光源和光发射器.ppt
Chapter 3 Optical Source and Light Transmitter 光源和光发射机,光源可实现从电信号到光信号的转换，是光发射机以及光纤通信系统的核心器件，它的性能直接关系到光纤通信系统的性能和质量指标。本章主要对半导体发光二极管(LED)和半导体激光器(LD)这两种光源的工作原理、应用以及相关的调制进行介绍。,第三章 光源和光发射机,激光二极管 发光二极管光发射机光源的调制方式,导带：电子不受原子的约束，可以自由活动。价带：空穴不受约束，可以自由活动。,光的自发辐射、受激吸收和受激辐射,工作物质和泵浦源是实现光的自发辐射、受激吸收和受激辐射的最基本条件。自发辐射：大量处于高能级的粒子，各自分别发射一列一列频率为=(E2-E1)/h的光波，但各列光波之间没有固定的相位关系，可以有不同的偏振方向，沿所有可能的方向传播。各光子彼此无关。,双能级原子系统的三种跃迁,光的自发辐射、受激吸收和受激辐射,工作物质和泵浦源是实现光的自发辐射、受激吸收和受激辐射的最基本条件。自发辐射：大量处于高能级的粒子，各自分别发射一列一列频率为=(E2-E1)/h的光波，但各列光波之间没有固定的相位关系，可以有不同的偏振方向，沿所有可能的方向传播。各光子彼此无关。受激辐射：处于高能级E2的粒子受到光子能量为的光照射时，粒子会由于这种入射光的刺激而辐射出与入射光一模一样的光子，并跃迁到低能级E1上。有相同的偏振方向和传播方向。,双能级原子系统的三种跃迁,受激辐射的光子与原光子具有相同的波长、相位和传播方向,自发辐射和受激辐射的特点,自发辐射的同时总伴有受激辐射发生。在热平衡情况下，自发辐射占绝对优势。当外界给系统提供能量时，如采用光照（即光泵）或电流注入（即电泵），打破热平衡状态，大量粒子处于高能级，即粒子数反转后，在发光束方向上的受激辐射比自发辐射的强度大几个数量级。总结受激辐射的首要条件：工作物质（即能实现粒子跃迁的晶体材料，如GaAs和InGaAsP）外界供给能量满足粒子数反转（常采用电流注入法）,激光器被视为20世纪的三大发明之一，特别是半导体激光器LD倍受重视。光纤通信中最常用的光源是半导体激光器LD和发光二极管LED。主要差别：发光二极管输出非相干光(自发辐射)；半导体激光器输出相干光(受激辐射)。,3.1.1 工作原理1.发光原理LD是基于受激辐射的原理工作的，光的受激辐射过程中必须保持能量和动量的守恒。,3.1 激光器二极管LD,2.LD结构,限制层,有源层,限制层,双异质结,端镜面激光器两端是端镜面，两者是平行的，同时又是非常平坦光亮的，它可以使有源层产生的光部分逸出，因此端镜面和有源层构成了光的容器。,注入电子,有源层,电子势垒,电子能量,折射率,空穴势垒,注入空穴,双异质结发光器件,把有源层夹在P型和N型限制层间,LD发射激光的首要条件-粒子数反转,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。,LD 发射激光的第二个条件-光学谐振腔,光在谐振腔里建立稳定振荡的条件,相位条件-使谐振腔内的前向和后向光波发生相干；阈值条件-使腔内获得的光功率正好与腔内损耗相抵消。只有谐振腔里的光增益和损耗值保持相等，并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，才能在谐振腔的两个端面输出谱线很窄的相干光束。,LD阈值条件设增益介质的增益和损耗分别为G和，谐振腔内光功率随距离z的变化：光束在腔内一个来回时，两次通过增益介质，这时的光增益为：,建立光振荡的条件产生激光的阈值条件光与半导体物质的相互作用可用速率方程来描述：,增益介质的损耗,通过反射镜的损耗,物理意义：在单位时间内，总光子数目取决于受激辐射产生光子数目、自发辐射产生光子数目、激光腔损耗造成的光子损失数目；在单位时间内，总电子数目取决于注入载流子数目、自发辐射导致导带的电子损失数目、受激辐射导致导带的电子损失数目使s值增加，n值要大于阈值nth。,nth可由阈值电流密度来jth表示，实际上jth是光子数目s=0时，保持粒子数反转所需的电流密度。稳定状态下，粒子数不再变化：n=nth，,3.1.2 LD的工作特性,PI特性光谱特性调制特性,一、半导体激光器的PI特性,典型的PI曲线,PI曲线：激光二极管的总发射光功率P与注入电流I的关系曲线。,T0-LD的特征温度，与器件的材料、结构等有关。T0代表Ith对温度的灵敏度，也可解释为激光二极管的热稳定性。较高的T0意味着当温度快速增加时，激光二极管Ith激光二极管Ith 增加不大。,不同温度下的PI曲线,温度特性：温度升高时性能下降，阈值电流随温度按指数增长。,表示激光器件把注入的电子空穴对（注入电荷）转换成从器件发射的光子的效率。是一个以百分数（）度量的性能系数。D可从P-I特性的斜率（阈值以上）dP/dI求得：,2.光电效率,外微分量子效率D：,内量子效率i是衡量激光二极管把电子空穴对（注入电流）转换成光子能力的一个参数。与D不同的的是，i与激光二极管的几何尺寸无关，是评价激光二极管半导体晶片质量的主要参数。i和D既有关系又有差别。i是激光二极管把电子空穴对（注入电流）转换成光子效率的直接表示，但要注意，并非所有光子都出射成为输出光，有些光子由于各种内部损耗而被重新吸收。D是激光二极管把电子空穴对（注入电流）转换成输出光的效率象征。D总是比i小。,内量子效率i=,有源区内每秒钟产生的光子数,有源区内每秒钟注入的电子-空穴对数,内量子效率i：,LD的模式特性首先取决于光腔的三个线度（横向、侧向、纵向的尺寸）及介质特性。通常腔内能存在许多模式，但只有获得净增益（满足阈值条件）的那些模式才能被激励，它的频率才会出现在输出光中。在实际应用中，模式的稳定性和线宽是对系统性能影响较大的两个参量。,二、半导体激光器的光谱特性,1、激光器纵模的概念：,激光器的纵模反映激光器的光谱性质。对于半导体激光器，当注入电流低于阈值时，发射光谱是导带和价带的自发辐射谱，谱线较宽；只有当激光器的注入电流大于阈值后，谐振腔里的增益才大于损耗，自发辐射谱线中满足驻波条件的光频率才能在谐振腔里振荡，使激光器的输出光谱呈现出以一个或几个模式振荡，这种振荡称之为激光器的纵模,m-正整数；L-腔长；n-材料折射。,谐振条件（正入射）:,谐振频率（正入射）:,相邻纵模的频率间隔:,2.光谱特性,p为具有最大辐射功率的纵模峰值所对应的波长，称为峰值波长。为LD的谱宽，其定义为纵模包络下降到最大值一半时对应的波长宽度，也称半高全宽光谱宽度。L是一个纵模中光谱辐射功率为其最大值一半的谱线两点间的波长间隔。,LED和LD的光谱特性,I=67mAP=1.2mW,I=75mAP=2.5mW,I=100mAP=10mW,I=95mAP=6mW,I=80mAP=4mW,随着电流增加，主模的增益增加，而边模的增益减小，纵模数减少，一个模式开始占优势，直到出现单个窄线宽的光谱为止。,3、纵模数随注入电流而变：,三、半导体激光器的瞬态性质,半导体激光器具有电光转换效率高、响应速度快、可以进行直接调制的优点，被视为光纤通信中的理想光源。但在对半导体激光器进行脉冲调制时，激光器往往呈现出复杂的动态性质光电瞬态响应。,电光延迟张弛振荡自脉动,1.电光延迟,原因：激光输出与注入电脉冲之间存在一个时间延迟，一般为纳秒量级。降低方法：预偏置在Ith附近。,直流预偏置电流,张弛振荡：当电流脉冲注入激光器以后，输出光脉冲表现出衰减式振荡。是激光器内部光电相互作用所表现出来的固有特性。,自脉动：某些激光器在某些注入电流下发生的一种持续振荡。,张弛振荡和自脉动的结合。激光器激射以后，先出现一个张弛振荡的过程，随后则开始持续自脉动。,光电瞬态响应波形,当注入电流从零快速增大到阈值以上时，经电光延迟后产生激光输出，并在脉冲顶部出现阻尼振荡，经过几个周期后达到平衡值。采用预偏置在Ith附近的方法，可减小张弛振荡,2.张弛振荡,不同于张弛振荡,容易发生在阈值附近和P-I特性的扭曲区。造成自脉动的机理涉及量子噪声效应、有源区的缺陷及温度感应的变化等因素。抑制这种现象主要靠控制材料的质量，尽量减少有源区的缺陷。,3.自脉动(持续振荡),激光二极管的啁啾特性：在直接调制激光二极管时，不仅输出光功率随调制电流发生变化，而且光的频率也会发生波动。带有频率啁啾的信号在单模光纤中传播时，在色散作用下，将增大非线性失真。随着调制速率增加，啁啾现象愈加严重。解决办法：采用外部调制器。,4、啁啾,LD的噪声源主要有：（1）相位噪声（2）工作不稳定引起的噪声（如自脉动）（3）光纤端面与LD之间互作用引起的噪声（4）模噪声（单模LD+多模光纤系统）与模分配噪声（多模LD+单模光纤系统）通过模式稳定及光隔离器来减低或消除,四、半导体激光器的噪声特性,由于LD谐振腔内载流子和光子密度的量子起伏，造成输出光波中存在着固有的量子噪声，一般用相对噪声强度RIN来度量，即光强度脉动的均方根与平均光强度平方之比。,LD的类型,1.法布里-珀罗型激光器F-P LDF-P LD是最常见最普通的LD.由有源层和有源层两边的限制层构成，谐振腔由晶体的两个解 理面构成。通常为 双异质结LD。激光器实质上是一个 受激发射的光振荡放 大器。,F-P LD基本工作原理,实现F-P LD激射工作的四个基本条件：要有能实现电子和光场相互作用的工作物质要有注入能量的泵浦源（光泵或者电泵浦）要有一个F-P谐振腔要满足振荡条件,F-P谐振腔,将已实现粒子数反转分布 的系统置于严格平行的一 对反射镜之间便形成F-P谐振腔。光在两个反射镜之间往返多次过程中，得到放大。,振荡条件,当增益超过由部分反射和散射等多种因素引起的总损耗，经过谐振腔的选频作用，特定频率的光波在谐振腔内积累能量并通过反射镜射出，形成激光（相干光）。相位条件：,n-有源层折射率；L-腔长m-任意整数；-波长,满足相位条件的频率有无限多个，只有那些在谱线中心附近的频率才能满足振荡条件，所以激光器的振荡频率只能取有限个分立值。,窄谱宽半导体激光器,分布反馈激光器是单纵模(SLM)LD，即频谱特性只有一个纵模（谱线）的 LD。SLM LD与法布里-珀罗 LD 相比，它的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗。这是通过改进结构设计，使分布反馈 LD 内部具有一个对波长有选择性的衍射光栅，从而使只有满足布拉格波长条件的光波才能建立起振荡,分布反馈 LD的分类,分布反馈式激光器DFB:Distributed Feed Back 分布布拉格反射式激光器DBR:Distributed Bragg Reflector,2.Distributed-Feedback Laser Diode分布反馈激光器(DFB LD),DFB LD同F-P LD的主要区别：DFB LD没有专门的谐振腔反射镜，它的反射机构是由有源区波导上的Bragg光栅提供的。分布式反馈,非常好的单色性和方向性,DFB LD基本工作原理,在有源区介质表面上使用全息光刻法做成周期性的波纹形状。用泵浦（光泵浦或电泵浦）激发，造成足够的粒子数反转，具备增益条件只有波长满足“Bragg反射条件”的光波才能在介质中来回反射，得到不断的加强和增长。,DBF激光器比其他常规激光器有更好的温度特性；窄线宽特性（典型值为0.1nm0.2nm）光栅起到稳定输出波长的作用线性响应好,2.分布反馈激光器(DFB LD),DFB LD已成为中长距离光纤通信应用的主要激光器,3.分布Bragg反射型激光器DBR LD,DBR LD的周期性沟槽不在有源波导表面上，而是在有源层波导两外侧的无源波导层上，这两个无源的光栅波导充当Bragg反射镜的作用。由于有源波导的增益特性和无源周期波导的Bragg发射，只有在Bragg频率附近的光波才能满足振荡条件，从而发射出激光。,5.Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser Diodes垂直腔表面发射激光器,垂直腔表面发射激光器（VCSEL,Vertical Cavity Surface Emitting Laser）它的光发射方向与腔体垂直，而不是像普通激光器那样，与腔体平行。这种激光器的光腔轴线与注入电流方向相同。,VCSEL 激光器示意图,这种激光器的光腔轴线与注入电流方向相同。有源区的长度L与边发射器件比较非常短，光发射是从腔体表面，而不是腔体边沿。腔体两端的反射器是由电介质镜组成，即由厚度为d的高低折射率层交错组成。,反射器,反射器,有源区,辐射,金属层,金属层,优点：发光效率高(850nm的VCSEL，10mA驱动1.5mW输出光功率)阈值电流极低（阈值电流0.1mA，简化了驱动电路的设计）可单纵模也可多纵模工作（应用于以多模光纤为传输媒介底局域网中或VSR）调制速率高寿命长价格低、产量高,VCSEL激光器阵列,普通LD,LD 外形图,LD组件及其技术指标,光隔离器，防止LD输出的激光回射，避免引起激光器噪音的增加，它位于LD输出边监视光电二极管PD，监视LD的输出功率变化，它位于 LD背出光面；尾纤和连接器；LD的驱动电路；,LD组件及其技术指标,热敏电阻，测量组件内的温度；热电致冷器，一种半导体热电元件，通过改变热电元件的极性达到加热或冷却的目的；自动温控电路ATC，和热敏电阻相接，其作用是保持LD组件内恒定的温度（如250oC），以保证激光器参数的稳定性；自动功率控制电路APC,第三章 光源和光发射机,激光二极管 发光二极管光发射机光源的调制方式,LED的主要工作原理对应光的自发辐射过程，因而是一种非相干光源。LED发射光的谱线较宽、方向性较差，本身的响应速度又较慢，所以只适用于速率较低的通信系统。在高速、大容量的光纤通信系统中主要采用半导体激光器作光源。,3.2 Light-Emitting Diodes 发光二极管LED,发光二极管的基本结构,发光二极管有PN结（同质或异质结），无光学谐振腔，不一定需要粒子数反转。所以，LED只能发出自发辐射光。按照光输出位置的不同，LED分为面发光二极管和边发光二极管。,按照光输出位置的不同，LED分为面发光二极管和边发光二极管。,面发光型Surface-emitting LED,边发光型Edge-emmitting LED,面发光型LED输出功率大，但是光发散角很大，水平和垂直发散角都可达到120o，与光纤耦合效率低。边发光型LED的驱动电流较大，输出光功率小，但光束发射角小，与光纤的耦合效率高，故入纤光功率比面发光型LED高。,Light-Emitting Diode Operating Characteristics发光二极管的工作特性,光谱特性PI特性 调制特性,LED的光谱特性,发光二极管发射的是自发辐射光，没有光学谐振腔对波长的选择，谱线宽。,LED的输出光功率特性,P-I特性呈线性,电流（mA）,光功率（mW）,LED的输出光功率特性,驱动电流较小时，P-I特性呈线性，I过大时，由于PN结发热产生饱和现象，使P-I特性曲线斜率减小。,T0是器件的特征温度。当温度升高时，同一电流下的发射功率要降低，但与LD比较起来，发光二极管的温度稳定性相对较好，在实际应用中，一般可以不加温度控制。,LED的温度特性,LED的调制特性,数字调制 模拟调制,光源的上升时间tr,当输入阶跃变化的电流时，其输出光功率从最终值的10%上升为90%的时间。,输出光功率波形,输入电流波形,LED上升时间从几纳秒一直到250ns，比LD大得多,调制速度比LD慢。,LED与光纤的耦合,耦合效率：入纤的光功率与发光管发出的功率之比，影响耦合效率的主要因素是光源的发散角和光纤的数值孔径。发散角大，耦合效率低；数值孔径大，耦合效率高。面发光器件的光功率按cos递减。面发光器件辐射出来的大部分能量都被浪费,光束角度,光束强度,面发光器件的朗伯辐射图,LED与光纤的耦合,输出光束在与PN结平行的面上呈朗伯分布，在与PN结垂直的平面内的光强发散缓慢得多。边发光器件比面发光器件更能集中光束能量，提供更高的耦合效率。,光束角度,光束强度,边发光器件的辐射图,平行平面,垂直平面,LED与光纤的耦合,直接耦合：将光纤端面直接对准光源发光面进行耦合的方法。透镜耦合：在光源与光纤之间放置透镜，使更多的发散光线会聚进入光纤来提高耦合效率。,第三章 光源和光发射机,激光二极管 发光二极管光发射机光源的调制方式,3.3 发射机的结构,防止LD输出的激光反射，实现光的单向传输,保持LD组件内恒定的温度，保证激光参数的稳定性,使LD有恒定的光输出功率,3.3.1 模拟光发射机,模拟光发射机的指标主要有：载噪比CNR、复合二阶失真CSO和复合三阶差拍CTB，它们反映了光发射机的非线性失真特性。,模拟光发射机外形,3.3.2 数字光发射机,电形式的数字信号通过输入接口后，必须经过码型变换，将普通的二进制双极性信号转换成适合在光纤中传输的码型信号，然后送至驱动电路，完成这一功能的部件称为线路编码单元。,光发射机的参数(1),发送光功率（dBm）P=10 lg P(mW)/1(mW),如：功率增加一倍，表明增益是3dB；功率减小到一半，表明损耗是3dB。光纤损耗6dB通过光纤后，功率减小到连接器损耗1dB通过连接器后，功率减小到,25,80,光谱特性最大均方根RMS宽度对于多纵模激光器和发光二极管这样的光能量比较分散的光源,采用来衡量光脉冲能量在频域的集中程度.单纵模的激光器,能量主要集中在主模中.半高全宽FWHM(3dB)宽度最大20dB跌落宽度,光发射机的参数(2),最小边模抑制比(SMSR)：主纵模(M1)的平均光功率与最显著的边模(M2)的平均光功率之比。SMSR=10lg（M1/M2）,光发射机的参数(3),一般规定单纵模激光器的最小边模抑制比为30dB，即主纵模功率至少要比边模大1000倍以上。,光发射机的参数(4),消光比:仅限数字光发射机激光功率在“0”时平均光功率p0和在“1”时平均光功率p1之比，可用EXT表示EXT=10lg(p1/p0)(dB)消光比的不足容易引起对码元的误判。,第三章 光源和光发射机,激光二极管 发光二极管光发射机光源的调制方式,光源的调制方式,调制方式：直接调制间接调制（外调制）,常用的调制方法-直接调制,将要传送的信息转变为电流信号注入LD或LED获得好的光调制波形的前提条件：响应速度快、输出波形好的调制电路。数字调制有编码电路，模拟调制没有编码电路，其它结构完全相同。简单、经济、容易实现响应带宽有限（2.5Gb/s）噪声大,直接调制光发射机,对 LD 直接调制,加大偏置电流使其逼近激光器阈值，可以大大减小电光延迟时间，同时使张驰振荡得到一定程度的抑制.偏置于阈值附近，较小的调制脉冲电流即可得到足够的输出光脉冲，从而可大大减小热效应的影响.另一方面，加大直流偏置电流将会使光信号消光比恶化，光源消光比将直接影响接收机灵敏度.,数字直接调制中偏置电流和调制电流大小的选择,实验发现，异质结激光器的散粒噪声在阈值处出现最大值，因此偏置电流不正好偏置在阈值处.调制电流幅度Im的选择，应根据激光器的P-I曲线，既要有足够的输出光脉冲幅度，又要考虑到光源的负担。如果激光器在某些区域有自脉动现象发生，则Im的选择应避开自脉动发生的区域.,数字直接调制中偏置电流和调制电流大小的选择,外调制,电信号不再直接加在激光光源上，而是加在外调制器的电极上，从而把来自激光器的连续光波转换成一个随着电信号变化的光输出信号。调制信号噪声小。外调制器以电光调制和电致吸收为主,外调制器工作原理,外调制器通常是基于晶体的电光、声光、磁光等效应或者晶体对光频的吸收作用工作的。,LiNbO3（铌酸锂）波导相位调制器,调制电场E加在z方向，使晶体的折射率发生变化（电光效应），传输光波在波导中就会产生相位变化，最终引起光波随着电信号的变化而变化。,外调制器工作原理,调制电场E加在z方向，产生的折射率变化：,电光系数,外调制器工作原理,传输光波在波导中产生的相位变化：半波电压(half wave voltage)：条形波导的L/d很大，使得半波电压大大下降。,外调制器技术指标,调制深度I为调制波光强，I0为不加调制信号时的光强，Im为加最大调制信号时的光强。调制指数neff为导模在外电场作用下产生的折射率增量，d为电极长度。,外调制器技术指标,半波电压:调制指数为时的调制电压。调制带宽:R是调制器等效电路中与电容C并联的负载电阻，C是调制器的集总电容。,LiNbO3调制器技术指标,光外腔调制发射机框图,外调制示意图,总 结,总 结,本章小结,半导体激光器和发光二极管是光通信中最常用的光源。LED在应用中具有线路简单、可靠、寿命长等优点。它对应光的自发发射过程，是一种非相干光源。由于发射光谱线宽、方向性差、响应速度慢，所以只适用于速率较低的通信系统。在高速大容量的光纤通信系统中主要采用半导体激光器作光源。LD是一种阈值器件，只有当注入电流达到阈值电流后，激光器才开始激射。,本章小结,光发射机的主要参数有输出功率、消光比，在应用中应根据场合合理选用。外调制器主要用在高速光纤通信系统中，它基于晶体的电光、声光、磁光等效应或者晶体对光频的吸收作用工作。对于电光晶体，晶体的折射率随着调制电压的变化而变化，从而引起通过该晶体的光波特性发生变化。由于激光器工作在直流状态，所以消除了光源啁啾。,
