第3章光源及光发射机讲诉.ppt

第3章光源和光发射机,1激光二极管(LD)2发光二极管(LED)3光发射机4外调制器,光源,光源器件是光纤通信设备的核心，其作用是将电信号转换成光信号送入光纤。光纤通信中常用的光源器件有半导体激光器（LD）和半导体发光二极管（LED）两种。,半导体激光器（LD）：适用于长距离大容量的光纤通信系统。尤其是单纵模半导体激光器，在高速率、大容量的数字光纤通信系统中得到广泛应用。发光二极管（LED）：适用于短距离、低码速的光纤通信系统。其制造工艺简单、成本低、可靠性好。,3.1激光二极管（LD）,3.1.1激光器的物理基础1光子的概念光量子学说认为，光是由能量为hf的光量子组成，其中h=6.6261034Js（焦耳秒），称为普朗克常数，f是光波频率，人们将这些光量子称为光子。当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或发射。,2原子能级物质是由原子组成，而原子是由原子核和核外电子构成。原子有不同稳定状态的能级。最低的能级称为基态，能量比基态大的所有其他能级都称为激发态。当电子从较高能级跃迁至较低能级时，其能级间的能量差为，并以光子的形式释放出来，这个能量差与辐射光的频率之间有以下关系式：式中，h为普朗克常数，为吸收或辐射的光子频率。,当处于低能级的电子受到一个光子能量的光照射时，该能量被吸收，使原子中的电子激发到较高的能级上去。光纤通信用的发光元件和光检测元件就是利用这两种现象。,3光与物质的三种作用形式光与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，将发生受激吸收、自发辐射、受激发射三种物理过程。(1)在正常状态下，电子通常处于低能级（即基态）E1），在入射光的作用下，电子吸收光子的能量后跃迁到高能级（即激发态）E2，产生光电流，这种跃迁称为受激吸收光电检测器。,(2)处于高能级E2上的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自发地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射发光二极管。(3)在高能级E2上的电子，受到能量为hf12的外来光子激发时，使电子被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，同时释放出一个与激光发光同频率、同相位、同方向的光子（称为全同光子）。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，所以这种跃迁称为受激辐射激光器。注：受激辐射光为相干光，自发辐射光是非相干光。,(4)粒子数反转分布与光的放大受激辐射是产生激光的关键。设低能级上的粒子密度为N1，高能级上的粒子密度为N2，在正常状态下，N1N2，总是受激吸收大于受激辐射。即在热平衡条件下，物质不可能有光的放大作用。要想物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激吸收，即使N2N1（高能级上的电子数多于低能级上的电子数），这种粒子数的反常态分布称为粒子（电子）数反转分布。粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件。,3.1.2工作原理1发光机理能级与能带能级：原子是由原子核和围绕原子核旋转的电子构成的。围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特定的离散值，这些离散能量值称为原子的能级能带：当大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶体内部电子的共有化运动，使孤立原子中离散能级变成能带。,导带、价带和禁带导带：最外层能级所组成的能带，是高能带。价带：次外层的能带称为价带，是低能带。禁带：导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带，其宽度称为禁带宽度，用Eg表示。,晶体中的能级,光子频率（或波长）和能带差的关系如果导带Ec上的电子跃迁到价带Ev上，其间的能带差Eg=Ec-Ev将以光的形式放出，这个释放的能量被叫做光子，光子的频率记作v，它与能带差的关系为：或光与物质的相互作用有三种基本过程：自发辐射（发光二极管）；受激吸收（光检测器）；受激发射（激光二极管）受激发射：在入射光的激发下，电子从高能级跃迁到低能级，同时辐射出一个与入射光频率、相位、偏振方向及传播方向一样的光子。,LD发射光波长不同的原因(1)半导体导带和价带都是由许多能级组成的，它们所具备的能量并不是完全相同的，有微小差别；(2)半导体的能带结构受掺杂和晶体缺陷影响较大，使得禁带宽度有微小的变化。,直接带隙和间接带隙直接带隙：导带最小能级和价带最大能级有相同的动量，电子是垂直跃迁的，发光效率高间接带隙：导带最小能级和价带最大能级动量不同，要完成电子的跃迁，必须有其他粒子的参与以保持动量守恒。,2LD结构,基本部分：有源层、限制层和端镜面,激光二极管结构,(1)有源层和限制层当PN结上加正向电压时，电子就会从N型限制层注入到有源层，同样，空穴会从P型限制层注入到有源层，电子和空穴在此区复合。当外加电压增加到有源层的禁带宽度Eg时，激光器就开始振荡，发出激光。因为限制层的禁带宽度Egn、Egp比有源层的Eg要宽，其导带所处的能量要比有源层的导带高，所以就形成了异质势垒，使注入到有源层的电子、空穴不会跑掉，而被封闭在有源区内，实现了载流子的封闭作用。,双异质结的结构,(2)端镜面LD两端是互相平行的端镜面，非常平坦光亮，使有源层产生的光部分逸出。另外，有源层里产生的光不断在两端镜面间反射，形成光的振荡。随着电流不断注入，光逐渐被放大并趋于稳定的输出状态。有源层实质上是一个矩形有源光波导，它与端镜面共同构成具有频率选择的光波振荡器、放大器和光的储存器。,3激光器的工作原理激光器包括以下3个部分：必须有产生激光的工作物质（激活物质）；必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源（泵浦源）；必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。（1）产生激光的工作物质即处于粒子数反转分布状态的工作物质，称为激活物质或增益物质，它是产生激光的必要条件。,（2）泵浦源使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源称为泵浦源。物质在泵浦源的作用下，使得N2N1，从而受激辐射大于受激吸收，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）光学谐振腔激活物质只能使光放大，只有把激活物质置于光学谐振腔中，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。,图3-2光学谐振腔的结构,光学谐振腔的结构在激活物质的两端的适当位置，放置两个反射系数分别为r1和r2的平行反射镜M1和M2，就构成了最简单的光学谐振腔。如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是球面镜，则称为球面腔，如图所示。对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，另一个为部分反射。,谐振腔产生激光振荡过程如图所示，当工作物质在泵浦源的作用下，已实现粒子数反转分布，即可产生自发辐射。如果自发辐射的方向不与光学谐振腔轴线平行，就被反射出谐振腔。只有与谐振腔轴线平行的自发辐射才能存在，继续前进。当它遇到一个高能级上的粒子时，将使之感应产生受激跃迁，在从高能级跃迁到低能级中放出一个全同的光子，为受激辐射。当受激辐射光在谐振腔内来回反射一次，相位的改变量正好是2的整数倍时，则向同一方向传播的若干受激辐射光相互加强，产生谐振。达到一定强度后，就从部分反射镜M2透射出来，形成一束笔直的激光。当达到平衡时，受激辐射光在谐振腔中每往返一次由放大所得的能量，恰好抵消所消耗的能量，激光器即保持稳定的输出。,激光器示意图,光学谐振腔的谐振条件与谐振频率设谐振腔的长度为L，则谐振腔的谐振条件为（3-1）或（3-2）式中，c为光在真空中的速度，为激光波长，n为激活物质的折射率，L为光学谐振腔的腔长，q=1，2，3称为纵模模数。谐振腔只对满足式（3-1）的光波波长或式（3-2）的光波频率提供正反馈，使之在腔中互相加强产生谐振形成激光。,起振的阈值条件激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的阈值条件。如以G表示阈值增益系数，则起振的阈值条件是（3-3）为光学谐振腔内激活物质的损耗系数，L为光学谐振腔的腔长，r1，r2为光学谐振腔两个反射镜的反射系数。G：增益介质的增益a：增益介质的损耗：透过反射镜的损耗,4LD模式光学谐振腔的谐振条件：或其中，L为谐振腔的长度；为光波的波长；f为光波的频率；n为介质的折射率；，称为纵横模数。激光器中振荡的光频率只能取些分立值，m的一系列取值对应于沿谐振腔轴向一系列不同的电磁场分布状态，一种分布就是一个激光器的纵模。只有那些有增益且增益大于损耗的模式才能在激光的输出光谱中存在。只剩下一个模的激光器称为单纵模激光器，否则称为多纵模激光器。激光振荡出现在垂直于腔轴线的方向上，这时在激光器出光的端面上出现稳定的光斑，将这种横向的光场分布称为横模。,3.1.2LD的性质,1P-I特性Ith：LD由自发辐射到开始受激振荡时的临界注入电流。当注入电流小于阈值电流Ith时，器件发出微弱自发辐射光，是非相干的荧光；当注入电流超过阈值时，器件进入受激发射状态，发出的光是相干激光，光功率输出迅速增加，输出功率与注入电流基本保持线性关系。阈值电流Ith是激光器的重要参数，该值越小、越稳定，说明激光器的设计和制造工艺越好。短波长激光器，Ith一般在50mA100mA之间；长波长激光器的Ith一般在20mA50mA之间，目前较好的激光器阈值电流小于10mA。,激光器的P-I特性对温度很敏感，为解决半导体激光器温度敏感问题，可以在驱动电路中进行温度补偿，或是采用制冷器来保持器件的温度稳定通常将半导体激光器与热敏电阻、半导体制冷器等封装在一起，构成组件。热敏电阻用来检测器件温度，控制制冷器，实现闭环负反馈自动恒温。,激光器PI曲线激光器PI曲线随温度的变化,2光电效率光电效率是表示电功率转换为光功率的比率。内量子效率LD的发光是靠注入有源层的电子与空穴的复合辐射发光的，但并非所有的注入电子与空穴都能够产生辐射复合。外量子效率（总效率）LD内量子效率可做得很高，甚至可以接近100，但实际的激光器发射输出光子数远低于有源层中产生的光子数，这一方面是由于发光区产生的光子被其它部分材料吸收，另一方面由于PN结波导效应光子能逸出界面数目大大减少,外微分量子效率外微分量子效率D定义为PI曲线线性范围内的斜率，所以又称为斜率效率。D与激光器的结构参数、工艺水平以温度有关。实际工作中D使用较多，也最重要。该值约为1520，对于高性能器件，则可达到3040。,3光谱特性激光器的光谱特性主要由其纵模决定。LD的谱宽，其定义为纵模包络下降到最大值一半时对应的波长宽度，也称半高全宽光谱宽度。单纵模激光器的谱宽度又称为线宽。多纵模激光器光谱特性包络内，一般含有35个纵模，值约为35nm；较好的单纵模激光器值约为0.1nm，甚至更小。LD的发光谱线会随着工作条件的变化而发生变化，当注入电流低于阈值电流时，激光器发出的是荧光，光谱较宽；当电流增大到阈值电流时，光谱突然变窄，强度增强，出现激光；当注入电流进一步增大，主模的增益减小，振荡模式减少，最后会出现单纵模。边模抑制比MSR：主模功率P主和次边模功率P边之比。它是半导体激光器频谱纯度的一种度量，有,(a)多纵模激光器的典型光谱曲线(b)单纵模激光器的典型光谱曲线激光器的光谱特性,激光器输出谱线随注入电流的变化,4调制特性将电信号加载到激光束上的过程称为调制。激光器输出是否能准确地重现输入信号取决于激光器的内部特性。在数字调制时，需要考虑激光器的瞬态特性，瞬态特性有电光延迟、张弛振荡和持续振荡。(1)电光延迟激光器的电光延迟效应，即输出光脉冲的起点与注入电脉冲的起点之间存在一定的电光延迟时间td，该值为纳秒的量级。这一效应的存在，不仅会使光脉冲变窄，而且当脉冲电流宽度与电光延迟时间td相当时，甚至还会使脉冲调制完全失效。存在延迟现象，其原因是由于电子和光子密度达到平衡值时都需要一个时间过程。为了提高调制速率，就必须设法加直流预偏置电流减小电光延迟时间。,(2)张弛振荡当电流脉冲注入激光器以后输出光脉冲表现出衰减式的振荡，这种现象称之为张弛振荡。张弛振荡的频率一般在几百MHz2GHz的量级。它是激光器内部光电相互作用所表现出来的固有特性，增加直流预偏置也可以抑制张弛振荡，而且预偏置越接近阈值，效果越显著。(3)持续振荡某些激光器在某些注入电流下发生的一种持续振荡，称之为自脉动现象。不论是数字调制还是模拟调制，对于直接强度调制方式，其调制频率都受限于激光器的弛豫振荡频率。,激光器的瞬态特性,5噪声激光器输出光的强度总在随机变化，如果光纤链路上的连接器等器件产生的回射光进入激光器被激活放大，也会引起强度波动，这种波动引起激光器中的强度噪声，它用相对强度噪声来度量。6啁啾单纵模激光器在高速强度调制时，注入有源层的电子密度不断变化，导致折射率的变化，使激光器的输出波长和强度都发生变化，在调制脉冲的上升沿向短波长漂移，在调制脉冲的下降沿向长波长漂移，从而使输出谱线加宽，这种动态谱线加宽现象叫作啁啾。啁啾的存在使得光信号的频谱大大展宽，成为光纤通信性能的一个限制因素。,3.1.3LD的类型,1法布里珀罗型（F-P）激光器较早商用化的LD类型之一，其结构简单，容易制造，再传统光纤通信系统中使用广泛。但是此种激光器基本为多纵模工作方式，进行直接调制的动态谱线展宽明显，不适合现代大容量、长距离光纤传输和波分复用系统的应用需求。2分布反馈激光器是大容量、长距离光纤通信系统中广泛应用的光源。是单纵模激光器，具有非常好的单色性和方向性，容易集成化，应用前景广阔。3量子阱激光器出现较晚，已经在实际系统尤其是相干传输系统和波分复用系统中得到广泛应用。4垂直腔面发射激光器对于二维应用具有很好的灵活性，与光纤耦合时具有最高的耦合效率。可单纵模也可多纵模方式工作。,3.1.4LD组件及其技术指标,激光器组件是除激光二极管LD芯片外，还配置其他元件和实现LD工作必要的少量电路块的集成器件：光隔离器；监视光电二极管PD；尾纤和连接器；LD的驱动电路；热敏电阻；热电致冷器；自动温控电路ATC；自动功率控制电路APC等,3.2发光二极管,发光二极管（LED）是非相干光源，它的基本工作原理是自发辐射。发光二极管与半导体激光器差别是：发光二极管没有光学谐振腔，不能形成激光。仅限于自发辐射，所发出的是不可见的红外光，是非相干光。半导体激光器是受激辐射，发出的是相干光。,1工作原理,LED发射过程主要对应光的自发辐射过程。在LED结构中不存在谐振腔，发光过程中PN结也不一定需要实现粒子数反转。当注入正向电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中复合发光，所以LED是非相干光源，并且不是阈值器件，它的输出功率基本上与注入电流成正比，这就是发光二极管的基本原理。,2LED的结构根据光输出位置不同分为面发光二极管、边发光二极管和超辐射发光二极管(1)面发光二极管,面发光二极管的结构,边发光二极管的结构,(2)边发光二极管,超辐射发光二极管的结构,(3)超辐射发光二极管,LED与LD比较,LED除有低成本外，还具有高的温度稳定性、高的可靠性、宽的工作温度范围、低的噪声和简单的控制电路等优点。但是，LED的窄带宽和进入光纤的光功率又限制它在上述短距离、大容量系统中的应用。,3LED特性,(1)光谱特性由于LED没有光学谐振腔以选择波长，所以它的光谱是以自发发射为主的光谱，发光谱线较宽。光谱曲线上发光强度最大时所对应的波长称为发光峰值波长P，光谱曲线上两个半光强点对应的波长差称之为LED谱线宽度(简称谱宽)，它是一个与温度T和波长有关的量，谱宽随辐射波长的增加而增加。LED的谱线宽度反映了有源层材料的导带与价带内的载流子分布。线宽随有源层掺杂浓度的增加而增加。面发光二极管一般是重掺杂，而边发光二极管为轻掺杂，因此面发光二极管的线宽就较宽。而且，重掺杂时发射波长还向长波长方向移动。另外，温度的变化会使线宽加宽，载流子的能量分布变化也会引起线宽的变化。,发光二极管的光谱曲线,(2)P-I特性发光二极管的PI特性是指输出的光功率随注入电流的变化关系。面发光器件的功率较大，但在高注入电流时易出现饱和；而边发光器件的功率相对较低，但线性度较好；超辐射器件的PI特性类似于激光器的曲线，但是没有明显的拐点，即没有阈值电流。一般而言，在同样的注入电流下，面发光二极管的输出光功率要比边发光二极管大2.53倍，这是由于边发光二极管受到更多的吸收和界面复合的影响。当温度升高时，同一电流的发射功率要降低，但相对LD来说，LED的温度特性相对较好，在实际应用中一般不加温度控制。,发光二极管的PI特性,（3）调制特性调制频率或调制带宽是光通信用LED重要参数之一，它关系到LED在光通信中的传输速度大小，LED因受到有源层内少数载流子寿命的限制，其调制的最高频率通常只有几十兆赫兹，从而限制了LED在高比特速率系统中的应用，通常LED的应用主要局限在低带宽和局域网上。调制带宽是衡量发光二极管的调制能力，其定义是在保证调制度不变的情况下，当LED输出的交流光功率下降到低频率值的一半时(3dB)的频率就是LED的调制带宽。LED的输出功率与调制带宽的乘积是一个常数。,发光二极管的调制原理图,3.2.3LED与光纤的耦合,发光二极管的输出光束发散性较大，可利用的光功率很小，这会直接影响光纤通信的中继距离。与LD比较起来，LED与光纤的耦合效率要低得多。一般LD与单模光纤的耦合效率可以达到3050，多模光纤可达7090；而LED与单模光纤的耦合效率非常低，只有百分之几甚至更小，提高LED与光纤的耦合效率是一个很重要的现实问题。耦合效率：入纤的光功率与发光管发出的功率之比影响因素：光源的发散角和光纤的数值孔径。发散角大，耦合效率低；数值孔径大，耦合效率高耦合方法：直接耦合，透镜耦合,直接耦合：将光纤端面直接对准光源发光面进行耦合的方法。当光源发光面积大于纤芯面积时，这是一种唯一有效的方法这种直接耦合的方法结构简单，但耦合效率低。透镜耦合：光源发光面积小于纤芯面积时，可在光源与光纤之间放置透镜，使更多的发散光线会聚进入光纤来提高耦合效率。其耦合效率可以达到10%左右。实际上，许多光源供应商提供的光源都附有一小段光纤即尾纤，以保证连接总是处于最佳功率耦合状态。,光源与光纤的透镜耦合,3.3光发射机,作用：把输入电信号转变成光信号并送入光纤线路进行传输。分类：按照光纤通信系统传输的信号类型分为模拟光发射机和数字光发射机。,模拟光发射机,模拟系统对光源的线性度要求较高，所以非线性补偿电路是模拟光发射机中的重要组成部分。主要指标有：载噪比CNR,复合二阶失真CSO，复合三阶差拍CTE,模拟光发射机外形,数字光发射机,数字光发射机的组成,接口部分（线路编码）：对于数字光发射机，电数字信号通过输入接口后，必须进行码型变换，将普通的二进制双极性信号转换成适合在光纤中传输的码型信号，然后送入驱动电路。完成这一功能部件称为线路编码单元。驱动部分（驱动电路）：为光源提供要求的驱动电流：对直接调制的光源，必须给它提供恒定偏置电流和已调制的信号，它才能工作；同时根据光源的自动温度控制和功率控制电路的反馈输出，对驱动电流进行调整，从而控制光源的功率输出和温度变化。,控制部分：光源：光发射机的核心部分，实现从电信号到光信号的转换。主要有LD和LED温度控制和功率控制：稳定工作温度和输出的平均光功率保护：包含一些其它的保护、监测电路。如光源过流保护电路、无光告警电路、LD寿命告警等。对光源寿命及工作状态进行检测与报警。,1线路编码单元,基带信号是信息代码的一种电表示形式，但在实际传输系统中，并不是所有代码都适合在信道中传输将原始代码编制成适合于传输用的码型，这就是传输码型（线路码）的选择问题。线路编码：把原始代码利用一定的规则，按特定的模式排列起来,形成适合于线路传输的线路码,这个过程称为线路编码。,码型选择,线路码的结构应具有下列主要特性：能从其相应的基带信号中获取定时信息相应的基带信号无直流成分和只有很小的低频成分不受信源统计特性的影响，即能适应于信源的变化尽可能地提高传输码型的传输效率具有内在的检错能力满足上述条件的线路码型种类很多，常用的有AMI码，HDB3码，CMI码,mBnB码等。数字光纤传输系统中常用的码型是5B6B码和插入码。,mBnB码,又称为分组码、块码或字母型平衡码。其特点是将输入编码器的原始码流，按m比特（mB）为单元分组，即每组由mB的二进制码组成一个“字”，称为输入码字。然后将输入码字在同样长时间间隔内，根据一定的编码规则变换成n比特（nB）的码流输出。m和n均为整数，且nm，即已在线路中引入了一定的冗余度。这些增加的冗余度，使带宽增加到n/m倍。以此为代价，mBnB码中这些增加的码元可用来平衡码流减小基线漂移、避免码流中出现长“1”和“0”，使码流具有丰富的时钟成分和减小时钟抖动，并可在不中断通信业务的条件下进行误码监测。,5B6B码,插入码,插入码是把输入的二进制原始码流分成m比特一组，然后在每组mB码的末尾插入一个码，根据该插入码的用途，可以分为mB1C,mB1H,mB1P。mB1C：其编码规则是原始码流每m比特分为一组，然后在分组码的第m+1位上插入一个C码，C成为信息比特补码。它实际上是第m位的补码，如果第m位为“1”，则补码为“0”，反之为“1”。mB1H：H称为混合码，它可以用于在线误差检测、区间通信或者是帧同步、公务、数据、监测等信息的传送。mB1P：P是奇偶校验码，当m位码内“1”的个数为奇数时，则P码为“1”,反之则为“0”。,2驱动电路,当数字信号为0时，即uin为低电平时，三级管VT截至，LED中没有电流流过，因此不发光；反之当数字信号为1时，即uin为高电平时，三极管饱和导通，LED发光。,LED驱动电路,VT2管基极加一个固定电压UB，输入数字信号电压uin加在VT1管的基极，当uin为高电平“1”时，uinUB，VT1管导通，VT2管截止，LD无光输出；反之，LD在uin为低电平时将输出光信号。通过控制UB的大小，可使三极管工作在非深度饱和和深度截止状态，从而缩短开关转换时间，实现高速率的调制。,LD驱动电路,光发射机的主要性能指标,（1）输出光功率光发射机输出光功率是指耦合进光纤的功率，亦称入纤功率。光源应有合适光功率输出，一般为0.01mW5mW。（2）消光比消光比的定义为全“1”码平均发送光功率与全“0”码平均发送光功率之比。可表示为：式中，P1为全“1”码时的平均光功率；P0为全“0”码时的平均光功率。,3.4外调制器,直接调制：直接用电调制信号对光源的注入电流进行调制，然后使输出光波的强度随调制信号而变化，这种调制又称内调制；特点：优点是调制电路简单、经济，但调制带宽受光源的振荡频率的限制和光源啁啾效应的限制，使得这种方式无法应用在2.5Gb/s以上的高速率光纤通信系统中。,直接调制,间接调制：利用晶体的电光、磁光和声光等效应对光辐射进行调制，即在光源辐射产生后再加载调制信号。又称为外调制。特点：外调