光通信技术 教学课件 ppt 作者 韩太林 第2章

第2章通信用光源 【知识要点】,光源是光发射机的主要器件，主要功能是实现信号的电光转换；光检测器位于光接收机内，主要功能是实现信号的光电转换，不同的光纤通信系统对于光电探测器的要求不同。通过本章的学习使读者了解光纤通信系统所使用的光有源器件的基本要求、类型及在系统中的应用，重点掌握半导体光源的发光机理，半导体激光器的工作原理和特性。 光源是光纤传输系统中的重要器件。它的作用是将电数字脉冲信号转换为光数字脉冲信号并将此信号送入光纤线路进行传送。,目前，光纤通信系统中普遍采用的两大类光源是激光器（Laser Diode，LD）与发光管（Light Emitting Diode，LED）。在高速率、远距离传输系统中均采用光谱宽度很窄的分布反馈式激光器（DFB）和多量子阱激光器（MQW）。在采用多模光纤的数据网络中，现在使用了新型的垂直腔面发射激光器（VCSEL）。,光纤通信系统所采用的光接收器件叫做光探测器，其作用是把接收到的光信号转换为电信号。光电探测器决定着整个信息系统的灵敏度、带宽及适应性。因而，不同的光纤通信系统对于光电探测器有不同的要求。归纳起来，主要有以下几点。 1）在光纤通信所用的波长内，要有足够的灵敏度。 2）要有足够的带宽，即对光信号有快速的响应能力。 3）在对光信号解调的过程中引入的噪声要小。 4）光电探测器要体积小，使用方便，可靠性要高。 5）可低功率工作，不需要过高的偏压或偏流。,2.1光源性能的基本要求与类型,2.1.1光纤通信对光源性能的基本要求,（1）发光波长与光纤的低衰减窗口相符,石英光纤的衰减波长特性上有三个低衰耗的“窗口”，即850nm附近、1310nm附近和1550nm附近。因此，光源的发光波长应与这三个低衰减窗口相符。AlGaAs-GaAs激光二极管和发光二极管可以工作在850nm左右，InGaAsP-InP激光二极管和发光二极管可以覆盖1310nm和1550nm两个窗口。,（2）足够的光输出功率,在室温下能长时间连续工作的光源，必须按光通信系统设计的要求，能提供足够的光输出功率。以单模光源为例，目前激光二极管能提供500W2mW的输出光功率（指尾纤输出，下同）；发光二极管可输出10W左右的输出光功率。为了适应中等距离（如1025km）传输要求，有的厂家研制出了输出光功率为100300W左右的小功率激光器。,（3）可靠性高、寿命长,光纤通信系统一旦连接进网，就必须连续工作，不允许中断，因此要求光源必须可靠性高，寿命长。初期激光二极管的寿命只有几分钟，是无法使用的。现在的激光二极管寿命已达百万小时以上，这对多中继的长途系统来说是非常必要的。例如，北京到武汉约1000km，若平均50km设一个中继站，单系统运行（无备用系统），则全程不少于40只激光二极管。若每只二极管的平均寿命为100×104h，则从概率统计的角度每2.5×104h（相当于2.8年）就可能出现一次故障。,（4）温度稳定性好,光源的工作波长和输出光功率都与温度有关，温度变化会使光通信系统工作不稳定甚至中断，因此希望光源有较好的温度特性。目前较好的激光二极管已经不再需要用致冷器和ATC电路来保持工作温度恒定，只需有较好的散热器即可稳定工作。,（5）光谱宽度窄,由于光纤有色散特性，使较高速率信号的传输距离受到一定限制。若光源谱线窄，则在同样条件下的无中继传输距离就长。例如，单模155Mbit/s系统要求无再生传输全程总色散为300ps/（nm·km），当采用普通单模光纤工作在1550nm窗口时，是一个色散限制系统。这时光纤色散约为1820ps/（nm·km）。如果光源谱宽为1nm，只能传输17km左右；若光源谱宽为0.2nm时，传输距离可达80km以上。目前较好的激光二极管谱宽已可做到0.1nm。,（6）调制特性好,光源调制特性要好，即有较高的调制效率和较高的调制频率，以满足大容量高速率光纤通信系统的需要。,（7）与光纤的耦合效率高,光源发出的光最终要耦合进光纤才能进行传输，因此希望光源与光纤有较高的耦合效率，使入纤功率大，中继间距加大。目前一般激光二极管的耦合效率为2030。较高水平的耦合效率可超过50。,（8）尺寸小、重量轻,通信用光源必须尺寸小，重量轻，便于安装使用，利于减小设备的重量与体积。,2.1.2一般光源的类型与应用特点,目前，光纤通信使用的光源均为半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）。半导体光源最突出的优点是其工作波长可以对准光纤的低损耗、低色散窗口，此外它们还具有体积小、功耗低、易于实现内调制等特点，因而特别适用于光纤通信。半导体光源也存在非常突出的缺点，包括输出功率小、热稳定性差、远场发散角大。所谓远场发射角大，是指半导体光源发出的激光功率（与其他激光器相比）不够集中，大致分布在30°左右的立体角内，因而有相当一部分光功率不能耦合进光纤，这一部分丢失的光功率就是“入纤损耗”的主要机理。半导体光源的输出功率小和入纤损耗大，对于光通信应用的主要影响是限制了通信的无再生距离。半导体光源的热稳定性差，因而对端机的环境温度有严格要求，环境温度超过40时应有监测和告警。,目前实用的LD有双异质结（DH）激光器、掩埋条形（HL）激光器、分布反馈（DFB）激光器和量子阱激光器（MQW）。输出功率大、阈值电流低、热稳定性好的量子阱激光器已完全达到商用水平。发光二极管分为边发光、面发光和超辐射三种结构。半导体光源的材料为V族化合物半导体单晶。传统的半导体材料单晶Si和Ge，因为发光效率太低而不能制作光源，GaAs-GaAlAs系列用于中心波长为850nm的短波长光源，InP-InGaAsP系列则为1310nm、1550nm的长波长光源材料。光源的工作波长只取决于其材料的组成，与结构无关。同一波长的LD和LED采用相同组成的有源层（即发光层），它们的区别在于结构和工作原理不同。表2.1给出了半导体光源性能指标的大致量级。从表中可以看出：LD的输出功率大，入纤耦合效率高，但稳定性较差；而LED的输出功率小，耦合损耗也较大，但稳定性好，寿命几乎不成问题，价格也较LD便宜。一般长途干线使用LD作光源，短距离的本地网发送机选用LED。,表2.1半导体光源性能指标的大致量级,2.2半导体光源,2.2.1半导体光源的发光机理,半导件激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数的反转分布，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。 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，原子由原子核和绕核运动的电子组成。核外电子在进行高速运动的时候，轨迹并不是圆形，有时候距离原子核距离较近，有时候距离较远，所以电子的势能在不断变化，我们把电子具有的内能称为粒子的能级。电子在原子核外就存在许多能级，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。,通常，绝大部分粒子处于基态，只有较少数的粒子被激发到高能级，且能级越高，处于该能级的粒子数越小。在热平衡状态时，粒子在各能级之间的分布符合费密统计规律，其数学表达式为 （2-1） 式中，f（E）是能量为E的能级被一个电子占据的几率，称为费密分布函数；k0=1.38×10-23J/K，k0为玻耳兹曼常数；T为热力学温度；EF为费密能级，它与物质的特性有关。对于EF以下的所有能级，电子占据的可能性大于1/2，对于EF以上的所有能级，电子占据的可能性小于1/2。,电子在低能级E1的基态和高能级Ei的激发态之间的位置变化叫做跃迁。电子在原子核外的跃迁有三种基本方式：自发辐射、受激辐射和受激吸收。为了简便起见，只考虑粒子的两个能级E1和E2，如图2.1所示，以此为例讨论上述三种过程。,1）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E1留下相同数目的空穴，如图2.1a所示。,图2.1 半导体光源的发光机理示意图 a）受激吸收 b）自发辐射 c）受激辐射,2）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，释放的能量转为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射，如图2.1b所示。自发辐射的特点是：各个处于高能级的粒子都是自发地、独立地进行跃迁，其辐射光子的频率不相同，所以自发辐射的频率范围是很宽的。即使有些粒子在相同的能级间跃迁，频率相同，但它们发射的方向和相位也是不同的。例如，普通的光、灯光等就是这种光，它们由不同频率、不同方向、不同相位和不同偏振方向的光子组成，叫做非相干光。 3）处于高能级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，产生两个光子，这两个光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向、运动方向都相同，称它们为全同光子，这种跃迁称为受激辐射，如图2.1c所示。因受激辐射而产生的光子与激发光子相叠加，可以使入射的光得到放大。固体、液体、气体以及半导体激光器都是利用受激辐射过程来产生激光。,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玻尔条件，即 E2-E1=hf12 （2-2） 式中，h为普朗克常数，h=6.626×10-34J·s；f12为吸收或辐射的光子频率。,2.2.2粒子数反转分布,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，处于低能级和处于高能级的粒子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态时，存在分布 （2-3） 式中，k0为玻尔兹曼常数，k0=1.38×10-23J/K；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。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。,通常情况下，粒子具有正常能级分布，总是低能级上的粒子数比高能级上的粒子数多。所以光的受激吸收比受激辐射强，因此光总是受到衰减。要想获得光的放大，必须使受激辐射强于受激吸收。也就是说，使N2 N1，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。N2 N1的分布和正常状态（N2 N1）的分布相反，所以称为粒子（电子）数反转分布。处于粒子数反转分布的物质称为激活物质或增益物质。要想得到粒子数反转分布，一般采用光激励、放电激励、化学激励等方法，给物质能量，以求把低能级的粒子激发到高能级上去，这个过程叫泵浦。,2.2.3激光振荡和光学谐振腔,粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，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。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M1、M2构成，并被称为法布里珀罗（Fabry-Perot，F-P）谐振腔，如图2.2所示。其中一个反射镜的反射率为100，另一个反射率为95。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。入射光经反射镜反射，沿轴线方向传播的光被放大，沿非轴线方向的光被减弱。反射光经多次反馈，不断得到放大，方向性得到不断改善，结果增益大幅度得到提高。,另一方面，由于谐振腔内激活物质存在吸收，反射镜存在透射和散射，因此光受到一定损耗。当增益和损耗相当时，在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡。,图2.2 激光器的构成和工作原理,以上激活物质和光学谐振腔只是为激光的产生提供了必要的条件。为了获得激光振荡，还必须满足一定的阈值条件和相位条件，下面对此进行讨论。,（1）阈值条件,设增益介质单位长度的小信号增益系数为G0，损耗系数为i，两个反射镜M1、M2反射系数分别为r1和r2。若暂不考虑其他损耗，则由于增益介质的放大作用，腔内光功率随距离的变化可表示为 （2-4） 式中，P（0）为z=0处的光功率。 光束在腔