黎洪松光通信原理与系统第4章_光通信器件

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1、第4章光通信器件光通信光源（LD和LED）光放大器光检测器PD光无源器件光发射机：4.1半导体激光器在光纤通信中，将携带信息的电信号转变为光信号是由光发射机来完成的。光发射机主要是由光源及其驱动电路以及一些辅助控制电路组成。光源实现从电信号到光信号的转换，是光发射机及其光纤系统中的核心器件，它的性能直接关系到光纤通信系统的性能和指标。光纤通信系统中对光源的一般要求有：峰值波长，应在光纤低损耗窗口之内;功率：足够高且稳定，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；光纤通

2、信系统中对光源的一般要求有：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。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）LD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1.晶体能带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。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

3、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)。4.1.1半导体激光器原理半导体的能带结构2.费米能级费米能级：电子在能级E上的分布满足费米-狄拉克分布，能级E被电子占据的几率为：式中Ef是费米能级的能量。对于本征半导体，费米能级处在价带导带中间；对于N型半导体，费米能级向导带移动，甚至可以进入导带；对于P型半导体，费米能级向价带移动，甚至可以进入价带。3.PN结的能带4.1.2激光器的基本组成一个激光器必须满足三个基本条件（三个基本组成部分）：工作物质：需要合适的工作介质，合适的能级分布；泵浦

4、源：实现工作物质粒子数反转分布的激励能源；光学谐振腔：可以进行方向和频率的选择。以上三个条件称为激光器的三要素。1）起振条件-阈值条件：由于光在谐振腔传播时会有各种各样的能量损失，而只有光的增益能超过这些损失时光波才能被放大，从而在腔内振荡起来。也就是说激光器必须满足某个条件才能起振，这个条件即是阈值条件。2）稳定振荡条件-相位条件：光波是在谐振腔内往复传输的，只有满足特定的相位关系的光波才能得到彼此加强，这种条件称为相位条件。以上两个条件称为激光产生的充分条件。4.1.3半导体激光器的机理三要素工作介质：二元化合物（GaAs）、三元化合物（GaAlAs）和四元化合物（

5、GaInAsP）等。谐振腔：有解理面组成（F-P腔）；泵浦源：电流激励、电子束激励、光激励等。多为电流激励。光学谐振腔镀有反射镜面的光学谐振腔只有在特定的频率内能够储存能量，这种谐振腔就叫做法布里-珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器。早期的LD谐振腔靠两个解理面镀膜实现，也有其他类型的谐振腔，如DFB激光器。它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。当谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，就保持振荡，形成和腔体端面平行的等相面驻波。在谐振腔里建立稳定振荡的条件在半导体激光器里，由两个起反射镜作用的晶体解理面构成的法布里珀罗谐振腔，它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。当受

6、激发射使腔体得到的放大增益等于腔体损耗时（阈值条件），并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时（相干条件），就保持振荡，形成等相面和腔体端面平行的驻波，然后穿透谐振腔的两个端面，输出谱线很窄的相干光束。相位条件阈值条件表明，只有谐振腔内的增益大于损耗时损耗时，才能建立稳定的光振荡，输出谱线尖锐、方向性好的激光加大注入的正电流能增大谐振腔内的增益。阈值条件形成稳定激光振荡的条件：增益=腔体损耗LD的工作原理半导体激光器的输出模式横模：在X-Y平面内可以形成稳定分布的场；横模特性决定光场的空间特性。纵模：在Z方向可以形成稳定分布的场；决定频谱特性。LD横模：决定光场的空间特性

7、近场图案远场光斑SW30o10o横模光场：半导体激光器的增益频谱相当宽（约10THz），在F-P谐振腔内同时存在着许多纵模，但只有接近增益峰的纵模变成主模。在理想条件下，其它纵模不应该达到阈值，因为它们的增益总是比主模小。实际上，增益差相当小，主模两边相邻的一、二个模与主模一起携带着激光器的大部分功率。这种激光器就称作多模半导体激光器。发射主模纵模增益频率gthg()w损耗增益w()w频率增益gw0法布里-珀罗LD通常发射多个纵模的光纵模：普通LD-同轴封装激光器的封装普通LD-蝶形封装4.3半导体发光二极管与激光二极管LD结构内视图光纤