光电课程设计_光学仿真

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1、概述：一、光源在光纤通信系统中，光源器件可实现从电信号到光信号的转换，是光发射机以及光纤通信系统的核心器件，它的性能直接关系到光纤通信系统的性能和质量指标。光纤通信系统要求光源具有合适的发射波长，处在光纤的低损耗窗口之中；有足够大的输出功率，从而有较长的传输距离；有较窄的发光谱线，可以减少光纤的色散对信号传输质量的影响；易于与光纤耦合，确保更多的光功率进入光纤；易于调制，响应速度要快，调制失真小，带宽大；在室温下能连续工作，可靠性高，寿命至少在10万小时以上。下面简单介绍已广泛应用的两类半导体光源：半导体发光二极管（LED）和半导体激光二极管（LD）。1发光二极管（LED）发光二极管（L

2、ED）是低速、短距离光波通信系统中常用的光源。其寿命很长，受温度影响较小，输出光功率与注入电流的线性关系较好，价格也比较便宜。驱动电路简单，不存在模式噪声等问题。发光二极管结构简单，是一个正向偏置的PN同质结，电子-空穴对在耗尽区辐射复合发光，称为电致发光。发出的部分光耦合进入光纤供传输使用。LED所发出的光是非相干光，具有较宽的谱宽（30～60nm）和较大的发射角（≈100°）。自发辐射产生的功率是由正向偏置电压产生的注入电流提供的，当注入电流为I，在稳态时，电子-空穴对通过辐射和非辐射复合，其复合率等于载流子注入率I/q，其中发射电子的复合率决定于内量子效率ηint，光子产生率为(I

3、ηint/q)，因此LED内产生的光功率为图2.1发光二极管的P—I特性曲线1510500200400电流(mA)发射功率(mW)边发光面发光(2.1)式中，为光量子能量。假定所有发射的光子能量近似相等，并设从LED逸出的功率占内部产生功率的份额为ηext，则LED的发射功率为(2.2)ηext亦称为外量子效率。由上式可知，LED发射功率P和注入电流I成正比。发光二极管LED是光纤通信中的常用光源，它的发光仅仅是自发辐射，属于非相干光源，其输出光发射角较大，但LED线性度好，调制时动态范围大，信号失真小，也就是P-I曲线线性好，其P-I特性曲线如图2.1所示。2激光器（LD）半导体激光二

4、极管（LD）或简称半导体激光器与发光二极管LED不同，它通过受激辐射发光，是一种阈值器件。由于受激辐射与自发辐射的本质不同，导致了半导体激光器不仅能产生高功率（≥10mW）辐射，而且输出光发散角窄（垂直发散角为30～50°，水平发散角为0～30°），与单模光纤的耦合效率高（约30％～50％），辐射光谱线窄（Dl＝0.1～1.0nm），适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速（>20GHz）直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。激光是具有极好单色性、方向性和光强的一种光源。世界上第一台激光器是1960年美国人梅曼发明的红宝石激光器。实现一个激光器必须满足的三个基本条件是

5、（1）需要有合适的工作物质（发光介质），具有合适的能级分布，可以产生合适波长的光辐射；（2）需要可以实现工作物质粒子数反转分布的激励能源——泵浦源。（3）需要可以进行方向和频率选择的光学谐振腔。对于线性度良好的半导体激光器，输出功率可以表示为其中（）(2.3)这里的量子效率ηint，表征注入电子通过受激辐射转化为光子的比例。在高于阈值区域，大多数半导体激光器的ηint接近于1。式(2.3)表明，激光输出功率决定于内量子效率和光腔损耗，并随着电流而增大，当注入电流I>Ith时，输出功率与I成线性关系。其增大的速率即P-I曲线的斜率，称为斜率效率(2.4)P-I特性是选择半导体激光器的重要依

6、据。在选择时，应选阈值电流Ith尽可能小，Ith对应P值小，而且没有扭折点的半导体激光器，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，消光比大，而且不易产生光信号失真。且要求P-I曲线的斜率适当。斜率太小，则要求驱动信号太大，给驱动电路带来麻烦；斜率太大，则会出现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。半导体激光器具有高功率密度和极高量子效率的特点，微小的电流变化会导致光功率输出变化，是光纤通信中最重要的一种光源，激光二极管可以看作为一种光学振荡器，要形成光的振荡，就必须要有光放大机制，也即激活介质处于粒子数反转分布，而且产生的增益足以抵消所有的损耗。将开始出现净增益的条件称为阈值条件。一般

7、用注入电流值来标定阈值条件，也即阈值电流Ith，当输入电流小于Ith时，其输出光为非相干的荧光，类似于LED发出光，当电流大于Ith时，则输出光为激光，且输入电流和输出光功率成线性关系，P-I特性如图2.2所示。050Ith100150注入电流(mA)图2.2半导体激光器P—I曲线功率(mW)3.53.02.52.01.51.00.50二、光检测器光检测器是用以将接收到的光信号转换成电流信号。由于从光纤中传过来的光信号一般都很微弱，