光纤通信发射机本科毕业论文(编辑修改稿)

光纤通信发射机本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

激励源，称为泵浦源。 物质在泵浦源的作用下，使粒子数从低能级跃迁到高能级，使得在这种情况下受激辐射大于受激吸收，从而有光的放大作用。 这时的工作物质已被激活，成为激活物质或增益物质。 3）有能够完成频率选择及反馈作用 的光学谐振腔。 激活物质只能使光放大，只有把激活物置于光学谐振腔中，以提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。 粒子数反转与光增益 对于处于泵浦条件下的原子系统，当满足粒子数反转条件时即将会产生占优势的（超过受激吸收）受激辐射。 在半导体激光器中，这个条件是通过向 p 型和n 型限制层重掺杂是费 米 能级间隔在 pn 结正向偏置下超过带隙实现的。 当有源层载流子浓度超过一定值（称为透明值），就实现了粒子数反转，由此在有源区产生了光增益，在半导体内传播的输入信号将得到放大，放大倍数为 exp(gz)， g为增益系数。 增益的产生表明有源区发生的受激辐射速率 stR 超过了受激吸收速率 abR ，因而有关系 g ( stR abR )。 图 25 展示了不同注入（泵浦）载流子浓度 N 时计算所得 m InGaAs 有源层的光增益曲线。 由图 25（ a）可见，当 318101  cmN *时，由于尚未达到离子数反转条件，材料吸收占优势， g0。 当 N 增加时， g 随本科毕业设计论文 12 着 N 增加，在一段光谱区内变为正值，峰值 Pg 向高光子能量方向移动。 图 25（ b）展示了随 N 的变化，当 N* 31810 cm 时， Pg 几乎 随线性变化，当N2* 31810 cm 时， Pg 超过了 300cm1。 可见一但实现粒子数反转，光增益将迅速增大。 正是有这么高的增益，所以能制造尺寸小于 1mm 的半导体激光器。 图 25 m InGaAsP 有源层光增益系数 g与注入载流子浓度 N 的关系 （ a）作为光子能量函数的增益系数 （ b）增益系数随 N 的变化 从图 25（ b）数值计算结果可知， Pg 近乎随 N 线性增大，因而峰值增益可近似表示为 Pg = )( Tg NN  ， TN 表示截流子浓度的透明值， g 称为增益横截面，亦成为微分增益系数。 对 InGaAs 激光器， N T 和 g 的典型值分别在1~* 31810 cm 和 2~3* 21610 cm 范围内。 大部分半导体激光器工作于 Pg 〉100 1cm 的高增益区，所以 Pg 的近似计算公式是合理的。 增益横截面或增益微分系数对激光器性能的影响很大，高的 g 意味着为得到同样增益，可在较低的载流子浓度，即较低注入电流实现，所以在 LD 的设计中应设法提高 g。 量子阱半导体 激光器的有源层厚度很薄，其典型值约 10nm为，导致电子 —空穴对好像备限制在量子阱中，这样导致了能带能量电子化为了本科毕业设计论文 13 次能带，使结合态密度 CV 称为梯级状结构，态密度的这种变更改变了自发辐射和受激辐射速率，增益的线性近似仍能在有限范围内满足，但 g 的有效值比厚度为 m 标准设计的有源层增大了两倍。 有时用厚 5~10nm 的多个有源层提高器件性能，这种激光器称为多量子阱 (MQW)激光器，这种激光器中，由于降低了载流子导致折射率变化，因而具有更窄的线宽和更优良的调制特性 [7]。 光学谐振腔与激光器的阈值条件 激光器是一种光学振荡器，为使得激光器稳定工作，粒子数反转产生光收益式必要条件，另一个重要条件必须提供光的反馈，将光放大器转换为振荡器。 如图 26 所示，大部分激光器的反馈用将增益介质放入一个光学谐振腔或简称光腔内来提供，光腔由两块反射镜来组成，一般称为法布里 —珀罗腔或 FP 腔。 在半导体激光器中，两端的解理面即起反射镜的作用，不必外加反射镜。 反射镜的反射率为 211)(  nnRm。 式中式增益介质的折射率，其典型值为 ，因而解理面的发射率为 30%。 图 26 半导体激光器的基本结构与光学谐振腔 设一振幅为 0E ，频率为  ，波数为 k=n /c 的平面波，在长度为 L，功率增益系数为 g 的光腔中往返一次后，其幅度增大 exp[(g/2)(2L)]倍，相位变化为2kL，考虑到激光器内的各种吸收和散射损耗及端面投射输出，其幅度变化为（ 1R 2R ） exp/21 （ inta L）， 1R ， 2R 为端面反射率， inta 为腔内总损耗率。 在稳本科毕业设计论文 14 定工作时，平面波在腔内往返一次应保持不变，于是可得 0int2/1210 )2e x p ()e x p ())(e x p ( EikLLaRRgLE  （ 21） 式中， i 为相位关系。 令等式两边振幅和相位相等，则得 cmirRRLg   int21int )1ln (21 （ 22） nLmcmkL m 2/或22   （ 23） 式中， k=2 n /c； m 为整数； )1ln(21 21int RRL为非全反射端面引起的射透损耗（输出）， c 代表包含这两项的光腔总损耗。 式 (22)和式 (23)完整的表述了激光器稳定工作的两个条件 ——幅值和相位条件，前者规定增益和电流最低值，后者规定激光器振荡频率 v 必为 m =mc/2nL 中的一个频率。 这些频率对应于纵向模式，并与光腔长度 L 有关。 若忽略 n 与频率的关系，各纵模的频率间隔 L =c/2nL 是常 数。 当考虑材料色散时， L =c/2 gn L 为群折射率，gn =n+ (dn/d )，典型值 L=200~400 m ， L =100~200GHz。 受激辐射的增益谱特性是由有源区增益介质的能级决定的，而在半导体激光器重则是由带隙决定的，因此增益谱分布有一定宽度，并非单色的，如图 27(a)所示。 本科毕业设计论文 15 图 27 半导体激光器的模式增益谱 （ a）增益谱分布； （ b）腔膜分布； （ c）工作模式的决定 光腔 (FP)中满足谐振条件的纵横是均匀分布的，间隔为 L =c/2nL，如图 27 (b)所示。 通常这些模式都能同时获得增益，最靠近增益峰的模式为主导模式。 理想条件下，其他模式的增益不应达到阈值，即期增益应低于光纤总 损耗，因为其增益比损耗低，如图 27 (c)所示。 实际中增益差别甚小 ( 110  cm. )或其他模式增益亦大于腔体损耗，因此主模临近激光器的输出普特特性较宽，典型值为~，用于光波系统时受到光浅色散的限制，其比特率 —距离积（ BL）限制在 10(Gb/s)km 以下。 但是它技术成熟，价格便宜，已经在 565/622Mb/s 速率低于此速率的光波系统普遍采用，将 LD 设计在单纵模式工作能进一步提高 BL积。 这个问题将在下节讨论 [8]。 激光器的结构 本科毕业设计论文 16 最简单的半导体激光器由一个薄有源层（ m 厚）、 P 型和 N 型限制层构成。 有源层夹在 P 型和 N 型限制层中间，由此产生的 PN 异质结通过欧姆接触正向偏置，电流在覆盖整个激光器芯片宽度（  100 m ）的较大面积注入， 图 28所示。 这样的激光器面积大，其产生的激光以面积接近 2100*1 m 的椭圆斑点从两端解理面辐射，而在垂直与结平面的方向受双异质结的限制，斑点尺寸较小（  1 m ），而且有源层折射率比限制层高（  n ），起平面光波到的作用，并承载一定数量的模式，成为横模。 由于实际有源层很薄（ m ），因而实际上只承载单个横模。 但是在平行于结平面的侧向并无光限制结构，沿着激光器的整个宽度上都存在光辐射，损耗太大，阈值电流较高，这是大面积激光器的主要缺点。 为解决侧面光辐射和 光限制问题，下面介绍两种实际激光器的结构：增益导引半导体激光器的结构和折射率导引半导体激光器。 图 28 大面积激光器 半导体激光器的特性 （ 1）发射波长。 有源区中导带电子和价带空穴复合时所发射的光子能量近似等于禁带宽度 gE ，因此半导体材料的禁带宽度决定了激光器的发射波长，即 gEhf （ 24) 式中， h 卫普朗克常数， f 为光子频率，由于光波长 fC/ ，于是式（ 24）可表示为 本科毕业设计论文 17 gEhC （ 25） 式中， C 为真空中光速。 光通信中用的半导体材料，在短波长段（ m ），采用 GaAlA 和 GaAs材料构成异质结结构；在长波长波段（ m 和 m ），采用 InGaAsP 和 InP材料 s 构成异质结构。 （ 2）阈值性质。 对于半导体激光器，只有注入电流达到一定值后，才能既实现粒子束反转分布，又满足谐振腔里光振荡的阈值条件，发射出谱线尖锐、模式明确的激光光束。 所以半导体激光器是一个阈值器件，其功率 电流（ PI）特性曲线如图 29 所示。 从图中可见： LD 的 PI 特性曲线中存在一个阈值电流 Ith，它是激光器开始激射的注入电流；当注入电流小于阈值电流即 IIth时， LD 发射普通的荧光，其谱线较宽，功率很小；而当注入电流大于阈值电流即 IIth 时，LD 开始发射激光，而且其激光器随之如电流的增大而增加。 常用单模激光器的阈值电流 Ith≈ 50mA。 图 29 半导体激光器的 PI 曲线 半导体激光器的阈值电流对温度的变化十分敏感，如图 210 所示。 当温度升高时， LD 的阈值电流将随之增大，反之则减小。 阈值电流 Ith与温度 T 的关系可用下式表示： Ith=I0eT/T0 (26) 式中， I0 是温度是的阈值 T=T0 电流； T0 是阈值电流的温度敏感参数，在AlGaAs 激光器中， T0 =120~150K；在 InGaAsP 激光器中， T0 =50~70K。 本科毕业设计论文 18 图 210 激光器阈值电流随温度的变化 （ 3）激光器的效率。 激光器的电光转化效率通常用外微分量子效率衡量，其定义为： P hfeIPeI hfP  // (27) 式中， P 为外微分量子效率， P 为光功率输出增量， I 为注入电流的增量， P / I 实际上就是 PI 曲线中的斜率。 e 为电子电荷， hf 为光子能量。 显然，PI 特性曲线斜率越大，外微分量子效率越大，说明激光器电光转化效率越高 [9]。 LD 激光器组件 与 LED 相比， LD 的调制问题要复杂的多，尤其是在高速调制系统中，驱动条件的选择、调制电路的形式和工艺，都对调制性能至关重要。 由于半导体激光器对温度的变化是很敏感的，稳定激光器的输出光信号是必须研究的问题。 温度变化和器件的老化会给激光器带来很多的不稳定性。 主要表现为激光器的阈值电流随温度呈指数规律变化，并随器件的老化而增加，从而使输出光功率发生很大的变化。 另外，线路中出现的长连 0 和长连 1 也会影响定时信号的提取，长连 1还会增加光源的负担，减少光源的寿命。 因为以上的这些应用过程中出现的问题，人们应用自动温度控制电路（ ATC）和自 动功率控制电路（ APC）来解决它们。 又为了实现大规模制造和商用化的方便，人们制作了集成 LD 和上述所有部件的集成电路，形成一个完整的 LD 组件。 LD 组件加上外围电路，能实现 ATC 和 APC 的所有功能，使用起来十分方便。 关于 LD 组件的具体介绍，将在下一章中描述。 本科毕业设计论文 19 第三章 光发射机的设计 一般来说，调制技术可以分为直接调制与间接调制。 直接调制适用于半导体光源，它将要传送的信号转变成电信号注入光源，获得相应的光信号输出，输出光波电场幅值的平方与调制信号成正比，是一种光强度调制（ IM）。 直接调制具有简单、经济、容 易实现等优点，是光纤通信中最常采用的调制方式，这种方式适用于半导体激光器和发光二极管，因为发光二极管和半导体激光器的输出光功率（对激光器来说是指阈值以上线性部分）基本上与输入电流成正比，而且电流的变化转换为光强调制也呈线性，所以可以通过改变注入电流来实现光强度调制。 间接调制是利用晶体的电光、磁光和声光效应等性质对光幅进行调制，既适用于半导体光源，也适用于其他类型的光源。 间接调制最常用的是外调制的方法，既在光辐射产生后再加载调制信号，其具体方法是在激光器输出端外的光路上放置光调制器，在调制器上加调制电压，通过 调制器的光束得到调制。 本文只介绍直接调制。 从调制信号的形式来说，光调制又可以分为模拟调制与数字调制。 模拟信号调制是直接用连续的模拟信号对光源进行调制，连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上。 在光纤通信中，现在常用的是数字。