1、光纤通信简明教程,第4章 光源和光发射机,本章内容 4.1 半导体的能带理论 4.2 发光二极管 4.3 半导体激光器 4.4 光调制 4.5 光发送机 小结、习题,概 述,一，光通信对光源的要求,合适的波长0，而且光谱窄 足够的入纤光功率P 良好的调制特性（响应速度快） 稳定性好，寿命长，成本低,常用半导体激光器LD 和发光二极管LED；,二，采用半导体光源的理由,体积小，易与光纤耦合 发光波长适合光纤的低损耗传输窗口 可以电光直接调制 可靠性较高,4.1 半导体的能带理论,1.半导体的能带 半导体的主要特征是它们的内部原子有规则地、周期性地排列着。作共有化运动的电子受到周期性排列着的原子的
2、作用，它们的势能具有晶格的周期性。因此，晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同而分裂成若干组。虽然在半导体中能级还是离散的，但是每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带。人们把这些组想象为很宽的连续的能量区，称为能带。,能级理论： 原子由原子核和核外沿固定轨道旋转的电子组成； 电子在特定的能级中运动，并通过与外界交换能量发生能级跃迁； 能级所对应的能量值是离散的。,锗、硅和GaAs等都是共价晶体。形成共价键的价电子所占据的能带称为价带。 价带下面的能带是被电子占满了，称为满带。 价带上面的能带称为导带。 价带和导带之间的宽度，不能被电子占据,因此称为禁带。,（1）半导体的禁带很窄，价
3、带中的电子较易进入导带。导带中的电子在外场作用下运动而参与导电。,（3）金属导体没有禁带，可显示很强的导电性。,（2）绝缘体的禁带很宽，价带中的电子很难进入导带， 导电性很差。,价带,导带,价带,导带,价带,导带,（1）半导体,禁带,禁带,（2） 绝缘体,（3）金属,半导体光源：在注入电流作用下，电子从低能级跃迁到高能态，形成粒子数反转，电子再从高能态跃迁到低能态产生光子而发光。 半导体光检测器：注入光作用下，电子从低能态跃迁到高能态，并在外加电场作用下形成光生电流。,处于高能态（导带）电子不稳定，向低能态（价带）跃迁，而能量以光子形式释放出来，发射光子的能量h等于导带价带能量差，即hEc-E
4、vEg。,发光过程：,自发发射：处于高能态的电子按照一定的概率自发地跃迁到低能态上，并发射一个能量为E2-E1的光子； 受激发射：处在高能态的电子在外界光场的感应下，发射一个和感应光子一模一样的光子，跃迁到低能态。,自发发射 光子随机地向各个方向发射，每次发射没有确定的相位关系非相干光。 LED通过自发发射过程发光。,受激发射 光子的发射方向、相位、频率都与激发它们的光子相同相干光。 LD通过受激发射过程发光。,由于价带和导带之间是多个能级参与辐射，所以半导体发射的光存在一定的光谱宽度。,光吸收：处于低能态电子，如果受到外来光的照射，当光子能量等于或大于禁带能量时，光子将被吸收而使电子跃迁到高
5、能态。 光吸收过程：,受激吸收：如果入射光子的能量h近似等于E2-E1，光子能量就会被吸收，同时基态上的电子跃迁到高能态。 半导体光检测器基于这种效应。,自发发射、受激发射和受激吸收三种过程是同时存在的。,考虑两能级原子系统。在单位物质中，处于低能级E1和高能级E2的原子数分别为N1和N2。系统处于热平衡状态时，服从玻尔兹曼统计分布：,N1N2： 在热平衡状态下，自发发射居支配地位，不能发射相干光。N2N1： 受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，产生放大作用。 这种分布和正常状态的分布相反，称为粒子数反转。,费米能级,-在热平衡下电子占据能级的概率,式中，玻尔兹曼常数K是绝对温度,费米能
6、级位置高低 反映电子占据能级的水平 （近似认为 以上无电子）,2.半导体PN结的形成,当一个P型半导体和一个N型半导体有了物理接触时，就形成一个PN结。,GaAs 掺Ge或Zn P型,GaAs 掺Te或Si N型,N型半导体中过剩电子占据了本征半导体的导带。 P型半导体中过剩空穴占据了价带。,本征半导体的费米能级位于带隙中间； N型掺杂将使费米能级向导带移动，P型掺杂使费米能级向价带移动； 对于重掺杂N型半导体，费米能级位于导带内兼并型N型半导体； 对于重掺杂P型，费米能级位于价带内兼并型P型半导体；,双兼并型半导体： 非热平衡状态时，在Efc和Efv之间形成了一个粒子数反转区域。 如果入射光
7、波能量满足：则经过双兼并型半导体时将得到放大。,PN结具有单向导电性,当PN结加上正向电压时，外加电压的电场方向消弱了自建场，P区的空穴通过PN结流向N区，N区的电子也流向P区，形成正向电流。由于P区的空穴和N区的电子都很多，所以这股正向电流是大电流。 当PN结加反向电压时，外电场的方向和自建场相同，多数载流子将背离PN结的交界面移动，使空间电荷区变宽。空间电荷区内电子和空穴都很少，它变成高阻层，因而反向电流非常小。,正向偏压： P区空穴不断流向N区，N区电子流向P区，通过复合发光。 自发发射复合LED 受激发射复合LD 反向偏压： 区域内电子和空穴都很少，形成高阻区。,一个热平衡系统只能有一
8、个费米能级。,处于热平衡状态时， PN结两侧的费米能级相等。 如果N区的能级位置保持不变，则P区的能级应该提高。,P区,N区,当正向电压加大到某一值后，PN结里出现了增益区(有源区)。 Efc和Efv之间价带主要由空穴占据，导带主要由电子占据，即实现了粒子数反转。,3.同质结和异质结,同质结就是在PN结的两边使用相同的半导体材料。 采用同质结结构的激光器或发光二极管存在如下两个问题。 首先是对光波的限制不完善。 另一方面的问题是对载流子的限制不完善。 因此，为了降低同质结半导体激光器的阈值电流，就要从上述两个方面来进行改进。,双异质结：在宽带隙的P型和N型半导体材料之间插进一薄层窄带隙的材料。
9、,异质结(heterojunction) ,1,本征材料,-宽带隙材料，如：,组分x 改变,折射率n 带隙Eg 损耗,2,分类,3,构成例,单异质结 （SH）,双异质结 （DH）,双异质结(DH)是窄带隙有源区(GaAs)材料被夹在宽带隙的材料(GaAlAs)之间构成。,增加载流子的注入效率 形成光波导效应 降低阈值电流,带隙差形成的势垒将电子和空穴限制在有源区复合发光； 折射率使光场（光子）有效地限制在有源区。,4.2 发光二极管的工作原理,发光二极管(LED)是低速、短距离光通信系统中常用光源。目前广泛采用PN异质结制造。LED的原理是在LED注入正向电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中
10、发光。 LED是非相干光源，它的发光过程是自发辐射过程，发出的是荧光，它没有光学谐振腔，是无阈值器件。,1. LED的结构和工作原理,正向电压V提供的外加能量激发了处于导带的电子和空穴进入耗尽区并且发生复合，促使发光二极管LED产生了能量。与普通二极管以热能的方式释放能量不同，LED将大部分产生的能量以可见光的方式释放出来。,光功率,电流,N电子数目 量子效率 Ep光子能量,LED可分为面发光二极管和边发光二极管两大类,1)面发光二极管（SLED） Surface,从平行于结平面的表面发光。,SLED光束呈朗伯分布：P=P0cos,SLED特点： 工艺简单。 发散角大。 效率低。 调制带宽较窄
11、。,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。,2）边发光二极管（ELED） Edge,边发光二极管结构，1.31m，双异质结InGaAsP/InP。核心部分是一个N-AlGaAs有源层，及其两边的P-AlGaAs和N-AlGaAs导光层(限制层)。导光层的折射率比有源层低，但比其他周围材料的折射率高，从而有源层产生的光波从端面发射出来。,ELED特点： 发散角、耦合效率和调制带宽均比面发光LED有改善。,LED有如下工作特性： 1) LED的光谱特性 它的谱线宽度较宽，对高速率调制是不利的。,短波长,长波长,2）LED的输出光功率特性,LED的
12、P-I曲线线性范围较大，当驱动电流I较小时，P-I曲线的线性较好，在进行调制时，动态范围大，信号失真小。,工作电流,入纤光功率：几百微瓦,输出光功率：几十毫瓦,3）耦合特性,发散角,耦合效率低,SLED,4）温度特性,温度特性较好,典型渐变折射率62.5/125光纤的NA是0.275,5）载流子生存周期和调制带宽,SLED,ELED,辐射复合生存期,非辐射复合生存期,4.3 半导体激光器,半导体激光器（LD）主要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。近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是WDM光纤通信系统的关键器件，越来越受到
13、人们的关注。,1、光纤通信对半导体激光器的主要要求半导体激光器(LD)是光纤通信最主要的光源，对它的基本要求有以下几点： （1）光源应在光纤的三个低损耗窗口工作，即发光波长为0.85m、1.31m或1.55m。 （2）光源的谱线宽度较窄，=0.11.0nm。 （3）能提供足够的输出功率，可达到10mW以上。 （4）与光纤耦合效率高，30%50%。 （5）能长时间连续工作，工作稳定，提供足够的输出光功率。,2、LD的工作原理 半导体激光器的组成 工作物质 激励源 光学谐振腔 半导体激光器产生激光输出的基本条件： 粒子数反转分布 光反馈 激光振荡的阈值条件,在热平衡下具有统一的费米能级,两异型半导
14、体一接触,但扩散形成势垒，不仅有碍扩散，而且导致反向漂移。,最终，扩散运动和漂移运动相互平衡，能带弯扭，,（就导带的电子而言：P区的较N区的高出势能,同理对于孔穴势能：N区的比P区的高 ）,从而具有统一的费米能级,外加正偏压下，（势垒降低） 在结区形成集居数分布反转,载流子复合 辐射发光,3. 常用半导体激光器,1）法布里珀罗激光器 普通的半导体激光器一般采用条形结构双异质结半导体激光器(BH LD)，光学谐振腔为法布里珀罗腔(FP)，它可以分为两类，即增益波导LD和折射率波导LD。,驻波条件及谐振频率,谐振腔总损耗（平均衰减系数）,FP 腔中满足谐振条件的纵模是均匀分布的：,纵模间距：,利用
15、纵模间距：,可计算激光器的腔长：,主导模式：最靠近增益峰的模式。,多模激光器：主模及其临近的两个边模同时振荡,（2）动态单纵模半导体激光器,所谓动态单纵模半导体激光器(SLM-LD)，就是指在高速调制下仍能单纵模工作的半导体激光器。目前，比较成熟的单纵模激光器有分布反馈激光器DFB及耦合腔激光器,分布反馈半导体激光器(DFB-LD)，它是在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近，刻上波纹状的周期的光栅来构成的，如图示。,波长选择性,由于分布反馈激光器的这种工作方式，使得它具有极强的波长选择性，从而实现动态单纵模工作。 单纵模LD中除了一个主模外，其它纵模都被抑制了，同时主模的谱线宽度非常窄，通
16、常小于1nm，用于高速光纤通信系统是非常理想的。,（3）量子阱激光器,为了进一步提高激光发射效率，可以使用一种特殊的制造技术来得到特别薄的激活区，厚度大概在4-20nm，这种技术被称为量子阱激光器。 量子激光器的主要优点在于阈值电流低，线宽窄，较高的光电转换效率，对输出光束更高的限制，以及发射更多可能波长光线的能力。,4 激光器LD的工作特性,（1）P-I曲线,阈值特性,线性特性,2)光谱特性GaAs LD的光谱特性曲线如图所示。,单纵模与多纵模,峰值波长,谱线宽度（-20dB）,3)温度特性 （1）阈值电流Ith随温度的升高而加大，为了使光纤通信系统稳定、可靠地工作，一般都要采用自动温度控制
17、电路，来稳定激光器的阈值电流和输出光功率。 （2）激光二级管的中心波长随温度升高而增加。,4）转换效率,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,4.4 光调制,根据调制与光源的关系，光调制可分为直接调制和间接调制两大类。从调制信号的形式来说，光源的调制又可分为模拟信号调制和数字信号调制。,1直接调制与间接调制,1）光源的直接调制光强度调制 光源的直接调制又称为光源的内部调制，它是将调制信号直接作用在光源上，把要传送的信息转变为电信号注入到LD或LED，获得相应的光信号。,2）光源的外部调制 光源的间接调制通常称为光源的外部调制，它是由恒定光源输出激光后，外加光调制器对光
18、进行调制,声光调制 电光调制 磁光调制,恒定光源,2模拟信号与数字信号的直接调制,模拟信号调制是直接用连续的模拟信号(如话音、电视等信号)对光源进行调制，这类调制要考虑到非线性失真的问题。,数字信号调制是直接用数字信号对光源进行调制。,3、LD调制特性,(1)电光延迟（0.5-2.5ns）,(2)张驰振荡 (3)码型效应 (4)小信号输入的频率响应 (5)大信号输入的频率响应,4.5 光发送机,在光纤通信系统中，光发送机是实现电光转换的光端机。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆中去传输。,1光发送机的要求,1）有合适的输出
19、光功率（入纤功率）0.015mW 2）良好的消光比 3）调制特性要好,2光发送机的组成,光发送机的组成包括输入电路，反馈稳定驱动电路，光源与光纤的耦合、自动温度控制电路、自动功率控制电路及保护电路等。光发送机有直接调制光发送机和外部调制光发送机两种结构。,直接调制的光发送机较为简单，所以目前使用的光发射机大多数是直接调制的光发送机，它的原理如图所示。,外部调制电路目前采用的不多，但在超高速光纤系统更具有优越性，有较好的发展前景，它的原理如图所示。,3输入电路,输入电路的功能是实现电端机（PCM）输入的信号转换成能在光纤线路传输码型的信号。,4调制电路,光源的调制是指在光纤通信系统中，由承载信息
20、的数字电信号对光波进行调制使其载荷信息。光源调制电路也称为驱动电路，不同光端机的驱动电路组成也不相同，最常见的是差分电流开关电路。,（1）共发射极LED驱动电路 常用的LED直接调制电路为共发射极LED驱动电路。,单管集电极LD驱动电路,LD的预偏置电流IB由电阻RB支路提供。BG工作在导通-截止的开关状态。 当Vin为“0”码时，则BG截止，LD上只有电流IB流过，故LD不发出激光；当Vin为“1”码时，则BG导通，LD上有电流IM+IB流过，故LD发出激光。单管集电极驱动电路适用于低速率光纤通信系统。,2）射极耦合跟随器LD驱动电路3）反馈稳定LD驱动电路 4）集成激光驱动器,图中，半导体
21、三极管BG1、BG2通过射极电阻Re耦合形成电流开关。BG1、BG2轮流工作在导通-截止的开关状态。当Vin为“0”码时，则BG1导通、BG2截止，LD上只有电流IB流过，故LD不发出激光；当Vin为“1”码时，则BG1截止、BG2导通，LD上有电流IM+IB流过，故LD发出激光。射极耦合电流开关驱动电路适用于中速率和高速率光纤通信系统。,射极耦合电流开关型LD驱动电路,射极耦合电流开关型LED驱动电路,BG1、BG2形成射极耦合电流开关，工作在导通、截止状态。 BG3和稳压二极管DZ构成恒流源电路，稳定驱动电流IM。 Vb3稳定Ib3稳定Ic3(即Ie1+Ie2)稳定Ic2即IM稳定（此时B
22、G1截止、BG2导通）。,稳压二极管DZ对LED的输出光功率还有温度补偿作用： 工作温度VDZVb3 Ib3Ic3Ic2即IM（此时BG1截止、BG2导通）LED光功率 补偿了LED输出光功率的负温度特性,5光源与光纤的耦合,激光器和光纤的耦合方式大致有两种：直接耦合和透镜耦合。 （1）直接耦合 这种耦合方法通常只适用于多模光纤。,2）透镜耦合,边发光LED和LD一般可以采用用圆柱透镜或采用大数值孔径的自聚焦透镜与光纤耦合，如图所示。,自聚焦透镜,单模光纤的芯径细，模斑尺寸小，故半导体激光器与单模光纤的耦合困难更大。有时可用一种简单有效的耦合结构，如图4-5-10所示。,耦合效率：50%60%
23、,6激光器组件和光发射模块,在一个相对紧密的结构中包含了多少元器件或电路块，即相对紧密结构的集成单元数量，小的集成单元数称之为组件，大的集成单元数称之为模块。 根据用途不同，模块的种类也越来越多，除了光发射模块外还有光接收模块、光发射接收模块等。,自动功率控制电路（APC）,一、功能,APC电路的作用是，稳定LD输出光功率，使其不随温度升高和使用时间增长而改变。,影响LD输出光功率不稳定的因素有： 温度升高，则Ith增大，且P-I曲线斜率P/I减小，使输出光功率减小，甚至停止发射激光； 使用时间增长，则Ith亦增大，且P/I减小，使输出光功率减小。,二、典型电路：平均光功率控制型APC电路 该
24、电路由输入通道、负反馈控制环路和参考通道三大部份组成。, 输入通道、负反馈控制环路：,输入通道是BG1、BG2、LD、RB、L构成的射极耦合电流开关型LD驱动电路，L是用来阻止脉冲式交流IM流入IB回路。负反馈控制环路则由光检测器件PIN、运算放大器A1和A3、半导体三极管BG3等组成。,负反馈控制环路的工作流程是： LD输出光功率PIN输出电流 A1输出电压VpA3输出电压BG3基极电流BG3集电极电流（即IB） LD输出光功率, 参考通道：由运算放大器A2等组成。,（1）提供合适的参考电平Vr，使不同的LD能得到所需要的IB。 （2）当输入通道无信号输入或输入信号为长连“0”码时，参考通道
25、能使反馈控制过程不动作，避免误码发生。,注意：如果温度过高则不能采用该方法。因为温度过高，导致Ith很大，使LD输出光功率下降很多，经APC作用后则IB增加很大，致使LD管芯温度进一步升高，使Ith更大，如此恶性循环下去，会烧坏LD。,自动温度控制电路（ATC）,一、功能,使LD管芯的工作温度保持在20左右，以提高LD的工作稳定性和寿命。,二、典型电路：半导体致冷型ATC电路,电阻R1、R2、R3和热敏电阻Rt一起构成惠斯登电桥，电桥对角两端连接到运算放大器A的差动输入端，运放A的输出端连接到半导体三极管BG的输入端，BG的发射极连接有致冷器。致冷器与LD、PIN和热敏电阻紧密放置在一起。,图中选用负温度系数的热敏电阻，即热敏电阻Rt的阻值大小与所测量的温度成反比。,惠斯登电桥的平衡条件是：R1Rt=R2R3，此时Va=Vb。即在平衡条件下，惠斯登电桥对角两端电位相等。,（1）确定标准工作状态,首先确定LD管芯工作温度，通常取为20； 查知该温度下热敏电阻Rt(20)之阻值大小； 选取R1=R2，R3=Rt(20)。 于是，此状态下Va=Vb，故A无差动信号输入，因而A无输出电压，以致BG无基流，使得BG无足够射极电流Ie，所以20状态下致冷器不致冷。,（2）动态控制过程,LD管芯温度热敏电阻温度Rt阻值Vb A的输出电压BG基流致冷电流Ie产生致冷器致冷LD管芯温度。,
