第三部分光源与光发送机

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:LightEmittingDiode）半导体激光二极管（LD:LaserDiode）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。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。图3.2半导体的能带结构5.1.2光与物质的相互作用1.•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。自发辐射hf12初态E2E1终态E2E12.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。hf12初态E2E1终态E2E1受激辐射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。hf12初态E2E1终态E2E1受激吸收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。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=6.628×10-34J·s，为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。3.1.3粒子数反转分布状态1.•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)。]exp[1212kTEENN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。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。•半导体发光二极管基本应用GaAlAs和InGaAsP材料，可以覆盖整个光纤通信系统使用波长范围。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2.发光二极管的工作原理(1)LED的能带结构(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。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。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，都主要由三部分构成：•激励源•工作物质•谐振腔1.激光二极管的类型结构(1)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。纵模谐振条件为：不同的m值对应不同的纵模。Lnm2横模：如果考虑谐振腔横截面上沿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。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。(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图5.6一种扩散条形激光二极管图5.7拱棱波导条形激光二极管(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。①分布反馈机理激光二极管在分布反馈(DistributedFeedback，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。②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。③量子阱激光二极管出现较晚的量子阱(QuantumWell，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。④波长可调谐单频激光二极管波长可调谐单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。2.(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。(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。3.3光源的工作特性3.3.1LED的工作特性1.P-I特性2.光谱特性ggEEhc24.10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43210501001500℃25℃70℃电流/mA输出功率/mW3.3.2LD的工作特性1.LD的P-I特性当IIth时激光器发出的是自发辐射光；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。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：IPheeIhPd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：IVRIPSd22.光谱特性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。22℃30℃40℃50℃60℃70℃80℃P/mW54321050100I/mA不激射)(exp10I0thTT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ηd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的温度特性能够满足系统的要求。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1mw～2mw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LED通常和多模光纤耦合，用于1.31μm(或0.85μm)波长的小容量短距离系统。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1.31μm或1.55μm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。半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)的一般性能-20~50-20~50-20~50-20~50工作温度/°C寿命t/h30×12030×12020×5020×50辐射角50~15030~100500~2000500~1000调制带宽B/MHz0.1~0.30.1~0.21~31~3入纤功率P/mW1~51~35~105~10输出功率P/mW100~150100~150工作电流I/mA20~3030~60阀值电流Ith/mA50~10060~1201~21~3谱线宽度1.31.551.31.55工作波长LEDLD/μμnm/)/(7610~106510~10810710光源组件实例3.4光发送机3.4.1光调制原理(1)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。（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。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。(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：最小平均发送光功率最大平均发送光功率EX最小平均发送光功率最大平均发送光功率lg10EX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。1.电光延迟和张弛振荡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•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(=ωr/2π)一般为0.5~2GHz。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。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。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