光源与光发送机PPT学习教案

1、会计学1光源与光发送机光源与光发送机发送部分传输部分接收部分光纤、光缆光源驱动电路辅助电路第1页/共83页1. 光源的作用完成电信号到光信号的变换2. 光源的类型半导体发光二极管（LED: Light Emitting Diode ）半导体激光二极管（LD: Laser Diode ）第2页/共83页3. 对光源的要求 体积小，与光纤耦合效率高 发射光波长位于光纤低损耗窗口 易于调制 可靠性高，寿命长，稳定性好 发射的光功率足够高 温度稳定性好第3页/共83页第4页/共83页第5页/共83页图3.2 半导体的能带结构第6页/共83页5.1.2 光与物质的相互作用 第7页/共83页第8页/共83

2、页自发辐射hf12E2E1E2E1第9页/共83页第10页/共83页hf12E2E1E2E1受激辐射第11页/共83页第12页/共83页hf12E2E1E2E1受激吸收第13页/共83页 受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。 受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。 自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。 第14页/共83页受激辐射和受激吸收的区别与联系 受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即 E2-

3、E1=hf12 式中，h=6.62810-34Js，为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。 第15页/共83页exp1212kTEENN第16页/共83页第17页/共83页第18页/共83页第19页/共83页表面发光二极管边发光二极管超辐射发光二极管第20页/共83页第21页/共83页第22页/共83页第23页/共83页第24页/共83页第25页/共83页多纵模状态单纵模状态第26页/共83页第27页/共83页Lnm2第28页/共83页横模：如果考虑谐振腔横截面上沿宽度方向和垂直方向上折射率分布和增益分布，则在腔横截面内的两个方向上也将产生驻波，这就叫横模。第29页/共83页第30页/共

4、83页第31页/共83页图5.6 一种扩散条形激光二极管第32页/共83页图5.7 拱棱波导条形激光二极管第33页/共83页第34页/共83页第35页/共83页第36页/共83页第37页/共83页第38页/共83页第39页/共83页第40页/共83页第41页/共83页ggEEhc24. 10第42页/共83页第43页/共83页4 3 2 1 0 50 100 150 02570电流/mA输出功率/ mW第44页/共83页第45页/共83页 当IIth 时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。 第46页/共83页IPheeIhPd第47页/共83页IVRIPSd2第48页/共83页

5、第49页/共83页22304050607080P / mW54321050100I / mA不 激 射第50页/共83页)(exp 10I0thTT激光器输出光功率随温度而变化有两个原因:（1）激光器的阈值电流Ith 随温度升高而增大（2）外微分量子效率d随温度升高而减小。当对激光器进行脉冲调制时，阈值电流随温度呈指数变化，在一定温度范围内，可以表示为第51页/共83页第52页/共83页发光二极管和半导体激光器的比较发光二极管发光二极管半导体激光器半导体激光器自发辐射自发辐射受激辐射受激辐射输出光功率较小，仅输出光功率较小，仅1mw1mw2mw2mw输出光功率较大，几输出光功率较大，几mwmw

6、几十几十mwmw光束方向性差，发散度大光束方向性差，发散度大光束方向性好，发散度小光束方向性好，发散度小光谱较宽光谱较宽光谱较窄光谱较窄与光纤耦合效率低与光纤耦合效率低与光纤耦合效率高与光纤耦合效率高制造工艺难度小，成本低制造工艺难度小，成本低制造工艺难度大，成本高制造工艺难度大，成本高可在较宽的温度范围内正常工可在较宽的温度范围内正常工作作要求光功率稳定时，需要要求光功率稳定时，需要ATCATC和和APCAPC无阈值无阈值有阈值有阈值无谐振腔无谐振腔有谐振腔式结构有谐振腔式结构第53页/共83页 LED通常和多模光纤耦合，用于1.31m(或0.85 m)波长的小容量短距离系统。因为LED发光

7、面积和光束辐射角较大， 而多模SIF光纤或G.651规范的多模GIF光纤具有较大的芯径和数值孔径，有利于提高耦合效率，增加入纤功率。 LD通常和G.652或G.653规范的单模光纤耦合，用于1.31m或1.55 m大容量长距离系统。 分布反馈激光器(DFB - LD)主要和G.653或G.654规范的单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于超大容量的新型光纤系统。 第54页/共83页 半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)的一般性能-2050 -2050-2050 -2050工作温度 /C寿命 t/h30120 30120 2050 2050辐射角50150 301005002000 500

8、1000调制带宽 B/MHz0.10.3 0.10.213 13入纤功率 P/mW15 13510 510输出功率 P/mW100150 100150工作电流 I/mA2030 3060阀值电流 Ith/mA50100 6012012 13谱线宽度1.3 1.551.3 1.55工作波长LEDLD/nm/)/(761010651010810710第55页/共83页光源组件实例第56页/共83页直接调制方式是指直接将调制信号施加在光源上来完成光源参数的调制过程。外部调制方式是指通过外部调制器来完成光源参数的调制过程。第57页/共83页模拟调制方式是指已调制信号属于模拟信号。包括强度调制方式，振幅

9、调制方式，双边带抑制载波调制方式，单边带调制方式和残余边带调制方式。数字调制方式是指已调制信号属于数字信号。包括幅移键控调制方式，频移键控调制方式和相移键控调制方式。第58页/共83页输出光信号pItIin输入电信号pI（a） LED数字调制原理输出光信号输入电信号IinIthIb(b) LD的数字调制原理 当激光器的驱动电流大于阈值电流Ith时， 输出光功率P和驱动电流I基本上是输出和成正比，输出光信号反映输入电信号第59页/共83页光源驱动电路辅助电路第60页/共83页第61页/共83页最小平均发送光功率最大平均发送光功率EX最小平均发送光功率最大平均发送光功率lg10EX第62页/共83

10、页半导体激光器的瞬态特性 半导体激光器是光纤通信的理想光源，但在高速脉冲调制下，其瞬态特性仍会出现许多复杂现象，如常见的电光延迟、 张弛振荡和自脉动现象。 这些特性严重限制系统传输速率和通信质量，因此在电路的设计时要给予充分考虑。第63页/共83页1. 现象 半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光脉冲瞬态响应波形如图所示。 光脉冲瞬态响应波形 第64页/共83页 输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，称为td，其数量级一般为 ns。 当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡， 称为，其振荡频率fr(=r/2)一般为0.52 GHz。 这些特性与激光器有源区的和以及有

11、关。 第65页/共83页 和的后果是。 当最高调制频率接近张弛振荡频率时，波形失真严重，会使光接收机在抽样判决时增加误码率，因此实际使用的。 第66页/共83页要产生码型效应。 当电光延迟时间td与数字调制的码元持续时间T/2为相同数量级时，会使“0”码过后的第一个“1码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个“”码丢失， 这种现象称为“码型效应”。 第67页/共83页在两个接连出现的“1”码中，第一个脉冲到来前，有较长的连“0”码， 由于电光延迟时间长和光脉冲上升时间的影响，因此脉冲变小。第二个脉冲到来时，由于第一个脉冲的电子复合尚未完全消失，有源区电子密度较高，因此电光延迟时间短， 脉冲

12、较大。 1 2电脉冲光脉冲码型效应第68页/共83页 “码型效应”的特点是：在脉冲序列中较长的连“0”码后出现的“1”码，其脉冲明显变小，而且连“0”码数目越多，调制速率越高，这种效应越明显。 第69页/共83页21)1(1thphspjjwjjthspo2thspdjjjtln式中，o是张弛振荡幅度衰减到初始值的1/e的时间，j和jth分别为注入电流密度和阈值电流密度。sp和ph分别为电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命。在典型的激光器中，sp10-9s,ph10-12s。通过LD速率方程组的瞬态解得到的张弛振荡频率r及其幅度衰减时间o和电光延迟时间td的表达式为：第70页/共83页 (1)

13、张弛振荡频率r随sp、ph的减小而增加，随j的增加而增加。这个振荡频率决定了LD的最高调制频率。 (2) 张弛振荡幅度衰减时间o与sp为相同数量级，并随j的增加而减小。 (3) 电光延迟时间td与sp为相同数量级，并随j的增加而减小(jjth)。 由此可见，增加注入电流j，有利于提高张弛振荡频率r，减小其幅度衰减时间o，以及减小电光延迟时间td，因此对LD施加偏置电流是非常必要的。 第71页/共83页2. 自脉动现象 某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，当注入电流达到某个范围时，输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡，这种现象称为自脉动现象，如图所示。 电脉冲光脉冲激光器自脉冲动现象第72页/共83页 自脉动频率可达2GHz，严重影响LD的高速调制特性。 自脉动现象是激光器内部不均匀增益或不均匀吸收产生的， 往往和LD的P - I曲线的非线性有关, 自脉动发生的区域和P - I曲线扭折区域相对应。 第73页/共83页第74页/共83页第75页/共83页第76页/共83页能够满