光纤通信系统（第4版）课件：光源和光发送机

光纤通信系统（第4版）

光源和光发送机概述光发送机是光纤通信系统中负责光信号的产生和电信号到光信号变换的主要部分，其工作目的是使光信号以某种形式变化（如幅度或相位）携带信息并注入光纤线路进行传输，狭义来说其主要功能是完成电/光转换。光源器件是构成光发送机的主要器件，主要包括半导体发光二极管和半导体激光器。本章首先介绍半导体物理学中关于原子结构、激光产生机理、以及光源器件等主要原理，然后介绍典型光源器件及其调制的主要方法，最后讨论光发送机的构成及其典型性能参数。3.1激光的产生机理1.半导体能级基础德谟克利特牛顿道尔顿汤姆逊密立根人们很早就开始探索物质的内在结构。古希腊哲学家留基伯（B.C.500—440）首先提出了关于原子论的学说，后经他的学生德谟克利特（B.C.460—370）进一步发展，形成了最早的朴素唯物主义原子论（atomtheory），德谟克利特认为原子是构成一切事物的最后单位，而运动是原子的固有属性。近现代的科学家认为自然界中的一切物质都是由原子组成，不同物质的原子结构各不相同，牛顿（1642—1726）、道尔顿（1766—1844）、汤姆逊（1856—1940）、密立根（1868—1953）等分别通过理论和实验研究提出了原子结构的设想。Rutherford-Geiger-Marsdenα粒子散射实验1911年，英国物理学家卢瑟福（1871—1937）在汤姆逊提出的葡萄干布丁模型基础上，设计了著名的α粒子散射实验，并从实验结果中提出了著名的原子行星模型：即原子的质量几乎全部集中在直径很小的原子核（由质子和中子构成），原子核带正电荷，带负电荷的电子在原子核外绕核作轨道运动，就如同行星围绕恒星运行一样。（1）能级（energylevel）1915年，爱因斯坦在玻尔的氢原子能级结构模型和普朗克的量子理论基础上提出了光电效应方程，首次提出光也是一种粒子的概念，并且指出每个光子的能量只取决于光的频率。人们对于光电效应的认识和理解也进一步促进了对物质内部结构，特别是电子在原子中分布规律的认识。对于每一个物质而言，其原子内部处于运动状态的电子只能停留在特定轨道上，而电子所处的不同轨道之间是不连续的，且每一轨道具有确定的能量，因此对应的能量也是不连续的。离原子核较近的轨道对应的能量较低，离核较远的轨道所对应的能量较高。可以用不同的水平线来表示电子所处的能量状态（即能量不同的轨道），称为能级。（2）跃迁

跃迁示例(a)吸收跃迁(b)辐射跃迁

（3）费米能级和费米统计

费米能级

（4）自发辐射在多数情况（即物质没有与外部能量交互）下，原子需要满足能量最低原理，此时处于稳态中的物质中绝大多数电子分布在能量较低的基态能级上，只有极少的一些电子分布在激发态。要使得基态能级上的电子产生辐射跃迁，首先要将其激发到较高能级上去，使之具有更高的能量，这一过程称为激发，可用光照、加热或电子碰撞等方式来实现。电子从基态能级被激发到激发态能级后，由于处于能量较高的能级，电子处于不稳定状态，有天然和自发地返回到基态能级并减小自身能量的趋势（满足能量最低原理），这个过程称为自发跃迁（spontaneoustransition）。电子自发跃迁时，根据能量守恒原理，需要释放出能量。释放出的能量有两种形式：一种是热，这种跃迁称为无辐射跃迁；另一种是光，这种跃迁称为自发辐射跃迁，其辐射称为自发辐射（spontaneousradiation/emission）。由此可见，处于高能级E2的电子具有这样的趋势，即自发地跃迁返回到低能级E1，并发射出一个频率为f，能量为E＝hf＝(E2－E1)的光子。2.受激吸收和受激辐射当处于低能级E1的电子，受到光子能量为E＝hf＝(E2－E1)的外来入射光照射时，电子吸收一个光子能量从而跃迁到高能级E2，称为光的受激吸收（stimulatedabsorption）。当处于高能级E2的电子，在受到光子能量为E＝hf＝(E2－E1)的外来入射光的照射时，电子在入射光子的刺激下，跃迁回到低能级E1，同时发射出一个与入射光子相同频率、相同相位和相同传播方向的光子，这种类型的跃迁称为受激跃迁，其辐射称为受激辐射（stimulatedemission），产生的光称为相干光。3.粒子数反转分布

激光（LASER）当满足粒子数反转分布条件时，原子中的受激辐射效应超过受激吸收效应，可以实现光的输出。进一步地，通过振荡、放大并实现稳定的输出即可形成所需的光源。激光的本意是受激辐射的光放大（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation），我国著名科学家钱学森于1964年10月在给《光受激辐射》杂志的复信中，首次提出建议用“激光”一词代替“光受激发射”，形象地概括了受激辐射光及振荡放大的特点。激光器最基本的组成部分包括：（1）工作物质——激光器的组成核心，也就是发光物质。除了光纤通信中常用的半导体材料外，还有包括固体激光物质（如各类激光晶体）、气体激光物质（如各类原子、分子和离子气体）和液体激光物质（有机荧光染料或稀土螯合物）等。（2）光学谐振腔——用以形成激光振荡和输出激光。（3）激励系统——将各种形式的外界能量转换激发受激辐射所需的能源。4.半导体材料与pn结当半导体材料的原子结合成晶体时，原子最外层的价电子受束缚最弱，它同时受到原来所属原子和其他原子的共同作用，实际上是被晶体中所有原子所共有，称为共有化。共有化使得孤立原子的每个能级将演化成由密集能级组成的准连续能带（energyband）。在半导体材料中，价电子占据的能带称为价带（valenceband），这也是电子能够允许存在的能量最低的区域。电子允许占据的较高能带称为导带（conductionband）。通过向晶体中加入微量的Ⅲ族（如Al、Ga、In）或Ⅴ族（如P、As、Sb）元素，可以使晶体的导电能力大为增加，这个过程称为掺杂。当p型半导体与n型半导体接触时，在两者中间的接触区会形成一个相对稳定的空间电荷区，称为pn结（p-njunction）。能带结构和pn结pn结中的自建场对于独立的p和n型半导体而言，p型半导体能带分布中费米能级较低，处于价带中；而n型半导体能带分布中费米能级较高，处于导带中。pn结是一个热平衡系统，此时有统一的费米能级EF。由于势垒的存在，使得p型半导体空间电荷区一侧的能量比n型半导体空间电荷区一侧的能量提高了eV(x)（e是电子能量）。如果pn结是高度掺杂的，空间电荷区可能会出现较大的势垒，最终导致n型半导体空间电荷区部分导带底部的能带(EC)N比p型半导体空间电荷区价带顶部的能带(EV)P还要低。此时，n型半导体空间电荷区中EF和(EC)N间各能级被电子占据的概率大于1/2；而p型半导体空间电荷区部分EF和(EV)P之间各能级被电子占据的概率小于1/2，这也意味着热平衡时pn结的空间电荷区中电子主要位于具有较低能量的能带上，属于粒子数的正常分布，不满足形成受激辐射所需的粒子数反转分布条件。如果要基于pn结实现发射激光，必须通过外部激励系统来克服势垒的影响。3.2半导体光源器件3.2.1发光二极管发光二极管（LED）是首先成熟并商用化的光源器件。对于传输速率较低的通信系统而言，LED因其结构简单、价格便宜、线性响应较好、可靠性高且对温度不敏感等优点，是较为适用的光源类型。与半导体激光器相比，LED没有谐振腔，发出的光以自发辐射光为主。LED发光的光谱范围较宽，是低相干光源，相比半导体激光器而言发光效率低、输出功率小、调制带宽较低（约数百MHz）和输出谱宽较宽（可达20~100nm）等特点，因此一般适用于中低速短距离光纤通信系统。近年来随着基于白光LED的照明系统的成熟，将照明和通信融为一体的可见光通信（VLC）在室内短距通信、室外车联网以及水下激光通信等场景中的应用受到了广泛的关注。1.发光二极管结构发光二极管的结构可以分为面发光型（SLED）和边发光型（ELED）。面发光型LED中，有源发光面与光纤轴垂直。实用的面发光型LED发出的光称为郎伯光。在该种形式的光辐射方向图中，各个方向观察到的光源亮度相同，但光功率按照递减，此处是观察方向与发光面法线之间的夹角。边发光型LED结构上主要包括有源区和相邻的导光层等。由于导光层的折射率比有源区的折射率低，但又比周围材料的折射率高，这样就构成了一个波导通道，使得辐射光的出射方向指向整体结构的侧面（边）。面发光和边发光型发光二极管面发光型边发光型2.发光二极管的工作特性（1）P-I特性P-I特性反映了光源器件输出输入间的关系，LED的典型P-I特性如右图所示。可以看出，LED的输出光功率基本上随驱动电流而线性增加。但需要指出的是，LED并不是具有理想的线性P-I特性，在输出功率较高的区域，其P-I特性也会呈现非线性，即存在输出饱和现象。（2）光谱特性由于在发光二极管中没有选择波长的谐振腔，所以其自发辐射发出的光具有较宽谱宽。在室温下，典型的短波长LED的谱宽为30～50nm，长波长LED的谱宽为60～120nm。面发光和边发光型发光二极管典型参数LED类型材料波长/nm工作电流/mA标准FWHM谱宽/nmSLEDGaAlAs85011035ELEDInGaAsP131010080SLEDInGaAsP1310110150（3）调制特性

拓展阅读：蓝光LED和诺贝尔物理学奖/kxpj/kpcy/201809/t20180916_5083617.html3.3.2半导体激光器用半导体材料做激光物质的激光器，称为半导体激光器（LD），根据发光波长可以分为可见光半导体材料激光器和红外激光半导体材料激光器。目前在光纤通信方面用得较多的是砷化镓（GaAs）类半导体材料，如镓铝砷－镓砷（GaAlAs-GaAs）和铟镓砷磷－铟磷（InGaAsP-InP）等。1.半导体激光器工作原理以法布里-帕罗（Fabry-Perot）激光器为例，其核心部分是一个半导体pn结，pn结的两个端面是按晶体的天然晶面剖切开的，表面非常光滑，成为两个平行的反射镜面，也称之为解理面，两个解理面之间构成了一个典型的法布里-帕罗谐振腔（resonantcavity）。当pn结上施加足够的正向电压并保证注入电流足够大时，p型半导体中的空穴和n型半导体中的电子大量地注入空间电荷区，空间电荷区中形成电子反转分布的区域，称为有源区。有源区内，由于电子分布满足粒子数反转分布，受激辐射大于受激吸收和各种损耗，不断产生的受激辐射光子在谐振腔内进行运动并最终从腔内射出，形成激光。2.半导体激光器工作特性（1）阈值（2）转换效率（3）温度特性（4）时间退化特性（5）光谱特性（6）调制特性（1）阈值半导体激光器是一个阈值器件，其工作状态随注入电流而变化。只有当外部激励超过某一临界值时，pn结中的粒子数反转达到了一定程度，激光器才能克服光谐振腔内的损耗而产生激光，此临界值就称为激光器的阈值。对于半导体激光器而言，其阈值一般用阈值电流Ith描述。阈值可以用激光器的输出特性曲线（也称P-I特性曲线）描述，如右图所示。对激光器而言，希望其阈值电流越小越好。因为阈值电流小，要求的外加激励能源就小，激光器工作中发热就少，也利于系统长时间连续稳定工作。（2）转换效率

（3）温度特性

（4）时间退化特性激光器的阈值电流不仅随温度变化，而且还与器件的老化程度有关。随着激光器工作时间增长，器件老化，会出现性能退化特性。通常将阈值电流增加50%的时间定义为寿命终了点，此时需要更换激光器。图中给出了半导体激光器P-I特性曲线随器件老化而变化的情况。可见随器件的老化，其阈值电流变大，而且其P-I特性曲线的斜率也会变小。（5）光谱特性半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)

。不同的半导体材料有不同的禁带宽度，因而有不同的发射波长，一般镓铝砷－镓砷（GaAlAs-GaAs）材料适用于0.85μm波长段，铟镓砷磷－铟磷（InGaAsP-InP）材料适用于1.3～1.5μm波段。半导体激光器的光谱特性激励电流的变化而变化，当激励电流小于阈值电流时，激光器发出的是荧光，此时的谱线宽度很宽；当激励电流大于阈值电流后，激光器发出的是激光，此时谱线宽带变窄，谱线中心出现明显的峰值，如图所示。（6）调制特性由于激光器是阈值器件，通常可以采用先加直流偏置再加调制信号的方法以获得较好的调制响应。直流偏置电流大小的选取一般略小于阈值电流，这样，激光器即处于近阈值状态。当外加的调制信号加在激光器上时，较小的调制信号电流即可获得足够的激光输出，同时响应时间较短。对于采用间接调制（外调制）方案而言，调制响应主要是由调制器件性能决定。3.半导体激光器类型半导体激光器是现代光纤通信系统中最主要的光源器件，目前实用化较多的主要包括分布反馈（DFB）激光器、分布布拉格反射（DBR）激光器和量子阱激光器（QW）等。DFB激光器在靠近有源层沿长度方向刻有光栅，反馈是通过折射率周期性变化的光栅产生的布拉格衍射得到，并使正向和反向传播的光波相互耦合使其产生激光振荡。DBR激光器将光栅刻在有源区的外部，相当于在有源区的一侧或两侧加了一段分布式布拉格反射器，起到了衍射光栅的作用，因此也可以将其看成是端面反射率随波长变化的激光器。DFB和DBR激光器的有源层厚度一般远大于激光器的工作波长，通常可达100~200nm。当把有源层的厚度减小到10nm级别时，有源层中的载流子运动会呈现量子特性，其动能量子化为离散的能级。由于这一现象类似于一维势能阱的量子力学问题，因此将此类器件称为量子阱激光器。3.2光源调制3.2.1直接调制直接调制（DML）方法是把要传送的信息转变为驱动电流信号注入LD或LED，从而获得发光功率相应变化的光信号。直接调制的基本思想是使光源发出的光功率大小在时间上随驱动电流变化而变化，也称为强度调制（IM）。强度调制可以分为模拟信号和数字信号调制方式，现代光纤通信系统中一般采用数字信号调制方式。数字调制中最常见的是强度（幅度）调制，其可以理解为由数字信号“1”和“0”对光源器件进行幅移键控或开关键控（ASK/OOK）。直接调制的优点是结构简单，调制部分电路可以和激光器的驱动部分电路集成。但直接调制的缺点是调制速率受半导体器件的开关频率限制，其调制响应存在固有上限。此外，强度调制还会引入频率啁啾现象（chirpingeffect），即光脉冲信号的频率随着时间的变化而变化。3.2.2间接调制间接调制（EML）是利用晶体的光电效应、磁光效应和声光效应等实现对光源发出的稳定激光进行调制。间接调制最常用的是外调制的方法，即在激光器形成稳定的激光信号输出（连续光输出）后，在激光器谐振腔外的光路上放置调制器。通过改变调制器上的外加信号，使调制器的某些物理特性发生相应的变化，光源发出的激光通过调制器时即获得调制。外调制与直接调制最大的区别在于不是直接调整或控制激光器的参数，而是改变激光器输出激光的参数，如强度、频率或相位等。直接调制和间接调制示例直接调制间接调制3.2.3调制方案对于光源的直接调制而言，无论是模拟调制还是数字调制，一般只能对激光的幅度进行调制，而间接调制可以对光源发出激光的不同参数分别调制或者进行联合调制。由于相干光通信系统比强度调制-直接检测系统具有显著的灵敏度改善，因此相干调制技术得到了广泛的重视，目前已经提出和采用的包括DPSK、DQPSK、QAM、以及光正交频分复用（O-OFDM）等调制方案。1.相移键控和IQ调制正交调制是将承载信息的信号分为两部分，一部分称为同相分量（I），另一部分称为正交分量（Q）。也即同相分量是信号的实值，正交分量是信号的移相，这种调制方法也被称为IQ调制或相移键控（PSK），显然，与OOK调制方式仅能控制信号的光功率（幅度）不同，PSK可以通过改变光信号的相位实现调制。差分相移键控（DPSK）是最常见的PSK调制方案，用光载波相位的相对变化来携带（调制）信息，其实现方式如下：通过载波相位相对于前一个时隙的载波相位相移180°实现信息比特“1”的传输，将载波相位相对于前一个载波相位一致表示信息比特“0”的传输，通过控制相邻时隙光载波相移为0或π以实现二进制数据编码。2.差分正交相移键控差分正交相移键控（DQPSK）方案。在调制该方案中，信息通过四种不同的相移编码，信息比特组集合可以被指配给四种不同的相移。用IQ图上的数据点来表示调制的符号位置，如右图所示。由于对给定数据速率的信号，DQPSK调制方式可以将符号速率降低为OOK方案的一半，从而可以降低发送和接收机所需的频谱带宽，也同时降低了色散和偏振模色散的限制。但是，相对于DPSK而言，DQPSK调制达到同样的BER所需的SNR增大了1~2dB，因此接收机的设计相对更为复杂。3.正交幅度调制（QAM）通过每个符号采用M个状态实现数据比特编码，可以将DQPSK的概念进一步扩展到更高阶的调制方式，这样可以减小频谱宽度以降低对昂贵的高速光器件需求。下图给出了不同进制数的高阶调制方案星座图。3.3光发送机3.3.1光源与光纤的耦合光纤通信系统中光信号是信息的载体，因此光发送机的核心是如何将光源发出的携带信息的光脉冲能量尽可能高效地耦合入光纤中，而耦合效率的高低主要取决于光源类型及光纤类型。如前所述，光纤的数值孔径不同对于耦合效率有很大的影响。边发射型和面发射型光源器件的耦合效率也有很大差别，光源器件制造厂家为提高耦合效率，以及尽可能减小光源器件端面和光纤线路间直接耦合引入的附加损耗，一般会采用在光源器件封装时即将其与一小段光纤（称为尾纤pigtailfiber）封装在一起，这样光源器件与光纤线路之间的耦合问题转化为光纤与光纤间的问题。光源与光纤的耦合主要有两种方法，一种是直接耦合或对接耦合，也即将光源的发光侧与光纤端面研磨后，相互靠近并采用环氧树脂进行粘合。另一种称为透镜耦合，采用的是微型透镜以增强耦合效率。微型透镜改进耦合效率方案3.3.2光发送机组成结构狭义上来说，光发送机主要包括了光源器件和光源驱动电路两部分，其中光源器件是光发送机中完成电光变换的核心元件，而光发送电路在主要完成光源调制功能的同时，还要保证输出光满足系统性能的要求，以及在出现光源器件故障时必要的告警和备份切换等功能。在实际的光纤通信系统中，为了便于各种不同类型的业务信号接入光发送机，一般还集成了各类输入的电接口及相关的适配功能部分，这一部分一般称为输入电路。也即从广义上来说，光发送机主要包括了输入电路和光发送电路两部分组成。1.输入电路输入电路主要包括了输入接口与线路码型变换两部分。输入接口是光发送机的入口电路，包括各类模拟和数字复用设备的输出信号均需经该接口连接至光发送机的输入接口。由于通信网络中业务形态的多样化特性，存在不同通信协议、编码格式和电平分布的多种业务信号，光发送机的输入接口除需要适应业务信号的幅度和阻抗特性外，还要根据光纤通信系统的传输特性对业务信号调制和编码类型进行必要的处理。输入电路中另一个重要功能是完成线路码型变换（线路编码或信道编码），主要是用以解决或克服输入信号中可能存在的连续“0”或“1”对接收造成的影响，有利于接收端的定时提取和减小由图案噪声等引起的系统抖动等。线路码型方案扰码也称加扰二进制，是将输入的原始数字信号序列按照特定的扰码规则进行打乱的处理方法，其实现机制加入一个扰码器，将原始的码序加以变换，使其接近于随机序列后再进行调制和传输。相应地，在接收机的判决器后，附加一个解扰器，利用与发送端一样的加扰序列进行处理后以恢复原始序列。字变换码将输入二进制码分解成一个个“码字”（也称为图案），输出用对应的另一种“码字”来代替。插入码输入原始信号序列分成每m比特（mB）一组，然后在每组mB码末尾按一定的规律插入一位码，组成(M+1)个码为一组的线路码流。根据插入码的规律，可以分为mB1C（补码），mB1H（混合码）和mB1P（极性码）等。2.直接调制驱动电路直接调制光发送机为例，光发送电路主要包括光源器件、光源驱动（调制）电路、自动功率控制（APC）电路和自动温度控制（ATC）电路等。虚线框内的光发送电路是光发送机的核心，由于强度调制是由数字信号直接控制光源器件的输出并完成电/光变换过程，也即光源输出的光功率与调制电流变化成正比。因此，直接调制驱动电路面临的首要挑战是维持稳定的输出光脉冲峰值，也即输出光功率保持稳定。此外，光脉冲的通断比足够高（或消光比足够小），以保证接收机的性能。通断比和消光比

弛张振荡现象及其对策由于激光器是阈值器件，如果其阈值较大的话，需要用较大幅度的调制电流信号（ID）来进行驱动。而调制电流脉冲从零上升的时间至激光开始发生的时间之间存在一定的延迟，在产生光脉冲的开始时间会产生暂态过击，然后又出现反复振荡的现象，这种现象称为驰张振荡（relaxationoscillation）。弛张振荡现象限制了其调制响应性能。为了减小弛张振荡的影响，可以采取先加直流偏置电流（IB），使激光器的输出特性（P-I特性）工作在接近阈值电流附近；然后再加调制电流脉冲（ID），这样可以获得较好的调制响应性能。采用预偏置方案克服弛张振荡采用直流偏置方式虽然可以一定程度上克服或环节弛张振荡的影响，