1、光發(fā)送原理第1頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一5.1 半導(dǎo)體光源的物理基礎(chǔ)5.1.1 孤立原子的能級(jí)和半導(dǎo)體的能帶1. 孤立原子的能級(jí)原子是由原子核和圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子構(gòu)成。圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子能量不能任意取值，只能取特定的離散值，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電子能量的量子化。第2頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一2. 半導(dǎo)體的能帶在大量原子相互靠近形成半導(dǎo)體晶體時(shí)，由于半導(dǎo)體晶體內(nèi)部電子的共有化運(yùn)動(dòng)，使孤立原子中離散能級(jí)變成能帶。在圖5.2中，半導(dǎo)體內(nèi)部自由運(yùn)動(dòng)的電子(簡(jiǎn)稱(chēng)自由電子)所填充的能帶稱(chēng)為導(dǎo)帶；價(jià)電子所填充的能帶稱(chēng)為價(jià)帶；導(dǎo)帶和價(jià)帶之間不允許電子填充

2、，所以稱(chēng)為禁帶，其寬度稱(chēng)為禁帶寬度，用Eg表示，單位為電子伏特(eV)。第3頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一圖5.2 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)第4頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一5.1.2 光與物質(zhì)的相互作用1. 自發(fā)輻射處于高能級(jí)的電子狀態(tài)是不穩(wěn)定的，它將自發(fā)地從高能級(jí)(在半導(dǎo)體晶體中更多是指導(dǎo)帶的一個(gè)能級(jí))運(yùn)動(dòng)(稱(chēng)為躍遷)到低能級(jí)(在半導(dǎo)體晶體中更多是指價(jià)帶的一個(gè)能級(jí))與空穴復(fù)合，同時(shí)釋放出一個(gè)光子。由于不需要外部激勵(lì)，所以該過(guò)程稱(chēng)為自發(fā)輻射。第5頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一根據(jù)能量守恒定律，自發(fā)輻射光子的能量為：h12=

3、E2-E1式中：h為普朗克常數(shù)，其值為6.62610-34Js；12為光子的頻率；E2為高能級(jí)能量；E1為低能級(jí)能量。第6頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一2. 受激輻射在外來(lái)光子的激勵(lì)下，電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)與空穴復(fù)合，同時(shí)釋放出一個(gè)與外來(lái)光子同頻、同相的光子。由于需要外部激勵(lì)，所以該過(guò)程稱(chēng)為受激輻射。3. 受激吸收在外來(lái)光子激勵(lì)下，電子吸收外來(lái)光子能量而從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，變成自由電子。第7頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一5.1.3 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)1. 粒子數(shù)正常分布狀態(tài)在熱平衡狀態(tài)下，高能級(jí)上的電子數(shù)要少于低能級(jí)上電子數(shù)。第8頁(yè)，共

4、52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一2. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)為了使物質(zhì)發(fā)光，就必須使其內(nèi)部的自發(fā)輻射和/或受激輻射幾率大于受激吸收的幾率，這一點(diǎn)我們已經(jīng)在介紹光與物質(zhì)的相互作用過(guò)程中提及過(guò)。有多種方法可以實(shí)現(xiàn)能級(jí)之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，這些方法包括光激勵(lì)方法、電激勵(lì)方法等。第9頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一5.2 半導(dǎo)體光源的工作原理5.2.1 發(fā)光二極管的工作原理半導(dǎo)體發(fā)光二極管(Light-emitting Diode，LED)基本應(yīng)用GaAlAs和InGaAsP材料，可以覆蓋整個(gè)光纖通信系統(tǒng)使用波長(zhǎng)范圍，典型值為0.85m、1.31m及1.55m

5、。第10頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一1. 發(fā)光二極管的類(lèi)型結(jié)構(gòu)按照器件輸出光的方式，可以將發(fā)光二極管分為三種類(lèi)型結(jié)構(gòu)：表面發(fā)光二極管、邊發(fā)光二極管及超輻射發(fā)光二極管。2. 發(fā)光二極管的工作原理(1) LED的能帶結(jié)構(gòu)第11頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一(2) LED的工作原理LED的工作原理可以歸納如下：當(dāng)給LED外加合適的正向電壓時(shí)，Pp結(jié)之間的勢(shì)壘(相對(duì)于空穴)和Np結(jié)之間的勢(shì)壘(相對(duì)于電子)降低，大量的空穴和電子分別從P區(qū)擴(kuò)散到p區(qū)和從N區(qū)擴(kuò)散到p區(qū)(由于雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，p區(qū)中外來(lái)的電子和空穴不會(huì)分別擴(kuò)散到P區(qū)和N區(qū))，在有源區(qū)形成粒子數(shù)

6、反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，最終克服受激吸收及其他衰減而產(chǎn)生自發(fā)輻射的光輸出。第12頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一5.2.2 激光二極管的工作原理在結(jié)構(gòu)上，半導(dǎo)體激光二極管(Laser Diode，LD)與其他類(lèi)型的激光器是相同的，都主要由三部分構(gòu)成：激勵(lì)源、工作物質(zhì)及諧振腔。第13頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一1. 激光二極管的類(lèi)型結(jié)構(gòu)(1) 常用激光二極管的類(lèi)型結(jié)構(gòu)在雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的LD中，通常采用具有橫模限制作用的激光二極管結(jié)構(gòu)，這種激光二極管稱(chēng)為條形激光二極管(Stripe Laser Diode，SLD)或窄區(qū)激光二極管。一種增益波導(dǎo)型激光二極管的類(lèi)

7、型結(jié)構(gòu)如圖5.6所示，圖中虛線(xiàn)之間的部分為電流流經(jīng)的區(qū)域。第14頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一圖5.6 一種擴(kuò)散條形激光二極管第15頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一一種折射率波導(dǎo)型激光二極管的結(jié)構(gòu)如圖5.7所示。圖5.7 拱棱波導(dǎo)條形激光二極管第16頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一(2) 單頻激光二極管一般地，普通激光二極管只能工作于多縱模狀態(tài)，其增益峰值附近的數(shù)個(gè)模式攜帶著大部分的輸出光功率。 分布反饋機(jī)理激光二極管在分布反饋(Distributed Feedback，DFB)機(jī)理激光二極管中，通過(guò)諧振腔和具有頻率選擇

8、反饋功能的光柵共同完成反饋?zhàn)饔?。?7頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 耦合腔激光二極管模式選擇也可以采用耦合腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，其基本機(jī)理為：雖然兩個(gè)諧振腔具有各自不同的振蕩縱模，但是當(dāng)兩個(gè)諧振腔放在一起構(gòu)成耦合腔(或復(fù)合腔)時(shí)，這時(shí)只有兩個(gè)諧振腔中相同的縱模才能成為耦合腔的振蕩縱模，再加上增益譜的作用，最終實(shí)現(xiàn)了模式選擇功能。第18頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一 量子阱激光二極管出現(xiàn)較晚的量子阱(Quantum Well，QW)激光二極管，已經(jīng)在實(shí)際系統(tǒng)尤其是相干傳輸系統(tǒng)和波分復(fù)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 波長(zhǎng)可調(diào)諧單頻激光二極管波長(zhǎng)可調(diào)諧單頻激光二極

9、管是波分復(fù)用系統(tǒng)、相干光通信系統(tǒng)及光交換網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵器件，其主要性能指標(biāo)包括調(diào)諧速度和波長(zhǎng)調(diào)諧范圍。第19頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一2. 激光二極管的工作原理(1) LD的能帶結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上，LD與LED的主要區(qū)別是LD有諧振腔，而LED沒(méi)有諧振腔。(2) LD的工作原理LD的工作原理可以歸納如下：當(dāng)給LD外加適當(dāng)?shù)恼螂妷簳r(shí)，由于有源區(qū)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布而首先發(fā)生自發(fā)輻射現(xiàn)象，第20頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一那些傳播方向與諧振腔高反射率界面垂直的自發(fā)輻射光子會(huì)在有源層內(nèi)部邊傳播、邊發(fā)生受激輻射放大(其余自發(fā)輻射光子均被衰減掉)，直至傳播到

10、高反射率界面又被反射回有源層，再次向另一個(gè)方向傳播受激輻射放大。如此反復(fù)，直到放大作用足以克服有源層和高反射率界面的損耗后，就會(huì)向高反射率界面外面輸出激光。第21頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一5.3 光源的工作特性5.3.1 LED的工作特性1. P-I特性LED的P-I特性如圖5.11所示。就P-I特性曲線(xiàn)整體而言，由于沒(méi)有閾值而使LED具有非常優(yōu)良的線(xiàn)性。第22頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一圖5.11 LED的P-I特性第23頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一2. 光譜特性LED的光譜特性如圖5.12所示。在圖中，0

11、為L(zhǎng)ED的峰值工作波長(zhǎng)(典型值為0.85m、1.31m和1.55m)；為譜線(xiàn)寬度，其定義為光強(qiáng)度下降到最大值一半時(shí)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)寬度。第24頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一圖5.12 LED的光譜特性第25頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一3. 調(diào)制特性在一級(jí)近似和平均工作電流不變的條件下，發(fā)光二極管的輸出功率與調(diào)制信號(hào)頻率的關(guān)系為：式中：P (0)是頻率為0時(shí)LED輸出的光功率值；e是有源區(qū)少數(shù)載流子的壽命。第26頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一4. 溫度特性溫度特性主要影響到LED的平均發(fā)送光功率、P-I特性的線(xiàn)性及工作波長(zhǎng)

12、。5.3.2 LD的工作特性1. LD的P-I特性LD的P-I特性如圖5.13所示。就P-I特性曲線(xiàn)整體而言，由于存在閾值現(xiàn)象，整體線(xiàn)性不如LED。第27頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一圖5.13 LD的P-I特性第28頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一從P-I特性還可以引出兩個(gè)基本參數(shù)：微分量子效率和功率轉(zhuǎn)換效率。微分量子效率可以定義為輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量之比，表達(dá)式為：式中：P為發(fā)送光功率增量，I為驅(qū)動(dòng)電流增量。曲線(xiàn)越陡，微分量子效率越大。第29頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一功率轉(zhuǎn)換效率定義為輸出光功率與

13、消耗的電功率之比，可以表示為：式中：V是PN結(jié)的正向電壓；Rs是LD的串聯(lián)電阻(包括半導(dǎo)體材料的體電阻和接觸電阻)。第30頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一2. 光譜特性LD的光譜特性如圖5.14所示。在圖中，0為L(zhǎng)ED的峰值波長(zhǎng)(典型值為0.85m、1.31m和1.55m)；為譜線(xiàn)寬度，其定義為縱模包絡(luò)或主模光強(qiáng)度下降到最大值一半時(shí)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)寬度。第31頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一圖5.14 LD的光譜特性第32頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一3. 調(diào)制特性在對(duì)LD進(jìn)行直接調(diào)制時(shí)，激光二極管的輸出功率與調(diào)制信號(hào)頻率的關(guān)

14、系為：式中：P(0)是頻率為0時(shí)LD輸出的光功率值；fr為L(zhǎng)D的類(lèi)共振頻率，是LD的阻尼因子。第33頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一4. 溫度特性與LED比較，溫度主要對(duì)LD的閾值電流、輸出光功率及峰值工作波長(zhǎng)影響較大。為了降低溫度對(duì)LD的影響，可以采用兩種方法：選擇溫度特性?xún)?yōu)異的新型LD，或通過(guò)一個(gè)外加的自動(dòng)溫度控制電路，使LD的溫度特性能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求。第34頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一5.3.3 光源的主要技術(shù)指標(biāo)及簡(jiǎn)易檢測(cè)1. 光源的主要技術(shù)指標(biāo)幾種國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體光源的主要技術(shù)指標(biāo)如表5.1所示。第35頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20

15、日，3點(diǎn)38分，星期一第36頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一2. 光源器件的簡(jiǎn)易檢測(cè)在沒(méi)有任何測(cè)試儀表或測(cè)試手段的情況下，可以通過(guò)PN結(jié)的測(cè)試來(lái)初步判斷光源器件的好壞。第37頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一5.4 光 發(fā) 送 機(jī)5.4.1 光調(diào)制原理1. 光調(diào)制方式分類(lèi)(1) 按照光源與調(diào)制信號(hào)的關(guān)系分類(lèi)根據(jù)光源與調(diào)制信號(hào)的關(guān)系，可以將光源的調(diào)制方式分為直接調(diào)制方式和外部(或間接)調(diào)制方式。所謂直接調(diào)制方式，是指直接將調(diào)制信號(hào)施加在光源上來(lái)完成光源參數(shù)的調(diào)制過(guò)程。第38頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一(2) 按照已調(diào)制信號(hào)

16、的性質(zhì)分類(lèi)根據(jù)已調(diào)制信號(hào)的性質(zhì)，可以將光源的調(diào)制方式分為模擬調(diào)制方式和數(shù)字調(diào)制方式。 模擬調(diào)制方式是指已調(diào)制信號(hào)屬于模擬信號(hào)，這種調(diào)制方式主要包括強(qiáng)度調(diào)制(Intensity Modulation，IM)方式、振幅調(diào)制(Amplitude Modulation，AM)方式、雙邊帶抑制載波(Double Sideband/Suppressing Carrier，DSB/SC)調(diào)制方式、單邊帶(Single Sideband，SSB)調(diào)制方式及殘余邊帶(Vestigial Sideband，VSB)調(diào)制方式。第39頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一數(shù)字調(diào)制方式是指已調(diào)制信號(hào)屬

17、于數(shù)字信號(hào)，這種調(diào)制方式主要包括幅移鍵控(Amplitude-shifted Keying，ASK)調(diào)制方式、頻移鍵控(Frequency-shifted Keying，F(xiàn)SK)調(diào)制方式及相移鍵控(Phase-shifted Keying，PSK)調(diào)制方式等。第40頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一2. 已調(diào)制信號(hào)表達(dá)式由于其他調(diào)制方式應(yīng)用極少，因此我們?cè)谶@里僅僅給出用電場(chǎng)表示的、常用強(qiáng)度調(diào)制方式的已調(diào)制信號(hào)表達(dá)式：式中：KT為與發(fā)送光功率有關(guān)的正常數(shù)；m為調(diào)制系數(shù)(0m1)；x(t)為歸一化幅度的調(diào)制信號(hào)波形；c為光載波角頻率，0為初相位。第41頁(yè)，共52頁(yè)，2022年

18、，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一5.4.2 光發(fā)送機(jī)的構(gòu)成及指標(biāo)1. 光發(fā)送機(jī)構(gòu)成一般地，光發(fā)送機(jī)主要由光源、驅(qū)動(dòng)電路及輔助電路等構(gòu)成。第42頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一2. 光發(fā)送機(jī)的主要指標(biāo)光發(fā)送機(jī)的指標(biāo)很多，我們僅從應(yīng)用的角度介紹其主要指標(biāo)。(1) 平均發(fā)送光功率及其穩(wěn)定度平均發(fā)送光功率又稱(chēng)為平均輸出光功率，通常是指光源尾巴光纖的平均輸出光功率。第43頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一(2) 消光比消光比定義為最大平均發(fā)送光功率與最小平均發(fā)送光功率之比，通常用符號(hào)EX表示：若用相對(duì)值表示，則為第44頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3

19、點(diǎn)38分，星期一5.5 驅(qū)動(dòng)電路和輔助電路5.5.1 驅(qū)動(dòng)電路1. 對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求一個(gè)優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該滿(mǎn)足以下條件：(1) 能夠提供較大的、穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流；(2) 有足夠快的響應(yīng)速度，最好大于光源的驅(qū)動(dòng)速度；(3) 保證光源具有穩(wěn)定的輸出特性。第45頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一2. 驅(qū)動(dòng)電路的工作原理能夠滿(mǎn)足上述要求的、最簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路是共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路，如圖5.16所示。共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路的工作原理如下所述：當(dāng)輸入數(shù)據(jù)信號(hào)為“0”時(shí)，晶體三極管VT處于截止?fàn)顟B(tài)，LED中沒(méi)有電流流過(guò)，因此LED不發(fā)光；當(dāng)輸入數(shù)據(jù)信號(hào)為“1”時(shí)，晶體三極管VT工作于飽和狀態(tài)，LED中有較大的電流流過(guò)，所以LED發(fā)光。第46頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)38分，星期一圖5.16 共射極驅(qū)動(dòng)電路第47頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，