11光通信4-1

目录第一章信息与信号第二章光通信的一般概念第三章传输光路第四章光发射机第五章光接收机与基本光纤数字通信系统第六章基于电复用的光纤通信系统第七章光放大第八章光路复用技术第四章光发射机概述第一节光发射机使用的光源第二节光的调制第三节直接调制光发射机第四节外调制第五节线路编码光纤通信系统的基本组成--1光端机光端机电端机电端机电信号输入电信号输出传输光路电/光光/电前端前端网卡电信号输入网卡电信号输出传输光路光纤通信系统的基本组成--2光纤通信系统的基本组成--3电/光光/电前端前端主机电信号输入主机电信号输出传输光路光卡光卡概述电信号转化为光信号的这部分电路被称为光发射机。线路编码驱动电路LD或LED控制电路电信号输入光信号光发射机的功能电光变换---将信息从电信号“搬移”到高端电磁波（光）的电路组件,及完成为了适应光信号的有关信号变换(线路编码)输入的是双极性数字电信号(电压)，输出的是“有光”、“无光”或“光平”高低代表的数字信号(功率)在光通信系统中，可能的承载信息的参量有光的强度、光的频率、光的相位、光的偏振.现在成熟利用的光的参量是强度，偏振。“IM-DD”（强度调制-直接检测）是这样一种电路，其功能是将输入的数字电信号转化为用光的强度表征信息的数字光信号第一节光发射机使用的光源4.1.1光纤通信系统对光源的要求4.1.2半导体激光器（LD）4.1.3发光二极管(LED)4.1.1.通信系统对光源的要求1.与光纤匹配：2.电接口：3.可靠性要求电接口1.与光纤匹配：1）芯径小，几到几十微米，发光面积和体积，高的光耦合效率2）波长要求：石英光纤低损耗区：1.2~1.6微米3）带宽要求4）功率要求：大于1mW2.电接口：1）高速调制：高速率的信号2）光电集成（OEIC）3）耐压、耗电（发光效率）3.可靠性要求4.1.2.半导体激光器1．基本原理2.材料与结构3.基本特性LD（laserdiode）基本原理三个基本条件:具有能够形成粒子数反转的工作介质。激励源提供能量，在有源区内形成粒子数反转激光源可以是电流、电场或者光。光学谐振腔，稳定的振荡输出和单一的谱线IP能带结构Ef费米能级导带禁带价带价带禁带导带kE11/KTEEfeEf对于大量电子组成的近独立体系，每个能量为E的单电子态，被电子占据的概率为：掺杂后的能级分布N型半导体P型半导体兼并N型半导体的费米能级禁带兼并P型半导体的费米能级禁带PN结P区N区费米能级图4.1-4热平衡时PN结的能带PN结增益区图4.1-5加正向电压后PN结的能带费米能级费米能级P区N区电子空穴光学谐振腔1.法布里----珀罗谐振腔：晶体的天然解理面2.分布反馈激光器(DFB):光栅结构3.Bragg反射激光器(DBR):光栅结构材料与结构--材料1.材料:导带价带禁带导带价带禁带直接能隙材料（左）和间接能隙材料（右）材料与结构--材料1.材料:同质结:PN结的两边都是同种材料，具有相同的禁带宽度异质结:PN结的两边都是异种材料双异质结:宽带隙的Ｐ型半导体和Ｎ型半导体（比如ＧaAlAs）中间，插入一个薄层的窄带隙的有源区材料（比如GaAs）材料与结构--结构解理面NP耗尽层金属电极金属电极材料与结构单纵模激光器DFB激光器:激光反馈周期性地分布在整个光腔长度上。DBR激光器：Bragg光栅处于有源区之外P型N型P型N型常用的激光器——同轴型FP激光器法布里----珀罗谐振腔：晶体的天然解理面解理面NP耗尽层金属电极金属电极技术指标常用的激光器——同轴型FP激光器管脚定义常用的激光器——同轴型FP激光器常用的激光器——DFB激光器双列直插蝶形封装引脚PinFunctionPinFunction1TEC(+)8PD(+)2NC9LD(-)3NC10CASE4NC11Thermistor5LD(+)12Thermistor6NC13NC7PD(-)14TEC(-)1910111213148765432Case电感RRf-+-+-+TEC常用的激光器——DFB激光器3．基本特性1）发光特性(1)发光曲线和阈值特性(2)光谱特性(3)温度特性(4)光斑、发散角和耦合效率(5)噪声特性2）电特性(1)电压-电流曲线(2)发光效率(3)电光调制特性发光曲线和阈值特性注入电流荧光，激光PIIth半导体激光器发光特性F-P光谱特性多谱线，模式多，选频特性不好DFB光谱特性温度特性I温度特性PT温度的变化主要影响半导体激光器的两个参数：输出光功率（包括阈值的变化）发射激光的波长电压-电流曲线IV半导体激光器的电特性发光效率功率效率：量子效率内量子效率定义为：有源区内每秒钟产生的光子数/有源区内每秒钟注入的电子—空穴对数外量子效率外微分量子效率sjexPRIIVP2电光调制特性时间延迟纳秒级张驰振荡当电子密度或光子密度达到最大值时，输出光脉冲会出现一个衰减的振荡，称为张弛振荡。它是激光器内部的固有特性，频率一般为几百兆赫兹。自脉动现象当滤光器的注入电流达到一定值时，会出现一种连续的振荡，称之为自脉动现象。它源于激光器内部的非线性增益。4.1.3.发光二极管LED(lightemittingdiode)LED是一种将电能转化为可见光的半导体。1、发光效率高；2、寿命长;LED灯最长可达100000小时.3、故障低，免维修；4、响应时间短;只有60钠秒，启动十分迅速；5、体积小、重量轻;6、LED色彩鲜艳丰富;7、单色性好，绿色照明光源，废弃物可回收，没有污染；8、单个LED的光通量小;9、平面发光，方向性强;10、控制方便。LED照明的特点：LED(lightemittingdiode)LED手电LED(lightemittingdiode)LED闪光灯手机上的LED手电筒LED(lightemittingdiode)LED太阳能路灯LED(lightemittingdiode)LED矿灯LED(lightemittingdiode)奥迪A6汽车上的LED频闪车灯LED(lightemittingdiode)LED汽车车灯LED(lightemittingdiode)LED(lightemittingdiode)LEDLEDLEDLED(lightemittingdiode)采用红、绿、蓝三种基础色LED，通过电脑控制十万个控制点，上百万个器件，呈现出1600万种颜色。LED(lightemittingdiode)LED(lightemittingdiode)4.1.3.发光二极管1．基本原理2.结构和分类3.基本特性(1)发光特性(2)电特性1．基本原理没有光学谐振腔不论注入电流有多大，受激辐射都不能占优自发辐射过程,阈值无限大发射出普通的非相干光。2.结构和分类面发光边发光限制层双异质结光纤金属电极面发光二极管的结构3.基本特性(1)发光特性1)发光曲线2)光谱特性3)温度特性4)耦合效率(2)发光二极管的电特性1）电压-电流曲线2）电光调制特性发光曲线PI半导体发光二极管发光特性LED的发光曲线几乎成线性在发光曲线的起始阶段，有小的弯曲，会引起调制的非线性失真。可以采用补偿的方法克服非线性失真光谱特性温度特性PT增加I温度特性耦合效率由于LED的光斑大，发散角大，所以与光纤耦合困难。当LED与光纤直接耦合事，耦合效率可达4%，非常低。必须使用微透镜。电压-电流曲线IV发光二极管的电特性电光调制特性LED的响应特性受到载流子自发辐射复合寿命的限制，调制速率比半导体激光器小得多。调制速率可以达到数百兆赫兹量级，可用于传输视频信号。半导体激光器和发光二极管比较光谱特性出光功率温度特性响应速度相干性可靠性价格适用场合LD窄，色散影响小mW数量级影响大，动态范围小较快易于高速调制较好较易损坏，寿命较短比较贵长距离、大容量系统LED宽，色散影响大μW和nW量级特性好，动态范围大慢较调制频率不能太高差不易损坏，可靠性高比较便宜近距离、中小容量系统国产半导体光源的典型指标器件参数1.31μmLED1.55μmLED1.31μmLD组件1.55μmLD组件光纤类型(模式)多单多单多单多单发射波长(μm)1.31.31.521.521.31.31.551.55输出功率(μW)5063532000100020001000工作电流(mA)150150150150阈值电流(mA)30305050光谱半宽(nm)707080803131上升下降时间(ns)2.52.52.52.50.50.50.50.5正向压降(V)1.51.51.51.51.51.51.51.5工作温度(℃)-10～+50寿命(hrs)＞105