有源光器件专题-光收发器.ppt

光纤通信系统中的 光接收与光发送器件 2001-06 主要内容 l光纤通信系统对光接收发送器件的需求 l光接收器件基本原理 l光接收器件发展趋势 l光发送器件基本原理 l光发送器件发展趋势 光纤通信系统中 光接收发送器件的应用 终端设备（光发送机 ） 终端设备（光接收机 ） 光接收器件光接收器件 光纤通信系统的光接收机 光通信系统对光接收器件的要求光通信系统对光接收器件的要求 l更长的工作波长，更高的波长响应度 l更快的响应速度 l更小的噪声 l更好的温度特性 l更小的体积 l更长的寿命 光接收器件基本原理 l光电效应 l接收机组件 光电效应 PN V0 耗尽区 光功率 不同材料的接收器件响应度 PIN光电二极管 lI: 增加的一层重搀杂的N层，用于增大耗 尽区的宽度，提高量子效率 PN V0 耗尽区 I PIN的结构 APD光电二极管 l利用“雪崩”效应倍增 PN V0 耗尽区 I + + 吸收增益 P APD的结构 PIN的主要指标 l光电转换效率/响应度 l暗电流 l响应速度(带宽) APD的主要指标 l光电转换效率 l暗电流 l雪崩倍增噪声（APD） l雪崩倍增因子M（APD） l响应速度（增益带宽积） 光接收器件组件 PIN/FET及APD/FET 光接收器件组件中的 前置放大器 互阻放大器的优点 l放大器增益受限于反馈电阻，容易实现 l放大器带宽宽，无须额外的均衡电路， 从而提高动态范围 l较低的噪声指数 光接收器件组件的主要指标 l接收机灵敏度 l接收机的光口反射 接收机灵敏度 l定义：BER达到特定指标(1e-12)时，要 求的最小输入光功率 l量子极限灵敏度 影响接收机灵敏度的因素-噪声 l接收器件噪声 量子噪声 APD器件的雪崩噪声 l前置放大器件的噪声 偏置电阻的热噪声 放大电路的噪声 影响接收机灵敏度的因素-带宽 l高频响应 2.5Gb/s信号，要求达到1.8GHz 10Gb/s信号，要求达到8GHz l低频响应 2.5Gb/s信号，要求达到300kHz 10Gb/s信号，要求达到100kHz l低频响应直接影响允许的长0及长1码个 数 接收器件的响应速度（1） 封装电容及电阻 PIN 放大器 Cd-分布电容 Rs接触电阻 Gd-分布电阻 Rb偏置电阻 接收器件的响应速度（2） transit time l零场区光生载流子的扩散时间 l耗尽区光生载流子的漂移时间 l雪崩倍增建立时间 接收器件的响应速度(3) RF接头 10Gb/s PIN/FET 2.5Gb/s APD/FET APD的温度特征 l温度升高，Vb增大，M下降 dVb/dT 0.1V/oC l温度升高，噪声电平提高 光发送器件 光纤通信系统的光发射机光纤通信系统的光发射机 光通信系统对光发送器件的要求光通信系统对光发送器件的要求 l更长的工作波长 l更稳定的波长特征+更灵活的波长特征 l更快的响应速度 l更小的RIN噪声及线宽 l更高的集成度 l更长的寿命 光发送器件基本原理 半导体发光原理 半导体激光器 发光三要素： l谐振腔 l增益物质 l激励 DFB激光器原理 DFB激光器的耦合波方程 -分析激光器的静态特征 温度对DFB激光器的影响 l阈值电流变大 l阈值波长 向长波长方向移动 注入电流时激光器的空间载流 子及光子浓度分布 注入电流对激光器的影响 l注入电流增加使得激光器的输出光功率 变大 l注入电流增加使得激光器的有源区空间 载流子浓度变大,导致波长向短波长方移 动:脉冲注入电流 l注入电流增加使得激光器的有源区的温 度升高,导致波长向短波长方移动 l综合以上:连续注入电流时 0.01nm/mA 外光路反馈的影响 lDFB激光器外光路的反馈等价于激光器端面反 射率的变化 l外光路的反馈 l引起的激光器的波长变化量与相位有关 l引起的激光器的波长最大变化与反射率有关 l在动态调制时引入额外的chirp DFB激光器的速率方程 -分析激光器的动态特征 DFB激光器的直接调制性能 l张弛振荡不可避免 l啁啾系数较大:0.7 直接调制DFB激光器的啁啾 l定义 l正啁啾与色散的影响类似，导致脉冲展宽，缩 短传输距离 啁啾缩短传输距离啁啾缩短传输距离 l随着脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽 l无啁啾光源的传输距离： l理想无啁啾光源传输距离： 2.5Gb/s：G.652光纤传输1000km(17000ps/nm) 10Gb/s： G.652光纤传输60km(1000ps/nm) l直接调制激光器的传输距离： 2.5Gb/s： G.652光纤传输180km(3200ps/nm) 外调制技术 l电吸收外调制器 lMach-Zehnder外调制器 LiNbO3外调制器 III-V外调制器 电吸收外调制器 集成电吸收外调制/激光器 集成电吸收外调制/激光器 传输性能 发送端眼图 发送端眼图 传输 传输8 8X80kmX80km后眼图后眼图 Mach-Zehnder外调制器 l啁啾系数容易控制，可以为，也可以为负 LiNbO3外调制器 集成III-V外调制激光器 DWDM激光器的要求 波长稳定 l波长稳定技术 温度反馈控制技术 波长反馈控制技术 l激光器波长的长时间漂移：0.10.2nm l采用无源器件进行波长锁定，可以有效防止波 长随着时间的漂移，波长漂移5GHz 波长锁定技术原理 采用Fabry-Perot标准具 OXC激光器的要求 波长可调 l传统的DFB激光器的波长调节 利用温度调节0.1nm/OC 范围有限 l可调波长激光器 多段DFB DBR VSECL 外腔激光器