第三章光源與光發(fā)送機

1、1 2本章內容 光源：半導體激光器和發(fā)光二極管。 光源調制 光發(fā)送機。3 光源器件：光纖通信設備的核心，其作用是將電信號轉換光源器件：光纖通信設備的核心，其作用是將電信號轉換成光信號送入光纖。常用的有成光信號送入光纖。常用的有LD和和LED兩種。兩種。 半導體激光器（半導體激光器（LD）：適用于長距離大容量的光纖通信系）：適用于長距離大容量的光纖通信系統(tǒng)。尤其是單縱模半導體激光器統(tǒng)。尤其是單縱模半導體激光器，在高速率、大容量的數(shù)字光，在高速率、大容量的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應用。纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應用。 發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LED）：適用于短距離、低碼速的數(shù)字光纖）：適用于短距離、低

2、碼速的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，或者是模擬光纖通信系統(tǒng)。其制造工藝簡單、成本通信系統(tǒng)，或者是模擬光纖通信系統(tǒng)。其制造工藝簡單、成本低、可靠性好。低、可靠性好。 451激光器的物理基礎激光器的物理基礎 （1）光子的概念）光子的概念 光量子學說認為，光是由能量為光量子學說認為，光是由能量為hf 的光量子組成的，其中的光量子組成的，其中h=6.6281034 Js（焦耳（焦耳秒），稱為普朗克常數(shù)，秒），稱為普朗克常數(shù)，f 是光波頻是光波頻率，人們將這些光量子率，人們將這些光量子稱為光子稱為光子。 當光與物質相互作用時，當光與物質相互作用時，光子的能量作為一個整體被吸收或光子的能量作為一個整體被吸收或發(fā)射。發(fā)

3、射。6 半導體激光器半導體激光器 （2）原子能級）原子能級 物質是由原子組成，而原子是由原子核和核外電子構成。原子物質是由原子組成，而原子是由原子核和核外電子構成。原子的核外電子有不同穩(wěn)定狀態(tài)的的核外電子有不同穩(wěn)定狀態(tài)的能級能級。 最低的能級最低的能級E1 稱為稱為基態(tài)基態(tài)，能量比基態(tài)大的所有其他能級，能量比基態(tài)大的所有其他能級E i（i=2，3，4，）都稱為）都稱為激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)。當電子從較高能級。當電子從較高能級E2躍遷躍遷至較低能級至較低能級E1時，其能級間的能量差為時，其能級間的能量差為E =E2E1，并以光子的形式釋放出來，并以光子的形式釋放出來，這個能量差與輻射光的頻率這個能量差與輻

4、射光的頻率f 12之間有以下關系式之間有以下關系式1212hfEEE 當處于低能級當處于低能級E1 的電子受到一個光子能量的電子受到一個光子能量E =hf12的光照射時，的光照射時，該能量被吸收，使原子中的電子激發(fā)到較高的能級該能量被吸收，使原子中的電子激發(fā)到較高的能級E2 上去。上去。 光纖通信用的光纖通信用的發(fā)光元件和光檢測元件發(fā)光元件和光檢測元件就是利用這兩種現(xiàn)象。就是利用這兩種現(xiàn)象。7 （3）光與物質的三種作用形式光與物質的三種作用形式 光與物質的相互作用，可以歸結為光與原子的相互作用，將發(fā)光與物質的相互作用，可以歸結為光與原子的相互作用，將發(fā)生受激吸收、自發(fā)輻射、生受激吸收、自發(fā)輻射

5、、受激輻射受激輻射三種物理過程。如圖所示。三種物理過程。如圖所示。能級和電子躍遷8 在正常狀態(tài)下，電子通常處于低能級（即基態(tài)）在正常狀態(tài)下，電子通常處于低能級（即基態(tài)）E1，在入射，在入射光的作用下，電子吸收光子的能量后躍遷到高能級（即激發(fā)態(tài)）光的作用下，電子吸收光子的能量后躍遷到高能級（即激發(fā)態(tài)）E2，產生光生電流，這種躍遷稱為產生光生電流，這種躍遷稱為受激吸收受激吸收光電檢測器。光電檢測器。 處于高能級處于高能級E2 上的電子是不穩(wěn)定的，上的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用，即使沒有外界的作用，也會自發(fā)地躍遷到低能級也會自發(fā)地躍遷到低能級E1 上與空穴復合，釋放的能量轉換為光上與空穴復合

6、，釋放的能量轉換為光子輻射出去，這種躍遷稱為子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射自發(fā)輻射發(fā)光二極管發(fā)光二極管。 在高能級在高能級E2上的電子，受到能量為上的電子，受到能量為hf12的外來光子激發(fā)時，使的外來光子激發(fā)時，使電子被迫躍遷到低能級電子被迫躍遷到低能級E1 上與空穴復合，同時釋放出一個與激光上與空穴復合，同時釋放出一個與激光發(fā)光發(fā)光同頻率、同相位、同方向的光子同頻率、同相位、同方向的光子（稱為全同光子）（稱為全同光子）。由于該過。由于該過程是在外來光子的激發(fā)下產生的，故稱為程是在外來光子的激發(fā)下產生的，故稱為受激輻射受激輻射激光器激光器。 自發(fā)發(fā)射、受激發(fā)射和受激吸收三種過程是同時存在自發(fā)

7、發(fā)射、受激發(fā)射和受激吸收三種過程是同時存在!9 （4）粒子數(shù)反轉分布與光的放大）粒子數(shù)反轉分布與光的放大 受激輻射是產生激光的關鍵受激輻射是產生激光的關鍵。 如設低能級上的粒子密度為如設低能級上的粒子密度為N1，高能級上的粒子密度為，高能級上的粒子密度為N2，在，在正常狀態(tài)下，正常狀態(tài)下， N1 N2，總是受激吸收大于受激輻射。即在熱平衡，總是受激吸收大于受激輻射。即在熱平衡條件下，物質不可能有光的放大作用。條件下，物質不可能有光的放大作用。 要想物質產生光的放大，就必須使受激輻射大于受激吸收，即要想物質產生光的放大，就必須使受激輻射大于受激吸收，即使使N2 N1 （高能級上的電子數(shù)多于低能級

8、上的電子數(shù)），這種（高能級上的電子數(shù)多于低能級上的電子數(shù)），這種粒粒子數(shù)的反常態(tài)分布稱為粒子（電子）數(shù)反轉分布子數(shù)的反常態(tài)分布稱為粒子（電子）數(shù)反轉分布。 *粒子數(shù)反轉分布狀態(tài)是使物質產生光放大而發(fā)光的粒子數(shù)反轉分布狀態(tài)是使物質產生光放大而發(fā)光的首要條件首要條件。10 （5）激光的形成）激光的形成 必須有產生激光的必須有產生激光的工作物質工作物質（激活物質）；（激活物質）； 必須有能夠使工作物質處于粒子數(shù)反轉分布狀態(tài)的必須有能夠使工作物質處于粒子數(shù)反轉分布狀態(tài)的激勵源激勵源（泵浦源）；（泵浦源）； 必須有能夠完成頻率選擇及反饋作用的必須有能夠完成頻率選擇及反饋作用的光學諧振腔光學諧振腔。 粒子

9、數(shù)反轉分布狀態(tài)粒子數(shù)反轉分布狀態(tài)的為實現(xiàn)光放大提供了可能，而的為實現(xiàn)光放大提供了可能，而激活物質激活物質提供光放大的環(huán)境，提供光放大的環(huán)境，光學諧振腔光學諧振腔則提供必要的反饋及對光的頻率和則提供必要的反饋及對光的頻率和方向進行選擇，以獲得連續(xù)的方向進行選擇，以獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩光放大和激光振蕩輸出。輸出。11光學諧振腔的結構 （6）激光器的結構）激光器的結構 在激活物質的兩端的適當位置，放置兩個反射系數(shù)分別為在激活物質的兩端的適當位置，放置兩個反射系數(shù)分別為r1和和r2的平行反射鏡的平行反射鏡M1和和M2，就構成了最簡單的光學諧振腔。，就構成了最簡單的光學諧振腔。 如果反射鏡是平面鏡

10、，稱為平面腔；如果反射鏡是球面鏡，則如果反射鏡是平面鏡，稱為平面腔；如果反射鏡是球面鏡，則稱為球面腔，如圖稱為球面腔，如圖3-2所示。對于兩個反射鏡，要求其中一個能全所示。對于兩個反射鏡，要求其中一個能全反射，反射，另一個為部分反射另一個為部分反射。12激光器示意圖13 （7）光學諧振腔的諧振條件與諧振頻率）光學諧振腔的諧振條件與諧振頻率 設諧振腔的長度為設諧振腔的長度為L，則，則諧振腔的諧振條件諧振腔的諧振條件為為 （3-2）或或 （3-3） 式中，式中，c為光在真空中的速度，為光在真空中的速度，為激光波長，為激光波長，n為激活物質的折為激活物質的折射率，射率，L為光學諧振腔的腔長，為光學諧

11、振腔的腔長，q=1，2，3稱為縱模模數(shù)稱為縱模模數(shù)。 諧振腔只對滿足式（諧振腔只對滿足式（3-2）的光波波長或式（）的光波波長或式（3-3）的光波頻率提）的光波頻率提供正反饋，使之在腔中互相加強產生諧振形成激光。供正反饋，使之在腔中互相加強產生諧振形成激光。22nLqLq nLqf2cc14 （8）起振的閾值條件）起振的閾值條件 激光器能產生激光振蕩的最低限度稱為激光器的閾值條件激光器能產生激光振蕩的最低限度稱為激光器的閾值條件。如。如以以G th表示閾值增益系數(shù)，則起振的閾值條件是表示閾值增益系數(shù)，則起振的閾值條件是 （3-4） 為光學諧振腔內激活物質的損耗系數(shù)為光學諧振腔內激活物質的損耗系

12、數(shù)，L為光學諧振腔的腔長，為光學諧振腔的腔長，r1，r2為光學諧振腔兩個反射鏡的反射系數(shù)。為光學諧振腔兩個反射鏡的反射系數(shù)。21th1ln21rrLG 半導體激光器：半導體激光器：是向半導體是向半導體P-N結注入電流，實現(xiàn)粒子數(shù)結注入電流，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布，產生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現(xiàn)光反轉分布，產生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現(xiàn)光放大而產生激光振蕩輸出激光。放大而產生激光振蕩輸出激光。15 1半導體激光器的基本結構半導體激光器的基本結構 用半導體材料作為工作物質的激光器，稱為半導體激光器，它用半導體材料作為工作物質的激光器，稱為半導體激光器，它的有源部分是的有源部分是PN

13、結，兩個端面按晶體的結，兩個端面按晶體的天然晶面剖切開天然晶面剖切開，表面非，表面非常光滑，成為平行的鏡面，構成光學諧振腔。常光滑，成為平行的鏡面，構成光學諧振腔。 泡利不相容原理：每個能級只允許兩個自旋相反的電子占有。泡利不相容原理：每個能級只允許兩個自旋相反的電子占有。 半導體材料作為一種單晶體，其原子緊密地按照一定規(guī)則排列。半導體材料作為一種單晶體，其原子緊密地按照一定規(guī)則排列。各原子最外層的軌道互相重迭，使半導體材料的能級已不像前述的各原子最外層的軌道互相重迭，使半導體材料的能級已不像前述的單個原子那樣的分立的能級，其基態(tài)能級和激發(fā)態(tài)能級將分裂成能單個原子那樣的分立的能級，其基態(tài)能級和

14、激發(fā)態(tài)能級將分裂成能帶，通?；鶓B(tài)能級分裂成價帶，激發(fā)態(tài)能級分裂成導帶。價帶和導帶，通常基態(tài)能級分裂成價帶，激發(fā)態(tài)能級分裂成導帶。價帶和導帶之間存在一個電子不能具有的能量區(qū)間，稱為禁帶。帶之間存在一個電子不能具有的能量區(qū)間，稱為禁帶。16 半導體激光器的核心部分是一個半導體激光器的核心部分是一個PN結。這個結。這個PN結是高度摻雜結是高度摻雜的，的，P型半導體中空穴極多，型半導體中空穴極多，N型半導體中自由電子極多。型半導體中自由電子極多。 電子在導帶和價帶的占居電子在導帶和價帶的占居幾率幾率由由費密費密狄拉克分布狄拉克分布給出，能級給出，能級越低，電子占據(jù)的可能性就越大。用來描述上述分布的能級

15、越低，電子占據(jù)的可能性就越大。用來描述上述分布的能級EF，叫做費米能級。熱平衡下各種半導體材料的費米能級如下圖：叫做費米能級。熱平衡下各種半導體材料的費米能級如下圖：本征半導體的費米能級位于帶隙中間；本征半導體的費米能級位于帶隙中間；N 型摻雜將使費米能型摻雜將使費米能級向導帶移動，級向導帶移動，P 型摻雜使費米能級向價帶移動；型摻雜使費米能級向價帶移動；重摻雜重摻雜N 型半導體，費米能級位于導帶內型半導體，費米能級位于導帶內兼并型兼并型N型；型；17 雙兼并型半導體：雙兼并型半導體：非熱平衡狀態(tài)時非熱平衡狀態(tài)時，在，在Efc和和Efv之間形成了一之間形成了一個粒子數(shù)反轉區(qū)域。如果入射光波能量

16、滿足：個粒子數(shù)反轉區(qū)域。如果入射光波能量滿足：則經過則經過雙兼并型半導體時將得到放大雙兼并型半導體時將得到放大。PN結的形成：結的形成： 當當P型和型和N型半導體形成型半導體形成PN結時，載流子（電子、空穴）的濃度結時，載流子（電子、空穴）的濃度（密度）差引起（密度）差引起擴散運動擴散運動；漂移運動漂移運動的方向與擴散運動相反；最后，的方向與擴散運動相反；最后，漂移完全抵消了擴散，達到漂移完全抵消了擴散，達到平衡平衡。 為了維持電子空穴的復合，需要在為了維持電子空穴的復合，需要在PN 結上加正向電壓，打破結上加正向電壓，打破原有平衡；原有平衡；18正向偏壓：正向偏壓：P區(qū)空穴不斷流向區(qū)空穴不斷

17、流向N區(qū)，區(qū)，N區(qū)電子流向區(qū)電子流向P區(qū)，通過區(qū)，通過復合發(fā)光。復合發(fā)光。 自發(fā)發(fā)射復合自發(fā)發(fā)射復合LED； 受激發(fā)射復合受激發(fā)射復合LD；反向偏壓：反向偏壓：區(qū)域內電子和空區(qū)域內電子和空穴都很少，形成高阻區(qū)。穴都很少，形成高阻區(qū)。 受激吸收受激吸收 PD19當正向電壓加大到某一值后，當正向電壓加大到某一值后， PN結里出現(xiàn)了結里出現(xiàn)了結里出現(xiàn)了結里出現(xiàn)了增益增益區(qū)區(qū)（有源區(qū)）。（有源區(qū)）。在在Efc和和Efv之間價帶主要由空穴占據(jù)，導帶主要由電子占據(jù)，之間價帶主要由空穴占據(jù)，導帶主要由電子占據(jù)，即實現(xiàn)了即實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉粒子數(shù)反轉。20 2半導體激光器的基本結構半導體激光器的基本結構 有兩種

18、方式構成的激光器：有兩種方式構成的激光器：F-P腔激光器和分布反饋型（腔激光器和分布反饋型（DFB）激光器。激光器。F-P腔激光器從結構上可分為腔激光器從結構上可分為3種。種。芯片尺寸芯片尺寸：250umX100umX10um; 有源層有源層:8umX1um(1umX0.1um);光口面光口面:3umX0.6um(更窄)21 3半導體激光器的主要特性半導體激光器的主要特性 LD的主要工作特性都可以根據(jù)的主要工作特性都可以根據(jù)速率方程速率方程來精確分析，即求來精確分析，即求解有源區(qū)解有源區(qū)光子數(shù)目光子數(shù)目P和和電子數(shù)目電子數(shù)目N在相互作用過程中隨時間變化在相互作用過程中隨時間變化的方程組，比較復

19、雜。只要求大家定性理解后面的結論。的方程組，比較復雜。只要求大家定性理解后面的結論。22 （1）閾值特性）閾值特性 對于對于LD，當外加正向電流達到某一數(shù)值時，輸出光功率急，當外加正向電流達到某一數(shù)值時，輸出光功率急劇增加，這時將產生激光振蕩，這個電流稱為劇增加，這時將產生激光振蕩，這個電流稱為閾值電流閾值電流，用，用Ith 表示。閾值電流越小越好。表示。閾值電流越小越好。23 （2）轉換效率）轉換效率 LD電光轉換效率可用電光轉換效率可用功率轉換效率功率轉換效率和和量子轉換效率量子轉換效率表示表示. 量子效率量子效率d表示，其定義為激光器達到閾值后，輸出光子數(shù)的表示，其定義為激光器達到閾值后

20、，輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量之比（微觀效率），其表達式為增量與注入電子數(shù)的增量之比（微觀效率），其表達式為 （3-3） 由此得由此得 式中，式中，P為激光器的輸出光功率；為激光器的輸出光功率；I為激光器的輸出驅動電流，為激光器的輸出驅動電流，Pth為激光器的閾值功率；為激光器的閾值功率；Ith為激光器的閾值電流；為激光器的閾值電流；hf 為光子能量；為光子能量；e為電子電荷。為電子電荷。ththththd/ )(/ )(IIPPeIIhfPPhfe)(thdthIIehfPP24 （3）溫度特性）溫度特性 激光器的閾值電流和輸出光功率隨溫度變化的特性為溫度特性。激光器的閾值電流和輸出光

21、功率隨溫度變化的特性為溫度特性。閾值電流隨溫度的升高而加大，且波長向長波長方向漂移閾值電流隨溫度的升高而加大，且波長向長波長方向漂移，轉換效轉換效率下降率下降，其變化情況如圖所示。，其變化情況如圖所示。激光器閾值電流隨溫度變化的曲線25 （4）光譜特性）光譜特性 1）發(fā)射波長）發(fā)射波長 半導體激光器的半導體激光器的發(fā)射波長取決于發(fā)射波長取決于導帶的電子躍遷到價帶時所釋導帶的電子躍遷到價帶時所釋放出的能量，這個能量近似等于禁帶寬度放出的能量，這個能量近似等于禁帶寬度Eg(eV)，可得，可得 hf = Eg 代入式（代入式（3-5）得）得 (m) （3-5） 由于能隙與半導體材料的成分及其含量有關

22、，由于能隙與半導體材料的成分及其含量有關，通過材料設計可通過材料設計可以制成不同發(fā)射波長的激光器，以制成不同發(fā)射波長的激光器，InGaAsP-InP材料適用與材料適用與1.31.5um波段。波段。)eV(24. 1gE26 2）光譜線）光譜線 原子從高能級原子從高能級E3躍遷到躍遷到E2，其發(fā)光頻率為，其發(fā)光頻率為f32=(E3-E2)/h，即理想，即理想光譜是光譜是f0=f32，實際光譜有一定的加寬。，實際光譜有一定的加寬。 譜線加寬的原因譜線加寬的原因：處于高能級上的粒子，在發(fā)射光子的過程中，：處于高能級上的粒子，在發(fā)射光子的過程中，輻射的光波不是等幅波，各粒子的運動速度也不同，故包含了新

23、的輻射的光波不是等幅波，各粒子的運動速度也不同，故包含了新的頻率成份。頻率成份。 對于某種確定的激光物質，就有一定的對于某種確定的激光物質，就有一定的光譜線寬度光譜線寬度fD().譜線譜線越窄，說明性能越好！越窄，說明性能越好！27 3）縱模）縱模 半導體激光器的縱向光場不是以行波形式傳輸，而是成駐波形式半導體激光器的縱向光場不是以行波形式傳輸，而是成駐波形式振蕩。激光器輸出的是一系列模式明確，譜寬很窄，功率不同尖銳振蕩。激光器輸出的是一系列模式明確，譜寬很窄，功率不同尖銳的譜線，的譜線，稱為激光器的縱模稱為激光器的縱模。 LD的光譜隨著激勵電流的變化而變化。當?shù)墓庾V隨著激勵電流的變化而變化。

24、當IIth時，發(fā)出的是熒時，發(fā)出的是熒光，光譜很寬。當光，光譜很寬。當I Ith后，發(fā)射光譜突然變窄，發(fā)出激光。后，發(fā)射光譜突然變窄，發(fā)出激光。 其滿足其滿足起振閾值和諧振起振閾值和諧振相位條件：相位條件：nLqf2cc21th1ln21rrLG28GaAlAs-GaAs激光器的輸出光譜29 4動態(tài)單縱模半導體激光器動態(tài)單縱模半導體激光器 SLM激光器的激光器的設計思想設計思想：使不同的縱模具有不同的損耗，因而使不同的縱模具有不同的損耗，因而不同的不同的 縱模就有不同的增益閾值?？v模就有不同的增益閾值。通常具有最低腔損的縱模，最通常具有最低腔損的縱模，最先達到閾值成為發(fā)射模，其它模被抑制，先達

25、到閾值成為發(fā)射模，其它模被抑制，MSR約（約（30dB)。303132333435 1LED的工作原理的工作原理 發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LED）是非相干光源，是無閾值器件，它的基本）是非相干光源，是無閾值器件，它的基本工作原理是自發(fā)輻射。工作原理是自發(fā)輻射。 發(fā)光二極管與半導體激光器差別是：發(fā)光二極管沒有光學諧振發(fā)光二極管與半導體激光器差別是：發(fā)光二極管沒有光學諧振腔，不能形成激光。僅限于自發(fā)輻射，所發(fā)出的是熒光，是非相干腔，不能形成激光。僅限于自發(fā)輻射，所發(fā)出的是熒光，是非相干光。半導體激光器是受激輻射，發(fā)出的是相干光。光。半導體激光器是受激輻射，發(fā)出的是相干光。36 2LED的結構的結構

26、 LED也多采用雙異質結芯片，不同的是也多采用雙異質結芯片，不同的是LED沒有解理面，即沒沒有解理面，即沒有光學諧振腔。由于不是激光振蕩，所以沒有閾值。有光學諧振腔。由于不是激光振蕩，所以沒有閾值。 LED分為兩大類：一類是面發(fā)光型分為兩大類：一類是面發(fā)光型SLED，另一類是邊發(fā)光型，另一類是邊發(fā)光型ELED，發(fā)散角、耦合效率和調制帶帶寬均比面發(fā)光，發(fā)散角、耦合效率和調制帶帶寬均比面發(fā)光LED有改善。有改善。373839 3LED的工作特性的工作特性 （1）光譜特性）光譜特性 LED譜線寬度譜線寬度比激光器寬得多。下圖是比激光器寬得多。下圖是InGaAsP LED的輸出的輸出光譜。光譜。 In

27、GaAsP LED的發(fā)光光譜 40 （2）P-I特性特性 兩種類型的兩種類型的LED輸出光功率特性如圖輸出光功率特性如圖3-14所示。驅動電流所示。驅動電流I 較小較小時，時，P I 曲線的線性較好；當曲線的線性較好；當I 過大時，由于過大時，由于P-N結發(fā)熱而產生飽結發(fā)熱而產生飽和現(xiàn)象，使和現(xiàn)象，使P I 曲線的斜率減小。曲線的斜率減小。發(fā)光二極管（LED）的P I 特性41（4）調制特性）調制特性 調制頻率較低。在一般工作條件下，面發(fā)光型調制頻率較低。在一般工作條件下，面發(fā)光型LED截止頻率為截止頻率為20MHz30MHz，邊發(fā)光型，邊發(fā)光型LED截止頻率為截止頻率為100MHz150MH

28、z，改進型可達改進型可達GHz。 性能比較：性能比較： LED與與LD相比，相比，LED輸出光功率較小，譜線寬度輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調制頻率較低。但較寬，調制頻率較低。但LED性能穩(wěn)定，壽命長，使用簡單，輸出性能穩(wěn)定，壽命長，使用簡單，輸出光功率線性范圍寬，而且制造工藝簡單，價格低廉。光功率線性范圍寬，而且制造工藝簡單，價格低廉。42 LED晶片用來產生反射效果的杯狀支架陰極環(huán)氧樹脂透鏡連接導線(金線)支架陽極陰極支架短于陽極支架膠體缺口表示陰極導電銀膠43 國家光電子國家光電子工藝中心工藝中心863計劃計劃307光電子主題光電子主題北大藍光公司中科院上海光機所合資上海金橋大晨光電磊

29、晶片生產科技部863聯(lián)辦市政府/浦東新區(qū)管委會北京大學、企業(yè)集資中科院長春光機所/物理所匯能光電材料中心立德電子公司飛通光電子公司深圳開發(fā)科技公司深圳開發(fā)科技公司方大國科光電子科技公司深圳方大集團技術來源:上游上游:南昌欣磊,南昌大學中游中游:中科院 下游下游:深圳大學 教育部光電材料與器件工程研究中心江西方大?？菩畔⒉牧现行?4 下游介入下游介入：宜昌匡通電子有限公司：宜昌匡通電子有限公司: DIP LED: DIP LED宜昌勁森照明電子有限公司宜昌勁森照明電子有限公司: SMT LED: SMT LED45 46 47-2050 -2050-2050 -2050工作溫度工作溫度 /C壽命

30、壽命 t/h30120 30120 2050 2050輻射角輻射角50150 301005002000 5001000調制帶寬調制帶寬 B/MHz0.10.3 0.10.213 13入纖功率入纖功率 P/mW15 13510 510輸出功率輸出功率 P/mW100150 100150工作電流工作電流 I/mA2030 3060閥值電流閥值電流 Ith/mA50100 6012012 13譜線寬度譜線寬度1.3 1.551.3 1.55工作波長工作波長LEDLD/nm/)/(76101065101081071048n光調制器：實現(xiàn)從電信號到光信號的轉換n光調制的分類：n從光源調制角度看，有兩種方

31、法實現(xiàn)光調制，其一，將調制信號直接注入激光器（調制激光器驅動電流），而實現(xiàn)激光輸出光強度等參數(shù)的調制-內調制或直接調制（簡單、經濟、引入較大的啁啾）；其二，將調制信號控制激光器后接的外調制器，利用調制器的電光、聲光等物理效應使其輸出光的強度等參數(shù)隨信號而變-外調制（調制信號啁啾?。?。n按被調制光波的參數(shù)分：強度調制、相位調制、偏振調制等。49直接調制和外調制50 1直接調制直接調制 直接調制就是將電信號直接注入光源，使其輸出的光載波信號的直接調制就是將電信號直接注入光源，使其輸出的光載波信號的強度隨調制信號的變化而變化，又稱為內調制。直接調制方法僅適強度隨調制信號的變化而變化，又稱為內調制。直

32、接調制方法僅適用于半導體光源（用于半導體光源（LD和和LED）。）。 使光源發(fā)出的光載波功率大小在時間上隨驅動電流變化而變化。使光源發(fā)出的光載波功率大小在時間上隨驅動電流變化而變化。這種方式是直接這種方式是直接/強度調制，簡稱強度調制，簡稱IM。數(shù)字信號的直接調制多為。數(shù)字信號的直接調制多為PCM信號對光源進行強度調制。信號對光源進行強度調制。 特點：簡單、損耗小、成本低。會引入頻率啁啾，在速率大于特點：簡單、損耗小、成本低。會引入頻率啁啾，在速率大于2.5Gb/s后多不采用。后多不采用。51直接光強度數(shù)字調制原理間接調制激光器的結構52 2間接調制間接調制 間接調制是利用晶體的間接調制是利用

33、晶體的光電效應、磁光效應、聲光效應光電效應、磁光效應、聲光效應等性質等性質來實現(xiàn)對激光輻射的調制，即光輻射之后再加載調制電壓，使經過來實現(xiàn)對激光輻射的調制，即光輻射之后再加載調制電壓，使經過調制器的光載波得到調制。調制器的光載波得到調制。 間接調制最常用的是外調制的方法，間接調制最常用的是外調制的方法，即在激光形成后加載調制即在激光形成后加載調制信號。它是在激光器諧振腔外的光路上放置調制器，在調制器上加信號。它是在激光器諧振腔外的光路上放置調制器，在調制器上加調制信號電壓，使調制器的調制信號電壓，使調制器的某些物理特性發(fā)生相應的變化某些物理特性發(fā)生相應的變化，當由光，當由光源發(fā)出的激光通過它時

34、，得到調制。源發(fā)出的激光通過它時，得到調制。 主要外調制器：鈮酸鋰（消光比可達主要外調制器：鈮酸鋰（消光比可達30dB以上）以上）、電致吸收器、電致吸收器、半導體半導體MZ調制器。調制器。53電光效應光調制器n電光效應：電壓施加于某些電光晶體(如LiNbO3 ) ，導致晶體折射率發(fā)生變化，引起通過該晶體的光波特性發(fā)生變化。n折射率變化n與外加電場E有著復雜的關系，可近似地認為n與(r E+R E2)成正比。545540Gb/s LiNbO3 Modulator56t57磁光調制原理58電吸收調制原理59電吸收調制原理60聲光調制原理61聲光調制原理6263 通常所說的光端機，是一個功能完善的系

35、統(tǒng)設備，主要由光通常所說的光端機，是一個功能完善的系統(tǒng)設備，主要由光發(fā)送機、光接收機和輔助電路三大部分組成。發(fā)送機、光接收機和輔助電路三大部分組成。 光發(fā)送機光發(fā)送機由輸入接口、光線路碼型變換和光發(fā)送機等組成。由輸入接口、光線路碼型變換和光發(fā)送機等組成。 光接收機光接收機由光接收、定時再生、光線路碼型反變換和輸出接由光接收、定時再生、光線路碼型反變換和輸出接口等組成?？诘冉M成。 光端機中的輔助電路光端機中的輔助電路由公務、監(jiān)控、告警、輸入分配、倒換、由公務、監(jiān)控、告警、輸入分配、倒換、區(qū)間通信等組成。此外，不論是光發(fā)送機、光接收機還是輔助區(qū)間通信等組成。此外，不論是光發(fā)送機、光接收機還是輔助電

36、路，都必須有電源轉換，將通信機房中的直流電源轉換為光電路，都必須有電源轉換，將通信機房中的直流電源轉換為光端機所需的電源。端機所需的電源。64光傳輸系統(tǒng)光傳輸系統(tǒng)光工作站光工作站SDH設備設備65 是把從電端機送來的電信號轉變成光信號，并送入光是把從電端機送來的電信號轉變成光信號，并送入光纖線路進行傳輸。對光發(fā)送機的要求：纖線路進行傳輸。對光發(fā)送機的要求： （1）有合適的）有合適的輸出光功率輸出光功率 光發(fā)送機的輸出光功率，是指耦合進光纖的功率，亦稱光發(fā)送機的輸出光功率，是指耦合進光纖的功率，亦稱入纖功率入纖功率。光源應。光源應有合適的光功率輸出，有合適的光功率輸出，一般為一般為0.01mW1

37、0mW。 （2）有較好的消光比）有較好的消光比EXT 消光比的定義為全消光比的定義為全“1”碼平均發(fā)送光功率與全碼平均發(fā)送光功率與全“0”碼平均發(fā)送光功率之比。碼平均發(fā)送光功率之比?？捎孟率奖硎究捎孟率奖硎?式中，式中，P11為全為全“1”碼時的平均光功率；碼時的平均光功率；P00為全為全“0”碼時的平均光功率。一碼時的平均光功率。一般要求般要求EXT15dB。 )dB(lg100011PPEXT （3）調制特性要好）調制特性要好 所謂調制特性好，是指所謂調制特性好，是指光源的光源的PI曲線在使用范圍內線性特性好，否則曲線在使用范圍內線性特性好，否則在調制后將產生非線性失真在調制后將產生非線性

38、失真。 除此之外，還要求電路盡量簡單、成本低、穩(wěn)定性好、光源壽命長等。除此之外，還要求電路盡量簡單、成本低、穩(wěn)定性好、光源壽命長等。66 （3）調制特性要好）調制特性要好 所謂調制特性好，是指所謂調制特性好，是指光源的光源的PI曲線在使用范圍內線性特曲線在使用范圍內線性特性好，否則在調制后將產生非線性失真性好，否則在調制后將產生非線性失真。 除此之外，還要求電路盡量簡單、成本低、穩(wěn)定性好、光除此之外，還要求電路盡量簡單、成本低、穩(wěn)定性好、光源壽命長等。源壽命長等。67 光發(fā)送機由輸入電路和光發(fā)送電路組成。光發(fā)送機由輸入電路和光發(fā)送電路組成。（1）輸入電路）輸入電路 輸入電路由輸入電路由輸入接口

39、電路、光線路碼型輸入接口電路、光線路碼型變換組成。變換組成。 1）輸入接口電路。）輸入接口電路。 輸入接口輸入接口是光端機的入口電路。是光端機的入口電路。PCM設備的輸出信號經電纜設備的輸出信號經電纜連接到光端機的輸入端，功能連接到光端機的輸入端，功能:均衡放大、單均衡放大、單/雙、告警。雙、告警。68（2）線路碼型變換電路）線路碼型變換電路(采用采用FPGA或或ASIC實現(xiàn)實現(xiàn)) 普通的二進碼普通的二進碼(NRZ)的碼流存在連的碼流存在連“0”連連“1”數(shù)太大、分布不數(shù)太大、分布不均勻、數(shù)字序列沒有預定規(guī)律，不利于時鐘提取和誤碼檢測。均勻、數(shù)字序列沒有預定規(guī)律，不利于時鐘提取和誤碼檢測。 通

40、常要利用碼型變換予以改善，通常要利用碼型變換予以改善，光纖線路碼型設計原則：光纖線路碼型設計原則： 傳輸碼型有足夠的定時含量，減少連傳輸碼型有足夠的定時含量，減少連“0”和連和連“1”數(shù)，且數(shù)，且數(shù)量均衡，以便于時鐘提取和穩(wěn)定判決基線。數(shù)量均衡，以便于時鐘提取和穩(wěn)定判決基線。 傳輸碼型應有不中斷業(yè)務進行誤碼檢測的能力。傳輸碼型應有不中斷業(yè)務進行誤碼檢測的能力。 傳輸碼型應力求降低線路傳輸?shù)拇a率，或線路傳輸碼率傳輸碼型應力求降低線路傳輸?shù)拇a率，或線路傳輸碼率的提高應盡可能的少。的提高應盡可能的少。 傳輸碼型的實施，應力求簡單和經濟。傳輸碼型的實施，應力求簡單和經濟。傳輸中發(fā)生誤碼時，誤碼擴散范圍

41、或誤碼增值低。傳輸中發(fā)生誤碼時，誤碼擴散范圍或誤碼增值低。69 常用的常用的3種線路碼型：擾碼二進制、字變換碼、插入型碼種線路碼型：擾碼二進制、字變換碼、插入型碼 1）擾碼二進制）擾碼二進制 擾碼二進制即是將輸入的二進制擾碼二進制即是將輸入的二進制NRZ碼進行擾碼后輸出仍為碼進行擾碼后輸出仍為二進制碼（次序重排）。在系統(tǒng)的調制器前，加一個擾碼器，將二進制碼（次序重排）。在系統(tǒng)的調制器前，加一個擾碼器，將原始的碼序加以變換，使其接近于隨機序列，相應的在接收機的原始的碼序加以變換，使其接近于隨機序列，相應的在接收機的判決器后，附加一個解擾器，以便恢復原始序列。擾碼可以改變判決器后，附加一個解擾器，

42、以便恢復原始序列。擾碼可以改變碼流中的碼流中的“1”碼和碼和“0”碼的分布，能改善碼流的特性。碼的分布，能改善碼流的特性。 *SDH幀本身已經有嚴格的編碼格式，可以通過擾碼獲得進一幀本身已經有嚴格的編碼格式，可以通過擾碼獲得進一步的改善和加密，且不提高光接口的速率。步的改善和加密，且不提高光接口的速率。70 2）字變換碼字變換碼 將輸入二進制碼分成一個個將輸入二進制碼分成一個個“碼字碼字”，輸出用對應的另一種，輸出用對應的另一種“碼字碼字”來代替。來代替。常用的是分組碼的一種型式常用的是分組碼的一種型式mBnB碼碼，它將輸，它將輸入碼每入碼每m比特為一組，然后變換成另一種比特為一組，然后變換成

43、另一種n比特為一組的傳輸碼。比特為一組的傳輸碼。在接收端再進行變換，從而恢復為原來的信號。在接收端再進行變換，從而恢復為原來的信號。n、m均為正整數(shù)，均為正整數(shù)，且且nm。于是引進了一定的富余度，以滿足線路碼的基本要求。于是引進了一定的富余度，以滿足線路碼的基本要求。 *以以3B4B 碼為例來介紹碼為例來介紹mBnB 碼的基本原理。碼的基本原理。 3B4B 碼，是將輸入信號碼流分成碼，是將輸入信號碼流分成3B（bit）一組，它有）一組，它有23=8種種狀態(tài)，然后編寫為狀態(tài)，然后編寫為4B碼，有碼，有24=16種狀態(tài)：我們從種狀態(tài)：我們從16種狀態(tài)中選出種狀態(tài)中選出若干種代表若干種代表3B碼的碼

44、的8種狀態(tài)，如表所示。種狀態(tài)，如表所示。7172 碼字數(shù)字和碼字數(shù)字和(WDS)：如果用如果用“-1”表示字中的表示字中的“0”，用，用“+1”表表示字中的示字中的“1”，則將每個數(shù)字的代數(shù)和，則將每個數(shù)字的代數(shù)和“字數(shù)字和字數(shù)字和”記為記為“WDS”。 例如：例如：“1000”可寫成可寫成(+1)+(-1)+(-1)+(-1)-2，即字，即字“1000”的的WDS-2。若其代數(shù)和為。若其代數(shù)和為0時，稱為均等，其代數(shù)和為正或為負時，稱為均等，其代數(shù)和為正或為負時，稱為不均等。時，稱為不均等。 mBnB 碼的基本原理碼的基本原理就是通過采取交替使用不同模式的編碼，就是通過采取交替使用不同模式的

45、編碼，使碼字的不均值得到使碼字的不均值得到平衡平衡，以限制整個傳輸碼流的累計不均。盡，以限制整個傳輸碼流的累計不均。盡可能選擇可能選擇WDS最小的碼字，禁止使用最小的碼字，禁止使用WDS最大的碼字。最大的碼字。從這個意義出發(fā)，在選用從這個意義出發(fā)，在選用4B碼代替碼代替3B碼時最好的是碼時最好的是WDS0的碼的碼字，最差的是表字，最差的是表3-2中的中的1111，0000這種字稱為這種字稱為禁字禁字。 3B4B碼方案很多，表中為常用的碼組。碼方案很多，表中為常用的碼組。7374 3）插入碼插入碼 插入碼是把輸入二進制原始碼流分成每插入碼是把輸入二進制原始碼流分成每m比特（比特（mB）一組，）一組，