第四章光源及光发射机.docx
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第四章光源及光发射机
第四章光源及光发射机
4.1概述
一、光发射机
1、光发射机基本功能:
是将携带信息的电信号转换成光信号,并将光信号送入光纤中。
2、光发射机构成:
光源、驱动电路及一些辅助控制电路。
(辅助控制电路例如:
发送光的一部分反馈到光源的输出功率稳定电路,即光功率控制AGC电路;因为输出光功率与温度有关,一般还加有自动温度控制ATC电路)
二、光源
1、光源作用:
可实现从电信号到光信号的转换,是光发射机以及光纤通信系统的核心器件,它的性能直接关系到光纤通信系统的性能和质量指标。
2、光纤通信对光源的要求:
(1)光源发射的峰值波长应在光纤低损耗窗口之内;
(2)有足够高的、稳定的输出光功率,以满足系统对光中继段距离的要求;
(3)电光转换率高、驱动功率低,寿命长、可靠性高;
(4)单色性和方向性好,以减少光纤的材料色散,提高光源和光纤的耦合效率;
(5)易于调制,响应速度快,以利于高速率、大容量数字信号的传输;
(6)强度噪声要小,以提高模拟调制系统的信噪比;
(7)光强对驱动电流的线性要好,以保证有足够多的模拟调制信道。
3、目前用于光纤通信的光源类型:
(1)半导体激光器(LaserDiode,LD):
适用于长距离大容量的光纤通信系统。
尤其是单纵模半导体激光器,在高速率、大容量的数字光纤通信系统中得到广泛应用。
(2)半导体发光二极管(LightEmittingDiode,LED):
适用于短距离、低码速的数字光纤通信系统,或者是模拟光纤通信系统。
其制造工艺简单、成本低、可靠性好。
有些场合也使用固体激光器。
三、调制方式:
直接调制(现在大多数情况均采用直接调制光载波的调制方式)和外调制(在高速率DWDM系统和想干检测系统中必须采用光的外腔调制)。
合理的设计可使光发射端机工作在10~15Gb/s速率。
4.2半导体激光器工作原理和基本结构
4.2.1激光产生的原理
一、光子的概念
1.光是由能量为hf的光量子组成的,其中h=6.626X10-34JS,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。
2.不同频率的光子具有不同的能量。
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。
3.光具有波、粒两重性。
二、原子的能级及费米能级
1.原子能级:
(1)原子组成:
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。
当物质中原子的内部能量变化时,可能产生光波。
(2)电子运动:
电子在原子中围绕原子核按一定轨道运动,而且只能有某些允许的轨道。
由于在每一个轨道内运动,就相应具有一定的电子能量,因此,电子运动的能量只能有某些允许的数值。
(3)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,而是分散的。
我们把这些分立的能量值称为原子的不同能级;粒子处于最
低能级时的能级称为基态,处于比基态高的能级时,称为激发态。
最低的能级Ei称为基态,能量比基态大的所有其他能级Ei(i=2,3,4,…)都称为激发态。
当电子从较高能级E2跃迁至较低能级Ei时,其能级间的能量差为?
E=E2-Ei,并以光子的形式释放出来,这个能量差与辐射光的频率f12之间有以下关系式(也叫波尔条件)
.汨=E2—E’=hf12(4.1)
式中,h为普朗克常数,f12为吸收或辐射的光子频率。
当处于低能级Ei的电子受到一个光子能量?
E=hf12的光照射时,该能量被吸收,使原子中的电子激发到较高的能级E2上去。
光纤通信用的发光元件和光检测元件就是利用这两种现象。
(4)粒子的玻尔兹曼分布:
通常情况下,大多数粒子处于基态,少数粒子被激发至高能级,且能级越高,处于该能级的粒子数越少。
在热平衡条件下,各能级上的粒子数分布满足玻尔兹曼分布:
书上第47页,公式(3.2)
2.费米能级:
(1)电子按能量大小的分布确有一定的规律。
(2)电子占据能级的概率遵循费米能级统计规律:
在热平衡条件下,能量为E的能级被一个电子占据的概率为
_1
f(E)二e(E』f)/koT(4.2)
(3)费米统计规律是物质粒子能级分布的基本规律,它反映了物质中的电子按一定规律占据能级。
三、光与物质的相互作用
光可以被物质吸收,也可以从物质中发射。
在研究光与物质的相互作用时,爱因斯坦指出,这里存在着三种不同的基本过程,即自发辐射、受激吸收以及受激辐射。
1.自发辐射:
(1)概念:
处于高能级E2上的电子是不稳定的,即使没有外界的作用,也会自发地跃迁到低能级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——发光二极管。
发射光子的频率
E2-E
(4.3)
(2)特点:
2.受激吸收:
(1)概念:
在正常状态下,电子通常处于低能级(即基态)Ei,在入射光的作用下,电子吸收光子的能量后跃迁到高能级(即激发态)E2,产生光电流,这种跃迁称为受激吸收一一光电检测器。
(2)特点:
②受激跃迁的过程不是放出能量,而是消耗外来光能。
3.受激辐射
(1)概念:
在高能级E2上的电子,受到能量为hfi2的外来光子激发时,使电子被迫跃迁到低能级Ei上与空穴复合,同时释放出一个与激光发光同频率、同相位、同方向的光子(称为全同光子)。
由于这个过程是在外来光子的激发下产生的,所以这种跃迁称为受激辐射一一激光器。
(2)特点:
①
2受激过程中发射出来的光子与外来光子不仅频率相同,而且相位、偏振方向和传播方向都相同,因此称它们是全同光子。
受激辐射的发光是相干光。
3这个过程可以使光得到放大。
四、受激辐射和受激吸收的区别与联系
1、产生光的特点不相同
(1)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。
(2)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。
2、产生的物质不同
设在单位物质中,处于低能级曰和处于高能级E2(E2>E1)的原子数分别为N1和N2。
式中,k=1.381X10-23J/K,为波尔兹曼常数,T为热力学温度。
由于仁2七1)>0,T>0,所以在这种状态下,总是N1>N2。
这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。
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。
(1)如果N1>N2,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。
(2)如果N2>N1,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。
(3)N2>N1的分布,和正常状态(N1>N2)的分布相反,所以称为粒子(电子)数反转分布。
五、激光器的一般工作原理
1.概念:
激光器是指能够产生激光的自激振荡器。
(要使得光产生振荡,必须先使光得到放大,而产生光放大的前提,由前面的讨论可知,是物质中的受激辐射必须大于受激吸收。
受激辐射是产生激光的关键。
)
2.结构:
(1)必须有产生激光的工作物质(激活物质):
即处于粒子数反转分布状态的工作物质,称为激活物质或增益物质,它是产生激光的必要条件。
(2)必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源(泵浦源):
使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源,称为泵浦源。
物质在泵浦源的作用下,使得N2>Ni,从而受激辐射大于受激吸收,有光的放大作用。
这时的工作物质已被激活,成为激活物质或增益物质。
(3)光学谐振腔:
激活物质只能使光放大,只有把激活物质置于光学谐振腔中,以提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择,才能获得连续的光放大和激光振荡输出。
一般为的光学谐振腔由两个反射率分别为Ri和R2的平行反射镜构成
(如图4.1所示),并被称为法布里-珀罗(FabryPerot,FP谐振腔。
图4.1
(a)激光振荡;(b)光反馈
上述结构的三个部分也是产生激光的三个先决条件。
3.产生激光其它条件:
产生激光除了上述的三个先决条件外,还要有以下两个条件:
(1)阈值条件:
在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为
11rthIn(4.5)
2LR1R2
式中,丫th为阈值增益系数,a为谐振腔内激活物质的损耗系数,L为谐振腔的长度,R1、R2<1为两个反射镜的反射率。
(2)相位条件:
L=q或,二经(4.6)
2nq
式中,入为激光波长,n为激活物质的折射率,q=1,2,3称为纵模模数。
0光的增益和损耗间应满足平衡条件——阚值条件*
•在谐振腔中,光波反复反射能得到加强,从而能够
存在,应满足的条件——相位条+K
4.2.2半导体中光的发射原理
一、半导体材料的能带结构
1■半导体的能带
(1)半导体能带:
半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体,其原子最外层电子轨道相互重叠,从而使其分立的能级形成了能级连续分布的能带。
(2)能带的分层:
按能带能量的高低分为:
导带、禁带、价带(见图4.2)
a.价带:
能量最低的能带,相对应于原子最外层电子(价电子)所填充的能带,处在价带的电子被原子束缚,不能参与导电;
b.导带:
价带中电子在外界能量作用下,可以克服原子的束缚,被激发到能量更高的导带之中去,成为自由电子,可以参与导电;
c.禁带:
处在导带底Ec和价带顶的能量Ev之间的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。
电子不可能占据禁带。
2.PN结:
半导体光源的核心是PN结,将P型半导体与N型半导体相接触就形成PN结。
(1)本征半导体:
不掺杂的半导体,本征半导体的电子和空穴是成对出现的,
用Ef位于禁带中央来表示。
(2)N型半导体:
在本征半导体中掺入施主杂志形成N型半导体。
N型半导体中过剩电子占据了本征半导体的导带|
处在高能级的电子增多,其费米能级就较本征半导体的要高,当杂志浓度增大时,费米能级向导带移动,在重掺杂情况下,费米能级可以进入导带,称为兼并型N型半导体。
(3)P型半导体:
在本征半导体中,掺入受主杂质,称为P型半导体
P塑半导体中过剩空穴占据了价带.
其费米能级就较本征半导体的要低,当杂质浓度增大时,费米能级向价带移动,在重掺杂情况下,费米能级可以进入价带,称为兼并型P型半导体。
图4.2
(c)P型半导体
(a)本征半导体;(b)N型半导体;
二、半导体PN结光源(现教材第48页)
1.PN结的形成:
(第48页图3.3)
2.PN结外加压:
(1)PN结正向偏压:
在PN结上施加正向电压,产生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P区空穴不斷流向N区,N区电子流向P区,通过复合发光。
』自发发射复合——LED
M受激发射复合——LD
(2)PN结反向偏压:
区域内电子和空玄都很少二形威髙阻
3.PN结类型:
(1)同质结:
PZ茫的两边使円和同的羊丰体行忡p、n区具有相同的带隙、
接近相同的折射率。
有源区时戢眾子帚芜孑朋:
艮汀作用甩一稻:
(2)异质结:
麦寛晞障的P型和Z那卡导朱封糾辽
间菇近…簿沙带庶的计*4就是由带隙及折射率都不同的两种半导体材料构
a.单异质结(SH):
b•双单异质结(DH):
激活区两侧存在势垒,对载流子有限制作用;材料折射率差异较大,光波导效应显著,损耗大大减少。
4.3半导体发光二极管
4.3.1发光二极管的工作原理及特点
一、发光二极管的工作原理
1■工作原理:
发光二极管(LED)是非相干光源,是无阈值器件,它的基本工作原理是自发辐射。
2■与半导体激光器差别:
(1)发光二极管没有光学谐振腔,不能形成激光;
(2)仅限于自发辐射,所发出的是荧光,是非相干光;半导体激光器是受激辐射,发出的是相干光;
(3)发光过程中PN结也不一定需要实现粒子数反转。
当注入正向电流时,注入的非平衡载流子在扩散过程中复合发光。
3■适用范围:
低速涩’短匪离光波瓠统..
4.LED优点:
•结构简单.•成本低••寿命长"•可竈性高.
*随温度变化较小。
5.缺点:
』输出功率低。
0输出光束发散角较大,報合效率低.
♦光源谱线较宽。
d响应速度校慢。
4.3.2发光二极管的结构及分类
冒ED特点:
工艺简单.
发散角大*
效率低.
调制带宽较窄•
、面发光二极管(SLED):
从平行于结平面的表面規丸.
■为提高面发光LED与光纤的耦合效率:
•在井中放置一个截球透镜;
•或者将光纤末端形成球透镜,
、边发光二极管(ELED):
从结区的边缘发也
ELED特点:
发散角s耦合效華和调制帶宽均比面发光LED有改善.
4.3.3发光二极管的工作特性
一、光谱特性
1■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。
(LED
谱线宽度?
入比激光器宽得多)
2光谱半极大值全宽(FWHM):
图4.3InGaAsPLED的发光光谱
3对于—个典型13umLED>其谱宽为50-60nm;
4丄ED的比特率-距离积BL不高叮led主要用于短途、低速率的本地网*5■线宽随有源区掺杂浓度的增加而增加,面发光二极管一般是重掺杂,而边发光二极管为轻掺杂,因此面发光二极管的线宽就较宽,且重掺杂时,发射波长还向长波长方向移动。
同时,温度的变化会使线宽加宽。
二、P-I特性
1■定义:
是指输出光功率随注入电流的关系。
2特点:
(1)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。
(2)在同样的注入电流下,面发光二极管的输出功率要比边发光二极管大2.5~3倍,这是由于边发光二极管受到更多的吸收和界面复合的影响。
(3)输出才卑泄温适升髙用减小。
但是发光二极管的温度特性相对较好,在实际应用中,一般可以不加温度控制。
三、发光效率
1■定义:
是描述发光二极管电光能量转换的重要参量。
2.分类:
(1)内量子效应i:
代表有源区产生光子数与注入的电子一空穴对数之比
(4.8)
(2)外量子效应e:
即总效率
(4.9)
代表输出的光子数与注入的总电子数之比。
3.内量子效应、外量子效应的关系和区别
(1)内量子效率i是衡量发光二极管把电子—空穴对(注入电流)转换成光子能力的一个参数;与e不同的的是,i与发光二极管的几何尺寸无关,是评价发光二极管半导体晶片质量的主要参数。
(2)i是发光二极管把电子—空穴对(注入电流)转换成光子(光)效率的直接表示,但要注意,并非所有光子都出射成为输出光,有些光子由于各种内部损耗而被重新吸收。
e是发光二极管把电子-空穴对(注入电流)转换成输出光的效率象征。
e总是比i小。
四、调制特性
1•直接调制:
直接改变光源注入电流实现调制的方式称为直接调制
2.频率特性:
(1)更匕二荷脅紂織亦响应汀以农亍
(4.10)
/V)卩⑼
4.4半导体激光二极管
4.4.1激光二极管的结构与工作原理
一、激光二极管的结构
采用双异质结结构(与LDE不同的是,纵向的两个端面是晶体的理解面。
相互平行且垂直于结平面)
以双异质结(DH)平面条形激光器(条形有源区的激光器)结构为例:
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。
@)短波长(b)长波长
图4.4激光二极管的结构
1.有源层:
结构中间有一层厚0.1~0.3卩m的窄带隙P型半导体,称为有源层。
2.限制层:
两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体,称为限制层。
3■法布里-珀罗(FP)谐振腔:
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。
二、DH激光器工作原理
1.由于限制层的带隙比有源层宽,施加正向偏压后,P层的空穴和N层的电子注入有源层。
2.P层带隙宽,导带的能态比有源层高,对注入电子形成了势垒,注入到有源层的电子不可能扩散到P层。
同理,注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。
3.这样,注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.1~0.3卩m的有源层内形成粒子数反转分布,这时只要很小的外加电流,就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。
4.另一方面,有源层的折射率比限制层咼,产生的激光被限制在有源区内,因而电/光转换效率很高,输出激光的阈值电流很低,很小的散热体就可以在室温连续工作。
三、DH激光器的两种结构
1.增益导引条形
限制光的办法:
电流在狭窄的中间带内注入,导致载流子浓度在条形区最高,光被限制在条形区域内.
2.折射率导引条形:
限制光的办法:
在侧向引入折射率差,以达到限制光场的目的"
4.4.2激光二极管的工作特性
一、发射波长
半导体激光器的发射波长等于禁带宽度Eg(eV),由式(4.1)得到
hf=Eg(4.12)
式中,f=c/入,f(Hz)和入(卩m)分别为发射光的频率和波长,c=3x108m/s为光
速,h=6.628X10-34JS为普朗克常数,1eV=1.6X10-19J,代入上式得到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入。
傢铝砷-傢砷(GaAIAs-GaAs)材料适用于0.85卩m波段
铟傢砷磷-铟磷(InGaAsP-InP)材料适用于1.3~1.55卩m波段
hc1.24
(4.13)
A.——
EgEg
二、P-I特性:
1■阈值特性:
对于LD,当外加正向电流达到某一数值时,输出光功率急剧增加,这时将产生激光振荡,这个电流称为阈值电流,用Ith表示。
2■阈值与温度的关系:
温慶升高时性能下降*阈值电流随溫度按指数增长・
■阀值电流随温度按指数增悅:
•特征温度心代表阖值电流心对温度的灵敏度.
«^InGaAsPSt光器,T&:
50-70K,
对温度比较敏感,需内装热电敦冷器.
■对GaAs光器,T^>120K.
3.
-I曲线:
光谱随着激励电流的变化而变化。
当IvIth时,发出的是荧光,光谱很宽,如下图(a)所示。
当l>Ith后,发射光谱突然变窄,谱线中心强度急剧增加,表明发出激光,如下图(b)所示。
nd(外微分量子效率)
图4.5激光阈值
三、转换效率:
半导体激光器的电光功率转换效率常用微分量子效率
表示,其定义为激光器达到阈值后,输出光子数的增量与注入电子数的增量之比,其表达式为
(4.15)
式中,P为激光器的输出光功率;I为激光器的输出驱动电流,Pth为激光器的阈值功率;Ith为激光器的阈值电流;hf为光子能量;e为电子电荷。
四、调制特性:
在实际的调制电路中,为提高响应速度及不失真,需要进行直流偏置处理。
■高速调制下出现的现象:
〔.电光延迟:
輸出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间.
2.张弛振荡:
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.
3.自脉动现象:
当注入电流达到某个范囲时,输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡*
◎自脉动现象往往和PJ曲
线的非线性有关。
鼻调制速率低时,结发热效应现象更明显“
&结发热效应:
•定义:
由于调制电流的作用,引起激光器结区温度的变化,使输出光脉冲的形状发生变化.
4.码型效应:
由电光延迟产生
(1)定义:
当电光延迟时间与数字调制的码元持续时间为相同数量级时,会使后一个光脉冲幅度受到前一个脉冲的影响,这种影响现象称为“码型效应
(2)消除方法:
增加直流偏置电流
4.5数字光发射机
4.5.1概述
根据LED、LD的调制特性可以知道,传输不同的数字、模拟信号对光源采取的驱动方式不同以及对信号的处理方式不同,造成了模拟系统与数字系统的差异。
关于模拟传输系统将在第6章作具体介绍,本节主要介绍数字光发射机的组成及特性。
一、数字光发射机的组成:
数字光发射机的基本组成:
光源、输入电信号的接口电路、光源的驱动电路以及光源的控制、保护电路等四部分。
书上第76页,图4.2
数孚光发射机核心:
光源和电路
光源:
实现电/光转换的关键器件,在很大程度上
决定着光发射机的性能。
电路:
其设计应以光源为依据,使输出光信号准确
反映电41号4
光源的控制电路:
温度控制(ATC)和功率控制
(APC)电路,它们的作用:
消除温度变化和器件
老化的彩响,稳定发射机性能。
其它的控制剋路:
芜源慢启动保护电路、激光器
反向冲击电流保护电路、激光器过流保护电路施激光器关斷起路口
光源的驱动电路是光发射机的主要部分:
对于目前的通信系统,它将输入的电脉冲信号通过电流强度的调制方式来调制半导体光源发射光脉冲信号。
(书上第76页)
1、光源
2、调制电路和控制电路
3、线路编码电路
二、数字光发射机的功能:
(1)电端机输出的数字基带电信号转换为光信号
(2)用耦合技术注入光纤线路
(3)用数字电信号对光源进行调制
4・5・2光源的驱动
一、光源驱动的定义:
光源的驱动就是根据输入的电信号产生相应的光信号的过程。
二、驱动方式:
1、内调制:
直接调制就是将电信号直接注入光源,使其输出的光载波信号的强度随调制信号的变化而变化,又称为内调制。
(又可分为模拟调制和数字调制)
图4.16直接光强度数字调制原理
2、外调制:
间接调制不直接调制光源,而是利用晶体的电光、磁光和声光特性对LD所发出的光载波进行调制,即光辐射之后再加载调制电压,使经过调制器的光载波得到调制,这种调制方式又称作外调制。
特点:
调制系统比较复杂、损耗大、而且造价也高。
但谱线宽度窄,可以应用于
>2.5Gbit/s的高速大容量传输系统之中,而且传输距离也超过300km以上;调
制信号啁啾小;外调制器以LN电光调制和EA电致吸收为主
电调制信号输入
图4.7间接调制激光器的结构
4・5・3驱动电路
驱动电路由调制电路和控制电路两部分组成。
一、比笔射机的诉祀电路(主盞电略;
光源注入合适的懾置电流和调制电流就能发射光,也就是说可以通Ji直接调制电流荷号从而调制光信号*这也就是直接调制名称的由来。
在发射机中是由蛆动电路完成的提供桓定的
備置电流和调制电流,并采用一定的机制保持光功率不变。
驱动电路由调制电路和控制电路两部分组成。
调制电路为主要电路,
二、LED与LD的驱动
驅动电路作用:
将电功率转换成光功率,并将要传输的电信号调制到光源的输出上。
LED的驱动电路比較简单,而LD的驱动电路相
当的复杂。
驱劫电路应该能对光源同时提供偏置电流和随荷
号而变化的调制电流。
大多数光幷通馆系统采用数字调制方式。
模拟驱
动电路:
保证光源的输出光功率随信号电压的福度、
相住成线性地变化。
1.LED驱动:
LED作为数字系统光源时,驱动电路要求提供几十到几百毫安的
“开”、“关”电流。
由于发光二极管的特性曲线比较平直,温度对光功率的影响
也不严重,因此它的驱动电路一一般比较简单,不需要复杂的温度控制和功率控制。
(书上第78页,图4.6)
2.LD驱动:
LD的驱动要复杂得多,尤其在高速
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- 第四 光源 发射机