《光纤通信技术 教学课件 ppt 作者 彭利标 Fiber4-1光源和光发射机》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤通信技术 教学课件 ppt 作者 彭利标 Fiber4-1光源和光发射机（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第4章 光源与光发射机,内容提要：,4.1光发射机概述 4.2LED及组件 4.3LD及组件 4.4光的调制 4.5光发射机组成,本章教学提示,教学目的： 了解光源的发光过程、光源的种类。 掌握半导体光源的组成结构和各组成部分的作用，光调制器的种类及特点。 掌握光发射机的组成原理。,教学重点： 半导体激光器组件的结构，光调制器的特点、应用场合，主要参数。光发射机的组成原理。, 4.1光发射机概述,一、光纤通信系统图,二、光端机结构图,两种结构：光/电/光转换 全光网络（EDFA）,1、波长单一： 对光源所发出光的波长要尽量单一(线宽1/2越小越好 )； 2、低损耗窗口： 光源发出波长应位于光纤
2、的三个低损耗窗口（ 0应为 0.85m、1.31m、1.55m）,三、光源的基本要求 ：,3、功率大： 对光源所发光的功率要求越大越好，以便远距离传输。 4、电光转换效率高 节能散热，可靠性高，寿命长，温度稳定性好。 5、方向性好 （前向光、背光）体积小，与光纤之间有较高的耦合效率,6、光源的噪声N要小 提高信噪比。 7、响应速度快 可进行光强度调制，携带信号。,四、常用的光源,1、半导体光源特点： （1）低损耗传输 半导体光源发出的光波长适合在光纤的低损耗窗口传输； （2)体积小 半导体光源体积小，发光面积和光纤的纤芯直径在同一数量级，与光纤有较高的耦合度，提高光信号与光纤的耦合效率； (3
3、)调制方便 很方便地将基带信号电流注入光源驱动电路，进行强度调制，达到非相干调制的目的。,(4)可靠性高 半导体光源的可靠性高，寿命长，不仅发射功率大、与光纤的耦合效率高、响应速度快，而且发出的光相干性好，所以半导体光源在高速率、大容量数字光纤通信系统中得到了广泛应用。 2、半导体光源的形式： （1）LED及组件(Light Emitting Diode） （2）LD及组件(Laser Diode)。,一、光源的类型 1、信号转换 在光纤通信系统中，首先要将电信号转换为光信号，这就需要通信光源。,2、常用光源 半导体发光二极管LED(Light Emitting Diode) 半导体激光二极管
4、LD(Laser Diode) 另外还有光纤激光器等光源。, 4.2 LED及组件,1、正向导通： 当PN结加上正向电压时: P(+) I N(-) 2、反向截止： 当PN结加反向电压时: I=0,3、PN结 有源层-发光主题 正向导通,二、PN结具有单向导电性,三、 同质结和异质结,1、同质结： 早期研制的半导体激光器LD和发生二极管LED一般采用同质结构。 同质结就是在PN结的两边使用相同的半导体材料，如硅材料(但分P型硅、N型硅)。,2、同质结的特点,采用同质结结构的激光器存在如下问题： 首先是对光波的限制不完善；,其次是对载流子的限制不完善 结果： 阈值电流Ith大,3、（双）异质结,
5、为了降低同质结半导体激光器的阈值电流Ith ，就要从上述两个方面改进。 双异质结(DH)是窄带隙有源区(GaAs)材料被夹在宽带隙的材料(GaAlAs)之间构成。由于双异质结激光器在有源区两侧，既限制了载流子，又限制了光波。,所以它的光强分布基本被约束在有源区，而且阈值电流大大降低。,四、半导体发光二极管（LED）,1、 LED材料选择 光纤系统中发光二极管LED采用： Ga(镓)、 As(砷)、 In(铟)、 P(磷)、 Al(铝)等材料的化合物制成。,例如： 以GaAs为衬底的GaAs或GaAlAs（异质结） 以InP为衬底的InGaAs或InGaAsP材料制成（异质结）。,2、LED的发
6、光结构,（1） LED的分类 从结构上分： 正(表)面发光型(SLED) 侧面(边)发光型(ELED),（2） LED的发光特点 光纤通信系统中为侧面发光型(ELED) ，激光二极管LD的结构相似，可提高与光纤的耦合效率，带宽较宽，而且光谱的线宽1/2较窄。 发光的发散角度,3、LED的发射波长,（1）lGaAs/GaAs半导体发光二极管LED，其发射光的峰值波长0为0.80.95m，,（2）InGaAsP/InP LED发射光的峰值波长 0为1.3和1.55m。 且一般为高功率LED。,（3）波长0计算,频率为：=Egh 波长为：=c/ =(3 108 106m) h / Eg =1.239
7、6/ Eg （m） 单位： Eg：ev(1.6022 10-19J ) : m 103nm,（4）典型材料波长 GaAs的Eg=1.435eV，故可用它来制作0.85m波长的红外LED。 GaAlAs/GaAs制作的LED，发射光峰值波长0为0.80.95m， InGaAsP/InP制作的LED，发射光峰值波长0为1.3和1.55m。 InGaAsP的Eg=0.751.35eV，对应的发射波长为1.650.92m,4、LED的特点,（1）LED的主要用途 发光二极管(LED)是低速、短距离光通信系统中常用光源。 目前广泛采用PN异质结制造。,（2）LED的发光过程 LED是一种直接注入电流的光
8、发射器件，是半导体晶体内部受激电子从高能级跃迁到低能级时，自发辐射跃迁所发射出光子的结果。 是非相干光源。 没有光学谐振腔， 是无阈值器件。,5、LED的参数与工作特性,LED有如下工作特性： （1）LED的光谱及温度特性 谱线宽度较宽，对高速率调制是不利的。 短波长LED谱宽1/2=25-40nm 长波长LED谱宽1/2= 75-100nm 波长漂移：温度升高，波长变长,LED的典型特性参数包括发射波长、谱宽、进入光纤的功率、偏置电流、上升/下降时间等。,（发光功率） P（W/mW）I(A/mA)（驱动电流）特性一般称为P-I曲线， LED的P-I曲线线性范围较大。在进行调制时，动态范围大，
9、信号失真小。,（2）P-I特性曲线,LED的电光转换线性特性好,（3）典型参数,LED是非阈值器件 工作电流： I0=50-100mA 偏置电压： 1.2-1.8V 输出光功率： P=几mW,（4）温度特性 温度越高发光效率越低-散热 波长也随温度变化,（5）调制特性,线性关系 模拟调制-加一定的偏置电压,数字调制-直接控制电源的通、断,五、LED组件,1、LED组件的构成： LED组件由LED芯片、LED驱动、温控、告警等电路组成。 对于较好的LED组件，为了保证稳定可靠的工作，还配有温控系统。 采用14管脚双列直插式管壳封装。,2、LED组件的性能指标： 除LED的性能指标外，还包括LED
10、的驱动特性、热电致冷特性等。,3、LED小结,1）正向偏压 当LED的PN结施加正向偏压时，注入的电流 (即电子和空穴)复合而发光。 2）自发发射 自发发射一列一列频率为=Egh的光波，各列光波之间没有固定的相位关系，可以有不同的偏振方向，并且每个粒子所发射的光波沿所有可能的方向传播。发射波长为： =1.2396/ Eg (m） (103 nm) 3）典型波长 GaAs的Eg=1.435eV，制作0.85m波长的红外LED。 InGaAsP的Eg=0.751.35eV，发射波长为1.650.92m，,4.3 LD及组件,激光器是20世纪的三大发明（半导体、原子能、激光器）之一。 LD非常适合于
11、高码速率、长距离的光纤通信系统。,半导体激光器中要形成激光，就要具备三个基本条件： 一是有源区里产生足够的粒子数反转； 二是存在光学谐振部件； 三是激励光源。,一、LD概述,二、LD的结构,横向构成介质波导 纵向构成谐振腔,1、F-P腔激光器 F-P型激光二极管LD是最常见和最普通的LD。 有源层 谐振腔是由晶体的两个解理面构成。,2、半导体激光器的模式特性,模式： LD的模式是指能够在激光谐振腔内存在的稳定光波的基本形式。 三种类型的驻波： 在两个异质结间形成的驻波； 平行于有源层方向上形成的驻波； 两个反射面间形成的驻波。,3、 DH LD特点,多纵模输出 （色散） 改进结构： 单纵模输出
12、,1、P-I曲线-阈值电流,激光器是一种阈值性器件，只有当注入半导体激光器的电流大于一定数值，即大于阈值点的电流时才有激光输出。,三、 LD的工作特性,（1）阈值电流 Ith随温度的升高而加大 使光纤通信系统稳定、可靠地工作，要采用自动温度控制电路，来稳定激光器的阈值电流和输出光功率。 (2) 激光二级管的中心波长随温度升高而增加。,2、温度特性,3、半导体激光器的噪声,半导体激光器的噪声用相对强度噪声RIN（Relative Intensity Noise）来表示，RIN是表示单位带宽LD所发射的总噪声。 RIN = PNL2/（P2f） （1/Hz） 式中PNL是LD产生的平均噪声功率，P
13、是LD发出的平均功率，f是测量LD接收机的带宽。,四、LD与LED的光谱特性比较,五. 激光器组件,半导体激光器组件是指在一个紧密管壳内，除了半导体激光二极管LD芯片以外，还配置了其它元件和使LD正常工作必要的电路所组成的集成器件。,1、激光器组件结构：,2、LD组件示意图,结构元件和电路组成部分： (1)光隔离器：防止激光二极管LD输出的激光反向反射，实现光的单向传输。 (2)监控光电二极管PD：监视LD输出功率的变化情况，取出LD的功率变化信号，用于自动功率控制（APC）电路。 (3)尾纤和连接器: 将光源发出的激光，有效地耦合进入光纤传输。 (4)驱动电路：驱动电路包括电源电路和LD芯片之间的阻抗匹配电路。 (5)热敏电阻RT：用于测量组件内的温度，给自动温度控制电路提供温控信号。 (6)热电制冷器TEC：半导体热电元件，通过改变热电元件的极性来达到加热和制冷的目的。 (7)自动温度控制电路ATC。 (8)自动功率控制电路APC。,
