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1、回到目的地 实现光纤通信 哈尔滨工程大学理学院 光子科学与技术研究中心 2007年3月 7.17.1光源及其驱动光源及其驱动 7.1.1半导体光源的物理基础 在大量原子相互靠近形成半导体晶体时 ，由于半导体晶体内部电子的共有化运动，使 孤立原子中离散能级变成能带。 半导体内部自由运动的电子(简称自由电 子)所填充的能带称为导带；价电子所填充的 能带称为价带；导带和价带之间不允许电子填 充，所以称为禁带，其宽度称为禁带宽度，用 Eg表示，单位为电子伏特(eV)。 7.17.1光源及其驱动光源及其驱动 半导体的能带结构 7.17.1光源及其驱动光源及其驱动 l自发辐射：处于高能级的电子状态是 不稳
2、定的，它将自发地从高能级(在半导体晶 体中更多是指导带的一个能级)运动(称为跃迁) 到低能级(在半导体晶体中更多是指价带的一 个能级)与空穴复合，同时释放出一个光子。 由于不需要外部激励，所以该过程称为自发辐 射。 l受激辐射：在外来光子的激励下，电子从高能 级跃迁到低能级与空穴复合，同时释放出一个与外 来光子同频、同相的光子。由于需要外部激励，所 以该过程称为受激辐射。 7.17.1光源及其驱动光源及其驱动 7.1.2半导体发光二极管 半导体发光二极管(Light-emitting Diode，LED)基 本应用GaAlAs和InGaAsP材料，可以覆盖整个光纤通信 系统使用波长范围，典型值
3、为0.85m、1.31m及1.55m 。 LED的工作原理可以归纳如下：当给LED外加合适 的正向电压时，Pp结之间的势垒(相对于空穴)和Np结之间 的势垒(相对于电子)降低，大量的空穴和电子分别从P区 扩散到p区和从N区扩散到p区(由于双异质结构，p区中外 来的电子和空穴不会分别扩散到P区和N区)，在有源区形 成粒子数反转分布状态，最终克服受激吸收及其他衰减而 产生自发辐射的光输出。 7.17.1光源及其驱动光源及其驱动 LED结构：面发光二极管、边发光二极管、超辐射发光二 极管。 1. 面发光二极管 面发光SLED（Surface Emitting）二极管 的典型结构。它由NPP双异质结构
4、成 。这种LED发射面积限定在一个小区域内 ，该区域的横向尺寸与光纤尺寸相近。利 用腐蚀的方法在衬底材料正对有源层的地 方腐蚀出一个凹陷的区域，使光纤与光发 射面靠近，同时，在凹陷的区域注入环氧 树脂，并在光纤末端放置透镜或形成球透 镜，以提高光纤的接收效率。面发光二极 管输出的功率较大，一般注入100mA电流 时，就可达几个毫瓦，但光发散角大，水 平和垂直发散角都可达到120，与光纤的 耦合效率低。 7.17.1光源及其驱动光源及其驱动 2. 边发光二极管 边发光二极管，也采用了双异质结结构。利用SiO2掩模技术，在P面形成垂直于端面 的条形接触电极(约4050m)，从而限定了有源层的宽度；
5、同时，增加光波导层，进 一步提高光的限定能力，把有源区产生的光辐射导向发光面，以提高与光纤的耦合效 率。其有源层一端镀高反射膜，另一端镀增透膜，以实现单向出光。在垂直于结平面 方向，发散角约为30，具有比面发光二极管高的输出耦合效率。 7.17.1光源及其驱动光源及其驱动 3. 超辐射发光二极管 超辐射发光二极管SLD（Superluminescent Diodes）是一种介于激光二极管LD和发光二极 管LED之间的半导体光源，它的出现和发展是 受到光纤陀螺的驱动，对它的要求是有高的功 率输出并有宽的光谱宽度。可以看出，它的结 构大体上与激光器的结构相似。除了条形金属 接触部分没有扩展到二极管
6、芯片整个长度外， 其他部分的长度与条形激光器相同。这种结构 的目的是使得SLD既有很高的输出功率而又不 产生激射振荡，因为要使输出功率增加，最简 单办法是增大注入电流，但是，过高的注入电 流可能会导致激射振荡。非泵浦的后尾部区域 是后向光波的吸收体，仅有前向光波被放大。 目前，超辐射发光二极管在光纤通信中的应用 还比较少。 7.17.1光源及其驱动光源及其驱动 除了上面介绍的几种发光二极管外，还有高速发光二极管。 对于诸如局域网(LAN)和类似短距离网络系统(如计算机数据 线路)应用而言，系统设计者总是希望使用LED，而不愿使用 激光二极管LD，其原因是LED除有低成本外，还具有高的温 度稳定
7、性、高的可靠性、宽的工作温度范围、低的噪声和简 单的控制电路等优点。但是，LED的窄带宽和进入光纤的光 功率又限制它在上述短距离、大容量系统中的应用。研究、 开发出工作于数百兆比特每秒到数吉比特每秒速率的LED和 相应的驱动电路，将会对短距离电话用户环路和局域网数据 光纤系统带来极大的方便性和经济性，特别是对即将到来的 宽带综合业务数字网络具有更大的吸引力。目前已有直接调 制速率可达到300Mb/s以上的高速LED产品问世。 7.17.1光源及其驱动光源及其驱动 LED 光源特性 (1) 光谱特性。发光二极管发射的是自发辐射光， 没有谐振腔对 波长的选择，谱线较宽 7.17.1光源及其驱动光源
8、及其驱动 LED 光源特性 (2) LED的P-I特性 4 3 2 1 0 50 100 150 0 25 70 电流/mA 输出功率/ mW 7.17.1光源及其驱动光源及其驱动 LED 光源特性 (3) LED的温度特性 7.17.1光源及其驱动光源及其驱动 LED 光源特性 (3) LED的调制特性 在规定的正向偏置 工作电流下，对 LED进行数字脉冲 或模拟信号电流调 制，便可实现对输 出光功率的调制。 7.17.1光源及其驱动光源及其驱动 LED 光源特性 (3) LED的调制特性 在规定的正向偏置 工作电流下，对 LED进行数字脉冲 或模拟信号电流调 制，便可实现对输 出光功率的调
9、制。 调制频率或调制带宽是光通信用LED的重要参数之一，它关系到 LED在光通信中的 传输速度大小，LED因受到有源层内少数载流子寿命的限制，其调制的最高频率通 常只有几十兆赫兹，从而限制了LED在高比特速率系统中的应用，通常LED的应用 主要局限在低带宽和局域网上。调制带宽是衡量发光二极管的调制能力，其定义是 在保证调制度不变的情况下，当LED输出的交流光功率下降到低频率值的一半时 (3dB)的频率就是LED的调制带宽，它可以表示为 式中，为载流子的寿命。为了提高带宽，希望缩短载流子的寿命，可以通过增大有 源层的掺杂浓度和提高注入少子浓度改善带宽性能，但是带宽的增加却会使得LED 输出光功率
10、下降。例如面发射GaAIAs发光管最高功率可达15 mW，而3 dB带宽为17 MHz；当最大调制带宽为1.1GHz时，功率降低至0.2 mW。LED的输出功率与调制 带宽的乘积是一个常数 7.17.1光源及其驱动光源及其驱动 LED 光源特性 (3) LED的调制特性 调制频率或调制带宽是光通信用LED的重要参数之一，它关系到 LED在光通信中的 传输速度大小，LED因受到有源层内少数载流子寿命的限制，其调制的最高频率通 常只有几十兆赫兹，从而限制了LED在高比特速率系统中的应用，通常LED的应用 主要局限在低带宽和局域网上。调制带宽是衡量发光二极管的调制能力，其定义是 在保证调制度不变的情
11、况下，当LED输出的交流光功率下降到低频率值的一半时 (3dB)的频率就是LED的调制带宽，它可以表示为 式中，为载流子的寿命。为了提高带宽，希望缩短载流子的寿命，可以通过增大有 源层的掺杂浓度和提高注入少子浓度改善带宽性能，但是带宽的增加却会使得LED 输出光功率下降。例如面发射GaAIAs发光管最高功率可达15 mW，而3 dB带宽为17 MHz；当最大调制带宽为1.1GHz时，功率降低至0.2 mW。LED的输出功率与调制 带宽的乘积是一个常数 7.17.1光源及其驱动光源及其驱动 LED 光源特性 (3) LED的调制特性 7.17.1光源及其驱动光源及其驱动 LED 光源特性 (3)
12、 LED与光纤的耦合 Electrode SiO2 (insulator) Electrode Fiber (multimode) Epoxy resin Etched well Double heterostructure Light is coupled from a surface emitting LED into a multimode fiber using an index matching epoxy. The fiber is bonded to the LED structure. (a) Fiber A microlens focuses diverging light
13、from a surface emitting LED into a multimode optical fiber. Microlens (Ti2O3:SiO2 glass) (b) 7.17.1光源及其驱动光源及其驱动 LED 光源特性 (3) LED与光纤的耦合 Multimode fiber Lens (a) ELED Active layer Light from an edge emitting LED is coupled into a fiber typically by using a lens or a GRIN rod lens. GRIN-rod lens (b) Si
14、ngle mode fiber ELED 7.17.1光源及其驱动光源及其驱动 LED 光源特性 (3) LED与光纤的耦合 7.17.1光源及其驱动光源及其驱动 有源层材料 类型辐射波长 （nm） 谱宽 （nm） 耦合功率 (W) 正向电流 （mA） 上升/下降时 间 （ns） AlGaAsELED85035651080601002/26.5/6.5 GaAsSLED8504080140100- GaAsELED8503510321006.5/6.5 InGaAsPSLED130011010501003/3 InGaAsPELED13002510150301001.5/2.5 InGaAsP
15、ELED15504070100075002005000.4/0.412/12 LED技术参数 7.17.1光源及其驱动光源及其驱动 7.1.3半导体激光器(Laser Diode，LD) 1. 激光二极管的类型结构 (1) 常用激光二极管的类型结构 在双异质结构的LD中，通常采用具有横模限 制作用的激光二极管结构，这种激光二极管称为 条形激光二极管(Stripe Laser Diode，SLD)或窄 区激光二极管。 一种增益波导型激光二极管的类型结构如图 所示，图中虚线之间的部分为电流流经的区域。 一种扩散条形激光二极管 7.17.1光源及其驱动光源及其驱动 拱棱波导条形激光二极管 7.17.
16、1光源及其驱动光源及其驱动 7.17.1光源及其驱动光源及其驱动 (2) 单频激光二极管 一般地，普通激光二极管只能工作 于多纵模状态，其增益峰值附近的数个 模式携带着大部分的输出光功率。 分布反馈机理激光二极管 在分布反馈(Distributed Feedback ，DFB)机理激光二极管中，通过谐振腔 和具有频率选择反馈功能的光栅共同完 成反馈作用。 7.17.1光源及其驱动光源及其驱动 耦合腔激光二极管 模式选择也可以采用耦合腔结 构实现，其基本机理为：虽然两个谐 振腔具有各自不同的振荡纵模，但是 当两个谐振腔放在一起构成耦合腔( 或复合腔)时，这时只有两个谐振腔 中相同的纵模才能成为耦合腔的振荡 纵模，再加上增益谱的作用，最终实 现了模式选择功能。 7.17.1光源及其驱动光源及其驱动 量子阱激光二极管 出现较晚的量子阱(Quantum Well， QW)激光二极管，已经在实际系统尤其是 相干传输系统和波分复用系统中得到广泛 应用。 波长可调谐单频
