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光发送原理光发送原理第1页，共52页，编辑于2022年，星期四5.1 半导体光源的物理基础半导体光源的物理基础5.1.1 孤立原子的能级和半导体的能带1.孤立原子的能级原原子子是是由由原原子子核核和和围围绕绕原原子子核核旋旋转转的的电电子子构构成成。围围绕绕原原子子核核旋旋转转的的电电子子能能量量不不能能任任意意取取值值，只只能能取取特特定定的的离离散散值值，这这种种现象称为电子能量的量子化。现象称为电子能量的量子化。第2页，共52页，编辑于2022年，星期四2.半导体的能带在在大大量量原原子子相相互互靠靠近近形形成成半半导导体体晶晶体体时时，由由于于半半导导体体晶晶体体内内部部电电子子的的共共有有化化运运动，使孤立原子中离散能级变成能带。动，使孤立原子中离散能级变成能带。在在图图5.2中中，半半导导体体内内部部自自由由运运动动的的电电子子(简简称称自自由由电电子子)所所填填充充的的能能带带称称为为导导带带；价价电电子子所所填填充充的的能能带带称称为为价价带带；导导带带和和价价带带之之间间不不允允许许电电子子填填充充，所所以以称称为为禁禁带带，其其宽宽度度称称为为禁禁带带宽宽度度，用用Eg表表示示，单单位位为为电子伏特电子伏特(eV)。第3页，共52页，编辑于2022年，星期四图图5.2 半导体的能带结构半导体的能带结构第4页，共52页，编辑于2022年，星期四5.1.2 光与物质的相互作用1.自发辐射处处于于高高能能级级的的电电子子状状态态是是不不稳稳定定的的，它它将将自自发发地地从从高高能能级级(在在半半导导体体晶晶体体中中更更多多是是指指导导带带的的一一个个能能级级)运运动动(称称为为跃跃迁迁)到到低低能能级级(在在半半导导体体晶晶体体中中更更多多是是指指价价带带的的一一个个能能级级)与与空空穴穴复复合合，同同时时释释放放出出一一个个光光子子。由由于于不不需需要要外外部部激激励励，所所以以该该过过程程称称为为自自发辐射。发辐射。第5页，共52页，编辑于2022年，星期四根根据据能能量量守守恒恒定定律律，自自发发辐辐射射光光子子的的能量为：能量为：h12=E2-E1式式 中中：h为为 普普 朗朗 克克 常常 数数，其其 值值 为为6.62610-34Js；12为为光光子子的的频频率率；E2为为高高能级能量；能级能量；E1为低能级能量。为低能级能量。第6页，共52页，编辑于2022年，星期四2.受激辐射在在外外来来光光子子的的激激励励下下，电电子子从从高高能能级级跃跃迁迁到到低低能能级级与与空空穴穴复复合合，同同时时释释放放出出一一个个与与外外来来光光子子同同频频、同同相相的的光光子子。由由于于需需要外部激励，所以该过程称为受激辐射。要外部激励，所以该过程称为受激辐射。3.受激吸收在在外外来来光光子子激激励励下下，电电子子吸吸收收外外来来光光子子能能量量而而从从低低能能级级跃跃迁迁到到高高能能级级，变变成成自自由电子。由电子。第7页，共52页，编辑于2022年，星期四5.1.3 粒子数反转分布状态1.粒子数正常分布状态在在热热平平衡衡状状态态下下，高高能能级级上上的的电电子子数数要少于低能级上电子数。要少于低能级上电子数。第8页，共52页，编辑于2022年，星期四2.粒子数反转分布状态为为了了使使物物质质发发光光，就就必必须须使使其其内内部部的的自自发发辐辐射射和和/或或受受激激辐辐射射几几率率大大于于受受激激吸吸收收的的几几率率，这这一一点点我我们们已已经经在在介介绍绍光光与与物物质质的相互作用过程中提及过。的相互作用过程中提及过。有有多多种种方方法法可可以以实实现现能能级级之之间间的的粒粒子子数数反反转转分分布布状状态态，这这些些方方法法包包括括光光激激励励方方法、电激励方法等。法、电激励方法等。第9页，共52页，编辑于2022年，星期四5.2 半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理5.2.1 发光二极管的工作原理半半导导体体发发光光二二极极管管(Light-emitting Diode，LED)基基本本应应用用GaAlAs和和InGaAsP材材料料，可可以以覆覆盖盖整整个个光光纤纤通通信信系系统统使使用用波波长长 范范 围围，典典 型型 值值 为为 0.85m、1.31m及及1.55m。第10页，共52页，编辑于2022年，星期四1.发光二极管的类型结构按按照照器器件件输输出出光光的的方方式式，可可以以将将发发光光二二极极管管分分为为三三种种类类型型结结构构：表表面面发发光光二二极极管、边发光二极管及超辐射发光二极管。管、边发光二极管及超辐射发光二极管。2.发光二极管的工作原理(1)LED的能带结构第11页，共52页，编辑于2022年，星期四(2)LED的工作原理LED的的工工作作原原理理可可以以归归纳纳如如下下：当当给给LED外外加加合合适适的的正正向向电电压压时时，Pp结结之之间间的的势势垒垒(相相对对于于空空穴穴)和和Np结结之之间间的的势势垒垒(相相对对于于电电子子)降降低低，大大量量的的空空穴穴和和电电子子分分别别从从P区区扩扩散散到到p区区和和从从N区区扩扩散散到到p区区(由由于于双双异异质质结结构构，p区区中中外外来来的的电电子子和和空空穴穴不不会会分分别别扩扩散散到到P区区和和N区区)，在在有有源源区区形形成成粒粒子子数数反反转转分分布布状状态态，最最终终克克服服受受激激吸吸收收及及其其他他衰衰减而产生自发辐射的光输出。减而产生自发辐射的光输出。第12页，共52页，编辑于2022年，星期四5.2.2 激光二极管的工作原理在在结结构构上上，半半导导体体激激光光二二极极管管(Laser Diode，LD)与与其其他他类类型型的的激激光光器器是是相相同同的的，都都主主要要由由三三部部分分构构成成：激激励励源源、工工作作物物质质及谐振腔。及谐振腔。第13页，共52页，编辑于2022年，星期四1.激光二极管的类型结构(1)常用激光二极管的类型结构在在双双异异质质结结构构的的LD中中，通通常常采采用用具具有有横横模模限限制制作作用用的的激激光光二二极极管管结结构构，这这种种激激光光二二极极管管称称为为条条形形激激光光二二极极管管(Stripe Laser Diode，SLD)或窄区激光二极管。或窄区激光二极管。一一种种增增益益波波导导型型激激光光二二极极管管的的类类型型结结构构如如图图5.6所所示示，图图中中虚虚线线之之间间的的部部分分为为电电流流经的区域。流流经的区域。第14页，共52页，编辑于2022年，星期四图图5.6 一种扩散条形激光二极管一种扩散条形激光二极管第15页，共52页，编辑于2022年，星期四一种折射率波导型激光二极管的结构一种折射率波导型激光二极管的结构如图如图5.7所示。所示。图图5.7 拱棱波导条形激光二极管拱棱波导条形激光二极管第16页，共52页，编辑于2022年，星期四(2)单频激光二极管一一般般地地，普普通通激激光光二二极极管管只只能能工工作作于于多多纵纵模模状状态态，其其增增益益峰峰值值附附近近的的数数个个模模式式携带着大部分的输出光功率。携带着大部分的输出光功率。分布反馈机理激光二极管在在分分布布反反馈馈(Distributed Feedback，DFB)机机理理激激光光二二极极管管中中，通通过过谐谐振振腔腔和和具具有有频频率率选选择择反反馈馈功功能能的的光光栅栅共共同同完完成成反反馈馈作用。作用。第17页，共52页，编辑于2022年，星期四 耦合腔激光二极管模模式式选选择择也也可可以以采采用用耦耦合合腔腔结结构构实实现现，其其基基本本机机理理为为：虽虽然然两两个个谐谐振振腔腔具具有有各各自自不不同同的的振振荡荡纵纵模模，但但是是当当两两个个谐谐振振腔腔放放在在一一起起构构成成耦耦合合腔腔(或或复复合合腔腔)时时，这这时时只只有有两两个个谐谐振振腔腔中中相相同同的的纵纵模模才才能能成成为为耦耦合合腔腔的的振振荡荡纵纵模模，再再加加上上增增益益谱谱的的作作用用，最最终终实现了模式选择功能。实现了模式选择功能。第18页，共52页，编辑于2022年，星期四 量子阱激光二极管出出现现较较晚晚的的量量子子阱阱(Quantum Well，QW)激激光光二二极极管管，已已经经在在实实际际系系统统尤尤其其是是相相干干传传输输系系统统和和波波分分复复用用系系统统中中得得到到广广泛泛应用。应用。波长可调谐单频激光二极管波波长长可可调调谐谐单单频频激激光光二二极极管管是是波波分分复复用用系系统统、相相干干光光通通信信系系统统及及光光交交换换网网络络的的关关键键器器件件，其其主主要要性性能能指指标标包包括括调调谐谐速速度度和波长调谐范围。和波长调谐范围。第19页，共52页，编辑于2022年，星期四2.激光二极管的工作原理(1)LD的能带结构在在结结构构上上，LD与与LED的的主主要要区区别别是是LD有谐振腔，而有谐振腔，而LED没有谐振腔。没有谐振腔。(2)LD的工作原理LD的的工工作作原原理理可可以以归归纳纳如如下下：当当给给LD外外加加适适当当的的正正向向电电压压时时，由由于于有有源源区区粒粒子数的反转分布而首先发生自发辐射现象，子数的反转分布而首先发生自发辐射现象，第20页，共52页，编辑于2022年，星期四那那些些传传播播方方向向与与谐谐振振腔腔高高反反射射率率界界面面垂垂直直的的自自发发辐辐射射光光子子会会在在有有源源层层内内部部边边传传播播、边边发发生生受受激激辐辐射射放放大大(其其余余自自发发辐辐射射光光子子均均被被衰衰减减掉掉)，直直至至传传播播到到高高反反射射率率界界面面又又被被反反射射回回有有源源层层，再再次次向向另另一一个个方方向向传传播播受受激激辐辐射射放放大大。如如此此反反复复，直直到到放放大大作作用用足足以以克克服服有有源源层层和和高高反反射射率率界界面面的的损损耗耗后，就会向高反射率界面外面输出激光。后，就会向高反射率界面外面输出激光。第21页，共52页，编辑于2022年，星期四5.3 光源的工作特性光源的工作特性5.3.1 LED的工作特性1.P-I特性LED的的P-I特特性性如如图图5.11所所示示。就就P-I特特性性曲曲线线整整体体而而言言，由由于于没没有有阈阈值值而而使使LED具有非常优良的线性。具有非常优良的线性。第22页，共52页，编辑于2022年，星期四图图5.11 LED的的P-I特性特性第23页，共52页，编辑于2022年，星期四2.光谱特性LED的的光光谱谱特特性性如如图图5.12所所示示。在在图图中中，0为为LED的的峰峰值值工工作作波波长长(典典型型值值为为0.85m、1.31m和和1.55m)；为为谱谱线线宽宽度度，其其定定义义为为光光强强度度下下降降到到最最大大值值一一半半时时对应的波长宽度。对应的波长宽度。第24页，共52页，编辑于2022年，星期四图图5.12 LED的光谱特性的光谱特性第25页，共52页，编辑于2022年，星期四3.调制特性在在一一级级近近似似和和平平均均工工作作电电流流不不变变的的条条件件下下，发发光光二二极极管管的的输输出出功功率率与与调调制制信信号号频率的关系为：频率的关系为：式式中中：P(0)是是频频率率为为0时时LED输输出出的的光功率值；光功率值；e是有源区少数载流子的寿命。是有源区少数载流子的寿命。第26页，共52页，编辑于2022年，星期四4.温度特性温温度度特特性性主主要要影影响响到到LED的的平平均均发发送送光功率、光功率、P-I特性的线性及工作波长。特性的线性及工作波长。5.3.2 LD的工作特性1.LD的P-I特性LD的的P-I特特性性如如图图5.13所所示示。就就P-I特特性性曲曲线线整整体体而而言言，由由于于存存在在阈阈值值现现象象，整整体线性不如体线性不如LED。第27页，共52页，编辑于2022年，星期四图图5.13 LD的的P-I特性特性第28页，共52页，编辑于2022年，星期四从从P-I特特性性还还可可以以引引出出两两个个基基本本参参数数：微微分分量量子子效效率率和和功功率率转转换换效效率率。微微分分量量子子效效率率可可以以定定义义为为输输出出光光子子数数的的增增量量与与注注入入电子数的增量之比，表达式为：电子数的增量之比，表达式为：式式中中：P为为发发送送光光功功率率增增量量，I为为驱驱动动电电流流增增量量。曲曲线线越越陡陡，微微分分量量子子效效率率越越大。大。第29页，共52页，编辑于2022年，星期四功功率率转转换换效效率率定定义义为为输输出出光光功功率率与与消消耗的电功率之比，可以表示为：耗的电功率之比，可以表示为：式式中中：V是是PN结结的的正正向向电电压压；Rs是是LD的的串串联联电电阻阻(包包括括半半导导体体材材料料的的体体电电阻阻和和接接触电阻触电阻)。第30页，共52页，编辑于2022年，星期四2.光谱特性LD的的光光谱谱特特性性如如图图5.14所所示示。在在图图中中，0为为LED的的峰峰值值波波长长(典典型型值值为为0.85m、1.31m和和1.55m)；为为谱谱线线宽宽度度，其其定定义义为为纵纵模模包包络络或或主主模模光光强强度度下下降降到到最最大大值值一半时对应的波长宽度。一半时对应的波长宽度。第31页，共52页，编辑于2022年，星期四图图5.14 LD的光谱特性的光谱特性第32页，共52页，编辑于2022年，星期四3.调制特性在在对对LD进进行行直直接接调调制制时时，激激光光二二极极管管的的输输出出功功率率与与调调制制信信号号频频率率的的关关系系为为：式式中中：P(0)是是频频率率为为0时时LD输输出出的的光光功功率率值值；fr为为LD的的类类共共振振频频率率，是是LD的的阻阻尼尼因因子子。第33页，共52页，编辑于2022年，星期四4.温度特性与与LED比比较较，温温度度主主要要对对LD的的阈阈值值电电流流、输输出出光光功功率率及及峰峰值值工工作作波波长长影影响响较较大大。为为了了降降低低温温度度对对LD的的影影响响，可可以以采采用用两两种种方方法法：选选择择温温度度特特性性优优异异的的新新型型LD，或或通通过过一一个个外外加加的的自自动动温温度度控控制制电电路路，使使LD的的温度特性能够满足系统的要求。温度特性能够满足系统的要求。第34页，共52页，编辑于2022年，星期四5.3.3 光源的主要技术指标及简易检测1.光源的主要技术指标几几种种国国产产半半导导体体光光源源的的主主要要技技术术指指标标如表如表5.1所示。所示。第35页，共52页，编辑于2022年，星期四第36页，共52页，编辑于2022年，星期四2.光源器件的简易检测在在没没有有任任何何测测试试仪仪表表或或测测试试手手段段的的情情况况下下，可可以以通通过过PN结结的的测测试试来来初初步步判判断断光光源器件的好坏。源器件的好坏。第37页，共52页，编辑于2022年，星期四5.4 光光 发发 送送 机机5.4.1 光调制原理1.光调制方式分类(1)按照光源与调制信号的关系分类根根据据光光源源与与调调制制信信号号的的关关系系，可可以以将将光光源源的的调调制制方方式式分分为为直直接接调调制制方方式式和和外外部部(或或间间接接)调调制制方方式式。所所谓谓直直接接调调制制方方式式，是是指指直直接接将将调调制制信信号号施施加加在在光源上来完成光源参数的调制过程。光源上来完成光源参数的调制过程。第38页，共52页，编辑于2022年，星期四(2)按照已调制信号的性质分类根根据据已已调调制制信信号号的的性性质质，可可以以将将光光源源的的调调制制方方式式分分为为模模拟拟调调制制方方式式和和数数字字调调制制方式。方式。模模拟拟调调制制方方式式是是指指已已调调制制信信号号属属于于模模拟拟信信号号，这这 种种 调调 制制 方方 式式 主主 要要 包包 括括 强强 度度 调调 制制(Intensity Modulation，IM)方方 式式、振振 幅幅 调调 制制(Amplitude Modulation，AM)方方式式、双双边边带带抑抑制制载载波波(Double Sideband/Suppressing Carrier，DSB/SC)调调制制方方式式、单单边边带带(Single Sideband，SSB)调调制制方方式式及及残残余余边边带带(Vestigial Sideband，VSB)调制方式。调制方式。第39页，共52页，编辑于2022年，星期四数字调制方式是指已调制信号属于数数字调制方式是指已调制信号属于数字信号，这种调制方式主要包括幅移键控字信号，这种调制方式主要包括幅移键控(Amplitude-shifted Keying，ASK)调制方调制方式、频移键控式、频移键控(Frequency-shifted Keying，FSK)调制方式及相移键控调制方式及相移键控(Phase-shifted Keying，PSK)调制方式等。调制方式等。第40页，共52页，编辑于2022年，星期四2.已调制信号表达式由由于于其其他他调调制制方方式式应应用用极极少少，因因此此我我们们在在这这里里仅仅仅仅给给出出用用电电场场表表示示的的、常常用用强强度调制方式的已调制信号表达式：度调制方式的已调制信号表达式：式式中中：KT为为与与发发送送光光功功率率有有关关的的正正常常数数；m为为调调制制系系数数(0m1)；x(t)为为归归一一化化幅幅度度的的调调制制信信号号波波形形；c为为光光载载波波角角频频率率，0为初相位。为初相位。第41页，共52页，编辑于2022年，星期四5.4.2 光发送机的构成及指标1.光发送机构成一一般般地地，光光发发送送机机主主要要由由光光源源、驱驱动动电路及辅助电路等构成。电路及辅助电路等构成。第42页，共52页，编辑于2022年，星期四2.光发送机的主要指标光发送机的指标很多，我们仅从应用光发送机的指标很多，我们仅从应用的角度介绍其主要指标。的角度介绍其主要指标。(1)平均发送光功率及其稳定度平均发送光功率又称为平均输出光功平均发送光功率又称为平均输出光功率，通常是指光源尾巴光纤的平均输出光率，通常是指光源尾巴光纤的平均输出光功率。功率。第43页，共52页，编辑于2022年，星期四(2)消光比消消光光比比定定义义为为最最大大平平均均发发送送光光功功率率与与最最小小平平均均发发送送光光功功率率之之比比，通通常常用用符符号号EX表示：表示：若用相对值表示，则为若用相对值表示，则为第44页，共52页，编辑于2022年，星期四5.5 驱动电路和辅助电路驱动电路和辅助电路5.5.1 驱动电路1.对驱动电路的要求一个优良的驱动电路应该满足以下条件：一个优良的驱动电路应该满足以下条件：(1)能够提供较大的、稳定的驱动电流；能够提供较大的、稳定的驱动电流；(2)有有足足够够快快的的响响应应速速度度，最最好好大大于于光光源源的的驱驱动速度；动速度；(3)保证光源具有稳定的输出特性。保证光源具有稳定的输出特性。第45页，共52页，编辑于2022年，星期四2.驱动电路的工作原理能能够够满满足足上上述述要要求求的的、最最简简单单的的驱驱动动电路是共发射极驱动电路，如图电路是共发射极驱动电路，如图5.16所示。所示。共共发发射射极极驱驱动动电电路路的的工工作作原原理理如如下下所所述述：当当输输入入数数据据信信号号为为“0”时时，晶晶体体三三极极管管VT处处于于截截止止状状态态，LED中中没没有有电电流流流流过过，因因此此LED不不发发光光；当当输输入入数数据据信信号号为为“1”时时，晶晶体体三三极极管管VT工工作作于于饱饱和和状状态态，LED中有较大的电流流过，所以中有较大的电流流过，所以LED发光。发光。第46页，共52页，编辑于2022年，星期四图图5.16 共射极驱动电路共射极驱动电路第47页，共52页，编辑于2022年，星期四5.5.2 辅助电路1.自动功率控制电路(1)自动功率控制电路的分类能能够够完完成成自自动动功功率率控控制制功功能能的的电电路路很很多多，主主要要包包括括普普通通电电参参数数控控制制电电路路和和光光电电反馈控制电路。反馈控制电路。在在光光发发送送机机中中，光光电电反反馈馈控控制制电电路路应应用最多。用最多。第48页，共52页，编辑于2022年，星期四(2)自动功率控制电路的工作原理图图5.18所所示示是是一一个个典典型型LD自自动动功功率率控控制制电电路路，其其自自动动功功率率控控制制电电路路的的工工作作原原理理如如下下所所述述：当当由由于于温温度度原原因因使使LD输输出出光光功功率率降降低低时时，流流过过PD(通通常常为为PINPD)的的电电流流减减小小，A1放放大大器器反反向向输输入入端端电电位位增增大大，A1放放大大器器输输出出端端电电位位降降低低(即即A2放放大大器器反反向向输输入端电位降低入端电位降低)。第49页，共52页，编辑于2022年，星期四图图5.18 典型的典型的APC电路电路第50页，共52页，编辑于2022年，星期四2.自动温度控制电路从从前前面面的的内内容容可可以以知知道道，LD的的输输出出特特性性与与温温度度有有着着密密切切的的关关系系。为为了了保保证证光光发发送送机机具具有有稳稳定定的的输输出出特特性性，对对LD的的温温度度特特性性进进行行控控制制是是非非常常必必要要的的，而而且且对对LD的的温温度控制也是保护度控制也是保护LD的一项关键措施。的一项关键措施。第51页，共52页，编辑于2022年，星期四当当温温度度进进一一步步增增大大时时，A2放放大大器器的的反反向向输输入入端端电电位位会会继继续续减减小小，A2放放大大器器的的输输出出端端电电位位会会继继续续增增大大，使使二二极极管管VD导导通通，晶晶体体三三极极管管VT的的基基极极电电位位就就被被箝箝位位于于A2放放大大器器的的输输出出端端电电位位，不不再再随随着着温温度度的的上上升升而而继继续续上上升升，从从而而有有效效地地保保证证了了半半导导体体制制冷器的安全。冷器的安全。第52页，共52页，编辑于2022年，星期四