光纖通信技術(shù)-第三章光源與光發(fā)射系統(tǒng)

1、3.1 半導(dǎo)體材料中的光電效應(yīng)半導(dǎo)體材料中的光電效應(yīng)3.2 半導(dǎo)體激光器（半導(dǎo)體激光器（LD）3.3 半導(dǎo)體發(fā)光二極管（半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）3.4 新型半導(dǎo)體激光器新型半導(dǎo)體激光器3.5 光源的調(diào)制光源的調(diào)制3.6 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)第三章第三章 光源與光發(fā)射系統(tǒng)光源與光發(fā)射系統(tǒng)3.1.1 能級(jí)與能帶1光子的概念光子的概念l光是由能量為hf的光量子組成的，其中h=6.62610-34JS稱為普朗克常數(shù)；f是光波頻率。l人們將這些光量子稱為光子。不同頻率的光子具有不同的能量。l光具有波、粒兩重性。l當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí)，光子的能量作為一個(gè)整體被吸收或發(fā)射。 2原子的能級(jí)原子的能級(jí)l物質(zhì)是由原

2、子組成的，而原子是由原子核和核外電子構(gòu)成的。l電子在原子中圍繞原子核按一定軌道運(yùn)動(dòng)，而且只能有某些允許的軌道。軌道越高，能量也越高。當(dāng)電子在每一個(gè)這樣的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，原子具有確定的能量，稱為原子的一個(gè)能級(jí)。 這些所允許的能量值因軌道不同，都是一個(gè)個(gè)地分開的，即是不連續(xù)的。我們把這些分立的能量值稱為原子的不同能級(jí)。 3晶體的能帶晶體的能帶 l晶體的能譜在簡并能級(jí)的基礎(chǔ)上按共有化運(yùn)動(dòng)的不同而分裂成若干組。l每組中能級(jí)彼此靠得很近，組成有一定寬度的帶，稱為能帶 。l在晶體物理中，通常把這種形成共價(jià)鍵的價(jià)電子所占據(jù)的能帶稱為價(jià)帶，而把價(jià)帶上面鄰近的空帶（自由電子占據(jù)的能帶）稱為導(dǎo)帶 。l原子中的電子可

3、以通過和外界交換能量的方式發(fā)生量子躍遷，或稱能級(jí)的躍遷。若躍遷過程中交換的能量是熱運(yùn)動(dòng)的能量，稱為熱躍遷；若交換的能量是光能，則稱為光躍遷。后者是研究光與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)。愛因斯坦指出，光與物質(zhì)的相互作用存在著三種愛因斯坦指出，光與物質(zhì)的相互作用存在著三種不同的基本過程：不同的基本過程：受激吸收受激吸收自發(fā)輻射自發(fā)輻射受激輻射受激輻射這三種物理過程表明，在光與物質(zhì)的相互作用時(shí)，這三種物理過程表明，在光與物質(zhì)的相互作用時(shí)，光可以被物質(zhì)吸收，也可以從物質(zhì)中發(fā)射出來。光可以被物質(zhì)吸收，也可以從物質(zhì)中發(fā)射出來。3.1.2 光與物質(zhì)的三種作用 在正常狀態(tài)下，電子處于低能級(jí)在正常狀態(tài)下，電子處于低能級(jí)E

4、1上，在頻率上，在頻率為為f=(E2-E1)/h的入射光子的激發(fā)下，低能級(jí)的入射光子的激發(fā)下，低能級(jí)E1上的電子將會(huì)吸收外來光子的能量，而躍遷到上的電子將會(huì)吸收外來光子的能量，而躍遷到高能級(jí)高能級(jí)E2上，這個(gè)過程叫做受激吸收過程。上，這個(gè)過程叫做受激吸收過程。 1. 受激吸收l受激吸收的特點(diǎn)如下：l受激吸收過程必須在入射光子的激發(fā)下才會(huì)產(chǎn)生，因此是受激躍遷。l入射光子的能量要等于電子躍遷的能級(jí)之差。l受激躍遷的過程不是放出能量，而是消耗外來光能。 處于高能級(jí)處于高能級(jí)E2上的電子是不穩(wěn)定的，即使在沒上的電子是不穩(wěn)定的，即使在沒有受到外界激發(fā)的情況下也會(huì)自發(fā)地向低能級(jí)有受到外界激發(fā)的情況下也會(huì)自

5、發(fā)地向低能級(jí)E1上躍遷，與空穴復(fù)合，發(fā)射出一個(gè)能量為上躍遷，與空穴復(fù)合，發(fā)射出一個(gè)能量為E=E2-E1的光子，稱為光的自發(fā)輻射過程。的光子，稱為光的自發(fā)輻射過程。 2. 自發(fā)輻射l自發(fā)輻射的特點(diǎn)如下： l自發(fā)輻射過程是在沒有外界作用的條件下自發(fā)產(chǎn)生的，是自發(fā)躍遷。l由于發(fā)射出光子的頻率取決于所躍遷的能級(jí)，而發(fā)生自發(fā)輻射的高能級(jí)不只是一個(gè)，可以是一系列的高能級(jí)，因此，輻射出的光子的頻率不同，頻率范圍很寬。l 即使躍遷過程滿足相同的能級(jí)差（光子頻率一致），它們也是獨(dú)立的、隨機(jī)的輻射，產(chǎn)生的光子僅僅能量相同而彼此無關(guān)，各列光波可以有不同的相位與偏振方向，并且向空間各個(gè)角度傳播，是一種非相干光 21h

6、EE 在高能級(jí)在高能級(jí)E2上的電子，在受到入射光的作用下，上的電子，在受到入射光的作用下，將會(huì)被迫躍遷到低能級(jí)將會(huì)被迫躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，釋放上與空穴復(fù)合，釋放出一個(gè)能量為出一個(gè)能量為E=E2-E1的光子，產(chǎn)生光輻射，的光子，產(chǎn)生光輻射，叫做受激輻射叫做受激輻射 。 3. 受激輻射l受激輻射的特點(diǎn)如下：l 入射光子的能量等于躍遷的能級(jí)之差。l 受激輻射產(chǎn)生的光子與感應(yīng)光子是全同光子，不僅頻率相同，而且相位、偏振方向、傳播方向都相同，因此產(chǎn)生的是相干光。l 受激輻射過程實(shí)質(zhì)上是對(duì)外來入射光的放大過程 3.1.3 激光器的一般工作原理激光的英文縮寫是激光的英文縮寫是LASER，即，即Li

7、ght Amplification by Simulated Emission of Radiation，意思是通過，意思是通過受受激輻射激輻射實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)光放大光放大。產(chǎn)生光放大的前提是物質(zhì)中的產(chǎn)生光放大的前提是物質(zhì)中的受激輻射必須大于受激輻射必須大于受激吸收受激吸收。因此，受激輻射是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵。因此，受激輻射是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵。 1. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 設(shè)在單位物質(zhì)中，處于低能級(jí)設(shè)在單位物質(zhì)中，處于低能級(jí)E1和處于高能級(jí)和處于高能級(jí)E2(E2E1)的原子數(shù)分別為的原子數(shù)分別為N1和和N2。當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，存在下。當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，存在下面的分布面的分布其中，其中，k

8、為波耳茲曼常數(shù)為波耳茲曼常數(shù)=1.3810-23J/K，T為絕對(duì)溫度。由于為絕對(duì)溫度。由于(E2E1)0，T0，因此在，因此在正常狀態(tài)正常狀態(tài)下，總是有下，總是有N1N2。而受激。而受激吸收的速率與吸收的速率與N1成正比，受激輻射的速率與成正比，受激輻射的速率與N2成正比，所以成正比，所以在正常狀態(tài)下，在正常狀態(tài)下，受激吸收大于受激輻射受激吸收大于受激輻射。也就是說，在熱平衡。也就是說，在熱平衡條件下，物質(zhì)不可能有光放大作用。當(dāng)光通過這種物質(zhì)時(shí)，光條件下，物質(zhì)不可能有光放大作用。當(dāng)光通過這種物質(zhì)時(shí)，光強(qiáng)按指數(shù)衰減，這種物質(zhì)稱為強(qiáng)按指數(shù)衰減，這種物質(zhì)稱為吸收物質(zhì)吸收物質(zhì)。 kTEENN1212e

9、xp1. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 要想物質(zhì)能夠產(chǎn)生光的放大，就必須使要想物質(zhì)能夠產(chǎn)生光的放大，就必須使受激輻射作用大于受受激輻射作用大于受激吸收作用激吸收作用，也就是必須使，也就是必須使N2N1。這種與正常狀態(tài)分布。這種與正常狀態(tài)分布（N1N2）相反的反常態(tài)粒子數(shù)分布，稱為）相反的反常態(tài)粒子數(shù)分布，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的物質(zhì)稱為處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的物質(zhì)稱為增益物質(zhì)或者激活物質(zhì)增益物質(zhì)或者激活物質(zhì)。2. 激光器的基本組成激光器的基本組成增益物質(zhì)增益物質(zhì)可以使粒子數(shù)處于反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的工作物質(zhì)可以使粒子數(shù)處于反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的工作物質(zhì) 泵浦源泵浦源使工作物質(zhì)

10、產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵(lì)源使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵(lì)源 光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔 提供必要的反饋以及進(jìn)行頻率選擇提供必要的反饋以及進(jìn)行頻率選擇光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)最簡單的的光學(xué)諧振腔是在增益物質(zhì)兩端的適當(dāng)位置，分別放置一個(gè)最簡單的的光學(xué)諧振腔是在增益物質(zhì)兩端的適當(dāng)位置，分別放置一個(gè)反射鏡，受激輻射產(chǎn)生的光子在腔內(nèi)（兩塊反射鏡之間）來回反射，反射鏡，受激輻射產(chǎn)生的光子在腔內(nèi)（兩塊反射鏡之間）來回反射，如圖所示。其中一個(gè)反射鏡如圖所示。其中一個(gè)反射鏡M1能全反射，即能全反射，即M1的理想反射系數(shù)為的理想反射系數(shù)為100%；另一個(gè)反射鏡；另一個(gè)反射鏡M2需

11、要開一個(gè)小孔，需要開一個(gè)小孔，M2為部分反射，反射系數(shù)為部分反射，反射系數(shù)則約在則約在90%左右，產(chǎn)生的激光由反射鏡左右，產(chǎn)生的激光由反射鏡M2的小孔射出。的小孔射出。 （a）平面腔）平面腔 （b）球面腔）球面腔光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔諧振腔如何產(chǎn)生激光振蕩諧振腔如何產(chǎn)生激光振蕩將在泵浦源激發(fā)下處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的將在泵浦源激發(fā)下處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的激活物質(zhì)激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振置于光學(xué)諧振腔內(nèi)，腔的軸線應(yīng)該與激活物質(zhì)的軸線重合。沿著光學(xué)諧振腔的軸線腔內(nèi)，腔的軸線應(yīng)該與激活物質(zhì)的軸線重合。沿著光學(xué)諧振腔的軸線傳播的光在兩個(gè)反射鏡之間來回反射，并不斷地激發(fā)出新的光子，進(jìn)傳播的光在兩個(gè)反射鏡之間

12、來回反射，并不斷地激發(fā)出新的光子，進(jìn)一步進(jìn)行放大，使光學(xué)諧振腔內(nèi)的光能密度不斷增加。這樣可以使一步進(jìn)行放大，使光學(xué)諧振腔內(nèi)的光能密度不斷增加。這樣可以使受受激輻射的概率遠(yuǎn)大于自發(fā)輻射激輻射的概率遠(yuǎn)大于自發(fā)輻射的概率，從而使沿著光學(xué)諧振腔的軸線的概率，從而使沿著光學(xué)諧振腔的軸線傳播的光在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的條件下，受激輻射占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。傳播的光在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的條件下，受激輻射占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。 光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔激活物質(zhì)和光學(xué)諧振腔是產(chǎn)生激光振蕩的必要條件。但要產(chǎn)激活物質(zhì)和光學(xué)諧振腔是產(chǎn)生激光振蕩的必要條件。但要產(chǎn)生激光還需要滿足以下兩個(gè)條件：生激光還需要滿足以下兩個(gè)條件：光的增益和損耗應(yīng)滿足平衡的條件

13、，即光的增益和損耗應(yīng)滿足平衡的條件，即閾值條件閾值條件。諧振腔中的光往復(fù)反射得到增強(qiáng)應(yīng)滿足諧振腔中的光往復(fù)反射得到增強(qiáng)應(yīng)滿足相位平衡的條件相位平衡的條件。 3. 激光器的閾值條件和相位平衡條件激光器的閾值條件和相位平衡條件閾值條件閾值條件:由于諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)存在吸收，反射鏡存在透由于諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)存在吸收，反射鏡存在透射和散射，因此光受到一定損耗。當(dāng)增益和損耗相等射和散射，因此光受到一定損耗。當(dāng)增益和損耗相等(滿足振滿足振幅平衡條件幅平衡條件)時(shí)，在諧振腔內(nèi)就會(huì)建立穩(wěn)定的激光振蕩，其閾時(shí)，在諧振腔內(nèi)就會(huì)建立穩(wěn)定的激光振蕩，其閾值條件為值條件為 式中，式中，gth為閾值增益系數(shù)，為閾值增益系

14、數(shù)，i 為諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系為諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù)，數(shù)，L為諧振腔的長度，為諧振腔的長度，R1、R2Ith的一段范圍內(nèi)，發(fā)射的光功率的一段范圍內(nèi)，發(fā)射的光功率P與注入電流近似為線性與注入電流近似為線性關(guān)系。為使光纖通信系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作，關(guān)系。為使光纖通信系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作，閾值電流越小越好閾值電流越小越好。 (a) 短波長短波長AlGaAs/GaAs (b) 長波長長波長InGaAsP/InP 1098765432100 20 4060 80I / mA P / mW3.53.02.52.01.51.00.50050100150IthI / mA P / mW(a)(b) 當(dāng)當(dāng)I

15、It h 時(shí)，發(fā)出 的時(shí)，發(fā)出 的是是受激輻 射受激輻 射光光，光功 率，光功 率隨驅(qū)動(dòng)電 流隨驅(qū)動(dòng)電 流的增加而 增的增加而 增加。加。 2. 電電/光轉(zhuǎn)換效率光轉(zhuǎn)換效率 激光器的電激光器的電/光轉(zhuǎn)換效率用光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率外微分量子效率 d表示，其定義表示，其定義是在閾值電流以上，是在閾值電流以上，每對(duì)復(fù)合載流子產(chǎn)生的每對(duì)復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)光子數(shù)hfeIpeIIhfppththd/ )(/ )(由此得到由此得到)(ethdthIIhfpp 式中，式中，P和和I分別為激光器的輸出光功率和驅(qū)動(dòng)電流，分別為激光器的輸出光功率和驅(qū)動(dòng)電流，Pth 和和Ith 分別為相應(yīng)的閾值，分別為相應(yīng)

16、的閾值，h f 和和e分別為光子能量和電子電荷。分別為光子能量和電子電荷。 3. 光譜特性光譜特性 半導(dǎo)體激光器的半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長發(fā)射波長等于等于禁帶寬度禁帶寬度Eg(eV)/h，由式，由式(3.1)得到得到 h f =EgggEEhc24. 1(3.6)不同半導(dǎo)體有不同的禁帶寬度不同半導(dǎo)體有不同的禁帶寬度Eg，因而有不同的發(fā)射波長因而有不同的發(fā)射波長 。 鎵鋁砷鎵鋁砷-鎵砷鎵砷(GaAlAs-GaAs)材料適用于材料適用于0.85 m波段波段 銦鎵砷磷銦鎵砷磷 - 銦磷銦磷(InGaAsP-InP)材料適用于材料適用于1.31.55 m波段波段式中，式中，f=c/ ，f (Hz)和和

17、( m)分別為發(fā)射光的頻率和波長，分別為發(fā)射光的頻率和波長， c=3108 m/s為光速，為光速，h=6.62810-34JS為普朗克常數(shù)，為普朗克常數(shù)， 1eV=1.610-19 J，代入上式得到，代入上式得到 GaAlAs-DH激光器的光譜特性激光器的光譜特性 (a) 直流驅(qū)動(dòng)直流驅(qū)動(dòng); (b) 300 Mb/s數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制 0799 800 801 802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI= 8 0mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mWL=250mW=12 mT=300K830 828 832 830 828 832 830 828

18、 826832 830 828 826 824836 834 832 830 828 826 824 822 820(a)(b) 由 圖由 圖可 見 ， 隨可 見 ， 隨著 調(diào) 制 電著 調(diào) 制 電流 增 大 ，流 增 大 ，縱 模 模 數(shù)縱 模 模 數(shù)增 多 ， 譜增 多 ， 譜線 寬 度 變線 寬 度 變寬。寬。 在直流驅(qū)動(dòng)下，在直流驅(qū)動(dòng)下， 發(fā)射光波長發(fā)射光波長只有符合激光振蕩的只有符合激光振蕩的相位條相位條件件式的波長存在。式的波長存在。 這些波長取決于這些波長取決于激光器縱向長度激光器縱向長度L，并稱為，并稱為激光器的激光器的縱?？v模。 驅(qū)動(dòng)電流變大，縱模模數(shù)變小驅(qū)動(dòng)電流變大，縱模模

19、數(shù)變小 ，譜線寬度變窄。，譜線寬度變窄。 這種變化是由于諧振腔對(duì)這種變化是由于諧振腔對(duì)光波頻率光波頻率和和方向方向的選擇，使的選擇，使邊模邊模消失消失、主模增益主模增益增加而產(chǎn)生的。增加而產(chǎn)生的。 當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流足夠大時(shí)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流足夠大時(shí)，多縱模多縱模變?yōu)樽優(yōu)閱慰v模單縱模，這種激光器稱，這種激光器稱為為靜態(tài)單縱模激光器靜態(tài)單縱模激光器。 22304050607080P / mW54321050100I / mA不 激 射4. 溫度特性溫度特性 激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個(gè)原因（激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個(gè)原因（1）激光）激光器的器的閾值電流閾值電流Ith 隨隨溫度溫度升高而升高而增大

20、增大（2）外微分）外微分量子效率量子效率d隨隨溫度溫度升高而升高而減小減小。 溫度升高時(shí)，溫度升高時(shí)，Ith 增大，增大， d減小，減小， 輸出光功率明輸出光功率明顯下降，達(dá)到一定溫度顯下降，達(dá)到一定溫度時(shí)，激光器就不激射了。時(shí)，激光器就不激射了。當(dāng)以直流電流驅(qū)動(dòng)激光當(dāng)以直流電流驅(qū)動(dòng)激光器時(shí)，閾值電流隨溫度器時(shí)，閾值電流隨溫度的變化更加嚴(yán)重。的變化更加嚴(yán)重。 當(dāng)對(duì)激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)，閾值電流隨溫度呈指數(shù)變當(dāng)對(duì)激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)，閾值電流隨溫度呈指數(shù)變化，在一定溫度范圍內(nèi)，可以表示為化，在一定溫度范圍內(nèi)，可以表示為式中，式中，I0為常數(shù)，為常數(shù)，T為結(jié)區(qū)的熱力學(xué)溫度，為結(jié)區(qū)的熱力學(xué)溫度，T0

21、為激光器材料為激光器材料的特征溫度。的特征溫度。 GaAlAs GaAs 激光器激光器T0=100150 K InGaAsP-InP 激光器激光器T0=4070 K 所以所以長波長長波長InGaAsP-InP激光器輸出激光器輸出光功率對(duì)溫度的變光功率對(duì)溫度的變化更加敏感?；用舾?。 外微分量子效率隨溫度的變化不十分敏感。外微分量子效率隨溫度的變化不十分敏感。 )(0TT Ith=I0 exp3.1 半導(dǎo)體材料中的光電效應(yīng)半導(dǎo)體材料中的光電效應(yīng)3.2 半導(dǎo)體激光器（半導(dǎo)體激光器（LD）3.3 半導(dǎo)體發(fā)光二極管（半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）3.4 新型半導(dǎo)體激光器新型半導(dǎo)體激光器3.5 光源的調(diào)制

22、光源的調(diào)制3.6 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)第三章第三章 光源與光發(fā)射系統(tǒng)光源與光發(fā)射系統(tǒng) LD發(fā)射的是發(fā)射的是受激輻射光受激輻射光 LED發(fā)射的是發(fā)射的是自發(fā)輻射光自發(fā)輻射光 LED的結(jié)構(gòu)和的結(jié)構(gòu)和LD相似，大多是采用相似，大多是采用雙異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)(DH)芯片芯片，把有源層夾在把有源層夾在P型和型和N型限制層中間，不同的是型限制層中間，不同的是LED不需要光不需要光學(xué)諧振腔，學(xué)諧振腔， 沒有閾值。沒有閾值。3.3.1 半導(dǎo)體發(fā)光二極管工作原理半導(dǎo)體發(fā)光二極管工作原理 l在熱平衡狀態(tài)下，有源區(qū)（在熱平衡狀態(tài)下，有源區(qū)（P區(qū)）幾乎沒有電子和空穴，區(qū)）幾乎沒有電子和空穴，因此在一般情況下發(fā)光二極管不會(huì)發(fā)光

23、；因此在一般情況下發(fā)光二極管不會(huì)發(fā)光；l在在激勵(lì)激勵(lì)（通常為電激勵(lì)方式，即外加合適的正向偏壓）狀（通常為電激勵(lì)方式，即外加合適的正向偏壓）狀態(tài)下，電子由態(tài)下，電子由N區(qū)注入?yún)^(qū)注入P區(qū)，空穴由區(qū)，空穴由P區(qū)注入?yún)^(qū)注入N區(qū)，有源區(qū)區(qū)，有源區(qū)存在大量的電子和空穴，此時(shí)導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空存在大量的電子和空穴，此時(shí)導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空穴自發(fā)復(fù)合，電子由高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，電子將多余的穴自發(fā)復(fù)合，電子由高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，電子將多余的能量以發(fā)射光子的形式釋放出來，即發(fā)光二極管將會(huì)由于能量以發(fā)射光子的形式釋放出來，即發(fā)光二極管將會(huì)由于自發(fā)輻射而發(fā)光，這就是發(fā)光二極管的基本原理。自發(fā)輻射而發(fā)光，這就

24、是發(fā)光二極管的基本原理。 l發(fā)光二極管不是閾值器件，它的輸出功率基本上與注入電發(fā)光二極管不是閾值器件，它的輸出功率基本上與注入電流成正比。流成正比。 (a) 正面發(fā)光型；正面發(fā)光型； (b) 側(cè)面發(fā)光型側(cè)面發(fā)光型 ：正面發(fā)光型正面發(fā)光型LED和和側(cè)面發(fā)光型側(cè)面發(fā)光型LED 3.3.2 半導(dǎo)體發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)和分半導(dǎo)體發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)和分類類 l和正面發(fā)光型LED相比，側(cè)面發(fā)光型LED驅(qū)動(dòng)電流較大，輸出光功率較小，但由于光束輻射角較小，與光纖的耦合效率較高，因而入纖光功率比正面發(fā)光型LED大。l目前單模數(shù)字光纖通信系統(tǒng)大多采用側(cè)面發(fā)光型LED。光譜特性。光譜特性。電電/光轉(zhuǎn)換效率光轉(zhuǎn)換效率 光束的空

25、間分布光束的空間分布1. 溫度特性溫度特性3.3.3 半導(dǎo)體發(fā)光二極管特性半導(dǎo)體發(fā)光二極管特性： (1) 光譜特性。光譜特性。 發(fā)光二極管發(fā)射的是發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光自發(fā)輻射光， 沒有諧振腔對(duì)波長的選沒有諧振腔對(duì)波長的選擇，擇，譜線較寬譜線較寬。 1300 / nm70 nm (2) 電電/光轉(zhuǎn)換效率。光轉(zhuǎn)換效率。 發(fā)光二極管實(shí)際輸出的發(fā)光二極管實(shí)際輸出的光子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有源區(qū)產(chǎn)生光子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有源區(qū)產(chǎn)生的光子數(shù)，一般外微分量子的光子數(shù)，一般外微分量子效率效率d小于小于10%。 驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)電流I較小時(shí)較小時(shí)， P - I曲線的曲線的線性較好線性較好；I過大時(shí)，過大時(shí)，由于由于PN結(jié)發(fā)熱

26、產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使使P -I 曲線的斜率減小。曲線的斜率減小。 (3) 光束的空間分布。光束的空間分布。 在垂直于發(fā)光平面上，在垂直于發(fā)光平面上， 正面發(fā)光型正面發(fā)光型LED輻射圖呈輻射圖呈朗伯分朗伯分布布， 即即P()=P0 cos，半功率點(diǎn)輻射角，半功率點(diǎn)輻射角120。 側(cè)面發(fā)光型側(cè)面發(fā)光型LED，120，2535。由于。由于大，大，LED與光纖的耦合效率一般小于與光纖的耦合效率一般小于 10%。 (3) 溫度特性。溫度特性。 4 3 2 1 0 50 100 150 02570電流電流/mA輸出功率輸出功率/ mW當(dāng)溫度上升時(shí)，當(dāng)溫度上升時(shí)，LED的平均發(fā)的平均發(fā)送光功

27、率會(huì)下降；線性工作區(qū)送光功率會(huì)下降；線性工作區(qū)變窄，系統(tǒng)性能下降；峰值工變窄，系統(tǒng)性能下降；峰值工作波長向長波長方向移動(dòng)。但作波長向長波長方向移動(dòng)。但由于由于LED是無閾值器件，其溫是無閾值器件，其溫度特性比度特性比LD的要好得多，一般的要好得多，一般不需要加溫度控制電路。不需要加溫度控制電路。 3.1 半導(dǎo)體材料中的光電效應(yīng)半導(dǎo)體材料中的光電效應(yīng)3.2 半導(dǎo)體激光器（半導(dǎo)體激光器（LD）3.3 半導(dǎo)體發(fā)光二極管（半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）3.4 新型半導(dǎo)體激光器新型半導(dǎo)體激光器3.5 光源的調(diào)制光源的調(diào)制3.6 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)第三章第三章 光源與光發(fā)射系統(tǒng)光源與光發(fā)射系統(tǒng)3.4 新型半導(dǎo)體

28、激光器l分布反饋激光器l耦合腔半導(dǎo)體激光器l量子阱激光器（MQW） 分布反饋分布反饋(DFB)激光器用靠近激光器用靠近有源層有源層沿長度方向制作的周期沿長度方向制作的周期性結(jié)構(gòu)性結(jié)構(gòu)(波紋狀波紋狀)衍射光柵衍射光柵實(shí)現(xiàn)光反饋。這種實(shí)現(xiàn)光反饋。這種衍射光柵衍射光柵的折射的折射率周期性變化，使光沿有源層分布式反饋。率周期性變化，使光沿有源層分布式反饋。 分布反饋分布反饋(DFB)激光器激光器 (a) 結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)； (b) 光反饋光反饋 衍 射 光 柵有 源 層N層P層輸 出 光光 柵有 源 層ba(a)(b)3.4.1 分布反饋式激光器分布反饋式激光器l分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB）l通過腔體內(nèi)的

29、周期分布反饋光柵來實(shí)現(xiàn)l分布布拉格反射激光器（DBR）l分布反饋光柵刻在有源區(qū)的外面 （a）DFB （b）DBR DFB激光器和激光器和DBR激光器的工作原理都是基于激光器的工作原理都是基于布拉格反射布拉格反射原理，當(dāng)光波入射到兩種不同介質(zhì)的交界面時(shí)，能夠產(chǎn)生周期性原理，當(dāng)光波入射到兩種不同介質(zhì)的交界面時(shí)，能夠產(chǎn)生周期性的反射，把這種反射稱為布拉格反射。的反射，把這種反射稱為布拉格反射。 由由有源層有源層發(fā)射的光，一部分在發(fā)射的光，一部分在光柵波紋峰光柵波紋峰反射反射(如光線如光線a)， 另一部分繼續(xù)向前傳播，在鄰近的另一部分繼續(xù)向前傳播，在鄰近的光柵波紋峰光柵波紋峰反射反射(如光線如光線b)

30、。 光柵周期光柵周期 =m eBn2 ne 為材料有效折射率，為材料有效折射率，B為布喇格波長，為布喇格波長，m為衍射級(jí)數(shù)。為衍射級(jí)數(shù)。 DFB激光器與激光器與F-P激光器相比，激光器相比， 具有以下具有以下優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 單縱模激光器；單縱模激光器； 譜線窄，譜線窄， 波長穩(wěn)定性好波長穩(wěn)定性好 動(dòng)態(tài)譜線好；動(dòng)態(tài)譜線好； 線性好線性好3.4.2 耦合腔半導(dǎo)體激光器耦合腔半導(dǎo)體激光器l耦合腔半導(dǎo)體激光器具有耦合腔半導(dǎo)體激光器具有兩個(gè)諧振腔兩個(gè)諧振腔，光從激光主腔，光從激光主腔中耦合進(jìn)一個(gè)外腔，一部分光從外腔反饋回主腔，外中耦合進(jìn)一個(gè)外腔，一部分光從外腔反饋回主腔，外腔反饋等效于一個(gè)與波長有關(guān)的反射

31、鏡。腔反饋等效于一個(gè)與波長有關(guān)的反射鏡。l縱模的模式選擇通過耦合腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，雖然兩個(gè)諧振縱模的模式選擇通過耦合腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，雖然兩個(gè)諧振腔具有各自不同的振蕩縱模，但是當(dāng)兩個(gè)諧振腔放在腔具有各自不同的振蕩縱模，但是當(dāng)兩個(gè)諧振腔放在一起構(gòu)成耦合腔（或復(fù)合腔）時(shí)，只有兩個(gè)諧振腔中一起構(gòu)成耦合腔（或復(fù)合腔）時(shí)，只有兩個(gè)諧振腔中相同的縱模才能成為耦合腔的振蕩縱模相同的縱模才能成為耦合腔的振蕩縱模，再加上增益，再加上增益譜的作用，最終可以實(shí)現(xiàn)模式選擇功能。譜的作用，最終可以實(shí)現(xiàn)模式選擇功能。3.4.2 耦合腔半導(dǎo)體激光器耦合腔半導(dǎo)體激光器l兩種類型：l光柵外部耦合腔激光器l耦合腔單片集成設(shè)計(jì)激光器C3激光器

32、l在光柵外部耦合腔激光器中，除了LD為有源器件外其他部分均為無源器件，屬于有源無源結(jié)構(gòu)；而在C3激光器中，兩個(gè)LD均為有源器件，屬于有源有源結(jié)構(gòu)。3.4.3 量子阱激光器（量子阱激光器（MQW）l量子阱半導(dǎo)體激光器與一般F-P雙異質(zhì)半導(dǎo)體激光器類似，只是有源區(qū)的厚度很薄有源區(qū)的厚度很薄。一般F-P雙異質(zhì)半導(dǎo)體激光器源區(qū)的厚度為10002000埃，而量子阱激光器有源區(qū)的厚度一般只有10100埃。l當(dāng)有源區(qū)的厚度非常薄時(shí)，在有源層與兩邊相鄰層的能帶將出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，在有源區(qū)的異質(zhì)結(jié)將產(chǎn)生一個(gè)勢(shì)能阱勢(shì)能阱，因此，將產(chǎn)生這種量子效應(yīng)的激光器稱為量子阱半導(dǎo)體激光器。結(jié)構(gòu)中的這種“阱”使得電子和空穴被限制

33、在極薄的有源區(qū)內(nèi)，因此有源區(qū)內(nèi)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的濃度很高粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的濃度很高。 l量子阱半導(dǎo)體激光器可以分為單量子阱激光器和多量子阱激光器。 l量子阱激光器具有一系列優(yōu)越的特性，主要有：量子阱激光器具有一系列優(yōu)越的特性，主要有：閾值電流很低，微分量子效率很高。譜線寬度窄，頻率啁啾小。響應(yīng)速度加快，適合研制高速調(diào)制激光器。3.1 半導(dǎo)體材料中的光電效應(yīng)半導(dǎo)體材料中的光電效應(yīng)3.2 半導(dǎo)體激光器（半導(dǎo)體激光器（LD）3.3 半導(dǎo)體發(fā)光二極管（半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）3.4 新型半導(dǎo)體激光器新型半導(dǎo)體激光器3.5 光源的調(diào)制光源的調(diào)制3.6 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)第三章第三章 光源與光發(fā)射系統(tǒng)光源與光

34、發(fā)射系統(tǒng)3.5 光源的調(diào)制光源的調(diào)制直接調(diào)制直接調(diào)制 用電信號(hào)直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流，使輸出光隨電信號(hào)變化而實(shí)現(xiàn)的。 這種方案技術(shù)簡單，成本較低，容易實(shí)現(xiàn)，但調(diào)制速率受激光器的頻率特性所限制。 外調(diào)制外調(diào)制 把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開，用獨(dú)立的調(diào)制器調(diào)制激光器的輸出光而實(shí)現(xiàn)的。 外調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制速率高，缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜，成本較高，因此只有在大容量的波分復(fù)用和相干光通信系統(tǒng)中使用。3.5.1 光源的直接調(diào)制光源的直接調(diào)制l直接調(diào)制方法只適用于適用于LD和和LED，這是LD和LED的輸出光功率（對(duì)LD來說，是指閾值以上線性部分）基本上與注入電流成正比，而且電流的變化轉(zhuǎn)換為光頻調(diào)制也

35、呈線性。 l只要在呈直線的部位加入調(diào)制信號(hào)（即隨輸入信號(hào)變化的注入電流信號(hào)），則輸出的光功率就跟隨輸入信號(hào)而變化輸出的光功率就跟隨輸入信號(hào)而變化，輸入信號(hào)就調(diào)制到光波上了。 1.模擬信號(hào)的直接調(diào)制模擬信號(hào)的直接調(diào)制l以發(fā)光二極管的模擬直接調(diào)制為例，直接用連續(xù)的模擬信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，使LED的輸出光功率隨模擬輸入電信號(hào)的波形變化。 l連續(xù)的模擬信號(hào)電流疊加在直流偏置電流直流偏置電流上，適當(dāng)?shù)剡x擇直流偏置電流的大小，可以減小已調(diào)制光信號(hào)的非線性失真。 l在模擬調(diào)制系統(tǒng)中，要求調(diào)制電路提供合適的偏置電流以及足夠的信號(hào)調(diào)制電流，前者是為了確定合理的工作點(diǎn)，即使靜態(tài)工作點(diǎn)位于LED的P-I曲線的線性段

36、中點(diǎn)；后者是為了使光源有足夠的輸出光功率。 lV是提供是提供LED注入電流的三極晶體注入電流的三極晶體管，當(dāng)信號(hào)從管，當(dāng)信號(hào)從A點(diǎn)輸入時(shí)，集電極點(diǎn)輸入時(shí)，集電極電流將隨模擬電信號(hào)而變化，即電流將隨模擬電信號(hào)而變化，即發(fā)光二極管的注入電流隨模擬電發(fā)光二極管的注入電流隨模擬電信號(hào)變化，因此發(fā)光二極管的輸信號(hào)變化，因此發(fā)光二極管的輸出光功率隨模擬電信號(hào)而變化。出光功率隨模擬電信號(hào)而變化。 （1）LED的數(shù)字調(diào)制的數(shù)字調(diào)制 數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)Uin從三極管從三極管V的基極輸入，通過集電極的電流驅(qū)動(dòng)的基極輸入，通過集電極的電流驅(qū)動(dòng)LED。 數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)“0”碼和碼和“1”碼對(duì)應(yīng)于碼對(duì)應(yīng)于V的截止和飽和

37、狀態(tài)，電流的大的截止和飽和狀態(tài)，電流的大小根據(jù)對(duì)輸出光信號(hào)幅度的要求確定。小根據(jù)對(duì)輸出光信號(hào)幅度的要求確定。 這種驅(qū)動(dòng)電路適用于這種驅(qū)動(dòng)電路適用于10 Mb/s以下的低速率系統(tǒng)，更高速率系統(tǒng)以下的低速率系統(tǒng)，更高速率系統(tǒng)應(yīng)采用差分電流開關(guān)電路。應(yīng)采用差分電流開關(guān)電路。 2.數(shù)字信號(hào)的直接調(diào)制數(shù)字信號(hào)的直接調(diào)制（2）LD的數(shù)字調(diào)制的數(shù)字調(diào)制 半導(dǎo)體激光器是光纖通信的理想光源，但在高速脈沖調(diào)制下，半導(dǎo)體激光器是光纖通信的理想光源，但在高速脈沖調(diào)制下，其瞬態(tài)特性仍會(huì)出現(xiàn)許多復(fù)雜現(xiàn)象，如常見的其瞬態(tài)特性仍會(huì)出現(xiàn)許多復(fù)雜現(xiàn)象，如常見的電光延遲電光延遲、 張弛振張弛振蕩蕩和和自脈動(dòng)現(xiàn)象自脈動(dòng)現(xiàn)象。 這些特

38、性這些特性嚴(yán)重限制系統(tǒng)傳輸速率和通信質(zhì)量嚴(yán)重限制系統(tǒng)傳輸速率和通信質(zhì)量，因此在電路的，因此在電路的設(shè)計(jì)時(shí)要給予充分考慮。設(shè)計(jì)時(shí)要給予充分考慮。1. 現(xiàn)象現(xiàn)象 半導(dǎo)體激光器在高速脈沖調(diào)制下，輸出光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波半導(dǎo)體激光器在高速脈沖調(diào)制下，輸出光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形如下圖所示。形如下圖所示。 輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在一個(gè)初始延遲時(shí)間，輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在一個(gè)初始延遲時(shí)間，稱為稱為td，其數(shù)量級(jí)一般為，其數(shù)量級(jí)一般為 ns。 當(dāng)電流脈沖注入激光器后，輸出光脈沖會(huì)出現(xiàn)幅度逐漸衰當(dāng)電流脈沖注入激光器后，輸出光脈沖會(huì)出現(xiàn)幅度逐漸衰減的振蕩，減的振蕩， 稱為稱為，其振蕩頻率，其振蕩頻率fr

39、(=r/2)一般為一般為0.52 GHz。 和和的后果是的后果是。 當(dāng)最高調(diào)制頻率接近張弛振蕩頻率時(shí)，波形失真嚴(yán)重，當(dāng)最高調(diào)制頻率接近張弛振蕩頻率時(shí)，波形失真嚴(yán)重，會(huì)使光接收機(jī)在抽樣判決時(shí)增加誤碼率，因此實(shí)際使用的會(huì)使光接收機(jī)在抽樣判決時(shí)增加誤碼率，因此實(shí)際使用的。 這些特性與激光器有源區(qū)的這些特性與激光器有源區(qū)的和和以及以及有關(guān)。有關(guān)。 輸出光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)輸出光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)21)1(1thphspjjwjjthspo2thspdjjjtln 式中，式中，o是張弛振蕩幅度衰減到初始值的是張弛振蕩幅度衰減到初始值的1/e的時(shí)間，的時(shí)間，j和和jth分分別為別為注入電流密度注入電流密度和和閾值電流

40、密度閾值電流密度。sp和和ph分別為分別為電子自發(fā)復(fù)合電子自發(fā)復(fù)合壽命壽命和和諧振腔內(nèi)光子壽命諧振腔內(nèi)光子壽命。在典型的激光器中，。在典型的激光器中，sp10-9s, ph10-12s，即，即spph。通過通過LD速率方程組的瞬態(tài)解得到的速率方程組的瞬態(tài)解得到的張弛振蕩頻率張弛振蕩頻率r及其及其幅度衰減時(shí)間幅度衰減時(shí)間o和和電光延遲時(shí)間電光延遲時(shí)間td的表達(dá)式為：的表達(dá)式為：要產(chǎn)生要產(chǎn)生碼型效應(yīng)碼型效應(yīng)。 當(dāng)電光延遲時(shí)間當(dāng)電光延遲時(shí)間td與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時(shí)間與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時(shí)間T/2為相同為相同數(shù)量級(jí)時(shí)，會(huì)使數(shù)量級(jí)時(shí)，會(huì)使“0”碼過后的第一個(gè)碼過后的第一個(gè)“1碼的脈沖寬度變窄，碼的脈沖

41、寬度變窄，幅度減小，嚴(yán)重時(shí)可能使單個(gè)幅度減小，嚴(yán)重時(shí)可能使單個(gè)“”碼丟失，碼丟失， 這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為“碼型效應(yīng)碼型效應(yīng)”。 在兩個(gè)接連出現(xiàn)的在兩個(gè)接連出現(xiàn)的“1”碼中，第一個(gè)脈沖到來前，有較碼中，第一個(gè)脈沖到來前，有較長的連長的連“0”碼，碼， 由于電光延遲時(shí)間長和光脈沖上升時(shí)間的影由于電光延遲時(shí)間長和光脈沖上升時(shí)間的影響，因此脈沖變小。響，因此脈沖變小。 第二個(gè)脈沖到來時(shí)，由于第一個(gè)脈沖的電子復(fù)合尚未完全第二個(gè)脈沖到來時(shí)，由于第一個(gè)脈沖的電子復(fù)合尚未完全消失，有源區(qū)電子密度較高，因此電光延遲時(shí)間短，消失，有源區(qū)電子密度較高，因此電光延遲時(shí)間短， 脈沖較脈沖較大。大。 “碼型效應(yīng)碼型效

42、應(yīng)”的的特點(diǎn)是：特點(diǎn)是：在脈沖序列中較長的連在脈沖序列中較長的連“0”碼后出碼后出現(xiàn)的現(xiàn)的“1”碼，其脈沖明顯變小，而且連碼，其脈沖明顯變小，而且連“0”碼數(shù)目越多，調(diào)制速碼數(shù)目越多，調(diào)制速率越高，這種效應(yīng)越明顯。用適當(dāng)?shù)穆试礁撸@種效應(yīng)越明顯。用適當(dāng)?shù)摹斑^調(diào)制過調(diào)制”補(bǔ)償方法，補(bǔ)償方法， 可以可以消除碼型效應(yīng)。消除碼型效應(yīng)。 1 2電脈沖電脈沖光脈沖光脈沖2ns5ns2ns 碼型效應(yīng)碼型效應(yīng)（a) 、(b)碼型效應(yīng)波形；（碼型效應(yīng)波形；（c）改善后波形）改善后波形(a)(b)(c)可以看到：可以看到： (1) 張弛振蕩頻率張弛振蕩頻率r隨隨sp、ph的的減小而增加減小而增加，隨，隨j的的增加而增加而增加增加。這個(gè)振蕩頻率決定了。這個(gè)振蕩頻率決定了LD的最高調(diào)制頻率。的最高調(diào)制頻率。 (2) 張弛振蕩幅度衰減時(shí)間張弛振蕩幅度衰減時(shí)間o與與sp為為相同數(shù)量級(jí)相同數(shù)量級(jí)，并隨，并隨j的的增加而減小增加而減小。 (3) 電光延遲時(shí)間電光延遲時(shí)間td與與sp為為相同數(shù)量級(jí)相同數(shù)量級(jí)，并隨，并隨j的的增加而減小增加而減小(jjth)。 由此可見由此可見，增加注入電流，增加注入電流j，有利于提高張弛振蕩頻率，有利于提高張弛