第 4 章光源及光发射机

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第4章光源及光发射机 • 光源是光纤通信及传感系统中的一个重要元件，光纤通信对光源的要求是小型化、单色、光强稳定（时间、温度变化时）和耐久。最普通的光源就是发光二极管和半导体激光器。 • 4.1节发光二极管4.5节数字信号光纤传输 • 4.2节半导体激光4.6节光发射机电路 • 4.3节光载波的调制方式4.7节光源与光纤的耦合 • 4.4节模拟信号光纤传输4.8节光载波的间接调制 www.ysu.edu.cn

4.1.1 4.1.2 4.1.3 工作原理 LED的结构和分类 LED的基本特性 4.1 发光二极管 • 发光二极管(LED)是由直接带隙的半导体材料制成的PN结二极管，是非相干光光源，它的发射过程主要对应光的自发辐射过程。 • 发光二极管的突出优点是寿命长，可靠性高，调制电路简单，成本低，主要用于传输速率比较低、传输距离比较短的光纤通信系统中。 www.ysu.edu.cn

4.1.1 工作原理 • PN结电子能级图如图4.1所示，加正向偏压后，注入的非平衡少子在扩散过程中复合发光，其光子能量为 • 式中，光子频率；h 普朗克常数；是半导体材料的禁带宽度。因此，发射光波长取决于半导体材料，发光的中心波长为 • (4.1) • 式中，；。 • 当Eg用电子伏特作为单位时，有 (4.2) www.ysu.edu.cn

4.1.1 工作原理 图4.1 PN结电子能级 • 以AlGaAs/GaAs为材料的发光二极管发光波长在范围内，InGaAsP/InP材料的发光波长为。 www.ysu.edu.cn

4.1.2 LED的结构和分类 • 为了提高辐射度，发光二极管也采用双异质结构，但没有谐振腔，发光过程中不需要粒子数反转，是自发辐射过程。 • 按光输出位置不同，可分为边发射型和面发射型，其结构示意图如图4.2所示。图4.2 双异质结LED www.ysu.edu.cn

4.1.3 LED的基本特性 • 1．光谱特性和发散角 • 由于导带和价带都是包含许多细微能级的能带，复合发光的光子能量有一个较宽的能量范围，使自发发射光谱的谱线较宽，其典型光谱如图4.3所示。图4.3 LED的发光光谱 www.ysu.edu.cn

4.1.3 LED的基本特性 • 称为LED的谱线宽度(FWHM)， , 是对应相对光光强为0.5时的波长，光强最大时为发射光中心（峰值）波长，一般为30~50 nm，长波长InGaAsP/InP 材料的是 60~120 nm。由于自发辐射光的方向是杂乱的，因此LED的发散角较大，垂直PN结的方向，平行PN结的方向。 • 2．响应速度 • 发光二极管的响应速度受制于载流子的自发复合寿命，因此减少少数载流子的寿命是提高响应速度的有效途径。一般采取高掺杂和高注入电流密度。 www.ysu.edu.cn

4.1.3 LED的基本特性 • 3．电光转换特性（光输出特性） • LED 的 P-I 曲线如图4.4所示，发光二极管是自发辐射的，不是阈值器件，它的输出光功率基本上与注入电流成正比，因此 P-I 曲线的线性范围很大。图4.4 LED的P-I 特性曲线 www.ysu.edu.cn

4.1.3 LED的基本特性 • 4．温度特性 • 发光二极管的输出光功率随温度的升高而减小，因为不是阈值器件，故功率不会有很大的变化。 • 实际应用中也可以不采用温度控制，例如GaAlAs材料的LED输出光功率随温度的变化率为-0.01/K。 • 其次，当温度升高时，发光的峰值波长会向长波长方向稍微移动，如图4.3所示。 www.ysu.edu.cn

4.2 半导体激光器 • 异质结结构的半导体激光器(Laser Diode, LD)，又称为注入式激光器，是光纤应用系统中最常用的器件之一。 • 和其他激光器相比，LD具有体积小，重量轻，驱动功率低，输出效率高，调制方便（直接调制），寿命长和易于集成等一系列优点而得到了广泛的应用。 • LD在光纤通信中的应用主要包括： (1) 各种数据、图像等传输系统的发射光源； www.ysu.edu.cn

4.2 半导体激光器 • (2) 光纤 CATV 系统的光源； • (3) 掺铒光纤放大器 (EDFA) 和拉曼光纤放大器 (RFA) 的泵浦光源； • (4) 未来全光通信网络中光交换、光路由、光转发等关键设备的光源。 • 半导体激光器按结构可分为: 法布里-珀罗(F-P)型LD、分布反馈(DFB) LD、分布 Bragg 反射器(DBR)LD、量子阱(QW) LD 和垂直腔面发射激光器(VCSEL)等。 • 下面将分别介绍这些激光器。 www.ysu.edu.cn

4.2.1 半导体激光器的基本工作原理(F-P型) • 半导体激光器的基本结构是双异质结(DH)平面条形结构，其示意图如图4.5 所示。 • 所谓异质结，是指由两种带隙宽度不同的半导体材料组成的p-n结（也可能是p-p或n-n结）。普通p-n结也称为同质结。图4.5 双异质结平面条形LD的基本结构 www.ysu.edu.cn

4.2.1 半导体激光器的基本工作原理(F-P型) • 与其他激光器一样，要产生激光必须有增益介质、谐振腔和泵浦源，在一定条件下就可以产生激光。同质结LD对半导体材料的要求是重掺杂而且必须是“直接带隙”的半导体材料。同质结简并能带图如图4.6所示。图4.6 同质结简并能带图 www.ysu.edu.cn

4.2.1 半导体激光器的基本工作原理(F-P型) • 从图4.6中可以看出，当注入电流密度加大到一定值后，准费米能级和的能量间隔大于禁带宽度时，即（伯拉德-杜拉福格条件）时，PN 结中出现一个增益区（有源区），在这个区域内，价带主要由空穴占据，而导带则主要由电子占据，即实现了粒子数反转。 www.ysu.edu.cn

4.2.1 半导体激光器的基本工作原理(F-P型) • 电子由导带跃迁至价带，受激辐射将起主导作用，发出的光是激光。 • 由于重掺杂，简并半导体的有源区束缚电子和空穴的能力较弱，需要很大的注入电流密度才能实现粒子数反转，所以难以实现室温下连续工作，只能在低温下工作。 • 为了降低电流密度阈值，人们研究了单异质结和双异质结半导体激光器。 www.ysu.edu.cn

4.2.1 半导体激光器的基本工作原理(F-P型) 图4.7 异质结激光器能带示意图 www.ysu.edu.cn

4.2.1 半导体激光器的基本工作原理(F-P型) • 图4.7是单异质结和双异质结半导体激光器的能带示意图，利用异质结特别是双异质结可以将电子和空穴更好地束缚在有源区的势阱中。 • 不同半导体材料的带隙差也使有源区的折射率高于邻近的介质，这样使光子也限制在有源区内，载流子和光子的束缚使得激光器的阈值电流密度大幅度下降，从而实现了室温连续工作。 www.ysu.edu.cn

4.2.1 半导体激光器的基本工作原理(F-P型) • 激光发射中心波长可由得到 (4.3) 法布里-珀罗谐振腔的作用是使光的方向性得到选择，要使光在谐振腔内建立稳定的振荡，必须满足一定的相位条件和振幅条件。相位条件使发射光谱波长得到选择，振幅条件决定了半导体激光器的电流阈值。 www.ysu.edu.cn

4.2.1 半导体激光器的基本工作原理(F-P型) • 相位条件是： m = 1, 2, 3, 4,… • 式中，为光传输常数；L 为谐振腔长度。所以满足相位条件的波长为 (4.4) • 式中，n 是有源区介质的折射率；m = 1, 2, 3, 4, …是纵模模数。 www.ysu.edu.cn

4.2.1 半导体激光器的基本工作原理(F-P型) • 由于腔内介质有损耗，镜面反射也有损耗，因此谐振腔内建立稳定振荡的幅度条件是 (4.5) • 式中，为增益系数阈值；为有源区的损耗系数； , 是两个镜面的反射率。 • 由此可知，而增益系数大致与注入电流密度成正比，因此半导体激光器是阈值器件。 www.ysu.edu.cn

4.2.2 半导体激光器的基本性质 • 1．激光发射波长和光谱特性 • 发射光中心波长是，只有符合相位条件的波长的光能够稳定输出，这取决于F-P谐振腔的长度L ，称为激光器的纵模。图4.8是半导体激光器的光谱特性。图4.8 半导体激光器的光谱特性（F-P型） www.ysu.edu.cn

4.2.2 半导体激光器的基本性质 • 随着驱动电流增大，纵模数目减小，谱线宽度变窄，可以出现静态单纵模。 • 在动态调制时，随着调制电流增大，纵模数目增多，谱线宽度变宽。采用分布反馈(DFB)或分布Bragg反射(DBR)可以得到动态单纵模。 2．激光束空间分布 • 激光束空间分布用近场图样和远场图样来表示横向光场的分布。 • 激光器输出镜面上光强分布图样称为近场图样，由横模决定。远离反射镜面一定距离处的光场分布称为远场图样。 www.ysu.edu.cn

4.2.2 半导体激光器的基本性质 • 3．输出光功率特性 • 典型的GaAlAs/GaAs短波长半导体激光器的输出光功率特性如图4.9所示。图4.9 GaAlAs/GaAs短波长半导体激光器的输出光功率特性 www.ysu.edu.cn

4.2.2 半导体激光器的基本性质 • 可见，半导体激光器是阈值器件，当注入电流小于阈值电流时，谐振腔增益不足以克服损耗，有源区内不能实现粒子数反转，自发辐射占主导地位，发出普通的荧光，与LED相似。 • 随着注入电流增大，达到阈值后，有源区内实现了粒子数反转，受激辐射占主导地位，发出谱线尖锐、模式明确的激光。 www.ysu.edu.cn

4.2.2 半导体激光器的基本性质 • 4．半导体激光器的效率 • 半导体激光器把电功率转化为光功率发射出去，用功率效率和量子效率来衡量激光器转换效率的高低。 • 功率效率定义为 • 式中，为辐射的光功率；为注入的电功率。 www.ysu.edu.cn

4.2.2 半导体激光器的基本性质 • 量子效率分为内量子效率、外量子效率和外微分量子效率。内量子效率定义为 • 式中，为有源区内每秒产生的光子数；为有源区内每秒注入的电子-空穴对数。 • 由于有源区内电子-空穴的复合分为辐射复合和非辐射复合，辐射复合后发射光子，非辐射复合的能量以声子形式释放，转换为晶格的振动。 www.ysu.edu.cn

4.2.2 半导体激光器的基本性质 • 若和分别表示辐射和非辐射复合速率，则 • 定义外量子效率为 • 式中，为激光器每秒发射的光子数；为激光器每秒注入的电子-空穴对数。 www.ysu.edu.cn

4.2.2 半导体激光器的基本性质 • 由于，故式中，I为激光器的注入电流；V 为PN 结上的外加电压。 • 定义外微分量子效率为 (4.6) 当 >> 时， (4.7) • 它对应P-I 曲线阈值以上线性部分的斜率，是衡量LD 效率的重要指标。 www.ysu.edu.cn

4.2.2 半导体激光器的基本性质 • 5．温度特性 • 半导体激光器是对温度很敏感的器件，它的输出功率随温度变化很大，其原因主要是半导体激光器的外微分量子效率和阈值电流都随温度而变化。 • 外微分量子效率随温度升高而下降，但不十分敏感。 • 阈值电流随温度升高而加大，在一定温度范围有为常数，是激光器的特征温度，在一定温度范围内是常数。 www.ysu.edu.cn

4.2.2 半导体激光器的基本性质 • 两种半导体激光器的温度特性如图4.10所示。图4.10 两种半导体激光器的温度特性 www.ysu.edu.cn

4.2.2 半导体激光器的基本性质 • 6．瞬态性质 • 图4.11(a), (b)和(c)皆有电光延迟时间均为ns量级。 • 图4.11(a)是衰减式振荡，称为张弛振荡（或弛豫振荡）；图4.11(b)是在一定注入电流下的持续振荡，称为自脉动现象；图4.11(c)是图4.11(a)和图4.11(b)两种情况的结合。图4.11 半导体激光器的瞬态特性 www.ysu.edu.cn

4.2.3 其他半导体激光器 • 1．分布反馈半导体激光器(DFB LD) • DFB激光器的结构如图4.12所示。图4.12 DFB半导体激光器的结构 www.ysu.edu.cn

4.2.3 其他半导体激光器 • DFB 激光器的基本工作原理可以用 Bragg 反射来说明，对于周期性波导，当满足同相相干加强的条时，反射光 m =1, 2, 3, … • 式中，为周期波导的结构周期； n是材料的折射率；是传输光的波长。当时，，这就是激光器稳定振荡的相位条件。 www.ysu.edu.cn

4.2.3 其他半导体激光器 • DFB激光器较F-P型激光器具有以下优点： • (1) 可以实现单纵模振荡， • F-P型激光器的发射光谱，单纵模振荡非常困难。 DFB 激光器的发射光谱则主要由光栅周期决定，比 L小得多，m阶和 m+1阶模之间波长间隔很大，容易设计成单纵模振荡。 • (2) 谱线窄，波长稳定性好。 • (3) 动态谱线性好，在高速调制时仍然保持单模特性。 • (4) 线性度好，可以用于CATV（模拟调制）系统中。 www.ysu.edu.cn

4.2.3 其他半导体激光器 • 2．分布布拉格反射激光器(DBR LD) • 分布布拉格反射激光器的结构示意图如图4.13所示。 • Bragg光栅起到反射镜的作用，而且Bragg光栅的反射率与波长有关，当在Bragg波长处有最大的反射率时，谐振腔有强烈的波长选择性。这种激光器还可以在宽带范围内进行波长调谐。图4.13 分布布拉格反射激光器的结构示意图 www.ysu.edu.cn

4.2.3 其他半导体激光器 • 3．量子阱半导体激光器 • 超晶格(Super Lattice)是由两种或两种以上组分不同或导电性能的超薄层材料交替生长形成的人工周期结构，超晶格构成的量子阱如图4.14所示。 • 势垒较厚，相邻势阱中电子波函数不发生交迭的周期结构称为“多量子阱”(MQW)，只有一个势阱，两边是势垒的结构称为“单量子阱”(SQW)。 • 图4.14 量子阱的结构和能带图 www.ysu.edu.cn

4.2.3 其他半导体激光器 • 4．垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL) • 垂直腔面发射半导体激光器的结构示意图如图4.15所示。采用多层周期结构的Bragg反射镜形成微谐振腔。图4.15 垂直腔面发射半导体激光器的结构示意图 www.ysu.edu.cn

4.3 光载波的调制方式 • 光纤通信中，信息是由光源所发出的光波携带的，在这里光波就是载波，而把信息加到光波上的过程就是调制。 • 按照调制信号的不同，调制方式可以分为模拟调制和数字调制。 • 模拟调制是利用模拟信号直接对光载波进行调制的一种方式。 • 数字调制首先对欲传输的模拟信号进行A/D转换，然后以转换后的二进制数字信号“0”或“1”对光载波进行通断控制。 www.ysu.edu.cn

4.3 光载波的调制方式 • 按照调制信号与光源的关系，光调制又可以分为直接调制和间接调制。 • 直接调制又称为内调制，是直接通过调制信号对光源参数如光强、频率等进行控制，分别得到随调制信号改变的调幅、调频光信号。 • 间接调制又称为外调制，这种调制方式利用外调制器对光载波进行调制，其调制的对象是光源发出的光，光源本身的参数并不发生变化。 www.ysu.edu.cn

4.3 光载波的调制方式 • 直接调制方式的优点是电路简单、实现容易，但传输速率不能太高。 • 间接调制方式结构复杂，但由于从根本上消除了频率啁啾和张弛振荡的影响，因而其高速性能优良，适合于高速率通信。 • 由于直接调制方式结构简单，因而在低速光纤通信中广泛应用。另外，使用 LED 作为光源时大都采用直接强度调制的方式，通过改变注入电流就可以改变输出光功率。图4.16就是一个简单的模拟 LED 直接调制电路。 www.ysu.edu.cn

4.3 光载波的调制方式 • 该电路中模拟调制信号加在输出管的基极，LED 串接在输出管的集电极，调制信号通过对基极电压的控制来控制流经LED的集电极电流的变化，这样LED 的输出光强将随着调制信号的变化而变化。图4.16 简单的模拟LED直接调制电路 www.ysu.edu.cn

4.3 光载波的调制方式 • 在如图4.16所示的电路中，静态集电极电流Ic即为LED的静态偏置电流，Ic= ，其中为三极管的共射极电流放大倍数。设电路的调制指数 m = 0.8，信号电流峰值 Im= 24 mA，则静态时的集电极电流 Ic=。 • 对于上述简单的直接调制电路，需要注意两点：一是需要设置合适的静态工作点，使管子工作在线性区，尽可能地减小非线性失真；二是输入信号要有足够的强度，使光源满足一定的输出功率。 www.ysu.edu.cn

4.4.1 4.4.2 模拟信号调制 LED的结构和分类 4.4 模拟信号光纤传输 • 在光纤通信系统中，信息可用模拟或数字两种形式之一进行传输。所谓模拟信号，是指时间和幅度都连续的信号。 www.ysu.edu.cn

4.4.1 模拟信号调制 • 光纤通信中，模拟信号直接调制电路框图如图4.17所示。图4.17 模拟信号直接调制电路框图 • 模拟信号光调制过程中需要解决的最基本问题有两个： • 一是足够强度的稳定光功率输出； • 二是要有足够小的非线性失真。 www.ysu.edu.cn

4.4.1 模拟信号调制 • 图4.18是模拟信号光调制原理图。 • (a) LED模拟信号光调制原理图 (b) LD模拟信号光调制原理图图4.18 模拟信号光调制原理图 www.ysu.edu.cn

4.4.1 模拟信号调制 • 从图4.18(a)可以看出，理想情况下LED 为无阈值器件，且在很宽范围内保持良好的线性，因而可以根据输入调制信号的强度在P-I 曲线上选取合适的点作为静态工作点，对应静态工作电流为IB，只要输入调制信号电流幅值I不大于IB，即可以得到强度随输入调制信号强度线性变化的光信号输出，从而实现模拟信号的直接调制。 www.ysu.edu.cn

4.4.1 模拟信号调制 • 图4.18(b)为半导体激光二极管LD 的模拟信号直接调制原理图，与图4.18(a)比较，可以明显地看出，LD 为阈值器件，电流必须超过阈值电流Ith以后，LD 的输出光功率才随流经LD 的电流I线性变化。因而要选择静态电流IB大于阈值电流Ith，使LD 工作在如图4.18(b)所示的线性区。 • 由以上的分析可知，无论是LED 调制电路还是LD调制电路，选择合适的直流偏置电流IB都是至关重要的，恰当的偏置电流可以减小光信号的非线性失真。 www.ysu.edu.cn

4.4.1 模拟信号调制 • 调制深度或调制指数是衡量模拟信号强度调制程度的一个重要参数。对于LED ，调制深度定义为 • 对于LD ，调制深度定义为调制电流幅值偏置电流幅值调制电流幅值偏置电流幅值-阈值电流幅值 www.ysu.edu.cn

4.4.1 模拟信号调制 • 根据调制深度的定义，从图4.18可以看出，一定静态偏置电流下，调制深度越深，即 m越大，输出光信号的幅值越高，但线性变差；调制深度越浅，即 m 越小，输出光信号的幅值越小，但线性提高。 • 因此，模拟调制电路中应根据器件的参数合理地选择调制深度，在保证系统要求的光功率输出的同时，减小非线性失真。 www.ysu.edu.cn

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