第4章 光源及光發(fā)射機(jī)

1、第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 第第4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 4.1 半導(dǎo)體中光的發(fā)射和激射原理半導(dǎo)體中光的發(fā)射和激射原理 4.2 半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體發(fā)光二極管 4.3 半導(dǎo)體激光二極管半導(dǎo)體激光二極管 4.4 數(shù)字光發(fā)射機(jī)數(shù)字光發(fā)射機(jī) 4.5 密集波分復(fù)用通信中的光源技術(shù)密集波分復(fù)用通信中的光源技術(shù) 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 4.1 半導(dǎo)體中光的發(fā)射和激射原理半導(dǎo)體中光的發(fā)射和激射原理 4.1.1 激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ) 1.原子的能級(jí) 激光的產(chǎn)生與光源內(nèi)部原子的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)密 切相關(guān)。原子由原子核和繞原子核旋轉(zhuǎn)的核外電子組 成。近代物理實(shí)驗(yàn)證

2、明，原子中的電子只能以一定的 量子狀態(tài)存在，也即只能在特定的軌道上運(yùn)動(dòng)，電子 的能量不能為任意值，只能具有一系列的不連續(xù)的分 立值。 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 我們把這種電子、原子、分子等微觀粒子的能量不連 續(xù)的分立的內(nèi)能稱(chēng)為粒子的能級(jí)。粒子處于最低能級(jí) 時(shí)稱(chēng)為基態(tài)，處于比基態(tài)高的能級(jí)時(shí)，稱(chēng)為激發(fā)態(tài)。 通常情況下，大多數(shù)粒子處于基態(tài)，少數(shù)粒子被 激發(fā)至高能級(jí)，且能級(jí)越高，處于該能級(jí)的粒子數(shù)越 少。在熱平衡條件下，各能級(jí)上的粒子數(shù)分布滿(mǎn)足玻 爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布 210 ()/ 2 1 EEk T N e N (4.1) 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 其中，N1、N

3、2為處于能級(jí)E1、E2上的粒子數(shù)， k0=1.38110-23 J/K為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，如 圖4.1為玻爾茲曼分布曲線。 2.光與物質(zhì)的相互作用 研究指出，光與物質(zhì)間存在以下三種相互作用關(guān)系： （1）自發(fā)輻射。 在沒(méi)有外界激發(fā)的情況下，處于高能級(jí)E2上的粒子 由于不穩(wěn)定，將自發(fā)的向低能級(jí)E1躍遷，發(fā)射出能量為 hf的光子，f為光子的頻率，有 21 EE f h (4.2) 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 圖4.1 玻爾茲曼分布曲線 0 E E1 E2 E3 N3N2N1N 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 式中，h=6.62510-34 Js為普朗克常數(shù)。

4、這種發(fā)光過(guò)程 稱(chēng)為自發(fā)輻射，如圖4.2(a)所示。 對(duì)于處在高能級(jí)E2上的粒子來(lái)說(shuō)，它們各自獨(dú)立 地、隨機(jī)地分別躍遷到低能級(jí)E1上，發(fā)射出一個(gè)一個(gè) 的光子，這些光子的能量相同，但彼此無(wú)關(guān)，且具有 不同的相位及偏振方向，因此自發(fā)輻射發(fā)出的光是非 相干光。 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) （2）受激吸收。 在外來(lái)光子的作用下，處在低能級(jí)上的粒子，吸 收光子的能量躍遷到較高能級(jí)上的過(guò)程，稱(chēng)為受激吸 收，如圖4.2(b)所示。處在低能級(jí)E1上的粒子在一個(gè)頻 率為f=(E2-E1)/h的外來(lái)光子的作用下，吸收光子能量躍 遷到能級(jí)E2上去。 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 圖4

5、.2 自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射示意圖 (a)自發(fā)輻射；(b)受激吸收；(c)受激輻射 自發(fā)輻射光 hf E2 E1 E2 (a) 入射光 (b) 入射光 (c) E1 E2 E1 E2 E1 hf E2 E1 E2 E1 E2 E1 hf E2 E1 E2 E1 受激輻射光 hf E2 E1 入射光 hf E2 E1 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) （3）受激輻射。 處在高能級(jí)E2上的粒子，在受到頻率為f=(E2-E1)/h 的光子作用下，受激躍遷到低能級(jí)E1上并發(fā)出頻率為f 的光子的過(guò)程，稱(chēng)為受激輻射，如圖4.2(c)所示。受激 輻射的過(guò)程不是自發(fā)的，是受到外來(lái)入射光子激發(fā)

6、引 起的，而且受激輻射所發(fā)射的光子具有與入射光子相 同的能量、頻率以及相同的相位、偏振方向、傳播方 向等，這種光子稱(chēng)為全同光子。因此受激輻射的發(fā)光 是相干光。 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 3.粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布及光放大 通常情況下(即熱平衡條件下)，處于低能級(jí)的粒子 數(shù)較高能級(jí)的粒子數(shù)要多，稱(chēng)為粒子數(shù)正常分布。粒 子在各能級(jí)之間分布符合費(fèi)米統(tǒng)計(jì)規(guī)律 () 1 ( ) 1 f E EkT f E e (4.3) 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 其中,f(E)是能量為E的能級(jí)被粒子占據(jù)的幾率，稱(chēng) 為費(fèi)米分布函數(shù);Ef為費(fèi)米能級(jí)，與物質(zhì)特性有關(guān)，不 一定是一個(gè)為粒子占據(jù)

7、的實(shí)際能級(jí)，只是一個(gè)表明粒 子占據(jù)能級(jí)狀況的標(biāo)志。當(dāng)能級(jí)E0.5時(shí)，說(shuō) 明這種能級(jí)被粒子占據(jù)的幾率大于50%；當(dāng)能級(jí)EEf ， f(E) 90% 90% 80% 70% 調(diào)制頻率 1GHz調(diào)制頻率 3GHz 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 實(shí)現(xiàn)單縱模的方法很多，應(yīng)用最為廣泛的是分布 反饋式激光器。分布反饋式激光器的結(jié)構(gòu)與普通FP 激光器不同，它不是靠解理面形成的諧振腔工作，而 是依賴(lài)沿縱向等間隔分布反射的光柵工作。分布反射 式半導(dǎo)體激光器分為分布反饋激光器（DFBLD）和 分布布拉格反射激光器（DBRLD），結(jié)構(gòu)分別如圖 4.23和圖4.24所示。 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)

8、光源及光發(fā)射機(jī) 圖4.23 DFB激光器的結(jié)構(gòu) 電 流 注 入 輸 出 光 有 源 區(qū) 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 圖4.24 DBR激光器的結(jié)構(gòu) 輸出光 布拉格 反射區(qū) 有源區(qū) 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 分布反饋式激光器具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）單縱模振蕩。 利用光柵實(shí)現(xiàn)選頻，可以很容易實(shí)現(xiàn)單縱模。 （2）譜線窄，波長(zhǎng)穩(wěn)定性好。 由于光柵的作用，使分布反饋式激光器的譜線寬度 窄到幾個(gè)吉赫茲，并且改善了穩(wěn)定性。 （3）動(dòng)態(tài)譜線好。 在高速調(diào)制時(shí)分布反饋式激光器譜線也有所展寬， 但比FP激光器的動(dòng)態(tài)譜線展寬小一個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí) 仍然保持單模特性。 （4）線性度好。

9、 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 4.4 數(shù)字光發(fā)射機(jī)數(shù)字光發(fā)射機(jī) 光發(fā)射機(jī)的基本功能是將攜帶信息的電信號(hào)轉(zhuǎn)換 成光信號(hào)，并將光信號(hào)送入光纖中。光發(fā)射機(jī)除了前 面介紹的半導(dǎo)體光源及其驅(qū)動(dòng)電路之外還包括使系統(tǒng) 正常、可靠工作的一些輔助控制電路部分。 根據(jù)LED、LD的調(diào)制特性可以知道，傳輸不同的 數(shù)字、模擬信號(hào)對(duì)光源采取的驅(qū)動(dòng)方式不同以及對(duì)信 號(hào)的處理方式不同，造成了模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)的差 異。關(guān)于模擬傳輸系統(tǒng)將在第6章作具體介紹。本節(jié)主 要介紹數(shù)字光發(fā)射機(jī)的組成及特性。 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 數(shù)字光發(fā)射機(jī)的基本組成包括光源、輸入電信號(hào) 的接口電路、光源的驅(qū)

10、動(dòng)電路以及光源的控制、保護(hù) 電路等四部分，如圖4.25所示。要傳輸?shù)碾娦盘?hào)首先通 過(guò)光發(fā)射機(jī)的接口部分進(jìn)入光發(fā)射機(jī)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的幅 度、阻抗的匹配，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇a型變換，以適應(yīng)光 發(fā)射機(jī)的要求。例如PDH的一、二、三次群PCM復(fù)接 設(shè)備輸出碼型為HDB3碼，進(jìn)入光發(fā)射機(jī)時(shí)需要變換為 NRZ碼，以便于光纖中光信號(hào)的傳輸，關(guān)于碼型變換 將在第6章具體介紹。 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 圖4.25 數(shù)字光發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)圖 線 路 編 碼 溫 度 控 制 功 率 控 制 接 口 部 分驅(qū) 動(dòng) 部 分控 制 部 分 電 數(shù) 字 信 號(hào) 光 信 號(hào) 輸 出 驅(qū) 動(dòng) 電 路光 源 保 護(hù) 第第4

11、 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 光源的驅(qū)動(dòng)電路是光發(fā)射機(jī)的主要部分，對(duì)于目 前的通信系統(tǒng)，它將輸入的電脈沖信號(hào)通過(guò)電流強(qiáng)度 的調(diào)制方式來(lái)調(diào)制半導(dǎo)體光源發(fā)射光脈沖信號(hào)。 為保證光發(fā)射機(jī)的正常、可靠地工作，需要對(duì)半 導(dǎo)體光源的功率、溫度等工作狀態(tài)進(jìn)行控制，而且要 防止在各種異常情況下對(duì)器件的損壞，還需要相應(yīng)的 保護(hù)控制。 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 4.4.1 光源的驅(qū)動(dòng) 光源的驅(qū)動(dòng)就是根據(jù)輸入的電信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的光 信號(hào)的過(guò)程。根據(jù)器件不同、調(diào)制方式的不同、輸入 信號(hào)類(lèi)型的不同，都會(huì)有不同的驅(qū)動(dòng)方式。 前面已經(jīng)介紹過(guò)半導(dǎo)體光源有內(nèi)調(diào)制、外調(diào)制兩 種調(diào)制方式。實(shí)際光纖通信系

12、統(tǒng)中主要采用直接改變 光源注入電流的內(nèi)調(diào)制方式，使發(fā)出光信號(hào)的強(qiáng)度隨 輸入電信號(hào)的變化而變化。這種內(nèi)調(diào)制的驅(qū)動(dòng)就是使 光源的注入電流隨著輸入信號(hào)的變化而變化， 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 從而使光源發(fā)出的光攜帶有輸入電信號(hào)的特性。當(dāng)然， 對(duì)于LED與LD由于PI特性存在差異，它們的驅(qū)動(dòng)電 路也就不同。 1. LED的驅(qū)動(dòng) LED作為數(shù)字系統(tǒng)光源時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路要求提供幾 十到幾百毫安的“開(kāi)”、“關(guān)”電流。由于發(fā)光二極 管的特性曲線比較平直，溫度對(duì)光功率的影響也不嚴(yán) 重，因此它的驅(qū)動(dòng)電路一般比 較簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的溫度控制和功率控制。如 圖4.26為L(zhǎng)ED的幾種典型的數(shù)字調(diào)制驅(qū)動(dòng)電

13、路，適用于 不同的應(yīng)用場(chǎng)合。 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 圖4.26 LED數(shù)字調(diào)制電路 LED 信 號(hào) 輸 入 信 號(hào) 輸 入 LED (a)(b)(c) 信 號(hào) 輸 入 LED 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 2. LD的驅(qū)動(dòng) 與LED相比，LD的驅(qū)動(dòng)要復(fù)雜得多。尤其在高速 調(diào)制系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)條件的選擇、調(diào)制電路的形式和工 藝、激光器的控制等都對(duì)調(diào)制性能至關(guān)重要。 偏置電流的選擇直接影響LD的高速調(diào)制特性。選 擇直流預(yù)偏置電流時(shí)應(yīng)考慮： （1）增大直流預(yù)偏置電流使其逼近閾值，可以減小 電光延遲時(shí)間，抑制張馳振蕩； （2）當(dāng)激光器偏置在閾值附近時(shí)，較小的調(diào)制脈

14、沖電流就能得到足夠的輸出光脈沖，這樣可以大大減 小碼型效應(yīng)； 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) （3）加大直流偏置電流，使激光器在發(fā)“0”和發(fā) “1”時(shí)的光功率之比（即消光比）增大，從而影響接 收機(jī)的靈敏度。 因此，偏置電流的選擇要兼顧電光延遲、張馳振 蕩、碼型效應(yīng)以及消光比等各種因素。 根據(jù)器件的性能，系統(tǒng)的具體要求，要適當(dāng)選擇。 調(diào)制電流幅度的選擇，因根據(jù)激光器的PI曲線，既 要有足夠的輸出光脈沖幅度，又要考慮光源的負(fù)擔(dān)， 還要避免出現(xiàn)自脈動(dòng)現(xiàn)象。 圖4.27為已應(yīng)用在44.7Mbit/s的光發(fā)射機(jī)的LD驅(qū)動(dòng)電路。 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 圖4.27 LD

15、驅(qū)動(dòng)電路 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 4.4.2 光源的自動(dòng)溫度控制（ATC） 隨著溫度的變化，半導(dǎo)體光源的特性會(huì)發(fā)生變化。 特別是對(duì)于LD，隨著溫度的升高，閾值電流增加，發(fā) 光功率降低，發(fā)射波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)等。在實(shí)際使用 當(dāng)中，必須對(duì)這些影響進(jìn)行控制，以保證器件工作狀 態(tài)的穩(wěn)定、可靠。 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 溫度控制由微型制冷器、熱敏元件及控制電路組 成，如圖4.28所示。熱敏元件監(jiān)測(cè)激光器的結(jié)溫，與設(shè) 定的基準(zhǔn)溫度比較，根據(jù)溫度差異的情況，驅(qū)動(dòng)制冷 器的控制電路改變制冷效果，從而使激光器在恒定的 溫度下工作。目前微型制冷器多采用利用半導(dǎo)體材料 的珀

16、爾帖效應(yīng)制成的半導(dǎo)體制冷器。珀?duì)柼?yīng)是當(dāng) 直流電流通過(guò)P型和N型兩種半導(dǎo)體組成的電偶時(shí)，可 以使一端吸熱而使另一端放熱的一種現(xiàn)象。 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 圖4.28 自動(dòng)溫度控制方框圖 控制電路 激光器 制冷器 熱敏電阻 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 圖4.29 自動(dòng)溫度控制的電路原理圖 A 制 冷 器 U RT U A 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 圖4.29為常用的自動(dòng)溫度控制的電路原理圖。熱 敏電阻RT接在電橋的一個(gè)臂上，在設(shè)定的溫度下，電 橋的狀態(tài)應(yīng)剛好處在使制冷器沒(méi)有電流通過(guò)，而當(dāng)溫 度升高時(shí)，制冷器開(kāi)始工作。熱敏電阻具有負(fù)溫

17、度系 數(shù)，電橋狀態(tài)的變化會(huì)自動(dòng)控制制冷量的大小，從而 維持激光器的結(jié)溫不高于設(shè)定的溫度。 溫度控制電路的控制精度，不僅取決于外圍電路 的設(shè)計(jì)，而且還受激光器封裝方式與技術(shù)的影響?，F(xiàn) 在通常將制冷器和熱敏電阻封裝在激光器管殼內(nèi)部， 熱敏電阻直接探測(cè)結(jié)區(qū)溫度，制冷器直接與激光器的 熱沉接觸，這樣做具有比較高的制冷效率和控制精度。 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 4.4.3 光源的自動(dòng)功率控制（APC） 半導(dǎo)體激光器的輸出功率不僅與溫度的變化有關(guān)， 而且與器件的老化有關(guān)。隨著器件的老化，LD的閾值 上升，輸出光功率下降。為了進(jìn)一步穩(wěn)定輸出光功率， 除了采取溫度控制措施外，一般還采取自動(dòng)

18、功率控制。 圖4.30為一個(gè)自動(dòng)功率控制的電路原理圖。從LD 背向輸出的光功率，經(jīng)PD檢測(cè)器檢測(cè)，運(yùn)算放大器A1 放大后送到比較器A3的反相輸入端。同時(shí)，輸入信號(hào) 參考電壓和直流參考電壓經(jīng)A2比較放大后，送到A3的 同相輸入端。A3和V3組成直流恒流源以調(diào)節(jié)LD的偏流， 使輸出光功率穩(wěn)定。 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 圖4.30 自動(dòng)功率控制的電路原理圖 A2 A1 A3 Uin V1V2 U LD PD 信 號(hào) 參 考 直 流 參 考 U V3 Ib 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 4.4.4 光源的保護(hù)和告警 光源的保護(hù)是指保護(hù)光源不要因?yàn)橥饨缫蛩囟?到損

19、害。由于光源特別是LD是易損器件，要求溫度、 電流必須在一定的范圍內(nèi)才能正常工作，否則會(huì)降低 器件壽命甚至損壞器件，因此必須采取保護(hù)措施。光 源的保護(hù)包括兩個(gè)方面：溫度和電流。上面介紹的自 動(dòng)溫度控制實(shí)際上也是溫度保護(hù)。 電流保護(hù)包括電流接通時(shí)的保護(hù)，工作過(guò)程中的 過(guò)流保護(hù)以及反向沖擊電流保護(hù)等。 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) （1）電流接通時(shí)的保護(hù)。 電流接通時(shí)的保護(hù)是為了防止在系統(tǒng)開(kāi)機(jī)接通電 源瞬間，由于電路因素引起的沖擊電流可能對(duì)LD造成 的損壞。實(shí)際系統(tǒng)中LD的驅(qū)動(dòng)部分與其它電路是共用 一個(gè)電源，因此光源的偏置電流必須緩慢增加，以起 到保護(hù)作用。 （2）工作過(guò)程中的過(guò)流

20、保護(hù)。 工作過(guò)程中的過(guò)流保護(hù)的方法很多，基本思想是 利用反饋控制使通過(guò)光源的電流不超過(guò)某一限定值， 從而起到保護(hù)的作用。 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) （3）反向沖擊電流保護(hù)。 為防止光源受到反向沖擊電流或電壓的破壞，一 般在光源上并聯(lián)一個(gè)肖特基二極管。這樣當(dāng)反向沖擊 電流或電壓出現(xiàn)時(shí)，肖特基二極管迅速導(dǎo)通，就可以 實(shí)現(xiàn)對(duì)光源的保護(hù)。 完整的光發(fā)射機(jī)除了上述各種控制、保護(hù)之外， 還應(yīng)包括告警電路，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障或工作不正常時(shí) 及時(shí)發(fā)送告警信號(hào)，提醒設(shè)備維護(hù)人員及時(shí)進(jìn)行相應(yīng) 的處理。一般包括無(wú)光告警、壽命告警、溫度告警等。 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 4.4.5

21、 光源與光纖的耦合 在光發(fā)射機(jī)中，光源發(fā)出的光信號(hào)要送入光纖中 去，這就涉及到光源與光纖的耦合問(wèn)題。光源與光纖 的耦合效率與光源的類(lèi)型和光纖的類(lèi)型有關(guān)。一般說(shuō) 來(lái)，LD與單模光纖的耦合效率可以達(dá)到30%50%， LED與單模光纖的耦合效率非常低，只有百分之幾甚 至更小。 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 影響耦合效率的主要因素是光源的發(fā)散角和光纖 的數(shù)值孔徑。發(fā)散角大，耦合效率低；數(shù)值孔徑大， 耦合效率高。此外，光源發(fā)光面和光纖端面的尺寸、 形狀及兩者之間的距離都會(huì)影響到耦合效率。 光源與光纖的耦合一般采用兩種方法，即直接耦 合與透鏡耦合。直接耦合是將光纖端面直接對(duì)準(zhǔn)光源 發(fā)光面進(jìn)

22、行耦合的方法。當(dāng)光源發(fā)光面積大于纖芯面 積時(shí)，這是一種唯一有效的方法。這種直接耦合的方 法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但耦合效率低。 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 當(dāng)光源發(fā)光面積小于纖芯面積時(shí)，可在光源與光 纖之間放置透鏡，使更多的發(fā)散光線會(huì)聚進(jìn)入光纖來(lái) 提高耦合效率。圖4.31所示為面發(fā)光二極管與光纖的透 鏡耦合，其中圖4.31(a)中光纖端部做成球透鏡，圖 4.31(b)中采用截頭透鏡，圖4.31(c)采用集成微透鏡。 采用這種透鏡耦合后，其耦合效率可以達(dá)到10%左右。 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 圖4.31 面發(fā)光二極管與光纖的透鏡耦合 50 m 2 m 20 m 0.7

23、 m 光纖球端 P電極 微透鏡 InP透鏡 N-InP襯底 (a)(b)(c) 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 對(duì)于發(fā)散光束非對(duì)稱(chēng)的邊發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激 光器可以利用圓柱透鏡的方法，如圖4.32(a)、(b)所示。 或者利用大數(shù)值孔徑的自聚焦透鏡（GRIN），其耦合 效率可以提高到60%，甚至更高。單模光纖和半導(dǎo)體 激光器的耦合可以采用如圖4.32(c)所示自聚焦透鏡或 者在光纖端面用電弧放電形成半球透鏡的方法。 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 圖4.32 光源與光纖的透鏡耦合 光源柱透鏡光纖 (a) 光源柱透鏡球面透鏡光纖 (b) 光源自聚焦透鏡光纖 (c) 第

24、第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 4.5 密集波分復(fù)用通信中的光源技術(shù)密集波分復(fù)用通信中的光源技術(shù) 4.5.1 基于溫度反饋的波長(zhǎng)控制技術(shù)的局限性 1.激光器的熱阻模型 對(duì)于DFB激光器，熱阻模型如圖4.33所示，再考慮 到封裝時(shí)激光器的熱敏電阻與激光器的熱沉間的熱阻， 經(jīng)過(guò)分析可以得出穩(wěn)態(tài)時(shí)激光器有源區(qū)的溫度。 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 圖 4.33 襯 底 熱 沉 冷 面 管 芯 熱 敏 電 阻 熱 阻熱 容溫 度 LD 管 芯Cc Tc Cs Ts Th R2 Ra R3 I Ta 熱 沉 周 圍 環(huán) 境 襯 底 周 圍 環(huán) 境 第第4 4章章 光源及光發(fā)射

25、機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 式中，Ra、R2、R3、RRa及RRth分別為激光器有源區(qū) 與周?chē)h(huán)境間、有源區(qū)與襯底間、襯底與熱沉間、熱 敏電阻與熱沉間以及熱敏電阻與環(huán)境間的熱阻，Ta、Tc、 Ts、Th及TR分別為周?chē)h(huán)境、激光器有源區(qū)、激光器襯 底、熱沉及熱敏電阻處的溫度。 32323232 322 111111 ()()(1) 111 RthRth LDaR aaRaRa c aaa RR QTT RRR RR RRR RRR R T R RR RR R (4.14) 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) Cc、Cs及CR為激光器的有源區(qū)、襯底及熱敏電阻的熱 容，QR為熱敏電阻上產(chǎn)生的熱量。

26、I為結(jié)有效注入電流， VJ為結(jié)電壓，Rs分別為激光器有源區(qū)電阻，QLD為激光 器的有源區(qū)產(chǎn)生的熱量，QLD=RsI2+VJI-P(t)，若忽略非 輻射復(fù)合及光學(xué)吸收，P(t)可以認(rèn)為是輸出光功率。 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 2.激光器溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 根據(jù)上述的熱阻模型，采用自動(dòng)控制原理中的比 例積分(PI)或比例積分微分(PID)控制系統(tǒng)，合理選擇 電路參數(shù)，就可以控制激光器的溫度。理論上比例積 分控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為零。在實(shí)際系統(tǒng)中，隨著環(huán) 境溫度緩慢變化，溫度控制系統(tǒng)的控制誤差主要來(lái)源 于電路器件的溫度效應(yīng)，外界環(huán)境溫度在065間變 化時(shí)，溫度控制精度可以達(dá)到T(R

27、2+R3)/Ra時(shí)，激光器有源區(qū)的溫度隨著環(huán) 境溫度的升高而降低。反之，若激光器熱敏電阻與熱 沉間熱阻較小，RRth/RRa(R2+R3)/Ra，則激光器有源區(qū) 的溫度隨著環(huán)境溫度的升高而升高。 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 注入型半導(dǎo)體激光器的老化有三種基本類(lèi)型：內(nèi) 部損傷、電阻接觸老化及端面損傷。內(nèi)部損傷是由于 半導(dǎo)體激光器的有源區(qū)體積很小，載流子密度與光子 密度都很高，使得有源區(qū)晶格原有的缺陷逐步發(fā)展， 導(dǎo)致內(nèi)部量子效率減小而增加光學(xué)吸收，從而增大閾 值電流。為了保持恒定的光功率輸出，需要加大激光 器的電流，從而使得波長(zhǎng)變大。電阻接觸老化指光源 管芯和器件的熱沉之間觸點(diǎn)的

28、熱阻隨著時(shí)間的推移而 增加，對(duì)于相同的注入電流，熱阻的增加會(huì)導(dǎo)致結(jié)溫 的升高，從而導(dǎo)致激光器波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 圖4.34為一個(gè)激光器的老化數(shù)據(jù)，激光器工作在APC方 式，以保持輸出光功率恒定。在激光器的老化過(guò)程中， 激光器的波長(zhǎng)不斷向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng),采用外部波長(zhǎng)基 準(zhǔn)來(lái)控制激光器的波長(zhǎng)可以克服激光器老化的影響。 激光器老化引起的激光器波長(zhǎng)變化的大小，與激光器 的制造工藝有關(guān)，一般為0.10.2nm，這樣通道間隔在 200GHz以上的密集波分復(fù)用系統(tǒng)，僅僅采用溫度控制 穩(wěn)定激光器的波長(zhǎng)就可以滿(mǎn)足要求，對(duì)于間隔為 100GHz的密集波分復(fù)用系統(tǒng)，

29、則有必要采用外部波長(zhǎng) 基準(zhǔn)以鎖定激光器的波長(zhǎng)。 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 圖4.34 激光器波長(zhǎng)的長(zhǎng)時(shí)間漂移 波 長(zhǎng) 漂 移 / pm 200150100500 1.E 07 時(shí) 間 / hr Pf 10 mW Pf 2 mW 1.E 06 1.E 05 1.E 04 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 4.5.2 基于波長(zhǎng)反饋的波長(zhǎng)鎖定技術(shù) 1.波長(zhǎng)鎖定器原理 波長(zhǎng)鎖定器即波長(zhǎng)檢測(cè)模塊，它將激光器的波長(zhǎng) 偏移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化。波長(zhǎng)反饋控制系統(tǒng)由波長(zhǎng) 偏移檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理及反饋控制等組成，圖4.35為波長(zhǎng) 反饋控制系統(tǒng)框圖。 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光

30、發(fā)射機(jī) 圖4.35 波長(zhǎng)反饋控制系統(tǒng)框圖 半導(dǎo)體激光器 分束 改變注入電流 或溫度 輸出 數(shù)據(jù)處理及 反饋控制 檢測(cè)波長(zhǎng)偏移 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 根據(jù)波長(zhǎng)檢測(cè)方法的不同，激光器波長(zhǎng)穩(wěn)定方法 至少有以下兩類(lèi)： （1）利用原子的受激態(tài)吸收譜線及分子的振動(dòng)譜 線，1.5m附近惰性氣體（He、Ne、Ar、Kr、Xn）及 氣體分子C2H2、NH3、H2O、HI、HCN及HF等的振動(dòng) 譜線非常豐富，利用其中的一條或多條譜線，就可以 實(shí)現(xiàn)激光器波長(zhǎng)穩(wěn)定,激光器的頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到兆 赫茲數(shù)量級(jí)。但這種方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)有較大的難度，不 適合于密集波分復(fù)用系統(tǒng)的波長(zhǎng)穩(wěn)定。 第第4 4章章

31、光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) （2）利用無(wú)源濾波器的通帶濾波特性，通過(guò)檢測(cè) 透過(guò)的光信號(hào)的強(qiáng)度變化來(lái)判斷光信號(hào)波長(zhǎng)的偏移。 目前DWDM采用這種方法鎖定激光器的波長(zhǎng)，主要是 因?yàn)闉V波器的工藝比較成熟，其熱穩(wěn)定性及長(zhǎng)時(shí)間的 穩(wěn)定性完全可以滿(mǎn)足密集波分復(fù)用系統(tǒng)的要求。 目前利用無(wú)源濾波器制成的波長(zhǎng)鎖定器的產(chǎn)品很 多，主要有兩種：一種是采用介質(zhì)膜濾波片；另外一 種是采用法布里-波羅標(biāo)準(zhǔn)具濾波器，兩種波長(zhǎng)鎖定器 的原理如下： 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) （1）采用介質(zhì)膜濾波片的波長(zhǎng)鎖定器。 圖4.36為采用介質(zhì)膜濾波片的波長(zhǎng)鎖定器的波長(zhǎng) 檢測(cè)原理框圖，輸入光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡后送到介質(zhì)膜濾

32、 波片上，介質(zhì)膜濾波片為帶通濾波器，其透過(guò)率及反 射率均與波長(zhǎng)有關(guān)，而且特性互補(bǔ)。透射光和反射光 分別由探測(cè)器PD1及PD2檢測(cè)，PD1及PD2的響應(yīng)信號(hào) 與波長(zhǎng)的關(guān)系如圖4.37所示。PD1與PD2響應(yīng)的電信號(hào) 經(jīng)過(guò) 運(yùn)算后的結(jié)果與光功率無(wú)關(guān)，僅與激 光器的波長(zhǎng)偏移量的大小有關(guān)，零點(diǎn)就對(duì)應(yīng)于鎖定的 波長(zhǎng)。波長(zhǎng)鎖定器的捕捉范圍如圖4.37所示，在波長(zhǎng)捕 捉范圍內(nèi)，運(yùn)算后的電信號(hào)大小隨著波長(zhǎng)變大而變大。 21 21 PDPD PDPD 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 圖4.36 采用介質(zhì)膜濾波片的波長(zhǎng)檢測(cè)器框圖 探測(cè)器PD2 濾波器 探測(cè)器PD1 準(zhǔn)直透鏡 第第4 4章章 光源及光

33、發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 圖4.37 采用介質(zhì)膜濾波片的波長(zhǎng)鎖定器響應(yīng)曲線 鎖定波長(zhǎng) 捕捉范圍1 PD2響應(yīng)PD1響應(yīng) 0 1PD2PD 1PD2PD 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) （2）采用法布里-波羅標(biāo)準(zhǔn)具的波長(zhǎng)鎖定器。 采用法布里-波羅標(biāo)準(zhǔn)具的波長(zhǎng)鎖定器的原理是： 輸入光經(jīng)過(guò)耦合器分成兩路，一路經(jīng)過(guò)法布里-波羅標(biāo) 準(zhǔn)具濾波器后由探測(cè)器PD1檢測(cè)，另外一路直接由探 測(cè)器PD2檢測(cè)。法布里-波羅標(biāo)準(zhǔn)具濾波的自由光譜范 圍FSR為100GHz，PD1與PD2響應(yīng)的電信號(hào)的比值表 示濾波器的透過(guò)率響應(yīng)，這只與波長(zhǎng)有關(guān)。ITUT要 求的波長(zhǎng)位于此響應(yīng)曲線（圖4.38）的下降線(或上升

34、線)的某一透過(guò)率點(diǎn)，這樣對(duì)應(yīng)于此透過(guò)率的波長(zhǎng)值即 為鎖定波長(zhǎng)值，此波長(zhǎng)鎖定器的捕捉范圍為此曲線的 下降線(或上升線)范圍。 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 將探測(cè)器PD1及探測(cè)器PD2檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn) 算 ，這里k代表鎖定波長(zhǎng)處探測(cè)器 PD2與探測(cè)器PD1響應(yīng)的比值。當(dāng)鎖定的波長(zhǎng)位于響應(yīng) 曲線的下降線時(shí)，在波長(zhǎng)的捕捉范圍內(nèi)，運(yùn)算后的電 信號(hào)大小隨著波長(zhǎng)變大而變大，電信號(hào)的零點(diǎn)對(duì)應(yīng)于 鎖定的波長(zhǎng)值。 2 () 1 PD k PD 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 圖4.38 采用法布里波羅標(biāo)準(zhǔn)具的波長(zhǎng)鎖定器響應(yīng)曲線 0 4 透過(guò)率 / dB 波 長(zhǎng) ITU規(guī) 定 的

35、波 長(zhǎng) 100 GHz 捕 捉 范 圍 8 12 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 2.單通道波長(zhǎng)鎖定技術(shù) 根據(jù)上述的光波長(zhǎng)鎖定器的特性，可以設(shè)計(jì)如圖 4.39所示的波長(zhǎng)控制系統(tǒng)。 處理上述的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)比例積分控制，改變激 光器的溫度控制系統(tǒng)的溫度設(shè)置值，就可以達(dá)到鎖定 激光器波長(zhǎng)的目的。根據(jù)控制論的原理進(jìn)行分析，合 理設(shè)計(jì)選擇電路系統(tǒng)的參數(shù)，就可以使波長(zhǎng)反饋控制 系統(tǒng)穩(wěn)定工作。 利用上面的理論指導(dǎo)，研制出的密集波分復(fù)用光 源，當(dāng)環(huán)境溫度在065范圍內(nèi)變化時(shí)，波長(zhǎng)控制精 度可以達(dá)到0.04nm。 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 圖4.39 單通道波長(zhǎng)鎖定系統(tǒng)的方框圖 主 信 號(hào) 輸 出 比 例 積 分 波 長(zhǎng) 鎖 定 器 2PD1PD 2PD1PD 放 大 放 大 溫 度 控 制 器 光 反 射 機(jī) 第第4 4章章 光源及光發(fā)射機(jī)光源及光發(fā)射機(jī) 3.多通道波長(zhǎng)鎖定技術(shù) 由于ITU-T規(guī)定DWDM系統(tǒng)的通道波長(zhǎng)間隔為 100GHz的整數(shù)倍，采用一個(gè)FSR為100GHz法布里-波 羅標(biāo)準(zhǔn)具濾波器的波長(zhǎng)檢測(cè)器，就可以對(duì)ITUT規(guī)定 的任意通道進(jìn)行波長(zhǎng)鎖定。對(duì)于多通道的DWDM系統(tǒng)， 采用不同頻率的電信號(hào)對(duì)各個(gè)通道標(biāo)識(shí)與區(qū)分，就可 以同時(shí)鎖定多個(gè)通道的波長(zhǎng)。多