现代光纤通信技术3光接收机与光发射机

率服从费米分布函数
f (E)
1 E Ef 1 exp KT

E：某一能级的能量值；K：波尔兹曼常数，k＝1.38×10－23 J/K； T：绝对温度；Ef：费米能级。

费米能级是反映电子在各能级中分布情况的参量

当E-Ef<<KT,能级几乎被电子占据 当E-Ef>>KT,能级几乎被空穴占据
的光在栅条间来回振荡。此时的布拉格条件为：
2ne L m0
光栅的周期长度为时L，只有满足布拉格反射条件波长为λ0
下仍维持单纵模输出。 的光波，才能产生激光振荡，因而使激光器得到单频输出。
由于分布馈激光器是由光栅来选择单纵模，因而在高速调制 DFB激光器的谱线窄，其线宽大约为普通型激光器线宽的

产生激光的三个先决条件：


要有一个合适的激光工作物质（发光介质）。 需要一个能保证粒子数反转分布的激励能源——泵浦源。 把激光工作物质置于光学谐振腔。
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激光器的构成
反射镜 L 部分反射镜
激光输出
满足粒子数反转分布的激光工作物质
激光器的构成图

所谓光学谐振腔，最简单实现的办法就是在激光工作 物质两端分别加上一块平面反射镜，使受激辐射产生 的光子在两块反射镜之间往复反射，两块反射镜中的 一块，其反射率理想情况应为100％，另一块需要开一 个孔以便输出激光，故反射率应在90％左右。
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DH-LD的工作原理
限制层 E 有源层 限制层 电子
复合
空穴
异质势垒
LD形成激光需要具备两个基本条件：一是有源区里产生足够的粒
子数反转分布，二是存在光学谐振腔机制，并在有源区里建立起 稳定的振荡。
施加正向偏压后，注入到有源层的电子和空穴被限制在有源层内
形成粒子数反转分布，
激活区空穴－电子对复合辐射出激光
N1 E 2 E1 exp N2 KT

k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数， T为绝对温度。

由于（E2-E1）>0，T>0，所以在热平衡状态下，总 是N1>N2，这说明电子总是首先占据能量低的能级。
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三种能级跃迁的方式

自发辐射：高能级E2上的电子不稳定，会按一定的概 率自发地跃迁到低能机E1上与空穴复合，释放的能量 以光子的形式辐射。
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光谱特性

单模激光(SLM):光谱只有1根谱线，谱线峰值波长称为 中心波长，谱线宽度小于0.1nm，光谱很窄。 多模激光(MLM):光谱有多根谱线，对应于多个中心波长， 其中最大峰值波长称为主中心波长，该模式也称为主模， 其它的模式称为边模，谱线宽度为几个纳米。
相 1.0 对 光 强 0.5 相 对 光 强
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双异质结(DH)LD
限制层P-InP
有源层GaxIn1-xAsyP1-y 限制层N-InP N-InP衬底



这种结构由三层不同类型的半导体材料组成，不同材料发射不同的光波 长。 结构中间有一层厚0.1～0.3的窄带隙P型半导体，称为有源层；两侧分 布为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。三层半导体置于基片 （衬底）上。 前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里－珀罗（F-P）谐振腔。
DFB激光器的结构
DFB LD的周期性沟槽在有源 层波导两外侧的无源波导层 上，这两个无源的光栅波导 充当Bragg反射镜的作用。

只有在Bragg频率附近的光波 才能满足振荡条件，从而发 射出激光。

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布拉格反射原理
如图所示的布拉格反射，在与反射方向垂直的平面上，各反射 波的相位必须相同，因此反射波的路程差必须为波导波长的整数倍。

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施加正向偏置电压的能级图

正向电压施加以后，削弱了原有自建场，使势垒 降低。 在这种非热平衡状态下，费米能级随之发生了分 裂，在PN结出现了两个准费米能级，N区和P区的 准费米能级分别为Efc和Efv 。 在正电压的作用下，P区的空穴和N区的电子不断 地注入PN结区，这样使得PN结形成了一个增益区， 也称为有源区。有源区内导带主要由电子占据， 价带主要由空穴占据，从而实现了粒子数反转， 半导体激光器的激射就发生在这个增益区即有源 区。
1.0 垂 方 直 向 水 方 平 向

P层 N层

//
O
相 对 0.5 光 强 0 -50 0 50 发散 （ ） 角 度
有源层 （a）水平发散角和垂直发散角
（b）远场光强分布曲线
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转换效率与输出光功率特性

激光器的电/光转换效率用外微分量子效率d：在阈值电 流上，每对载流子产生的光子数。
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各种半导体中电子的统计分布
导带 禁带 价带 Ef
Ef
Ef
(a)本征半导体
(b)兼并型P型半导体
(c)兼并型N型半导体


本征半导体在低温下，费米能级处于禁带的中心位置。 P型半导体，由于受主杂质的掺入，费米能级的位置比本征半导体要低，处于 价带顶和受主杂质能带之间。 对于重掺杂的P型半导体，杂质能带和价带连成一片，费米能级进入价带，称 为兼并型P型半导体。 兼并型N型半导体中施主杂质能带和导带连成一片，费米能级进入导带。 12

粒子数反转分布状态：如果外界向物质提供了能量，就会使
得低能级上的电子获得能量大量地激发到高能级上去，像一个泵 不断地将低能级上的电子“抽运”到高能级上，我们称这个能量 为激励或者泵浦过程，从而达到高能级上的粒子数N2大于低能级 上的粒子数N1的分布状态，这种状态称为粒子数反转分布状态。

光放大过程:当物质粒子数反转分布状态下，高能级上的大量电
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产生激光的阈值与相位条件

阈值条件——光的增益和损耗应满足的平衡条件 ：
G 0 i 1 1 ln 2 L R 1R 2
G0:光功率的小信号增益系数; i:损耗系数; L:光学谐振 腔的长度; R1、R2：激光器两个反射镜的反射率。

相位条件——在谐振腔中，只有满足相位平衡条 件的光波，才能往复反射能得到加强：
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热平衡下的能级图

热平衡系统只能有一个费米能级，这就要求在P区和N 区高低不同的费米能级达到相同的水平，如果N区的 能级位置保持不变，那么P区的能级应该提高，从而使 PN结的能带发生弯曲。 PN结能带的弯曲正反映了空 间电荷区的存在。 在空间电荷区内，自建场从N区指向P区，这说明P区 相对于N区为负电荷，用-VD来表示，叫做接触电位差 或叫PN结的势垒高度，P区所有能级的电子都附加了(e0).(-VD)=e0 VD的位能，从而使P区的能带相对于N区来 说提高了 e0 VD 。
子就会在受到外来入射光子的激发下，发射出与入射光子的频率、 相位、偏振方向、传播方向完全相同的激发光，这样，就实现了 用一个弱的入射光激发出一个强的出射光的光放大过程。
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激光器的一般工作原理

激光器的产生
激光器是1960年由美国人梅曼发明的新型光源，利用受激 辐射原理，是一种方向性好、强度很高、相干性好的光源。
( P Pth ) / hf P e d ( I I th ) / e I hf
P Pth
d hf
e
( I I th )
P和I：激光器的输出光功率和驱动电流；
Pth和Ith分别为相应的阈值； hf和e分别为光子能量和电子电荷。
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温度特性

激光器输出光功率随温度而变化 如图所示。 变化规律产生有两个原因：一是 激光器的阈值电流随温度升高而 增大，二是外微分量子效率随温 度升高而减小。 阈值电流与温度的关系可表示为:
1/10左右，从而使色散的影响大为降低，可以实现速率为 Gb/s的超高速传输。
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半导体激光器的工作特性


阈值特性
光谱特性
LD的方向特性
转换效率与输出光功率特性
温度特性
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阈值特性
输出光功率（mW）
3
50

Ith 100
150
注入电流（mA)
阈值电流Ith 当激光器的注入电流I<Ith时，激光器发出荧光； 当I>Ith时，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增 加，激光器发出激光。
第三章
光发送机和光接收机
1
本章内容
§3.1 激光产生的物理基础
§3.2 半导体激光器和发光二极管
§3.3 光源的调制
§3.4 光发送机 §3.5 光检测器件 §3.6 光接收机
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§3.1 激光产生的物理基础

能级：原子由原子核和核外电子组成，核外电子围绕原 子核旋转，每个电子的运行轨道并不相同，各代表不同 的量子态，在最里层的轨道上量子态所取的能量最低， 最外层的轨道量子态能量最高，这些不同的轨道运行时 相应的能量值称为能级。 能级图就是用一系列高低 不同的水平横线来表示各 个量子态所能取的能级E1、 E2、E3、E4……，同一能 级往往有好几个量子态， 根据泡利不相容原理，同 一量子态不可能有两个电 子。

波长
波长
单模激光
多模激光
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LD的方向特性


LD的方向性是指LD输出光束的空间发散程度。 远场光强下降到最大值一半之处时，在垂直于p-n结平面的 方向上，对LD输出端面的张角大小，称为垂直发散角，用 来表示。 在平行于p-n结平面的方向上，对LD输出端面的张角大小， 称为平行发散角，用//来表示。
2 2L 2q q
q=1，2，3……; q:光在激光工作物质中传播时的波长; n: 折射率; L : 谐振腔的腔长
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§3.2 半导体激光器和发光二极管 LD的发光原理

本征半导体的能带分布：EV（价带），Eg（禁带），EC（导带） 费米－狄拉克统计分布：每个能量为E的单电子态，被电子占据的概


T I th (T ) I 0 exp( ) T0
T0称为器件的特征温度， T0和T 都与绝对温度表示； I0为T=T0时 阈值电流的1/e 。
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分布反馈半导体激光器（DFB)
分布反馈（DFB）型激光器是随着集成光学的发展而出现的，由
于其动态单模特性和良好的线性， 已在国内外高速率数字光纤 通信系统和CATV模拟光纤传输系统中得到广泛的应用。
DFB型激光器的激光振荡不是由反射镜面来提供，而是由折射率
周期性变化的波纹结构（波纹光栅）来提供。
3
E5 E4 E3(8) ＋14e E2(8)

E1(2)
硅原子的能级图
能级的跃迁


原子中的电子可通过与外界交换能量的方式发生电子 跃迁，电子跃迁交换的能量有热能、光能，分别为热 跃迁和光跃迁。 考虑两能级的系统，高能级E1和低能级E2，设处于 高能级E2和低能级E1上的电子数分别为N2和N1， 当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布：
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光学谐振腔的作用

在光学谐振腔中，沿着光学谐振腔轴线传播的光 可以在两个反射镜之间往复传播，在这个过程中 一边传播一边激发高能级上的电子跃迁到低能级 上发光，这种由于光学谐振腔而产生的往复传播 作用，相当于延长了激光工作物质的长度，从而 使其中的光能密度不断增加，这样可以使受激辐 射的几率远大于自发辐射的几率，从而使得沿光 学谐振腔轴线传播的光，在粒子数反转分布的条 件下，受激辐射占了绝对优势。
L a mg m a L sin
0
ne
(1) ( 2)
L为栅距（光栅周期长度）
λg为波导波长 λ0为工作波长 ne为波导层的有效折射率 m为正整数。
ne L(1 sin ) m0
布拉格反射条件
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布拉格反射原理
DFB激光器的分布反馈是θ=π/2的布拉格反射,这时有源区

受激吸收：处于低能级上的电子在入射光的作用下， 吸收频率为的光子能量，从低能级E1跃迁到高能级 E2上。
受激辐射： 处于高能级E2的电子在入射光作用下， 发射一个和入射光一模一样的光子，跃迁到低能级E1 上。
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光的吸收和放大

光吸收的过程：当某物质与外界处在热平衡状态下，低能级的
粒子（电子）数N1总是大于高能级的粒子（电子）数N2，在这种 分布状态下，当有光入射时，必然是受激吸收占主要地位，不会 出现发光现象，光波经过该物质时强度按指数规律衰减，光波被 吸收。
PN结的形成


P型半导体和N型半导体形成PN结时，载流子的浓度差引起扩散运动， P区的空穴向N区扩散，剩下带负电的电离受主，从而在靠近PN结界 面的区域形成了一个带负电的区域。同样，N区的电子向P区扩散， 剩下带正电的电离施主，从而造成一个带正电的区域。这样一来， 载流子扩散运动的结果形成了一个空间电荷区。 在空间电荷区里，电场的方向由N区指向P区，这个电场称为“自建 场”。