光纤通信系统 第三章光源与光发射机

第三章光源与光发射机光发射机的作用：将电信号转变成光信号，并有效的把光信号送入传输光纤。光发射机=光源+驱动电路+辅助电路两种半导体光源发光二极管（LED）：输出非相关光，谱宽宽、入纤功率小、调制速率低。适用短距离低速系统激光二极管(LD):输出相干光，谱宽窄、入纤功率大、调制速率高。适用长距离高速系统光纤通信系统对光源的要求（1）合适的发射波长；（2）发射功率大，响应速度快；（3）输出谱窄、以降低光纤色散的影响（4）辐射角小、与光纤的耦合效率高（5）调制容易、线性好、带宽大（6）寿命长、稳定性号，体积小、耗电省主要内容一、半导体中光的发射和激射原理二、半导体发光二极管(LED)三、半导体激光二极管(LD)四、数字光发射机一、半导体中光的发射和激射原理激光产生的物理基础半导体材料的能带结构半导体PN结光源发光波长直接带隙和间接带隙材料异质结1）原子的能级近代物理实验证明，原子中的电子只能以一定的量子状态存在，也即只能在特定的轨道上运动，电子的能量不能为任意值，只能具有一系列的不连续的分立值。我们把这种电子、原子、分子等微观粒子的能量不连续的分立的内能称为粒子的能级。激光产生的物理基础粒子处于最低能级时称为基态，处于比基态高的能级时，称为激发态。通常情况下，大多数粒子处于基态，少数粒子被激发至高能级，且能级越高，处于该能级的粒子数越少。在热平衡条件下，各能级上的粒子数分布满足玻尔兹曼统计分布。210()/21EEkTNeN其中，N1、N2为处于能级E1、E2上的粒子数，k0=1.381×10-23J/K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，下图为玻尔兹曼分布曲线。0EE1E2E3N3N2N1N2）光与物质的相互作用自发辐射——电子无外界激励而从高能级自发跃迁到低能级，同时释放出光子。受激辐射——高能级电子受到外来光子作用，被迫跃迁到低能级，同时释放出光子，且产生的新光子与外来激励光子同频同方向，为相干光。受激吸收——低能级电子在外来光子作用下吸收光能量而跃迁到高能级。图：能级和电子跃迁在外界能量作用下，处于低能级的粒子将不断地被激发到高能级上去，从而使高能级上的粒子数大于低能级上的粒子数，这种分布状态称为粒子数的反转分布。在外界入射光的激发下，高能级上的粒子产生大量的全同光子，以实现对入射光的放大作用。我们把处于粒子数反转分布的物质称为激活物质或增益物质。这种物质可以是固体、液体或气体，也可以是半导体材料。把利用光激励、放电激励或化学激励等方法达到粒子数反转分布的方法称为泵浦或抽运。3）光的放大：先决条件：粒子数反转分布必要条件：激活煤质的出现和激励源的存在半导体材料的能带结构半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体，其原子最外层电子轨道互相重叠，从而使其分立的能级形成了能级连续分布的能带。根据能带能量的高低，有导带、禁带和价带之分。能量低的能带是价带，相对应于原子最外层电子（价电子）所填充的能带，处在价带的电子被原子束缚，不能参与导电。价带中电子在外界能量作用下，可以克服原子的束缚，被激发到能量更高的导带之中去，成为自由电子，可以参与导电。处在导带底Ec与价带顶Ev之间的能带不能为电子所占据，称为禁带，其能带宽度称为带隙Eg(Eg=Ec-Ev)。半导体PN结光源半导体光源的核心是PN结（将P型半导体与N型半导体相接触就形成PN结）无杂质及晶格缺陷的完善的半导体称为本征半导体本征半导体中掺入施主杂质形成N型半导体，过剩的电子占据本征半导体中空的导带，处在高能级的电子增多，其费米能级就较本征半导体的要高。本征半导体中掺入受主杂质形成P型半导体，其费米能级就较本征半导体的要低。Eg/2Eg/2EfEcEvEg导带价带能量EcEfEgEvEgEcEfEv(a)(b)(c)图3.1(a)本征半导体；(b)N型半导体；(c)P型半导体当P型半导体与N型半导体相接触形成PN结时，由于存在电子与空穴的浓度差，电子从N区向P区扩散，空穴从P区向N区扩散，因此使N区的费米能级降低，P区的费米能级升高。当P区的空穴扩散到N区后，在P区留下带负电的离子，形成一个带负电荷区域；当N区的电子扩散到P区后，在N区留下带正电的离子，形成一个带正电荷区域。在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光。由于这种发光是正向偏置把电子注入到结区的，又称为电致发光。这就是发光二极管的工作原理。粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。我们可以利用半导体材料晶体的天然解理面构造光学谐振腔，那么，在有源区的放大补偿了各种损耗后，就会有稳定的激光输出。这就是半导体激光器的的基本原理。发光波长半导体光源发射的光子的能量、波长取决于半导体材料的带隙Eg，以电子伏特（eV）表示的带隙Eg发射波长为例如，对于GaAs，Eg=1.42eV，用它制作的LED的发射波长就为λ=0.87μm。不同的半导体材料、不同的材料成分有不同的禁带宽度，可以发射不同波长的光。1.240()()gmEeV4）直接带隙与间接带隙半导体根据能带结构的能量与波矢量关系(如下图所示)，半导体材料可以分为光电性质完全不同的两类，即直接带隙材料和间接带隙材料。在直接带隙材料中，导带中的最低能量状态与价带中的最高能量状态具有相同的波矢量，即位于动量空间中的同一点上。在间接带隙材料中，导带中的最低能量状态与价带中的最高能量状态处在不同的波矢量位置上，即具有不同的动量。图3.1.4直接带隙半导体(a)与间接带隙半导体(b)的能量-动量图能带结构的这种差别使得这两类半导体材料的光电性质具有非常大的差异。在直接带隙材料中，电子在价带和导带之间跃迁符合动量守恒条件，因此具有较大的跃迁几率。在间接带隙材料中，电子在价带和导带之间跃迁不符合动量守恒条件，光子与电子的相互作用需要在声子的作用下才能完成，因此跃迁几率非常低。所以间接带隙材料发光效率比较低，不适合于制作光源。目前广泛应用的半导体材料主要有：（1）硅（Si）、锗（Ge）等Ⅳ族半导体材料，属于间接带隙材料，不能用来制作半导体激光器，主要用于集成电路和光电检测器的制作。（2）碲化镉（GdTe）、碲化锌（ZnTe）等Ⅱ~Ⅵ族化合物半导体材料均为直接带隙材料，主要用于可见光和红外光电子器件的制作。（3）砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、砷磷化铟镓（InGaAsP）等绝大多数的Ⅲ~Ⅳ族化合物半导体材料均为直接带隙材料，主要用于集成电路和光纤通信用半导体发光二极管、激光器、光电检测器的制作。不同半导体材料的带隙及发光波长异质结上述发光原理的PN结是由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），这种PN结称为同质结。在同质结中，光发射在结的两边都可以发生，因此，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。为了克服同质结的缺点，需要加强结区的光波导作用及对载流子的限定作用，这时可以采用异质结结构。所谓异质结，就是由带隙及折射率都不同的两种半导体材料构成的PN结。异质结可分为单异质结（SH）和双异质结（DH）。异质结是利用不同折射率的材料来对光波进行限制，利用不同带隙的材料对载流子进行限制。二、半导体发光二极管(LED)LightEmittingDiode结构：面发光、边发光工作特性：光谱特性、P-I特性、发光效率、调制特性等发光二极管的结构实际中多采用异质结根据发光面与PN结的结平面平行或垂直可分为面发光二极管（SLED）和边发光二极管（ELED）两种结构面发光二极管（SLED）边发光二极管（ELED）工作特性光谱特性P-I特性发光效率调制特性光谱特性自发辐射发光，没有谐振腔，发光谱线较宽半最大值处的全宽度（FWHM）D=1.8kT(2/ch)nm线宽随有源区掺杂浓度的增加而增加随着温度的升高线宽加宽P-I特性输出的光功率随注入电流的变化关系当注入电流较小时，线性度非常好；当注入电流比较大时，由于PN结的发热，发光效率降低，出现了饱和现象。温度对P—I特性的影响，当温度升高时，同一电流下的发射功率要降低发光效率分为内量子效率和外量子效率内量子效率：（存在非辐射复合）外量子效率：（材料吸收、波导效应等）空穴对数—单位时间内注入的电子数单位时间内产生的光子注入的总电子数输出的光子数调制特性改变发光二极管的注入电流就可以改变其输出光功率，即可以直接由信号电流来调制光信号——直接调制或内调制发光二极管的模拟调制原理图发光二极管的数字调制原理图发光二极管的频率响应PN结存在结电容及杂散电容，发光二极管的调制特性随着调制的频率提高而变化。频率响应可表示为t为载流子的寿命随着调制频率的提高，输出光功率下降。要提高截止频率fc=1/(2pt)以增加调制带宽，要缩短载流子的寿命，可以通过有源区重掺杂以及高注入等方法来改进。)2(11)0()()(tpfPfPfH发光二极管的频率响应三、导体激光二极管（LD）LaserDiode半导体激光器工作原理结构：谐振腔，条形结构工作特性：光谱特性、P-I特性、调制特性等反射镜工作物质部分反射镜激光输出z激光器的工作原理激光器的三个基本条件：（1）工作物质（2）泵浦源（3）光学谐振腔（与LED的区别）激光二极管的结构也采用双异质结结构。纵向的两个端面是晶体的解理面，相互平行且垂直于结平面，一个端面镀反射膜，另一个端面输出，构成了激光器的FP谐振腔。采用条形结构，在垂直于结平面方向受到限制，在平行于结平面的水平方向也有波导效应，使光子及载流子局限在一个较窄及较薄的条形区域内，提高光子及载流子浓度。称为条形激光器，与光纤耦合效率较高。两种结构：增益导引条形和折射率导引条形。工作特性P-I特性光谱特性发光效率调制特性P-I特性存在阈值电流Ith：当注入电流小于Ith时，自发辐射发光；当注入电流超过Ith时，受激辐射发光；输出功率与注入电流基本保持线性关系。对温度很敏感：随着温度的升高，阈值电流增大，发光功率降低。需进行温度控制。有)exp()(00TTITIth光谱特性主要由其纵模决定峰值波长谱宽：功率等于大于峰值波长功率50%的所有波长范围线宽：某一纵模中功率等于大于最大功率一半的所有波长范围边模抑制比(SMSR)：主模功率与最强边模功率之比(SideModeSuppressionRatio))/lg(10边主PPSMSR半导体激光器的发光谱线较为复杂，会随着工作条件的变化而发生变化。当注入电流低于阈值电流时，激光器发出的是荧光，光谱较宽；当电流增大到阈值电流时，光谱突然变窄，强度增强，出现激光；当注入电流进一步增大，主模的增益增加，而边模的增益减小，振荡模式减少，最后会出现单纵模。温度升高时激光器的发射谱的峰值波长向长波长方向移动调制特性在高速调制情况下，半导体激光器会出现许多复杂动态性质，这些特性会对系统传输速率和通信质量带来影响。电光延迟张弛振荡码型效应自脉动单纵模分裂为多纵模电光延迟和张弛振荡电光延迟：输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在的时间延迟，一般为纳秒量级。张弛振荡：当电流脉冲注入后，输出光脉冲表现出的衰减式振荡。几百MHz～2Ghz的量级。与有源区的电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命以及注入电流初始偏差量有关。码型效应电光延迟时间与数字调制的码元持续时间为相同数量级时，使后一个光脉冲幅度受到前一个脉冲的影响的效应两个连“1”时，第一个脉冲过后，有源区的电子以指数形式衰减。调制速率很高，脉冲间隔小于衰减周期，使第二个脉冲到来时，前一电流脉冲注入的电子并没有完全复合消失，有源区电子密度较高，输出光脉冲幅度和宽度增大。消除：增加直流偏置电流。在阈值附近，脉冲持续时和脉冲过后有源区内电