光纖通信系統(tǒng) 第五講 光源及光發(fā)射機(jī)(第一部分)

1、第四章 光源及光發(fā)射機(jī) 第一部分:光源,光纖通信系統(tǒng),王 翀 cw72 光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè) 西安郵電學(xué)院光電子技術(shù)系,光源的作用把要傳輸?shù)碾娦盘栟D(zhuǎn)換成光信號發(fā)射出去。 對光源的基本要求 (1)發(fā)射的光功率應(yīng)足夠大，而且穩(wěn)定度要高 (2)調(diào)制方法簡單 (3)光源發(fā)光峰值波長應(yīng)與光纖低損耗窗口相匹配 (4)光源與光纖之間應(yīng)有較高的耦合效率 (5)光源發(fā)光譜線寬度要窄，即單色性要好 (6)可靠性要高，必須保證系統(tǒng)能24h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn) (7)光源應(yīng)該是低功率驅(qū)動低電壓、低電流)，而且電光轉(zhuǎn) 換效率要高,能滿足上述基本要求的光源是半導(dǎo)體光源。 半導(dǎo)體激光器(LD) 中、長距離 最常用的光源 大容量(高碼速

2、)系統(tǒng) 半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)。 短距離、低容量系統(tǒng) 模擬系統(tǒng)。,1基本結(jié)構(gòu),半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)框圖,4.1.1 半導(dǎo)體激光器（LD）,2LD的工作原理,（1）半導(dǎo)體材料的能級結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體材料中的電子處于分立能級上，高能級稱為導(dǎo)帶，低能級稱為價帶，高、低能級之間稱為禁帶。則禁帶寬度 Eg=Ec-Ev 在熱平衡狀態(tài)下，價帶能級上的電子總數(shù)目NV遠(yuǎn)多于導(dǎo)帶能級上的電子總數(shù)目NC，即NVNC。,半導(dǎo)體材料電子能級示意圖,（2）半導(dǎo)體材料中電子能態(tài)的變化 自發(fā)輻射 發(fā)出的光子彼此不相干（即傳播方向、相位和偏振不同），稱為非相干光。 受激輻射 發(fā)出的光子彼此相干（即其傳播方向、頻率、相位、偏振都

3、與外來光子相同），稱為相干光。激光二極管輸出的就是這種相干光。 受激吸收 在外來入射光的作用下，處在低能級上的電子可以吸收入射光子的能量而躍遷到高能級上 。,在熱平衡狀態(tài)下，半導(dǎo)體材料中同時存在以上三種物理過程，其中自發(fā)輻射的概率遠(yuǎn)大于受激輻射的概率，并且受激輻射的概率與導(dǎo)帶上的電子總數(shù)NC成正比，受激吸收的概率與價帶上的電子總數(shù)NV成正比。所以，若要受激輻射占有主導(dǎo)地位，就必須使導(dǎo)帶上的電子總數(shù)NC 遠(yuǎn)大于價帶上的電子總數(shù)NV ，這稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。,（3）PN結(jié)的能帶和電子分布 在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級被一個電子占據(jù)的概率遵循費(fèi)米（Fermi）分布，即 在通常室溫下，本征半導(dǎo)體、N

4、型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體都是大多數(shù)電子占據(jù)低能級位置，沒有形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，不能對光產(chǎn)生放大作用。,（4）電激勵 其作用是使半導(dǎo)體PN結(jié)產(chǎn)生一個增益區(qū)，使其中的導(dǎo)帶電子數(shù)遠(yuǎn)大于價帶電子數(shù)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，成為光放大的媒質(zhì)。 （5）光學(xué)諧振腔 前、后鏡面之間夾有處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的PN結(jié)半導(dǎo)體材料，構(gòu)成了光學(xué)諧振腔。 其作用是使軸向（垂直于鏡面方向）運(yùn)動的光子在腔內(nèi)來回多次反射形成光振蕩，并激勵已處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的半導(dǎo)體材料，不斷地產(chǎn)生受激輻射，使放出的光子數(shù)目雪崩式地增加。,3LD的類型結(jié)構(gòu) （1）同質(zhì)結(jié)LD 由同一種半導(dǎo)體材料經(jīng)不同摻雜構(gòu)成單層PN結(jié)，稱為同質(zhì)結(jié)LD。 例如：砷化鎵（GaAs

5、）同質(zhì)結(jié)LD。,GaAs同質(zhì)結(jié)LD結(jié)構(gòu)示意圖,（2）異質(zhì)結(jié)LD 由不同的半導(dǎo)體材料經(jīng)摻雜構(gòu)成單層PN結(jié)或多層PN結(jié)。前者稱為單異質(zhì)結(jié)LD，后者稱為多異質(zhì)結(jié)LD。 例如：GaAlAs/GaAs單異質(zhì)結(jié)LD，發(fā)光波長為0.85m。 InGaAsP/InP雙異質(zhì)結(jié)LD，發(fā)光波長為1.31m或1.55m，損耗小。,異質(zhì)結(jié)LD結(jié)構(gòu)示意圖,半導(dǎo)體光源的發(fā)光機(jī)理 半導(dǎo)體發(fā)光器件是通過電子在能級之間的躍遷而發(fā)光的。 在構(gòu)成半導(dǎo)體晶體的原子內(nèi)部各個電子都占有所規(guī)定的能級。 如果讓占據(jù)較高能級Ei的電子躍遷到較低能級Ej上，就會以光的形式放出等于能級差的能量，這時能級差Eg和光的振蕩頻率f之間的關(guān)系為,Eg=hf

6、,式中，h為普朗克常數(shù)(h=6.62610-34 Js)。,(4.1),半導(dǎo)體發(fā)光器件由適當(dāng)?shù)腜型材料和N型材料所構(gòu)成，兩種材料的交界區(qū)形成P-N結(jié)，如果在P-N結(jié)上加上正向電壓，則N型區(qū)的電子及P型區(qū)的空穴源源不斷地流向P- N 結(jié)區(qū)。在那里電子與空穴自發(fā)地復(fù)合，復(fù)合時電子從高能級的導(dǎo)帶躍遷至低能級價帶而產(chǎn)生與躍遷所釋放的能量相等的光子。 在這種情況下，各個光子在時間上及方向上都不相同，這種光稱為自發(fā)光, 該發(fā)光器件叫做發(fā)光管。其發(fā)光機(jī)理如圖 4.1 所示。,圖 4.1 發(fā)光機(jī)理示意圖 (a) 光的自發(fā)輻射； (b) 光的受激輻射,另一種光稱為激光，是利用諧振腔產(chǎn)生振蕩的原理而獲得的。在P-

7、N結(jié)的兩端加工出兩個平行光潔的反射鏡面。此鏡面垂直于P-N結(jié)的平面，和它的長度方向形成一個諧振腔。當(dāng)施加正向電壓于P-N結(jié)時，P-N結(jié)內(nèi)首先發(fā)出自發(fā)光，其中部分光子沿著與反射面垂直的方向前進(jìn)，這一部分光子受反射鏡面的反射，在諧振腔內(nèi)來回反射。 同時，激光腔內(nèi)的電子與空穴復(fù)合，即激發(fā)電子從導(dǎo)帶躍遷至價帶而產(chǎn)生新的光子。 部分新產(chǎn)生的光子也同樣在諧振腔內(nèi)來回反射。只要外加的電壓和電流足夠大，那么光子的來回反射將激發(fā)更多的光子，產(chǎn)生正反饋?zhàn)饔?，使受激發(fā)光大為加強(qiáng)，遂產(chǎn)生激光。反射鏡面是半透明的，既可使部分光子反射回腔內(nèi)，也可讓部分光子輻射出去。 這種發(fā)光器件叫做激光器。,光子能量E和波長之間的變換關(guān)

8、系如下：,(4.2),例如, 砷化鎵半導(dǎo)體的帶隙為1.36 eV，則砷化鎵發(fā)光二極管的輻射波長=1.2398/1.36=0.91m。該波長處于近紅外區(qū)，在摻入鋁后可改變波長。因此, 短波長光源采用GaAlAs, 而長波長光源用InGaAsP。目前，光纖通信使用的光源，短波長的有GaAlAs激光器(LD)和GaAlAs發(fā)光二極管(LED)；長波長的有InGaAsP激光器(LD)和InGaAsP發(fā)光二極管(LED)。,4.1.2 光源的分類及特性 在光纖通信系統(tǒng)中，光源的基本功能是將電流形式的電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?，并將發(fā)出的光有效地耦合到光纖中。 光源是光纖通信的核心器件，其種類和性能的好壞在很大程度上

9、決定了系統(tǒng)的類型和性能。光源的種類及特性見表4.1。,表4.1 光源的種類及特性,表4.1 光源的種類及特性,表4.1 光源的種類及特性,表4.2 發(fā)光二極管的類型及特點(diǎn),激光器的模式有縱模和橫模之分。在與激光器諧振腔軸平行方向(即縱向)的電磁場分布(即模式)稱為縱模；在與激光器諧振腔軸垂直方向(即橫向)的電磁場分布(醬模式)稱為橫模。縱模反映了激光器光強(qiáng)隨波長的變化情況即光譜特性，激光器有多縱模和單縱模之分。多縱模激光器輸出的光譜中包含若干個縱模，縱模在光譜中是一根根離散的線譜，不同縱模上的光能量(即光強(qiáng))分布是不同的，其中有一個縱模光強(qiáng)最大的稱為主模， 主模旁邊的其它縱模光強(qiáng)都較小的稱為旁

10、模或邊模。單縱模激光器只有一個縱模能夠正常工作，其它縱模都受到抑制，是實(shí)現(xiàn)單模工作的激光器。橫模反映了激光器輸出光束光強(qiáng)的空間分布，即方向特性的集散程度，直接影響到光源與光纖的耦合效率。,在實(shí)際應(yīng)用中，為了使發(fā)射波長與光纖通信系統(tǒng)的低損耗或低色散波長區(qū)相吻合，光源又按發(fā)射波長分為兩大類，即短波長(0.80.9 m)波段光源和長波長(1.21.7 m)波段光源， 而長波段光源又分為1.3m波長光源和1.55 m波長光源兩種。 按照材料特性光源可分為兩大類，即半導(dǎo)體光源器件和非半導(dǎo)體光源器件。半導(dǎo)體光源器件包括發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器。 短波長半導(dǎo)體光源器件是利用AlGaAs/GaAs材料制成的，

11、 而長波長半導(dǎo)體光源器件則是利用InGaAsP/InP材料制成的。 兩者都是多層外延， 形成雙異質(zhì)結(jié)。,4.1.3 半導(dǎo)體激光器的原理和結(jié)構(gòu),1. P-N結(jié)半導(dǎo)體激光器,P-N結(jié)半導(dǎo)體激光器也叫同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器。 它是結(jié)構(gòu)最簡單的半導(dǎo)體激光器。下面以GaAs激光器為例進(jìn)行討論。 GaAs激光器的結(jié)構(gòu)如圖 4.2 所示，它的核心部分是一個P-N結(jié)。 P-N結(jié)由P+ GaAs 和N+GaAs構(gòu)成， 激光就是由P - N結(jié)結(jié)區(qū)發(fā)出的， 因此P - N結(jié)也叫作用區(qū)。,圖 4.2 P-N結(jié)半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)簡圖,P-N結(jié)的兩個端面是按照晶體的天然解理面切開的，相當(dāng)于反射鏡。它們的反射系數(shù)約為0.32，若

12、將表面涂敷可得到很高的反射系數(shù)。這就組成了光學(xué)諧振腔。典型的尺寸為長L=250500 m, 寬W=510 m, 厚d=0.10.2 m。 半導(dǎo)體激光器在正向偏壓下工作， 外加電壓就是電的泵浦源。在正向偏壓的作用下，電子流不斷注入P-N結(jié)，使P-N結(jié)的載流子失去平衡而處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)那些高能級上的粒子向低能級躍遷時就發(fā)出光子。光學(xué)諧振腔起反饋及選頻作用， 光束在這里來回反射而得到增強(qiáng)。當(dāng)滿足振蕩條件時，就可得到激光。,2. 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器,異質(zhì)結(jié)激光器分單異質(zhì)結(jié)激光器和雙異質(zhì)結(jié)激光器。根據(jù)工作波長的不同，所用的材料也不同。圖4.3 給出了應(yīng)用在=0.840.9m的單異質(zhì)結(jié)激光器與雙異質(zhì)

13、結(jié)激光器結(jié)構(gòu)簡圖。 它們是用GaAs材料與GaAlAs材料制成的。,圖 4.3 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖 (a) 單異質(zhì)結(jié)激光器； (b) 雙異質(zhì)結(jié)激光器,材料Ga1-xAlxAs是指在GaAs材料中摻入AlAs而形成的，叫做砷鎵鋁三元素晶體。下標(biāo)x與1-x是指AlAs與GaAs的比例。若總數(shù)為1，則AlAs占x份，而GaAs占1-x份，P-Ga1-xAlxAs與n-Ga1-xAlxAs各代表P型與N型砷鎵鋁材料。為了簡化，一般常用P-GaAlAs，N-GaAlAs這樣的表示法，只有特殊需要時才標(biāo)明其x值。這種合成材料的折射率、禁帶寬度、損耗等都與GaAs材料不同，它與GaAs是不同的物

14、質(zhì)。,在半導(dǎo)體激光器件中，異質(zhì)結(jié)起著重要的作用。異質(zhì)結(jié)是由兩種不同的材料構(gòu)成的，在本例中是由GaAs和GaAlAs結(jié)合而成的。根據(jù)形成異質(zhì)結(jié)的兩種材料的導(dǎo)電類型， 異質(zhì)結(jié)又分反型異質(zhì)結(jié)與同型異質(zhì)結(jié)兩種。反型異質(zhì)結(jié)是由導(dǎo)電類型相反的兩種不同材料形成的，例如由N型GaAs與P型GaAlAs或P型GaAs與N型GaAlAs材料構(gòu)成。前一種記為N-P GaAs-GaAlAs，后一種記為P-N GaAs-GaAlAs。同型異質(zhì)結(jié)是由導(dǎo)電類型相同的兩種不同材料形成的，例如由P-GaAs和P-GaAlAs或N-GaAs和N-GaAlAs構(gòu)成， 它們各記為P-P GaAs-GaAlAs和N-N GaAs-Ga

15、AlAs。,4.1.4 半導(dǎo)體激光器的特性 1. 伏安特性 半導(dǎo)體激光器通常在正向偏壓下工作。當(dāng)接通電源后，激光器并不立即產(chǎn)生電流，而有一個導(dǎo)通電壓(一般在1V以下)。當(dāng)外加電壓超過此電壓后，電流隨外加電壓而增大。在閾值(門限值)以上， 半導(dǎo)體激光器的伏安特性可用下式表示：,(4.3),式中，Eg為禁帶能量，取決于材料本征值，由Eg=hf決定。e為電子電荷。Rs為二極管串聯(lián)電阻。,圖4.4所示為GaAlAs激光器的伏安特性曲線。通常要求在閾值附近電壓U2 V, Rs5 ，以防燒壞管子。,圖 4.4 激光器伏安特性曲線,2. 激光器輸出光功率特性,圖 4.5 激光器P-I特性 (a) LD的P-

16、I曲線； (b) LD的P-I曲線扭折現(xiàn)象,1) 微分量子效率d 激光器輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量之比，定義為微分量子效率，即,(4.4),式中，Po/I就是P-I曲線的斜率。室溫下，GaAlAs激光器的d40%50%。,2) 功率轉(zhuǎn)換效率p 激光器的輸出光功率與器件消耗電功率之比， 定義為功率轉(zhuǎn)換效率， 即,(4.5),式中，Po是在電流I時的發(fā)射光功率。器件的功耗取決于串聯(lián)電阻和熱阻，它隨電流增加而增加。通常用于光通信的半導(dǎo)體激光器， 功率轉(zhuǎn)換效率約為5%10%。,在光通信用半導(dǎo)體激光器中，對微分量子效率不要求過高，否則將產(chǎn)生自脈動現(xiàn)象和光反射噪聲。一般尾纖輸出的P-I曲線斜率P/

17、I0.8 mW/10 mA較為適宜。P-I曲線無扭折。 有扭折則出現(xiàn)光的脈動現(xiàn)象。要求在閾值附近的熒光輸出功率盡量小(50W)才能保證輸出光功率的消光比(10%)滿足要求。,圖 4.6 激光器的光場,3. 激光器的光場 激光器發(fā)射的光功率的光場典型情況如圖 4.6 所示。,一個良好的激光器輸出的光功率分布如圖4.7 中的實(shí)線所示， 它只有一個光斑， 激射的是0階?；蚍Q為單橫模。 一個具有 1 階模的情況如虛線所示，它具有兩個光斑。 自發(fā)輻射的光功率分布如點(diǎn)畫線所示。在光纖通信中，為了使光能的大部分耦合到光纖中去， 所以一般要求激光器激射單橫模。 激光器的發(fā)光面積是很小的， 約 120 m。 其

18、發(fā)散角一般為515。,圖 4.7 激光器的光功率空間分布,4. 激光器的光譜特性 光源譜線寬度是衡量器件發(fā)光單色性的一個物理量。激光器發(fā)射光譜的寬度取決于激發(fā)的縱模數(shù)目。觀察半導(dǎo)體激光器的光譜， 可以看到激光器的光譜隨激勵電流而變化。當(dāng)激勵電流低于閾值電流時，發(fā)出的是熒光，這時的光譜很寬。當(dāng)電流增大到閾值時，發(fā)射光譜突然變窄，譜線中心強(qiáng)度急劇增加， 這表明出現(xiàn)了激光。由此可知，光譜變窄，單色性加強(qiáng)是半導(dǎo)體激光器達(dá)到閾值時的一個特征。因而可通過激光器光譜的測量來確定閾值電流。 短波長GaAlAs激光器的光譜特性如圖4.8(a)所示。它只有一根譜線，稱為單縱模。有些激光器的譜線如圖4.8(b)所示

19、， 它具有幾根譜線，稱為多縱模。 激光器的激射頻率會隨注入電流微量變動，如圖4.9所示。,圖 4.8 GaAlAs LD的譜線 (a) 單縱模； (b) 多縱模,圖 4.9 激射頻率隨注入電流變動,5. 激光器的調(diào)制特性(瞬態(tài)特性),圖 4.10 激光器調(diào)制的頻率特性,張弛振蕩。,圖 4.11 激光器脈沖調(diào)制狀態(tài)下的張弛振蕩,典型激光器的脈沖調(diào)制特性如圖 4.11 所示。,(2) 自脈動現(xiàn)象。 自脈動現(xiàn)象不是所有激光管都有。在P-I曲線有明顯扭折的激光器中， 如圖4.12(a)所示，當(dāng)注入電流達(dá)到某一值時(通常在P-I曲線發(fā)生扭折的區(qū)域內(nèi))， 輸出光脈沖呈現(xiàn)出如圖4.12(b)所示的持續(xù)的等幅

20、振蕩，這種現(xiàn)象稱為激光器的自脈動現(xiàn)象。自脈動現(xiàn)象振蕩頻率很高，約 600 MHz， 對輸出光脈沖起高頻干擾作用， 這是人們所不希望的現(xiàn)象。,圖 4.12 激光器的自脈動現(xiàn)象 (a) 激光器P-I曲線的扭折現(xiàn)象；(b) 激光器的自脈動現(xiàn)象,(3) 張弛振蕩與自脈動現(xiàn)象同時存在。 當(dāng)激光器受激輻射后，先出現(xiàn)一種張弛振蕩過程，緊接著發(fā)生自脈動現(xiàn)象，如圖4.13 所示，這種現(xiàn)象并不普遍，一旦發(fā)生會輻射出兩種波長的光。,圖 4.13 激光器的張弛振蕩、自脈動現(xiàn)象,6. 激光器的溫度特性 半導(dǎo)體激光器閾值電流隨溫度增加而加大。尤其是工作于長波長波段的InGaAsP激光器，閾值電流對溫度更敏感。 半導(dǎo)體激光

21、器輸出光功率閾值電流曲線受溫度變化影響見圖4.14和圖4.15。,圖 4.14 短波長LD溫度特性,圖4.15 長波長LD溫度特性,7. 激光器的壽命 激光器的壽命可以用閾值電流的增值來估量。通常激光器的閾值隨使用時間增長而增大。經(jīng)驗(yàn)表明，激光器的閾值增大在50%內(nèi)， 能繼續(xù)工作， 當(dāng)閾值增達(dá) 3 倍時，激光器將迅速損壞。 目前， 激光器的壽命尚是一個薄弱環(huán)節(jié)。 它對光纖通信系統(tǒng)的可靠性有決定性作用。,半導(dǎo)體激光器最大的缺點(diǎn)是: 激光性能受溫度影響大，光束的發(fā)散角較大(一般在幾度到20度之間)，所以在方向性、單色性和相干性等方面較差. 但隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，半導(dǎo)體激光器的研究正向縱深方向推

22、進(jìn)，半導(dǎo)體激光器的性能在不斷地提高.目前半導(dǎo)體激光器的功率可以達(dá)到很高的水平，而且光束質(zhì)量也有了很大的提高.以半導(dǎo)體激光器為核心的半導(dǎo)體光電子技術(shù)在21世紀(jì)的信息社會中將取得更大的進(jìn)展，發(fā)揮更大的作用.,在長距離、大容量光纖通信系統(tǒng)中，需要線寬窄、高速調(diào)制(即動態(tài))下仍能在單縱模工作的半導(dǎo)體激光器動態(tài)單縱模半導(dǎo)體激光器。目前，最為成功和應(yīng)用最為廣泛的激光器是一種稱為分布反饋(DFB)激光器的器件。這種器件在內(nèi)部有源層上蝕刻有一層皺紋層，形成光柵，利用光柵尖銳的波長選擇特性只允許一種特定的模式能夠傳輸，同時抑制了其它縱模， 形成了單模工作條件。DFB激光器結(jié)構(gòu)及其光譜特性如圖4.16所示。圖中給

23、出了一個內(nèi)部的結(jié)構(gòu)示意圖及其光譜特性。蝕刻的光柵并不在真正的有源層，而在其上方。光柵和諧振腔能夠支持僅有的一個公共諧振縱模， 其波長由布拉格定律決定， 即,4.1.5 分布反饋(DFB)激光器,圖4.16 DFB激光器結(jié)構(gòu)及其光譜特性,4.1.6 發(fā)光二極管,1. 輸出光功率特性 發(fā)光二極管的輸出光功率P與電流I的關(guān)系曲線如圖 4.18 所示。當(dāng)注入電流較小時，發(fā)光二極管的輸出功率曲線基本是線性的。所以LED廣泛用于模擬系統(tǒng)。 但電流太大時，由于PN結(jié)發(fā)熱而出現(xiàn)飽和狀態(tài)。其輸出特性雖比LD好， 但遠(yuǎn)不是完全線性的。因此，當(dāng)傳輸彩色電視圖像信號時，其非線性失真問題必須考慮。為此，其驅(qū)動電路里應(yīng)增加預(yù)失真補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。由于非線性比較差，因此不能在大容量的頻分多路通信中使用。,圖4.17 發(fā)光二極管的光場 （a）面發(fā)光管；（b）邊發(fā)光管,圖 4.18 LED輸