第3章光收发设备

1第3章光收发设备3.0光端机的基本概念3.1半导体光源3.2半导体光电检测器3.3光放大器3.4无源光器件2光发送机与光接收机统称为光端机。光端机位于电端机和光纤传输线路之间，如图3-1所示。图3-1光纤通信系统组成3.0光端机的基本概念3光纤通信系统主要包括光纤（光缆）和光端机。每一部光端机又包含光发送机和光接收机两部分，通信距离长时还要加光中继器。光发送机完成E/O转换，光接收机完成O/E转换，光纤实现光信号的传输，光中继器延长通信距离。3.0光端机的基本概念4光发送机作用：是把从电端机送来的电信号转变成光信号，并送入光纤线路进行传输。对光发送机的要求：（1）有合适的输出光功率光发送机的输出光功率，是指耦合进光纤的功率，亦称入纤功率。光源应有合适的光功率输出，一般为0.01mW～5mW。3.0.1光发送机5（2）有较好的消光比消光比的定义为全“1”码平均发送光功率与全“0”码平均发送光功率之比。可用下式表示（3-1）式中，P11为全“1”码时的平均光功率；P00为全“0”码时的平均光功率。一般要求EXT≥10dB。)dB(lg100011PPEXT6（3）调制特性要好所谓调制特性好，是指光源的P−I曲线在使用范围内线性特性好，否则在调制后将产生非线性失真。除此之外，还要求电路尽量简单、成本低、稳定性好、光源寿命长等。3.0.1光发送机7数字光发送机的基本组成包括均衡放大、码型变换、复用、扰码、时钟提取、光源、光源的调制电路、光源的控制电路（ATC和APC）及光源的监测和保护电路等。如图3-2。图3-2数字光发送机原理方框图3.0.2光发送机的基本组成8（1）均衡放大：补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变。（2）码型变换：将HDB3码或CMI码变化为NRZ码。（3）复用：用一个大传输信道同时传送多个低速信号的过程。（4）扰码：使信号达到“0”、“1”等概率出现，利于时钟提取。（5）时钟提取：提取PCM中的时钟信号，供给其它电路使用。3.0.3光发送机的各部分功能9（6）调制（驱动）电路：完成电/光变换任务。（7）光源：产生作为光载波的光信号。（8）温度控制和功率控制：稳定工作温度和输出的平均光功率。（9）其他保护、监测电路：如光源过流保护电路、无光告警电路、LD偏流（寿命）告警等。3.0.3光发送机的各部分功能10光接收机作用是将光纤传输后的幅度被衰减、波形产生畸变的、微弱的光信号变换为电信号，并对电信号进行放大、整形、再生后，再生成与发送端相同的电信号，输入到电接收端机，并且用自动增益控制电路（AGC）保证稳定的输出。光接收机中的关键器件是半导体光检测器，它和接收机中的前置放大器合称光接收机前端。3.0.4光接收机113.0.4光接收机图3-3光接收机组成123.1半导体光器件•光源是光纤通信系统中光发射机的重要组成部件，其主要作用是将电信号转换为光信号送入光纤。•目前用于光纤通信的光源包括半导体激光器（LaserDiode，LD）和半导体发光二极管（LightEmittingDiode，LED133.1半导体光器件3.1.1激光器的物理基础3.1.2激光器的工作原理3.1.3半导体激光器的结构、工作原理及工作特性3.1.4分布反馈半导体激光器3.1.5量子阱半导体激光器143.1.1激光器的物理基础1．光子的概念2．费米能级3．光和物质的相互作用151．光子的概念•光是由能量为hf的光量子组成的，其中h=6.626×10-34J·S，称为普朗克常数；f是光波频率。•人们将这些光量子称为光子。•不同频率的光子具有不同的能量。•光具有波、粒两重性。162．费米能级（1•物质是由原子组成的，而原子是由原子核和核外电子构成的。••电子在原子中围绕原子核按一定轨道运动，而且只能有某些允许的轨道。由于在每一个轨道内运动，就相应具有一定的电子能量，因此，电子运动的能量只能有某些允许的数值。•这些所允许的能量值因轨道不同，都是一个个地分开的，即是不连续的。我们把这些分立的能量值称为原子的不同能级。172．费米能级（2••电子占据能级的概率遵循费米能级统计规律：在热平衡条件下，能量为E的能级被一个电子占据的概率为•费米统计规律是物质粒子能级分布的基本规律，它反TkEEfeEf0/)(11)(18•图3-4费米分布函数变化曲线193．光和物质的相互作用•光可以被物质吸收，也可以从物质中发射。•在研究光与物质的相互作用时，爱因斯坦指出，这里存在着三种不同的基本过程，即自发辐射、受激吸收以及受激辐射。203．光和物质的相互作用（1•发射光子的频率•①这个过程是在没有外界作用的条件下自发产生的，是自发跃迁。②③hEEf12213．光和物质的相互作用•图3-5原子的自发辐射223．光和物质的相互作用（2•物质在外来光子的激发下，低能级上的电子吸收了外来光子的能量，而跃迁到高能级上，这个过程叫做受•①这个过程必须在外来光子的激发下才会产生，因此是②③受激跃迁的过程不是放出能量，而是消耗外来光能。233．光和物质的相互作用•图3-6原子的受激吸收243．光和物质的相互作用（3•处于高能级E2的电子，当受到外来光子的激发而跃迁到低能级E1时，放出一个能量为hf的光子。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，因此叫做受激辐射。•①外来光子的能量等于跃迁的能级之差。②受激过程中发射出来的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，因此称它们是全同光子。③253．光和物质的相互作用•图3-7原子的受激辐射263.1.2激光器的工作原理••要使得光产生振荡，必须先使光得到放大，而产生光放大的前提，由前面的讨论可知，是物质中的受激辐射必须大于受激吸收。•受激辐射是产生激光的关键。273.1.2激光器的工作原理1．粒子数反转分布与光放大之间的关系2．激光器的基本组成3．光学谐振腔4．激光器的参量281．粒子数反转分布与光放大之间的关系••要想物质能够产生光的放大，就必须使受激辐射作用大于受激吸收作用，也就是必须使N2N1。•这种粒子数一反常态的分布，称为粒子数反转分布。•粒子数反转分布状态是使物质产生光放大的必要条件。•将处于粒子数反转分布状态的物质称为增益物质或激活物质。292．激光器的基本组成•激光振荡器必须包括以下三个部分：–能够产生激光的工作物质，–能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源，–能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。303．光学谐振腔•①光学谐振腔的结构。•在增益物质两端，适当的位置，放置两个反射镜M1和M2互相平行，就构成了最简单的光学谐振腔。•如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是球•对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，如M1的反射系数r=1；另一个为部分反射，如M2r1•②313．光学谐振腔•图3-8光学谐振腔的结构323．光学谐振腔•图3-9激光器示意图333．光学谐振腔•综合上述分析可知，要构成一个激光器，必须具备以下三个组成部分：工作物质、泵浦源和光学谐振腔。•工作物质在泵浦源的作用下发生粒子数反转分布，成为激活物质，从而有光的放大作用。•激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。344．激光器的参量（1）平均衰减系数α•在光学谐振腔内产生振荡的先决条件是放大的光能要足以抵消腔内的损耗。•谐振腔内损耗的大小用平均衰减系数α表示为21iri1ln21rrl354．激光器的参量（2•激活物质的放大作用用增益系数G•G表示光通过单位长度的激活物质之后，光强增364．激光器的参量•图3-10激活物质的放大作用374．激光器的参量（3•将激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的阈•阈值条件为•其中Gt•激光器的阈值条件只决定于光学谐振腔的固有损耗。21it1ln21rrlG384．激光器的参量（4••光学谐振腔的谐振条件或称驻波条件qL2g393.1.3半导体激光器的结构、工作原理及工作特性•半导体激光器是有阈值的器件，它和发光二极管（LED•光纤通信对半导体发光器件的基本要求有下列几点。（1）光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口,即短波长波段的0.85μm、长波长波段的1.31μm与1.55μm。（2）能长时间连续工作，并能提供足够的光输出功率。（3（4）光源的谱线宽度窄。（5403.1.3半导体激光器的结构、工作原理及工作特性1．半导体激光器（LD2．半导体激光器的工作特性411．半导体激光器（LD）的结构和工作原理•用半导体材料作为激活物质的激光器，称为半导体激光器。•在半导体激光器中，从光振荡的形式上来看，主要有两种方式构成的激光器，–一种是用天然解理面形成的F-P腔（法布里-珀罗谐振腔），这种激光器称为F-P腔激光器；–另一种是分布反馈型（DFB）激光器。421．半导体激光器（LD）的结构和工作原理•F-P腔激光器从结构上可分为同质结半导体激光器、单异质结半导体激光器和双异质结半导体激光器。431．半导体激光器（LD）的结构和工作原理•图3-11半导体激光器的结构示意图441．半导体激光器（LD）的结构和工作原理•图3-12InGaAsP双异质结条形激光器示意图451．半导体激光器（LD）的结构和工作原理•半导体的能带分布。①本征半导体的能带分布。②P型半导体和N型半导体的形成。③在重掺杂情况下，N型半导体和P型半导体的能带分布。④P-N结外加正偏压后的能带分布以及激光的产生。461．半导体激光器（LD）的结构和工作原理•图3-13本征半导体的能带分布471．半导体激光器（LD）的结构和工作原理•图3-14N型半导体和P型半导体重掺杂能带图481．半导体激光器（LD）的结构和工作原理•图3-15P-N结空间电荷区491．半导体激光器（LD）的结构和工作原理④P-N结外加正偏压后的能带分布以及激光的产生。ⅠP-N结空间电荷区的形成。ⅡP-N结形成后的能带分析。ⅢP-N结外加正偏压后的能带分布。Ⅳ激光的产生。501．半导体激光器（LD）的结构和工作原理•图3-16P-N结形成后的能带分布511．半导体激光器（LD）的结构和工作原理•图3-17外加正偏压后P-N结的能带分布522．半导体激光器的工作特性（1•对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流值称为阈值电流，用It表示。（2•半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变化。•532．半导体激光器的工作特性•图3-18激光器输出特性曲线542．半导体激光器的工作特性（2•半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变化。•552．半导体激光器的工作特性•图3-19GaAs激光器的光谱562．半导体激光器的工作特性•图3-20GaAlAs/GaAs激光器的典型输出光谱572．半导体激光器的工作特性（3•激光器的阈值电流和光输出功率随温度变化的特性为温度特性。582．半导体激光器的工作特性图3-21激光器阈值电流随温度变化的曲线592．半导体激光器的工作特性（4•半导体激光器是把电功率直接转换成光功率的器件，衡量转换效率的高低常用功率转换效率•激光器的功率转换效率定义为输出光功率与消耗的电功率之比，用ηP表示。603.1.4分布反馈半导体激光器•分布反馈半导体激光器是一种可以产生动态控制的单纵模激光器，即在高速调制下仍然能单纵模工作的半导体激光器。•它是在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近，•这种激光器又可分为分布反馈激光器（DFB）及分布布拉格反射激光器两种，这两种激光器的工作原理都•布拉格反射是指当光波入射到两种不同介质的交界面时，能够产生周期性的反射，把这种反射称为布拉格反射。613.1.4分布反馈半导体激光器•图3-22分布反馈半导体激光器结构示意图623.1.4分布反馈半导体激光器1．DFB•在普通的半导体激光器中，利用在激活物质两端的反射镜来实现光反馈。而在DFB激光器中，633.1.4分布反馈半导体激光器2．DBR激光器•DBR激光器是将光栅刻在有源区的外面。•它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