光纤通信第二章.ppt

第 二 章 光源和光发射机,1.半导体激光器2.发光二极管3.光源的调制4.光源的调制格式,2.1 光源常用的光源主要有半导体激光二极管或称激光器(LD)发光二极管或称发光管(LED)1.定义价带Ev：与原子最外层轨道的价电子对应的能带导带Ec：价带以上的能带，没有电子热或光的激发，价带中的电子得到能量而越迁到价带以上的能带，电子参与导电禁带Eg：导带与价带之间的能级，不能被电子占据的区域Eg=Ec-Ev,一.基础知识,1917年爱因斯坦根据辐射与原子相互作的量子理论提出，光与物质的相互作用时，将发生三种基本物理过程:(1)受激吸收(2)自发辐射(3)受激辐射, 受激吸收,入射光子的能量,普朗克常数h＝6.625×10-34(J·s),自发辐射,v：辐射光子的频率,,受激辐射,,,特点：受激辐射光子与感应光子是全同光子：频率相同，而且相位、偏振方向、传播方向都相同，因此它们是相干的； 受激辐射过程实质上是对感应入射光的放大过程入射的光子哪里来？,PD,LED,LD,自发辐射的光子,,实现光放大必须是辐射占主导地位,辐射>吸收 光放大,吸收>辐射 无光输出,,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 (E2 > E1) 的粒子数分别为 N1 和 N2热平衡条件下，粒子数分布满足,如何产生光放大？,，为波尔兹曼常数，T 为绝对温度所以在这种状态下，总是 N1 > N2粒子数反转分布,如何实现粒子数反转分布的状态呢?,产生光放大要求,需要外界能源泵浦，即外加正向电压,二、半导体发光机理,1、本征半导体的能带分布本征半导体：没有任何外来杂志和晶格缺陷的理想半导体 费米能级：绝对零度是电子所具有的最大能量要使半导体产生激光 引入P.N型半导体,,,,,,导带费米能级Efc 价带,,P-N结处于粒子数反转,（1）N型半导体：向本征半导体掺杂质元素（五价元素，P，AS提供电子即电子多，空穴少（2）P型半导体：加三价元素，提供空穴即空穴多，电子少,2. P、N型半导体,P、N半导体能带图,没有统一的费米能级,重掺杂下P-N结的能带图,没有形成结的费米能级？ 扩散： 内建电场： 内建电场电场的作用：,P-N结正向加压后的能带图,粒子数反转区域称为”有源区”正向偏压消弱的内建电场，空间电荷区变小实现粒子数反转,自发辐射>受激辐射 非相干光占主导地位，普通光,,实现粒子数反转分布,2.1.2 激光激射条件,1.激射的条件： 粒子数反转分布稳定的激光振荡,（辐射有受激辐射、自发辐射）,受激辐射>>自发辐射 相干光占主导地位，为激光,2.半导体激光器的发射波长,2.1.3 结构理论,1．半导体激光器的通用结构,（1）有源区 （2）光反馈装置 （3）频率选择元件 （4）光束的方向选择元件 （5）光波导,LD功能组成与模式输出的关系,,同质结,单异质结,2.有源区的典型结构,量子阱,双异质结,,,,,,,,,,同质结半导体激光器,缺点：发光不集中，强度低，需要较大的注入电流。

器件工作时发热非常严重，必须在低温环境下工作，不可能在室温下连续工作PN结是同一种半导体材料构成的，P区、N区具有相同的带隙、接近相同的折射率（掺杂后折射率稍有变化，但很小不同带隙的材料限制载流子不同折射率的材料限制光波, 双异质结半导体激光器,DH激光器工作原理,激光器是由反射率为100%（R=1）的全反射镜与反射率为90%~95%（R<1）的部分反射镜平行放置在工作物质两端以构成光学谐振腔并被称为法布里-珀罗(Fabry Perot，F-P)谐振腔3. 法布里-珀罗 (F-P) 谐振腔,要产生激光振荡还要满足：阈值条件相位条件,（1）阈值条件,为阈值增益系数，α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激光振荡需要满足的阈值条件为,（2）相位条件,只有满足相位条件的波长才会被加强,纵模的谐振相位条件为：q ：模数 λ：波长 n ：介质折射率 谐振腔的长度L等于半波长的整数倍q :,（2）相位条件,或,（2）相位条件,F-P腔的纵模起振特性,4 布喇格（Bragg）反射器,分为两种类型：分布反馈式和耦合腔式 分布反馈式半导体激光器是一种可以动态控制的单纵模激光器，分为：,1、DFB 分布反馈激光器,2、DBR 分布布喇格反射器,,,,5．光波导的实现,光波导水平方向限制的两种技术,2.1.4 典型分类,1．F-P腔激光器,F-P腔激光器的基本原理,DFB和DBR激光器的构成,2．分布反馈（DFB）和分布Bragg反射（DBR）LD,F-P和DFB激光器比较,①波长选择性好 ②谱线窄GHz， 波长稳定性好 ③ 动态谱线好 ④ 线性好（有线电视）。

3．量子阱激光器,量子阱激光器的特性,（1）阈值电流低 （2）波长可调谐 （3）线宽窄，频率啁啾低 （4）调制速率高 （5）温度稳定性强,激光器的多模及单模输出谱,激光器的纵模反映了它的发射光谱性质2.1.5 模式概念,（1）纵模数随注入电流变化,（2）峰值波长随温度变化 （3）动态谱线展宽,2.1.6 半导体激光器的基本特性,1. 伏安特性2. P-I特性3. 光谱特性4. 光束特性5. 特征温度,1．伏安特性,I>Ith 发激光（激光区） I< Ith 发荧光（荧光区） 目前Ith<10mA 工作温度升高，阈值电流增大 使用时间增加，阈值电流增大,2.阈值特性Ith （输出特性）：P-I曲线,2. P-I特性,（1）阈值电流（Ith） （2）功率线性度 （3）光输出饱和度 （4）激光器效率,电光转换效率 功率效率：内量子效率：,,,,外量子效率,,,外微分量子效率,,,3.温度特性,,光功率,注入电功率,热能,,结区温度升高，Ith增大，引起输出功率变化,,由图看出：T升高，P下降、 Ith增大对于长波长InGaAsP激光器，T0的典型值为50～70 K；对于短波长的GaAs激光器，T0>120 K。

可见InGaAsP激光器对温度较敏感4.光谱特性,把光强下降一半时的两点间波长范围定义为输出谱线宽度（半功率点全宽FWHP），用 表示图为半导体激光器的直接调制频率特性张弛频率 fT 是调制频率的上限，一般激光器的 fT 为1~2 GHz在接近 fT 处，数字调制要产生张弛振荡，模拟调制要产生非线性失真5. 频率特性,2.2.发光二极管,1. 发光机理：自发辐射种类：面发光二极管边发光二极管,,,,,,,,2.发光二极管特性, P-I特性及温度特性,非阈值器件，p随电流增大，并在大电流时逐渐饱和 P随温度升高而降低，相对LD来说，LED受温度影响小,光谱特性,一般短波长GaAlAs-GaAs LED谱线宽度为30~50 nm，长波InGaAsP-InP LED谱线宽度为60~120 nm,调制特性,小电流，LED线性好 大电流，LED逐渐饱和 模拟传输需要LED工作性区 同时需要线性补偿 数字调制：电流直接调制光源 模拟调制：先将LED直流偏执,特点：强度调制(IM) 只适用于半导体光源简单方便，价格便宜，但动态谱线的展宽严重，不适合高速、长距离传输系统1、直接调制示意图,,注入电流,,,,2.3.1 光源的两种调制方式,2、间接调制示意图,特点： 啁啾小,适用于10Gb/s及更高速率传输系统 有些调制器偏振相关,2.3.2 光源的直接调制,数字调制,模拟调制,LD数字调制过程的瞬态分析,什么是瞬态现象？ 半导体激光器在进行直接调制时显示出来的现象。

主要瞬态现象:,张弛振荡电光延迟,1．阶跃响应的瞬态分析 —电子和光子相互作用t=0: 阶跃电流脉冲注入0-td: 对导带底部填充电子， 使电子密度达到nth td –t1： 激光器开始激射，光场建立，导带中电子的超量填充 t1 –t2 ：有源区过量复合 t2 –t3： 过量复合持续，电子密度降到nth 以下，S也下降 t3以后： 重新对导带底部填充电子,2.张驰振荡的角频率和衰减时间,(1) 张弛振荡频率随j的增加而增加2) 张弛振荡幅度衰减时间随j的增加而减小3．电光延迟时间,电光延迟过程发生在阈值以下,,,,,加直流偏置后的延迟时间,电光延迟时间随注入电流的增加而减小(j>jth)减小电光延迟时间、抑制张弛振荡、提高调至速率 较小的调制电流可获得足够的光功率 光谱谱线窄（提高频谱利用率和通信容量）,4.直流偏置的作用,2.3.3 直接调制激光发射机,1、激光器的实用组件,2、光发射机的组成,,1）偏置电流大小的选择,（1）加大直流偏置电流使其逼近阈值（2）加大直流偏置电流会使激光器的消光比恶化0,（4）实验观察到异质结激光器的散粒噪声在阈值处常有一很陡的峰值，因此I0的选取应避开此峰值。

1）足够的光脉冲幅度 （2）减小光源负担 （3）避开可能发生自脉动的区域,调制电流的选择：,2）激光器的调制电路,快的开关速度,保持良好的电流脉冲波形,,,3）激光器控制电路,稳定方法： （1）自动功率控制（2）自动温度控制,自动温度控制（ATC）,,激光器,,致冷器,,热敏电阻,,控制电路,热导,热敏电阻,半导体制冷器（TEC）：珀尔帖效应,（2）自动功率控制（APC）,（2）自动功率控制（APC）,,外微分量子对温度不太敏感，一般采用平均功率功率控制法：监测平均光功率 ，控制,2.4.1 间接调制的类型和特点,特点： 啁啾小,适用于10Gb/s及更高速率传输系统 有些调制器偏振相关,电光调制：电光效应—电致双折射现象 磁光调制：磁光效应—法拉弟电磁偏转效应 声光调制：声光效应—布拉格效应和喇曼-奈斯衍射 电吸收调制：Franz-keldysh 效应和量子约束的Stark效应,2.4.2 电光调制和波导调制器,M-Z（Mach-Zahnder）电光波导调制器,2.4.3 电吸收调制器,EA调制器的基本原理是：改变调制器上的偏压，使多量子阱（MQW）的吸收边界波长发生变化，进而改变光束的通断，实现调制。

EA调制器容易与激光器集成在一起2.5 光源的调制格式,2.5.1 光调制格式的类型,1．通断键控（OOK）,,,2．M进制相移键控（MPSK）,3．M进制正交幅度调制（M-QAM）,2.5.2 高速长距离系统中常用的调制格式,1. 载波抑制归零（CSRZ）码,,第一级边带的频率间距仅为RZ码型的一半，更窄的光谱不仅降低了光纤色散的影响，而且具有更高的频谱效率； CSRZ码没有载波频谱分量, 从而降低了峰值功率，这使其对各种非线性光学效应也有更好的容限实现:MOD1: 实现强度调制MOD2: 实现脉冲切割,,,（a）半占空的RZ码的波形和频谱,,（b）CSRZ信号眼图和光谱,2. 差分相移键控（DPSK）码,差分编码: “1”码光载波相位不变“0”码光载波相位增加,RZ-DPSK信号眼图和光谱,DPSK码型的优势平衡接收机的灵敏度相对OOK系统有3dB的优势;在平衡接收系统中判决电平为0, 对于功率的波动不敏感;由于DPSK信号的等包络特性，在相同的平均功率下，码元峰值功率比OOK信号的峰值功率小3dB，因此，相同条件下，DPSK信号所受的非线性效应影响小于OOK信号。