第二章光信號產生機制VocabularyChapter22SOEI,HUSTOpticaltransmitter：光發射機LED:發光二極管LD：激光二極管Spontaneousemission：自發輻射Stimulatedemission：受激發射Stimulatedabsorption：受激吸收Boltzmanstatistics：玻爾茲曼統計分布Thermalequilibrium：熱平衡Spectraldensity：光譜密度Populationinversion：粒子數反轉Fermi-Diracdistribution：費米狄拉克分布Conductionband：導帶Valenceband：價帶Forward-biased：正向偏置Junction：結Fermilevel：費米能級Bandgap：帶隙Heavydoping：重摻雜Homojunction：同質結Heterojunction：異質結Doubleheterostructure：雙異質結recombination：復合Claddinglayer：包層Augerrecombination：俄歇復合Kineticenergy：動能Nonradiativerecombination：非輻射復合Surfacerecombination：表面復合Internalquantumefficiency：內量子效率Directbandgap：直接帶隙Indirectbandgap：非直接帶隙Carrierlifetime：載流子壽命Latticeconstant：晶格常數Ternaryandquaternarycompound：三元系和四元系化合物Substrate:襯底LPE：液相外延VPE：汽相外延MBE：分子束外延MOCVD：改進的化學汽相沉積MQW:多量子阱Electron-holepairs電子空穴對Externalquantumefficiency外量子效率Chapter23SOEI,HUSTFresneltransmissivity菲涅耳透射率Power-conversionefficiency功率轉換效率Wall-plugefficiency電光轉換效率Responsivity響應度Rateequation速率方程Surface-emitting表面發射Beamdivergence光束發散Edge-emitting邊發射Resonantcavity諧振腔Gaincoefficient增益系數Differentialgain微分增益Laserthreshold激光閾值Thresholdcurrent閾值電流Groupindex群折射率Externalcavity外腔VCSEL:verticalcavitysurface-emittinglasers垂直腔表面發射激光器Photonlifetime光子壽命Slopeefficiency斜率效率Differentialquantumefficiency微分量子效率Linewidthenhancementfactor線寬加強因子Broadarea寬面Stripegeometry條形Diffusion擴散Index-guided折射率導引Ridgewaveguidelaser脊波導激光器Buriedheterostructure掩埋異質結Lateral側向Transverse橫向SLM:SingleLongitudinalmode單縱模MSR:Modesuppressionratio模式抑制比DFB:DistributedFeedback分布式反饋Braggdiffraction布拉格衍射Braggcondition布拉格條件DBR:distributedBraggreflector分布式布拉格反射器Phase-shiftedDFBlaser相移DFB激光器Gaincoupled增益耦合Coupledcavity耦合腔Characteristicstemperature特征溫度OOK開關鍵控DPSK差分相移鍵控QPSK正交相移鍵控QAM正交幅度調制Dualpolarization雙偏振態（偏振復用）Chapter24SOEI,HUST第二章光信號產生機制2.1光發射機結構2.2半導體發光原理2.3半導體激光器(發光二極管)及發光特點2.4發射機設計2.5外調制及先進調制形式Chapter25SOEI,HUST2.1.1光發射機原理圖單個二進制編碼/線路編碼調制器光源驅動電路PCM信道耦合器光信號輸出Chapter26SOEI,HUST偏置電流調制電流(≥10Gbit/s)調制電流偏置電流(≤2.5Gbit/s)直接調制外調制Chapter27SOEI,HUST穩定性:功率&波長可靠性:>25年(PouttoPout/2)小發射區域便于與纖芯匹配合適的波長范圍0.85μm:GaAlAs/GaAs1.31μm,1.55μm:InP/InGaAsP窄線寬→減少色散及相位噪聲易于直接調制高效率&低閾值:MQW-LD,Ith~10mAMQWDFBLD2.1.2光源要求Chapter28SOEI,HUSTChap.2光信號產生機制2.1光發射機結構2.2半導體發光原理2.3半導體激光器(發光二極管)及發光特點2.4發射機設計2.5外調制及先進調制形式Chapter29SOEI,HUST1.三種基本躍遷過程

自發輻射→LED

受激輻射→LD,SOA

受激吸收→PIN,APD

光發射2.2.1半導體能帶受激輻射自發輻射受激吸收光接收Chapter210SOEI,HUSTE2N2N1E1:光譜密度熱平衡下,根據波爾茲曼統計規律:kB:波爾茲曼常數T:絕對溫度普朗克公式:2.發射及吸收速率Chapter211SOEI,HUST可見光及近紅外區域，室溫條件下：,熱輻射源N2>N1,Rstim>Rabs(粒子數反轉)熱平衡

受激輻射

?光放大條件:外界泵浦實現粒子數反轉:注入電流,泵浦光源.

愛因斯坦系數Chapter212SOEI,HUST3.電子—空穴對復合Efc,Efv分別為導帶及價帶的費米能級費米狄拉克統計分布=》電子空穴對在導帶及價帶的分布概率密度:半導體的導帶與價帶.Chapter213SOEI,HUSTρcv:聯合態密度，定義為單位體積單位能量范圍內的總態數Eg:帶隙

mr:折合質量mc,mv:分別為導帶及價帶中電子和空穴的有效質量Chapter214SOEI,HUST粒子數條件:熱平衡下:泵浦方法：注入電流得到泵浦能力使費米能級分離:激光輸出條件,Chapter215SOEI,HUST2.2.2p-n結半導體類型本征半導體:無摻雜.費米能級位于禁帶中心N型半導體:隨著摻雜濃度增加，費米能級向導帶移動P型半導體:隨著摻雜濃度增加，費米能級向價帶移動Chapter216SOEI,HUST熱平衡下正向偏置下2.p-n結正向偏置下:內建電場減小形成擴散電流電子-空穴對在有源區復合通過自發輻射和受激輻射產生光子熱平衡下:

通過p-n結的費米能級必須是連續的通過擴散過程使Fc=FvChapter217SOEI,HUST同質結:p、n采用相同帶隙材料相同半導體材料電子-空穴對復合區域寬難以獲得高濃度載流子異質結:p、n采用不同帶隙材料雙異質結:在p型和n型半導體間夾一薄層,并讓它的帶隙隔小于其他層（窄帶隙夾層）3.同質結&異質結Chapter218SOEI,HUST(a)同質結

和(b)雙異質結的

p–n結

在熱平衡條件(上)和正向偏置時(下)的能帶圖Chapter219SOEI,HUST有源層:電子空穴對易在此復合，光子產生窄帶隙→高折射差→波導(1D)異質結:限制載流子&光導0.85μm:

包層/有源層:GaAlAs/GaAs1.31μm,1.55μm:

包層/有源層:InP/InGaAsP在雙異質結設計結構中，同時限制載流子和光場Chapter220SOEI,HUST1.電子-空穴復合缺陷復合表面復合俄歇復合非輻射復合2.2.3非輻射復合輻射服和輻射服和輻射服和輻射復合自發輻射受激輻射非輻射復合光熱量電子或空穴的動能Chapter221SOEI,HUST2.內量子效率Rrr:輻射復合速率Rnr:非輻射復合速率Rtot:總復合速率τ:復合時間

非輻射復合,特別俄歇復合(溫度影響)對設備有害!正反饋Chapter222SOEI,HUSTE0E0k1k2直接帶隙(GaAs,InP)間接帶隙(Si,Ge)3.載流子壽命A:缺陷&陷阱復合系數

B:自發輻射復合系數C:俄歇復合系數

<<<<Chapter223SOEI,HUST第二章光信號產生機制2.1光發射機結構2.2半導體發光原理2.3半導體激光器(發光二極管)及發光特點2.4發射機設計2.5外調制及先進調制形式Chapter224SOEI,HUST2.3.1振幅和相位條件優點(與LED相比):輸出高功率(to100mW)發散角小窄線寬高頻率下能實現直接調制(to10GHz)1.LD的條件和構成:增益媒介光增益半導體材料諧振腔光反饋泵浦源粒子數反轉注入電流外置諧振腔內置光柵Chapter225SOEI,HUST媒介的峰值增益:

當

:微分增益系數(gaincrosssection) :注入載流子密度 :透明時載流子密度:閾值載流子密度NT

與Nth

相同

?2.光增益Chapter226SOEI,HUST1.3-μmInGaAsP激光器在不同載流子密度

N下的光譜增益.不同載流子密度N.和峰值增益gp關系。虛線表示高增益區域線性性能。Chapter227SOEI,HUST反饋R1R2n0=1n3.反饋和激光閾值不鍍膜Chapter228SOEI,HUST閾值

Chapter229SOEI,HUST振幅條件相位條件諧振頻率間隔諧振頻率閾值增益MLMChapter230SOEI,HUST2.3.2LD結構1.寬廣型半導體激光器寬廣型半導體激光器.有源層夾在寬帶隙材料制成的p-n型材料之間，如陰影部分所示雙異質結結構特點可解釋結區垂直方向上光的限制機理XY近場分布Chapter231SOEI,HUST結的平行方向光不受限制光產生于整個激光器寬度范圍內薄夾層中閾值電流高且空間模式呈橢圓，模式不易受電流控制遠場光波導模式分布如何？

Chapter232SOEI,HUST2.條型半導體激光器增益波導半導體激光器使用的兩個條型激光器結構截面設計增益導引半導體激光器，被稱為(a)氧化條型和(b)結條型XYChapter233SOEI,HUST通過條形區域限制注入電流從而解決光限制問題隨著激光器功率增加，光斑尺寸仍不穩定Chapter234SOEI,HUST折射率波導半導體激光器兩個折射率導引型半導體激光器的橫截面：(a)山脊型波導結構用于弱折射率導引；(b)etched-mesaburiedheterostructureforstrongindexguiding。XYChapter235SOEI,HUST當光在腔內尺寸小于波長，表現出量子特性多于波特性。3.多量子阱半導體激光器在多量子阱結構中，經常一系列量子阱一個相鄰另一個的頂端。相鄰的分離層厚度很小(~10nm)并且具有不同的帶隙。多量子阱結構能降低發射閾值，限制橫模模式形成，具有的光譜線寬小于常見結構。Chapter236SOEI,HUST同質結雙異質結條形結構多量子阱結構注入載流子、輸出光子限制作用逐漸增強,電流閾值更低，斜率效率提高。Chapter237SOEI,HUSTSideModeSuppressionRatio(SMSR):or多縱模損耗單縱模2.3.3縱模調制Chapter238SOEI,HUST反饋不僅是發生在端面而是分布在整個腔長范圍內。內置光柵形成折射率的周期性變化。反饋依靠布拉格衍射實現，布拉格衍射產生前向或后向行波，前向與后向行波相互耦合。DFB激光器的模式選擇性：波長滿足布拉格條件才能發生耦合。布拉格條件為：1.分布反饋激光器(DFB)Chapter239SOEI,HUST2.外腔激光器

結構：LD，衍射光柵，反射鏡，聚焦透鏡。調節反射鏡角度可控激光波長。通過優化組件結構，當波長改變時，激光諧振腔不會產生模式跳變。常見Chapter240SOEI,HUST3.取樣光柵DBR激光器DBR:分布布拉格反射器Chapter241SOEI,HUST4.解理耦合腔激光器由常見多縱模半導體激光器從中間解理制成，中間由窄帶隙(~1μm)空氣分開。帶隙寬度適當時，解理面約30%的反射率可使分裂的兩部分具有較強的光場耦合。作為模式控制器，通過改變一個腔的注入電流可以調整可調諧輸出波長范圍~20nm。為了避免模式跳躍，調諧并不能連續，大約有2nm調諧間隔。Chapter242SOEI,HUSTR>98%5.VCSELs(垂直腔表面發射激光器)Chapter243SOEI,HUST鏡子棧由具有不同折射率材料構成的交替層制成，形成布拉格光柵，具有波長選擇性。有源區短，外延生長高反射率DBR反射鏡形成微腔結構。絕緣氧化鋁層，作為介質控制，應用氧化隔離技術限制了電流和光學橫向模式。低分化圓形光束使光纖耦合更為簡單、高效。典型的耦合輸出功率為幾毫瓦。Chapter244SOEI,HUST2.3.4噪聲和線寬1.噪聲機理電流偏置恒定，強度、相位、頻率仍會波動。噪聲機理：每個自發發射光子增至相干場（受激輻射產生）上，以隨機方式擾亂振幅和相位。強度波動限制信噪比(SNR)，相位波動限制譜線寬。Chapter245SOEI,HUST2.線寬和測量方法修改后的Scholow-Towns公式給出了線寬和自發輻射之間的關系:

P,激光腔內光子密度;Rsp

,自發輻射因子;αlw,線寬增強因子譜寬和線寬Chapter246SOEI,HUST線寬決定相干時間和相干線寬：相干長度描述了在相干時間內光信號傳播距離，vg

是光信號群速度一光源線寬約為10kHz,相干長度約為30km.相干時間是線寬的倒數。線寬測量由延時自外差技術實現。如果馬赫-澤德的差分延時比光信號相干時間長，通過不同路徑的響應部分在第二個光耦合器非相干耦合。它等同于兩個具有相同譜寬的獨立光源疊加。Chapter247SOEI,HUSTESA線寬測量方法OCOCChapter248SOEI,HUST在延遲自差檢測中頻率轉換和線寬的關系聲光頻率調制器(AOFM)用作頻移器，避免大多數電頻譜分析儀(ESA)低頻區的高噪水平。AOFM在fIF附近大致可產生幾百兆頻移。因此光信號外差檢測可在光電探測器中運用。Chapter249SOEI,HUST如果規范化無線電譜密度通過ESA測量為SIF(f)，光信號功率譜密度Sp,s(f)將滿足下面自卷積：Chapter250SOEI,HUST2.3.5LD連續波（CW）特點

1.速率方程對單縱模激光器，速率方程如下：P,N:光子&載流子數目凈受激輻射速率，相當于光增益：g:材料峰值增益:增益橫截面/微分增益系數光子壽命：Chapter251SOEI,HUSTForI>Ith,R1=R22.連續激光（CW）

運行條件：Chapter252SOEI,HUSTP-I曲線閾值自發輻射受激輻射I0:常數,T0:特征溫度GaAs:T0=120K,InGaAsP:T0=50~70KP-I曲線彎曲度

Rnr:主要取決于InGaAsPLDs的俄歇復合解決方法:在InGaAsPLDs中內置半導體制冷器3.P-I曲線Chapter253SOEI,HUST內量子效率:斜率效率:微分量子效率:外量子效率:總量子效率:GaAsl激光器:InGaAsP激光器:4.效率Chapter254SOEI,HUST2.3.6LDs的調制響應

小信號調制:頻率響應:1.小信號調制調制帶寬:弛豫振蕩頻率弛豫振蕩電阻率Chapter255SOEI,HUST偏置時，調制頻率函數與調制響應關系調制頻率遠大于Ωr時

，響應度急劇下降。Chapter256SOEI,HUST2.大信號調制高速通信使用外調制頻率啁啾βc:幅度-相位耦合參數，對大體積材料：4~8，對MQW:~3.頻移:前沿:縱模頻率藍移（升高）后沿:縱模頻率紅移（下降）

Chapter257SOEI,HUST電光延遲&弛豫振蕩當激光器受外界泵浦，粒子數反轉后上能級粒子數得到累積，才能輸出激光。輸出激光迅速消耗上能級粒子數。如果泵浦不夠快，激光輸出將迅速停止。當泵浦足夠使粒子數反轉時，激光有馬上恢復輸出。Chapter258SOEI,HUST第二章光信號產生機制2.1光發射機結構2.2半導體發光原理2.3半導體激光器(發光二極管)及發光特點2.4發射機設計2.5外調制及先進調制形式Chapter259SOEI,HUST2.4.1基本概念1.數字調制LD數字調制對于LD直接調制。偏置設在閾值附近。緩解電光延遲和弛豫振蕩抑制碼型效應惡化消光比&增強散粒噪聲Chapter260SOEI,HUST2.數字邏輯電平

0 1 TTL:0~0.8V 2.0~5.0V (-5V)ECL:-1.75V -0.85 V (+5V)PECL:+3.25V +4.15 V3.消光比PP1P00tChapter261SOEI,HUST4.光源-光纖耦合

5.封裝

光源光纖Rf涂層透鏡光纖die基板PD冷源TEC制冷光纖金屬外殼TEC(ThermallyExpandCore)FiberChapter262SOEI,HUSTChapter263SOEI,HUST2.4.2驅動和調制回路1.自動功率控制（APC）數字調制回路T1和T2輪流截止和導通，避免載流子恢復時間的影響，可工作于高速率；射極耦合電路為恒流源，總電流可保持不變，噪聲小；由于T2和T3導通電壓的負溫度特性，可另加兩個二極管D1、D2對T2、T3進行補償，使溫度變化時驅動電流保持恒定。Chapter264SOEI,HUST熱敏電阻RT接在電橋的一個臂上；在設定溫度下，電橋處于平衡狀態，制冷器沒有電流流過；由于熱敏電阻具有負的溫度系數，溫度升高時電橋平衡被破壞，制冷器開始工作，從而可使得LD的結溫不超過設定溫度。由于VT的單向導通特性，圖示電路中的制冷器只能工作在單一模式（制冷或加熱）2.自動時間校正（ATC）

回路Chapter265SOEI,HUST第二章光信號產生機制2.1光發射機結構2.2半導體發光原理2.3半導體激光器(發光二極管)及發光特點2.4發射機設計2.5外調制及先進調制形式Chapter266SOEI,HUST2.5.1外調制及調制器電吸收調制器（EAM）1.外調制EAM利用夫蘭茲-凱耳什效應(Franz–Keldysheffect),依據電場作用半導體帶隙減小的特性因此，當外部施加電壓時，能量帶隙減小，透明半導體層開始吸收光。Chapter267SOEI,HUST特點:相對較低驅動電壓(~2V)批量生產具有成本效益，易于集成連續波長吸收減小動態消光比(<10dB)頻率啁啾較大限制光功率處理能力Chapter268SOEI,HUST馬赫-澤德調制器(MZM)光波導馬赫-澤德干涉儀行波阻抗匹配電極結構馬赫-澤德調制器通過光學相位調制和干涉原理

制成干涉儀電光材料（如LiNbO3

）的折射率隨外部施加電壓變化而改變電壓引起折射率變化從而引入相移Chapter269SOEI,HUST2.MZMs工作原理相應手臂的相移:輸出光場:改變一只手臂的電壓入相移變化π,使光場由1變化為0，對應的電壓稱為開關電壓Vπ。Chapter270SOEI,HUSTV1(t)=-V2(t),Eout(t)中相位項被消除，稱之為推拉操作。輸出光場強度:正弦功率傳遞函數Chapter271SOEI,HUST偏置和調制電壓:單驅動MZM電場NRZ數據Chapter272SOEI,HUST2.5.2光信號產生1.NRZ碼型反向加載正向加載1111100000波形眼圖Chapter273SOEI,HUST2.RZ碼型33%RZNRZ67%CSRZChapter274SOEI,HUSTPulsecarvingDifferentRZformatscanbeimplementedby

pulsecarving:50%RZ—在最大和最小傳輸之間利用數據速率B進行正弦驅動，也就是，振蕩幅值設為Vπ/2，偏置電壓設置為-Vπ/2.輸出光強為:因此

，占空比為50%.Chapter275SOEI,HUST33%RZ—在傳輸極小值間利用數據速率B/2的正弦驅動，產生占空比為33%的脈沖67%CSRZ--在傳輸極大值間利用數據速率B/2的正弦驅動，產生占空比為67%、具有交替相位的脈沖？Chapter276SOEI,HUST3.NRZ-DPSK/BPSK碼型010利用推拉模式，andOpticalNRZ-DPSK/BPSK