1、CH 2光纖通信光纖通信B授課老師：覃國車授課老師：覃國車Email：2015年秋年秋CH 2教材教材：顧畹儀，光纖通信（第2版），人民郵電出版社，2011。參考書參考書：1.Joseph C. Palais，光纖通信（第5版），電子工業出版社，2015。2.王輝 等，光纖通信(第3版)電子工業出版社，2014。3.馬麗華 等，光纖通信系統北京郵電大學出版社，2009。CH 2第第2章章 光源和光發射機光源和光發射機1.1.半導體激光器半導體激光器2.2.半導體發光二極管半導體發光二極管3.3.光源的直接調制光源的直接調制4.4.光源的間接調制光源的間接調制CH 2光纖通信對光源的要求光纖通信

2、對光源的要求1.1.波長波長：位于光纖的低損耗窗口，能產生不：位于光纖的低損耗窗口，能產生不同波長的光束。同波長的光束。2.2.輻射性能輻射性能：光功率足夠高，單色性、方向：光功率足夠高，單色性、方向性好性好, ,且穩定。且穩定。3.3.調制調制：易于調制，相應速度快。：易于調制，相應速度快。4.4.強度噪聲小強度噪聲小5.5.電光轉換效率高，驅動功率低，壽命長電光轉換效率高，驅動功率低，壽命長CH 2一、激光原理的基礎知識一、激光原理的基礎知識( (一一) )原子的能級原子的能級電子繞核運動的能電子繞核運動的能量是不連續的、量是不連續的、 分立分立的量子態。的量子態。電子軌道量子化條件：電子

3、軌道量子化條件： 2r*mv=nh,n=1,2,當電子在每一個這樣的當電子在每一個這樣的軌道上運動時，軌道上運動時，原子具有原子具有確定的能量，稱為原子的確定的能量，稱為原子的一個能級。一個能級。CH 2一、激光原理的基礎知識一、激光原理的基礎知識( (一一) )原子的能級原子的能級基態激發態CH 2一、激光原理的基礎知識一、激光原理的基礎知識( (二二) )晶體的能帶晶體的能帶當大量原子結合成晶體后，原來圍繞一個原子運動當大量原子結合成晶體后，原來圍繞一個原子運動的電子，現在可能的電子，現在可能轉移到鄰近原子的同一軌道上去轉移到鄰近原子的同一軌道上去 ，晶體中的電子不再屬于個別原子所有，它們

4、一方面圍晶體中的電子不再屬于個別原子所有，它們一方面圍繞每個繞每個原子運動，原子運動，同時又要在原子之間做同時又要在原子之間做共有化運動。共有化運動。CH 2一、激光原理的基礎知識一、激光原理的基礎知識( (二二) )晶體的能帶晶體的能帶晶體的能譜在原子能級的基礎上按共有化運晶體的能譜在原子能級的基礎上按共有化運動的不同而分裂成若干組。動的不同而分裂成若干組。每組中能級彼此靠得每組中能級彼此靠得很近，組成有一定寬度的帶很近，組成有一定寬度的帶，成為能帶。，成為能帶。CH 2一、激光原理的基礎知識一、激光原理的基礎知識( (二二) )晶體的能帶晶體的能帶CH 2一、激光原理的基礎知識一、激光原理

5、的基礎知識( (三三) )能級的光躍遷能級的光躍遷處于處于高能態高能態(導帶導帶)的電子的電子是不穩定的，它們會是不穩定的，它們會向向低能態低能態(價帶價帶)躍遷躍遷，而，而將能量以光子的形式釋放將能量以光子的形式釋放出出來，發射光子的能量來，發射光子的能量hv等于導帶和價帶的能量差。等于導帶和價帶的能量差。處于低能態的電子處于低能態的電子如果受到外來光的照射，如果受到外來光的照射， 當當光子的能量光子的能量hv等于或大于禁帶能量時，等于或大于禁帶能量時，光子將被吸光子將被吸收收而而使電子躍遷至高能態使電子躍遷至高能態。CH 2一、激光原理的基礎知識一、激光原理的基礎知識( (三三) )能級的

6、光躍遷能級的光躍遷自發輻射自發輻射CH 2一、激光原理的基礎知識一、激光原理的基礎知識( (三三) )能級的光躍遷能級的光躍遷受激輻射受激輻射CH 2一、激光原理的基礎知識一、激光原理的基礎知識( (三三) )能級的光躍遷能級的光躍遷受激吸收受激吸收CH 2一、激光原理的基礎知識一、激光原理的基礎知識( (四四)PN)PN結結為什么采用半導體作為光源？為什么采用半導體作為光源？半導體禁帶寬度：半導體禁帶寬度：1eV=1.602176565(35)1eV=1.602176565(35)* *1010-19-19 J J普朗克常數普朗克常數:h=6.62606896(33):h=6.6260689

7、6(33)* *1010-34-34J/sJ/sv v的數量級為的數量級為10101515，位于光纖通信頻段，位于光纖通信頻段CH 2一、激光原理的基礎知識一、激光原理的基礎知識( (四四)PN)PN結結禁帶寬度費米爾能級：反映電子在各能級中分布情況的參量。自由電子能級價電子能級CH 2一、激光原理的基礎知識一、激光原理的基礎知識( (四四)PN)PN結結N N型半導體型半導體中主要由電子中主要由電子導電，當重摻雜時費米爾能導電，當重摻雜時費米爾能級級E Ef f會進入導帶，稱為兼并會進入導帶，稱為兼并型型N N型半導體。型半導體。Ef變大，變大，EfEv的可能性的可能性越大，越大，Ev中被電

8、子占據的中被電子占據的可能性越大?？赡苄栽酱?。CH 2一、激光原理的基礎知識一、激光原理的基礎知識( (四四)PN)PN結結P P型半導體型半導體中主要由空穴中主要由空穴導電，當重摻雜時費米爾能導電，當重摻雜時費米爾能級級E Ef f會進入價帶，稱為兼并會進入價帶，稱為兼并型型P P型半導體。型半導體。Ef變小，變小，EfEe的可能性的可能性越大，越大，Ee中被空穴占據的中被空穴占據的可能性越大?？赡苄栽酱蟆H 2一、激光原理的基礎知識一、激光原理的基礎知識( (四四)PN)PN結結CH 2N區區P區區PNPN結加上正向電壓結加上正向電壓一、激光原理的基礎知識一、激光原理的基礎知識( (四四

9、)PN)PN結結價帶價帶導帶導帶導帶主要由電子占據，價帶主導帶主要由電子占據，價帶主要由空穴占據要由空穴占據粒子數反轉粒子數反轉有源區有源區P區準費米區準費米爾能級爾能級N區準費區準費米爾能級米爾能級禁帶寬度禁帶寬度Ege0V Eg，使，使P區空穴獲取區空穴獲取足夠的能量向足夠的能量向N區擴散，區擴散，N區的電子有足夠的能量區的電子有足夠的能量向向P區擴散區擴散CH 2一、激光原理的基礎知識一、激光原理的基礎知識( (四四)PN)PN結結e0VCH 2一、激光原理的基礎知識一、激光原理的基礎知識( (四四) )制作半導體光源的材料制作半導體光源的材料動量守恒為了保證動量守恒，必須有另外的粒子參

10、與CH 2一、激光原理的基礎知識一、激光原理的基礎知識( (四四) )制作半導體光源的材料制作半導體光源的材料 材料的禁帶寬度決定了激光器自發輻射的材料的禁帶寬度決定了激光器自發輻射的波長范圍。因為電子躍遷過程中產生的波長范圍。因為電子躍遷過程中產生的光子能光子能量等于直接帶隙的禁帶寬度量等于直接帶隙的禁帶寬度。CH 2CH 2二、半導體激光器二、半導體激光器( (一一)LD)LD的工作原理的工作原理半導體激光器工作原理是半導體激光器工作原理是激勵方式激勵方式，利用半導體物質（即，利用半導體物質（即利利用電子用電子）在能帶間）在能帶間躍遷發光躍遷發光，在，在光學諧振腔光學諧振腔的作用下使光振蕩

11、、的作用下使光振蕩、反饋，反饋，產生光的輻射放大，輸出激光產生光的輻射放大，輸出激光。因此，產生激光的三個。因此，產生激光的三個先決物質條件為：先決物質條件為：1. 激勵源（泵浦源）激勵源（泵浦源）:能量的提供者，實現粒子數反能量的提供者，實現粒子數反轉轉。2.激活物質（增益物質激活物質（增益物質半導體材料）半導體材料）:產生激光的產生激光的物質基礎，提供光放大。物質基礎，提供光放大。3.光學諧光學諧:振腔提供光反饋。振腔提供光反饋。CH 2二、半導體激光器二、半導體激光器( (二二) )激光激射條件激光激射條件1.1.要產生足夠的要產生足夠的粒子數反轉粒子數反轉分布，即高能態分布，即高能態粒

12、子數足夠的大于處于低能態的粒子數；粒子數足夠的大于處于低能態的粒子數；2.2.有一個合適的有一個合適的光學諧振腔光學諧振腔能夠起到反饋作能夠起到反饋作用，使受激輻射光子增生從而產生激光震蕩；用，使受激輻射光子增生從而產生激光震蕩；3.3.要滿足一定的要滿足一定的閥值條件閥值條件，以使光子增益等，以使光子增益等于或大于光子的損耗。于或大于光子的損耗。CH 2CH 2二、半導體激光器二、半導體激光器( (三三) )半導體激光器的通用結構半導體激光器的通用結構（1）有源區）有源區 （2）光反饋裝置）光反饋裝置（3）頻率選擇元件）頻率選擇元件（4）光束的方向）光束的方向選擇選擇元件元件（5）光波導）光

13、波導 CH 2二、半導體激光器二、半導體激光器( (三三) )半導體激光器的通用結構半導體激光器的通用結構有源區有源區實現實現粒子數反轉粒子數反轉分布，存在分布，存在光增益光增益的區域，又稱的區域，又稱為增益區。為增益區。 當注入光子能量滿足：當注入光子能量滿足：導帶導帶電子電子躍遷至價帶，并躍遷至價帶，并與與價帶中的價帶中的空穴復合空穴復合，同時同時發射光子發射光子：CH 2二、半導體激光器二、半導體激光器( (三三) )半導體激光器的通用結構半導體激光器的通用結構有源區有源區同質結同質結：構成：構成PN結的結的P型半導體和型半導體和N型型半導體半導體為同一種材料為同一種材料，僅摻雜類型不同

14、。，僅摻雜類型不同。單異質結單異質結：構成：構成PN結的結的P型半導體和型半導體和N型型半半導體為不同種材料導體為不同種材料，可分為同型異質結（，可分為同型異質結（N-n型型和和P-p型）和異型異質結（型）和異型異質結（N-p型和型和P-n型）。型）。CH 2二、半導體激光器二、半導體激光器( (三三) )半導體激光器的通用結構半導體激光器的通用結構有源區有源區雙異質結雙異質結：由：由帶隙能量帶隙能量較高的較高的P型和型和N型半導體型半導體材材料料中間夾一層很薄的帶隙中間夾一層很薄的帶隙能量較低的另一種半導體能量較低的另一種半導體材料而構成波導。各半導材料而構成波導。各半導體的材料不同。如左圖

15、所體的材料不同。如左圖所示為示為N-n-P雙異質結。雙異質結。CH 2二、半導體激光器二、半導體激光器( (三三) )半導體激光器的通用結構半導體激光器的通用結構有源區有源區量子阱量子阱激光器：激光器：（1）閾值電流低（2）波長可調諧（3）線寬窄，頻率啁啾低（4）調制速率高（5）溫度穩定性強。CH 2二、半導體激光器二、半導體激光器( (三三) )半導體激光器的通用結構半導體激光器的通用結構光反饋裝置光反饋裝置光學諧振器可提供必要的正反饋以促進激光振蕩。光學諧振器可提供必要的正反饋以促進激光振蕩。光振蕩的形成主要采用兩種方式：光振蕩的形成主要采用兩種方式：1.1. F-PF-P（法布里（法布里

16、- -帕羅）諧振腔：帕羅）諧振腔：由一對平行放置由一對平行放置的平面反射鏡組成。的平面反射鏡組成。2.2. 布拉格反射器布拉格反射器：一種基于波紋光柵的光學諧振：一種基于波紋光柵的光學諧振器，其材料折射率在空間某方向上呈現出周期性變化，器，其材料折射率在空間某方向上呈現出周期性變化，從而為受激輻射產生的光子提供周期性反射從而為受激輻射產生的光子提供周期性反射. .CH 2二、半導體激光器二、半導體激光器( (三三) )半導體激光器的通用結構半導體激光器的通用結構光反饋裝置光反饋裝置1.F-P1.F-P（法布里（法布里- -帕羅）諧振腔帕羅）諧振腔用晶體天然解理面形成的用晶體天然解理面形成的F-

17、PF-P（法布里（法布里- -帕羅）諧振腔帕羅）諧振腔，當，當光在諧振腔中光在諧振腔中滿足一定的相位條件和振幅條件滿足一定的相位條件和振幅條件時，建立起穩定時，建立起穩定的光振蕩。這種激光器稱為的光振蕩。這種激光器稱為F-PF-P腔激光器。腔激光器。CH 2二、半導體激光器二、半導體激光器( (三三) )半導體激光器的通用結構半導體激光器的通用結構光反饋裝置光反饋裝置1.F-P1.F-P（法布里（法布里- -帕羅）諧振腔帕羅）諧振腔表 示 沿 諧表 示 沿 諧振 腔 傳 播振 腔 傳 播方 向 上 的方 向 上 的駐 波 振 蕩駐 波 振 蕩特性特性表 示 諧 振表 示 諧 振腔 橫 截 面腔

18、 橫 截 面上 的 場 型上 的 場 型分布分布CH 2二、半導體激光器二、半導體激光器( (三三) )半導體激光器的通用結構半導體激光器的通用結構光反饋裝置光反饋裝置1.F-P1.F-P（法布里（法布里- -帕羅）諧振腔帕羅）諧振腔增益大于損耗CH 2二、半導體激光器二、半導體激光器( (三三) )半導體激光器的通用結構半導體激光器的通用結構光反饋裝置光反饋裝置1.F-P1.F-P（法布里（法布里- -帕羅）諧振腔帕羅）諧振腔增大增大L以降低增益以降低增益存在多個諧振峰落在滿存在多個諧振峰落在滿足增益大于損耗的范圍足增益大于損耗的范圍內，內，難以實現單模難以實現單模。CH 2二、半導體激光器

19、二、半導體激光器( (三三) )半導體激光器的通用結構半導體激光器的通用結構光反饋裝置光反饋裝置2.2.布拉格反射器布拉格反射器同相面，同相面，發生干涉發生干涉由于珊距很小，因此相鄰模式頻率間隔大，由于珊距很小，因此相鄰模式頻率間隔大，易于實現單模易于實現單模。CH 2CH 2二、半導體激光器二、半導體激光器( (三三) )基本性質基本性質P/IP/I特性特性閥值電流：閥值電流：激激光從自發輻射光從自發輻射到開始受激震到開始受激震蕩時的臨界注蕩時的臨界注入電流入電流第一階段：自發輻射。第一階段：自發輻射。第二階段：超輻射狀態。第二階段：超輻射狀態。第三階段：激光。第三階段：激光。CH 2二、半

20、導體激光器二、半導體激光器( (三三) )基本性質基本性質溫度特性溫度特性閥值電流閥值電流：隨溫度的：隨溫度的升高而加大。升高而加大。功率效率功率效率：隨溫度的：隨溫度的升高而下降。升高而下降。CH 2二、半導體激光器二、半導體激光器( (四四) )光譜特征光譜特征光譜特性描述的是激光器光譜特性描述的是激光器輸出功率隨波長的分布輸出功率隨波長的分布規律。半導體激光器激射以后的光譜呈現模式結構，規律。半導體激光器激射以后的光譜呈現模式結構，穩定工作時光譜由以下因素共同決定。穩定工作時光譜由以下因素共同決定。1.發射波長范圍發射波長范圍：取決于激光器的自發輻射譜。：取決于激光器的自發輻射譜。2.精

21、細的譜結構精細的譜結構：取決于光腔中縱模分布。：取決于光腔中縱模分布。3.波長分量的強弱波長分量的強弱：取決于激射時各模式的增：取決于激射時各模式的增益條件。益條件。CH 2二、半導體激光器二、半導體激光器( (四四) )光譜特征光譜特征峰值波長峰值波長峰值波長：峰值波長：光光譜內強度最大譜內強度最大的光波長。的光波長。CH 2二、半導體激光器二、半導體激光器( (四四) )光譜特征光譜特征譜寬和線寬譜寬和線寬譜寬：譜寬：峰值半峰值半功率點所限定功率點所限定的波譜范圍。的波譜范圍。線 寬 ：線 寬 ： 單單縱 模 激 光縱 模 激 光器 的 譜 寬器 的 譜 寬即為線寬。即為線寬。中心波長：中

22、心波長：譜譜寬范圍的中心寬范圍的中心點對應的波長。點對應的波長。CH 2二、半導體激光器二、半導體激光器( (四四) )光譜特征光譜特征縱模數與注入電流的關系縱模數與注入電流的關系CH 2二、半導體激光器二、半導體激光器( (四四) )光譜特征光譜特征峰值波長與溫度的關系峰值波長與溫度的關系無溫控器件CH 2二、半導體激光器二、半導體激光器( (四四) )光譜特征光譜特征動態譜線與注入電流的關系動態譜線與注入電流的關系CH 2遠場圖遠場圖為遠離半導體激光器為遠離半導體激光器輸出端面輸出端面的輻射束光的輻射束光功率強度分布。功率強度分布。近場圖近場圖為半導體激光器為半導體激光器輸出端面輸出端面的

23、輻射束光功率的輻射束光功率強度分布。強度分布。二、半導體激光器二、半導體激光器( (五五) )光束特點光束特點通常使用激光器近場圖和遠場圖來表征其光束特通常使用激光器近場圖和遠場圖來表征其光束特性。性。由橫模決定由橫模決定由橫模和由橫模和發散角共發散角共同決定同決定CH 2二、半導體激光器二、半導體激光器( (五五) )光束特點光束特點CH 2三、半導體發光二極管三、半導體發光二極管CH 2三、半導體發光二極管三、半導體發光二極管CH 2三、半導體發光二極管三、半導體發光二極管CH 2三、半導體發光二極管三、半導體發光二極管CH 2三、半導體發光二極管三、半導體發光二極管CH 2三、半導體發光

24、二極管三、半導體發光二極管CH 2CH 2四四、光源的調制、光源的調制光調制光調制：在發送端將：在發送端將信息加載到信息加載到光源輸出的光源輸出的光束上光束上的過程。的過程。在光纖通信系統中，通常以電信號的形式呈在光纖通信系統中，通常以電信號的形式呈現信息，故光調制是將電信號加載到光源輸出的現信息，故光調制是將電信號加載到光源輸出的光束上的過程。光束上的過程。光解調光解調：光接收機鑒別從光纖信道上傳輸過：光接收機鑒別從光纖信道上傳輸過來的光波的變化規律，從而將原始信息還原的過來的光波的變化規律，從而將原始信息還原的過程。程。CH 2四四、光源的調制、光源的調制直接調制直接調制：將要傳遞的信息轉

25、變為驅動電流：將要傳遞的信息轉變為驅動電流控制光源的發光過程。控制光源的發光過程。CH 2四四、光源的調制、光源的調制間接解調間接解調：利用晶體的電光效應、磁光效應、聲：利用晶體的電光效應、磁光效應、聲光效應和電吸收效應等性質來實現對激光輻射的調制。光效應和電吸收效應等性質來實現對激光輻射的調制。CH 2四四、光源的調制、光源的調制由于理想半導體光源的由于理想半導體光源的P-IP-I曲線呈線性關系，因曲線呈線性關系，因此直接調制是利用此直接調制是利用輸入電流直接控制輸出光強輸入電流直接控制輸出光強的過程。的過程。將連續變化的模將連續變化的模擬信號疊加在直流擬信號疊加在直流偏置的工作點上對偏置的

26、工作點上對光源進行調制光源進行調制CH 2四四、光源的調制、光源的調制由于理想半導體光源的由于理想半導體光源的P-IP-I曲線呈線性關系，因曲線呈線性關系，因此直接調制是利用此直接調制是利用輸入電流直接控制輸出光強輸入電流直接控制輸出光強的過程。的過程。直流偏置工作點直流偏置工作點CH 2四四、光源的調制、光源的調制瞬態現象：瞬態現象：半導體激光器在進行直接調制時顯示半導體激光器在進行直接調制時顯示出來的現象。主要出來的現象。主要瞬態瞬態現象有現象有電光延遲，張弛振蕩和電光延遲，張弛振蕩和持續振蕩持續振蕩。 持續振蕩（自脈動）持續振蕩（自脈動）CH 2四四、光源的調制、光源的調制對導帶底部填充

27、電子，使電子密度達到對導帶底部填充電子，使電子密度達到nth激光器開始激射，光場建立，導帶中電子超量填充激光器開始激射，光場建立，導帶中電子超量填充CH 2四四、光源的調制、光源的調制有源區過量復合有源區過量復合過量復合持續，電子密度過量復合持續，電子密度降到降到nth 以下，以下，S也下降也下降CH 2四四、光源的調制、光源的調制n(t)和s(t): 分別為有源區里自由電子和光子密度j: 注入電流密度注入電流密度e0：電子電荷d: 有源區的厚度Rsp：自發輻射自發輻射的速率的速率，Rsp = n(t)/ spg(n): 增益函數 ph：光子的壽命時間光子的壽命時間 ： 自發發射進入激光模式的

28、系數自發發射進入激光模式的系數CH 2四四、光源的調制、光源的調制張弛振蕩張弛振蕩的衰減時間與自發輻射的壽命時間同的衰減時間與自發輻射的壽命時間同一數量級，并一數量級，并隨注入電流的增加而隨注入電流的增加而減小減小。張弛振蕩衰減系數張弛振蕩的幅度衰減為初始值的1/ e的時間，稱之為張弛振蕩的衰減時間。CH 2四四、光源的調制、光源的調制張弛振蕩張弛振蕩的角頻率與的角頻率與 ph和和 sp有關，并隨有關，并隨注入電注入電流的增加而升高流的增加而升高。張弛振蕩角頻率CH 2四四、光源的調制、光源的調制電光延遲時間電光延遲時間電光延遲時間與自發輻射的壽命時間同一數量與自發輻射的壽命時間同一數量級，并

29、級，并隨注入電流的增加而隨注入電流的增加而減小減小。CH 2四四、光源的調制、光源的調制CH 2四四、光源的調制、光源的調制（1）加大直流偏置電流使其逼近閾值）加大直流偏置電流使其逼近閾值減小電光延遲時間，提高頻譜利用率和通信容量，一定程度上抑制張弛振蕩，較小的調制電流就能獲得足夠大的輸出光脈沖，減小碼型效應。（2）偏置電流意味著激光器的消光比（偏置電流意味著激光器的消光比（EXT）惡）惡化，化，EXT應該大于應該大于10dB.（3）實驗觀察到異質結激光器的散粒噪聲在閾值實驗觀察到異質結激光器的散粒噪聲在閾值處常有一很陡的峰值，因此處常有一很陡的峰值，因此I0的選取應避開此峰值。的選取應避開此峰值。CH 2四四、光源的調制、光源的調制CH 2四四、光源的調制、光源的調制激光器的激光器的閾值電流隨溫閾值電流隨溫度度呈指數規律呈