光通信原理与技术,光源和光发送机,李玉权、朱勇、王江平编著,物质与光之间的互作用 半导体激光器 半导体发光二极管 光源的调制原理 线路码型 光发送机,光通信对光源的要求 发射光波长适中 光源器件发射光波的波长，必须落在光纤呈现低衰耗的0.85m、1.31m和1.55m 附近。 发射光功率足够大 光源器件一定要能在室温下连续工作，而且其入纤光功率足够大，最少也应有数百微瓦，当然达到一毫瓦以上更好。在这里我们强调的是入纤光功率而不指单纯的发光功率。因为只有进入光纤后的光功率才有实际意义，由于光纤的几何尺寸极小（单模光纤的芯径不足10 微米），所以要求光源器件要具有与光纤较高的耦合效率。,温度特性好 光源器件的输出特性如发光波长与发射光功率大小等，一般来讲随温度变化而变化，尤其是在较高温度下其性能容易劣化。在光纤通信的初期与中期，经常需要对半导体激光器加致冷器和自动温控电路，而目前一些性能优良的激光器可以不需要任何温度保护措施。 发光谱宽窄 光源器件发射出来的光的谱线宽度应该越窄越好。因为若其谱线过宽，会增大光纤的色散，减少了光纤的传输容量与传输距离（色散受限制时）。例如对于长距离、大容量的光纤通信系统，其光源的谱线宽度 应该小于2nm。,工作寿命长 光纤通信要求其光源器件长期连续工作，因此光源器件的工作寿命越长越好。光源器件寿命的终结并不是我们所想象的完全损坏，而是其发光功率降低到初始值的一半或者其阈值电流增大到其初始值的二倍以上。目前工作寿命近百万小时（约100 年）的半导体激光器已经商用化。 体积小重量轻 光源器件要安装在光发送机或光中继器内，为使这些设备小型化，光源器件必须体积小、重量轻。,半导体光源： 分类：半导体激光器(LD)和半导体发光二极管(LED) 半导体光源的优点： 体积小、重量轻、寿命长、功耗低、可集成和高可靠性 易择波：半导体光源的物理基础决定了只要选择合适的光电材料就可以制成适用于光纤中不同低损耗窗口的光源器件； 易辐射：容易获得足够高的输出光功率和足够窄的光谱宽度； 易调制：改变注入电流就可以改变输出光强，能够直接进行强度调制； 易耦合：发光面积可以与光纤芯径相比拟，从而具有较高的耦合效率,LD的优点：输出功率高、调制频带宽、发光谱线窄 LED的优点：线性好，使用寿命长，成本低 LED的缺点：谱线宽度宽，调制速率较低，与光纤的耦合效率低 LD适用于长距离、大容量的传输系统 LED适用于短距离、小容量的传输系统,物质与光之间的互作用,光的波粒二象性 光既是一种电磁波又是一种粒子流，对光的波动和粒子的双重性质称为波一粒二象性。 光在空间中传播的时候主要表现出波动性；当光与物质相互作用是，表现出粒子性。,光的波动性：解释光的传输特性 光量子学说：1905年，由爱因斯坦提出。认为光是由光子组成的 E：光子能量 H：是普朗克常量 v：是波的频率 携带信息的光波，所具有的能量是E的整数倍。当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或者释放的 。,原子的能级和半导体的能带,原子的能级 原子是由原子核和绕原子核旋转的核外电子组成；原子中的电子只能在一定的量子态中运动 ； 轨道越高，能量也越高 当电子在每一个这样的轨道上运动时，原子具有确定的能量，称为原子的一个能级,晶体的能带 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，每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带，称为能带。,把这种形成共价键的价电子所占据的能带称为价带，而把价带上面邻近的空带（自由电子占据的能带）称为导带,禁带 不能为电子所占据的能量状态。 禁带的宽度又称为带隙能量,光与物质相互作用的基本过程 自发辐射、受激吸收和受激辐射,自发辐射 特点： 发射光子的频率为： 无外界作用，自发光跃迁； 独立、自发发射，非相干光 典型应用：发光二极管,h=E2-E1,E g=E2-E1,受激吸收 特点： 外来光子能量应等于电子跃迁的能级之差； 消耗外来光能，产生电子空穴对。 典型应用：光电二极管,受激辐射 特点：外来光子能量应等于电子跃迁的能级之差，产生的 光子与感应光子是相干的，为全同光子；光得到放大。 典型应用：半导体激光器,光的吸收和放大 吸收状态 设媒质中低能级E1上的电子密度为N1，高能级E2上的电子密度为N2 ，当N2N1时，受激吸收过程占主导地位，光波经过媒质时强度按指数规律衰减，光波被吸收,放大状态 若媒质中N2N1 ，则受激辐射占主导地位，光波经过媒质时强度按指数规律增大，光波被放大。 N2N1的情况是一种处于非热平衡状态下的反常情况，称之为粒子数反转分布，或布居反转，必须要有外界的泵浦才能实现,粒子反转分布,根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布 K为波兹曼常数 T为热力学温度 Ef为费米能级，描述半导体中各能级被电子占据的状态 在费米能级，各能级被电子和被空穴占据的概率相同,正向偏压下PN结的能带图,半导体激光器,基本原理 半导体激光器是一种PN结构成的二极管结构，通过向PN结注入正向电流，当注入电流达到一定的阈值后，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光震荡。实现粒子数反转分布的区域被称为有源区，半导体激光器的光激射就发生在这个区域,激射的一般基本条件 有源区里产生足够的粒子数反转分布 存在光学谐振机制，并在有源区里建立起稳定的激光振荡,阈值条件 光子在传播和反射等运动过程中要消耗一部分能量，光子向不希望的方向运动，会很快离开使光子总量减少。此外还有产生声子（晶格振动）的损耗等。 无论如何，激活物质产生的光增益应足以抵消所有的损耗，振荡才可能发生。 将振荡开始出现净增益的条件称为阈值条件,选频单元 光学谐振腔：能够提供必要的反馈及进行频率选择 F-P腔（法布里-珀罗谐振腔）：在增益物质两端适当的位置，放置两个互相平行的反射镜,腔的尺寸远大于工作波长腔内电磁波可认为是均匀平面波。 从一点出发的平面波，垂直投射到反射镜M1，由M1反射后又垂直投射向M2,再回到出发点时，如果它们之间的相位差是2的整数倍，达到了谐振，那么 L=q2 L：谐振腔的长度 ：谐振腔介质中光波的波长 q=1，2，3 =2L q 光学谐振腔的谐振条件（驻波条件） 当光学谐振腔的折射率为n时=2nL q,半导体激光器的结构和工作原理,分类 同质结LD 单异质结LD 双异质结LD,同质结LD PN结两边材料相同，仅掺杂不同 对光场无限制作用 要求阈值电流太高，几乎不能在室温下工作,异质结LD 结两边由不同的半导体材料制成 降低阈值电流，提高效率,双异质结LD P-N结的两个端面按照晶体的天然解理面切开，形成反射面，在其表面镀膜，组成光学谐振腔,半导体激光器的工作特性 P-I特性 光谱特性 转换效率 温度特性 时间效应,P-I特性,典型的激光器P-I曲线,阈值条件 在P-I曲线中，激光器由自发辐射到开始受激振荡时的临界注入正向电流，称为阈值电流。用符号Ith表示 当I Ith时，LD发出激光 为使光纤通信系统稳定可靠的工作，阈值电流越小越好,利用P-I曲线求解Ith的方法：双斜率法 、 反向延长法 、二阶求导法,光谱特性 中心波长（c） ：光谱曲线最高点对应的波长 谱线宽度：比最高点光功率低3dB（50%）时曲线上的宽度 LD的光谱随激励电流变化 当I Ith时，LD发出激光，发射光谱突然变窄，谱线 中心强度急剧增加,单模LD:激光二极发出的激光是单纵模 多模LD:激光二极发出的激光是多纵模,转换效率 衡量转换效率（电功率转换成光功率）高低的物理量 定义：激光器输出光功率与注入激光器的电功率之比，用P表示 Pe输出光功率 V工作电压 I工作电流 Rs串联电阻,R与LD的内部量子效 率、激光波长和模式损耗有关的 常数,温度特性 LD的阈值电流和光输出功率随温度变化的特性 阈值电流随温度的升高而加大,时间效应 LD的阈值电流与使用时间有关 随着激光二极管使用时间的增加，阈值电流逐渐加大。限制了激光二极管的使用寿命。,LD发光波长 LD波长：=hc/(E2-E1)=1.2398/(E2-E1) LD的辐射波长由禁带宽度决定；可以通过半导体材料的选择来改变,短波长波段 采用GaAlAs/ GaAs-LD材料，改变GaAlAs 中Al的含量改变激光发射波长 发射波长范围：0.75-0.92m 使用寿命一般为10万小时。用于传输距离长、传输速率较高的系统,长波长波段 InGaAsP/InP波长范围：1.0-1.7m GaInAs/GaInP波长范围： 1.06-1.7m GaAsSb/ GaAlSb波长范围： 0.87-1.68m 光功率较大（几w-几mw），谱线较窄（约3nm），与光纤耦合效率较高（可达到50%左右），使用寿命105h以上,单纵模LD,单纵模LD的获得 减少腔长：腔的损耗加大，激光器输出减小 采用掩埋条形：在有源区边缘加大对高次模的吸收,利用衍射光栅对 波长进行选择 高速调制困难，不易于集成,动态单纵模半导体激光器 DFB-LD（分布反馈式半导体激光器）DBR-LD（分布布拉格反射式激光器） 在制造半导体激光器的过程中直接在半导体激光器的波导层上形成衍射光栅,DFB激光器,DFB的优点 动态单纵模 谱线窄，波长稳定性好 动态谱线好 线性好,DBR-LD分布布拉格反射式激光器 激光器的内光栅在有源层的两端,LED-半导体发光二极管,工作原理：当注入正向电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中复合发光 特点（与半导体激光器比较）： 无光学谐振腔 非相干光源，发光限于自发辐射，发射出的是荧光；非阈值电流，输出功率基本上与注入电流成正比 采用双异质结，获得高辐射度,分类 边发射二极管 面发射二极管,LED的工作特性 发射谱线和发散角 光谱较宽，光纤色散严重； 发散角大（40-10），与光纤的耦合效率较低， 适用于短距离传输 P-I曲线线性好 调制时，动态范围大， 信号失真小。,响应速度:调制速率低 热特性:温度特性较好，无需温控电路 寿命长，可靠性高 目前国产发光二极管的寿命可以达到3105小时以上 虽然LED的输出光功率低，光谱较宽，但由于使用简单，寿命长等优点，在中、地速率短距离光纤数字通信系统和光纤模拟信号传输系统中得到广泛应用,光源的调制,为了将电信号通过过光波进行传输，要求对光源进行调制 在目前广泛使用的强度调制直接检波光纤通信系统中，实现调制的方法有两类,直接调制 直接在光源上进行调制，直接调制LD的注入电流。又称为内调制。这是目前广泛采用的调制方式。 直接调制方法有三种 模拟强度调制（AIM）：与基带传输相似 脉位调制（PPM）：等宽脉冲前后沿位置随信号大小前后变化，适应于光源和检测管的特性 数字调制，如PCM-IM，这是光纤通信最常用的调制方式,模拟信号的直接调制 LED的注入电流跟随反映语音或图像等模拟量变化，从而使LED的输出光功率跟随模拟信号变化,数字信号的直接调制 光纤通信系统所传的信号是一系列“0”“1”数字信号,对光源进行直接调制简单方便，但是，会使动态谱线增宽，造成传输时色散加大，易产生频率啁啾（光频随调制变化） 间接调制 在光源外输出的光路上外加调制器来对光波进行调制。又称为外调制,直接调制特点 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。,间接调制特点 啁啾小，用于大于 2.5 Gb/s 高速率传输 线性度较好，可用于要求线性度高模拟信号 有些调制器呈现偏振相关性.,M-Z（Mach-Zahnder）外调制器 3dB耦合器 利用晶体传输特性随电压变化实现对光波的调制,电吸收型外调制器（E-A调制器） 与LD相反， E-A调制器采用反向偏压。光有源区减小，光衰减增加 优点：可与L