目錄
2.1 半導體激光器 2
2.1.1 激光原理的基礎知識 2
2.1.2 激光激射條件 3
2.1.3 結構理論 4
2.1.4 典型分類 6
2.1.5 模式概念 7
2．1.6 基本性質 8
2.2 半導體發光二極管 10
2.2.1 工作原理 10
2.2.2 結構和分類 10
2.2.3 主要性質 10
2.3 光源的直接調制 11
2.3.2 光源的直接調制 11
2.3.3 直接調制激光發射機 13
2.4 光源的間接調制 15
2.4.1 間接調制的類型和特點 15
2.5 光源的調制格式 17
2.5.1 光調制格式的類型 17
2.5.2 高速長距離系統中常用的調制格式 17

第二章 光源和光發射機
2.1 半導體激光器
2.1.1 激光原理的基礎知識
1.原子的能級：
電子在原子中的微觀運動—量子態的能量只能取某些特定的離散值，需要滿足電子軌道的量子化條件。電子在每一個這樣的軌道上運動時，原子具有確定的能量，稱為原子的一個能級。
2.晶體的能帶
晶體的能譜在原子能級的基礎上按共有化運動的不同而分裂成若干組。每組中能級彼此靠的很近，組成具有一定寬度的帶，稱為能帶。
3.能級的躍遷
能級躍遷包括熱躍遷（躍遷過程中交換的能量是熱運動的能量）和光躍遷（躍遷過程中交換的能量是光能）；光躍遷是研究光與物質相互交換的基礎。
對大量原子組成的體系來說，光躍遷同時存在著光的自發輻射，受激輻射和受激吸收3種不同的基本過程。
自發輻射：處在高能級E_2上的電子按照一定的概率自發地躍遷到低能級E_1并發射出一個頻率為n的光子，其能量為
e=hn=E_2-E_1
該過程稱為自發輻射。
受激輻射：處于高能級E_2的電子在外來光場的感應下（外來感應光子的能量hn=E_2-E_1）發射出一個和感應光場一模一樣的電子，二躍遷到低能級E_1，該過程為光的受激輻射過程。
受激吸收：處在低能級E_1上的電子在感應光場的作用下（感應光子的能量hn=E_2-E_1），吸收一個光子而躍遷到高能級E_2，該過程為光的受激吸收過程。
4.光增益區的形成
（1）光的吸收和放大：忽略自發輻射過程，只考慮受激躍遷，受激吸收和受激輻射孰強孰弱取決于電子在兩個能級上的分布情況。因此，當光經過介質時會有吸收和放大兩種過程。若高能級上的電子密度高于低能級上的電子密度，則受激輻射強于受激吸收，光強在傳輸過程中逐漸增強。
（2）半導體激光器中增益區的形成：半導體激光器通常為一個二極管結構，當注入正向電流達到一定閾值時，在結區形成的一個粒子數反轉分布的區域。稱為有源區

2.1.2 激光激射條件
1.激射的一般條件：
（1）有源區產生足夠多的粒子數翻轉分布。
（2）存在光學諧振機制，并在有源區里建立起穩定的激光振蕩。
2.半導體激光器的發射波長：半導體激光器材料的禁帶寬度決定了激光器自發輻射的波長范圍。發射波長l=hc/E_dir .式中，h為普朗克常量，c為真空中的光速，E_dir為直接帶隙材料的禁帶寬度。
3.自激振蕩原理：

2.1.3 結構理論
1.半導體激光器的通用結構：
有源區（實現粒子數反轉分布，存在光增益），光反饋裝置，頻率選擇原件，光束的方向選擇元件，光波導（引導激光器內所產生的光波在器件內部進行傳輸）。
2.有源區的典型結構
同質結（構成PN結的P型和N型半導體為同一種材料），單異質結，雙異質結，量子阱異質結。
·后兩種類型是目前商用化半導體激光器的主要方案。
·雙異質結構能夠實現對有源區的全面控制，達到有效降低閾值電流的目的。
3.法布里-珀羅（F-P）諧振腔
一種最簡單的光學反饋裝置，如圖，由一對平行放置的平面反射鏡組成。

F-P腔必須滿足一定的相位條件和振幅條件
相位條件可使發射光譜得到選擇，而振幅條件使激光器成為一個閾值器件。
相位條件：波從某一點出發，經腔內往返一周再回到原來位置是，應與初始波同相位，即發生駐波干涉。

振幅條件：波從某一點出發，經腔內往返一周再回到原來位置時，起幅度應不低于初始波的幅度。即達到一個閾值條件，當光信號往返傳輸一周幅度不發生變化時所處的條件。

4.布喇格（Bragg）反射器
是一種基于波紋光柵的光學諧振器,是一組具有周期性的空間結構。
其特點是材料折射率在空間某方向上呈現周期性變化，從而為受激輻射產生的光子提供周期性的反射。
和F-P腔相比，布喇格反射器優點在于：諧振波長選擇性高，譜線寬度明顯變窄，且容易設計成單縱模（單頻）振蕩。

2.1.4 典型分類
1.F-P腔諧振器
F-P腔諧振器是較早商用化的半導體激光器之一。結構簡單，容易制造，在傳統光纖通信中使用廣泛。但由于這種激光器基本為多縱模工作方式，直接調制時動態譜線展寬不明顯，所以不符合現代大容量長距離光纖傳輸和波分復用系統的應用需求。
2.分布反饋激光器和分布Bragg反射激光器。
基于Bragg衍射光柵的LD分為分布反饋（DFB）和分布Bragg反射（DBR）兩種類型。二者區別在于DBR根據波導功能進行分區設計，光柵的周期性溝槽放在有源波導兩外側無源波導上，從而避免了光柵制作過程中可能造成的晶格損傷。

DBR常用于制作雙區或三區可調諧激光器。
DFB是大容量，長距離光纖通信系統中廣泛應用的光源。同F-P腔激光器相比，DFB的優點總結為：
可以在一定的范圍內有限度地選擇激光器的發射波長。
線寬窄，波長穩定性好
在高速調制時仍然能夠保持單縱模特性
高線度性。
3.量子阱激光器
量子阱激光器指有源區采用量子阱結構的激光器。
優點：
閾值電流低，波長可調諧，線寬窄，頻率啁啾低，調制速率高，溫度穩定性強。
4.垂直腔面發射激光器
面發射激光器（SELD）與邊發射激光器（上述幾種）相比區別在于它的發射方向垂直于或傾斜于PN結平面，可以從PN結的上部或襯底側出光。垂直腔面發射激光器（VCSEL）是面發射激光器中最有前途的一種。
優點：
閾值電流低（小于1mA），發光效率好，波長選擇性好，易于實現動態單模工作，耦合性能好，體積小，速度快，模塊化強。

2.1.5 模式概念
1.激光器的模式：當注入電流大于閾值電流時，輻射光在腔內建立起來的電磁場模式稱為激光器的模式。
在對激光器進行模式分析時用縱模表示沿諧振腔傳播方向上的駐波振蕩特性，橫模表示諧振腔橫截面上的場型分布。

2.縱模的概念與性質
激光器的縱模反應了光譜性質。
性質：（1）縱模數隨注入電流變化；（2）峰值波長隨溫度變化；（3）動態線譜展寬：對激光器進行直接強度調制會使發射線譜增寬，振蕩模數增加
3.橫模
橫模反映的是由于邊界條件的存在對腔內電磁場形態的橫向空間約束作用。
橫模分為水平橫模和垂直橫模兩種類型。水平橫模反映出有源區中平行于PN結方向光場的空間分布。垂直橫模表示與PN結垂直方向上的電磁場的空間分布。

2．1.6 基本性質
1.伏安特性（電學性質）

2.P-I特性
P-I特性揭示了激光器輸出光功率與注入電流之間的變化規律

當注入電流較小時，有源區內不能實現粒子數的反轉分布，自發輻射占主導地位。隨著注入電流的增大，有源區里實現了粒子數反轉分布，受激輻射開始占主導地位。當注入電流達到閾值后，才能發射譜線尖銳、模式明確的激光，光譜突然變窄并出現單峰。
3.光譜特性
描述激光器的純光學性質。
穩態工作時的激光器光譜由幾部分因素共同決定：發射波長范圍取決于激光器的自發輻射譜，精細的譜線結構取決于光腔中的縱模分布，波長分量的強弱則與激射時各模式的增益條件密切相關。
4.光束特性
通常用激光器的近場和遠場輻射方向圖來表征其光束特性，它直接影響到器件與光纖的耦合效率。

2.2 半導體發光二極管
2.2.1 工作原理
發光二極管是非相干光源，它的發射過程主要是光的自發輻射過程。當注入正向電流時，注入的非平衡載流子在擴散過程中復合發光，這就是發光二極管的基本原理。

2.2.2 結構和分類
按光的輸出位置不同，發光二極管可分為邊發射型和面發射型。

2.2.3 主要性質
（1）發射譜線和發射角：發射譜線較寬，因此，光信號在光纖中傳輸時材料色散和波導色散比較嚴重；發散角大，使LED和光纖的耦合效率較低。這些因素對光纖通信是不利的。
（2）響應速度：LED的響應速度比激光器低得多。
（3）熱特性：由于發光二極管不是閾值器件，所以輸出功率不會像激光器那樣隨溫度發生很大的變化，在實際過程中可以不進行溫度控制。
（4）優點：壽命長，可靠性高，調制線路簡單，成本低。

2.3 光源的直接調制
2.3.1 光源的兩種調制方式：直接調制和間接調制
直接調制和間接調制的本質區別：間接調制光源的發光和調制功能是分離進行的，即在激光形成以后才加載調制信號，二者只有光路的鏈接和沒有電路的相互影響，因此，不會因為調制而影響激光器的工作。
直接調制適用于電流注入型的半導體光源器件。間接調制適用于各種激光器的工作。

2.3.2 光源的直接調制
2.3.2.1 模擬調制和數字調制
從調制信號的類型劃分，直接調制方式又分為模擬調制和數字調制。模擬調制是將連續變化的模擬信號（話音，視頻等）疊加在直流偏置的工作點上對光源進行調制。
數字調制屬于脈沖調制，即調制電流為二進制脈沖形式，利用光功率的有和無狀態來傳遞信息。

2.3.2.2 LD數字調制過程的瞬態分析
1.階躍響應的瞬態分析。

2.速率方程組

3.速率方程組的解
穩態解和瞬態解
穩態解給出激光器內部若干物理量的穩態關系
瞬態解是在注入電流變化的情況下求解速率方程組得到的解
小信號近似下速率方程組的瞬態解為

4.電光延遲時間
電光延遲過程發生在閾值以下，對應于注入電流對導帶底部進行填充，使導帶的電子密度達到閾值時的電子密度的時間。

2.3.3 直接調制激光發射機
2.3.3.1 激光器的實用組件
光隔離器，監視光電二極管（PD），尾纖和連接器，LD的驅動電路，熱敏電阻，熱電制冷器，其他準直激光器輸出場的透鏡、光纖耦合透鏡及固定光纖的支架等。

2.3.3.2 光發射機的組成

激光器的調制電路

兩級差分電流開關整形，以改善電流波形，電流開關為雙邊驅動，不會因為有過多的存儲電荷而影響開關速度；為保證差分管特性的一致性，設計時應用了集成差分管對實現調制功能。
激光器的控制電路
為消除溫度變化和器件老化帶來的影響，給激光器提供穩定的工作環境。目前主要采取自動溫度控制和自動功率控制的措施。
自動溫度控制

自動功率控制

2.4 光源的間接調制
2.4.1 間接調制的類型和特點
根據工作原理的不同，可以利用電光效應、電吸收效應、磁光效應、聲光效應等制成不同的光調制器。
電光效應光調制
當把電壓加到某些晶體上的時候，可能使晶體的折射率發生變化，結果引起通過該晶體的光波特性發生變化，晶體的這種效應稱為電光效應。
磁光效應光調制
磁光效應又稱為法拉第電磁偏轉效應。當光通過介質傳播時，若在垂直光的傳播方向上加一強磁場，則光的偏振面發生偏轉，其旋轉角與介質長度，外磁場強度成正比。

電吸收效應

電吸收效應是利用Franz-keldysh效應和量子約束Stark效應產生材料吸收邊界波長移動的效應。Franz-keldysh效應是指在電場作用下半導體材料的吸收邊帶向長波長移動的理論。
聲光效應光調制
聲光效應是指聲波作用于某晶體時，產生光彈性作用，使折射率發生變化，從而達到光調制的目的。

光源的調制格式

2.5.1 光調制格式的類型
通斷鍵控（OOK）,M進制相移鍵控（PSK,包括2PSK,QPSK,MPSK等），M進制正交幅度調制（M-QAM）

2.5.2 高速長距離系統中常用的調制格式
載波抑制歸零碼（CSRZ）,差分相移監控碼（BPSK），M-QAM星座圖設計。

摘錄自：
顧畹儀. 光纖通信.第2版[M]. 人民郵電出版社, 2011.

總結

以上是生活随笔為你收集整理的2020-08-07 光纤通信第二章知识点整理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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