类型的半导体材料组成，不同的材料发出不同的光波长。该图显示了使用的材质和近似尺寸。结构中间是0.10.3 m厚的窄带隙p型半导体，称为活动层。两侧各为宽带间隙的p型和n型半导体称为极限层。三层半导体位于基板(基板)上，前后两个晶体分解面将fabry-Perot (FP)谐振腔组成镜子。图3.6显示了DH激光器的工作原理。限制层的带隙比活动层更宽，因此应用正向偏移时，p层的孔和n层的电子被注入活动层。p层带隙宽度，铅带能量状态对活动层，对注入电子形成屏障，注入活动层的电子不能扩散到p层。同样，注入到活动层的孔也不能扩散到n层。宽度，图3.6DH

12、激光工作原理(a)短波长；(b)长波长(a)双异质结构；(b)能量带；(c)折射率分布；(d)光功率分布，p带隙宽度，铅带能量准纬活性层，对注入电子形成屏障，注入活性层的电子不能扩散到p层。同样，注入到活动层的孔也不能扩散到n层。这样，注入活动层的电子和孔被限制在厚0.10.3 m的活动层内形成粒子数反转分布，此时只需要极小的加号电流，电子和孔浓度就会增加，从而提高效率。另一方面，活动层的折射率高于限制，因此结果激光仅限于有源，因此电/光转换效率高，输出激光的临界电流很低，热释放量可以在室温下持续工作。羽流，3.1.2半导体激光器的主要特性1。发射波长和光谱特性半导体激光器的发射波长取决于传导

13、带的电子转移到原子价时所发射的能量，该能量几乎等于灯宽Eg(eV)，在表达式(3.1)中，HF=Eg=Eg=Eg表达式中，f=c/，f(Hz)铝砷化镓GaAs材料适用于0.85 m波段，铟镓磷铟磷材料适用于1.31.55 m波段。请参见图3.5(b)。图3.7是GaAlAs DH激光器的光谱特性。在直流驱动下，发射光波长有一定的分布，谱线有明显的模式结构。这种结构是由导频带和原子都是由许多连续能量等级组成的固定宽度波段，两个波段中不同能量水平之间的电子转移产生连续波长的辐射光，因此产生了这种结构。其中只有符合激光振动的相位条件(3.5)的波长存在。这些波长取决于激光的纵向长度l，称为激光的纵向

14、模式。如图3.7(a)所示，随着驱动电流的增加，纵向模式系数逐渐减小，谱线的宽度变窄。这种变化是由于谐振腔对光波频率和方向的选择导致的，边缘模式消失，主模式增益增加。如果驱动电流足够大，多种形式将成为称为静态单种模式激光器的单种模式。图3.7(b)是300 Mb/s数字调制的频谱特性，说明随着调制电流的增加，纵向模式系数增加，频谱宽度扩大。用FP谐振腔可以得到的是直流驱动的静态单纵模式激光器，要获得高速数字调制动态单纵模式激光器，必须改变激光器的结构，如使用分布式反馈激光器。5734l，图3.7 gaalas DH激光光谱特性，dc驱动器；(b) 300 Mb/s数字调制，2 .激光束的空间分

15、布激光束的空间分布用近场和远场描述。近场表示激光输出反射镜中的光强度分布，远场表示距离反射镜一定距离的光强度分布。图3.8是GaAlAs DH激光器的近场和远场图，近场和远场由谐振腔(具有源区)的横向尺寸，即平行于PN连接平面的宽度w和垂直于连接平面的厚度t确定，称为激光器的横向模式。如图3.8所示，平行于连接平面的谐振腔宽度w从宽度缩小，场打印从多横断面模式变为单横断面模式。垂直于连接平面的谐振器厚度t非常薄，并且此方向上的场图始终是单个横截面模式。图3.8 GaAlAsdh条形激光器的近场图(图3.9为典型半导体激光器的远场发射特性，和分别为与连接平面平行的发射角度和垂直于连接平面的发射角

16、度，整个光束的截面是椭圆的)。3.转换效率和输出光电特性激光器的电/光转换效率定义为阈值电流以上、每个复合载波对产生的光子数。3-9典型半导体激光器的远场辐射特性和远场模式(a)光强的角度分布；(b)发射光束、表达式、P和I分别是激光的输出光功率和驱动电流，激光的光功率特性通常用P -I曲线表示，图3.10是典型激光的光功率特性曲线。在IIth中，随着驱动电流的增加，光的功率增加，发出刺激辐射。(游戏)4。频率特性在直接光强度调制下，激光输出光功率P与调制频率f的关系为P(f)=，图3.10典型半导体激光器的光功率特性跃变(a)短波长alg AAS/GaAs；(b)长波长InGaAsP/InP，在样式中，fr和分别称为平滑频率和衰减系数，Ith和I0分别为临界电流和偏置电流。I 是零增益电流，高掺杂浓度的LD，I=0，低掺杂浓度的LD，I =(0.7 0.8)ith；sp是源区的电子寿命，ph是谐振腔内的光子寿命。图3.11显示了半导体激光器的直接调制频率特性。松弛频率fr是调制频率的上限，普通激光的fr是1-2 GHz。接近Fr时，数字调制产生缓和振动，模拟调制产生非线性失真。图3.11半导体激光器的直接调制频率特性，5 .温度特性对于线性良好激光，输出光功率特性如表达式(3.7b)和图3.10所示。激光输出光功率随温度变化有两个原因。一是激光的临界电流Ith