chapter3光接收机与光发射机.ppt
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1、第三章 光发送机和光接收机,本章内容,3.1 激光产生的物理基础 3.2 半导体激光器和发光二极管 3.3 光源的调制 3.4 光发送机 3.5 光检测器件 3.6 光接收机,3.1 激光产生的物理基础,能级:原子由原子核和核外电子组成,核外电子围绕原子核旋转,每个电子的运行轨道并不相同,各代表不同的量子态,在最里层的轨道上量子态所取的能量最低,最外层的轨道量子态能量最高,这些不同的轨道运行时相应的能量值称为能级。,硅原子的能级图,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。
2、,能级的跃迁,原子中的电子可通过与外界交换能量的方式发生电子跃迁,电子跃迁交换的能量有热能、光能,分别为热跃迁和光跃迁。 考虑两能级的系统,高能级E1和低能级E2,设处于高能级E2和低能级E1上的电子数分别为N2和N1,当系统处于热平衡状态时,存在下面的分布: k=1.38110-23J/K,为波尔兹曼常数, T为绝对温度。 由于(E2-E1)0,T0,所以在热平衡状态下,总是N1N2,这说明电子总是首先占据能量低的能级。,三种能级跃迁的方式,自发辐射:高能级E2上的电子不稳定,会按一定的概率自发地跃迁到低能机E1上与空穴复合,释放的能量以光子的形式辐射。 受激吸收:处于低能级上的电子在入射光
3、的作用下,吸收频率为的光子能量,从低能级E1跃迁到高能级E2上。 受激辐射: 处于高能级E2的电子在入射光作用下,发射一个和入射光一模一样的光子,跃迁到低能级E1上。,光的吸收和放大,光吸收的过程:当某物质与外界处在热平衡状态下,低能级的粒子(电子)数N1总是大于高能级的粒子(电子)数N2,在这种分布状态下,当有光入射时,必然是受激吸收占主要地位,不会出现发光现象,光波经过该物质时强度按指数规律衰减,光波被吸收。 粒子数反转分布状态:如果外界向物质提供了能量,就会使得低能级上的电子获得能量大量地激发到高能级上去,像一个泵不断地将低能级上的电子“抽运”到高能级上,我们称这个能量为激励或者泵浦过程
4、,从而达到高能级上的粒子数N2大于低能级上的粒子数N1的分布状态,这种状态称为粒子数反转分布状态。 光放大过程:当物质粒子数反转分布状态下,高能级上的大量电子就会在受到外来入射光子的激发下,发射出与入射光子的频率、相位、偏振方向、传播方向完全相同的激发光,这样,就实现了用一个弱的入射光激发出一个强的出射光的光放大过程。,激光器的一般工作原理,激光器的产生 激光器是1960年由美国人梅曼发明的新型光源,利用受激辐射原理,是一种方向性好、强度很高、相干性好的光源。 产生激光的三个先决条件: 要有一个合适的激光工作物质(发光介质)。 需要一个能保证粒子数反转分布的激励能源泵浦源。 把激光工作物质置于
5、光学谐振腔。,激光器的构成,所谓光学谐振腔,最简单实现的办法就是在激光工作物质两端分别加上一块平面反射镜,使受激辐射产生的光子在两块反射镜之间往复反射,两块反射镜中的一块,其反射率理想情况应为100,另一块需要开一个孔以便输出激光,故反射率应在90左右。,L,满足粒子数反转分布的激光工作物质,部分反射镜,激光器的构成图,反射镜,激光输出,光学谐振腔的作用,在光学谐振腔中,沿着光学谐振腔轴线传播的光可以在两个反射镜之间往复传播,在这个过程中一边传播一边激发高能级上的电子跃迁到低能级上发光,这种由于光学谐振腔而产生的往复传播作用,相当于延长了激光工作物质的长度,从而使其中的光能密度不断增加,这样可
6、以使受激辐射的几率远大于自发辐射的几率,从而使得沿光学谐振腔轴线传播的光,在粒子数反转分布的条件下,受激辐射占了绝对优势。,产生激光的阈值与相位条件,阈值条件光的增益和损耗应满足的平衡条件 : G0:光功率的小信号增益系数; i:损耗系数; L:光学谐振腔的长度; R1、R2:激光器两个反射镜的反射率。,相位条件在谐振腔中,只有满足相位平衡条件的光波,才能往复反射能得到加强: q=1,2,3; q:光在激光工作物质中传播时的波长; n:折射率; L : 谐振腔的腔长,LD的发光原理,本征半导体的能带分布:EV(价带),Eg(禁带),EC(导带) 费米狄拉克统计分布:每个能量为E的单电子态,被电
7、子占据的概率服从费米分布函数 E:某一能级的能量值;K:波尔兹曼常数,k1.381023 J/K; T:绝对温度;Ef:费米能级。 费米能级是反映电子在各能级中分布情况的参量 当E-EfKT,能级几乎被空穴占据,3.2 半导体激光器和发光二极管,各种半导体中电子的统计分布,(a)本征半导体,(b)兼并型P型半导体,(c)兼并型N型半导体,本征半导体在低温下,费米能级处于禁带的中心位置。 P型半导体,由于受主杂质的掺入,费米能级的位置比本征半导体要低,处于价带顶和受主杂质能带之间。 对于重掺杂的P型半导体,杂质能带和价带连成一片,费米能级进入价带,称为兼并型P型半导体。 兼并型N型半导体中施主杂
8、质能带和导带连成一片,费米能级进入导带。,PN结的形成,P型半导体和N型半导体形成PN结时,载流子的浓度差引起扩散运动,P区的空穴向N区扩散,剩下带负电的电离受主,从而在靠近PN结界面的区域形成了一个带负电的区域。同样,N区的电子向P区扩散,剩下带正电的电离施主,从而造成一个带正电的区域。这样一来,载流子扩散运动的结果形成了一个空间电荷区。 在空间电荷区里,电场的方向由N区指向P区,这个电场称为“自建场”。,热平衡下的能级图,热平衡系统只能有一个费米能级,这就要求在P区和N区高低不同的费米能级达到相同的水平,如果N区的能级位置保持不变,那么P区的能级应该提高,从而使PN结的能带发生弯曲。 PN
9、结能带的弯曲正反映了空间电荷区的存在。 在空间电荷区内,自建场从N区指向P区,这说明P区相对于N区为负电荷,用-VD来表示,叫做接触电位差或叫PN结的势垒高度,P区所有能级的电子都附加了(-e0).(-VD)=e0 VD的位能,从而使P区的能带相对于N区来说提高了 e0 VD 。,施加正向偏置电压的能级图,正向电压施加以后,削弱了原有自建场,使势垒降低。 在这种非热平衡状态下,费米能级随之发生了分裂,在PN结出现了两个准费米能级,N区和P区的准费米能级分别为Efc和Efv 。 在正电压的作用下,P区的空穴和N区的电子不断地注入PN结区,这样使得PN结形成了一个增益区,也称为有源区。有源区内导带
10、主要由电子占据,价带主要由空穴占据,从而实现了粒子数反转,半导体激光器的激射就发生在这个增益区即有源区 。,双异质结(DH)LD,这种结构由三层不同类型的半导体材料组成,不同材料发射不同的光波长。 结构中间有一层厚0.10.3的窄带隙P型半导体,称为有源层;两侧分布为宽带隙的P型和N型半导体,称为限制层。三层半导体置于基片(衬底)上。 前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里珀罗(F-P)谐振腔。,DH-LD的工作原理,LD形成激光需要具备两个基本条件:一是有源区里产生足够的粒子数反转分布,二是存在光学谐振腔机制,并在有源区里建立起稳定的振荡。 施加正向偏压后,注入到有源层的电子和空穴被限制在有
11、源层内形成粒子数反转分布, 激活区空穴电子对复合辐射出激光,分布反馈半导体激光器(DFB),分布反馈(DFB)型激光器是随着集成光学的发展而出现的,由于其动态单模特性和良好的线性, 已在国内外高速率数字光纤通信系统和CATV模拟光纤传输系统中得到广泛的应用。 DFB型激光器的激光振荡不是由反射镜面来提供,而是由折射率周期性变化的波纹结构(波纹光栅)来提供。 DFB激光器的结构,DFB LD的周期性沟槽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。,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。,布拉格反射原理,如图所示的布拉格反射,在与反射
12、方向垂直的平面上,各反射波的相位必须相同,因此反射波的路程差必须为波导波长的整数倍。,L为栅距(光栅周期长度) g为波导波长 0为工作波长 ne为波导层的有效折射率 m为正整数。,布拉格反射条件,布拉格反射原理,DFB激光器的分布反馈是=/2的布拉格反射,这时有源区的光在栅条间来回振荡。此时的布拉格条件为: 光栅的周期长度为时L,只有满足布拉格反射条件波长为0的光波,才能产生激光振荡,因而使激光器得到单频输出。 由于分布馈激光器是由光栅来选择单纵模,因而在高速调制下仍维持单纵模输出。 DFB激光器的谱线窄,其线宽大约为普通型激光器线宽的1/10左右,从而使色散的影响大为降低,可以实现速率为Gb
13、/s的超高速传输。,半导体激光器的工作特性,阈值特性 光谱特性 LD的方向特性 转换效率与输出光功率特性 温度特性,阈值特性,阈值电流Ith 当激光器的注入电流IIth时,发射光谱突然变窄,谱线中心强度急剧增加,激光器发出激光。,输,出,光,功,率,(,m,W,),3,50,100,150,Ith,注入电流(mA),光谱特性,单模激光(SLM):光谱只有1根谱线,谱线峰值波长称为中心波长,谱线宽度小于0.1nm,光谱很窄。 多模激光(MLM):光谱有多根谱线,对应于多个中心波长,其中最大峰值波长称为主中心波长,该模式也称为主模,其它的模式称为边模,谱线宽度为几个纳米。,多模激光,波长,相 对
14、光 强,1.0,0.5,波长,单模激光,相 对 光 强,LD的方向特性,LD的方向性是指LD输出光束的空间发散程度。 远场光强下降到最大值一半之处时,在垂直于p-n结平面的方向上,对LD输出端面的张角大小,称为垂直发散角,用来表示。 在平行于p-n结平面的方向上,对LD输出端面的张角大小,称为平行发散角,用/来表示。,/,O,P,层,N,层,有,源,层,(a)水平发散角和垂直发散角,转换效率与输出光功率特性,激光器的电/光转换效率用外微分量子效率d:在阈值电流上,每对载流子产生的光子数。,P和I:激光器的输出光功率和驱动电流; Pth和Ith分别为相应的阈值; hf和e分别为光子能量和电子电荷
15、。,温度特性,激光器输出光功率随温度而变化如图所示。 变化规律产生有两个原因:一是激光器的阈值电流随温度升高而增大,二是外微分量子效率随温度升高而减小。 阈值电流与温度的关系可表示为: T0称为器件的特征温度, T0和T都与绝对温度表示; I0为T=T0时阈值电流的1/e 。,半导体发光二极管(LED),LED与LD的工作原理不同,LD发射的是受激辐射光,LED发射的是自发辐射光。 LED不需要光学谐振腔,没有阈值 。,N,层,P,层,输出自发光,N,层,P,层,(a)正面发光二极管SLED,(b)侧面发光二极管ELED,输出自发光,侧面发光型LED驱动电流较大,输出光功率较小,但由于光束辐射
16、角较小,与光纤的耦合效率较高,因而入纤光功率比正面发光型LED大。,ELED 结构,双异质结生长在二极管顶部的 nGaAs衬底上,PGaAs有源层厚度仅lm 2m,与其二边的nAlGaAs和pGaAs构成两个异质结,限制了有源层中的载流子及光场分布。 有源层中产生的光发射穿过衬底耦合入光纤,由于衬底材料的光吸收很大,用选择腐蚀的办法在正对有源区部位形成一个凹坑,使光纤能直接靠近有源区。 在PGaAs侧用SiO2掩膜技术形成一个圆形的接触电极,从而限定了有源层中源区的电流密度约200A/cm2 这种结构的目的是为了降低有源层中的光吸收并使光束有更好的方向性,光从有源层的端面输出。,ELED 结构
17、,发光二极管的工作特性,P-I特性 在低注入电流范围内其线性程度比LD好,且不存在阈值,所以LED适合用在光纤模拟通信系统中 。 LED光功率的温度稳定性也比LD好 光谱特性 自发辐射光,没有谐振腔对波长的选择,为非相干光,谱线较宽。 方向特性 LED的发散角比LD大,LED与光纤的耦合效率通常小于10。 调制特性 LED的可调制频率比LD低。其中,面发光型LED的可调制频率仅为几十MHz,边发光型LED的可调制频率可达200MHz。 寿命 LED的寿命比LD长,可达百万个小时以上。,发光二极管的工作特性,LED P-I特性 LED是非阈值器件,发光率随工作电流增大,并在大电流时逐渐饱和。LE
18、D的工作电流通常为 50mA-100mA,这时偏置电压 1.2 V-1.8 V,输出功率约几mW。 工作温度升高时, 同样工作电流下LED的输出功率要下降。 例如当温度从20升高到70时,输出功率下降约一半,相对而言,温度的影响要比LD小。,发光二极管总述,尽管发光二极管的输出光功率较低,光谱较宽,但由于使用简单、寿命长等优点,因此,在中、低速率短距离光纤数字通信系统和光纤模拟信号传输系统中,还是得到了广泛应用。,3.3 光源的调制,光调制:将光信号加载到光源的发射光束上。调制后的光波经过光纤信道送至接收端,由光接收机鉴别出它的变化,再现出原来的信息,称为光解调。 光源的调制分为两类: 直接调
19、制:把要传送的信息转变为电流信号注入LD或LED,从而获得相应的光信号,采用的是电源调制方法,也称内调制方法。仅适用于半导体光源(LD和LED)。 间接调制:利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射的调制,这种调制方法适合于半导体激光器,也适应于其他类型的激光器。,直接调制,模拟信号的直接调制:直接用连续的模拟信号(如话音、电视等信号)对光源进行调制。 发光二极管LED模拟调制原理:连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上,适当选择直流偏置的大小,使静态工作点位于发光管特性曲线线性段的中点,可以减小光信号的非线性失真。 在所有通信系统中,用LED作为光源时,均采用直接强度调制
20、。(IM),直接调制,数字信号的直接调制(1) 数字调制主要是指PCM编码调制。 信号电流为单向二进制数字信号,用单向脉冲电流的“有”、“无”(“1”码和“0”码)控制发光管的发光与否。 LED数字系统都是通过控制流经发光管电流的办法达到调制输出光功率的目的。,LED数字信号调制电路只有一级共发射极的晶体管调制电路,晶体管用作饱和开关,晶体管的集电极电流就是LED的注入电流。 信号由A点接入。“0”码时晶体三极管不导通;“1”码时晶体三极管导通,于是注入电流注入到LED管,使得LED管发光,从而实现了数字信号调制。,图3.18 LED数字信号调制,直接调制,数字信号的直接调制(2)。 LD数字
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