第五章 光源与光发送机
5.1 半导体光源的物理基础
5.2 半导体光源的工作原理
5.3 光源的工作特性
5.4 光 发 送 机
5.5 驱动电路和辅助电路
5.1 半导体光源的物理基础
5.1.1 孤立原子的能级和半导体的能带
1.
原子是由原子核和围绕原子核旋转的电子构成 。 围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值,只能取特定的离散值,这种现象称为电子能量的量子化 。
2.
在大量原子相互靠近形成半导体晶体时,由于半导体晶体内部电子的共有化运动,使孤立原子中离散能级变成能带 。
在图 5.2中,半导体内部自由运动的电子 (简称自由电子 )所填充的能带称为导带；
价电子所填充的能带称为价带；导带和价带之间不允许电子填充,所以称为禁带,
其宽度称为禁带宽度,用 Eg表示,单位为电子伏特 (eV)。
图 5.2 半导体的能带结构
5.1.2
1.
处于高能级的电子状态是不稳定的,
它将自发地从高能级 (在半导体晶体中更多是指导带的一个能级 )运动 (称为跃迁 )到低能级 (在半导体晶体中更多是指价带的一个能级 )与空穴复合,同时释放出一个光子 。
由于不需要外部激励,所以该过程称为自发辐射 。
根据能量守恒定律,自发辐射光子的
hν12=E2-E1
式中,h 为 普 朗 克 常 数,其值为
6.626× 10-34J·s； ν12为光子的频率； E2为高能级能量； E1为低能级能量 。
2.
在外来光子的激励下,电子从高能级跃迁到低能级与空穴复合,同时释放出一个与外来光子同频,同相的光子 。 由于需要外部激励,所以该过程称为受激辐射 。
3.
在外来光子激励下,电子吸收外来光子能量而从低能级跃迁到高能级,变成自由电子 。
5.1.3
1.
在热平衡状态下,高能级上的电子数要少于低能级上电子数 。
2.
为了使物质发光,就必须使其内部的自发辐射和 /或受激辐射几率大于受激吸收的几率,这一点我们已经在介绍光与物质的相互作用过程中提及过 。
有多种方法可以实现能级之间的粒子数反转分布状态,这些方法包括光激励方法,电激励方法等 。
5.2 半导体光源的工作原理
5.2.1 发光二极管的工作原理半 导 体发 光 二极 管 ( Light-emitting
Diode,LED)基本应用 GaAlAs和 InGaAsP
材料,可以覆盖整个光纤通信系统使用波长范围,典型值为 0,85μm,1.31μm及
1.55μm。
1.
按照器件输出光的方式,可以将发光二极管分为三种类型结构：表面发光二极管,边发光二极管及超辐射发光二极管 。
2.
(1) LED的能带结构
(2) LED
LED的工作原理可以归纳如下：当给
LED外加合适的正向电压时,Pp结之间的势垒 (相对于空穴 )和 Np结之间的势垒 (相对于电子 )降低,大量的空穴和电子分别从 P
区扩散到 p区和从 N区扩散到 p区 (由于双异质结构,p区中外来的电子和空穴不会分别扩散到 P区和 N区 ),在有源区形成粒子数反转分布状态,最终克服受激吸收及其他衰减而产生自发辐射的光输出 。
5.2.2 激光二极管的工作原理在结构上,半导体激光二极管 (Laser
Diode,LD)与其他类型的激光器是相同的,
都主要由三部分构成：激励源,工作物质及谐振腔 。
1.
(1)
在双异质结构的 LD中,通常采用具有横模限制作用的激光二极管结构,这种激光二极管称为条形激光二极管 (Stripe
Laser Diode,SLD)或窄区激光二极管 。
一种增益波导型激光二极管的类型结构如图 5.6所示,图中虚线之间的部分为电流流经的区域 。
图 5.6 一种扩散条形激光二极管一种折射率波导型激光二极管的结构如图 5.7所示。
图 5.7 拱棱波导条形激光二极管
(2)
一般地,普通激光二极管只能工作于多纵模状态,其增益峰值附近的数个模式携带着大部分的输出光功率 。
①
在分布反馈 (Distributed Feedback，
DFB)机理激光二极管中,通过谐振腔和具有频率选择反馈功能的光栅共同完成反馈作用 。
②
模式选择也可以采用耦合腔结构实现,
其基本机理为：虽然两个谐振腔具有各自不同的振荡纵模,但是当两个谐振腔放在一起构成耦合腔 (或复合腔 )时,这时只有两个谐振腔中相同的纵模才能成为耦合腔的振荡纵模,再加上增益谱的作用,最终实现了模式选择功能 。
③
出现较晚的量子阱 (Quantum Well，
QW)激光二极管,已经在实际系统尤其是相干传输系统和波分复用系统中得到广泛应用 。
④
波长可调谐单频激光二极管是波分复用系统,相干光通信系统及光交换网络的关键器件,其主要性能指标包括调谐速度和波长调谐范围 。
2.
(1) LD
在结构上,LD与 LED的主要区别是
LD有谐振腔,而 LED没有谐振腔 。
(2) LD
LD的工作原理可以归纳如下：当给
LD外加适当的正向电压时,由于有源区粒子数的反转分布而首先发生自发辐射现象,
那些传播方向与谐振腔高反射率界面垂直的自发辐射光子会在有源层内部边传播,边发生受激辐射放大 (其余自发辐射光子均被衰减掉 ),直至传播到高反射率界面又被反射回有源层,再次向另一个方向传播受激辐射放大 。 如此反复,直到放大作用足以克服有源层和高反射率界面的损耗后,就会向高反射率界面外面输出激光 。
5.3 光源的工作特性
5.3.1 LED
1,P-I
LED的 P-I特性如图 5.11所示 。 就 P-I
特性曲线整体而言,由于没有阈值而使
LED具有非常优良的线性 。
图 5.11 LED的 P-I特性
2.
LED的光谱特性如图 5.12所示 。 在图中,λ0为 LED的峰值工作波长 (典型值为
0.85μm,1.31μm和 1.55μm)； Δλ为谱线宽度,其定义为光强度下降到最大值一半时对应的波长宽度 。
图 5.12 LED的光谱特性
3.
在一级近似和平均工作电流不变的条件下,发光二极管的输出功率与调制信号式中,P (0)是频率为 0时 LED输出的光功率值； τe是有源区少数载流子的寿命 。
4.
温度特性主要影响到 LED的平均发送光功率,P-I特性的线性及工作波长 。
5.3.2 LD
1,LD的 P-I
LD的 P-I特性如图 5.13所示 。 就 P-I特性曲线整体而言,由于存在阈值现象,整体线性不如 LED。
图 5.13 LD的 P-I特性从 P-I特性还可以引出两个基本参数：
微分量子效率和功率转换效率 。 微分量子效率可以定义为输出光子数的增量与注入电子数的增量之比,表达式为：
式中,ΔP为发送光功率增量,ΔI为驱动电流增量 。 曲线越陡,微分量子效率越大 。
功率转换效率定义为输出光功率与消耗的电功率之比,
式中,V是 PN结的正向电压； Rs是 LD
的串联电阻 (包括半导体材料的体电阻和接触电阻 )。
2.
LD的光谱特性如图 5.14所示 。 在图中,
λ0为 LED的峰值波长 (典型值为 0.85μm、
1.31μm和 1.55μm)； Δλ为谱线宽度,其定义为纵模包络或主模光强度下降到最大值一半时对应的波长宽度 。
图 5.14 LD的光谱特性
3.
在对 LD进行直接调制时,激光二极管的输出功率与调制信号频率的关系为：
式中,P(0)是频率为 0时 LD输出的光功率值； fr为 LD的类共振频率,ζ是 LD的阻尼因子 。
4.
与 LED比较,温度主要对 LD的阈值电流,输出光功率及峰值工作波长影响较大 。 为了降低温度对 LD的影响,可以采用两种方法：选择温度特性优异的新型 LD，
或通过一个外加的自动温度控制电路,使
LD的温度特性能够满足系统的要求 。
5.3.3 光源的主要技术指标及
1.
几种国产半导体光源的主要技术指标如表 5.1所示 。
2.
在没有任何测试仪表或测试手段的情况下,可以通过 PN结的测试来初步判断光源器件的好坏 。
5.4 光 发 送 机
5.4.1
1.
(1) 按照光源与调制信号的关系分类根据光源与调制信号的关系,可以将光源的调制方式分为直接调制方式和外部 (或间接 )调制方式 。
所谓直接调制方式,是指直接将调制信号施加在光源上来完成光源参数的调制过程 。
(2)
根据已调制信号的性质,可以将光源的调制方式分为模拟调制方式和数字调制方式 。
模拟调制方式是指已调制信号属于模拟信号,
这 种 调 制 方 式 主 要 包 括 强 度 调 制 ( Intensity
Modulation,IM) 方式,振幅调制 ( Amplitude
Modulation,AM) 方式,双 边 带 抑 制 载 波
(Double Sideband/Suppressing Carrier,DSB/SC)
调制方式,单边带 (Single Sideband,SSB)调制方式及残余边带 (Vestigial Sideband,VSB)调制方式 。
数字调制方式是指已调制信号属于数字信号，这种调制方式主要包括幅移键控
(Amplitude-shifted Keying,ASK)调制方式、频移键控 (Frequency-shifted Keying，
FSK)调制方式及相移键控 (Phase-shifted
Keying,PSK)
2.
由于其他调制方式应用极少,因此我们在这里仅仅给出用电场表示的,常用强度调制方式的已调制信号表达式：
式中,KT为与发送光功率有关的正常数； m为调制系数 (0＜ m≤1)； x(t)为归一化幅度的调制信号波形； ωc为光载波角频率,
φ0为初相位 。
5.4.2 光发送机的构成及指标
1.
一般地,光发送机主要由光源,驱动电路及辅助电路等构成 。
2,
光发送机的指标很多，我们仅从应用
(1)
平均发送光功率又称为平均输出光功率，通常是指光源尾巴光纤的平均输出光功率。
(2)
消光比定义为最大平均发送光功率与最小平均发送光功率之比,通常用符号 EX
表示：
若用相对值表示,
5.5 驱动电路和辅助电路
5.5.1
1.
一个优良的驱动电路应该满足以下条件：
(1) 能够提供较大的,
(2) 有足够快的响应速度,最好大于光源的
(3) 保证光源具有稳定的输出特性 。
2.
能够满足上述要求的,最简单的驱动电路是共发射极驱动电路,如图 5.16所示 。
共发射极驱动电路的工作原理如下所述：当输入数据信号为,0” 时,晶体三极管 VT处于截止状态,LED中没有电流流过,
因此 LED不发光；当输入数据信号为,1”
时,晶体三极管 VT工作于饱和状态,LED
中有较大的电流流过,所以 LED发光 。
图 5.16 共射极驱动电路
5.5.2
1,自动功率控制电路
(1)
能够完成自动功率控制功能的电路很多,主要包括普通电参数控制电路和光电反馈控制电路 。
在光发送机中,光电反馈控制电路应用最多 。
(2)
图 5.18所示是一个典型 LD自动功率控制电路,其自动功率控制电路的工作原理如下所述：当由于温度原因使 LD输出光功率降低时,流过 PD(通常为 PINPD)的电流减小,A1放大器反向输入端电位增大,A1
放大器输出端电位降低 (即 A2放大器反向输入端电位降低 )。
图 5.18 典型的 APC电路
2.
从前面的内容可以知道,LD的输出特性与温度有着密切的关系 。 为了保证光发送机具有稳定的输出特性,对 LD的温度特性进行控制是非常必要的,而且对 LD的温度控制也是保护 LD的一项关键措施 。
当温度进一步增大时,A2放大器的反向输入端电位会继续减小,A2放大器的输出端电位会继续增大,使二极管 VD导通,
晶体三极管 VT的基极电位就被箝位于 A2放大器的输出端电位,不再随着温度的上升而继续上升,从而有效地保证了半导体制冷器的安全 。
5.1 半导体光源的物理基础
5.2 半导体光源的工作原理
5.3 光源的工作特性
5.4 光 发 送 机
5.5 驱动电路和辅助电路
5.1 半导体光源的物理基础
5.1.1 孤立原子的能级和半导体的能带
1.
原子是由原子核和围绕原子核旋转的电子构成 。 围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值,只能取特定的离散值,这种现象称为电子能量的量子化 。
2.
在大量原子相互靠近形成半导体晶体时,由于半导体晶体内部电子的共有化运动,使孤立原子中离散能级变成能带 。
在图 5.2中,半导体内部自由运动的电子 (简称自由电子 )所填充的能带称为导带；
价电子所填充的能带称为价带；导带和价带之间不允许电子填充,所以称为禁带,
其宽度称为禁带宽度,用 Eg表示,单位为电子伏特 (eV)。
图 5.2 半导体的能带结构
5.1.2
1.
处于高能级的电子状态是不稳定的,
它将自发地从高能级 (在半导体晶体中更多是指导带的一个能级 )运动 (称为跃迁 )到低能级 (在半导体晶体中更多是指价带的一个能级 )与空穴复合,同时释放出一个光子 。
由于不需要外部激励,所以该过程称为自发辐射 。
根据能量守恒定律,自发辐射光子的
hν12=E2-E1
式中,h 为 普 朗 克 常 数,其值为
6.626× 10-34J·s； ν12为光子的频率； E2为高能级能量； E1为低能级能量 。
2.
在外来光子的激励下,电子从高能级跃迁到低能级与空穴复合,同时释放出一个与外来光子同频,同相的光子 。 由于需要外部激励,所以该过程称为受激辐射 。
3.
在外来光子激励下,电子吸收外来光子能量而从低能级跃迁到高能级,变成自由电子 。
5.1.3
1.
在热平衡状态下,高能级上的电子数要少于低能级上电子数 。
2.
为了使物质发光,就必须使其内部的自发辐射和 /或受激辐射几率大于受激吸收的几率,这一点我们已经在介绍光与物质的相互作用过程中提及过 。
有多种方法可以实现能级之间的粒子数反转分布状态,这些方法包括光激励方法,电激励方法等 。
5.2 半导体光源的工作原理
5.2.1 发光二极管的工作原理半 导 体发 光 二极 管 ( Light-emitting
Diode,LED)基本应用 GaAlAs和 InGaAsP
材料,可以覆盖整个光纤通信系统使用波长范围,典型值为 0,85μm,1.31μm及
1.55μm。
1.
按照器件输出光的方式,可以将发光二极管分为三种类型结构：表面发光二极管,边发光二极管及超辐射发光二极管 。
2.
(1) LED的能带结构
(2) LED
LED的工作原理可以归纳如下：当给
LED外加合适的正向电压时,Pp结之间的势垒 (相对于空穴 )和 Np结之间的势垒 (相对于电子 )降低,大量的空穴和电子分别从 P
区扩散到 p区和从 N区扩散到 p区 (由于双异质结构,p区中外来的电子和空穴不会分别扩散到 P区和 N区 ),在有源区形成粒子数反转分布状态,最终克服受激吸收及其他衰减而产生自发辐射的光输出 。
5.2.2 激光二极管的工作原理在结构上,半导体激光二极管 (Laser
Diode,LD)与其他类型的激光器是相同的,
都主要由三部分构成：激励源,工作物质及谐振腔 。
1.
(1)
在双异质结构的 LD中,通常采用具有横模限制作用的激光二极管结构,这种激光二极管称为条形激光二极管 (Stripe
Laser Diode,SLD)或窄区激光二极管 。
一种增益波导型激光二极管的类型结构如图 5.6所示,图中虚线之间的部分为电流流经的区域 。
图 5.6 一种扩散条形激光二极管一种折射率波导型激光二极管的结构如图 5.7所示。
图 5.7 拱棱波导条形激光二极管
(2)
一般地,普通激光二极管只能工作于多纵模状态,其增益峰值附近的数个模式携带着大部分的输出光功率 。
①
在分布反馈 (Distributed Feedback，
DFB)机理激光二极管中,通过谐振腔和具有频率选择反馈功能的光栅共同完成反馈作用 。
②
模式选择也可以采用耦合腔结构实现,
其基本机理为：虽然两个谐振腔具有各自不同的振荡纵模,但是当两个谐振腔放在一起构成耦合腔 (或复合腔 )时,这时只有两个谐振腔中相同的纵模才能成为耦合腔的振荡纵模,再加上增益谱的作用,最终实现了模式选择功能 。
③
出现较晚的量子阱 (Quantum Well，
QW)激光二极管,已经在实际系统尤其是相干传输系统和波分复用系统中得到广泛应用 。
④
波长可调谐单频激光二极管是波分复用系统,相干光通信系统及光交换网络的关键器件,其主要性能指标包括调谐速度和波长调谐范围 。
2.
(1) LD
在结构上,LD与 LED的主要区别是
LD有谐振腔,而 LED没有谐振腔 。
(2) LD
LD的工作原理可以归纳如下：当给
LD外加适当的正向电压时,由于有源区粒子数的反转分布而首先发生自发辐射现象,
那些传播方向与谐振腔高反射率界面垂直的自发辐射光子会在有源层内部边传播,边发生受激辐射放大 (其余自发辐射光子均被衰减掉 ),直至传播到高反射率界面又被反射回有源层,再次向另一个方向传播受激辐射放大 。 如此反复,直到放大作用足以克服有源层和高反射率界面的损耗后,就会向高反射率界面外面输出激光 。
5.3 光源的工作特性
5.3.1 LED
1,P-I
LED的 P-I特性如图 5.11所示 。 就 P-I
特性曲线整体而言,由于没有阈值而使
LED具有非常优良的线性 。
图 5.11 LED的 P-I特性
2.
LED的光谱特性如图 5.12所示 。 在图中,λ0为 LED的峰值工作波长 (典型值为
0.85μm,1.31μm和 1.55μm)； Δλ为谱线宽度,其定义为光强度下降到最大值一半时对应的波长宽度 。
图 5.12 LED的光谱特性
3.
在一级近似和平均工作电流不变的条件下,发光二极管的输出功率与调制信号式中,P (0)是频率为 0时 LED输出的光功率值； τe是有源区少数载流子的寿命 。
4.
温度特性主要影响到 LED的平均发送光功率,P-I特性的线性及工作波长 。
5.3.2 LD
1,LD的 P-I
LD的 P-I特性如图 5.13所示 。 就 P-I特性曲线整体而言,由于存在阈值现象,整体线性不如 LED。
图 5.13 LD的 P-I特性从 P-I特性还可以引出两个基本参数：
微分量子效率和功率转换效率 。 微分量子效率可以定义为输出光子数的增量与注入电子数的增量之比,表达式为：
式中,ΔP为发送光功率增量,ΔI为驱动电流增量 。 曲线越陡,微分量子效率越大 。
功率转换效率定义为输出光功率与消耗的电功率之比,
式中,V是 PN结的正向电压； Rs是 LD
的串联电阻 (包括半导体材料的体电阻和接触电阻 )。
2.
LD的光谱特性如图 5.14所示 。 在图中,
λ0为 LED的峰值波长 (典型值为 0.85μm、
1.31μm和 1.55μm)； Δλ为谱线宽度,其定义为纵模包络或主模光强度下降到最大值一半时对应的波长宽度 。
图 5.14 LD的光谱特性
3.
在对 LD进行直接调制时,激光二极管的输出功率与调制信号频率的关系为：
式中,P(0)是频率为 0时 LD输出的光功率值； fr为 LD的类共振频率,ζ是 LD的阻尼因子 。
4.
与 LED比较,温度主要对 LD的阈值电流,输出光功率及峰值工作波长影响较大 。 为了降低温度对 LD的影响,可以采用两种方法：选择温度特性优异的新型 LD，
或通过一个外加的自动温度控制电路,使
LD的温度特性能够满足系统的要求 。
5.3.3 光源的主要技术指标及
1.
几种国产半导体光源的主要技术指标如表 5.1所示 。
2.
在没有任何测试仪表或测试手段的情况下,可以通过 PN结的测试来初步判断光源器件的好坏 。
5.4 光 发 送 机
5.4.1
1.
(1) 按照光源与调制信号的关系分类根据光源与调制信号的关系,可以将光源的调制方式分为直接调制方式和外部 (或间接 )调制方式 。
所谓直接调制方式,是指直接将调制信号施加在光源上来完成光源参数的调制过程 。
(2)
根据已调制信号的性质,可以将光源的调制方式分为模拟调制方式和数字调制方式 。
模拟调制方式是指已调制信号属于模拟信号,
这 种 调 制 方 式 主 要 包 括 强 度 调 制 ( Intensity
Modulation,IM) 方式,振幅调制 ( Amplitude
Modulation,AM) 方式,双 边 带 抑 制 载 波
(Double Sideband/Suppressing Carrier,DSB/SC)
调制方式,单边带 (Single Sideband,SSB)调制方式及残余边带 (Vestigial Sideband,VSB)调制方式 。
数字调制方式是指已调制信号属于数字信号，这种调制方式主要包括幅移键控
(Amplitude-shifted Keying,ASK)调制方式、频移键控 (Frequency-shifted Keying，
FSK)调制方式及相移键控 (Phase-shifted
Keying,PSK)
2.
由于其他调制方式应用极少,因此我们在这里仅仅给出用电场表示的,常用强度调制方式的已调制信号表达式：
式中,KT为与发送光功率有关的正常数； m为调制系数 (0＜ m≤1)； x(t)为归一化幅度的调制信号波形； ωc为光载波角频率,
φ0为初相位 。
5.4.2 光发送机的构成及指标
1.
一般地,光发送机主要由光源,驱动电路及辅助电路等构成 。
2,
光发送机的指标很多，我们仅从应用
(1)
平均发送光功率又称为平均输出光功率，通常是指光源尾巴光纤的平均输出光功率。
(2)
消光比定义为最大平均发送光功率与最小平均发送光功率之比,通常用符号 EX
表示：
若用相对值表示,
5.5 驱动电路和辅助电路
5.5.1
1.
一个优良的驱动电路应该满足以下条件：
(1) 能够提供较大的,
(2) 有足够快的响应速度,最好大于光源的
(3) 保证光源具有稳定的输出特性 。
2.
能够满足上述要求的,最简单的驱动电路是共发射极驱动电路,如图 5.16所示 。
共发射极驱动电路的工作原理如下所述：当输入数据信号为,0” 时,晶体三极管 VT处于截止状态,LED中没有电流流过,
因此 LED不发光；当输入数据信号为,1”
时,晶体三极管 VT工作于饱和状态,LED
中有较大的电流流过,所以 LED发光 。
图 5.16 共射极驱动电路
5.5.2
1,自动功率控制电路
(1)
能够完成自动功率控制功能的电路很多,主要包括普通电参数控制电路和光电反馈控制电路 。
在光发送机中,光电反馈控制电路应用最多 。
(2)
图 5.18所示是一个典型 LD自动功率控制电路,其自动功率控制电路的工作原理如下所述：当由于温度原因使 LD输出光功率降低时,流过 PD(通常为 PINPD)的电流减小,A1放大器反向输入端电位增大,A1
放大器输出端电位降低 (即 A2放大器反向输入端电位降低 )。
图 5.18 典型的 APC电路
2.
从前面的内容可以知道,LD的输出特性与温度有着密切的关系 。 为了保证光发送机具有稳定的输出特性,对 LD的温度特性进行控制是非常必要的,而且对 LD的温度控制也是保护 LD的一项关键措施 。
当温度进一步增大时,A2放大器的反向输入端电位会继续减小,A2放大器的输出端电位会继续增大,使二极管 VD导通,
晶体三极管 VT的基极电位就被箝位于 A2放大器的输出端电位,不再随着温度的上升而继续上升,从而有效地保证了半导体制冷器的安全 。
