光纤通信原理

1、1,通信用光器件,通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。 光纤通信中，需要有光源发光，将电信号转变为光信号，还要有光接收器件，将光信号转化为电信号。这种发光器件和光接收器件统称为光电器件，或有源器件。 对光信号进行处理的器件称为无源器件。,2,2,光有源器件,定义：需要外加能源驱动工作的光器件 半导体光源(LD,LED) 半导体光探测器(PD:PIN,APD） 光纤激光器（OFL:单波长、多波长） 光放大器(SOA,EDFA) 光波长变换器 光调制器 光开关/路由器,最重要的光通信器件,3,3,光无源器件,定义：不需要外加能源驱动工作的光器件 光纤连接器（固定、活动） 光纤定向耦合器

2、（波长相关性不强） 光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM，波长相关性强) 光衰减器（固定、可变） 光滤波器（带通、带阻） 光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关） 光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅,4,4,光器件与电器件的类比,5,3.1 光源,3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构 3.1.2 半导体激光器的主要特性 3.1.3 分布反馈激光器 3.1.4 发光二极管 3.1.5 半导体光源一般性能和应用,6,3.1 光源,光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。 目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极管或称激光器(LD)和发光二极管或称发光管(LED)， 有

3、些场合也使用固体激光器。 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优良的分布反馈激光器(DFB - LD)，最后介绍可靠性高、寿命长和价格便宜的发光管(LED)。 ,7,8,3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构,半导体激光器是向半导体PN结注入电流， 实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。,9,原子核,电子,高能级,低能级,孤立原子的能级,围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特定的离 散值(离散轨道)，这种现象称为电子能量的量子化。,电子优先抢占低能级,10,N个原子构成晶体时的能级分裂,N

4、 = 4,N = 9,当 N 很大时能级 分裂成近似连续 的能带,11,1.受激辐射和粒子数反转分布,有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。 在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态，能量比基态大的能级Ei(i=2, 3, 4 )称为激发态。 电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式：受激吸收 自发辐射 受激辐射 (见图3.1),12,hf12,初态,(a) 受激吸收；,13,14,15,16,(1)受激吸收 在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后，在低能级留下相同数目的

5、空穴，见图3.1(a)。 (2)自发辐射 在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用， 也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射，见图3.1(b)。 (3)受激辐射 在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射，见图3.1(c)。 ,17,受激辐射和受激吸收的区别与联系 受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即 E2-E1=hf12 (3.1) 式中，h=6.62810-34Js，为普朗克常数，f1

6、2为吸收或辐射的光子频率。 受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。 受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。 自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。 ,18,产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。 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，存在下面的分布,(3.2),式中， k=1.38110-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)0，T0，所以在这种状态下，总是N1N2。 这是因

7、为电子总是首先占据低能量的轨道。,19,受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。 如果N1N2，即受激吸收大于受激辐射。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。 如果N2N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。 N2N1的分布，和正常状态(N1N2)的分布相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。 问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢? 这个问题将在下面加以叙述。 ,20,2. PN结的能带和电子分布,21,满带：各个能级都被电子填满的能带,禁带：两个能带之间的区域其宽度直接决定导电性,能

8、带的分类,空带：所有能级都没有电子填充的能带,价带：由最外层价电子能级分裂后形成的能带,未被电子占满的价带称为导带,禁带的宽度称为带隙,22,导体、绝缘体和半导体,导体： (导)价带电子,绝缘体： 无价带电子 禁带太宽,半导体： 价带充满电子 禁带较窄,外界能量激励,满带电子激励成为导带电子,满带留下空穴,23,图 3.2 半导体的能带和电子分布 (a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体,在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量EC 和价带顶的能量EV 之间的能量差EC-EV=EG称为

9、禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。,24,图3.2示出不同半导体的能带和电子分布图。根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布,式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef 称为费米能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。 在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。 ,(3.3),25,硅的晶格结构,硅的晶格结构 (平面图),本征半导体材料 Si,电子和空穴是成对出现的,Si电子受到激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对出现,此时外加电场，发生电子/空穴移动导电,26,导带 EC,价带 EV,电子跃迁,带隙 Eg = 1.1 eV,电子态数量,空穴态数量,电

10、子浓度分布,空穴浓度分布,空穴,电子,本征半导体的能带图,电子向导带跃迁 空穴向价带反向跃迁,27,非本征半导体材料：n型,第V族元素(如磷P, 砷As, 锑Sb)掺入Si晶体后，产生的多余电子 受到的束缚很弱，只要很少的能量DED (0.040.05eV)就能让它 挣脱束缚成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。,As除了用4个价电子 和周围的Si建立共价 键之外，还剩余一个 电子,A,s,5+,28,导带 EC,价带 EV,施主能级,电子能量,电子浓度分布,空穴浓度分布,施主能级,施主杂质电离使导带 电子浓度增加,N型材料，施主能级,第V族元素称为施主杂质，被它束缚住的多余电子所处的能级

11、称为施主能级。由于施主能级上的电子吸收少量的能量DED后 可以跃迁到导带，因此施主能级位于离导带很近的禁带。,29,非本征半导体材料：p型,由于B只有3个价电 子，因此B和周围4 个Si的共价键还少1 个电子 B容易抢夺周围Si原 子的电子成为负离 子并产生多余空穴,第III族元素 (如铟In,镓Ga,铝Al) 掺入Si晶体后，产生多余的空 穴，它们只受到微弱的束缚，只需要很少的能量 DEA 漂移,n型,p型,36,37,势垒,能量,E,n,c,N,区,零偏压时P - N结的能带倾斜图；,38,正向偏压下P - N结能带图,获得粒子数反转分布,39,增益区的产生： 在PN结上施加正向电压，产生

12、与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益区。 增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布，见图3.3(c)。 在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光。,40,3. 激光振荡和光学谐振腔,激光振荡的产生： 粒子数反转分布（必要条件)+激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择=连续的光放大和激光振荡输出。 基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成(如图3.4所示)，并被称为法布里 - 珀罗(

13、FabryPerot, FP)谐振腔。 由于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。,41,42,43,阈值条件,光在谐振腔内传播，包括： 1. 增益介质的光放大 2. 损耗： A) 工作物质的吸收 B) 介质不均匀引起的散射 C) 端面反射镜的透射及散射,幅度条件：增益能克服损耗 相位条件：光经反射回到初始位置时与原来相位一致,44,当受激辐射光在谐振腔内来回反射一次，相位的改变量正好是2的整数倍时，则向同一方向传播的若干受激辐射光相互加强，产生谐振。达到一定强度后，就从部分反射镜透射出来，形成一束笔直的激光。,45,式中，th 为阈值增益系数，为谐振腔内激

14、活物质的损耗系数，L为谐振腔的长度，R1，R21为两个反射镜的反射率 激光振荡的相位条件为,式中，为激光波长，n为激活物质的折射率，q=1, 2, 3 称为纵模模数.镜面反射有半波损失。激光器只能产生一些离散的波长。每个波长称为激光器的一个纵模。 ,在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为,46,图 3.4 激光器的构成和工作原理 (a) 激光振荡； (b) 光反馈,47,有两种方式构成的激光器：F-P腔激光器和分布反馈型（DFB）激光器。 F-P腔激光器从结构上可分为3种，如图4.9所示。,图4.9 半导体激光器的结构示意图,常用激光器的基本结构,48,4. 半导体激光器基本结构,半导体

15、激光器的结构多种多样，基本结构是图3.5示出的双异质结(DH)平面条形结构。 这种结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。 图中标出所用材料和近似尺寸。结构中间有一层厚0.10.3 m的窄带隙P型半导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。三层半导体置于基片(衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里 - 珀罗(FP)谐振腔。,49,图 3.6 DH激光器工作原理 (a) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布,50,InGaAsP双异质结条形激光器的基本结构,nInGaAsP是发光的作用区，其上、下两层称为限制

16、层，它们和作用区构成光学谐振腔。限制层和作用层之间形成异质结。最下面一层nInP是衬底，顶层P+InGaAsP是接触层，其作用是为了改善和金属电极的接触。,目前，光纤通信用的激光器大多采用如图所示的铟镓砷磷（InGaAsP）双异质结条形激光器。,51,3.1.2 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等于禁带宽度Eg(eV)，由式(3.1)得到 h f =Eg,(3.6),不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长。 镓铝砷-镓砷(GaAlAs-GaAs)材料适用于0.85 m波段 铟镓砷磷 - 铟磷(InGaAsP-InP)材料适用于1.31.

17、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,52,图3.7是GaAlAs-DH激光器的光谱特性。 在直流驱动下， 发射光波长只有符合激光振荡的相位条件式(3.5)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。 图3.7(b)是300

18、 Mb/s数字调制的光谱特性， 由图可见，随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。,53,54,2. 激光束的空间分布,激光束的空间分布用近场和远场来描述。 近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布； 远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。 图3.8是GaAlAs-DH激光器的近场图和远场图，近场和远场是由谐振腔(有源区)的横向尺寸，即平行于PN结平面的宽度w和垂直于结平面的厚度t所决定，并称为激光器的横模。 由图3.8可以看出，平行于结平面的谐振腔宽度w由宽变窄，场图呈现出由多横模变为单横模；垂直于结平面的谐振腔厚度t很薄，这个方向的场图总是单横模。,55,图 3.8 GaAlAs-D

19、H条形激光器的近场和远场图样,56,3.-9典型半导体激光器的远场辐射特性和远场图样 (a) 光强的角分布； (b) 辐射光束,图3.9为典型半导体激光器的远场辐射特性，图中和分别为平行于结平面和垂直于结平面的辐射角，整个光束的横截面呈椭圆形。,57,3. 转换效率和输出光功率特性 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,(3.7a),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。,58,图3.10是典型激光器的光功率特性曲线。 当IIth 时，发出的是受激辐射

20、光，光功率随驱动电流的增加而增加。,59,60,4. 频率特性 在直接光强调制下， 激光器输出光功率P和调制频率f 的关系为,(3.8b),式中， 和分别称为弛豫频率和阻尼因子，Ith 和I0分别为阈值电流和偏置电流；I是零增益电流，高掺杂浓度的LD， I=0， 低掺杂浓度的LD, I=(0.70.8)Ith；sp为有源区内的电子寿命，ph为谐振腔内的光子寿命。,61,图 3.11 半导体激光器的直接调制频率特性,图3.11示出半导体激光器的直接调制频率特性。弛豫频率fr 是调制频率的上限，一般激光器的fr 为12 GHz。在接近fr 处，数字调制要产生弛豫振荡，模拟调制要产生非线性失真。,6

21、2,5. 温度特性,对于线性良好的激光器，输出光功率特性如式(3.7b)和图3.10所示。 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。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,63,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

22、激光器T0=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。 图3.12示出脉冲调制的激光器，由于温度升高引起阈值电流增加和外微分量子效率减小，造成的输出光功率特性P - I曲线的变化。,64,温度升高： - 阈值电流呈指数增长 - 输出功率则明显下降，当达到一定温度时LD不激射,LD的温度特性,温控对LD的正常使用至关重要,65,3.1.3 分布反馈激光器,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。 分布反馈激光

23、器的要求： （1）谱线宽度更窄 （2）高速率脉冲调制下保持动态单纵模特性 （3）发射光波长更加稳定，并能实现调谐 （4） 阈值电流更低 （5）输出光功率更大,66,67,图 3.13 分布反馈(DFB)激光器 (a) 结构； (b) 光反馈,68,如图3.13所示，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)。,ne 为材料有效折射率，B为布喇格波长，m为衍射级数。 在普通光栅的DFB激光器中，发生激光振荡的有两个阈值最低、增益相同的纵模，其波长为,(3.11),69,70,DFB激光器与F-P激光器相比， 具有以下优点： 单

24、纵模激光器 谱线窄， 波长稳定性好 动态谱线好 线性好,71,3.1.4 发光二极管,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。发光二极管的类型：正面发光型LED和侧面发光型LED,72,73,74,发光二极管的特点： 输出光功率较小；谱线宽度较宽；调制频率较低；性能稳定，寿命长；输出光功率线性范围宽；制造工艺简单，价格低廉；适用于小容量短距离系统 发光二极管的主要工作特性： (1) 光谱特性。 发光二极管发射的是自发辐射光， 没有谐振腔对波长的选择，谱线较宽，如图3.15。,75,图 3.15LED光谱特性,76,(2) 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) 输出光功率特性。 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，