光纖通信-04-光源與光發(fā)送機

第4章光源與光發(fā)送機第4章光源與光發(fā)送機光發(fā)送機是光纖通信系統(tǒng)的基本組成部分之一，它的作用是將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并將光信號以最大效率耦合進光纖線路光源是光發(fā)送機的核心器件，是發(fā)光器件光纖通信中應(yīng)用的光源主要有半導(dǎo)體激光器（LD，LaserDiode）半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED，LightEmittingDiode）第4章光源與光發(fā)送機4.1物質(zhì)與光之間的相互作用4.2半導(dǎo)體激光器4.3半導(dǎo)體發(fā)光二極管4.4數(shù)字光發(fā)送機4.1物質(zhì)與光之間的相互作用當(dāng)光進入物質(zhì)時，與物質(zhì)原子之間發(fā)生相互作用這種相互作用導(dǎo)致了光纖的色散和非線性現(xiàn)象這種相互作用中的受激輻射過程是激光器的物理基礎(chǔ)一、原子能級和半導(dǎo)體的能帶根據(jù)現(xiàn)代量子物理學(xué)的觀點，構(gòu)成物質(zhì)的原子的能量只能取一系列分離值也就是說原子的能量狀態(tài)是量子化的，這些分離的能量狀態(tài)稱為能級一、原子能級和半導(dǎo)體的能帶在正常狀態(tài)下，原子處于最低能級，電子在離核最近的軌道上運動的定態(tài)稱為基態(tài)或基能級原子吸收能量后從基態(tài)躍遷到較高能級，電子在較遠的軌道上運動的定態(tài)稱為激發(fā)態(tài)或高能級一、原子能級和半導(dǎo)體的能帶由于半導(dǎo)體光源的材料是單晶體，其內(nèi)部原子是緊密地按一定規(guī)律排列在一起的，并且原子最外層的軌道是相互重疊的，從而使它們的能級形成能帶半導(dǎo)體的能帶由價帶、禁帶和導(dǎo)帶構(gòu)成一、原子能級和半導(dǎo)體的能帶價帶中的電子由于受到緊約束而不能自由運動導(dǎo)帶中的電子則可自由運動，如果有外加電場存在，就可形成電流禁帶是不能為電子所占據(jù)的能量狀態(tài)，禁帶的寬度稱為帶隙能量，用Eg表示一、原子能級和半導(dǎo)體的能帶一般狀態(tài)下，本征半導(dǎo)體的電子和空穴是成對出現(xiàn)的，用費米能級Ef

位于禁帶中央來表示在N型半導(dǎo)體中，Ef

增大，導(dǎo)帶的電子增多，價帶的空穴相對減少在P型半導(dǎo)體中，Ef

減小，導(dǎo)帶的電子減少，價帶的空穴相對增多二、光與物質(zhì)的相互作用光具有波粒二象性一方面光是電磁波，有確定的波長和頻率，具有波動性，會產(chǎn)生反射、折射、衍射、干涉、偏振等，電磁波滿足電磁波方程即麥克斯韋方程另一方面，和所有運動的粒子一樣，光具有能量、動量和質(zhì)量，也能產(chǎn)生壓力，即光是由大量光子構(gòu)成的光子流，每個光子都有一定的能量E，具有粒子性光子能量與光波頻率之間的關(guān)系是h=6.626×10-34

J·s（焦耳·秒），稱為普朗克常數(shù)二、光與物質(zhì)的相互作用物質(zhì)可以發(fā)光，光也可以被物質(zhì)吸收光的吸收與發(fā)射和物質(zhì)內(nèi)部能量狀態(tài)的變化有關(guān)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發(fā)射二、光與物質(zhì)的相互作用研究發(fā)現(xiàn)：光與物質(zhì)原子的電子有三種相互作用機制，分別是自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收二、光與物質(zhì)的相互作用自發(fā)輻射高能級E2上的電子不穩(wěn)定，即使沒有外界的作用，也會自發(fā)地躍遷到較低能級E1上，并釋放出一個能量為hf=E2-E1的光子自發(fā)輻射由于是完全隨機的，所產(chǎn)生的光子在相位、偏振和傳播方向上是隨機的，輸出的光是非相干光半導(dǎo)體發(fā)光二極管就是基于自發(fā)輻射發(fā)光機制的發(fā)光器件二、光與物質(zhì)的相互作用受激輻射在高能級E2上的電子，受到入射光的作用，由高能級躍遷到低能級上，并釋放一個能量為hf=E2-E1的全同光子全同光子是指受激輻射產(chǎn)生的與入射光子的能量、相位、偏振和傳播方向完全相同的光子半導(dǎo)體激光器就是基于受激輻射發(fā)光機制的發(fā)光器件二、光與物質(zhì)的相互作用受激吸收當(dāng)外界入射光子能量hf近等于能級E1與E2能量差時，電子就吸收光子，由E1躍遷到E2能級半導(dǎo)體光檢測器就是基于受激吸收工作的光電器件三、激光器的工作原理盡管激光器有各種各樣形式的不同，但各種激光器產(chǎn)生激光的基本工作原理相同1．粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布在熱平衡狀態(tài)下，高能級上的電子數(shù)N2總是比低能級上的電子數(shù)N1少這種電子數(shù)的分布狀態(tài)稱為粒子數(shù)的正常分布狀態(tài)大部分入射光子被吸收掉，以至于受激輻射實際上可以忽略不計1．粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布在同一物質(zhì)內(nèi)，光和物質(zhì)相互作用的三個過程是同時存在的為了使物質(zhì)發(fā)光，就必須使其內(nèi)部的自發(fā)輻射或受激輻射的幾率大于受激吸收的幾率，這就要求高能級上的電子數(shù)多于低能級上電子數(shù)，這種電子數(shù)的分布狀態(tài)稱為“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布”狀態(tài)由于這是一種非平衡狀態(tài)，因此需要通過各種“泵浦”（激勵）技術(shù)來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)1．粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布在外界足夠強的激勵源（泵浦源）作用下，能夠形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的物質(zhì)，稱為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)可以利用適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體材料作為激光工作物質(zhì)（激活物質(zhì)）制造出半導(dǎo)體光源1．粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布半導(dǎo)體激光器通常采用外加正向電壓激勵形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布2．激光器的構(gòu)成和工作原理激光器是一種光自激振蕩器。包括：產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)（激活物質(zhì)）。也就是處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的發(fā)光物質(zhì)，是激光器的組成核心，產(chǎn)生激光的必要條件。工作物質(zhì)可以是氣體、液體或固體。半導(dǎo)體激光器的工作物質(zhì)是半導(dǎo)體材料。能夠使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的激勵源（泵浦源）。能夠完成頻率選擇及正反饋作用的光學(xué)諧振腔，形成激光振蕩，輸出激光最為常見的諧振腔是法布里－帕羅（F-P，F(xiàn)abry-Perot）諧振腔2．激光器的構(gòu)成和工作原理兩個反射鏡組成的光諧振腔其中一個反射鏡（M1）要求有100％的反射率另一個（M2）要有95％左右的反射率兩個面對面的反射鏡來實現(xiàn)光的反饋放大，使其產(chǎn)生振蕩100%反射率95%反射率正反饋2．激光器的構(gòu)成和工作原理兩個反射鏡之間是工作物質(zhì)，工作物質(zhì)在泵浦源的激發(fā)下，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，構(gòu)成有源區(qū)由于高能級上的粒子不穩(wěn)定，會自發(fā)向低能級躍遷，并釋放一個能量為Eg的光子2．激光器的構(gòu)成和工作原理這些自發(fā)輻射的光子在運動過程中，又會激發(fā)高能級上的粒子，從而引起受激輻射，釋放出與激光光子全同的光子，使光得到放大，當(dāng)達到一定強度后，就從部分反射鏡出射，形成激光3．激光的產(chǎn)生條件激光器并不是在任何情況下都可以產(chǎn)生激光，還要滿足一定的振幅平衡和相位平衡條件振幅平衡條件即是閾值條件，是光的放大和損耗應(yīng)滿足的平衡條件將激光器能產(chǎn)生激光振蕩的最低限度稱為激光器的閾值條件激光器的閾值條件決定于光學(xué)諧振腔的固有損耗損耗越小，激光器就越容易起振3．激光的產(chǎn)生條件在諧振腔中，光波在兩塊反射鏡之間往復(fù)傳輸，只有在滿足特定相位的駐波才能得到彼此加強，這種條件稱為相位條件只有那些與諧振腔軸平行，且往返一次的相位差等于2π的整數(shù)倍的光才能相干增強，形成正反饋，使光波加強設(shè)諧振腔的長度為L，則諧振腔的諧振條件（或稱駐波條件）為縱模序數(shù)3．激光的產(chǎn)生條件由于受激輻射只在腔軸方向（縱向）形成駐波，因此稱為縱模不同的q值對應(yīng)于諧振腔縱方向不同的電磁場分布狀態(tài)，一種分布就是一個激光器的縱模相鄰兩個縱模的頻率間隔是一樣的，為，但其對應(yīng)的光強不同，L越大，縱模間距越小3．激光的產(chǎn)生條件顯然，諧振腔內(nèi)產(chǎn)生的駐波數(shù)（即縱模數(shù)）q不同，可得到不同的光波長（或頻率），即有無窮多個諧振頻率具有多個頻率（縱模）的激光器稱為多縱模激光器4.2半導(dǎo)體激光器用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器，稱為半導(dǎo)體激光器（LD），在光纖通信系統(tǒng)中，使用的激光光源幾乎都是半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的輸出光具有強單色性，而且光束具有很好的方向性半導(dǎo)體激光器的典型響應(yīng)時間小于1ns，光譜帶寬小于或等于2nm，并且它們可以和具有小芯徑和小模場直徑的光纖實現(xiàn)耦合，注入光纖的功率可達到幾十毫瓦一、半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的受激輻射光是由電子在價帶與導(dǎo)帶之間連續(xù)分布的能級間躍遷產(chǎn)生的可以采用法布里－帕羅（F-P）諧振腔結(jié)構(gòu)不過，在半導(dǎo)體激光器中，這種諧振腔要小得多一、半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)其長度約為200~500μm、寬度為5~15μm、厚度為0.1~0.2μm一、半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)法布里－帕羅腔半導(dǎo)體激光器的核心是PN結(jié)，PN結(jié)的兩個端面是按照晶體的天然晶面剖切開的，表面非常光滑，成為兩個平行的鏡面，稱為解理面兩個解理面之間組成一個光學(xué)諧振腔，即法布里－帕羅腔（F-P腔）其作用是提供強的縱向光反饋，得到激光激光器諧振腔可能會有許多諧振頻率，但僅有那些增益足以克服損耗的頻率振蕩得以輸出一、半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器LD按縱向（垂直于PN結(jié)）結(jié)構(gòu)的不同，可分為同質(zhì)結(jié)LD、單異質(zhì)結(jié)LD和雙異質(zhì)結(jié)LD一、半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)由同一種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的同質(zhì)結(jié)中，在PN結(jié)的兩邊光發(fā)射都可以發(fā)生，因此，發(fā)光不集中，強度低，需要較大的注入電流通過加強結(jié)區(qū)的光波導(dǎo)作用及對載流子的限定作用，可采用由帶隙及折射率都不同的兩種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的PN結(jié)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)實際使用的所有半導(dǎo)體激光器都是多層異質(zhì)結(jié)器件二、半導(dǎo)體激光器的特性半導(dǎo)體激光器仍然屬于半導(dǎo)體二極管，具有二極管的一般特性（如伏安特性）還具有特殊的光頻特性1．激光器的P-I特性激光器的P-I特性曲線表明激光器輸出光功率（輸出）與注入電流（輸入）變化的關(guān)系閾值2．激光器效率可用功率轉(zhuǎn)換效率和量子效率衡量激光器轉(zhuǎn)換效率的高低外微分量子效率ηd是用來衡量激光器的電／光轉(zhuǎn)換效率高低的一個參量，其定義為：激光器輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量之比2．激光器效率功率轉(zhuǎn)換效率ηp是用來衡量激光器的電／光轉(zhuǎn)換效率高低的另一個參量，其定義為：激光器的輸出光功率與器件消耗的電功率之比激光器發(fā)射的光功率注入電流激光器的結(jié)電壓3．光譜特性半導(dǎo)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因此，激光器輸出的是一系列模式明確，譜寬很窄，功率不同的尖銳的譜線，稱為激光器的縱模3．光譜特性當(dāng)注入電流低于閾值時，發(fā)射光譜以自發(fā)輻射為主，發(fā)出的是熒光當(dāng)注入電流大于閾值后，諧振腔里的增益大于損耗，產(chǎn)生激光振蕩，其發(fā)射光譜變窄，譜線中心強度急劇增加3．光譜特性激光器產(chǎn)生的激光有單模和多模單模激光器（SLM）是指激光器發(fā)出的激光是單縱模，所對應(yīng)的光譜只有一個譜線當(dāng)有很多譜線時，即為多縱模激光器（MLM）3．光譜特性所謂光譜特性是指激光器輸出的光功率隨波長的變化情況，一般用光源譜線寬度來表示，激光器的越小越好對于多縱模激光器，線寬可用半高全寬光譜寬度來度量一般含有3~5個縱模，對應(yīng)的線寬為3~5nm對于單縱模激光器，則以光功率峰值下降到20dB時的功率點對應(yīng)的寬度評定約為0.1nm，甚至更小4．溫度特性半導(dǎo)體激光器的閾值電流、輸出光功率和輸出光波波長隨溫度變化的特性稱為溫度特性雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體條形激光器的溫度特性曲線如圖5．啁啾單縱模激光器在高速直接調(diào)制（強度調(diào)制）時，注入有源層的電子密度不斷變化，導(dǎo)致折射率的變化，而且使激光器的輸出波長和強度都發(fā)生變化，在調(diào)制脈沖的上升沿向短波長漂移，在調(diào)制脈沖的下降沿向長波長漂移，從而使輸出譜線加寬，這種動態(tài)譜線加寬現(xiàn)象叫做啁啾5．啁啾啁啾的存在使得光信號的頻譜大大展寬，成為制約光纖高速傳輸?shù)囊粋€關(guān)鍵因素解決頻率啁啾問題的方法包括對注入電流脈沖形狀的控制、注入鎖模、采用耦合腔半導(dǎo)體激光器等最直接的方法就是設(shè)計出具有較小線寬展寬因子的激光器，如采用量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計采用外調(diào)制器的方法，可根本消除調(diào)制引起的頻率啁啾三、新型半導(dǎo)體激光器為了提高光源的調(diào)制速率和減小模分配噪聲，通常希望LD單縱模輸出LD的輸出光譜寬度和模式特性與其光增益譜分布和選模機制有關(guān)F-P腔激光器由于諧振腔的長度較長，導(dǎo)致縱模間隔小，相鄰縱模間的增益差別小，因此要得到單縱模振蕩非常困難1．分布反饋DFB激光器分布反饋DFB激光器與F-P激光器的主要區(qū)別在于它不需要解理面進行光反饋其反射機構(gòu)是由有源區(qū)波導(dǎo)上的Bragg光柵提供，因為光柵具有很好的選頻功能，DFB具有非常好的單色性和方向性，成為一種性能很好的激光器1．分布反饋DFB激光器DFB激光器就是在條形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，用光刻技術(shù)將有源層刻成波紋光柵形式1．分布反饋DFB激光器DFB利用光柵的二次選頻功能，滿足布拉格條件的光波在有源區(qū)傳播過程中沿途不斷地經(jīng)歷反射、疊加，不斷得到放大加強，而不滿足條件的光波得不到放大，很快衰減掉其中，光柵起到一個分布式濾波器的作用，其選頻的中心波長λB為1．分布反饋DFB激光器DFB激光振蕩波長完全取決于光柵波紋的周期，可通過改變光柵的周期來調(diào)整激光器的輸出波長DFB激光器的發(fā)射光譜主要由光柵周期Λ決定Λ相當(dāng)于F-P激光器的腔長L，每一個Λ形成一個微型諧振腔由于Λ的長度很小，所以波長間隔比F-P腔大得多，加之多個微型腔的選模作用，很容易設(shè)計成單縱模激光器DFB激光器也比F-P激光器有更好的線性響應(yīng)2．分布布拉格反射DBR激光器分布布拉格反射DBR激光器也是基于光柵的布拉格反射條件工作的，其結(jié)構(gòu)與DFB激光器類似反饋作用反射作用3．量子阱QW激光器量子阱（QW，QuantumWell）激光器與一般雙異質(zhì)結(jié)激光器類似，只是有源區(qū)的厚度很薄，在10nm左右，屬于雙異質(zhì)結(jié)器件采用先進的半導(dǎo)體材料外延生長工藝（如分子束外延生長工藝），將厚度僅為幾十個原子層的半導(dǎo)體發(fā)光材料（作為量子阱）交替生長在光限制材料（作為量子勢壘）之間，使其產(chǎn)生量子限制效應(yīng)3．量子阱QW激光器有源層與兩邊相鄰層的能帶不連續(xù)，在有源層的異質(zhì)結(jié)上出現(xiàn)導(dǎo)帶和價帶的突變，這樣窄帶隙的有源區(qū)為導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴創(chuàng)造了一個勢能阱，將載流子限制在很薄的有源區(qū)內(nèi)，使有源區(qū)內(nèi)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)濃度非常高3．量子阱QW激光器量子阱激光器有單量子阱（SQW）激光器和多量子阱（MQW）激光器多量子阱激光器有相對較好的光模式限制特性，所以其電流密度的閾值相對較低輸出波長可以通過調(diào)整有源層厚度d來改變量子阱激光器能在較低的電流驅(qū)動下就產(chǎn)生較強的激光，從而降低溫度對激光器性能的影響，使之能在較高的溫度下正常工作4．垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL，VerticalCavitySurfaceEmittingLaser）是一種電流和發(fā)射光束方向都與芯片表面垂直的激光器垂直腔結(jié)構(gòu)對于二維應(yīng)用具有很好的靈活性與光纖耦合具有較高的耦合效率在平行光信息處理及廣互聯(lián)等新光電子領(lǐng)域十分引入注目4．垂直腔面發(fā)射激光器VCSELVCSEL由有源區(qū)、限制區(qū)和布拉格反射鏡組成，結(jié)構(gòu)通常是上下兩塊反射鏡中間夾著有源區(qū)4.3半導(dǎo)體發(fā)光二極管在光纖通信中使用的光源，除了半導(dǎo)體激光器（LD）外，還有半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）LED沒有光學(xué)諧振腔，是無閾值器件，基于自發(fā)輻射而工作，發(fā)出的是熒光光譜線寬度比LD的譜線寬度要寬，因而色散較大，傳輸帶寬小，發(fā)出的功率小但是LED的結(jié)構(gòu)比較簡單，價格低，發(fā)射功率與溫度的關(guān)系小，性能較穩(wěn)定，因此在小容量、短距離的光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用一、半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)用于光纖通信系統(tǒng)的發(fā)光二極管有兩種基本結(jié)構(gòu)，面發(fā)光二極管（SLED）也稱為Burrus或前發(fā)射邊發(fā)光二極管（ELED）面發(fā)光二極管面發(fā)光二極管中，有源發(fā)光面與光纖軸垂直面發(fā)光二極管發(fā)出的光束是各向同性的，總的半功率光束寬度為120°邊發(fā)光二極管邊發(fā)光二極管由一個有源結(jié)區(qū)和兩個導(dǎo)光層組成導(dǎo)光層的折射率比有源區(qū)的折射率低，但比周圍材料的折射率高，從而形成一個波導(dǎo)通道，使輻射光的方向朝向光纖的纖芯邊發(fā)光二極管邊發(fā)光二極管的條形接觸面的寬度一般為50~70μm之間有源區(qū)的長度通常在100~150μm之間邊發(fā)光二極管比面發(fā)光二極管具有更好的方向性，與光纖的耦合效率更高，發(fā)光亮度要大二、半導(dǎo)體發(fā)光二極管的工作特性1．P-I特性2．光譜特性3．調(diào)制特性1．P-I特性LED是無閾值器件，加上電流后，即有輸出光，且隨著注入電流的增加，輸出光功率近似呈線性增加當(dāng)注入電流較大時，由于PN結(jié)的發(fā)熱而出現(xiàn)飽和現(xiàn)象LED的工作電流通常為50~100mA，輸出功率約為幾毫瓦，由于光束輻射角大，入纖光功率只有幾百微瓦2．光譜特性LED是自發(fā)輻射光源，譜線寬度?λ比LD寬得多譜線寬度?λ定義為輻射光強下降一半的兩點間波長變化值在短波長范圍內(nèi)，LED線寬?λ的典型值為25~40nm在長波長1310~1550nm波段，線寬?λ的典型值為50~100nm3．溫度特性溫度特性主要影響LED的輸出光功率、P-I特性的線性及工作波長當(dāng)溫度上升時，LED的輸出光功率會下降，例如當(dāng)溫度從20°C提高到70°C時，輸出功率將下降約一半，但相對LD而言，溫度的影響較小溫度上升還將導(dǎo)致線性工作區(qū)變窄，電路噪聲增加，系統(tǒng)性能下降，峰值工作波長向長波長方向漂移，附加損耗增大三、半導(dǎo)體光源的應(yīng)用LED與LD相比，LED輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低但LED性能穩(wěn)定，壽命長，可達到3×105

小時以上，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LED通常和多模光纖耦合，用于1310nm或850nm波長的小容量、短距離的光通信系統(tǒng)LD通常和單模光纖耦合，用于1310nm或1550nm大容量、長距離光通信系統(tǒng)4.4數(shù)字光發(fā)送機目前的光纖通信系統(tǒng)大多采用傳輸數(shù)字信號的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)數(shù)字光發(fā)送機是數(shù)字光纖通信系統(tǒng)基本組成部分之一，其主要作用是將電端機送來的數(shù)字信號變換為光信號，并耦合進光纖線路中進行傳輸光發(fā)送機中的光源是整個系統(tǒng)的核心器件光源的調(diào)制速率、譜線寬度、輸出光功率和光束方向性等性能直接影響光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量和傳輸距離一、光源的調(diào)制方式電／光轉(zhuǎn)換是用承載信息的數(shù)字電信號對光源進行調(diào)制來實現(xiàn)的對半導(dǎo)體光源的調(diào)制有兩種方法一類是直接調(diào)制，又稱為內(nèi)調(diào)制另一類是間接調(diào)制，又稱外調(diào)制1．直接調(diào)制直接調(diào)制是通過信息流直接控制激光器的驅(qū)動電流，從而實現(xiàn)輸出功率的變化來實現(xiàn)調(diào)制，也稱為強度調(diào)制（IM，IntensityModulation）直接調(diào)制具有簡單方便等優(yōu)點，但調(diào)制速率受到載流子壽命及高速下的性能劣化的限制（如頻率啁啾等）直接調(diào)制方法僅適用于半導(dǎo)體光源（LD和LED）1．直接調(diào)制直接光強度數(shù)字調(diào)制的原理：通過注入電流來實現(xiàn)光強度調(diào)制2．間接調(diào)制間接調(diào)制是指激光形成之后，在激光器外的光路上放置光調(diào)制器，用調(diào)制信號改變光調(diào)制器的物理特性，當(dāng)激光通過調(diào)制器時，就會使光波的某參量受到調(diào)制電信號不再是直接加在激光光源上，而是加在光源輸出通路上外加的外調(diào)制器的電極上，從而把來自激光二極管的連續(xù)光波轉(zhuǎn)換成為一個隨電信號變化的光輸出信號2．間接調(diào)制直接調(diào)制會引入頻率啁啾，即光脈沖的載頻隨時間變化由于帶啁啾的光脈沖在光纖中傳輸時會加劇色散展寬，所以在高速系統(tǒng)中需要采用外調(diào)制技術(shù)此外相干光通信系統(tǒng)也需要采用間接調(diào)制商用化的外調(diào)制器一般作為一個單獨的器件或作為一個部件集成到激光器封裝中2．間接調(diào)制光信號間接調(diào)制是利用一些材料的電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)和電吸收效應(yīng)使輸出光的強度等參數(shù)隨電信號而變，達到調(diào)制的目的目前光通信中實用的調(diào)制器主要有兩種：一種是M-Z（Mach-Zehnder）波導(dǎo)調(diào)制器另一種是電吸收調(diào)制器M-Z調(diào)制器M-Z調(diào)制器用電光材料制作，如LiNbO3

輸入光信號在第一個3dB耦合器處被分成相等的兩束，分別進入兩波導(dǎo)傳輸波導(dǎo)采用電光材料制成，其折射率隨外部施加的電壓大小而變化，從而導(dǎo)致兩路光信號到達第二個耦合器的相位延時不同M-Z調(diào)制器如果兩束光的光程差是波長的整數(shù)倍，兩束光相干加強如果兩束光的光程差是波長的一半，兩束光相干抵消，調(diào)制器輸出很小因此，只要控制外加電壓，就能對光束進行調(diào)制電吸收調(diào)制器電吸收調(diào)制器（EAM，Electro-absorptionModulator）是一種損耗調(diào)制器，為半導(dǎo)體結(jié)型器件當(dāng)外加反向偏置時，耗盡層的電場引起帶隙能量（Eg）減少，即所謂Franz-Keldysh效應(yīng)，利用這個效應(yīng)可以改變光束的通斷電吸收調(diào)制器由于能量低于帶隙能量的光子可以通過半導(dǎo)體，而能量高于帶隙能量的光子將被吸收并產(chǎn)生自由電子－空穴對當(dāng)EAM無偏壓時，帶隙能量較大，光子通過，輸出功率最大當(dāng)EAM外加反向偏壓，將減小帶隙能量，原來可傳輸波長的光子將被吸收，輸出功率最小，從而實現(xiàn)調(diào)制電吸收調(diào)制器電吸收式調(diào)制器可以制成分立器件，通過對接耦合或者光纖與半導(dǎo)體激光器連接EAM也很容易與激光器（通常是DFB型LD）集成在一起，制成體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的單片集成組件，這樣可以獲得較低的連接損耗，所需的驅(qū)動電壓也更低控制EAM的電壓有兩種狀態(tài)：零電壓時對應(yīng)于傳輸，而加一個小的（在1.5V左右）反向電壓則對應(yīng)于吸收電吸收調(diào)制器EAM可以適應(yīng)10Gb/s甚至40Gb/s的系統(tǒng)，其插入損耗在10dB左右，這一損耗可以通過與調(diào)制器集成在同一襯底的光放大器來補償EAM的頻率啁啾比M-Z調(diào)制器更大，一般不用于傳輸距離特別長的高速率海纜系統(tǒng)當(dāng)利用G.652光纖時，對2.5Gb/s系統(tǒng)，EAM的傳輸距離可達到600km二、數(shù)字光發(fā)送機的基本組成在光纖通信系統(tǒng)中，光發(fā)送機的作用是將輸入電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并用耦合技術(shù)把光信號有效注入光纖傳輸采用直接調(diào)制（IM）的光發(fā)送機主要包括：輸入電路（輸入盤）電／光轉(zhuǎn)換電路（發(fā)送盤）1．輸入電路各部分功能均衡器的作用是對由PCM電端機送來的HDB3碼（HighDensityBipolaroforder3code，又稱三階高密度雙極性碼）或CMI（CodedMarkInversion，又稱信號反轉(zhuǎn)碼）碼流進行均衡，用以補償由電纜傳輸所產(chǎn)生的衰減和畸變，保證電、光端機（發(fā)送機和接收機統(tǒng)稱端機）間信號的幅度、阻抗適配，以便正確譯碼1．輸入電路各部分功能PCM電端機送來的HDB3或CMI碼并不適合在光纖通信系統(tǒng)中傳輸，需要碼型變換并且HDB3或CMI線路碼是雙極性碼，在光纖系統(tǒng)中不宜使用，需要將其變成適合于光纖線路中傳輸?shù)膯螛O性碼。這樣經(jīng)譯碼后，還原為原來的二進制代碼1．輸入電路各部分功能譯碼獲得的NRZ二進制信號不直接送光發(fā)送電路進行光驅(qū)動加擾碼電路可有規(guī)律地破壞長連“0”和長連“1”的碼流，從而使“0”、“1”等概率出現(xiàn)1．輸入電路各部分功能線路編碼的作用提取定時信息誤碼檢測能力線路編碼將改變線路的傳輸速率1．輸入電路各部分功能由于碼型和擾碼都需要以時鐘信號為基礎(chǔ)，因此，在均衡電路之后，由時鐘提取電路提取出時鐘信號，供給碼型變換、擾碼電路和線路編碼使用2．電／光轉(zhuǎn)換電路各部分的功能電／光轉(zhuǎn)換電路（發(fā)送盤）主要完成將電信號轉(zhuǎn)換成光信號，并將光信號送入光纖主要由驅(qū)動電路、自動功率控制電路和自動溫度控制電路和保護電路組成2．電／光轉(zhuǎn)換電路各部分的功能光源驅(qū)動電路（又稱為調(diào)制電路）是電／光轉(zhuǎn)換電路的核心2．電／光轉(zhuǎn)換電路各部分的功能自動功率控制電路APC的功能是自動跟蹤光功率輸出的變化，相應(yīng)地改變LD的偏置電流和調(diào)制電流，使光功率輸出保持恒定2．電／光轉(zhuǎn)換電路各部分的功能LD的特性對溫度極為敏感，對于功率要求高穩(wěn)定的場合，僅有APC電路是不夠的，還必須有自動溫度控制電路ATCATC就是保持LD的工作溫度基本恒定，不受外界溫度變化和LD本身結(jié)發(fā)熱效應(yīng)的影響，可大大提高LD的穩(wěn)定性和使用壽命ATC一般由致冷器、熱敏電阻和控制電路組成2．電／光轉(zhuǎn)換電路各部分的功能ATC電路在設(shè)定溫度（例如20°C）時，調(diào)節(jié)R3使電橋平衡，A、B兩點沒有電位差，傳輸?shù)竭\算放大器A的信號為零，流過致冷器TEC的電流也為零2．電／光轉(zhuǎn)換電路各部分的功能實用的光發(fā)送機還應(yīng)考慮各種保護、告警和監(jiān)測的需要，增設(shè)其它電路比如，光發(fā)送機電路出現(xiàn)故障，或輸入信號中斷，或激光器失