chapter3光接收机与光发射机

1、1 2 3 硅原子的能级图 n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。 4 221 1 exp NEE NKT 5 6 7 8 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 9 10 21 i0 RR 1 ln L2 1 G 相位条件相位条件在谐振腔中，只有满足相位平衡条在谐振腔中，只有满足相位平衡条 件的光波，才能往复反射能得到加强：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

2、长光在激光工作物质中传播时的波长; n: 折射率折射率; L : 谐振腔的腔长谐振腔的腔长 q2L2 2 q 11 KT EE Ef f exp1 1 )( 3.2 半导体激光器和发光二极管半导体激光器和发光二极管 12 (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型半导体中施主杂质能带和导带连成一片，费米能级进入导带。 13

3、14 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 。 15 16 17 E 电子 空穴 异质势垒 复合 限制层有源层限制层 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

4、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 18 分布反馈（DFB）型激光器是随着集成光学的发展而出现的，由 于其动态单模特性和良好的线性， 已在国内外高速率数字光纤 通信系统和CATV模拟光纤传输系统中得到广泛的应用。 DFB型激光器的激光振荡不是由反射镜面来提供，而是由折射率 周期性变化的波纹结构（波纹光栅）来提供。 DFB激光器的结构 nDFB LDDFB LD的周期性沟槽在有源的周期性沟槽在有源 层波导两外侧的无源波导层上，层波导两外侧的无源波

5、导层上， 这两个无源的光栅波导充当这两个无源的光栅波导充当 BraggBragg反射镜的作用。反射镜的作用。 n只有在只有在BraggBragg频率附近的光波频率附近的光波 才能满足振荡条件，从而发射才能满足振荡条件，从而发射 出激光。出激光。 19 如图所示的布拉格反射，在与反射方向垂直的平面上，各反射 波的相位必须相同，因此反射波的路程差必须为波导波长的整数倍。 )2( sin ) 1 ( 0 La n mmaL e g L L为栅距（光栅周期长度）为栅距（光栅周期长度） gg为波导波长为波导波长 0 0为工作波长为工作波长 n ne e为波导层的有效折射率为波导层的有效折射率 m m为正

6、整数。为正整数。 0 )sin1 (mLne 布拉格反射条件布拉格反射条件 20 DFBDFB激光器的分布反馈是激光器的分布反馈是=/2=/2的布拉格反射的布拉格反射, ,这时有源区这时有源区 的光在栅条间来回振荡。此时的布拉格条件为：的光在栅条间来回振荡。此时的布拉格条件为： 光栅的周期长度为时光栅的周期长度为时L L，只有满足布拉格反射条件波长为，只有满足布拉格反射条件波长为0 0 的光波，才能产生激光振荡，因而使激光器得到的光波，才能产生激光振荡，因而使激光器得到单频输出单频输出。 由于分布馈激光器是由光栅来选择单纵模，因而在高速调制由于分布馈激光器是由光栅来选择单纵模，因而在高速调制

7、下仍维持下仍维持单纵模输出单纵模输出。 DFBDFB激光器的激光器的谱线窄谱线窄，其线宽大约为普通型激光器线宽的，其线宽大约为普通型激光器线宽的 1/101/10左右，从而使色散的影响大为降低，可以实现速率为左右，从而使色散的影响大为降低，可以实现速率为 Gb/sGb/s的超高速传输。的超高速传输。 0 2mLne 21 22 输出光功率（mW） 3 50100150Ith 注入电流（mA) 23 多模激光 波长 相 对 光 强 1.0 0.5 波长 单模激光 相 对 光 强 24 / O P层 N层 有源层 （a）水平发散角和垂直发散角 1.0 0.5 0 0-5050 发散 角 （ 度 ）

8、 垂 直 方 向 水 平 方 向 （b）远场光强分布曲线 相 对 光 强 25 hf e I P eII hfPP th th d / )( / )( )( th d th II e hf PP hf 26 )exp()( 0 0 T T ITIth 27 N层 P层 输出自发光 N层 P层 （a）正面发光二极管SLED （b）侧面发光二极管ELED 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。 28 29 30 31 32 33 34 35 A LED V+LED数字信号调制电路只有一级共发射数字

9、信号调制电路只有一级共发射 极的晶体管调制电路，晶体管用作饱和极的晶体管调制电路，晶体管用作饱和 开关，晶体管的集电极电流就是开关，晶体管的集电极电流就是LED的的 注入电流。注入电流。 信号由信号由A点接入。点接入。“0”码时晶体三极管码时晶体三极管 不导通；不导通；“1”码时晶体三极管导通，于是码时晶体三极管导通，于是 注入电流注入到注入电流注入到LED管，使得管，使得LED管发管发 光，从而实现了数字信号调制。光，从而实现了数字信号调制。 图3.18 LED数字信号调制 36 +Vc LD Vin VbV1V2 电流源 图3.19 LD数字信号调制 37 LD结温的变化以及老化都会使It

10、h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。 自习自习APCAPC工作过程：工作过程：P.42P.424343 38 温度控制原理 微制冷器多采用微制冷器多采用半导体制冷器半导体制冷器，它利用半导体材料的珀尔帖效，它利用半导体材料的珀尔帖效 应制成的。应制成的。 当直流电流通过两种半导体组成的电偶时，出现一端吸热另一当直流电流通过两种半导体组成的电偶时，出现一端吸热另一 端放热的现象，这种现象称为珀尔帖效应。端放热的现象，这种现象称为珀尔帖效应。 微型半导体制冷器的温

11、差可以达到微型半导体制冷器的温差可以达到30403040。 39 具体的温度控制电路图 热敏电阻热敏电阻R Rf f; ;制冷器制冷器R RC C。 R Rf f，RlRl，R2R2，R3R3组成桥式电路，其输出电压加到差分放大器的同相组成桥式电路，其输出电压加到差分放大器的同相 和反相输入端，在某温度下，电桥达到平衡。和反相输入端，在某温度下，电桥达到平衡。 例：例：LDLD温度升高时，温度升高时，R Rf f下降，差分放大器输入压降升高，差分放大下降，差分放大器输入压降升高，差分放大 器输出电压升高，器输出电压升高， BGlBGl正向导通，通过制冷器正向导通，通过制冷器RCRC的电流的电流

12、I IC C加大，使加大，使LDLD 的温度下降。的温度下降。 IC 40 41 42 当一个当一个 的光波入射到光波调制器的光波入射到光波调制器(Z=0)(Z=0)，经过，经过 长度为长度为L L的外电场作用区后，输出光场的外电场作用区后，输出光场(Z=L)(Z=L)即已调制光即已调制光 波为波为 ，相位变化因子，相位变化因子受外电压的控制从受外电压的控制从 而实现相位调制。而实现相位调制。 0 sintA 0 sintA 43 44 45 3.3 光发送机光发送机 自动自动 温度温度 控制控制 自动自动 功率功率 控制控制 光光 监监 测测 时时 钟钟 告警输出告警输出 均均 放放 解码解

13、码 HDBHDB3 3 扰扰 码码 编编 码码 调调 制制 光光 源源 光纤光纤 来自电端机来自电端机 均衡放大；解码；扰码；时钟；编码；调制（驱动）；均衡放大；解码；扰码；时钟；编码；调制（驱动）；自动功自动功 率控制；自动温度控制；其他保护、监测电路。率控制；自动温度控制；其他保护、监测电路。 46 47 激激光光二二极极管管 发发光光二二极极管管 1输出光功率较大，几 mW 一几十 mw。 输出光功率较小，一般仅 1mw 一 2mW。 2带宽大，调制速率高，几百 MHz 一几十 GHz。 带宽小，调制速率低，几十一 200MHz。 3光束方向性强，发散度小。 方向性差，发散度大。 4与光

14、纤的耦合效率高，可高达 80以上。 与光纤的耦合效率低，仅百分之几。 5光谱较窄。 光谱较宽。 6制造工艺难度大，成本高。 制造工艺难度小，成本低。 7在要求光功率较稳定时，需要 APC 和 ATC。 可在较宽的温度范围内正常工作。 8输出特性曲线的线性度较好。 在大电流下易饱和。 9有模式噪声。 无模式噪声。 10可靠性一般。 可靠性较好。 11工作寿命短。 工作寿命长。 48 49 50 51 52 53 幅度 谱宽 1.0 0.61 0 drms 0.01 d-20 dB 54 ”码调制时光功率全“ ”码调制时光功率全“ 0 1 EX 2 1 lg10 M M SMSR 55 在光纤通信

15、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) 56 工作原理：工作原理：入射光从入射光从P P侧进入，在耗尽区光吸收产生的电侧进入，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。流。 N+ + 电场E X - I（轻掺杂的N ）P+ P P区区:P:P型半导体型半导体 N N区区:N:N型半导体型半导体 I I区区: :掺杂很低的掺杂很低的N N区（耗尽层）区（耗尽层） 结构结构： 57 hP eI p / / 0 入射光子数 光电流的光子数 为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度

16、，为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，使得可以吸收使得可以吸收 大部分的光子。但是，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。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，所以必须在应速度，所以必须在响应速度和量子效率之间采取折衷。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 响应度响应度：光生电流：光生电流Ip和入射光功率和入射光功率P0的比值的比值 PI

17、NPIN光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数 h e P I p 0 58 暗电流暗电流 n暗电流是暗电流是PIN光电二极管附加噪声的主要来源。光电二极管附加噪声的主要来源。 n它由两部分组成，一是由构成它由两部分组成，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。的体电流，二是制造工艺过程所产生的泄漏电流。 n由于由于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。生的附加噪声很低，所以对光接收机灵敏

18、度产生的影响并不显著。 PINPIN光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数 59 PINPIN光电二极管的特点光电二极管的特点 60 入射光入射光一对一对电子电子- -空穴对空穴对( (一次光生电流一次光生电流) ) 与晶格碰撞电离与晶格碰撞电离 多多对对电子电子- -空穴对空穴对( (二次光生电流）二次光生电流） 吸收吸收外电场加速外电场加速 耗尽层仍为耗尽层仍为I层，层， 起产生一次电子起产生一次电子 空穴对的作用。空穴对的作用。 增加了一个附加层：增加了一个附加层： 高电场区（增益区），高电场区（增益区）， 以实现碰撞电离产生以实现碰撞电离产生 二次电子空穴对。二次电子空穴对。 N+

19、P P+ 电场E 高电场区耗尽区 + - 雪崩区 雪崩电离需要 的最小电场 61 62 63 3.6 3.6 光接收机光接收机 光信号光信号 光检光检 测器测器 前置前置 放大放大 主放主放 大器大器 均衡均衡 滤波滤波 判决器判决器 时钟提取时钟提取 输出输出 AGCAGC电路电路 性能指标性能指标: :接收灵敏度、接收灵敏度、 误码率或信噪比误码率或信噪比 前端前端线性通道线性通道时钟提取与数据再生时钟提取与数据再生 对信号进行高增益放大与整形，对信号进行高增益放大与整形， 提高信噪比，减少误码率。提高信噪比，减少误码率。 偏压控制偏压控制 64 n前端：前端：由光检测器、偏压控制电路和前

20、置放大器组成由光检测器、偏压控制电路和前置放大器组成 n作用：作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变电流，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。步处理。是光接收机的核心。 n要求：要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽低噪声、高灵敏度、足够的带宽 电信号电信号光信号光信号 光电光电 变换变换 前置前置 放大放大 偏压控制偏压控制 65 高阻抗前端高阻抗前端 尽量加大偏置电阻，把噪声减尽量加大偏置电阻，把噪声减 至尽可能小的值至尽可能小的值 优点优点：噪声较低：噪声较低

21、缺点缺点：动态范围小、高频分量：动态范围小、高频分量 损失太大损失太大, ,对均衡电路提出很高对均衡电路提出很高 要求要求. . 多用于低速系统多用于低速系统. . 光接收机前端的等效电路光接收机前端的等效电路 66 跨阻抗前端跨阻抗前端电压并联负反馈放大器（电流电压并联负反馈放大器（电流- - 电压转换器）电压转换器） 优点：优点：宽频带（等效输入电阻宽频带（等效输入电阻 很小）、低噪声（反馈电阻可很小）、低噪声（反馈电阻可 以取得很大）、灵敏度高、动以取得很大）、灵敏度高、动 态范围大等综合优点，被广泛态范围大等综合优点，被广泛 采用。采用。 低阻抗前端低阻抗前端 从频带要求出发选择偏置电

22、阻从频带要求出发选择偏置电阻 R RL L 优点：优点：电路简单，不需要或只电路简单，不需要或只 需要很少的均衡，动态范围较需要很少的均衡，动态范围较 大大 缺点：缺点：灵敏度低，噪声较高灵敏度低，噪声较高 67 68 任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号 为确定是为确定是“1”1”或是或是 “0”0”，需要对某时隙，需要对某时隙 的码元作出判决。若的码元作出判决。若 判决结果为判决结果为“1”1”，则，则 由再生电路产生一个由再生电路产生一个 矩形矩形“1”1”脉冲；若判脉冲；若判 决结果为决结果为“0”0”，则由，则由 再生电路重新输

23、入一再生电路重新输入一 个个“0”0”。 为了精确地确定为了精确地确定“判决时判决时 刻刻”，需要从信号码流中提，需要从信号码流中提 取准确的时钟信息作为标定，取准确的时钟信息作为标定， 以保证与发送端一致。以保证与发送端一致。 判判 决决 器器 时钟恢复时钟恢复 输出输出 69 光检测器光检测器放大器放大器 偏置电阻偏置电阻 光子流光子流 h RL 暗电流噪声暗电流噪声 APD倍增噪声倍增噪声 热噪声热噪声放大器噪声放大器噪声 接收机噪声及其分布图：接收机噪声及其分布图： 暗电流噪声：当没有光信号照射光检测器时，外界的一些杂散光或热运动也会产生 一些电子空穴对，光检测器还会产生一些电流，这种残留电流称为暗电流。 APD倍增噪声：当使用雪崩光电二极管时，倍增过程的随机特性产生附加的噪声。 热噪声：是在有限温度下，导电媒质内自由电子和振动离子间热相互作用引起的一 种随机脉动。 放大器的噪声特性取决于所采用的前置放大器类型，通过放大器噪声等效电路和晶 体管理论可计算得到。 70 Pe U