光纤通信第三单元课件.

第3章光发送设备3.1光端机的基本概念3.2光发送电路3.3输入电路第3章光发送设备3.1光端机的基本概念3.1.1光端机的功能光端机位于电端机和光纤之间,包括光发送和光接收两大单元。其中，光发送单元将电端机发出的电信号转换成符合一定要求的光信号后，送至光纤传输；光接收单元将光纤传送过来的光信号转换成电信号后，送至电端机处理。图3-1光端机在光纤通信系统中的部位图3.1.2光端机基本框图图3-2光端机的基本组成框图3.2光发送电路3.2.1基本组成和主要性能指标3.2.1.1光发送电路的基本组成图3-3光发送电路的基本组成框图3.2.1.2光发送电路的主要性能指标（1）平均发送光功率PT是正常工作条件下光发送电路输出的平均光功率。通常,PT使用毫瓦分贝（dBm）单位，即（2）消光比（EX）光发送电路输出全“1”码时的平均输出光功率P1与输出全“0”码时的平均输出光功率P0之比，即)dBm](10)μW(lg[1010)W(lg103T3TT单位PPP1010lg(dB)PEXP3.2.2激光二极管（LD）3.2.2.1基本结构图3-4激光二极管的基本结构框图3.2.2.2LD的工作原理（1）半导体材料的能级结构半导体材料中的电子处于分立能级上，高能级称为导带，低能级称为价带，高、低能级之间称为禁带。则禁带宽度Eg=Ec-Ev在热平衡状态下，价带能级上的电子总数目NV远多于导带能级上的电子总数目NC，即NVNC。图3-5半导体材料电子能级示意图（2）半导体材料中电子能态的变化①自发辐射发出的光子彼此不相干（即传播方向、相位和偏振不同），称为非相干光。②受激辐射发出的光子彼此相干（即其传播方向、频率、相位、偏振都与外来光子相同），称为相干光。激光二极管输出的就是这种相干光。③受激吸收在外来入射光的作用下，处在低能级上的电子可以吸收入射光子的能量而跃迁到高能级上。hf12初初E2E1初初E2E1(a)(b)hf12(c)hf12hf12图3-6(a)受激吸收；(b)自发辐射；(c)受激辐射在热平衡状态下，半导体材料中同时存在以上三种物理过程，其中自发辐射的概率远大于受激辐射的概率，并且受激辐射的概率与导带上的电子总数NC成正比，受激吸收的概率与价带上的电子总数NV成正比。所以，若要受激辐射占有主导地位，就必须使导带上的电子总数NC远大于价带上的电子总数NV，这称为粒子数反转状态。（3）PN结的能带和电子分布在热平衡状态下，能量为E的能级被一个电子占据的概率遵循费米（Fermi）分布，即式中，为波兹曼常数，T为热力学温度。当T→0时，P(E)→0，这时导带上几乎没有电子，价带上填满电子。称为费米能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。fB1()1exp[()/]EPEETkBkfE图3-7(a)本征半导体(b)N型半导体(c)P型半导体在通常室温下:本征半导体能带中的电子和空穴时成对产生的。N型半导体导带中的电子多于价带中的空穴，但仍少于价带中的电子。P型半导体导带中的电子少于价带中的空穴，也少于价带中的电子。上述半导体都是大多数电子占据低能级位置，没有形成粒子数反转分布，不能对光产生放大作用。（4）电激励其作用是使半导体PN结产生一个增益区，使其中的导带电子数远大于价带电子数，形成粒子数反转状态，成为光放大的媒质。①PN结未加电压时的特点扩散运动形成自建电场在自建电场作用下产生内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动两种运动处于平衡状态,直到P区和N区的相同,结果能带发生倾斜，见图3-8(b)。fE②PN结加正向电压时的特点在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强，见图3-8(c)。电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布。图3-8PN结的能带和电(a)P-N结内载流子运动(b)零偏压时P-N结的能带图(c)正向偏压下P-N结能带图（5）光学谐振腔粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。前、后镜面之间夹有处于粒子数反转状态的PN结半导体材料，构成了光学谐振腔。其作用是使轴向（垂直于镜面方向）运动的光子在腔内来回多次反射形成光振荡，并激励已处于粒子数反转的半导体材料，不断地产生受激辐射，使放出的光子数目雪崩式地增加。3.2.2.3LD的类型结构（1）同质结LD由同一种半导体材料经不同掺杂构成单层PN结，称为同质结LD。例如：砷化镓（GaAs）同质结LD。图3-9GaAs同质结LD结构示意图（2）异质结LD由不同的半导体材料经掺杂构成单层PN结或多层PN结。前者称为单异质结LD，后者称为多异质结LD。例如：GaAlAs/GaAs单异质结LD，发光波长为0.85μm。InGaAsP/InP双异质结LD，发光波长为1.31μm或1.55μm，损耗小。图3-10异质结LD结构示意图（3）量子阱LD量子阱LD是由两种不同半导体的薄层材料交替堆叠构成的，其中一种是宽带隙半导体材料（如GaAlAs），另一种是窄带隙半导体材料（如GaAs）。夹在两层宽带隙半导体材料之间的窄带隙半导体材料起着载流子（电子和空穴）陷阱的作用，称为量子阱，构成有源层。量子阱LD可分为单量子阱、多量子阱以及其他结构量子阱。3.2.2.4LD的主要特性（1）LD的伏安特性（I-V特性）LD在正向偏置电压下工作，通常其导通电压小于1V。当偏置电压小于导通电压时，LD没有电流产生；当偏置电压大于导通电压时，LD有电流产生。图3-11LD的伏安特性曲线（2）LD的输出光功率特性（P-I特性）（a）温度不变时的P-I特性（b）温度变化时的P-I特性图3-12LD的输出光功率特性曲线特性分析：Ith称为阈值电流，当IIth时，P随I增大而缓慢上升，在该区域内LD发出非相干的荧光（自发辐射光）；当IIth时，P随I增大而急剧上升，在该区域内LD发出激光（受激辐射光）。通常，Ith的大小在几十～一百多毫安范围内。温度越高，则Ith越大，且曲线斜率越小，输出光功率明显下降。温度足够大时，LD将停止激射。Ith随器件工作温度变化的关系为由P-I特性曲线可以定义以下两个特性参数：①微分量子效率d通常取ΔP/ΔI≈0.8mW/10mA为宜。00thTTeIIIhPeeIhP/)/(d＝注入电子数的增量输出光子数的增量②功率转换效率p工作中选用LD的准则：选择Ith小的器件，以增加温度稳定性。选择Ith附近P50W的器件，以增大消光比。选择P-I特性比较直的器件,以防止功率自脉动现象。IVPp＝消耗电功率输出光功率（3）LD的光谱特性LD发出的激光有单模和多模之区别：单模激光是指LD发出的激光是单纵模，其光谱只有1根谱线，谱线峰值波长λ0称为中心波长，谱线宽度0.1nm，故光谱很窄；多模激光则是指LD发出的激光是多纵模，其光谱有多根谱线，对应于多个中心波长，其中最大峰值波长λ0称为主中心波长，谱线宽度为几个纳米，故光谱较宽。（4）LD的调制特性目前实用的光纤数字通信系统，是利用输入电脉冲信号来直接改变LD的注入电流，从而调制LD的输出光功率，以获得输出光脉冲信号。实用中，常使用可调制频率这个指标来反映LD器件的调制性能。所谓可调制频率，是指在无误码情况下LD输入电脉冲序列中相邻码元最小允许间隔时间的倒数，数值上等于码元最大允许速率。以下失真现象影响LD调制性能，需要采取措施来尽量消除：电光延迟LD输出光脉冲相对于注入电脉冲有一个纳秒数量级的时间延迟，称为电光延迟时间。图3-14LD输出光脉冲的电光延迟及码型效应可以通过对LD加直流预偏置电流，使有源区电子浓度预先达到一定的起始值来减小电光延迟时间。码型效应两个相邻的波形相同的电脉冲调制LD时输出两个光脉冲，会出现电光延迟时间不相同、光脉冲幅度不相等的现象，称为码型效应。可通过将LD偏置在Ith附近的方法来消除码型效应。自脉动LD输出光脉冲成为一种持续的振荡波形，仅当LD的注入电流较大时才发生，并且振荡频率随注入电流增大而升高，这种振荡称为自脉动现象。弛豫振荡LD输出光脉冲的前沿平顶出现初始过冲的衰减振荡，称为弛豫振荡。适当地加大直流预偏置电流有利于抑制弛豫振荡。结发热效应由于PN结温度变化而引起的光脉冲形状的失真变化，称为结发热效应。频率啁啾对LD进行直接光强调制时，调制电流的变化会影响激光波长的稳定性，导致激光频率随时间变化而偏离其稳态值（即谱线动态展宽）的现象，称为激光频率啁啾。可以采用G.653零色散位移光纤（ZDSF）来减小频率啁啾的影响。最根本的方法是，采用外调制等技术来消除频率啁啾现象。（5）LD的方向特性LD的方向性是指LD输出光束的空间发散程度。常用水平发散角和垂直发散角两个特性参数来描述LD的方向性。目前，LD器件的θ∥15˚～30˚，θ⊥40˚～60˚。（6）LD的寿命LD使用时间累计增加，Ith会变大，引起器件性能退化。退化产生的原因在于半导体有源区内存在潜在缺陷，分为快退化缺陷和慢退化缺陷。通常，用高温加速老化的方法使潜在退化因素充分暴露，将快退化器件筛选掉。目前，LD的寿命为百万小时左右。实用中，当Ith=1.5Ith0时（Ith0是LD最初使用时的阈值电流），即认为该LD器件的寿命终止而停止使用。3.2.3发光二极管（LED）3.2.3.1基本结构发光二极管有PN结（同质或异质结），无光学谐振腔，不一定需要粒子数反转。所以，LED只能发出自发辐射光。按照光输出位置的不同，LED分为面发光二极管和边发光二极管。(a)面发光二极管(b)边发光二极管图3-19两类发光二极管3.2.3.2基本特点（1）I-V特性LED工作在正向偏置条件下，有1V左右的导通电压和小的导通电阻。（2）P-I特性低注入电流范围内其线性程度比LD好，且不存在Ith。故LED适合用在光纤模拟通信系统中。LED光功率的温度稳定性比LD好，其功率温度系数约为–1%/℃（称为负温度系数）。LED的输出光功率最大可达几个mW。（3）光谱特性LED发出非相干光，其光谱比LD宽。（4）调制特性LED的可调制频率比LD低。其中，面发光型LED的可调制频率仅为几十MHz，边发光型LED的可调制频率可达200MHz。（5）方向特性LED的发散角比LD大。面发光型的发散角在各个方向比较均匀，约为120；边发光型的发散角不均匀，最小处约为30。LED与光纤的耦合效率通常小于10%。故LED的入纤光功率只有几十µW，比LD要小一个数量级以上。（6）寿命LED的寿命比LD长，可达百万小时以上。（7）适用性LED使用方便、价廉，适合低速、短距离光纤通信。3.2.4驱动电路(1)功能用输入电信号来调制发光器件的正向注入电流，从而调制发出的光强，完成电信息向光信息的转换。这种驱动方式称为直接光强度调制。(2)LD驱动电路原理图3-21LD驱动原理示意图(3)单管集电极型LD驱动电路(4)射极耦合电流开关型LD驱动电路射极耦合电流开关型LD驱动电路原理(5)单管集电极型LED驱动电路(6)射极耦合电流开关型LED驱动电路射极耦合电流开关型LED驱动电路原理图单管集电极型LD驱动电路原理3.2.5自动功率控制（APC）电路(1)功能稳定LD输出光功率，使其不随温度升高和使用时间增长而改变。(2)典型电路：平均光功率控制型APC电路3.2.6自动温度控制电路（ATC）(1)功能使LD管芯的工作温度保持在20℃左右，以提高LD的工作稳定性和寿命。(2)典型电路：半导体致冷型ATC电路3.3输入电路3.3.1基本概念输入电路是介于电端机和光发送电路之间的电路单元，是上游光端机的重要组成部分。输入电路由输入接口和码型变换两个部分组成。图3