【正文】 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 113 2022年 2月 11日星期五 167。 ④ 當(dāng) Ib=Ith時(shí)，散粒噪聲嚴(yán)重， 有一很陡的峰值， Ib應(yīng) 小于又近似等于 Ith為宜，一般為 ~。 光纖通信 111 2022年 2月 11日星期五 167。 45 光源的調(diào)制及驅(qū)動(dòng)電路 （ 2）輸出功率監(jiān)控電路中的慢啟動(dòng)電路 慢啟動(dòng)電路是 一保護(hù)電路 。 LD 主輸出光 反饋光 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 108 2022年 2月 11日星期五 167。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 Im的選擇應(yīng)考慮光源輸出 光脈沖的幅度 ，又要考慮 自脈動(dòng)現(xiàn)象 。 45 光源的調(diào)制及驅(qū)動(dòng)電路 LED的數(shù)字信號(hào)調(diào)制 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 對(duì)于 LED的二值碼調(diào)制信號(hào)，其直流偏置可以選擇在零點(diǎn)，即輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出功率也為零。 LED的數(shù)字調(diào)制電路采用 電流開關(guān)電路 ，最常用的是差分電流開關(guān)電路，提高調(diào)制速率。 光纖通信 102 2022年 2月 11日星期五 167。 光纖通信 100 2022年 2月 11日星期五 167。 45 光源的調(diào)制及驅(qū)動(dòng)電路 二、光源的模擬信號(hào)調(diào)制 直接用連續(xù)的模擬信號(hào)（如話音、電視等信號(hào)）對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 ? 聲光調(diào)制 的工作原理： 當(dāng)調(diào)制電信號(hào)變化時(shí)，由于壓電效應(yīng)，使壓電晶體產(chǎn)生 機(jī)械振動(dòng)形成超聲波 ，這個(gè) 聲波引起聲光介質(zhì)的密度發(fā)生變化 ，使介質(zhì) 折射率跟著變化 ，從而形成一個(gè)變化的光柵，由于光柵的變化，使光強(qiáng)隨之發(fā)生變化，結(jié)果使光波受到調(diào)制。 Pockel：當(dāng)晶體的折射率與外加電場(chǎng)幅度成線性變化；Kerr：當(dāng)晶體的折射率與外加電場(chǎng)幅度的平方成比例變化。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 ?電光效應(yīng)是指由外加電壓引起的晶體的折射率發(fā)生變化的現(xiàn)象。 ?目前已提出的間接調(diào)制方式有電光調(diào)制、聲光調(diào)制和磁光調(diào)制。 45 光源的調(diào)制及驅(qū)動(dòng)電路 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 利用晶體的電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、聲光效應(yīng)等性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光輻射信號(hào)的調(diào)制，這種調(diào)制方法適合于半導(dǎo)體激光器，也適應(yīng)于其他類型的激光器。 直接調(diào)制后的光波電場(chǎng)振幅的平方比例于調(diào)制信號(hào)，是一種光強(qiáng)度（ IM）的方法。 光纖通信 90 2022年 2月 11日星期五 167。 1 0 ．工作壽命短。 8 ．輸 出特性曲線的線性度較好。 6 ．制造工藝難度大，成本高。 4 ．與光纖的耦合效率高，可高達(dá) 80 ％以上。 2 ．帶寬大，調(diào)制速率高，幾百 MHz 一幾 十 GHz 。 DFB和 DBR主要也和單模光纖或特殊設(shè)計(jì)的單模光纖耦合，用于 ，這是目前光纖通信發(fā)展的主要趨勢(shì)。 光纖通信 88 2022年 2月 11日星期五 167。 光纖通信 87 2022年 2月 11日星期五 167。 44 發(fā)光二極管 2. 溫度特性 溫度對(duì) LED影響不大，實(shí)際使用中也可以不進(jìn)行溫度控制，如果需要，確保實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)或使用設(shè)備的穩(wěn)定，可以加裝散熱裝置。 44 發(fā)光二極管 三、基本特性 1. 輸出光功率特性（ PI特性） 沒有閾值，其輸出功率基本上與注入電流成正比，適合短距離和模擬光纖通信中；實(shí)際上也存在非線性區(qū)域。 44 發(fā)光二極管 二、結(jié)構(gòu)與分類 發(fā)光二極管不需要諧振腔，并且為了獲得高輻射亮度，LED常采用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。 44 發(fā)光二極管 一、工作原理 發(fā)光二極管是非相干光源（熒光），它的發(fā)射過(guò)程主要對(duì)應(yīng)光的自發(fā)輻射過(guò)程。 光纖通信 82 2022年 2月 11日星期五 167。 第二，雙脈沖信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。 碼型效應(yīng)對(duì)光纖通信不利，那么如何消除呢？ 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 80 2022年 2月 11日星期五 167。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 78 2022年 2月 11日星期五 167。 1 / 2sp ph thth0 spd sp spth th112 l n l n 1rthiiiiiiti i i i???????????????????????????? ? ????? ??廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 76 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導(dǎo)體激光器 ③ t1tt2： 當(dāng) t1時(shí)刻后，光場(chǎng)已經(jīng)建立，s迅速增加，同時(shí)消耗粒子數(shù)，n下降，當(dāng) s達(dá)到峰值時(shí)， n下降到 nth。 43 半導(dǎo)體激光器 （ 2）產(chǎn)生張弛振蕩的原因分析 ① ttd： 當(dāng)階躍電流 I（ IIth）時(shí)，有源區(qū)里電子密度 n增加，但這段時(shí)間 n小于閾值電流密度 nth，激光并不會(huì)產(chǎn)生，所以光功率存在一個(gè)延遲時(shí)間，即電光延遲時(shí)間。 光纖通信 73 2022年 2月 11日星期五 167。 光纖通信 72 2022年 2月 11日星期五 167。與縱模的意義不同，橫模反映的是 由于邊界條件的存在對(duì)腔內(nèi)電磁場(chǎng)形態(tài)的橫向空間約束作用 。 ?? ?//。 121 0 lg PS M S R P?廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 Δ ?20dB= Δ ?rms， 對(duì)于使用單縱模激光器的光 發(fā)射 機(jī)，其譜寬 Δ ?20dB要求在 1nm以下 。 光纖通信 68 2022年 2月 11日星期五 167。 多模激光 :光譜有多個(gè)峰值波長(zhǎng)（中心波長(zhǎng)），其中最大峰值波長(zhǎng)稱為主中心波長(zhǎng)，該模式也稱為 主模 ，其它的模式稱為 邊模 。 光纖通信 66 2022年 2月 11日星期五 167。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 64 2022年 2月 11日星期五 167。 光纖通信 63 2022年 2月 11日星期五 167。 光纖通信 62 2022年 2月 11日星期五 167。 所謂結(jié)發(fā)熱效應(yīng)， 是指調(diào)制電流的作用引起半導(dǎo)體激光器 PN結(jié)結(jié)區(qū)的溫度發(fā)生變化，導(dǎo)致輸出光脈沖的形狀發(fā)生變化。 光纖通信 60 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導(dǎo)體激光器 所以，外量子效率可以表示為 由于 hυ≈Eg ≈eV ，所以有 定義外微分量子效率 ?D為 由于 PPth，所以 或者用功率表示 exP hI e?? ?( ) /( ) /thD thP P h PeI I e I h???? ?? ? ???exP I V P NIV? ? ， 是 激 光 器 的 注 入 電 流 ， 是 結(jié) 上 所 加 電 壓/( ) /D thPhI I e?? ??( ) ( )DDt h t h t hhhP P I I I Iee? ? ? ?? ? ? ?廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 內(nèi)量子效率定義為 ηi=(有源區(qū)里每秒鐘產(chǎn)生的光子數(shù) )/(有源區(qū)里每秒鐘注入的電子 空穴對(duì)數(shù) )。 P為激光器的輸出功率， Vj為激光器的結(jié)電壓， Rs為激光器的串聯(lián)電阻， I為注入電流。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 43 半導(dǎo)體激光器 （ 1）閾值電流（ Ith） 在 PI曲線中，激光器由自發(fā)輻射到開始受激振蕩時(shí)的 臨界注入電流 ，稱為閾值電流（ 外加正向電流達(dá)到某一數(shù)值時(shí)， 輸出光功率急劇增加 ）。 光纖通信 54 2022年 2月 11日星期五 167。 (3) 動(dòng)態(tài)譜線好 DFB激光器在高速調(diào)制時(shí)譜線有所展寬（啁啾），但依然保持單縱模特性。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 當(dāng) L = 200?m時(shí)， δ λ=λ2/2nL=,在該帶寬內(nèi)的模數(shù)是 FWHM / δλ = 6/ = 10nm。 43 半導(dǎo)體激光器 3. DFB激光器相對(duì)于 FP腔 (包括 DH激光二極管 )的優(yōu)點(diǎn) (1) 單縱模振蕩 發(fā)射光譜主要由光柵周期 ?決定，由于 DFB的 ?的長(zhǎng)度很小，所以 m階和（ m + 1）階模之間的波長(zhǎng)間隔（縱模間隔）比 FP腔大得多，多個(gè)微型諧振腔也起到選模作用，很容易設(shè)計(jì)成單縱模（單頻）振蕩。 光纖通信 49 2022年 2月 11日星期五 167。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 在有源區(qū)的一側(cè)或兩側(cè)加了一段分布式布拉格反射器，起著衍射光柵的作用，因此可以將它看成是端面反射率隨波長(zhǎng)變化而變化的特殊激光器。 43 半導(dǎo)體激光器 ?DFB激光器是一種可以產(chǎn)生動(dòng)態(tài)控制的 單縱模激光器 ，即在高速調(diào)制下仍能單縱模工作的半導(dǎo)體激光器。 光纖通信 44 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導(dǎo)體激光器 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 理論分析表明，當(dāng)有源區(qū)的厚度非常小時(shí)，則在有源層與兩邊相鄰層的 能帶將出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象 ，在有源區(qū)的異質(zhì)結(jié)將產(chǎn)生一個(gè) 勢(shì)能阱 ，因此將產(chǎn)生這種 量子效應(yīng)的激光器 結(jié)構(gòu)中這種“阱”的作用使得電子和空穴被限制在極薄的有源區(qū)內(nèi)，因此有源區(qū)內(nèi)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的 濃度很高 。（折射率差由帶隙差決定，約 5%） 結(jié)果： DH半導(dǎo)體激光器的閾值電流很低，散熱量很小，可在室溫下持續(xù)工作，而且電 /光轉(zhuǎn)換效率很高。 43 半導(dǎo)體激光器 E 電 子空 穴異 質(zhì) 勢(shì) 壘復(fù) 合限 制 層 有 源 層 限 制 層Eg Eg? Eg? ~5% 能帶 折射率 光強(qiáng) 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 最下面一層 NInP是襯底，頂層P+InGaAsP是接觸層，其作用是為了改善和金屬電極的接觸。 光纖通信 38 2022年 2月 11日星期五 167。 （ 2）異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器包括 單異質(zhì)結(jié) 和 雙異質(zhì)結(jié) 半導(dǎo)體激光器兩種。 43 半導(dǎo)體激光器 2. 雙異質(zhì)結(jié)（ DH）結(jié)構(gòu) — 實(shí)際應(yīng)用型結(jié)構(gòu) 實(shí)際上， FP腔激光二極管從結(jié)構(gòu)上可分為3種，如下圖所示 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 ( ) 2 12 1th Le R R??? ? 1211ln2th L R R??? ? ? 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 2cfLn??22Ln????廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 43 半導(dǎo)體激光器 （ 1）光振蕩需要滿足的相位條件 一束光（一個(gè)光子）走一周的相位 因此，只有確定波長(zhǎng)的光能在諧振腔內(nèi)建立穩(wěn)定的振蕩，使激光器的發(fā)射光譜呈現(xiàn)出譜線尖銳的結(jié)構(gòu)。 43 半導(dǎo)體激光器 二、 FP腔半導(dǎo)體激光器 1. 原理結(jié)構(gòu) FP諧振腔是一種最簡(jiǎn)單的光學(xué)反饋裝置，它由一對(duì)平行放置的平面反射鏡（通常直接利用半導(dǎo)體晶體材料的天然解理面：高度平行）組成 。 光學(xué)諧振機(jī)制 諧振腔 ：晶體的天然解理面形成FP腔。 當(dāng) PN結(jié)加上正向電壓后， P區(qū)和 N區(qū)注入的非平衡載流子在擴(kuò)散過(guò)程中不斷地復(fù)合，這種電子 — 空穴復(fù)合發(fā)出熒光（自發(fā)輻射），形成半導(dǎo)體激光器中的 初始光場(chǎng) 。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 28 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 正向偏置的作用下，熱平衡狀態(tài)被破壞，外加電場(chǎng)區(qū)（正向電壓形成）使空穴向 N區(qū)運(yùn)動(dòng)，電子向 P區(qū)運(yùn)動(dòng)，在 PN結(jié)形成一個(gè)特殊的 增益區(qū) /有源區(qū) 。如果 N區(qū)的能帶還保持不變，則 P區(qū)的能帶應(yīng)向下移動(dòng)，下降的數(shù)值應(yīng)為 e0 V （ V VD ）。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 在走向熱平衡狀態(tài)的過(guò)程中，費(fèi)米能級(jí)趨向同一高度，如果 N區(qū)的能級(jí)位置不變，那么 P區(qū)的能級(jí)應(yīng)該提高，從而使 PN結(jié)的 能帶發(fā)生傾斜彎曲 。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 這樣一來(lái)，載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的結(jié)果形成了一個(gè)空間電荷區(qū) /結(jié)區(qū) 。 半導(dǎo)體激光器 LD就是利用這種重?fù)诫s的雙兼并型半導(dǎo)體的特點(diǎn)。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 雙兼并型半導(dǎo)體， 是一種 非熱平衡狀態(tài)下 的情況，因而用兩種費(fèi)米能級(jí) Efc和 Efv來(lái)表征載流子的統(tǒng)計(jì)分布。 對(duì)于重?fù)诫s兼并型 P型半導(dǎo)體，由于受主雜質(zhì)的摻入（三價(jià)元素的雜質(zhì)），多數(shù)載流子是空穴，費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入半導(dǎo)體的價(jià)帶。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 p(E)是電子在各能級(jí)分布的概率，所以有 ① 當(dāng) E=Ef時(shí)， p(E) =1/2，