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1、第 二 章 光源和光发射机,1.半导体激光器2.发光二极管3.光源的调制4.光源的调制格式,2.1 光源常用的光源主要有半导体激光二极管或称激光器(LD)发光二极管或称发光管(LED)。,1.定义价带Ev：与原子最外层轨道的价电子对应的能带。导带Ec：价带以上的能带，没有电子。热或光的激发，价带中的电子得到能量而越迁到价带以上的能带，电子参与导电禁带Eg：导带与价带之间的能级，不能被电子占据的区域。Eg=Ec-Ev,一.基础知识,1917年爱因斯坦根据辐射与原子相互作的量子理论提出，光与物质的相互作用时，将发生三种基本物理过程:(1)受激吸收(2)自发辐射(3)受激辐射, 受激吸收,入射光子的
2、能量,普朗克常数h6.62510-34(Js),自发辐射,v：辐射光子的频率,受激辐射,特点：受激辐射光子与感应光子是全同光子：频率相同，而且相位、偏振方向、传播方向都相同，因此它们是相干的； 受激辐射过程实质上是对感应入射光的放大过程。,入射的光子哪里来？,PD,LED,LD,自发辐射的光子,实现光放大必须是辐射占主导地位,辐射吸收 光放大,吸收辐射 无光输出,产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级 E2 (E2 E1) 的粒子数分别为 N1 和 N2。热平衡条件下，粒子数分布满足,如何产生光放大？,，为波尔兹曼常数，T 为绝对温度。所以在这种状
3、态下，总是 N1 N2。,粒子数反转分布,如何实现粒子数反转分布的状态呢?,产生光放大要求,需要外界能源泵浦，即外加正向电压,二、半导体发光机理,1、本征半导体的能带分布本征半导体：没有任何外来杂志和晶格缺陷的理想半导体 费米能级：绝对零度是电子所具有的最大能量要使半导体产生激光 引入P.N型半导体,导带费米能级Efc 价带,P-N结处于粒子数反转,（1）N型半导体：向本征半导体掺杂质元素（五价元素，P，AS。），提供电子。即电子多，空穴少（2）P型半导体：加三价元素，提供空穴。即空穴多，电子少,2. P、N型半导体,P、N半导体能带图,没有统一的费米能级,重掺杂下P-N结的能带图,没有形成结
4、的费米能级？ 扩散： 内建电场： 内建电场电场的作用：,P-N结正向加压后的能带图,粒子数反转区域。称为”有源区”正向偏压消弱的内建电场，空间电荷区变小。,实现粒子数反转,自发辐射受激辐射 非相干光占主导地位，普通光,实现粒子数反转分布,2.1.2 激光激射条件,1.激射的条件： 粒子数反转分布稳定的激光振荡,（辐射有受激辐射、自发辐射）,受激辐射自发辐射 相干光占主导地位，为激光,2.半导体激光器的发射波长,2.1.3 结构理论,1半导体激光器的通用结构,（1）有源区 （2）光反馈装置 （3）频率选择元件 （4）光束的方向选择元件 （5）光波导,LD功能组成与模式输出的关系,同质结,单异质结
5、,2.有源区的典型结构,量子阱,双异质结,同质结半导体激光器,缺点：发光不集中，强度低，需要较大的注入电流。器件工作时发热非常严重，必须在低温环境下工作，不可能在室温下连续工作。,PN结是同一种半导体材料构成的，P区、N区具有相同的带隙、接近相同的折射率（掺杂后折射率稍有变化，但很小。,不同带隙的材料限制载流子不同折射率的材料限制光波, 双异质结半导体激光器,DH激光器工作原理,激光器是由反射率为100%（R=1）的全反射镜与反射率为90%95%（R1）的部分反射镜平行放置在工作物质两端以构成光学谐振腔。并被称为法布里-珀罗(Fabry Perot，F-P)谐振腔。,3. 法布里-珀罗 (F-
6、P) 谐振腔,要产生激光振荡还要满足：阈值条件相位条件,（1）阈值条件,为阈值增益系数，为谐振腔内激活物质的损耗系数，L为谐振腔的长度，R1，R2Ith 发激光（激光区） I Ith 发荧光（荧光区） 目前Ith120 K。可见InGaAsP激光器对温度较敏感。,4.光谱特性,把光强下降一半时的两点间波长范围定义为输出谱线宽度（半功率点全宽FWHP），用 表示。,图为半导体激光器的直接调制频率特性。张弛频率 fT 是调制频率的上限，一般激光器的 fT 为12 GHz。在接近 fT 处，数字调制要产生张弛振荡，模拟调制要产生非线性失真。,5. 频率特性,2.2.发光二极管,1. 发光机理：自发辐
7、射种类：面发光二极管边发光二极管,2.发光二极管特性, P-I特性及温度特性,非阈值器件，p随电流增大，并在大电流时逐渐饱和 P随温度升高而降低，相对LD来说，LED受温度影响小,光谱特性,一般短波长GaAlAs-GaAs LED谱线宽度为3050 nm，长波InGaAsP-InP LED谱线宽度为60120 nm,调制特性,小电流，LED线性好 大电流，LED逐渐饱和 模拟传输需要LED工作在线性区 同时需要线性补偿 数字调制：电流直接调制光源 模拟调制：先将LED直流偏执,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。,1、
8、直接调制示意图,注入电流,2.3.1 光源的两种调制方式,2、间接调制示意图,特点： 啁啾小,适用于10Gb/s及更高速率传输系统 有些调制器偏振相关,2.3.2 光源的直接调制,数字调制,模拟调制,LD数字调制过程的瞬态分析,什么是瞬态现象？ 半导体激光器在进行直接调制时显示出来的现象。 主要瞬态现象:,张弛振荡电光延迟,1阶跃响应的瞬态分析 电子和光子相互作用t=0: 阶跃电流脉冲注入0-td: 对导带底部填充电子， 使电子密度达到nth td t1： 激光器开始激射，光场建立，导带中电子的超量填充 t1 t2 ：有源区过量复合 t2 t3： 过量复合持续，电子密度降到nth 以下，S也下
9、降 t3以后： 重新对导带底部填充电子,2.张驰振荡的角频率和衰减时间,(1) 张弛振荡频率随j的增加而增加。(2) 张弛振荡幅度衰减时间随j的增加而减小。,3电光延迟时间,电光延迟过程发生在阈值以下,加直流偏置后的延迟时间,电光延迟时间随注入电流的增加而减小(jjth)。,减小电光延迟时间、抑制张弛振荡、提高调至速率 较小的调制电流可获得足够的光功率 光谱谱线窄（提高频谱利用率和通信容量）,4.直流偏置的作用,2.3.3 直接调制激光发射机,1、激光器的实用组件,2、光发射机的组成,1）偏置电流大小的选择,（1）加大直流偏置电流使其逼近阈值（2）加大直流偏置电流会使激光器的消光比恶化。,0,
10、（4）实验观察到异质结激光器的散粒噪声在阈值处常有一很陡的峰值，因此I0的选取应避开此峰值。,（1）足够的光脉冲幅度 （2）减小光源负担 （3）避开可能发生自脉动的区域,调制电流的选择：,2）激光器的调制电路,快的开关速度,保持良好的电流脉冲波形,3）激光器控制电路,稳定方法： （1）自动功率控制（2）自动温度控制,自动温度控制（ATC）,激光器,致冷器,热敏电阻,控制电路,热导,热敏电阻,半导体制冷器（TEC）：珀尔帖效应,（2）自动功率控制（APC）,（2）自动功率控制（APC）,外微分量子对温度不太敏感，一般采用平均功率功率控制法：监测平均光功率 ，控制,2.4.1 间接调制的类型和特点
11、,特点： 啁啾小,适用于10Gb/s及更高速率传输系统 有些调制器偏振相关,电光调制：电光效应电致双折射现象 磁光调制：磁光效应法拉弟电磁偏转效应 声光调制：声光效应布拉格效应和喇曼-奈斯衍射 电吸收调制：Franz-keldysh 效应和量子约束的Stark效应,2.4.2 电光调制和波导调制器,M-Z（Mach-Zahnder）电光波导调制器,2.4.3 电吸收调制器,EA调制器的基本原理是：改变调制器上的偏压，使多量子阱（MQW）的吸收边界波长发生变化，进而改变光束的通断，实现调制。EA调制器容易与激光器集成在一起。,2.5 光源的调制格式,2.5.1 光调制格式的类型,1通断键控（OO
12、K）,2M进制相移键控（MPSK）,3M进制正交幅度调制（M-QAM）,2.5.2 高速长距离系统中常用的调制格式,1. 载波抑制归零（CSRZ）码,第一级边带的频率间距仅为RZ码型的一半，更窄的光谱不仅降低了光纤色散的影响，而且具有更高的频谱效率； CSRZ码没有载波频谱分量, 从而降低了峰值功率，这使其对各种非线性光学效应也有更好的容限。,实现:MOD1: 实现强度调制MOD2: 实现脉冲切割,（a）半占空的RZ码的波形和频谱,（b）CSRZ信号眼图和光谱,2. 差分相移键控（DPSK）码,差分编码: “1”码光载波相位不变“0”码光载波相位增加,RZ-DPSK信号眼图和光谱,DPSK码型的优势平衡接收机的灵敏度相对OOK系统有3dB的优势;在平衡接收系统中判决电平为0, 对于功率的波动不敏感;由于DPSK信号的等包络特性，在相同的平均功率下，码元峰值功率比OOK信号的峰值功率小3dB，因此，相同条件下，DPSK信号所受的非线性效应影响小于OOK信号。,
