现代通信技术第3版魏东兴光纤CH3章节(930KB).pptVIP

尚辅网 / 第3章 光源和光发射机 本章内容： 3.1 光发射机的基本组成 3.2 半导体光源的发光机理 3.3 半导体激光器（LD） 3.4 发光二极管（LED） 3.5 光源的调制及驱动电路 3.6 激光器的控制电路 3.1 光发射机的基本组成 核心器件：光源，对光源的要求： (1) 发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，即中心波长应在0.85μm、1.31μm或1.55μm附近。光谱单色性要好，即谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。 (2) 电/光转换效率要高，即要求在足够低的驱动电流下，有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。发射光束的方向性要好，即远场的辐射角要小，以利于提高光源与光纤之间的耦合效率。 (3) 允许的调制速率要高或响应速度要快，以满足系统的大传输容量的要求。 (4) 器件应能在常温下以连续波方式工作，要求温度稳定性好，可靠性高，寿命长。 (5) 器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。 3.2 半导体光源的发光机理 1.能带结构 2. 发射光子的能量： h?=Ec?E?=Eg 3. 粒子数反转分布条件 高能级的电子数大于低能级的电子数 ，以实现光放大。 3.2.1 光辐射和粒子数反转分布 3.2.2 PN结的能带和电子分布 能级被电子占据的概率 ： Ef为费米能级 ，50% 1.通过搀杂，P、N型半导体 粒子数反转分布的条件（3-3）式 通常是热平衡的 能量驱动：加热或正向偏置 实现：粒子数反转分布的条件式（3-3） PN结：P型半导体和N型半导体结合 3.3 半导体激光器（LD） 3.3.1 形成激光振荡的两个条件 具有增益介质，可产生粒子数反转分布 重掺杂的PN结在正向偏压 具有正反馈的光学谐振机制 自然解理面构成的法布里一珀罗（F－P）谐振腔 3.3.2 F－P腔半导体激光器 自然解理面构成的F－P谐振腔 在自然解理面上，由于增益区折射率n与空气的折射率n0=1不同而构成反射镜 F-P腔半导体激光器的基本构成 双异质结（DH）结构 3.3.3 分布反馈（DFB）激光器 与DFB结构上类似的——分布布喇格反射（DBR）激光器： 与DFB不同之处是，DBR激光器的波纹光栅在有源区的外面，从而避免了在制作光栅过程中造成的晶格损伤。 DFB结构上的特点：激光振荡不由反射镜面来提供，而由折射率周期性变化的波纹光栅来提供. 3.3.3 分布反馈（DFB）激光器 DFB工作原理 用布喇格（Bragg）反射来说明：波纹光栅是由于材料折射率的周期性变化而形成的，它为受激辐射产生的光子提供周期性的反射点，在一定的条件下，所有的反射光同相相加，形成某方向光的主极强。 波纹结构可以取正弦波形或非正弦波（如方波、三角波）。考虑图3-11所示的布喇格反射，I、I?、I?? 等光束满足同相位相加的条件(布喇格反射条件)为: 2n?+B = m?/n （3-7） 式中，?是波纹光栅的周期，也称为栅距； m为整数；n为材料等效折射率；?为波长. 对应特定的?和?，有一个对应的?，使各个反射波为相长干涉。DFB激光器的分布反馈是?＝?/2的布喇格反射，这时有源区的光在栅条间来回振荡。此时的布喇格条件是 2n?=m? （3-9） 3.3.3 分布反馈（DFB）激光器 所以应用非常广泛 DFB的优点 （1）单纵模振荡 F-P腔激光器的发射光谱，由增益谱和激光器纵模特性共同确定。由于谐振腔的长度较长，导致纵模间隔小，相邻纵模间的增益差别小，所以得到单纵模振荡非常困难。DFB激光器的发射光谱，主要由光栅周期?决定，?对应F-P腔LD的腔长L，每一个?形成一个微型谐振腔。由于?的长度很小，所以m阶和m＋1阶模之间的波长间隔比F-P腔大得多，加之多个微型谐振腔的选模作用，很容易设计成只有一个模式能获得足够的增益。因此，DFB激光器总是设计成单纵模振荡。 （2）谱线窄 波长稳定性好 由于DFB激光器的每一个栅距?相当于一个F-P腔，因此，布喇格反射可比作多级调谐，使谐振波长的选择性大大提高，谱线明显变窄，DFB激光器的谱线宽度可以窄到只有几GHz。光栅的作用有助于使发射波长锁定在谐振波长上，使波长的稳定性改善。 （3）动态谱线好 DFB激光器在高速调制时仍然保持单模特性，这是F-P腔激光器所无法达到的。尽管DFB激光器