第三部分光源与光发送机

1、第三部分光源与光发送机第1页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日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2页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日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3页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日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4页，共8

2、3页，2022年，5月20日，13点45分，星期日3.1 半导体光源的物理基础3.1.1 孤立原子的能级和半导体的能带1. 孤立原子的能级原子是由原子核和围绕原子核旋转的电子构成。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，这种现象称为电子能量的量子化。这些离散能量值称为原子的能级。第5页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日2. 半导体的能带在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。第6页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日图3.2 半导体的能带结构第7页，共83页，2022年，5

3、月20日，13点45分，星期日5.1.2 光与物质的相互作用 第8页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日1. 自发辐射处于高能级的电子状态是不稳定的。它将自发地从高能级(在半导体晶体中更多是指导带的一个能级)运动(称为跃迁)到低能级(在半导体晶体中更多是指价带的一个能级)与空穴复合，同时释放出一个光子。第9页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日自发辐射hf12初态E2E1终态E2E1第10页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日2. 受激辐射在外来光子的激励下，电子从高能级跃迁到低能级与空穴复合，同时释放出一个与外来光子同频、同相的光子

4、。第11页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日hf12初态E2E1终态E2E1受激辐射第12页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日3. 受激吸收在外来光子激励下，电子吸收外来光子能量而从低能级跃迁到高能级，变成自由电子。第13页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日hf12初态E2E1终态E2E1受激吸收第14页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日 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

5、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15页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日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-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16页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日3.1.3 粒子数反转分布状态粒子数正常分布状态在热平衡状态下，高能级上的电子数(N2) 要少于低能级上电子数(N1) 。第17页，共83页，2022

6、年，5月20日，13点45分，星期日2. 粒子数反转分布状态为了使物质发光，就必须使其内部的自发辐射和/或受激辐射几率大于受激吸收的几率。要使物质内部的自发辐射和/或受激辐射占据优势，就必须使高能级上的电子数多于低能级上电子数，这种现象称为粒子数反转分布状态。第18页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日3.2 半导体光源的工作原理3.2.1 发光二极管的工作原理自发辐射LED的出射光是一种非相干光，其谱线较宽，辐射角也较大。在低速数字通信和窄带模拟通信系统中,LED是可以选用的最佳光源。第19页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日半导体发光二极管基本应用

7、GaAlAs和InGaAsP材料，可以覆盖整个光纤通信系统使用波长范围。第20页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日1. 发光二极管的类型结构按照器件输出光的方式，可以将发光二极管分为三种类型结构：表面发光二极管边发光二极管超辐射发光二极管第21页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日第22页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日2. 发光二极管的工作原理(1) LED的能带结构第23页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日(2) LED的工作原理当给LED外加合适的正向电压时，Pp结之间的势垒(相对于空穴)和Np结之间

8、的势垒(相对于电子)降低，大量的空穴和电子分别从P区扩散到p区和从N区扩散到p区。由于双异质结构，p区中外来的电子和空穴不会分别扩散到P区和N区，在有源区形成粒子数反转分布状态有源区的电子经跃迁与空穴复合，最终克服受激吸收及其他衰减而产生自发辐射的光输出。第24页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日5.2.2 激光二极管的工作原理受激辐射LD的出射光是一种相干光，其谱线较窄，方向性较好。在高速数字通信和宽带模拟通信系统中,LD是可以选用的最佳光源。第25页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日在结构上，半导体激光二极管与其他类型的激光器是相同的，都主要由三

9、部分构成：激励源工作物质谐振腔第26页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日激光二极管的类型结构常用激光二极管(2) 单频激光二极管多纵模状态单纵模状态第27页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日纵模和横模纵模：激光器在两个反射镜构成的光学谐振腔内将产生光波谐振，形成驻波，此时谐振腔的长度等于半波长的整数倍。把这种沿谐振腔的轴线方向（纵向）形成的驻波叫做纵模。第28页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日纵模谐振条件为：不同的m值对应不同的纵模。第29页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日横模：如果考虑谐振腔横截面上沿

10、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30页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日当沿激光器的出射方向观察谐振腔的出射镜面是，在出射面附近形成的光强度分布图，可以反映出横模特性。第31页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日(1) 常用激光二极管的类型结构在双异质结构的LD中，通常采用具有横模限制作用的激光二极管结构，这种激光二极管称为条形激光二极管。增益波导型激光二极管折射率波导型激光二极管第32页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日图5.6 一种扩散条形激光二极管第33页，共8

11、3页，2022年，5月20日，13点45分，星期日图5.7 拱棱波导条形激光二极管第34页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日(2) 单频激光二极管一般地，普通激光二极管只能工作于多纵模状态，其增益峰值附近的数个模式携带着大部分的输出光功率。一种改善纵模选择性的方法是采用不同频率的选择反馈机理，即谐振腔对不同频率具有不同的损耗。第35页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日 分布反馈机理激光二极管在分布反馈(Distributed Feedback，DFB)机理激光二极管中，通过谐振腔和具有频率选择反馈功能的光栅共同完成反馈作用。第36页，共83页，202

12、2年，5月20日，13点45分，星期日 耦合腔激光二极管模式选择也可以采用耦合腔结构实现，其基本机理为：虽然两个谐振腔具有各自不同的振荡纵模，但是当两个谐振腔放在一起构成耦合腔(或复合腔)时，这时只有两个谐振腔中相同的纵模才能成为耦合腔的振荡纵模，再加上增益谱的作用，最终实现了模式选择功能。第37页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日 量子阱激光二极管出现较晚的量子阱(Quantum Well，QW)激光二极管，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。第38页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日 波长可调谐单频激光二极管波长可调谐单

13、频激光二极管是波分复用系统、相干光通信系统及光交换网络的关键器件，其主要性能指标包括调谐速度和波长调谐范围。第39页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日2. 激光二极管的工作原理(1) LD的能带结构在结构上，LD与LED的主要区别是LD有谐振腔，而LED没有谐振腔。 与LED相比，LD也具有类似的能带结构。 第40页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日(2) LD的工作原理当给LD外加适当的正向电压时，由于有源区粒子数的反转分布而首先发生自发辐射现象。传播方向与谐振腔高反射率界面垂直的自发辐射光子会在有源层内部边传播边发生受激辐射放大。如此反复，直到放

14、大作用足够克服有源层和高反射率界面的损耗后，就会向高反射率界面外面输出激光。第41页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日3.3 光源的工作特性 3.3.1 LED的工作特性1. P-I特性第42页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日2. 光谱特性第43页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日3. 温度特性 温度特性主要影响到：LED的平均发送光功率P-I特性的线性工作波长第44页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日4 3 2 1 0 50 100 150 02570电流/mA输出功率/ mW第45页，共83页，202

15、2年，5月20日，13点45分，星期日3.3.2 LD的工作特性1. LD的P-I特性第46页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日 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47页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日两个基本参数： 微分量子效率和功率转换效率。 微分量子效率可以定义为输出光子数的增量与注入电子数的增量之比，表达式为：第48页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日 功率转换效率定义为输出光功率与消耗的电功率之比，可以表示为：第49页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日2. 光

16、谱特性第50页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日3. 温度特性与LED比较，温度主要对LD的阈值电流、输出光功率及峰值工作波长影响较大。第51页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日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52页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日为了降低温度对LD的影响，可以采用两种方法：选择温度特性优异的新型LD通过一个外加的自动温度控制电路，使LD

17、的温度特性能够满足系统的要求。第53页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日发光二极管和半导体激光器的比较发光二极管半导体激光器自发辐射受激辐射输出光功率较小，仅1mw2mw输出光功率较大，几mw几十mw光束方向性差，发散度大光束方向性好，发散度小光谱较宽光谱较窄与光纤耦合效率低与光纤耦合效率高制造工艺难度小，成本低制造工艺难度大，成本高可在较宽的温度范围内正常工作要求光功率稳定时，需要ATC和APC无阈值有阈值无谐振腔有谐振腔式结构第54页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日 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

18、统。因为LED发光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55页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日 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 20

19、50 2050辐射角50150 301005002000 5001000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第56页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日光源组件实例第57页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日3.4 光 发 送 机3.4.1 光调制原理按照光源与调制信号的关系分类直接调制方式是指直接将调制

20、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58页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日（2）按照已调制信号的性质分类：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59页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日输出光信号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

21、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基本上是线性关系输出光功率和输入电流成正比，输出光信号反映输入电信号第60页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日3.4.2 光发送机的构成及指标1. 光发送机构成光源驱动电路辅助电路第61页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日2. 光发送机的主要指标(1) 平均发送光功率及其稳定度平均发送光功率又称为平均输出光功率，通常是指光源尾巴光纤的平均输出光功率。平均发送光功率稳定度是指环境温度变化或器件老化过程中平均发送光功率度相对变化量。第62页，共83页，2022年，5月20日，1

22、3点45分，星期日(2) 消光比消光比定义为最大平均发送光功率与最小平均发送光功率之比，通常用符号EX表示：第63页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日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64页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日1. 电光延迟和张弛振荡现象 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65页，共83页，2

23、022年，5月20日，13点45分，星期日 输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，称为电光延迟时间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， 称为张弛振荡，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电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命以及注入电流初始偏差量有关。 第66页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日 张弛振荡和电光延迟的后果是限制调制速率。 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，因此实际使用的最高调制频率应低于张弛振荡频率。 第6

24、7页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日电光延迟要产生码型效应。 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68页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日在两个接连出现的“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， 脉冲较大。 1 2电脉冲光脉冲码型效应第69页，共

25、83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日 “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70页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日式中，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71页，共83页，2022年，5月20日，13点

26、45分，星期日 (1) 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72页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日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73页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日 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74页，共83页，2022年，5月20日，13点45分，星期日偏置电流的选择：加大偏置电流可以有效抑制电光延迟、张驰振荡和码型效应。另一方面，加大偏置电流会使得激光器