光通信原理与系统光通信器件.ppt

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 4.1 半导体激光器 光发射机： 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） 4.1.1 半导体激光器原理 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)。 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。 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（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。 阈值条件 形成稳定激光振荡的条件：增益 = 腔体损耗 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 横模光场： 普通LD-同轴封装 LD结构内视图 各种结构的半导体激光器 同质结半导体激光器 异质结半导体激光器 量子阱激光器 分布反馈激光器 (DFB) 垂直腔表面发射激光器 (VCSEL) 1、同质结构LD 同质结构只有一个简单P-N结，且 P 区和 N 区都是同一物质的半导体激光器。 该激光器阈值电流密度太大，工作时发热非常严重，只能在低温环境、脉冲状态下工作。 为了提高激光器的功率和效率，降低同质结激光器的阈值电流，人们研究出了异质结的半导体激光器。 3、 量子阱激光器 除双异质结LD 对载流子进行限制外，还有另外一种完全不同的对载流子限制的方式。这就是对电子或空穴允许占据能量状态的限制，这种激光器叫做量子阱激光器。 它具有阈值低，线宽窄，微分增益高，以及对温度不敏感，调制速度快和增益曲线容易控制等许多优点。 量子阱 LD 示意图 4、分布反馈激光器(DFB) DFB激光器是单纵模(SLM) LD，即频谱特性只有一个纵模（谱线）的 LD。 SLM LD与法布里-珀罗 LD 相比，它的谐振腔损耗与模式有关，