光通信原理與技術(shù)第4章1

1、光通信原理與技術(shù)光源和光發(fā)送機李玉權(quán)、朱勇、王江平編著o物質(zhì)與光之間的互作用o半導(dǎo)體激光器o半導(dǎo)體發(fā)光二極管o光源的調(diào)制原理o線路碼型o光發(fā)送機o光通信對光源的要求光通信對光源的要求n發(fā)射光波長適中 光源器件發(fā)射光波的波長，必須落在光纖呈現(xiàn)低衰耗的0.85m、1.31m和1.55m 附近。n發(fā)射光功率足夠大 光源器件一定要能在室溫下連續(xù)工作，而且其入纖光功率足夠大，最少也應(yīng)有數(shù)百微瓦，當(dāng)然達到一毫瓦以上更好。在這里我們強調(diào)的是入纖光功率而不指單純的發(fā)光功率。因為只有進入光纖后的光功率才有實際意義，由于光纖的幾何尺寸極小（單模光纖的芯徑不足10 微米），所以要求光源器件要具有與光纖較高的耦合效率

2、。n溫度特性好 光源器件的輸出特性如發(fā)光波長與發(fā)射光功率大小等，一般來講隨溫度變化而變化，尤其是在較高溫度下其性能容易劣化。在光纖通信的初期與中期，經(jīng)常需要對半導(dǎo)體激光器加致冷器和自動溫控電路，而目前一些性能優(yōu)良的激光器可以不需要任何溫度保護措施。n發(fā)光譜寬窄 光源器件發(fā)射出來的光的譜線寬度應(yīng)該越窄越好。因為若其譜線過寬，會增大光纖的色散，減少了光纖的傳輸容量與傳輸距離（色散受限制時）。例如對于長距離、大容量的光纖通信系統(tǒng)，其光源的譜線寬度 應(yīng)該小于2nm。n 工作壽命長 光纖通信要求其光源器件長期連續(xù)工作，因此光源器件的工作壽命越長越好。光源器件壽命的終結(jié)并不是我們所想象的完全損壞，而是其發(fā)

3、光功率降低到初始值的一半或者其閾值電流增大到其初始值的二倍以上。目前工作壽命近百萬小時（約100 年）的半導(dǎo)體激光器已經(jīng)商用化。n體積小重量輕 光源器件要安裝在光發(fā)送機或光中繼器內(nèi)，為使這些設(shè)備小型化，光源器件必須體積小、重量輕。o半導(dǎo)體光源：半導(dǎo)體光源： 分類：半導(dǎo)體激光器(LD)和半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)o半導(dǎo)體光源的優(yōu)點：n體積小、重量輕、壽命長、功耗低、可集成和高可靠性n易擇波：半導(dǎo)體光源的物理基礎(chǔ)決定了只要選擇合適的光電材料就可以制成適用于光纖中不同低損耗窗口的光源器件；n易輻射：容易獲得足夠高的輸出光功率和足夠窄的光譜寬度；n易調(diào)制：改變注入電流就可以改變輸出光強，能夠直接進行強

4、度調(diào)制；n易耦合：發(fā)光面積可以與光纖芯徑相比擬，從而具有較高的耦合效率 nLD的優(yōu)點：輸出功率高、調(diào)制頻帶寬、發(fā)光譜線窄nLED的優(yōu)點：線性好，使用壽命長，成本低nLED的缺點：譜線寬度寬，調(diào)制速率較低，與光纖的耦合效率低nLD適用于長距離、大容量的傳輸系統(tǒng) LED適用于短距離、小容量的傳輸系統(tǒng)物質(zhì)與光之間的互作用o光的波粒二象性光的波粒二象性 光既是一種電磁波又是一種粒子流，對光的波動和粒子的雙重性質(zhì)稱為波一粒二象性。 光在空間中傳播的時候主要表現(xiàn)出波動性；當(dāng)光與物質(zhì)相互作用是，表現(xiàn)出粒子性。o光的波動性：解釋光的傳輸特性o光量子學(xué)說：1905年，由愛因斯坦提出。認(rèn)為光是由光子組成的 E：光

5、子能量 H：是普朗克常量 v：是波的頻率 攜帶信息的光波，所具有的能量是E的整數(shù)倍。當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時，光子的能量作為一個整體被吸收或者釋放的 。hvE 原子的能級和半導(dǎo)體的能帶o原子的能級原子的能級 原子是由原子核和繞原子核旋轉(zhuǎn)的核外電子組成；原子中的電子只能在一定的量子態(tài)中運動 ； 軌道越高，能量也越高 當(dāng)電子在每一個這樣的軌道上運動時，原子具有確定的能量，稱為原子的一個能級o晶體的能帶晶體的能帶 晶體的能譜在原子能級的基礎(chǔ)上按共有化運動的不同而分裂成若干組，每組中能級彼此靠得很近，組成有一定寬度的帶，稱為能帶。 把這種形成共價鍵的價電子所占據(jù)的能帶稱為價帶，而把價帶上面鄰近的空帶（自由

6、電子占據(jù)的能帶）稱為導(dǎo)帶o禁帶禁帶o不能為電子所占據(jù)的能量狀態(tài)。o禁帶的寬度又稱為帶隙能量gEo光與物質(zhì)相互作用的基本過程光與物質(zhì)相互作用的基本過程 自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射o自發(fā)輻射自發(fā)輻射特點： 發(fā)射光子的頻率為： 無外界作用，自發(fā)光躍遷； 獨立、自發(fā)發(fā)射，非相干光典型應(yīng)用：發(fā)光二極管hEEv/ )(21h=E2-E1E g=E2-E1o受激吸收受激吸收特點： 外來光子能量應(yīng)等于電子躍遷的能級之差； 消耗外來光能，產(chǎn)生電子空穴對。典型應(yīng)用：光電二極管o受激輻射受激輻射特點：外來光子能量應(yīng)等于電子躍遷的能級之差，產(chǎn)生的 光子與感應(yīng)光子是相干的，為全同光子；光得到放大。典型應(yīng)用：半導(dǎo)體激光

7、器o光的吸收和放大光的吸收和放大n吸收狀態(tài) 設(shè)媒質(zhì)中低能級E1上的電子密度為N1，高能級E2上的電子密度為N2 ，當(dāng)N2N1時，受激吸收過程占主導(dǎo)地位，光波經(jīng)過媒質(zhì)時強度按指數(shù)規(guī)律衰減，光波被吸收 n放大狀態(tài) 若媒質(zhì)中N2N1 ，則受激輻射占主導(dǎo)地位，光波經(jīng)過媒質(zhì)時強度按指數(shù)規(guī)律增大，光波被放大。 N2N1的情況是一種處于非熱平衡狀態(tài)下的反常情況，稱之為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，或布居反轉(zhuǎn)，必須要有外界的泵浦才能實現(xiàn)o粒子反轉(zhuǎn)分布粒子反轉(zhuǎn)分布o(jì)根據(jù)量子統(tǒng)計理論，在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級被電子占據(jù)的概率為費米分布 K為波茲曼常數(shù) T為熱力學(xué)溫度 Ef為費米能級，描述半導(dǎo)體中各能級被電子占據(jù)的狀態(tài) 在

8、費米能級，各能級被電子和被空穴占據(jù)的概率相同)exp(11)(kTEEEpf正向偏壓下PN結(jié)的能帶圖半導(dǎo)體激光器o基本原理基本原理 半導(dǎo)體激光器是一種PN結(jié)構(gòu)成的二極管結(jié)構(gòu)，通過向PN結(jié)注入正向電流，當(dāng)注入電流達到一定的閾值后，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光震蕩。實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的區(qū)域被稱為有源區(qū)，半導(dǎo)體激光器的光激射就發(fā)生在這個區(qū)域 o激射的一般基本條件激射的一般基本條件n有源區(qū)里產(chǎn)生足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布n存在光學(xué)諧振機制，并在有源區(qū)里建立起穩(wěn)定的激光振蕩o閾值條件閾值條件 光子在傳播和反射等運動過程中要消耗一部分能量，光子向不希望的方向運動，

9、會很快離開使光子總量減少。此外還有產(chǎn)生聲子（晶格振動）的損耗等。 無論如何，激活物質(zhì)產(chǎn)生的光增益應(yīng)足以抵消所有的損耗，振蕩才可能發(fā)生。 將振蕩開始出現(xiàn)凈增益的條件稱為閾值條件o選頻單元選頻單元n光學(xué)諧振腔：能夠提供必要的反饋及進行頻率選擇nF-P腔（法布里-珀羅諧振腔）：在增益物質(zhì)兩端適當(dāng)?shù)奈恢茫胖脙蓚€互相平行的反射鏡 F-P腔M2M1Ln腔的尺寸遠(yuǎn)大于工作波長腔內(nèi)電磁波可認(rèn)為是均勻平面波。n從一點出發(fā)的平面波，垂直投射到反射鏡M1，由M1反射后又垂直投射向M2,再回到出發(fā)點時，如果它們之間的相位差是2的整數(shù)倍，達到了諧振，那么 L=q2 L：諧振腔的長度 ：諧振腔介質(zhì)中光波的波長 q=1，

10、2，3 =2L qn光學(xué)諧振腔的諧振條件（駐波條件）n當(dāng)光學(xué)諧振腔的折射率為n時=2nL q半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)和工作原理o分類分類n同質(zhì)結(jié)LD n單異質(zhì)結(jié)LD n雙異質(zhì)結(jié)LD o同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)LDnPN結(jié)兩邊材料相同，僅摻雜不同n對光場無限制作用n要求閾值電流太高，幾乎不能在室溫下工作o異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)LDn結(jié)兩邊由不同的半導(dǎo)體材料制成n降低閾值電流，提高效率o雙異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)LD P-N結(jié)的兩個端面按照晶體的天然解理面切開，形成反射面，在其表面鍍膜，組成光學(xué)諧振腔o半導(dǎo)體激光器的工作特性nP-I特性n光譜特性n轉(zhuǎn)換效率n溫度特性n時間效應(yīng)oP-I特性典型的激光器P-I曲線o閾值條件n在P-I曲線中

11、，激光器由自發(fā)輻射到開始受激振蕩時的臨界注入正向電流，稱為閾值電流。用符號Ith表示n當(dāng)I Ith時，LD發(fā)出激光n為使光纖通信系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作，閾值電流越小越好o利用P-I曲線求解Ith的方法：雙斜率法 、 反向延長法 、二階求導(dǎo)法 n光譜特性n中心波長（c） ：光譜曲線最高點對應(yīng)的波長n譜線寬度：比最高點光功率低3dB（50%）時曲線上的寬度nLD的光譜隨激勵電流變化 當(dāng)I Ith時，LD發(fā)出激光，發(fā)射光譜突然變窄，譜線 中心強度急劇增加o單模LD:激光二極發(fā)出的激光是單縱模o多模LD:激光二極發(fā)出的激光是多縱模o轉(zhuǎn)換效率n衡量轉(zhuǎn)換效率（電功率轉(zhuǎn)換成光功率）高低的物理量n定義：激光器輸出

12、光功率與注入激光器的電功率之比，用P表示 Pe輸出光功率 V工作電壓 I工作電流 Rs串聯(lián)電阻VIIRthp/ )/1 ( R與LD的內(nèi)部量子效 率、激光波長和模式損耗有關(guān)的 常數(shù)o溫度特性nLD的閾值電流和光輸出功率隨溫度變化的特性n閾值電流隨溫度的升高而加大o時間效應(yīng)nLD的閾值電流與使用時間有關(guān)n隨著激光二極管使用時間的增加，閾值電流逐漸加大。限制了激光二極管的使用壽命。oLD發(fā)光波長nLD波長：=hc/(E2-E1)=1.2398/(E2-E1)nLD的輻射波長由禁帶寬度決定；可以通過半導(dǎo)體材料的選擇來改變o短波長波段n采用GaAlAs/ GaAs-LD材料，改變GaAlAs 中Al的

13、含量改變激光發(fā)射波長n發(fā)射波長范圍：0.75-0.92mn使用壽命一般為10萬小時。用于傳輸距離長、傳輸速率較高的系統(tǒng)o長波長波段nInGaAsP/InP波長范圍：1.0-1.7m GaInAs/GaInP波長范圍： 1.06-1.7m GaAsSb/ GaAlSb波長范圍： 0.87-1.68mn光功率較大（幾w-幾mw），譜線較窄（約3nm），與光纖耦合效率較高（可達到50%左右），使用壽命105h以上單縱模LDo單縱模LD的獲得n減少腔長：腔的損耗加大，激光器輸出減小n采用掩埋條形：在有源區(qū)邊緣加大對高次模的吸收利用衍射光柵對 波長進行選擇高速調(diào)制困難，不易于集成o動態(tài)單縱模半導(dǎo)體激光器

14、nDFB-LD（分布反饋式半導(dǎo)體激光器）DBR-LD（分布布拉格反射式激光器） 在制造半導(dǎo)體激光器的過程中直接在半導(dǎo)體激光器的波導(dǎo)層上形成衍射光柵DFB激光器oDFB的優(yōu)點n動態(tài)單縱模n譜線窄，波長穩(wěn)定性好 n動態(tài)譜線好n線性好oDBR-LD分布布拉格反射式激光器n激光器的內(nèi)光柵在有源層的兩端LED-半導(dǎo)體發(fā)光二極管o工作原理：當(dāng)注入正向電流時，注入的非平衡載流子在擴散過程中復(fù)合發(fā)光 o特點（與半導(dǎo)體激光器比較）：n無光學(xué)諧振腔n非相干光源，發(fā)光限于自發(fā)輻射，發(fā)射出的是熒光；非閾值電流，輸出功率基本上與注入電流成正比n采用雙異質(zhì)結(jié)，獲得高輻射度p分類 邊發(fā)射二極管 面發(fā)射二極管oLED的工作特

15、性n發(fā)射譜線和發(fā)散角l光譜較寬，光纖色散嚴(yán)重；l 發(fā)散角大（40-10），與光纖的耦合效率較低， 適用于短距離傳輸n P-I曲線線性好 調(diào)制時，動態(tài)范圍大，信號失真小。n響應(yīng)速度:調(diào)制速率低n 熱特性:溫度特性較好，無需溫控電路n 壽命長，可靠性高 目前國產(chǎn)發(fā)光二極管的壽命可以達到3105小時以上 雖然LED的輸出光功率低，光譜較寬，但由于使用簡單，壽命長等優(yōu)點，在中、地速率短距離光纖數(shù)字通信系統(tǒng)和光纖模擬信號傳輸系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用光源的調(diào)制 為了將電信號通過過光波進行傳輸，要求對光源進行調(diào)制 在目前廣泛使用的強度調(diào)制直接檢波光纖通信系統(tǒng)中，實現(xiàn)調(diào)制的方法有兩類o直接調(diào)制 直接在光源上進行調(diào)制

16、，直接調(diào)制LD的注入電流。又稱為內(nèi)調(diào)制。這是目前廣泛采用的調(diào)制方式。o直接調(diào)制方法有三種n模擬強度調(diào)制（AIM）：與基帶傳輸相似n脈位調(diào)制（PPM）：等寬脈沖前后沿位置隨信號大小前后變化，適應(yīng)于光源和檢測管的特性n數(shù)字調(diào)制，如PCM-IM，這是光纖通信最常用的調(diào)制方式o模擬信號的直接調(diào)制 LED的注入電流跟隨反映語音或圖像等模擬量變化，從而使LED的輸出光功率跟隨模擬信號變化o數(shù)字信號的直接調(diào)制 光纖通信系統(tǒng)所傳的信號是一系列“0”“1”數(shù)字信號 對光源進行直接調(diào)制簡單方便，但是，會使動態(tài)譜線增寬，造成傳輸時色散加大，易產(chǎn)生頻率啁啾（光頻隨調(diào)制變化）o間接調(diào)制 在光源外輸出的光路上外加調(diào)制器來

17、對光波進行調(diào)制。又稱為外調(diào)制直接調(diào)制特點直接調(diào)制特點n強度調(diào)制(IM) n只適用于半導(dǎo)體光源n簡單方便，價格便宜，但動態(tài)譜線的展寬嚴(yán)重，不適合高速、長距離傳輸系統(tǒng)。間接調(diào)制特點間接調(diào)制特點n啁啾小，用于大于 2.5 Gb/s 高速率傳輸n線性度較好，可用于要求線性度高模擬信號n有些調(diào)制器呈現(xiàn)偏振相關(guān)性. oM-Z（Mach-Zahnder）外調(diào)制器n3dB耦合器n利用晶體傳輸特性隨電壓變化實現(xiàn)對光波的調(diào)制o電吸收型外調(diào)制器（E-A調(diào)制器）n與LD相反， E-A調(diào)制器采用反向偏壓。光有源區(qū)減小，光衰減增加n優(yōu)點：可與LD集成在一起o調(diào)制的特性n半導(dǎo)體激光器-光通信的理想光源n高速脈沖調(diào)制-瞬態(tài)特

18、性會出現(xiàn)許多復(fù)雜現(xiàn)象 電光延遲 張弛振蕩 自脈動 消光比o電光延遲/張弛振蕩o電光延遲：輸出光脈沖和注入脈沖電流之間存在一個初始延遲時間，稱為電光延遲時間。用td表示，數(shù)量級一般為nso張弛振蕩：當(dāng)電流脈沖注入激光器后，輸出光脈沖會出現(xiàn)幅度逐漸衰減的振蕩， 稱為張弛振蕩 n原因： 注入電流初始偏差量 激光器有源區(qū)的電子自發(fā)復(fù)合壽命 諧振腔內(nèi)光子壽命 通斷電流相差太大n危害 -波形失真 -抽樣判決時增加誤碼率 -最高調(diào)制頻率限制在張弛振蕩頻率以下 -產(chǎn)生碼型效應(yīng)：當(dāng)電光延遲時 間td與數(shù)字調(diào)制的碼元 持續(xù)時間T/2為相同數(shù)量 級時光脈沖“0”碼后第一個 “1”脈沖寬度變窄，幅度減 小“1”碼丟失

19、o碼型效應(yīng)特性n 連“0”碼數(shù)目越多，調(diào)制頻率越高，效應(yīng)越明顯 工作在調(diào)制狀態(tài)LD，電光延遲時間為：tsp有源區(qū)載流子平均壽命、I0偏置電流、Ith閾值電流、Im調(diào)制電流n解決辦法： -加適當(dāng)?shù)钠?，可抑制電光延遲 。當(dāng)I0 Ith時 td0 -減小通斷電流差，抑制張弛振蕩 -用適當(dāng)?shù)摹斑^調(diào)制”補償方法，可以消除碼型效應(yīng)。 -一般通信設(shè)備中常用擾碼或碼型變換等方式減少連“0”碼數(shù)目來避免碼型效應(yīng)thmmspdIIIItt0lno自脈動：在研究激光器的瞬態(tài)性質(zhì)時，某些激光器在某些注入電流下，輸出光出現(xiàn)持續(xù)脈動現(xiàn)象，脈動頻率大約在幾百兆赫茲到2G赫茲的范圍，這種現(xiàn)象稱為自脈動現(xiàn)象。 自脈動現(xiàn)象作為

20、一種高頻干擾嚴(yán)重威脅著激光器的高速脈沖調(diào)制的性能。 o自脈動特性自脈動特性n持續(xù)、等幅、歸零振動n與注入的總電流有關(guān)n與調(diào)制狀態(tài)無關(guān)n振蕩頻率與注入n電流強度成正比n對應(yīng)P-I曲線的扭 曲區(qū)o解決方法：激光器的 選擇o消光比 當(dāng)I0m。變換后碼組比特數(shù)變大，這就使變換后的碼流有了冗余，因此可以在變換后的碼流中傳送與誤碼監(jiān)測有關(guān)的信息；編碼后還可改善定時信號的提取和直流分量的起伏問題。n在光纖通信中常用的是5B6B碼 o5B6B碼 把原始碼流中每5比特分為一組，再將5位碼變換成6位碼n碼組選用l6位碼組中含有三個“0”和三個“1”的平衡碼組共20個。l6位碼組中含有四個“0”和兩個“1”或四個“

21、1”和兩個“0”的不完全平衡碼組各15個。在5B6B碼中只選用了其中的12組。2、插入比特碼 將原始碼流中每m比特劃為一組，在每一組的末尾一位之后插入一個比特碼。o根據(jù)所插入碼的功能，插入比特碼可分為三種型式nmB1P碼 在每m比特后插入一個奇偶校正碼，稱為P碼，以保證每個碼組內(nèi)1碼的個數(shù)為偶數(shù)。nmB1C碼 在每m比特后插入一個反碼（補碼），稱為C碼。如果第m位碼為“1”，則反碼為“0”，反之則為“1”。 根據(jù)C碼的特點，可以進行誤碼監(jiān)測，還可以減少連“0”連“1”的影響nmB1H碼 在每m比特后插入一個混合碼，稱為H碼（Hybird）。這種碼型除了可以完成mB1P碼和mB1C碼的功能外，還可同時用來做幾