第4章光源和光發射機本章內容4.1半導體的能帶理論4.2發光二極管4.3半導體激光器4.4光調制4.5光發送機小結、習題第4章光源和光發射機本章內容概述一，光通信對光源的要求合適的波長0，而且光譜窄足夠的入纖光功率P良好的調制特性（響應速度快）穩定性好，壽命長，成本低概述一，光通信對光源的要求合適的波長0，而且光譜窄常用半導體激光器LD和發光二極管LED；二，采用半導體光源的理由體積小，易與光纖耦合發光波長適合光纖的低損耗傳輸窗口可以電光直接調制可靠性較高常用半導體激光器LD二，采用半導體光源的理由體積小，易與光纖4.1半導體的能帶理論1.半導體的能帶半導體的主要特征是它們的內部原子有規則地、周期性地排列著。作共有化運動的電子受到周期性排列著的原子的作用，它們的勢能具有晶格的周期性。因此，晶體的能譜在原子能級的基礎上按共有化運動的不同而分裂成若干組。雖然在半導體中能級還是離散的，但是每組中能級彼此靠得很近，組成有一定寬度的帶。人們把這些組想象為很寬的連續的能量區，稱為能帶。4.1半導體的能帶理論1.半導體的能帶能級理論：原子由原子核和核外沿固定軌道旋轉的電子組成；電子在特定的能級中運動，并通過與外界交換能量發生能級躍遷；能級所對應的能量值是離散的。能級理論：鍺、硅和GaAs等都是共價晶體。形成共價鍵的價電子所占據的能帶稱為價帶。價帶下面的能帶是被電子占滿了，稱為滿帶。價帶上面的能帶稱為導帶。價帶和導帶之間的寬度，不能被電子占據,因此稱為禁帶。鍺、硅和GaAs等都是共價晶體。形成共價鍵的價電子所占據的能（1）半導體的禁帶很窄，價帶中的電子較易進入導帶。導帶中的電子在外場作用下運動而參與導電。（3）金屬導體沒有禁帶，可顯示很強的導電性。（2）絕緣體的禁帶很寬，價帶中的電子很難進入導帶，導電性很差。外場

價帶導帶價帶導帶價帶導帶（1）半導體禁帶禁帶外場（2）絕緣體（3）金屬（1）半導體的禁帶很窄，價帶中的電子較易進入導帶。導帶中的電半導體光源：在注入電流作用下，電子從低能級躍遷到高能態，形成粒子數反轉，電子再從高能態躍遷到低能態產生光子而發光。半導體光檢測器：注入光作用下，電子從低能態躍遷到高能態，并在外加電場作用下形成光生電流。半導體光源：在注入電流作用下，電子從低能級躍遷到高能態，形成處于高能態（導帶）電子不穩定，向低能態（價帶）躍遷，而能量以光子形式釋放出來，發射光子的能量hυ等于導帶價帶能量差，即hυ＝Ec-Ev＝Eg。發光過程：自發發射：處于高能態的電子按照一定的概率自發地躍遷到低能態上，并發射一個能量為E2-E1的光子；受激發射：處在高能態的電子在外界光場的感應下，發射一個和感應光子一模一樣的光子，躍遷到低能態。處于高能態（導帶）電子不穩定，向低能態（價帶）躍遷，自發發射光子隨機地向各個方向發射，每次發射沒有確定的相位關系——非相干光。LED通過自發發射過程發光。受激發射光子的發射方向、相位、頻率都與激發它們的光子相同——相干光。LD通過受激發射過程發光。由于價帶和導帶之間是多個能級參與輻射，所以半導體發射的光存在一定的光譜寬度。自發發射受激發射由于價帶和導帶之間是多個能級光吸收：處于低能態電子，如果受到外來光的照射，當光子能量等于或大于禁帶能量時，光子將被吸收而使電子躍遷到高能態。光吸收過程：受激吸收：如果入射光子的能量hν近似等于E2-E1，光子能量就會被吸收，同時基態上的電子躍遷到高能態。半導體光檢測器基于這種效應。自發發射、受激發射和受激吸收三種過程是同時存在的。光吸收：處于低能態電子，如果受到外來光的照射，當光子能量等于考慮兩能級原子系統。在單位物質中，處于低能級E1和高能級E2的原子數分別為N1和N2。系統處于熱平衡狀態時，服從玻爾茲曼統計分布：考慮兩能級原子系統。在單位物質中，處于低能級E1和高N1>N2：在熱平衡狀態下，自發發射居支配地位，不能發射相干光。N2>N1：受激輻射大于受激吸收，當光通過這種物質時，產生放大作用。這種分布和正常狀態的分布相反，稱為粒子數反轉。N1>N2：費米能級----在熱平衡下電子占據能級的概率0.510TT式中，玻爾茲曼常數

K是絕對溫度當K=0,E<Eff(E)=1E>Eff(E)=0E=Eff(E)=0.5如則f(E)<0.7%當K>0如則f(E)>99.3%費米能級位置高低反映電子占據能級的水平（近似認為以上無電子）費米能級----在熱平衡下電子占據能級的概率0.510TT式成本低常用半導體激光器LD和發光二極管LED課件成本低常用半導體激光器LD和發光二極管LED課件2.半導體PN結的形成當一個P型半導體和一個N型半導體有了物理接觸時，就形成一個PN結。GaAs摻Ge或Zn→P型2345GaAs摻Te或Si→N型34652.半導體PN結的形成當一個P型半導體和一個N型半導體有了物N型半導體中過剩電子占據了本征半導體的導帶。P型半導體中過剩空穴占據了價帶。本征半導體的費米能級位于帶隙中間；N型摻雜將使費米能級向導帶移動，P型摻雜使費米能級向價帶移動；對于重摻雜N型半導體，費米能級位于導帶內——兼并型N型半導體；對于重摻雜P型，費米能級位于價帶內——兼并型P型半導體；N型半導體中過剩電子占據了本征半導體的導帶。本征半導體的費米雙兼并型半導體：非熱平衡狀態時，在Efc和Efv之間形成了一個粒子數反轉區域。如果入射光波能量滿足：則經過雙兼并型半導體時將得到放大。雙兼并型半導體：PN結具有單向導電性當PN結加上正向電壓時，外加電壓的電場方向消弱了自建場，P區的空穴通過PN結流向N區，N區的電子也流向P區，形成正向電流。由于P區的空穴和N區的電子都很多，所以這股正向電流是大電流。當PN結加反向電壓時，外電場的方向和自建場相同，多數載流子將背離PN結的交界面移動，使空間電荷區變寬。空間電荷區內電子和空穴都很少，它變成高阻層，因而反向電流非常小。PN結具有單向導電性當PN結加上正向電壓時，外加電壓的電場方正向偏壓：P區空穴不斷流向N區，N區電子流向P區，通過復合發光。自發發射復合——LED受激發射復合——LD反向偏壓：區域內電子和空穴都很少，形成高阻區。正向偏壓：一個熱平衡系統只能有一個費米能級。處于熱平衡狀態時，PN結兩側的費米能級相等。如果N區的能級位置保持不變，則P區的能級應該提高。P區N區一個熱平衡系統只能有一個費米能級。處于熱平衡狀態時，PN結當正向電壓加大到某一值后，PN結里出現了增益區(有源區)。Efc和Efv之間價帶主要由空穴占據，導帶主要由電子占據，即實現了粒子數反轉。當正向電壓加大到某一值后，PN結里出現了增益區(有源區)。3.同質結和異質結同質結就是在PN結的兩邊使用相同的半導體材料。采用同質結結構的激光器或發光二極管存在如下兩個問題。首先是對光波的限制不完善。另一方面的問題是對載流子的限制不完善。因此，為了降低同質結半導體激光器的閾值電流，就要從上述兩個方面來進行改進。

3.同質結和異質結同質結就是在PN結的兩邊使用相同的半導體材雙異質結：在寬帶隙的P型和N型半導體材料之間插進一薄層窄帶隙的材料。雙異質結：在寬帶隙的P型和N型半導體材料之間插進一薄異質結(heterojunction)1,本征材料①②--寬帶隙材料，如：組分x改變折射率n帶隙Eg損耗2,分類反型異質結同型異質結P型GaAs—N型GaAlAsN型GaAs—P型GaAlAsP型GaAs—P型GaAlAsN型GaAs—N型GaAlAs異質結(heterojunction)1,本征材料①②-3,構成例單異質結（SH）異質結作用區雙異質結（DH）作用區異質結3,構成例單異質結異質結作用區雙異質結作用

雙異質結(DH)是窄帶隙有源區(GaAs)材料被夾在寬帶隙的材料(GaAlAs)之間構成。增加載流子的注入效率形成光波導效應降低閾值電流帶隙差形成的勢壘將電子和空穴限制在有源區復合發光；折射率使光場（光子）有效地限制在有源區。雙異質結(DH)是窄帶隙有源區(GaAs)材料被夾4.2發光二極管的工作原理發光二極管(LED)是低速、短距離光通信系統中常用光源。目前廣泛采用PN異質結制造。LED的原理是在LED注入正向電流時，注入的非平衡載流子在擴散過程中發光。LED是非相干光源，它的發光過程是自發輻射過程，發出的是熒光，它沒有光學諧振腔，是無閾值器件。4.2發光二極管的工作原理發光二極管(LED)是低速、短距1.LED的結構和工作原理正向電壓V提供的外加能量激發了處于導帶的電子和空穴進入耗盡區并且發生復合，促使發光二極管LED產生了能量。與普通二極管以熱能的方式釋放能量不同，LED將大部分產生的能量以可見光的方式釋放出來。1.LED的結構和工作原理正向電壓V提供的外加光功率電流N——電子數目η——量子效率Ep——光子能量光功率電流N——電子數目LED可分為面發光二極管和邊發光二極管兩大類

1)面發光二極管（SLED）Surface從平行于結平面的表面發光。LED可分為面發光二極管和邊發光二極管兩大類1)面發光二極SLED光束呈朗伯分布：P=P0cosθSLED特點：工藝簡單。發散角大。效率低。調制帶寬較窄。SLED光束呈朗伯分布：P=P0cosθSLED特點：為提高面發光LED與光纖的耦合效率：在井中放置一個截球透鏡；或者將光纖末端形成球透鏡。為提高面發光LED與光纖的耦合效率：2）邊發光二極管（ELED）Edge邊發光二極管結構，1.31μm，雙異質結InGaAsP/InP。核心部分是一個N-AlGaAs有源層，及其兩邊的P-AlGaAs和N-AlGaAs導光層(限制層)。導光層的折射率比有源層低，但比其他周圍材料的折射率高，從而有源層產生的光波從端面發射出來。2）邊發光二極管（ELED）Edge邊發光二極管結構，1.ELED特點：發散角、耦合效率和調制帶寬均比面發光LED有改善。ELED特點：LED有如下工作特性：1)LED的光譜特性它的譜線寬度較寬，對高速率調制是不利的。短波長長波長LED有如下工作特性：短波長長波長2）LED的輸出光功率特性

LED的P-I曲線線性范圍較大，當驅動電流I較小時，P-I曲線的線性較好，在進行調制時，動態范圍大，信號失真小。工作電流入纖光功率：幾百微瓦輸出光功率：幾十毫瓦2）LED的輸出光功率特性LED的P-I曲線線性范圍較大，3）耦合特性

發散角耦合效率低SLED4）溫度特性

溫度特性較好典型漸變折射率62.5/125光纖的NA是0.2753）耦合特性發散角耦合效率低SLED4）溫度特性溫度特性5）載流子生存周期和調制帶寬

SLEDELED輻射復合生存期非輻射復合生存期5）載流子生存周期和調制帶寬SLEDELED輻射復合生存期4.3半導體激光器半導體激光器（LD）主要適用于長距離大容量的光纖通信系統。尤其是單縱模半導體激光器，在高速率、大容量的數字光纖通信系統中得到廣泛應用。近年來逐漸成熟的波長可調諧激光器是WDM光纖通信系統的關鍵器件，越來越受到人們的關注。4.3半導體激光器半導體激光器（LD）主要適1、光纖通信對半導體激光器的主要要求半導體激光器(LD)是光纖通信最主要的光源，對它的基本要求有以下幾點：（1）光源應在光纖的三個低損耗窗口工作，即發光波長為0.85μm、1.31μm或1.55μm。（2）光源的譜線寬度較窄，Δλ=0.1～1.0nm。（3）能提供足夠的輸出功率，可達到10mW以上。（4）與光纖耦合效率高，30%～50%。（5）能長時間連續工作，工作穩定，提供足夠的輸出光功率。1、光纖通信對半導體激光器的主要要求2、LD的工作原理半導體激光器的組成工作物質激勵源光學諧振腔半導體激光器產生激光輸出的基本條件：粒子數反轉分布光反饋激光振蕩的閾值條件2、LD的工作原理在熱平衡下具有統一的費米能級兩異型半導體一接觸開始，載流子擴散運動占優勢但擴散形成勢壘，不僅有礙擴散，而且導致反向漂移。最終，擴散運動和漂移運動相互平衡，能帶彎扭，E

f電子勢能孔穴勢能（就導帶的電子而言：P區的較N區的高出勢能,

同理對于孔穴勢能：N區的比P區的高

）從而具有統一的費米能級在熱平衡下具有統一的費米能級兩異型半導體一接觸E

f電子勢能孔穴勢能外加正偏壓下，（勢壘降低）在結區形成集居數分布反轉~+_載流子復合輻射發光E電孔外加正偏壓下3.常用半導體激光器1）法布里—珀羅激光器普通的半導體激光器一般采用條形結構雙異質結半導體激光器(BHLD)，光學諧振腔為法布里－珀羅腔(F－P)，它可以分為兩類，即增益波導LD和折射率波導LD。3.常用半導體激光器1）法布里—珀羅激光器L駐波條件及諧振頻率諧振腔總損耗（平均衰減系數）L駐波條件及諧振頻率諧振腔總損耗（平均衰減系數）FP腔中滿足諧振條件的縱模是均勻分布的：縱模間距：FP腔中滿足諧振條件的縱模是均勻分布的：縱模間距：利用縱模間距：可計算激光器的腔長：主導模式：最靠近增益峰的模式。多模激光器：主模及其臨近的兩個邊模同時振蕩利用縱模間距：可計算激光器的腔長：主導模式：最靠近增益峰的模（2）動態單縱模半導體激光器所謂動態單縱模半導體激光器(SLM-LD)，就是指在高速調制下仍能單縱模工作的半導體激光器。目前，比較成熟的單縱模激光器有分布反饋激光器DFB及耦合腔激光器

（2）動態單縱模半導體激光器所謂動態單縱模半導體激光器(SL分布反饋半導體激光器(DFB-LD)，它是在異質結激光器具有光放大作用的有源層附近，刻上波紋狀的周期的光柵來構成的，如圖示。波長選擇性分布反饋半導體激光器(DFB-LD)，它是在異質結激光器具有由于分布反饋激光器的這種工作方式，使得它具有極強的波長選擇性，從而實現動態單縱模工作。單縱模LD中除了一個主模外，其它縱模都被抑制了，同時主模的譜線寬度非常窄，通常小于1nm，用于高速光纖通信系統是非常理想的。由于分布反饋激光器的這種工作方式，使得它具有極強的波長選擇性（3）量子阱激光器為了進一步提高激光發射效率，可以使用一種特殊的制造技術來得到特別薄的激活區，厚度大概在4-20nm，這種技術被稱為量子阱激光器。量子激光器的主要優點在于閾值電流低，線寬窄，較高的光電轉換效率，對輸出光束更高的限制，以及發射更多可能波長光線的能力。（3）量子阱激光器為了進一步提高激光發射效率，可以使用一種特4．激光器LD的工作特性（1）P-I曲線閾值特性線性特性4．激光器LD的工作特性（1）P-I曲線閾值特性線性特性2)光譜特性

GaAsLD的光譜特性曲線如圖所示。單縱模與多縱模峰值波長譜線寬度（-20dB）2)光譜特性單縱模與多縱模峰值波長譜線寬度（-20dB）3)溫度特性（1）閾值電流Ith隨溫度的升高而加大，為了使光纖通信系統穩定、可靠地工作，一般都要采用自動溫度控制電路，來穩定激光器的閾值電流和輸出光功率。（2）激光二級管的中心波長λ隨溫度升高而增加。3)溫度特性4）轉換效率定義為激光器達到閾值后，輸出光子數的增量與注入電子數的增量之比4）轉換效率定義為激光器達到閾值后，輸出光子數的增量與注入電

LD

LED工作波長λ/μm1.31.551.31.55譜線寬度Δλ/nm1～21～350～10060～120閾值電流Ith/mA20～3030～60

工作電流I/mA

50～150100～150輸出功率P/mW5～105～101～51～3入纖功率P/mW1～31～30.1～0.30.1～0.2調制帶寬B/MHz500～2000500～100050～15030～100輻射角θ/（°）20×3020×5030×12030×120壽命t/h106～107105～106108107工作溫度/℃-20～50-20～50-20～50-20～50

LDLED4.4光調制根據調制與光源的關系，光調制可分為直接調制和間接調制兩大類。從調制信號的形式來說，光源的調制又可分為模擬信號調制和數字信號調制。4.4光調制根據調制與光源的關系，光調制可分為直接調制和1．直接調制與間接調制1）光源的直接調制—光強度調制光源的直接調制又稱為光源的內部調制，它是將調制信號直接作用在光源上，把要傳送的信息轉變為電信號注入到LD或LED，獲得相應的光信號。~1．直接調制與間接調制1）光源的直接調制—光強度調制~2）光源的外部調制光源的間接調制通常稱為光源的外部調制，它是由恒定光源輸出激光后，外加光調制器對光進行調制聲光調制電光調制磁光調制恒定光源光調制器電調制信號輸入光信號輸出~2）光源的外部調制聲光調制恒定光源光調制器電調制信號輸入光信2．模擬信號與數字信號的直接調制模擬信號調制是直接用連續的模擬信號(如話音、電視等信號)對光源進行調制，這類調制要考慮到非線性失真的問題。2．模擬信號與數字信號的直接調制模擬信號調制是直接用連續的模數字信號調制是直接用數字信號對光源進行調制。數字信號調制是直接用數字信號對光源進行調制。3、LD調制特性(1)電光延遲（0.5-2.5ns）注入電流電子密度光子密度3、LD調制特性(1)電光延遲注入電流電子密度光子密度(2)張馳振蕩(3)碼型效應(4)小信號輸入的頻率響應(5)大信號輸入的頻率響應(2)張馳振蕩4.5光發送機在光纖通信系統中，光發送機是實現電光轉換的光端機。其功能是將來自于電端機的電信號對光源發出的光波進行調制，成為已調光波，然后再將已調的光信號耦合到光纖或光纜中去傳輸。4.5光發送機在光纖通信系統中，光發送機是實1．光發送機的要求1）有合適的輸出光功率（入纖功率）

0.01—5mW2）良好的消光比3）調制特性要好1．光發送機的要求1）有合適的輸出光功率（入纖功率）2．光發送機的組成光發送機的組成包括輸入電路，反饋穩定驅動電路，光源與光纖的耦合、自動溫度控制電路、自動功率控制電路及保護電路等。光發送機有直接調制光發送機和外部調制光發送機兩種結構。2．光發送機的組成光發送機的組成包括輸入電路，反饋穩定驅動電直接調制的光發送機較為簡單，所以目前使用的光發射機大多數是直接調制的光發送機，它的原理如圖所示。直接調制的光發送機較為簡單，所以目前使用的光發射機大多數是直外部調制電路目前采用的不多，但在超高速光纖系統更具有優越性，有較好的發展前景，它的原理如圖所示。外部調制電路目前采用的不多，但在超高速光纖系統更具有優越性，3．輸入電路輸入電路的功能是實現電端機（PCM）輸入的信號轉換成能在光纖線路傳輸碼型的信號。3．輸入電路輸入電路的功能是實現電端機（PCM）輸入的信號轉4．調制電路光源的調制是指在光纖通信系統中，由承載信息的數字電信號對光波進行調制使其載荷信息。光源調制電路也稱為驅動電路，不同光端機的驅動電路組成也不相同，最常見的是差分電流開關電路。4．調制電路光源的調制是指在光纖通信系統中，由承載信息的數字（1）共發射極LED驅動電路常用的LED直接調制電路為共發射極LED驅動電路。

（1）共發射極LED驅動電路單管集電極LD驅動電路LD的預偏置電流IB由電阻RB支路提供。BG工作在導通-截止的開關狀態。當Vin為“0”碼時，則BG截止，LD上只有電流IB流過，故LD不發出激光；當Vin為“1”碼時，則BG導通，LD上有電流IM+IB流過，故LD發出激光。單管集電極驅動電路適用于低速率光纖通信系統。單管集電極LD驅動電路LD的預偏置電流IB由電阻RB支路提供2）射極耦合跟隨器LD驅動電路3）反饋穩定LD驅動電路4）集成激光驅動器2）射極耦合跟隨器LD驅動電路圖中，半導體三極管BG1、BG2通過射極電阻Re耦合形成電流開關。BG1、BG2輪流工作在導通-截止的開關狀態。當Vin為“0”碼時，則BG1導通、BG2截止，LD上只有電流IB流過，故LD不發出激光；當Vin為“1”碼時，則BG1截止、BG2導通，LD上有電流IM+IB流過，故LD發出激光。射極耦合電流開關驅動電路適用于中速率和高速率光纖通信系統。射極耦合電流開關型LD驅動電路圖中，半導體三極管BG1、BG2通過射極電阻Re耦合形成電流射極耦合電流開關型LED驅動電路BG1、BG2形成射極耦合電流開關，工作在導通、截止狀態。BG3和穩壓二極管DZ構成恒流源電路，穩定驅動電流IM。Vb3穩定→Ib3穩定→Ic3(即Ie1+Ie2)穩定→Ic2即IM穩定（此時BG1截止、BG2導通）。穩壓二極管DZ對LED的輸出光功率還有溫度補償作用：工作溫度↑→VDZ↑→Vb3↑→Ib3↑→Ic3↑→Ic2即IM↑（此時BG1截止、BG2導通）→LED光功率↑→補償了LED輸出光功率的負溫度特性射極耦合電流開關型LED驅動電路BG1、BG2形成射極耦合電5．光源與光纖的耦合

激光器和光纖的耦合方式大致有兩種：直接耦合和透鏡耦合。（1）直接耦合這種耦合方法通常只適用于多模光纖。5．光源與光纖的耦合激光器和光纖的耦合方式大致有兩種：直接2）透鏡耦合

邊發光LED和LD一般可以采用用圓柱透鏡或采用大數值孔徑的自聚焦透鏡與光纖耦合，如圖所示。自聚焦透鏡2）透鏡耦合邊發光LED和LD一般可以采用用圓柱透鏡或采用單模光纖的芯徑細，模斑尺寸小，故半導體激光器與單模光纖的耦合困難更大。有時可用一種簡單有效的耦合結構，如圖4-5-10所示。耦合效率：50%——60%單模光纖的芯徑細，模斑尺寸小，故半導體激光器與單模光纖的耦合6．激光器組件和光發射模塊在一個相對緊密的結構中包含了多少元器件或電路塊，即相對緊密結構的集成單元數量，小的集成單元數稱之為組件，大的集成單元數稱之為模塊。根據用途不同，模塊的種類也越來越多，除了光發射模塊外還有光接收模塊、光發射接收模塊等。6．激光器組件和光發射模塊在一個相對緊密的結構中包含了多少元自動功率控制電路（APC）一、功能APC電路的作用是，穩定LD輸出光功率，使其不隨溫度升高和使用時間增長而改變。影響LD輸出光功率不穩定的因素有：①溫度升高，則Ith增大，且P-I曲線斜率ΔP/ΔI減小，使輸出光功率減小，甚至停止發射激光；②使用時間增長，則Ith亦增大，且ΔP/ΔI減小，使輸出光功率減小。自動功率控制電路（APC）一、功能APC電路的作用是，穩定L二、典型電路：平均光功率控制型APC電路該電路由輸入通道、負反饋控制環路和參考通道三大部份組成。二、典型電路：平均光功率控制型APC電路?輸入通道、負反饋控制環路：輸入通道是BG1、BG2、LD、RB、L構成的射極耦合電流開關型LD驅動電路，L是用來阻止脈沖式交流IM流入IB回路。負反饋控制環路則由光檢測器件PIN、運算放大器A1和A3、半導體三極管BG3等組成。負反饋控制環路的工作流程是：LD輸出光功率↓→PIN輸出電流↓→A1輸出電壓↓→Vp↓→A3輸出電壓↑→BG3基極電流↑→BG3集電極電流（即IB）↑→LD輸出光功率↑?輸入通道、負反饋控制環路：輸入通道是BG1、BG?參考通道：由運算放大器A2等組成。（1）提供合適的參考電平Vr，使不同的LD能得到所需要的IB。（2）當輸入通道無信號輸入或輸入信號為長連“0”碼時，參考通道能使反饋控制過程不動作，避免誤碼發生。?參考通道：由運算放大器A2等組成。（1）提供合適的參考電注意：如果溫度過高則不能采用該方法。因為溫度過高，導致Ith很大，使LD輸出光功率下降很多，經APC作用后則IB增加很大，致使LD管芯溫度進一步升高，使Ith更大，如此惡性循環下去，會燒壞LD。注意：如果溫度過高則不能采用該方法。因為溫度過高，自動溫度控制電路（ATC）一、功能使LD管芯的工作溫度保持在20℃左右，以提高LD的工作穩定性和壽命。二、典型電路：半導體致冷型ATC電路自動溫度控制電路（ATC）一、功能使LD管芯的工作溫?電阻R1、R2、R3和熱敏電阻Rt一起構成惠斯登電橋，電橋對角兩端連接到運算放大器A的差動輸入端，運放A的輸出端連接到半導體三極管BG的輸入端，BG的發射極連接有致冷器。致冷器與LD、PIN和熱敏電阻緊密放置在一起。?電阻R1、R2、R3和熱敏電阻Rt一起構成惠斯登電橋，電橋?圖中選用負溫度系數的熱敏電阻，即熱敏電阻Rt的阻值大小與所測量的溫度成反比。?惠斯登電橋的平衡條件是：R1Rt=R2R3，此時Va=Vb。即在平衡條件下，惠斯登電橋對角兩端電位相等。?圖中選用負溫度系數的熱敏電阻，即熱敏電阻Rt的阻值大小與所（1）確定標準工作狀態①首先確定LD管芯工作溫度，通常取為20℃；②查知該溫度下熱敏電阻Rt(20℃)之阻值大小；③選取R1=R2，R3=Rt(20℃)。于是，此狀態下Va=Vb，故A無差動信號輸入，因而A無輸出電壓，以致BG無基流，使得BG無足夠射極電流Ie，所以20℃狀態下致冷器不致冷。（1）確定標準工作狀態①首先確定LD管芯工作溫度，通常取為2（2）動態控制過程LD管芯溫度↑→熱敏電阻溫度↑→Rt阻值↓→Vb↓→A的輸出電壓↑→BG基流↑→致冷電流Ie產生→致冷器致冷→LD管芯溫度↓。（2）動態控制過程LD管芯溫度↑→熱敏電阻溫度↑→Rt阻值↓成本低常用半導體激光器LD和發光二極管LED課件第4章光源和光發射機本章內容4.1半導體的能帶理論4.2發光二極管4.3半導體激光器4.4光調制4.5光發送機小結、習題第4章光源和光發射機本章內容概述一，光通信對光源的要求合適的波長0，而且光譜窄足夠的入纖光功率P良好的調制特性（響應速度快）穩定性好，壽命長，成本低概述一，光通信對光源的要求合適的波長0，而且光譜窄常用半導體激光器LD和發光二極管LED；二，采用半導體光源的理由體積小，易與光纖耦合發光波長適合光纖的低損耗傳輸窗口可以電光直接調制可靠性較高常用半導體激光器LD二，采用半導體光源的理由體積小，易與光纖4.1半導體的能帶理論1.半導體的能帶半導體的主要特征是它們的內部原子有規則地、周期性地排列著。作共有化運動的電子受到周期性排列著的原子的作用，它們的勢能具有晶格的周期性。因此，晶體的能譜在原子能級的基礎上按共有化運動的不同而分裂成若干組。雖然在半導體中能級還是離散的，但是每組中能級彼此靠得很近，組成有一定寬度的帶。人們把這些組想象為很寬的連續的能量區，稱為能帶。4.1半導體的能帶理論1.半導體的能帶能級理論：原子由原子核和核外沿固定軌道旋轉的電子組成；電子在特定的能級中運動，并通過與外界交換能量發生能級躍遷；能級所對應的能量值是離散的。能級理論：鍺、硅和GaAs等都是共價晶體。形成共價鍵的價電子所占據的能帶稱為價帶。價帶下面的能帶是被電子占滿了，稱為滿帶。價帶上面的能帶稱為導帶。價帶和導帶之間的寬度，不能被電子占據,因此稱為禁帶。鍺、硅和GaAs等都是共價晶體。形成共價鍵的價電子所占據的能（1）半導體的禁帶很窄，價帶中的電子較易進入導帶。導帶中的電子在外場作用下運動而參與導電。（3）金屬導體沒有禁帶，可顯示很強的導電性。（2）絕緣體的禁帶很寬，價帶中的電子很難進入導帶，導電性很差。外場

價帶導帶價帶導帶價帶導帶（1）半導體禁帶禁帶外場（2）絕緣體（3）金屬（1）半導體的禁帶很窄，價帶中的電子較易進入導帶。導帶中的電半導體光源：在注入電流作用下，電子從低能級躍遷到高能態，形成粒子數反轉，電子再從高能態躍遷到低能態產生光子而發光。半導體光檢測器：注入光作用下，電子從低能態躍遷到高能態，并在外加電場作用下形成光生電流。半導體光源：在注入電流作用下，電子從低能級躍遷到高能態，形成處于高能態（導帶）電子不穩定，向低能態（價帶）躍遷，而能量以光子形式釋放出來，發射光子的能量hυ等于導帶價帶能量差，即hυ＝Ec-Ev＝Eg。發光過程：自發發射：處于高能態的電子按照一定的概率自發地躍遷到低能態上，并發射一個能量為E2-E1的光子；受激發射：處在高能態的電子在外界光場的感應下，發射一個和感應光子一模一樣的光子，躍遷到低能態。處于高能態（導帶）電子不穩定，向低能態（價帶）躍遷，自發發射光子隨機地向各個方向發射，每次發射沒有確定的相位關系——非相干光。LED通過自發發射過程發光。受激發射光子的發射方向、相位、頻率都與激發它們的光子相同——相干光。LD通過受激發射過程發光。由于價帶和導帶之間是多個能級參與輻射，所以半導體發射的光存在一定的光譜寬度。自發發射受激發射由于價帶和導帶之間是多個能級光吸收：處于低能態電子，如果受到外來光的照射，當光子能量等于或大于禁帶能量時，光子將被吸收而使電子躍遷到高能態。光吸收過程：受激吸收：如果入射光子的能量hν近似等于E2-E1，光子能量就會被吸收，同時基態上的電子躍遷到高能態。半導體光檢測器基于這種效應。自發發射、受激發射和受激吸收三種過程是同時存在的。光吸收：處于低能態電子，如果受到外來光的照射，當光子能量等于考慮兩能級原子系統。在單位物質中，處于低能級E1和高能級E2的原子數分別為N1和N2。系統處于熱平衡狀態時，服從玻爾茲曼統計分布：考慮兩能級原子系統。在單位物質中，處于低能級E1和高N1>N2：在熱平衡狀態下，自發發射居支配地位，不能發射相干光。N2>N1：受激輻射大于受激吸收，當光通過這種物質時，產生放大作用。這種分布和正常狀態的分布相反，稱為粒子數反轉。N1>N2：費米能級----在熱平衡下電子占據能級的概率0.510TT式中，玻爾茲曼常數

K是絕對溫度當K=0,E<Eff(E)=1E>Eff(E)=0E=Eff(E)=0.5如則f(E)<0.7%當K>0如則f(E)>99.3%費米能級位置高低反映電子占據能級的水平（近似認為以上無電子）費米能級----在熱平衡下電子占據能級的概率0.510TT式成本低常用半導體激光器LD和發光二極管LED課件成本低常用半導體激光器LD和發光二極管LED課件2.半導體PN結的形成當一個P型半導體和一個N型半導體有了物理接觸時，就形成一個PN結。GaAs摻Ge或Zn→P型2345GaAs摻Te或Si→N型34652.半導體PN結的形成當一個P型半導體和一個N型半導體有了物N型半導體中過剩電子占據了本征半導體的導帶。P型半導體中過剩空穴占據了價帶。本征半導體的費米能級位于帶隙中間；N型摻雜將使費米能級向導帶移動，P型摻雜使費米能級向價帶移動；對于重摻雜N型半導體，費米能級位于導帶內——兼并型N型半導體；對于重摻雜P型，費米能級位于價帶內——兼并型P型半導體；N型半導體中過剩電子占據了本征半導體的導帶。本征半導體的費米雙兼并型半導體：非熱平衡狀態時，在Efc和Efv之間形成了一個粒子數反轉區域。如果入射光波能量滿足：則經過雙兼并型半導體時將得到放大。雙兼并型半導體：PN結具有單向導電性當PN結加上正向電壓時，外加電壓的電場方向消弱了自建場，P區的空穴通過PN結流向N區，N區的電子也流向P區，形成正向電流。由于P區的空穴和N區的電子都很多，所以這股正向電流是大電流。當PN結加反向電壓時，外電場的方向和自建場相同，多數載流子將背離PN結的交界面移動，使空間電荷區變寬。空間電荷區內電子和空穴都很少，它變成高阻層，因而反向電流非常小。PN結具有單向導電性當PN結加上正向電壓時，外加電壓的電場方正向偏壓：P區空穴不斷流向N區，N區電子流向P區，通過復合發光。自發發射復合——LED受激發射復合——LD反向偏壓：區域內電子和空穴都很少，形成高阻區。正向偏壓：一個熱平衡系統只能有一個費米能級。處于熱平衡狀態時，PN結兩側的費米能級相等。如果N區的能級位置保持不變，則P區的能級應該提高。P區N區一個熱平衡系統只能有一個費米能級。處于熱平衡狀態時，PN結當正向電壓加大到某一值后，PN結里出現了增益區(有源區)。Efc和Efv之間價帶主要由空穴占據，導帶主要由電子占據，即實現了粒子數反轉。當正向電壓加大到某一值后，PN結里出現了增益區(有源區)。3.同質結和異質結同質結就是在PN結的兩邊使用相同的半導體材料。采用同質結結構的激光器或發光二極管存在如下兩個問題。首先是對光波的限制不完善。另一方面的問題是對載流子的限制不完善。因此，為了降低同質結半導體激光器的閾值電流，就要從上述兩個方面來進行改進。

3.同質結和異質結同質結就是在PN結的兩邊使用相同的半導體材雙異質結：在寬帶隙的P型和N型半導體材料之間插進一薄層窄帶隙的材料。雙異質結：在寬帶隙的P型和N型半導體材料之間插進一薄異質結(heterojunction)1,本征材料①②--寬帶隙材料，如：組分x改變折射率n帶隙Eg損耗2,分類反型異質結同型異質結P型GaAs—N型GaAlAsN型GaAs—P型GaAlAsP型GaAs—P型GaAlAsN型GaAs—N型GaAlAs異質結(heterojunction)1,本征材料①②-3,構成例單異質結（SH）異質結作用區雙異質結（DH）作用區異質結3,構成例單異質結異質結作用區雙異質結作用

雙異質結(DH)是窄帶隙有源區(GaAs)材料被夾在寬帶隙的材料(GaAlAs)之間構成。增加載流子的注入效率形成光波導效應降低閾值電流帶隙差形成的勢壘將電子和空穴限制在有源區復合發光；折射率使光場（光子）有效地限制在有源區。雙異質結(DH)是窄帶隙有源區(GaAs)材料被夾4.2發光二極管的工作原理發光二極管(LED)是低速、短距離光通信系統中常用光源。目前廣泛采用PN異質結制造。LED的原理是在LED注入正向電流時，注入的非平衡載流子在擴散過程中發光。LED是非相干光源，它的發光過程是自發輻射過程，發出的是熒光，它沒有光學諧振腔，是無閾值器件。4.2發光二極管的工作原理發光二極管(LED)是低速、短距1.LED的結構和工作原理正向電壓V提供的外加能量激發了處于導帶的電子和空穴進入耗盡區并且發生復合，促使發光二極管LED產生了能量。與普通二極管以熱能的方式釋放能量不同，LED將大部分產生的能量以可見光的方式釋放出來。1.LED的結構和工作原理正向電壓V提供的外加光功率電流N——電子數目η——量子效率Ep——光子能量光功率電流N——電子數目LED可分為面發光二極管和邊發光二極管兩大類

1)面發光二極管（SLED）Surface從平行于結平面的表面發光。LED可分為面發光二極管和邊發光二極管兩大類1)面發光二極SLED光束呈朗伯分布：P=P0cosθSLED特點：工藝簡單。發散角大。效率低。調制帶寬較窄。SLED光束呈朗伯分布：P=P0cosθSLED特點：為提高面發光LED與光纖的耦合效率：在井中放置一個截球透鏡；或者將光纖末端形成球透鏡。為提高面發光LED與光纖的耦合效率：2）邊發光二極管（ELED）Edge邊發光二極管結構，1.31μm，雙異質結InGaAsP/InP。核心部分是一個N-AlGaAs有源層，及其兩邊的P-AlGaAs和N-AlGaAs導光層(限制層)。導光層的折射率比有源層低，但比其他周圍材料的折射率高，從而有源層產生的光波從端面發射出來。2）邊發光二極管（ELED）Edge邊發光二極管結構，1.ELED特點：發散角、耦合效率和調制帶寬均比面發光LED有改善。ELED特點：LED有如下工作特性：1)LED的光譜特性它的譜線寬度較寬，對高速率調制是不利的。短波長長波長LED有如下工作特性：短波長長波長2）LED的輸出光功率特性

LED的P-I曲線線性范圍較大，當驅動電流I較小時，P-I曲線的線性較好，在進行調制時，動態范圍大，信號失真小。工作電流入纖光功率：幾百微瓦輸出光功率：幾十毫瓦2）LED的輸出光功率特性LED的P-I曲線線性范圍較大，3）耦合特性

發散角耦合效率低SLED4）溫度特性

溫度特性較好典型漸變折射率62.5/125光纖的NA是0.2753）耦合特性發散角耦合效率低SLED4）溫度特性溫度特性5）載流子生存周期和調制帶寬

SLEDELED輻射復合生存期非輻射復合生存期5）載流子生存周期和調制帶寬SLEDELED輻射復合生存期4.3半導體激光器半導體激光器（LD）主要適用于長距離大容量的光纖通信系統。尤其是單縱模半導體激光器，在高速率、大容量的數字光纖通信系統中得到廣泛應用。近年來逐漸成熟的波長可調諧激光器是WDM光纖通信系統的關鍵器件，越來越受到人們的關注。4.3半導體激光器半導體激光器（LD）主要適1、光纖通信對半導體激光器的主要要求半導體激光器(LD)是光纖通信最主要的光源，對它的基本要求有以下幾點：（1）光源應在光纖的三個低損耗窗口工作，即發光波長為0.85μm、1.31μm或1.55μm。（2）光源的譜線寬度較窄，Δλ=0.1～1.0nm。（3）能提供足夠的輸出功率，可達到10mW以上。（4）與光纖耦合效率高，30%～50%。（5）能長時間連續工作，工作穩定，提供足夠的輸出光功率。1、光纖通信對半導體激光器的主要要求2、LD的工作原理半導體激光器的組成工作物質激勵源光學諧振腔半導體激光器產生激光輸出的基本條件：粒子數反轉分布光反饋激光振蕩的閾值條件2、LD的工作原理在熱平衡下具有統一的費米能級兩異型半導體一接觸開始，載流子擴散運動占優勢但擴散形成勢壘，不僅有礙擴散，而且導致反向漂移。最終，擴散運動和漂移運動相互平衡，能帶彎扭，E

f電子勢能孔穴勢能（就導帶的電子而言：P區的較N區的高出勢能,

同理對于孔穴勢能：N區的比P區的高

）從而具有統一的費米能級在熱平衡下具有統一的費米能級兩異型半導體一接觸E

f電子勢能孔穴勢能外加正偏壓下，（勢壘降低）在結區形成集居數分布反轉~+_載流子復合輻射發光E電孔外加正偏壓下3.常用半導體激光器1）法布里—珀羅激光器普通的半導體激光器一般采用條形結構雙異質結半導體激光器(BHLD)，光學諧振腔為法布里－珀羅腔(F－P)，它可以分為兩類，即增益波導LD和折射率波導LD。3.常用半導體激光器1）法布里—珀羅激光器L駐波條件及諧振頻率諧振腔總損耗（平均衰減系數）L駐波條件及諧振頻率諧振腔總損耗（平均衰減系數）FP腔中滿足諧振條件的縱模是均勻分布的：縱模間距：FP腔中滿足諧振條件的縱模是均勻分布的：縱模間距：利用縱模間距：可計算激光器的腔長：主導模式：最靠近增益峰的模式。多模激光器：主模及其臨近的兩個邊模同時振蕩利用縱模間距：可計算激光器的腔長：主導模式：最靠近增益峰的模（2）動態單縱模半導體激光器所謂動態單縱模半導體激光器(SLM-LD)，就是指在高速調制下仍能單縱模工作的半導體激光器。目前，比較成熟的單縱模激光器有分布反饋激光器DFB及耦合腔激光器

（2）動態單縱模半導體激光器所謂動態單縱模半導體激光器(SL分布反饋半導體激光器(DFB-LD)，它是在異質結激光器具有光放大作用的有源層附近，刻上波紋狀的周期的光柵來構成的，如圖示。波長選擇性分布反饋半導體激光器(DFB-LD)，它是在異質結激光器具有由于分布反饋激光器的這種工作方式，使得它具有極強的波長選擇性，從而實現動態單縱模工作。單縱模LD中除了一個主模外，其它縱模都被抑制了，同時主模的譜線寬度非常窄，通常小于1nm，用于高速光纖通信系統是非常理想的。由于分布反饋激光器的這種工作方式，使得它具有極強的波長選擇性（3）量子阱激光器為了進一步提高激光發射效率，可以使用一種特殊的制造技術來得到特別薄的激活區，厚度大概在4-20nm，這種技術被稱為量子阱激光器。量子激光器的主要優點在于閾值電流低，線寬窄，較高的光電轉換效率，對輸出光束更高的限制，以及發射更多可能波長光線的能力。（3）量子阱激光器為了進一步提高激光發射效率，可以使用一種特4．激光器LD的工作特性（1）P-I曲線閾值特性線性特性4．激光器LD的工作特性（1）P-I曲線閾值特性線性特性2)光譜特性

GaAsLD的光譜特性曲線如圖所示。單縱模與多縱模峰值波長譜線寬度（-20dB）2)光譜特性單縱模與多縱模峰值波長譜線寬度（-20dB）3)溫度特性（1）閾值電流Ith隨溫度的升高而加大，為了使光纖通信系統穩定、可靠地工作，一般都要采用自動溫度控制電路，來穩定激光器的閾值電流和輸出光功率。（2）激光二級管的中心波長λ隨溫度升高而增加。3)溫度特性4）轉換效率定義為激光器達到閾值后，輸出光子數的增量與注入電子數的增量之比4）轉換效率定義為激光器達到閾值后，輸出光子數的增量與注入電

LD

LED工作波長λ/μm1.31.551.31.55譜線寬度Δλ/nm1～21～350～10060～120閾值電流Ith/mA20～3030～60

工作電流I/mA

50～150100～150輸出功率P/mW5～105～101～51～3入纖功率P/mW1～31～30.1～0.30.1～0.2調制帶寬B/MHz500～2000500～100050～15030～100輻射角θ/（°）20×3020×5030×12030×120壽命t/h106～107105～106108107工作溫度/℃-20～50-20～50-20～50-20～50

LDLED4.4光調制根據調制與光源的關系，光調制可分為直接調制和間接調制兩大類。從調制信號的形式來說，光源的調制又可分為模擬信號調制和數字信號調制。4.4光調制根據調制與光源的關系，光調制可分為直接調制和1．直接調制與間接調制1）光源的直接調制—光強度調制光源的直接調制又稱為光源的內部調制，它是將調制信號直接作用在光源上，把要傳送的信息轉變為電信號注入到LD或LED，獲得相應的光信號。~1．直接調制與間接調制1）光源的直接調制—光強度調制~2）光源的外部調制光源的間接調制通常稱為光源的外部調制，它是由恒定光源輸出激光后，外加光調制器對光進行調制聲光調制電光調制磁光調制恒定光源光調制器電調制信號輸入光信號輸出~2）光源的外部調制聲光調制恒定光源光調制器電調制信號輸入光信2．模擬信號與數字信號的直接調制模擬信號調制是直接用連續的模擬信號(如話音、電視等信號)對光源進行調制，這類調制要考慮到非線性失真的問題。2．模擬信號與數字信號的直接調制模擬信號調制是直接用連續的模數字信號調制是直接用數字信號對光源進行調制。數字信號調制是直接用數字信號對光源進行調制。3、LD調制特性(1)電光延遲（0.5-2.5ns）注入電流電子密度光子密度3、LD調制特性(1)電光延遲注入電流電子密度光子密度(2)張馳振蕩(3)碼型效應(4)小信號輸入的頻率響應(5)大信號輸入的頻率響應(2)張馳振蕩4.5光發送機在光纖通信系統中，光發送機是實現電光轉換的光端機。其功能是將來自于電端機的電信號對光源發出的光波進行調制，成為已調光波，然后再將已調的光信號耦合到光纖或光纜中去傳輸。4.5光發送機在光纖通信系統中，光發送機是實1．光發送機的要求1）有合適的輸出光功率（入纖功率）

0.01—5mW2）良好的消光比3）調制特性要好1．光發送機的要求1）有合適的輸出光功率（入纖功率）2．光發送機的組成光發送機的組成包括輸入電路，反饋穩定驅動電路，光源與光纖的耦合、自動溫度控制電路、自動功率控制電路及保護電路等。光發送機有直接調制光發送機和外部調制光發送機兩種結構。2．光發送機的組成光發送機的組成包括輸入電路，反饋穩定驅動電直接調制的光發送機較為簡單，所以目前使用的光發射機大多數是直接調制的光發送機，它的原理如圖所示。直接調制的光發送機較為簡單，所以目前使用的光發射機大多數是直外部調制電路目前采用的不多，但在超高速光纖系統更具有優越性，有較好的發展前景，它的原理如圖所示。外部調制電路目前采用的不多，但在超高速光纖系統更具有優越性，3．輸入電路輸入電路的功能是實現電端機（PCM）輸入的信號轉換成能在光纖線路傳輸碼型的信號。3．輸入電路輸入電路的功能是實現電端機（PCM）輸入的信號轉4．調制電路光源的調制是指在光纖通信系統中，由承載信息的數字電信號對光波進行調制使其載荷信息。光源調制電路也稱為驅動電路，不同光端機的驅動電路組成也不相同，最常見的是差分電流開關電路。4．調制電路光源的調制是指在光纖通信系統中，由承載信息的數字（1）共發射極LED驅動電路常用的LED直接調制電路為共發射極LED驅動電路。

（1）共發射極LED驅動電路單管集電極LD驅動電路LD的預偏置電流IB由電阻RB支路提供。BG工作在導通-截止的開關狀態。當Vin為“0”碼時，則BG截止，LD上只有電流IB流過，故LD不發出激光；當Vin為“1”碼時，則BG導通，LD上有電流IM+IB流過，故LD發出激光。單管集電極驅動電路適用于低速率光纖通信系統。單管集電極LD驅動電路LD的預偏置電流IB由電阻RB支路提供2）射極耦合跟隨器LD驅動電路3）反饋穩定LD驅動電路4）集成激光驅動器2）射極耦合跟隨器LD驅動電路圖中，半導體三極管BG1、BG2通過射極電阻Re耦合形成電流開關。BG1、BG2輪流工作在導通-截止的開關狀態。當Vin為“0”碼時，則BG1導通、BG2截止，LD上只有電流IB流過，故LD不發出激光；當Vin為“1”碼時，則BG1截止、BG2導通，LD上有電流IM+IB流過，故LD