光纤通信课件 第4章 光源和光发射机

I 驱动电流
输入电信号
t
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直接调制光发射机
输入 电信号
驱动 电路
光源 LED 或LD
控制
(a)直接调制
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输出 光信号
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光外腔调制发射机框图
输入 电信号
编码
驱动
光源 LD
外调 制器
(b)外调制
输出 光信号
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外调制示意图
LD 输出 连续光波
电调制信号
调源自文库后的光波
电信号 放大器
调制光
LD
外调 制器
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第4章 光源和光发射机
4.1 概述 4.2 发光机理 4.3 半导体激光器 4.4 波长可调半导体激光器 4.5 垂直腔表面发射激光器 4.6 半导体激光器的特性 4.7 高速光发射机
电子从高能带跃迁到低能带把电能转变成光能的
器件叫 LED。《光纤通信》（第3版）原荣 编著
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自发辐射---LED工作原理
当电子返回低能级时，它们各自独立地分 别发射一个一个的光子。因此，这些光波 可以有不同的相位和不同的偏振方向，它 们可以向各自方向传播。
同时，高能带上的电子可能处于不同的能 级，它们自发辐射到低能带的不同能级上， 因而使发射光子的能量有一定的差别，使 这些光波的波长并不完全一样。
第4章 光源和光发射机
4.1 概述 4.2 发光机理 4.3 半导体激光器 4.4 波长可调半导体激光器 4.5 垂直腔表面发射激光器 4.6 半导体激光器的特性 4.7 高速光发射机
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4.1 概述
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。 光发射机的关键器件是光源：
在这些光场作用下，受激发射和受激吸收过程 同时发生，受激发射和受激吸收发生的概率相 同。
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。
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最常用的光源
光纤通信中最常用的光源是:
半导体激光器（LD）
发光二极管（LED）
尤其是单纵模（或单频）LD，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
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图4.2.1 半导体发光原理
E
能 量
EFn Ec
eV Eg
Ev EFp
导带费米能级
电子 hv 光 子
空穴
价带费米能级
E Eg Ec Ev hv
c v
hc 1.2398（m）
E E
状态密度
在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带；
如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带） 上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出；
LED LD
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光纤通信对光源的要求
光源发射的峰值波长，应在光纤低损耗窗口之内;
有足够高的、稳定的输出光功率，以满足系统对光中 继段距离的要求; 电光转换效率高，驱动功率低，寿命长，可靠性高;
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；
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; 强度噪声要小，以提高模拟调制系统的信噪比;
光子
Ec
吸收光子后 产生电子 (输出电流)
Ev
(c) 光 探 测 器 件 — 光 的 吸 收
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自发辐射
---LED 工作原理
h
Ec
h
Ev
光的自 发辐射
发光二极管—光的自发辐射
如果把电流注入到半导体中的P-N结上，则原子 中占据低能带的电子被激励到高能带后；
当电子从高能带跃迁到低能带时，将自发辐射出 一个光子，其能量为 hv。
因此，自发辐射的光是一种非相干光。
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光接收器件 原理
输入 h
光子
Ec
吸收光子后 产生电子 (输出电流)
Ev (c) 光 探 测 器 件 — 光 的 吸 收
如果把光照射到占据低能带的电子上；
则该电子吸收光子能量后，激励而跃迁到 较高的能带上。
在半导体结上外加电场后（反向电压）， 可以在外电路上取出处于高能带上的电子， 使光能转变为电流。
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当有入射光场存在时，受激吸收过程与受激发 射过程同时发生，哪个过程是主要的，取决于 电子密度在两个能带上的分布。
若高能带上电子密度高于低能带上的电子密度， 则受激发射是主要的，反之受激吸收是主要的。
激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时， 高能带中的电子密度增加，这些电子自发地由 高能带跃迁到低能带发出光子，形成激光器中 初始的光场。
这时发出的光，其《波光长纤通基信》本（第上3版由）原能荣带编著差所决定。
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图4.2.2 光的自发辐射、 受激发射和吸收
h Ec
h
Ev
光的自 发辐射
(a) 发 光 二 极 管 — 光 的 自 发 辐 射
输 入 Ec h
Ev
h 输出
光的受 激发射
(b) 激 光 器 — 光 的 受 激 发 射
输入 h
越受到人们的关注。
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常用的调制方法
直接调制 注入调制电流实现光波强度调制 外调制 通过外腔调制器对光的强度、相位或频 率进行调制
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模 拟 信 号 对
LD 直 接 调 制
P
激 光 器 输 出 功 率
P-I曲 线 Pb
Ith Ib
输出光信号 t
这就是将在第五章中叙述的光接收器件。
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受激发射和受激吸收
受激发射----能量等于导带和价带能级差的 光所激发而发出与之同频率、同相位的光； 受激吸收----当晶体中有光场存在时，处在 低能带某能级上的电子在入射光场的作用 下，吸收一个光子而跃迁到高能带某能级 上。在这个过程中能量保持守恒。 受激吸收的概率与受激发射的概率相同。
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4.2.1 发光机理
我们知道，白炽灯是把被加热钨原子的一部分 热激励能转变成光能，发出宽度为1 000 nm 以 上的白色连续光谱。
发光二极管（LED）却是通过电子在能带之间 的跃迁，发出频谱宽度在几百 nm 以下的光。
在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的 能带。如果占据高能带（导带）的电子跃迁到 低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带 能量）以光的形式放出。这时发出的光，其波 长基本上由能带差所决定。