大三下光纤通信achapt

1、本节内容3.1半导体中的光发射3.2LD的工作原理与结构3.3LD的工作特性3.4发光二极管3.5光机3.6光源与光纤的耦合3.7光源的调制技术2光纤2通信系统3.4 发光二极管LED发光二极管( LED)是低速、短距离光中常用的光源，结构简单，是由GaAsAl类的P型材料和N型材料制成的一个正向偏置的PN结，电子-空穴对在耗尽区辐射复合发光，称为电致发光，属自发辐射发光。它所发的光是非相干光，具有较宽的谱宽(30-60nm)和较大的发射角(100°)。3光纤通信系统LED组成半导体发光二极管是一个PN结，它是利用外电源向PN结注入电子来发光的。半导体发光二极管是由N型半导体 (掺杂

2、微量族元素，如P、As 、Sb)形成的N层和 P型半导体(掺杂微量族元素，如Al、Ga、In)形成的P 层，以及中间的由双异质结的有源层组成。有源层是发光区，其厚度为0.10.2m左右。4光纤通信系统LED的发光机理LED是外加正向电压工作的器件。在正向偏压作用下，N区的电子将散，进入有源层，P区的空穴也将向扩向扩散，进入有源层。进入有源层的电子和空穴由于异质结势垒的作用，而被封闭在有源层内，就形成了粒子数反转分布。这些在有源层内粒子数反转分布的电子，经跃迁与空穴复合时，将产生自发辐射光。半导体发光二极管无谐振腔。所以，所发出的光不是激光，而是荧光。5光纤通信系统面发光二极管SLED6光纤通信

3、系统边发光二极管7光纤通信系统LED技术参数8光纤通信系统有源层材料类型辐射波长（nm）谱宽（nm）耦合功率(W)正向电流（mA）上升/下降时间（ns）AlGaAsELED85035651080601002/26.5/6.5GaAsSLED8504080140100-GaAsELED8503510321006.5/6.5InGaAsPSLED130011010501003/3InGaAsPELED13002510150301001.5/2.5InGaAsPELED15504070100075002005000.4/0.412/12LED的特点及应用J优点：线性度好；温度特性好；工作电流小；使用

4、简单、价格低、工作长。/缺点： 谱线较宽；与光纤的耦合效率低。&应用：小容量、短距离的数字光纤通信或线性度要求较高的模拟光纤通信。9光纤通信系统3.4发光二极管LED的结构特点:除了没有光学谐振腔以外，其他与LD相同无阈值器件，发光只限于自发辐射，发出的是荧光为了获得高辐射度,也采异质结。发光二极管又分为两大类：面发光二极管边发光二极管(在单模光纤数字通信系统多用）10光纤通信系统球透镜环氧树脂微透镜P型限制层P层有源层n层发光区有源层波导层n型限制层两类发光二极管(LED)(a) 正面发光型； (b) 侧面发光型11光纤通信系统系统半导体发光二极管的工作特性n 1光谱较宽由于LED是

5、属于自发辐射发光，因此，其谱线宽度要比LD宽的多，在这一点对于高速率信号的传输是不利的。目前，国内一般边发光二极管的最高调制频率为70100MHz。13光纤通信系统半导体发光二极管的工作特性2P-I曲线的线性较好由于LED是无阈值器件，它随着注入电流的增加，输出光功率近似呈线性地增加，其P-I曲线如图4-8所示。因此，在进行调制时，其动态范围大，信号失真小。14光纤通信系统15光纤通信系统半导体发光二极管的工作特性3与光纤的耦合效率较低由于LED发射出的光束的发散角较大(约在40120度范围内)，因此，与光纤的耦合效率也较低。一般它只适用于短距离传输。16光纤通信系统半导体发光二极管的工作特性

6、4.长可以达到3×105小时以上。目前国产发光二极管的17光纤通信系统半导体发光二极管的工作特性5. 温度特性较好由于LD的阈值电流随温度变化而变化，而LED是无阈值器件，因此，温度特性较好，一般不需加温控电路。18光纤通信系统半导体发光二极管的特性总结从以上特性分析中可以看出，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，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广泛的应用。19光纤通信系统光源的调制电信号通过光波进行传输，要求使用电信号对光源进行调制，达到将信息加载到光载波上的目的。目前广泛使用的强度调制直接检波光纤通信系统。强

7、度调制有两类：直接调制和间接调制20光纤通信系统光源的调制间接接调制直接调制21光纤通信系统信息信息光源直接调制即直接在光源上进行调制，这是目前广泛采用的调制方式，直接调制LD的注入电流。这种调制方式又称为内调制，日前常用的直接调制有下列三种：1模拟强度调制(AIM)，这种方式与基带传输相似；2脉位调制(PPM)，等宽脉冲前后沿位置随信号大小前后变化，这种方式适应光源和检测管的特性；3数字调制，如PCM-IM，这是光纤通信最常用的调制方式。22光纤通信系统1模拟信号的直接调制这种调制就是直接让LED的注入电流跟随反映语音或图像等模拟量变化，从而使LED管的输出光功率跟随模拟信号变化，如图4-9

8、(左)所示。由图可见，为了使已调制的光波信号的非线性失真小，应适当选择直流偏置注入电流的大小。23光纤通信系统24光纤通信系统输入信号电流输入信号电流LD输入信号电流LED输出光信号输出光信号输出光信号2数字信号的直接调制当光纤通信系统所传的信号是一系列“0”“1”数字信号时，用LED管进行数字信号直接调制的原理图如图4-9(中)所示。用LD管进行数字信号直接调制时，如图4-9(右)所示。图中Io为偏置电流，Ith为LD管的阈值电流，Im为注入调制电流，请注意其中偏置电流的选择。25光纤通信系统间接调制对光源进行直接调制的：LD30GHzLD在高速调制下会产生频率啁啾（jiu），使得LD的动态

9、谱线增宽，造成在传输时色散加大。直接调制的调制速率数量级一般为2.5Gb/s。26光纤通信系统频率啁啾脉冲前沿紫移，后沿红移。啁啾的使光信号的频谱大大展宽了，从而限制了通信容量和传输速率。为了克服上述，可以采用光源的间接调制即不直接调制光源，而是在光源外输出的光路上外加调制器来对光波进行调制。27光纤通信系统光转发技术直接调制直接调制电流光信号引入啁啾效应和色散缺点对于直接调制，激光器引起的啁啾是限制其色散容限主要因素。28光纤通信系统光转发技术啁啾效应T29光纤通信系统直接调制激光器输出信号带有较大的啁啾，使得脉冲 频谱展宽并在前后沿产生频谱红移和蓝移，在光纤色 散的作用下，引起脉冲的快速展

10、宽和信号劣化。基于M-Z仪的外调制器在仪臂上通过电光效应或声光效应等，利用晶体传输特性随电压变化来实现对光波的相位进行调制。 利用铌酸锂LiNbO3晶体电光效应：折射率随外加电场而变化，导致通过特制形状晶体中的波导相位变化。Dj =Dn L = p L n cwVs3g(3.7.7)sl033d30光纤通信系统基于M-Z仪的外调制器180°相移31光纤通信系统+90°相差0°输出为“1”-90°相差180°输出为“0”32光纤通信系统-策调制光源（M-Z）-策调制光源（M-Z）将输入光信号分成相等信号分别进入调制器的光支路，光支路材料都是光电材

11、料，也就是说其折调制电流射率随材料变化，由于折射率的变化使光的信号相位变化，变化后的信号在输出端合成，的光信号是一路强度大，干净的光信号l 优点：可忽略啁啾，色散受限距离很长；l 缺点：成本高，技术难度大，不便于集成。33光纤通信系统LD电吸收型外调制器电吸收型外调制器又称E-A(Electro-absorbtion)调制器，其结构与F-P LD很相似，但激活介质层被阻挡层所包围。与LD相反，E-A调制器采用反偏。反偏电压的增加会使带隙略有减小。当波长接近但略小于带隙对应波长的光通过器件时，随反偏电压的增加光的衰减也要增加。一种损耗调制器吸收边界波长发生变化34光纤通信系统电吸收型外调制器理论

12、证明，所用的材料有很陡的吸收沿，这样可以采用较低的调制电压。实用上采用多量子阱材料，并要对器件长度进行优化，以得到最大的消光比。由于器件是按改变激活介质带隙的原理工作的，也会产生谱线变化和啁啾等现象。但它的啁啾是与LD反号的，有抵消光纤色散的作用，如果通过改变驱动条件进行优化，可以系统性能。35光纤通信系统电吸收型外调制器这种外调制器的另一个优点是可以和LD集成在一起。对于这种单片器件，把相反的驱动加到LD和外调制器上，可以使二者的啁啾相互抵消。36光纤通信系统光源比较37光纤通信系统直调光源电吸收调制光源-策调制光源最大色散容限ps/nm12002400720012800大于12800成本适

13、中贵昂贵波长性较好好很好调制特性半导体激光器光通信的理想光源高速脉冲调制-瞬态特性复杂现象电光延迟振荡自脉动 消光比38光纤通信系统1.振荡/电光延迟39光纤通信系统I0=(0.850.9)Ith延迟上冲振荡输出光脉冲和注入电流脉冲之间一个初始延迟时间，称为电光延迟时间td，其数量级一般为 ns。现象：光脉冲滞后td-ns级幅度逐渐衰减的振荡-fr=0.2-2G（上冲）有关：注入电流初始偏差量激光器有源区的电子自发复合谐振腔通断电流相差太大40光纤通信系统电光延迟后果：波形失真抽样时增加误码率最高调制频率限制在振荡频率以下产生码形效应41光纤通信系统码型效应td=T/2(T码元持续周期）时“0

14、”码后第一个“1”脉冲宽度变窄，幅度减小=“1”码丢失42光纤通信系统tdT码型效应码型效应特性：连“0”码数目越多调制频率越高效应越明显43光纤通信系统分析Im工作在调制状态LD的电光延迟：t =tlndspImI0Ithn 式中：tsp：有源区载流子平均I0偏置电流、Ith阈值电流、 Im调制电流分析：I0Ith时 td0加适当的偏置，可抑制电光延迟通断电流差减小，抑制振荡44光纤通信系统其他解决方案用适当的“过调制”补偿，可以消除码型效应。45光纤通信系统2.自脉动注入直流电某些激光器自脉动现象影响激光器高速脉冲调制性能46光纤通信系统f=*00M2G自脉动特点仅与注入总电流有关与调制状

15、态无关振荡频率与注入电流强度成正比调制频率增加注入电流增加47光纤通信系统实验观察和P-I特性曲线扭曲有一定解决方案：注意选择激光器48光纤通信系统3.消光比 <P“0”>10%要求：EXT <P“1”>若I0 Ith，LD工作在荧光区,很小的调制电流就能满足消光比的要求 一般选：I0=(0.850.9)Ith 电流小发热小，功耗低I0+Im=(1.21.3) Ith光纤通信系统4.高速调制的观察过冲下冲振铃眼图模板法太高速度的脉冲波形，示波器是无法看到的，用眼图来分析50光纤通信系统3.5光机以一定规律将信息通过电制到光载波的调把要传输的电信号转变为适合在光纤中传输的

16、光信号51光纤通信系统分类数字模拟52光纤通信系统光纤数字传输系统特点n 便于处理无噪声积累n 对光源和光检测器的线性度、光功率、噪声的要求较低53光纤通信系统数字光机组成54光纤通信系统告警输出时钟光 监测APC光纤光源驱动编码扰码码型变换均衡ATC对光机的基本要求1.输出光功率适当，（510）输出光功率=入纤功率2.消光比（EXT）小于103.输出光脉冲和输入电脉冲一致（调整偏置）4.调制频率高5. 输出脉冲无振荡（暂态过程）6. 工作长，能连续工作，可靠55光纤通信系统模拟光机的主要技术要求输出功率适当、工作长，能连续工作，可靠失真度小（线性好）噪声低56光纤通信系统LD的驱动和电路光纤

17、通信系统调制驱动电路电流源58光纤通信系统59光纤通信系统LD射极耦合电流开关电路Ub= 1.3VV1和V2都不要进入深度的饱和和截止状态，可获得较高的开关转换速率V1和V2轮流导通，供给电路的功率基本上是恒定的，这样可以减小瞬态过程引起的噪声。调制速率: >300Mb/s(功耗大)电路（“1”电平1.8V、“0”电平 0.8）60光纤通信系统速度更高的驱动电路激光器驱动电路的调制速率受电路所用电子器件性能的限制。采用激光器和驱动电路 集成在一起的单片集成电路可以提高调制速率和改进光发射机的性能。目前，光电混合集 成电路的1.5mm光发射机已能在5Gbs工作，采用异质结双极晶体管的光发射

18、机调制速 率已达10 Gbs。61光纤通信系统LD的APC电路LD的工作对光机的性能有决定性的影响温度上升老化I62光纤通信系统为了保证原来光强度必须提升调制信号光功率输出下降(1)LD的温度特性。不同类型的LD其温度性可能有很大的差别，普通LD的阈值电流和PI曲线的斜率代表的外微分量子效率对温度的变化很敏感，即使是在室温的变化范围内光功率输出也可能产生相当大的改变，造成系统工作不正常。(2)器件老化。器件老化会使阈值电流增加、外微分量子效率降低，从而使光功率输出下降。63光纤通信系统外微分量子效率LD时间产生的光子数(Pex/hv)h=exLD时间注入的电子数(I/e)注入电子产生的光子度敏

19、感64光纤通信系统APC电路APC电路的功能是自动跟踪光功率输出的变化，相应地改变LD的偏置电流和调制电流，使光功率输出保持恒定。光功率变化的反馈信号一般是用封装在LD组件内的一个PIN管取得的，它检测LD后向(由光学谐振腔的另一个反 射面)输出的光信号。具体电路可以有各种各样的形式。光纤通信系统比较器66光纤通信系统67光纤通信系统APC电路上述电路简单实用，能满足一般应用的需要，但只能稳定平均光功率。更完善的电路还可以按输出光功率对Im进行，当然电路复杂程度有所增加。68光纤通信系统APC和ATC当温度变化不太大时，通过APC电路也可以对光功率进行调节，但如果温度升高较多时，会使得阈值电流

20、增加很多，经过APC电路调节，偏置电流也会有较大的增加，这样会导致LD的结温更高，以至烧坏。因此，一般(ATC)电路，使LD管芯的温度恒还需要加自动温度定在22左右。69光纤通信系统ATC电路图4-14给出了ATC电路的基本原理图。对于短波长LD，一般只需加自动功率电路即可。而对于长波长LD，由于其阈值电流随温度的漂移较大，因此，一般需加自动温度电路，使输出光功率达到。70光纤通信系统71光纤通信系统72光纤通信系统ATC电路T(环境) T(LD) RT I(制冷器) T (LD)该电路与APC电路一同使用，可以在550C范围内保持LD的输出光功率变化小于5。73光纤通信系统其他保护、监测电路盘除由上述各部分电路组成之外，还有如下一些辅助电路：n (1)光源保护电路：使LD避免开机时可能产生的过电流冲击，或被在工作中引起的过电流烧毁。图4-15是一种最简单的慢因意外启动和保护电路。速率较低时，也可在光源二极管上反向并联一只二极管，以防止反向冲击电流过大。74光纤通信系统75光纤通信系统其他保护、监测电路(2)无光告警电路：当光