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1、第四讲第四讲(1)(1)光源光源Optical source主要内容主要内容 一、半导体激光器工作原理和基本结构一、半导体激光器工作原理和基本结构二、半导体光源之一二、半导体光源之一:LD:LD 三、光发射机基本组成及驱动电路和自动功率三、光发射机基本组成及驱动电路和自动功率 控制控制四、半导体光源之二四、半导体光源之二:LED:LED五、光电检测器及光接收机五、光电检测器及光接收机4/10/20232引言一、一、光纤通信系统对光源的基本要求：光纤通信系统对光源的基本要求：（1 1）稳定性好，可在室温下连续工作；）稳定性好，可在室温下连续工作；（2 2）尺寸和结构要小；）尺寸和结构要小；（3
2、3）光波应匹配光纤的两个低损耗波段；）光波应匹配光纤的两个低损耗波段；（4 4）信号调制容量大。信号调制容量大。4/10/20233引言二二、最常用的发光器件：最常用的发光器件：（1）LD：半导体激光二极管或称激光器半导体激光二极管或称激光器(LD)(LD)a.a.极窄的光谱带宽；极窄的光谱带宽；b.b.极大的极大的调制容量；调制容量；c c 有定向输出特性；有定向输出特性；d.d.辐射具有光相干特性。辐射具有光相干特性。适用于长距离，大容量，高码速系统适用于长距离，大容量，高码速系统 （2 2）LEDLED：发光二极管或称发光管发光二极管或称发光管(LED)(LED)a.a.非非相干的自发辐
3、射；相干的自发辐射；b.b.结构及工作方式简单；结构及工作方式简单；适用于短距离，低速，模拟系统适用于短距离，低速，模拟系统 4/10/20234第一节第一节 半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器工作原理和基本结构 半导体激光器半导体激光器是向半导体是向半导体PN结注入电流，实现结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。反馈，实现光放大而产生激光振荡的。激光激光，其英文，其英文LASER就是就是Light Amplification by Stimulated Emission of Ra
4、diation(受激辐射的光受激辐射的光放大放大)的缩写。的缩写。所以讨论激光器工作原理要从受激辐射开始。所以讨论激光器工作原理要从受激辐射开始。一、受激辐射和粒子数反转分布一、受激辐射和粒子数反转分布 有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。在物质的原子中，存在许多能级，最低能级在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为称为基态基态，能量比基态大的能级，能量比基态大的能级Ei（i=2，3，4）称为称为激发态激发态。4/10/20235以前所学过的有关知识以前所学过的有关知识 半导体是由大量原子周期性有序排列构半导体是由大量原子周期性有序排列
5、构成的成的共价晶体共价晶体。在这种。在这种晶体晶体中，由于中，由于邻近原邻近原子的作用子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续，电子所处的能态扩展成能级连续分布的分布的能带能带。能量低的能带称为能量低的能带称为价带价带，能量高的能带，能量高的能带称为称为导带导带，导带底的能量，导带底的能量 Ec 和价带顶的能和价带顶的能量量 Ev 之间的能量差之间的能量差 Ec-Ev=Eg 称为称为禁带宽禁带宽度度或或带隙带隙。电子不可能占据禁带。电子不可能占据禁带。4/10/20236受激辐射和粒子数反转分布受激辐射和粒子数反转分布 电子在低能级电子在低能级E1的基态和高能级的基态和高能级E2的激发态的激发态
6、之间的跃迁有三种基本方式：之间的跃迁有三种基本方式：1.光的光的受激吸收受激吸收：stimulated transition2.光的光的自发辐射自发辐射：spontaneous emission 3.光的光的受激辐射受激辐射:stimulated emission of radiationE EEcEcEvEvEgEg光子光子 hf hf EcEcEvEvEgEg光子光子 hfhfEcEcEvEvEgEg光子光子 hfhf光子光子 hf hf E EE E空穴复合空穴复合留下空穴留下空穴4/10/20237受激辐射和粒子数反转分布（续）受激辐射和粒子数反转分布（续）受激辐射和自发辐射产生的光的
7、特点受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同很不相同。受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为光相同，这种光称为相干光相干光。自发辐射光是由大量不。自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在在一定范围内一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光非相干光。产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。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，处于低能级设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级和处于高
8、能级E2(E2 E1)的粒子数分别为的粒子数分别为N1和和N2。当系统处于热平衡状当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布：态时，存在下面的分布：N2/N1=exp(-(E2-E1)/kT)4/10/20238受激辐射和粒子数反转分布（续）受激辐射和粒子数反转分布（续）N2/N1=exp(-(E2-E1)/kT)式中，式中，k=1.381 10-23 J/K，为为波尔兹曼常数波尔兹曼常数，T为热力学为热力学温度。由于温度。由于(E2-E1)0，T0，所以在这种状态下，总所以在这种状态下，总是是N1N2。这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。受这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。受激吸收和受激辐
9、射的速率分别激吸收和受激辐射的速率分别比例于比例于N1和和N2，且比例系数且比例系数（吸收和辐射的概率）相等。（吸收和辐射的概率）相等。如果如果N1N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质吸收物质。如。如果果N2N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质激活物质。N2N1 的分布，和正常状态的分布，和正常状态N1N2的分布相反，所以称为的分布相反，所以称为粒子粒子
10、（电子）数反转分布（电子）数反转分布。4/10/20239二、激光振荡和光学谐振腔二、激光振荡和光学谐振腔光学谐振腔的结构光学谐振腔的结构 粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但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还不能产生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔光学谐振腔中，中，对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和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。激光振荡输出。在增益物质两端，适当的位置，放置两个反射镜在增益物质两端，适当的位置，放置两个反射镜M1、M2，使其互相平行，就构成了最简单的光学谐振腔使其互相平行，就构成
11、了最简单的光学谐振腔(也称法布里也称法布里-珀罗，珀罗，F-P谐振腔谐振腔)。如果反射镜是平面镜，如果反射镜是平面镜，称为称为平面腔平面腔；如果反射镜是球面镜，则称为；如果反射镜是球面镜，则称为球面腔球面腔，结，结构如图所示。构如图所示。4/10/202310谐振腔如何产生激光振荡谐振腔如何产生激光振荡 对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，如对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，如 M1的反的反射系数射系数 r=1；另一个为部分反射，如另一个为部分反射，如M2的反射系数的反射系数r1。产生的激光产生的激光由此射出由此射出。当工作物质在泵浦源的作用下，变为激活物质以后，即当工作物质在泵浦源的作
12、用下，变为激活物质以后，即有了放大作用，如果被放大的光有一部分能够反馈回来再有了放大作用，如果被放大的光有一部分能够反馈回来再参加激励，这就相当于电路中用正反馈实现振荡，这时，参加激励，这就相当于电路中用正反馈实现振荡，这时，被激励的光就可产生振荡，满足一定条件后，即可发出激被激励的光就可产生振荡，满足一定条件后，即可发出激光。光。泵浦源泵浦源：使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，：使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，称为称为泵浦源泵浦源。4/10/202311谐振腔如何产生激光振荡（续）谐振腔如何产生激光振荡（续）将在泵浦源激发下，处于粒子数反转分布状态的工作物将在泵浦源激发下，
13、处于粒子数反转分布状态的工作物质，置于光学谐振腔内，质，置于光学谐振腔内，腔的轴线应该与激活物质的轴线重合腔的轴线应该与激活物质的轴线重合。被放大的光在谐振腔内，在两个反射镜之间来回反射，并不断被放大的光在谐振腔内，在两个反射镜之间来回反射，并不断地激发出新的光子，进一步进行放大。但在这个运动过程中也地激发出新的光子，进一步进行放大。但在这个运动过程中也要消耗一部分能量（不沿谐振腔轴向传输的光波，会很快射出要消耗一部分能量（不沿谐振腔轴向传输的光波，会很快射出腔外，以及腔外，以及M2反射镜的透射等也会损耗部分能量），反射镜的透射等也会损耗部分能量），当放大足当放大足以抵消腔内的损耗时以抵消腔内
14、的损耗时，就可以使这种运动不停地进行下去，即，就可以使这种运动不停地进行下去，即形成形成光振荡光振荡。当满足一定条件后，就会从反射镜。当满足一定条件后，就会从反射镜M2透射出来一透射出来一束笔直的束笔直的强光强光，即是激光。，即是激光。4/10/202312谐振腔如何产生激光振荡（小结）谐振腔如何产生激光振荡（小结）综上所述，可得出结论：综上所述，可得出结论：激光器的组成：三要素激光器的组成：三要素 工作物质：又称增益物质；工作物质：又称增益物质；谐振腔：提供必要的反馈以及进行频率选择。谐振腔：提供必要的反馈以及进行频率选择。激励源：激发工作物质实现激励源：激发工作物质实现NcNvNcNv的外
15、界能源。的外界能源。如如 正向偏置的正向偏置的PNPN结激光器结激光器激光的特性激光的特性 方向性好；方向性好；亮度大；亮度大；单色性好；单色性好；相干性好。相干性好。4/10/202313三、激光器的参量三、激光器的参量 1 1发射波长和光谱特性发射波长和光谱特性 半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的能量，这个能量价带时所释放的能量，这个能量近似近似等于等于禁带宽度禁带宽度Eg(eVEg(eV)，得到得到 hfhf=Eg=Eg 式中，式中，f=c/f=c/，f(Hz)f(Hz)和和(um)(um)分别为发射光的频率分别为发射光
16、的频率和波长，和波长，c=3c=310108 8m/sm/s为光速，为光速，h=6.628h=6.6281010-34-34JsJs为普为普朗克常数，朗克常数，1eV=1.61eV=1.61010-19-19J J，代入上式得到代入上式得到 =hc/Eghc/Eg=1.24/Eg=1.24/Eg 不同半导体材料有不同的禁带宽度不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg Eg，因而有因而有不同的发射波长不同的发射波长。镓铝砷镓铝砷-镓砷（镓砷（GaAlAsGaAlAsGaAsGaAs）材材料适用于料适用于0.85um0.85um波段，铟镓砷磷波段，铟镓砷磷-铟磷（铟磷（InGaAsPInGaAsPInP
17、InP）材料适用于材料适用于1.31.31.55um1.55um波段。波段。4/10/202314三、激光器的参量三、激光器的参量 图示是图示是GaAlAsGaAlAsDHDH激光器的光激光器的光谱特性。在直流驱动下，发射光谱特性。在直流驱动下，发射光波长有一定分布，谱线具有明波长有一定分布，谱线具有明显的显的模式结构模式结构。这种结构的产生。这种结构的产生是因为导带和价带都是由许多是因为导带和价带都是由许多连连续能级续能级组成的有一定宽度的组成的有一定宽度的能带能带，两个能带中不同能级之间电子的两个能带中不同能级之间电子的跃迁会产生跃迁会产生连续波长的连续波长的辐射光。辐射光。其中只有符合激
18、光振荡的相位条其中只有符合激光振荡的相位条件的波长存在件的波长存在。这些波长取决于。这些波长取决于激光器激光器纵向长度纵向长度L L，并称为并称为激光器激光器的纵模的纵模。4/10/202315三、激光器的参量三、激光器的参量 随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线宽度变窄。这种变化是由于谐振腔对光波频率和方向宽度变窄。这种变化是由于谐振腔对光波频率和方向的的选择选择，使边模消失、主模，使边模消失、主模 增益增加而产生的。当驱动增益增加而产生的。当驱动 电流足够大时，多纵模变为电流足够大时，多纵模变为 单纵模，这种激光器称为单纵模，这种激光器称为
19、静态单纵模激光器静态单纵模激光器。右图所示是右图所示是300Mb/s300Mb/s数字调制的光谱特性，由数字调制的光谱特性，由图可见，随着调制电流增图可见，随着调制电流增大，大，纵模模数增多纵模模数增多，谱线谱线宽度变宽宽度变宽。4/10/202316三、激光器的参量三、激光器的参量2 2、平均衰减系数平均衰减系数a a 在光学谐振腔内产生振荡的先决条件，是放在光学谐振腔内产生振荡的先决条件，是放大的光能要足以抵消腔内的损耗，而谐振腔内大的光能要足以抵消腔内的损耗，而谐振腔内损耗的大小，我们用平均衰减系数损耗的大小，我们用平均衰减系数a a表示。为表示。为 a=aa=ai i+a+ar r=a
20、=ai i+(1/+(1/2l)*)*(1/r(1/r1 1*r*r2 2)其中：其中：a ai i 是除反射镜透射损耗以外的其是除反射镜透射损耗以外的其他所有损耗所引起的衰减系数；他所有损耗所引起的衰减系数；a ar r 是谐振腔是谐振腔反射镜的透射损耗引起的衰减系数；反射镜的透射损耗引起的衰减系数；l是谐振是谐振腔两个反射镜之间的距离；腔两个反射镜之间的距离；r r1 1、r r2 2 是腔的两个是腔的两个反射镜的功率反射系数。反射镜的功率反射系数。4/10/202317三、激光器的参量（续）三、激光器的参量（续）3 3、增益系数增益系数G G 激活物质的放大作用，我们用增益系数激活物质的
21、放大作用，我们用增益系数G G来表示。来表示。如图所示如图所示I I0 0为激活物质的输入光强，经过距离为激活物质的输入光强，经过距离Z Z以后，以后，光强放大到光强放大到I I，到了（到了（Z ZdZdZ）处，光强为（处，光强为（I IdIdI），），那么，在那么，在dZdZ长度上，光强的增量长度上，光强的增量dIdI为为 dIdIGI/GI/dZdZ 其中其中 G=(G=(dIdIdZdZ)I I 称为称为增益系数增益系数，它表示光通过单位它表示光通过单位长度的激活物质之长度的激活物质之后，光强增长的百后，光强增长的百分比。分比。4/10/202318三、激光器的参量（续）三、激光器的参量
22、（续）4 4、阀值条件阀值条件 一个激光器并不是在任何情况下都可以发出激光的，一个激光器并不是在任何情况下都可以发出激光的，它需要满足一定的条件。由前面对衰减系数的概念可以它需要满足一定的条件。由前面对衰减系数的概念可以看出，要使激光器产生自激振荡，看出，要使激光器产生自激振荡，最低限度应要求激光最低限度应要求激光器的增益刚好能抵消掉它的衰减器的增益刚好能抵消掉它的衰减。我们就将激光器能产。我们就将激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的生激光振荡的最低限度称为激光器的阈值条件阈值条件。从上面分析可知，阈值条件为：从上面分析可知，阈值条件为：GtGt=a=aa=ai i+(1/+(1/2l)
23、*)*(1/r(1/r1 1*r*r2 2)其中其中GtGt称为阈值增益系数。可见，激光器的阈值条称为阈值增益系数。可见，激光器的阈值条件，只决定于光学谐振腔的固有损耗。损耗越小，阈值件，只决定于光学谐振腔的固有损耗。损耗越小，阈值条件越低，激光器就越容易起振。条件越低，激光器就越容易起振。4/10/202319三、激光器的参量（续）三、激光器的参量（续）5 5、谐振频率谐振频率 谐振频率是光学谐振腔的重要参数。谐振频率是光学谐振腔的重要参数。对于平行平面腔而言，由于腔的尺寸远大于工作波对于平行平面腔而言，由于腔的尺寸远大于工作波长，因此，腔内的电磁波可认为是长，因此，腔内的电磁波可认为是均匀
24、平面波均匀平面波，而且，而且在腔内往返运动时，是在腔内往返运动时，是垂直于反射镜而投射垂直于反射镜而投射，如图。，如图。从从A A点出发的平面波，垂直投射到反射镜点出发的平面波，垂直投射到反射镜M2M2，由，由M2M2反射反射后又垂直投射向后又垂直投射向M1M1。再回到再回到A A点时，波得到加强。如果点时，波得到加强。如果它们之间的相位差是它们之间的相位差是2 2的整数倍时，显然就达到了的整数倍时，显然就达到了谐谐振振。4/10/202320三、激光器的参量（续）三、激光器的参量（续）设设L L为谐振腔的长度，为谐振腔的长度，g为谐振腔介质中光波的波长为谐振腔介质中光波的波长 此时应有：此时
25、应有：L=(L=(g*q)/2 其中其中q=1，2，3。上式表明，光波在谐振腔中往返一次，光的距离上式表明，光波在谐振腔中往返一次，光的距离2L恰好为恰好为g的整数倍，即相位差是的整数倍，即相位差是2 2的整数倍。可得的整数倍。可得出光波长的表示式为出光波长的表示式为 g=2L/q 此即为光学谐振腔的此即为光学谐振腔的谐振条件谐振条件或或称驻波条件称驻波条件。4/10/202321三、激光器的参量（续）三、激光器的参量（续）当光学谐振腔内，工作物质的折射指数为当光学谐振腔内，工作物质的折射指数为n时，则时，则折算到折算到真空的真空的光学谐振腔的谐振波长光学谐振腔的谐振波长og、与谐振、与谐振频
26、率频率fog为为 og=ng=2nL/q fog=c/og=cq/2nL由上面两式可看出：由上面两式可看出：(1(1）og与光学谐振腔内材料的折射率与光学谐振腔内材料的折射率n n有关；有关；(2(2）当）当q q不同时，可有不同的不同时，可有不同的fog值，即有无穷多个谐值，即有无穷多个谐振频率。振频率。分布分布反馈反馈激光器激光器4/10/202322第二节第二节 半导体光源之一半导体光源之一:LD:LD 半导体激光器是利用在有源区中受激而发射光的光器半导体激光器是利用在有源区中受激而发射光的光器件。只有在工作电流越过阈值电流的情况下，才会输出激件。只有在工作电流越过阈值电流的情况下，才会
27、输出激光（相干光），因而是光（相干光），因而是有阈值的器件有阈值的器件。l半导体砷化镓（半导体砷化镓（GaAs)GaAs)：在光纤通信中使用的激光物质都是在光纤通信中使用的激光物质都是GaAsGaAs。GaAsGaAs是高掺杂的是高掺杂的-族化合物。当掺入族化合物。当掺入族族TeTe原子取代原子取代AsAs原子，自由原子，自由 电子多，形成电子多，形成N N型半导体型半导体 当掺入当掺入族族ZnZn原原 子取代子取代GaGa原子，空穴多，原子，空穴多，形成形成P P型半导体。型半导体。S S+-p pn nlaserlaserreflectionreflection PNPN结激光器的示意结激
28、光器的示意 4/10/202323 半导体的能带和电子分布半导体的能带和电子分布(a)本征半导体；本征半导体；(b)N型半导体；型半导体；(c)P型半导体型半导体 回忆一下回忆一下回忆一下回忆一下相关知识相关知识相关知识相关知识4/10/202324 一一般般状状态态下下，本本征征半半导导体体的的电电子子和和空空穴穴是是成成对对出出现现的的，用用Ef 位位于于禁禁带带中中央央来来表表示示，Ef 称称为为费费米米能能级级，用用来来描描述述半半导导体体中各能级被电子占据的状态。中各能级被电子占据的状态。在本征半导体中掺入施主杂质，称为在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体型半导体。在本征半导体
29、中掺入受主杂质，称为在本征半导体中掺入受主杂质，称为P型半导体型半导体。在在P型型和和N型型半半导导体体组组成成的的PN结结界界面面上上，由由于于存存在在多多数数载载流子流子(电子或空穴电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场内部电场。内内部部电电场场产产生生与与扩扩散散相相反反方方向向的的漂漂移移运运动动，直直到到P区区和和N区的区的Ef 相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜。相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜。4/10/202325P区PN结空间电荷区N区内部电场 扩散 漂移 P-N结内载流子运动；结内载流子运动；PN结的能
30、带和电子分布结的能带和电子分布4/10/202326势垒能量EpcP区EncEfEpvN区Env零偏压时零偏压时P-N结的能带倾斜；结的能带倾斜；4/10/202327h fh fEfEpcEpfEpvEncnEnv电子，空穴内部电场外加电场正向偏压下正向偏压下P-N结能带图结能带图获得粒子数反转分布获得粒子数反转分布获得粒子数反转分布获得粒子数反转分布 4/10/202328 增益区的产生增益区的产生：在在PN结结上上施施加加正正向向电电压压，产产生生与与内内部部电电场场相相反反方方向向的的外外加加电电场场，结结果果能能带带倾倾斜斜减减小小，扩扩散散增增强强。电电子子运运动动方方向向与与电电
31、场场方方向向相相反反，便便使使N区区的的电电子子向向P区区运运动动，P区区的的空空穴穴向向N区区运运动动，最后在最后在PN结形成一个特殊的结形成一个特殊的增益区增益区。增增益益区区的的导导带带主主要要是是电电子子，价价带带主主要要是是空空穴穴，结结果果获获得得粒粒子数反转分布子数反转分布。在在电电子子和和空空穴穴扩扩散散过过程程中中，导导带带的的电电子子可可以以跃跃迁迁到到价价带带和和空穴复合，产生空穴复合，产生自发辐射光自发辐射光。4/10/202329 现在所用最普遍的激光器是现在所用最普遍的激光器是异质结半导体激异质结半导体激光器光器 它们的它们的“结结”是由不同的半导体材料制成的。是由
32、不同的半导体材料制成的。主要目的是为了降低阈值电流，提高效率。目前主要目的是为了降低阈值电流，提高效率。目前，光纤通信用的激光器大多是，光纤通信用的激光器大多是铟镓砷磷铟镓砷磷(InGaAsP)(InGaAsP)双异质结条形激光器双异质结条形激光器，由剖面图中可，由剖面图中可以看出，它是由五层半导体材料构成。以看出，它是由五层半导体材料构成。2.1 LD的结构的结构4/10/202330 其中其中n nInGaAsPInGaAsP是是发光的作用区发光的作用区，作用区的上、下两层，作用区的上、下两层称为称为限制层限制层，它们和作用区构成，它们和作用区构成光学谐振腔光学谐振腔。限制层和。限制层和作
33、用区之间形成作用区之间形成异质结异质结。最下面一层。最下面一层n nInPInP是是衬底衬底，顶，顶层层P P+-InGaAsP-InGaAsP是是接触层接触层，其作用是为了改善和金属电极，其作用是为了改善和金属电极的接触。顶层上面数微米宽的窗口为条形电极的接触。顶层上面数微米宽的窗口为条形电极。InGaAsP双异质结条形激光器的基本结构双异质结条形激光器的基本结构4/10/202331p pt ti it tp p脉冲调制脉冲调制 2.2 LD调制特性调制特性 改变光波的改变光波的振幅、强度、频率、相位、偏振振幅、强度、频率、相位、偏振等参量，使等参量，使之载荷信息的过程，就是光之载荷信息的
34、过程，就是光调制调制。.按调制信号类型分：按调制信号类型分：模拟调制模拟调制 脉冲调制脉冲调制.按信号与光源的关系分：直接调制（内）按信号与光源的关系分：直接调制（内）间接调制（外）间接调制（外）.LD-内调制内调制 IM调制调制消光比消光比EXT 全全“0 0”码时平均光功率输出码时平均光功率输出EXT=-EXT=-10%10%全全“1 1”码时平均光功率输出码时平均光功率输出一个被调制的好的光源，希望在一个被调制的好的光源，希望在“0 0”码是没码是没有光功率输出，否则它使光纤系统产生噪声，有光功率输出，否则它使光纤系统产生噪声，从而使接收灵敏度降低。一般要求从而使接收灵敏度降低。一般要求
35、EXT10EXTVVbbbb I I2 2=0 LD=0 LD不发光不发光 “0”0”码码.当当V VininVVbbbb I I1 1=0 LD=0 LD发光发光 “1”1”码码3.2 驱动电路和自动功率控制驱动电路和自动功率控制4/10/202338V Vinin+V+VV Vbbbbi is sT T1 1T T2 2A ALDLDPDPDI I1 1I I2 2V VR RLD驱动电路驱动电路 图为反馈稳定式图为反馈稳定式 LD驱动电路驱动电路.P PLDLDUUpdpd(U(Updpd+V+VR2R2+V+VR R)UUA AIIb bPPLDLDvR2Ib4/10/202339lL
36、D辅助辅助电路电路V VininV VbbbbT T1 1T T2 2A1A1LDLDA2A2A3A3-V-V-V-VT T3 3C CPiNPiN.自动功率控制自动功率控制(APC)(APC)电路电路 .因老化因老化 P P光光A1A1 A3A3偏置电流偏置电流P P光光 .A2.A2的作用防止当无信号或长的作用防止当无信号或长“0 0”码时，因码时，因APCAPC电路使电路使 LDLD管注入电流增加，引起误码。管注入电流增加，引起误码。4/10/202340lLD辅助辅助电路电路A AT T1 1自动温度控制（自动温度控制（ATCATC）电路电路 半导体制冷器半导体制冷器T T是一个热电偶
37、，加压后，在一端吸热另一是一个热电偶，加压后，在一端吸热另一端放热，实现制冷端放热，实现制冷(使使LDLD管芯的温度恒定在管芯的温度恒定在20 20 左右）。左右）。.TTTTLDLDRtIRtI T TLDLD-V-VLDLDR R1 1R2R2R R3 3R Rt tT T+V4/10/202341第四节第四节 半导体光源之二半导体光源之二:LED:LEDl 发光二极管利用正向偏压下的发光二极管利用正向偏压下的PN结在激活区中载流子结在激活区中载流子 的复合发出自发辐射的光，因此的复合发出自发辐射的光，因此LED的出射光是一种的出射光是一种非相非相干光干光，其谱线较宽（，其谱线较宽（30n
38、m60nm），），辐射角也较大。在辐射角也较大。在低速率的数字通信和较窄带宽的模拟通信系统中，低速率的数字通信和较窄带宽的模拟通信系统中，LED是是可以选用的最佳光源，与半导体激光器相比，可以选用的最佳光源，与半导体激光器相比，LED的驱动的驱动电路较为简单，并且产量高、成本低。电路较为简单，并且产量高、成本低。l LED主要有五种结构类型，但在光纤通信中获得了广泛主要有五种结构类型，但在光纤通信中获得了广泛应用的只有两种，即应用的只有两种，即面发光二极管（面发光二极管（SLED）和和边发光二边发光二极管（极管（ELED）。4/10/202342半导体光源之二半导体光源之二:LED:LEDlL
39、EDLED是无阈值器件，发荧光。是无阈值器件，发荧光。l工作特性：工作特性：光谱较宽；光谱较宽；输出线性好，动态范围大，适于模拟通信；输出线性好，动态范围大，适于模拟通信；寿命长。寿命长。LEDLED发散角较大，与光纤的耦合效率低，适于短距发散角较大，与光纤的耦合效率低，适于短距离通信；离通信；温度特性好，无阈值电流，一般不需要温度特性好，无阈值电流，一般不需要ATCATC（自动温度控制自动温度控制电路）；电路）；发光二极管是由发光二极管是由P P型半导体形成的型半导体形成的P P层和层和N N型半导体型半导体形成的形成的N N层，以及在层，以及在中间由异质结构成的有源层中间由异质结构成的有源
40、层组成。组成。有源层是发光的区域，其厚度为有源层是发光的区域，其厚度为0.lum0.lum0.2um0.2um左右。左右。4/10/202343l4.1 发光二极管的主要特性发光二极管的主要特性 PI特性特性 LED的输出光功率的输出光功率P与电流与电流I的关系，即的关系，即PI特性如图特性如图所示，是非阈值器件，所示，是非阈值器件，发光功率随工作电流增发光功率随工作电流增大，并在大电流时逐渐大，并在大电流时逐渐饱和饱和。LED的工作电流的工作电流通常为通常为50 mA100mA，这时偏置电压这时偏置电压 l.2Vl.8V，输出功率约几输出功率约几mw。4 3 2 1 0 50 100 150
41、 02570电流电流/mA输输出出功功率率/mW4/10/202344 工作温度升高时，同样工作电流下工作温度升高时，同样工作电流下LED的输出功率要的输出功率要下降。例如当温度从下降。例如当温度从20升高到升高到70时，输出功率下降约时，输出功率下降约一半，一半，相对而言，温度的影响要比相对而言，温度的影响要比LD小小。光谱特性光谱特性l LED的工作原理的工作原理基于半导体的自发辐射基于半导体的自发辐射。由于半导体材。由于半导体材料的导带和价带都由许多不同的能级组成。料的导带和价带都由许多不同的能级组成。大多数大多数的载流的载流子子复合发生在平均带隙上复合发生在平均带隙上，但也有一些复合发
42、生在最低及但也有一些复合发生在最低及最高能级之间最高能级之间。设平均带隙为。设平均带隙为Eg，则偏移量则偏移量 Eg在在1kT2kT范围内（范围内（K为玻尔兹曼常数，为为玻尔兹曼常数，为1.38e-23 焦耳焦耳/度，度，T为结温）。因此，为结温）。因此，LED的发射波长在其的发射波长在其中心值附近占据中心值附近占据较大的范围较大的范围。把光强。把光强下降一半时的两点间波长范围定义为下降一半时的两点间波长范围定义为输出谱线宽度（半功率点全宽输出谱线宽度（半功率点全宽FWHP），如下图所示。在如下图所示。在室温下，短波长室温下，短波长LED的线宽约为的线宽约为25nm40nm，长波长长波长 LE
43、D的线宽则可达的线宽则可达75 nm100 nm。4/10/202345lLED的线宽与许多因素有关，如：线宽随有源层掺杂的线宽与许多因素有关，如：线宽随有源层掺杂浓度的增加而增加。浓度的增加而增加。由于由于LED的线的线宽大，使光纤色宽大，使光纤色散加重，从而限散加重，从而限制了传输距离和制了传输距离和速率。速率。导体的价带能级间的光发射及线宽导体的价带能级间的光发射及线宽4/10/202346l4.2 调制特性调制特性 从从LED的的P-I特性可见：特性可见：当注入小电流时：其线性相当好。当注入小电流时：其线性相当好。当注入较大电流时：当注入较大电流时：PN结发热而逐渐饱和。结发热而逐渐饱
44、和。因此对模拟传输来说，因此对模拟传输来说，LED工作在线性区工作在线性区是很合适的是很合适的。但对线性要求特别高时，需要进。但对线性要求特别高时，需要进行线性补偿。行线性补偿。在数字调制时，在数字调制时，可由电流源直接调制控制可由电流源直接调制控制LED的通断的通断；在模拟调制时，则先要将在模拟调制时，则先要将LED直直流偏置流偏置。4/10/202347LED调制特性调制特性 图示出由三极管组成的图示出由三极管组成的共发射极驱动电路共发射极驱动电路，这种简单的驱动电路主要用于以发光二极管这种简单的驱动电路主要用于以发光二极管LED作为光源的光发射机。数字信号作为光源的光发射机。数字信号Ui
45、n从三极管从三极管V的的基极输入，通过集电极的电流驱动基极输入，通过集电极的电流驱动LED。数字信数字信号号“0”码和码和“1”码对应于码对应于 V的截止和饱和状态的截止和饱和状态，电流的大小根据对输出光电流的大小根据对输出光 信号幅度的要求确定。这信号幅度的要求确定。这 种驱动电路适用于种驱动电路适用于10 Mb/s 以下的低速率系统。以下的低速率系统。4/10/202348LDI 光纤接收和发射模块光纤接收和发射模块 AIRPAKSONET Receiver/Transmitter52Mb/s,155Mb/s,and 622Mb/sFor OC1,OC3,OC12,STM-1/STM-44/10/202349Thank You 4/10/202350