光纤通信第四章光源与光发射机s上课新版课件.ppt

1、光源光源放大器放大器光电二光电二极管极管判决器判决器在光纤通信中，将电信号转变为光信号是由光发射机来完成的。光源是光发送机的核心器件。光源：实现电 光变换。半导体光源:半导体激光器 LD 发光二极管 LED特点：发射波长合适 可进行直接调制 体积小，耦合效率高 可靠性高n能级图就是用一系列高低不同的水平横线来表示各个量子态所能取的能级E1、E2、E3、E4，同一能级往往有好几个量子态，根据泡利不相容原理，同一量子态不可能有两个电子。硅原子的能级图E2E1h EEE2E1hhhEE2E1h E1E2导带导带价带价带低能带低能带-价带价带高能带高能带-导带导带带隙带隙 -禁带禁带 Eg半导体内部自

2、由运动的电子半导体内部自由运动的电子(简称简称自由电子自由电子)所填充的能带称为所填充的能带称为导带导带；价电子所填充的能带称为价电子所填充的能带称为价带价带；导；导带和价带之间不允许电子填充，所带和价带之间不允许电子填充，所以称为以称为禁带禁带，其宽度称为禁带宽度，其宽度称为禁带宽度，用用EgEg表示，单位为电子伏特表示，单位为电子伏特(eVeV)。L球透镜环氧树脂有源层N层发光区(a)表面发光型N型限制层微透镜P型限制层有源层波导层(b)边发光型LD发射激光的首要条件发射激光的首要条件-粒子数粒子数反转反转LD发射激光另一个条件发射激光另一个条件-半导体半导体激光器中必须存在光学谐振腔，激

3、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。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。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。出，必须构成光学谐振腔。LR1R2反射波相互干涉反射波相互干涉M1M2反反射射镜镜反反射射镜镜ABabLR1R2反射波相互干涉反射波相互干涉M1M2反反射射镜镜反反射射镜

4、镜ABab2nLmdLLdpnnpxyz光nppnL光光w电流电流电流电流IIII光L(a)同质结构同质结构(b)双异质双异质 结构结构(c)掩埋掩埋 双异质结构双异质结构(d)表面发射表面发射 LED 结构结构L电极电流GaAsGaAsn+p+解理面电极有源区(受激法射)LdPNN+P+PGaAsGaAsGaAlAsGaAsGaAlAs有源区有源区5%n折折射射率率-+0.1 m双异质结双异质结光光子子密密度度能能量量GaAsGaAs激光激光PNhv(0.11)%折折射射率率同质结同质结光光子子密密度度Eg(a)(a)(b)(b)dPNN+P+PGaAsGaAsGaAlAsGaAsGaAlA

5、s导带导带价带价带Eg有源区有源区EgEc cEv v=1.41.4Ec cEv veV=eV2Ec c 5%n折折射射率率-+0.1 m有源区有源区eV2eV2电子电子空穴空穴2Bemn 表面发光表面发光边发光边发光电流电流I/mAmA发射光发射光功率功率 P/mwP/mw0 100 200 300 400 5000 100 200 300 400 500 没有阈值没有阈值；驱动电流较小时，；驱动电流较小时，P-P-I特性呈线性；特性呈线性；I过过大时，由于大时，由于PNPN结发热产生饱和现象，使结发热产生饱和现象，使P-P-I特性曲线斜率减特性曲线斜率减小。通常小。通常LEDLED的工作电

6、流为的工作电流为5050100100mAmA，输出光功率为几输出光功率为几mWmW ，由于发光光束辐射角大，入纤光功率只有几百由于发光光束辐射角大，入纤光功率只有几百WW。1.24(ggghcEeVEE用时有此关系）LED LED 的频率响应为：的频率响应为：式中，式中，为调制频率，为调制频率，是对应于是对应于调制频率的输出光功率，调制频率的输出光功率，为少数载流子为少数载流子（电子）的寿命，定义（电子）的寿命，定义 为发光二极管的为发光二极管的截止频率截止频率 最高调制频率应低于截止频率。最高调制频率应低于截止频率。(0)()(53)12ePPfff)(fPe31(54)2dBef3dBfe

7、=1.1se=1.1se=2.1se=2.1se=6.4se=6.4s调制频率调制频率f/MHzf/MHz频率频率响应响应10 100 100010 100 100010100.10.1 P(f)P(f)典型的典型的PI曲线曲线LDLD的阈值电流达的阈值电流达到初始值的到初始值的1.51.5倍倍时寿命告终时寿命告终0.8065ddP mWP hePmI ehIdI mA2nLq导带导带价带价带禁带禁带 半导体的能带半导体的能带自发辐射光谱自发辐射光谱 qP 0多纵模多纵模 0P 单纵模单纵模I=IthI=1.5IthI=2Ith随注入电流增大，纵模数减少。随注入电流增大，纵模数减少。随着驱动电

8、流增加随着驱动电流增加，主模的增益增加，而边模的增益减小，主模的增益增加，而边模的增益减小，纵纵模数减少，模数减少，谱线宽度变窄，谱线宽度变窄，一个模式开始占优势，直到出现单一个模式开始占优势，直到出现单个窄线宽的光谱为止。个窄线宽的光谱为止。静态单纵模激光器静态单纵模激光器2nLq22)(4)(1)0()(rrffffpfprf0.01 0.1 1 fr 10调制频率调制频率f/GHz100 10 10.1相相对对光光功功率率偏置电流增大，引起输出光的偏置电流增大，引起输出光的Imin变大。消光比恶化。变大。消光比恶化。(消光比消光比EX=10lg(Pmax/Pmin)PI20。C00expTTIIth信号信号输入输入复用复用编码编码调制调制光源光源耦合器耦合器控制控制光纤光纤 输出 输出光信号光信号t tt t0 00 00 01 11 11 1RZRZNRZNRZ