第4章 光源和光发射机

第4章 光源和光发射机4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 概述 发光机理 半导体激光器 波长可调半导体激光器 垂直腔表面发射激光器 半导体激光器的特性 高速光发射机《光纤通信》(第3版)原荣 编著 1

4.1 概述 在光纤通信中，将电信号转变为光信号 是由光发射机来完成的。 光发射机的关键器件是光源： LED LD《光纤通信》(第3版)原荣 编著 2

光纤通信对光源的要求 光源发射的峰值波长，应在光纤低损耗窗口之内; 有足够高的、稳定的输出光功率，以满足系统对光中 继段距离的要求; 电光转换效率高，驱动功率低，寿命长，可靠性高; 单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高光 源和光纤的耦合效率； 易于调制，响应速度快，以利于高速率、大容量数字 信号的传输; 强度噪声要小，以提高模拟调制系统的信噪比; 光强对驱动电流的线性要好，以保证有足够多的模拟 调制信道。《光纤通信》(第3版)原荣 编著 3

最常用的光源 光纤通信中最常用的光源是: 半导体激光器(LD) 发光二极管(LED) 尤其是单纵模(或单频) LD ,在高速率、 大容量的数字光纤系统中得到广泛应用； 近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是多信 道WDM光纤通信系统的关键器件，越来越 受到人们的关注。《光纤通信》(第3版)原荣 编著 4

常用的调制方法 直接调制 注入调制电流实现光波强度调制 外调制 通过外腔调制器对光的强度、相位或频 率进行调制

《光纤通信》(第3版)原荣 编著

模 拟 信 号 对 LD 直 接 调 制

P 激 光 器 输 出 功 率 P -I曲 线 输出光信号 Pb I 驱动电流 输入电信号 t《光纤通信》(第3版)原荣 编著 6

t

Ith

Ib

直接调制光发射机光源 输入 电信号 驱动 电路 LED 或L D 控制 (a)直 接 调 制《光纤通信》(第3版)原荣 编著 7

输出 光信号

光外腔调制发射机框图输入 电信号 驱动 光源 LD

编码 外调 制器 输出 光信号

(b)外 调制《光纤通信》(第3版)原荣 编著 8

外调制示意图LD 输 出 连续光波 电调制信号 LD 调制后的光波

电信号 放大器 外调 制器 调制光

《光纤通信》(第3版)原荣 编著

第4章 光源和光发射机

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7

概述 发光机理 半导体激光器 波长可调半导体激光器 垂直腔表面发射激光器 半导体激光器的特性 高速光发射机

《光纤通信》(第3版)原荣 编著

4.2.1 发光机理 我们知道，白炽灯是把被加热钨原子的一部分 热激励能转变成光能，发出宽度为1 000 nm 以 上的白色连续光谱。 发光二极管( LED )却是通过电子在能带之间 的跃迁，

发出频谱宽度在几百 nm 以下的光。 在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的 能带。如果占据高能带(导带)的电子跃迁到 低能带(价带)上，就将其间的能量差(禁带 能量)以光的形式放出。这时发出的光，其波 长基本上由能带差所决定。《光纤通信》(第3版)原荣 编著 11

图4.2.1 半导体发光原理E EFn eV EFp 能 量 Ec Eg Ev hv 导带费米能级 电子 光子 空穴 价带费米能级 状态密度

E Eg

Ec Ev hv c v E E

hc 1. 2398( m)

在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带； 如果占据高能带(导带)的电子跃迁到低能带(价带) 上，就将其间的能量差(禁带能量)以光的形式放出； 这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。 12 《光纤通信》(第3版)原荣 编著

图4.2.2 光的自发辐射、 受激发射和吸收Ec h h Ev 光的自 发辐射 输入 Ec h Ev h 输出 光的受 激发射

(a) 发 光 二 极 管 — 光 的 自 发 辐 射

(b) 激 光 器 — 光 的 受 激 发 射

输入 光子

h

Ec 吸收光子后 产生电子 (输 出 电 流 ) Ev

(c) 光 探 测 器 件 — 光 的 吸 收《光纤通信》(第3版)原荣 编著 13

E c

h h

自发辐射 ---LED 工作原理

Ev

光的自 发辐射

发光二极管—光的自发辐射

如果把电流注入到半导体中的 P-N结上，则原子 中占据低能带的电子被激励到高能带后； 当电子从高能带跃迁到低能带时，将自发辐射出 一个光子，其能量为 hv。 电子从高能带跃迁到低能带把电能转变成光能的 器件叫 LED。 《光纤通信》(第3版)原荣 编著 14

自发辐射---LED工作原理 当电子返回低能级时，它们各自独立地分 别发射一个一个的光子。因此，这些光波 可以有不同的相位和不同的偏振方向，它 们可以向各自方向传播。 同时，高能带上的电子可能处于不同的能 级，它们自发辐射到低能带的不同能级上， 因而使发射光子的能量有一定的差别，使 这些光波的波长并不完全一样。 因此，自发辐射的光是一种非相干光。《光纤通信》(第3版)原荣 编著 15

光接收器件 原理

输入 光子

h

Ec 吸收光子后 产生电子 (输 出 电流 ) Ev

(c) 光 探 测 器 件 — 光 的 吸 收

如果把光照射到占据低能带的电子上； 则该电子吸收光子能量后，激励而跃迁到 较高的能带上。 在半导体结上外加电场后(反向电压), 可以在外电路上取出处于高能带上的电子， 使光能转变为电流。 这就是将在第五章中叙述的光接收器件。 16 《光纤通信》(第3版)原荣 编著

受激发射和受激吸收 受激发射----能量等于导带和价带能级差

的 光所激发而发出与之同频率、同相位的光； 受激吸收----当晶体中有光场存在时，处在 低能带某能级上的电子在入射光场的作用 下，吸收一个光子而跃迁到高能带某能级 上。在这个过程中能量保持守恒。 受激吸收的概率与受激发射的概率相同。《光纤通信》(第3版)原荣 编著 17

当有入射光场存在时，受激吸收过程与受激发 射过程同时发生，哪个过程是主要的，取决于 电子密度在两个能带上的分布。 若高能带上电子密度高于低能带上的电子密度， 则受激发射是主要的，反之受激吸收是主要的。 激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时， 高能带中的电子密度增加，这些电子自发地由 高能带跃迁到低能带发出光子，形成激光器中 初始的光场。 在这些光场作用下，受激发射和受激吸收过程 同时发生，受激发射和受激吸收发生的概率相 同。《光纤通信》(第3版)原荣 编著 18

图4.2.3 半导体激光器的工作原理Ec Ev EFp p+ 结 n+ 导带 电子 价带 空穴 电子 Ev + EFn Ec Ec 粒子 数反 转区 p+ Eg Ev n+ Ec hv EFn eV EFp 0 Eg hv T >0K T =0 K 光增 益 EFn_ EFp = eV

-

光吸 收

(a) 没有偏置时的能带图 (b) 正向偏置足够大时的能带图，此时引起粒子数反转，发 生受激发射 (c) 光增益和光吸收与光子能量的关系《光纤通信》(第3版)原荣 编著 19

LD发射激光的 首要条件---粒子数反转若注 入 电流 增 加 到一 定 值 后 ， 使 N c N v , 受激发射占主导地位，光场迅速增强，此时的 PN 结 区成 为对 光场 有放 大 作用 的区 域 ( 称为 有 源 区 ),从而形成激光发射。 半导 体 材料 在 通 常状 态 下 ，总 是 N c N v , 因此称 N c N v 的状态为粒子数反转。使有源区产 生足够多的粒子数反转 ，这是使半导体激光器发 射激光的首要条件。《光纤通信》(第3版)原荣 编著 20

LD 发射激光的 第二个条件---光学谐振腔 另一个条件是半导体激光器 中必须存在光学谐振腔，并 在谐振腔里建立起稳定的振 荡。 有源区里实现了粒子数反转 后，受激发射占据了主导地 位，但是，激光器初始的光 场来源于导带和价带的自发 辐射，频谱较宽，方向也杂 乱无章。 为了得到单色性和方向性好 的激光输出，必须构成光学 谐振腔。M1 反 射 镜 A a M2 反 射 镜

B b R1 L R2 反射波相互干涉

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