第三章 光发射机第章 光发射机.doc

第 3 章 光发射机 3．1 概论 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。 Components of an optical transmitter 光发射机的关键器件是光源，光纤通信对光源的要求可以概括为： ( 1 ）光源发射的峰值波长，应在光纤低损耗窗口之内; ( 2 ）有足够高的、稳定的输出光功率； ( 3 ）电光转换效率高，驱动功率低，寿命长，可靠性高； ( 4 ）单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高光源和光纤的耦合效率； ( 5 ）易于调制，响应速度快，以利于高速率、大容量数字信号的传输； ( 6 ）强度噪声要小，以提高模拟调制系统的信噪比； ( 7 ）光强对驱动电流的线性要好，以保证有足够多的模拟调制信道。 光纤通信中最常用的光源是半导体激光（ LD ）和发光二极管（ LED ) ，尤其是单纵模（或单频）半导体激光器，在高速率、大容量的数字光纤系统中得到广泛应用。近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是多信道 WDM 光纤通信系统的关键器件，越来越受到人们的关注。 对半导体光源可以进行直接调制，即注入调制电流而实现光波强度调制。 直接调制光发射机框图 上图是按数字调制设计的，如果采用模拟调制，除编码电路外，其他结构完全相同。信号经复用和编码后，通过调制器对光源进行光强度调制。发送光的一部分反馈到光源的输出功率稳定电路，即光功率控制（ AGC ）电路。因为输出光功率与温度有关，一般还加有自动温度控制（ ATC ）电路。 外部调制光发射机框图 上图是采用外部调制器的光发射机电路，光源发出的连续光信号，送入外部调制器，信息信号经复用、编码后通过外部调制器对连续光的强度、相位或频率进行调制。 大多数情况均采用直接调制光载波的调制方式，但是在高速率 DWDM 系统和相干检测系统中必须采用光的外部调制。 光发射机的比特速率常常由电子器件所限制，而不是半导体激光器本身。合理的设计可使光发射端机工作在 10 ~15 Gb/s 速率。 3．1半导体激光器 一、半导体发光机制 激光器的英文写法是laser，它是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的字首组合词，是通过受激辐射使光放大的意思。为实现这一目的，一个激光器应具备3个部分：增益介质、谐振腔和泵浦源，如图。泵浦源的作用是给增益介质提供能量，使增益介质中的处于高能态的粒子数大于高能态的粒子数，即实现粒子数反转。增益介质可以提供一定带宽的增益谱，使通过增益介质并处于这一带宽内光子得到受激放大。这时，，g称为增益系数。(而对于损耗，)。谐振腔的作用主要有两个，一是增加光波通过增益介质的次数，即等效地延长增益介质的长度。二是起着选模的作用，使得频率为或满足的光波得到受激放大。 以上所说的增益介质、谐振腔和泵浦源是任何激光器所必备的部件。对于半导体激光器也是如此。 下图是早期的pn结半导体激光器。这里，增益介质就是半导体pn结，谐振腔是由半导体的解理面构成，泵浦源是电流源。 通常，半导体激光器发射的光子能量接近带隙能量。发光波长和带隙能量用下面的式子估计 在第2个等式后面，Eg的单位是eV，?的单位是?，它们分别表示Ga和As含量的百分比。P和As都是5价原子。如果在原来的GaAs晶体中用P取代一部分As，那么晶体的结构以及类型不会改变，只是改变能带和晶格常数。同样，Ga和In都是3价原子。如果在原来的GaAs晶体中用In取代一部分Ga，那么晶体的结构以及类型也不会改变，只是改变能带和晶格常数。原则上，通过改变x或y的值，在一定的范围内就可以得到想要的带隙，也就得到想要的发射波长。但是，在光通信波段的半导体激光器的制造过程中，通常是以InP材料为衬底的，然后在它的表面外延生长GaxIn1-xAsyP1-y材料。这就要求外延生长的材料的晶格常数要与InP材料的晶格常数(0.587nm)一致。否则的话，半导体材料中就会出现缺陷，从而影响半导体激光器的发光质量和半导体激光器的寿命。外延生长的材料的晶格常数要与衬底材料一致的情况，也称为晶格匹配。在晶格匹配的限制下，x和y的值就不能随便取了。在与InP材料晶格匹配的限制下，x和y之间有如下关系： 在这种情况下，带隙为 (指无掺杂情况) 一般情况下，在的整个范围内，所得到的的半导体材料不一定就是直接带隙半导体。但是，在时，由，得到， 。在这个取值范围内，半导体材料就是直接带隙半导体。所对应的波长范围是。 下图是p-n结的形成过程。 当本征半导体的两边分别掺杂不同类型的杂质时，由于浓度差的作用，n区的多数载流子电子和p区的多数载流子空穴分别向p区和n区扩散。这样在p区和n区的分界面附近，n区由于电子扩散到p区而留下不能移动