现代通信技术第3版魏东兴光纤CH3章节
第3章 光源和光发射机,本章内容： 3.1 光发射机的基本组成 3.2 半导体光源的发光机理 3.3 半导体激光器（LD） 3.4 发光二极管（LED） 3.5 光源的调制及驱动电路 3.6 激光器的控制电路,3.1 光发射机的基本组成,3.2 半导体光源的发光机理,3.2.1 光辐射和粒子数反转分布,3.2.2 PN结的能带和电子分布,1.通过搀杂，P、N型半导体,粒子数反转分布的条件（3-3）式,通常是热平衡的 能量驱动：加热或正向偏置 实现：粒子数反转分布的条件式（3-3）,PN结：P型半导体和N型半导体结合,3.3 半导体激光器（LD）,3.3.1 形成激光振荡的两个条件 具有增益介质，可产生粒子数反转分布 重掺杂的PN结在正向偏压 具有正反馈的光学谐振机制 自然解理面构成的法布里一珀罗（FP）谐振腔,F-P腔半导体激光器的基本构成,双异质结（DH）结构,3.3.3 分布反馈（DFB）激光器,与DFB结构上类似的分布布喇格反射（DBR）激光器： 与DFB不同之处是，DBR激光器的波纹光栅在有源区的外面，从而避免了在制作光栅过程中造成的晶格损伤。,DFB结构上的特点：激光振荡不由反射镜面来提供，而由折射率周期性变化的波纹光栅来提供.,3.3.3 分布反馈（DFB）激光器,DFB工作原理,用布喇格（Bragg）反射来说明：波纹光栅是由于材料折射率的周期性变化而形成的，它为受激辐射产生的光子提供周期性的反射点，在一定的条件下，所有的反射光同相相加，形成某方向光的主极强。,波纹结构可以取正弦波形或非正弦波（如方波、三角波）。考虑图3-11所示的布喇格反射，I、I、I 等光束满足同相位相加的条件(布喇格反射条件)为: 2n+B = m/n （3-7） 式中，是波纹光栅的周期，也称为栅距； m为整数；n为材料等效折射率；为波长.,对应特定的和，有一个对应的，使各个反射波为相长干涉。DFB激光器的分布反馈是/2的布喇格反射，这时有源区的光在栅条间来回振荡。此时的布喇格条件是 2n=m （3-9）,3.3.3 分布反馈（DFB）激光器,所以应用非常广泛,DFB的优点,（1）单纵模振荡 F-P腔激光器的发射光谱，由增益谱和激光器纵模特性共同确定。由于谐振腔的长度较长，导致纵模间隔小，相邻纵模间的增益差别小，所以得到单纵模振荡非常困难。DFB激光器的发射光谱，主要由光栅周期决定，对应F-P腔LD的腔长L，每一个形成一个微型谐振腔。由于的长度很小，所以m阶和m1阶模之间的波长间隔比F-P腔大得多，加之多个微型谐振腔的选模作用，很容易设计成只有一个模式能获得足够的增益。因此，DFB激光器总是设计成单纵模振荡。,（2）谱线窄 波长稳定性好 由于DFB激光器的每一个栅距相当于一个F-P腔，因此，布喇格反射可比作多级调谐，使谐振波长的选择性大大提高，谱线明显变窄，DFB激光器的谱线宽度可以窄到只有几GHz。光栅的作用有助于使发射波长锁定在谐振波长上，使波长的稳定性改善。,（3）动态谱线好 DFB激光器在高速调制时仍然保持单模特性，这是F-P腔激光器所无法达到的。尽管DFB激光器在高速调制时谱线有所展宽，即存在啁啾，但比F-P腔激光器动态谱线的展宽要改善一个数量级左右。,（4）线性度好 已研制出线性度非常好的DFB激光器，有线电视光纤传输系统（模拟调制）中使用的激光器，都是DFB型激光器。,3.3.4 半导体激光器的主要特性,外微分量子效率,阈值器件，阈值电流Ith,1. 输出光功率特性P-I,（3-10）,3. 激光器的模式性质,由图可清楚地看出，随注入电流的增加纵模数减少，当注入电流刚达到阈值时，激光器呈多纵模振荡，随注入电流的增加，主模的增益增加，而边模的增益减小，振荡模数减少。 单纵模 多纵模,4. 调制响应特性,调制频率10GHz受限于电子线路,3.4 发光二极管（LED）,发光机理自发辐射,面发射型、边发射型,3.4.1 发光二极管的结构,3.4.2 发光二极管LED的工作特性,1. PI特性 与温度有关,2. 光谱特性,自发辐射光光谱较宽 几十nm,LD 与LED的比较,3.5光源的调制及驱动电路,其中直接调制：(IM-DD中的IM:Intensity Modulation-Direct Detection) 具有简单、经济、容易实现等优点，是光纤通信中最常采用的调制方式，,3.5.1 光源的调制方式,3.5.2直接调制及驱动电路,LED的驱动电路,LED的数字调制,3.5.2直接调制及驱动电路（1）,LD的驱动电路,3.5.3激光器的控制电路,End of CH3,(2) 自动功率控制 APC,(1) 自动温度控制 ATC 帕尔帖(Peltier)效应,
