光接收机与光发射机.ppt

1、第三章 光发送机和光接收机,本章内容,3.1 激光产生的物理基础 3.2 半导体激光器和发光二极管 3.3 光源的调制 3.4 光发送机 3.5 光检测器件 3.6 光接收机,3.1 激光产生的物理基础,能级：原子由原子核和核外电子组成，核外电子围绕原子核旋转，每个电子的运行轨道并不相同，各代表不同的量子态，在最里层的轨道上量子态所取的能量最低，最外层的轨道量子态能量最高，这些不同的轨道运行时相应的能量值称为能级。,硅原子的能级图,能级图就是用一系列高低不同的水平横线来表示各个量子态所能取的能级E1、E2、E3、E4，同一能级往往有好几个量子态，根据泡利不相容原理，同一量子态不可能有两个电子。

2、,能级的跃迁,原子中的电子可通过与外界交换能量的方式发生电子跃迁，电子跃迁交换的能量有热能、光能，分别为热跃迁和光跃迁。 考虑两能级的系统，高能级E1和低能级E2，设处于高能级E2和低能级E1上的电子数分别为N2和N1，当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布： k=1.38110-23J/K，为波尔兹曼常数， T为绝对温度。 由于（E2-E1）0，T0，所以在热平衡状态下，总是N1N2，这说明电子总是首先占据能量低的能级。,三种能级跃迁的方式,自发辐射：高能级E2上的电子不稳定，会按一定的概率自发地跃迁到低能机E1上与空穴复合，释放的能量以光子的形式辐射。 受激吸收：处于低能级上的电子在入射光

3、的作用下，吸收频率为的光子能量，从低能级E1跃迁到高能级E2上。 受激辐射： 处于高能级E2的电子在入射光作用下，发射一个和入射光一模一样的光子，跃迁到低能级E1上。,光的吸收和放大,光吸收的过程：当某物质与外界处在热平衡状态下，低能级的粒子（电子）数N1总是大于高能级的粒子（电子）数N2，在这种分布状态下，当有光入射时，必然是受激吸收占主要地位，不会出现发光现象，光波经过该物质时强度按指数规律衰减，光波被吸收。 粒子数反转分布状态：如果外界向物质提供了能量，就会使得低能级上的电子获得能量大量地激发到高能级上去，像一个泵不断地将低能级上的电子“抽运”到高能级上，我们称这个能量为激励或者泵浦过程

4、，从而达到高能级上的粒子数N2大于低能级上的粒子数N1的分布状态，这种状态称为粒子数反转分布状态。 光放大过程:当物质粒子数反转分布状态下，高能级上的大量电子就会在受到外来入射光子的激发下，发射出与入射光子的频率、相位、偏振方向、传播方向完全相同的激发光，这样，就实现了用一个弱的入射光激发出一个强的出射光的光放大过程。,激光器的一般工作原理,激光器的产生 激光器是1960年由美国人梅曼发明的新型光源，利用受激辐射原理，是一种方向性好、强度很高、相干性好的光源。 产生激光的三个先决条件： 要有一个合适的激光工作物质（发光介质）。 需要一个能保证粒子数反转分布的激励能源泵浦源。 把激光工作物质置于

5、光学谐振腔。,激光器的构成,所谓光学谐振腔，最简单实现的办法就是在激光工作物质两端分别加上一块平面反射镜，使受激辐射产生的光子在两块反射镜之间往复反射，两块反射镜中的一块，其反射率理想情况应为100，另一块需要开一个孔以便输出激光，故反射率应在90左右。,L,满足粒子数反转分布的激光工作物质,部分反射镜,激光器的构成图,反射镜,激光输出,光学谐振腔的作用,在光学谐振腔中，沿着光学谐振腔轴线传播的光可以在两个反射镜之间往复传播，在这个过程中一边传播一边激发高能级上的电子跃迁到低能级上发光，这种由于光学谐振腔而产生的往复传播作用，相当于延长了激光工作物质的长度，从而使其中的光能密度不断增加，这样可

6、以使受激辐射的几率远大于自发辐射的几率，从而使得沿光学谐振腔轴线传播的光，在粒子数反转分布的条件下，受激辐射占了绝对优势。,产生激光的阈值与相位条件,阈值条件光的增益和损耗应满足的平衡条件 ： G0:光功率的小信号增益系数; i:损耗系数; L:光学谐振腔的长度; R1、R2：激光器两个反射镜的反射率。,相位条件在谐振腔中，只有满足相位平衡条件的光波，才能往复反射能得到加强： q=1，2，3; q:光在激光工作物质中传播时的波长; n:折射率; L : 谐振腔的腔长,LD的发光原理,本征半导体的能带分布：EV（价带），Eg（禁带），EC（导带） 费米狄拉克统计分布：每个能量为E的单电子态，被电

7、子占据的概率服从费米分布函数 E：某一能级的能量值；K：波尔兹曼常数，k1.381023 J/K； T：绝对温度；Ef：费米能级。 费米能级是反映电子在各能级中分布情况的参量 当E-EfKT,能级几乎被空穴占据,3.2 半导体激光器和发光二极管,各种半导体中电子的统计分布,(a)本征半导体,(b)兼并型P型半导体,(c)兼并型N型半导体,本征半导体在低温下，费米能级处于禁带的中心位置。 P型半导体，由于受主杂质的掺入，费米能级的位置比本征半导体要低，处于价带顶和受主杂质能带之间。 对于重掺杂的P型半导体，杂质能带和价带连成一片，费米能级进入价带，称为兼并型P型半导体。 兼并型N型半导体中施主杂

8、质能带和导带连成一片，费米能级进入导带。,PN结的形成,P型半导体和N型半导体形成PN结时，载流子的浓度差引起扩散运动，P区的空穴向N区扩散，剩下带负电的电离受主，从而在靠近PN结界面的区域形成了一个带负电的区域。同样，N区的电子向P区扩散，剩下带正电的电离施主，从而造成一个带正电的区域。这样一来，载流子扩散运动的结果形成了一个空间电荷区。 在空间电荷区里，电场的方向由N区指向P区，这个电场称为“自建场”。,热平衡下的能级图,热平衡系统只能有一个费米能级，这就要求在P区和N区高低不同的费米能级达到相同的水平，如果N区的能级位置保持不变，那么P区的能级应该提高，从而使PN结的能带发生弯曲。 PN

9、结能带的弯曲正反映了空间电荷区的存在。 在空间电荷区内，自建场从N区指向P区，这说明P区相对于N区为负电荷，用-VD来表示，叫做接触电位差或叫PN结的势垒高度，P区所有能级的电子都附加了(-e0).(-VD)=e0 VD的位能，从而使P区的能带相对于N区来说提高了 e0 VD 。,施加正向偏置电压的能级图,正向电压施加以后，削弱了原有自建场，使势垒降低。 在这种非热平衡状态下，费米能级随之发生了分裂，在PN结出现了两个准费米能级，N区和P区的准费米能级分别为Efc和Efv 。 在正电压的作用下，P区的空穴和N区的电子不断地注入PN结区，这样使得PN结形成了一个增益区，也称为有源区。有源区内导带

10、主要由电子占据，价带主要由空穴占据，从而实现了粒子数反转，半导体激光器的激射就发生在这个增益区即有源区 。,双异质结(DH)LD,这种结构由三层不同类型的半导体材料组成，不同材料发射不同的光波长。 结构中间有一层厚0.10.3的窄带隙P型半导体，称为有源层；两侧分布为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。三层半导体置于基片（衬底）上。 前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里珀罗（F-P）谐振腔。,DH-LD的工作原理,LD形成激光需要具备两个基本条件：一是有源区里产生足够的粒子数反转分布，二是存在光学谐振腔机制，并在有源区里建立起稳定的振荡。 施加正向偏压后，注入到有源层的电子和空穴被限制在有

11、源层内形成粒子数反转分布， 激活区空穴电子对复合辐射出激光,半导体激光器的工作特性,阈值特性 光谱特性 LD的方向特性 转换效率与输出光功率特性 温度特性,阈值特性,阈值电流Ith 当激光器的注入电流IIth时，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加，激光器发出激光。,输,出,光,功,率,（,m,W,）,3,50,100,150,Ith,注入电流（mA),光谱特性,单模激光(SLM):光谱只有1根谱线，谱线峰值波长称为中心波长，谱线宽度小于0.1nm，光谱很窄。 多模激光(MLM):光谱有多根谱线，对应于多个中心波长，其中最大峰值波长称为主中心波长，该模式也称为主模，其它的模式称为边模，谱线宽

12、度为几个纳米。,多模激光,波长,相 对 光 强,1.0,0.5,波长,单模激光,相 对 光 强,LD的方向特性,LD的方向性是指LD输出光束的空间发散程度。 远场光强下降到最大值一半之处时，在垂直于p-n结平面的方向上，对LD输出端面的张角大小，称为垂直发散角，用来表示。 在平行于p-n结平面的方向上，对LD输出端面的张角大小，称为平行发散角，用/来表示。,/,O,P,层,N,层,有,源,层,（a）水平发散角和垂直发散角,转换效率与输出光功率特性,激光器的电/光转换效率用外微分量子效率d：在阈值电流上，每对载流子产生的光子数。,P和I：激光器的输出光功率和驱动电流； Pth和Ith分别为相应的

13、阈值； hf和e分别为光子能量和电子电荷。,温度特性,激光器输出光功率随温度而变化如图所示。 变化规律产生有两个原因：一是激光器的阈值电流随温度升高而增大，二是外微分量子效率随温度升高而减小。,半导体发光二极管(LED),LED与LD的工作原理不同，LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光。 LED不需要光学谐振腔，没有阈值 。,N,层,P,层,输出自发光,N,层,P,层,（a）正面发光二极管,（b）侧面发光二极管,输出自发光,侧面发光型LED驱动电流较大，输出光功率较小，但由于光束辐射角较小，与光纤的耦合效率较高，因而入纤光功率比正面发光型LED大。,发光二极管的工作特性,P-I特性

14、 在低注入电流范围内其线性程度比LD好，且不存在阈值，所以LED适合用在光纤模拟通信系统中 。 LED光功率的温度稳定性也比LD好 光谱特性 自发辐射光，没有谐振腔对波长的选择，为非相干光，谱线较宽。 方向特性 LED的发散角比LD大，LED与光纤的耦合效率通常小于10。 调制特性 LED的可调制频率比LD低。其中，面发光型LED的可调制频率仅为几十MHz，边发光型LED的可调制频率可达200MHz。 寿命 LED的寿命比LD长，可达百万个小时以上。,光发送机组成,时钟：由于解码和扰码过程都需要时钟信号作依据（时间参考），故在均衡放大之后，由时钟电路取出PCM中的时钟信号供给解码、扰码、编码电

15、路使用。 编码：经过解码、扰码的信码经调制为光脉冲后，虽然从理论上可以在光纤上传输，但从实用角度来看，为了便于不间断进行误码监测，克服直流分量的波动，以至于便于区间通信联络等功能，在实际的光纤通信系统中，还要对经解码、扰码的信码流再进行编码以满足上述要求。 调制（驱动）：经过编码后的数字信号通过调制电路对光源进行调制，让光源发出的光强随着经过编码后的信码流变化，形成相应的光脉冲送入光导纤维。,发光二极管总述,尽管发光二极管的输出光功率较低，光谱较宽，但由于使用简单、寿命长等优点，因此，在中、低速率短距离光纤数字通信系统和光纤模拟信号传输系统中，还是得到了广泛应用。,3.3 光源的调制,光调制：

16、将光信号加载到光源的发射光束上。调制后的光波经过光纤信道送至接收端，由光接收机鉴别出它的变化，再现出原来的信息，称为光解调。 光源的调制分为两类： 直接调制：把要传送的信息转变为电流信号注入LD或LED，从而获得相应的光信号，采用的是电源调制方法，也称内调制方法。仅适用于半导体光源（LD和LED）。 间接调制：利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射的调制，这种调制方法适合于半导体激光器，也适应于其他类型的激光器。,直接调制,模拟信号的直接调制：直接用连续的模拟信号（如话音、电视等信号）对光源进行调制。,发光二极管LED模拟调制原理,半导体激光器LD模拟调制原理,自动功率控

17、制电路（APC）,LD结温的变化以及老化都会使Ith增大，量子效率下降，从而导致输出光脉冲的幅度 发生变化。为了保证激光器有稳定的输出光功率，需要有各种辅助电路，例如功 率控制电路、温控电路、限流保护电路和各种告警电路等。,自动温度控制电路,温度控制原理,具体的温度控制电路图,光源的间接调制,光源直接调制的优点是简单、经济、容易实现，但调制速率受载流子寿命及高速率下的性能退化的限制。 外调制方式需要调制器，结构复杂，但可获得优良的调制性能，特别适合高速率光通信系统。 目前已提出的间接调制方式有电光调制、声光调制和磁光调制。,电光调制,电光调制的基本工作原理是利用晶体的电光效应。 电光效应是指由

18、外加电压引起的晶体的折射率发生变化的现象。 基本工作原理：利用电光晶体（如铌酸锂晶体等）的电光效应，当外加电场变化时，将引起晶体折射率n随之变化的现象。折射率的变化又将引起光波相位的变化。其中电场变化实际上就是对应于调制电压的变化（即需要传输的信号的变化）。这样，调制电压的变化最终将得到光波的相位的变化，从而达到电光调相的结果。,光发送机原理方框图,3.3 光发送机,自动,温度,控制,自动,功率,控制,光,监,测,时,钟,告警输出,均,放,解码,HDB3,扰,码,编,码,调,制,光,源,光纤,来自电端机,均衡放大；解码；扰码；时钟；编码；调制（驱动）；自动功率控制；自动温度控制；其他保护、监测

19、电路。,光发送机组成,均衡放大：HDB3码流经过电缆的传输产生了衰减和畸变。所以，在信号进入发射机时，首先要经过均衡和放大，以补偿衰减的电平、均衡畸变的波形。 解码：由于PCM系统传输的HDB3码是双极性的，而在光纤通信系统里，由于光源可用有光和无光“0”，“1”两个码对应，一般不容易与1，0，1对应。这样，信号从PCM端机送到光发射机后，需要将HDB3码变为单极性的“0”，“1”码，由解码电路来完成。 扰码：若信码流中出现长“0”和长“1”的情况，这将给提取时钟信号带来困难。为了避免出现这种长“0”和长“1”的情况，就要在解码之后加一个扰码电路，以达到有规律地“破坏”长“0”和长“1”码流。

20、,光发送机组成,时钟：由于解码和扰码过程都需要时钟信号作依据（时间参考），故在均衡放大之后，由时钟电路取出PCM中的时钟信号供给解码、扰码、编码电路使用。 编码：经过解码、扰码的信码经调制为光脉冲后，虽然从理论上可以在光纤上传输，但从实用角度来看，为了便于不间断进行误码监测，克服直流分量的波动，以至于便于区间通信联络等功能，在实际的光纤通信系统中，还要对经解码、扰码的信码流再进行编码以满足上述要求。 调制（驱动）：经过编码后的数字信号通过调制电路对光源进行调制，让光源发出的光强随着经过编码后的信码流变化，形成相应的光脉冲送入光导纤维。,光发送机组成,自动功率控制：自动功率控制电路维持半导体激光

21、器的输出光功率维持在恒定值。 自动温度控制：半导体光源对环境温度的变化很灵敏，自动温度控制电路保持半导体激光器工作在恒定温度下。 其他保护、监测电路：光发送机除了上述各部分电路外，还有如下一些辅助电路。 LD保护电路使半导体激光器的偏流慢启动以及限制偏流不要过大。由于激光器老化以后输出功率将降低，自动功率控制电路将使激光器偏流不断增加，如果不限制偏流就可能烧毁激光器。 无光告警电路当光发射机电路出现故障，或输入信号中断，或激光器失效都将使激光器较长时间不发光，这时延迟告警电路将发出告警指示。,光发送机主要技术指标,平均发送功率Pt ： 指在“0” “1”码等概率调制的情况下，光发送机输出的光功

22、率值，单位为dBm。 在一般情况下，光发送机的平均发光功率越大越好。但过大会降低光源器件的寿命。Pt一般不越过0dBm。 谱宽 多纵模激光器：根均方谱宽rms和半值满谱宽1/2 单纵模激光器：-20dB谱宽-20dB -20dB=6.07 rms 消光比EX “1”码光脉冲功率与“0”码光脉冲功率之比。 边模抑制比SMSR 在全调制的条件下主纵模的光功率M1和最大边模光功率M2之比,幅度,谱宽,1.0,0,.,61,0,0,.,01,dlrms,dl-20 dB,光纤通信对光检测器件要求： 高效率；低噪声；低工作电压；体积小、重量轻、寿命长 工作原理： 光电检测器是外加反向偏压的PN结，当入射

23、光作用时，发生受激吸收产生光生电子-空穴对，这些电子-空穴对在耗尽层内建电场作用下形成漂移电流，同时在耗尽层两侧部分电子-空穴对由于扩散运动进入耗尽层，在电场作用下形成扩散电流，这两部分电流之和为光生电流。,3.5 光检测器件,在光纤通信系统中，主要采用半导体PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD),PIN光电二极管,工作原理：入射光从P侧进入，在耗尽区光吸收产生的电子空穴对在内建电场作用下分别向左右两侧运动，产生光电流。,N,+,+,电场E,X,-,I,（,轻掺杂的,N,）,P,+,P区:P型半导体 N区:N型半导体 I区:掺杂很低的N区（耗尽层）,I区的电场强度远远大于P区与N区中的电场

24、，从而保证了光子载流子的定向运动以形成光电流 PIN的量子效率正比于耗尽层宽度,结构：,量子效率:入射光功率P0中含有大量光子，能转换为光电流的光子数和入射总光子数之比,为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，使得可以吸收大部分的光子。但是，耗尽区越厚，光生载流子漂移渡越反向偏置结的时间就越长。由于载流子的漂移时间又决定了光电二极管的响应速度，所以必须在响应速度和量子效率之间采取折衷。,Ip:首次光电流(A)；P0:入射光功率信号(W)；e :电子电量, 1.610-19库仑；h:光子能量,响应度：光生电流Ip和入射光功率P0的比值,PIN光电二极管的特性参数,响应时间,PIN光电二极管

25、检测电路的RC常数决定 光生载流子在耗尽层区域内的渡越时间 耗尽区外产生的载流子扩散时间 减小耗尽层宽度可以减小渡越时间，从而提高截止频率，但会降低量子效率,暗电流,暗电流是PIN光电二极管附加噪声的主要来源。 它由两部分组成，一是由构成PIN光电二极管材料的能带结构决定的体电流，二是制造工艺过程所产生的泄漏电流。 由于PIN光电二极管没有光放大作用，加上其暗电流甚小，本身产生的附加噪声很低，所以对光接收机灵敏度产生的影响并不显著。,PIN光电二极管的特性参数,PIN光电二极管的优点是：噪声小、工作电压低（仅十几伏）、工作寿命长，使用方便和价格便宜。 PIN光电二极管的缺点是：没有倍增效应。即

26、在同样大小入射光的作用下仅产生较小的光电流，所以用它做成的光接收机之灵敏度不高。 PIN光电二极管只能用于较短距离的光纤通信（小容量与大容量皆可）。,PIN光电二极管的特点,APD雪崩光电二极管,PIN ：1个光子最多产生一对电子-空穴对,无增益 APD ：利用电离碰撞, 1个光子产生多对电子-空穴对,有增益 工作过程：,入射光一对电子-空穴对(一次光生电流) 与晶格碰撞电离 多对电子-空穴对(二次光生电流）,吸收,外电场加速,1、倍增因子：APD输出光电流IS和一次光生电流IP的比值 G = IS / IP IS-平均输出电流， IP-一次光生电流 倍增因子G与电离系数及增益区厚度有关。 2

27、、倍增噪声系数FG 在APD中，每个光生载流子不会经历相同的倍增过程，具有随机性，这将导致倍增增益的波动，这种波动是额外的倍增噪声的主要根源。通常用过剩噪声因子FG来表征这种倍增噪声。FG又可近似表为：FGG ：倍增噪声指数因子,与器件所用材料和制造工艺有关。 Si-APD 的 =0.30.5, Ge-APD的 = 1, InGaAs-APD的 =0.50.7。,APD光电二极管的特性参数,光检测器的比较,在短距离的应用中，工作在850nm的Si器件对于大多数链路是个相对比较廉价的解决方案。 在长距离的链路常常需要工作在1330nm和1550nm窗口，所以常用基于InGaAs的器件。 APD检

28、测器与PIN检测器相比，具有载流子倍增效应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。要视具体应用场合而选定。,3.6 光接收机,光信号,光检 测器,前置 放大,主放 大器,均衡 滤波,判决器,时钟提取,输出,AGC电路,性能指标:接收灵敏度、 误码率或信噪比,前端,线性通道,时钟提取与数据再生,对信号进行高增益放大与整形，提高信噪比，减少误码率。,偏压控制,光接收机的前端,前端：由光检测器、偏压控制电路和前置放大器组成 作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变电流，然后进行预放大（电流电压转换），以便后级作进一步处理。是光接收机的核心。 要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽,偏

29、压控制,光接收机的前端,根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案： 高阻抗前端场效应管放大器 低阻抗前端双极性晶体管放大器 跨阻抗前端跨阻抗放大器,高阻抗前端,尽量加大偏置电阻，把噪声减至尽可能小的值 优点：噪声较低 缺点：动态范围小、高频分量损失太大,对均衡电路提出很高要求. 多用于低速系统.,光接收机前端的等效电路,光接收机的前端,跨阻抗前端,电压并联负反馈放大器（电流-电压转换器） 优点：宽频带（等效输入电阻很小）、低噪声（反馈电阻可以取得很大）、灵敏度高、动态范围大等综合优点，被广泛采用。,低阻抗前端,从频带要求出发选择偏置电阻RL 优点：电路简单，不需要或只需要很少的均衡，动态范围较大 缺点：灵敏度低，噪声较高,光接收机的线性通道,主放 大器,均衡 滤波,AGC电路,判决再生与时钟提取,任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复