第三章光發(fā)射機(jī)1

第三章：光發(fā)送機(jī)劉建國中國科學(xué)院大學(xué)光纖通信鏈路光發(fā)送機(jī)中繼器光放大器光接收機(jī)光源光纖光纖光纖信源信宿電信號(hào)光信號(hào)內(nèi)容提要光發(fā)送機(jī)光源（LED&LD)LD動(dòng)態(tài)特性與調(diào)制光發(fā)送機(jī)將數(shù)字或者模擬電信號(hào)加載到光波上，并耦合進(jìn)光纖中進(jìn)行傳輸核心器件：光源、調(diào)制器正面背面機(jī)柜和機(jī)架設(shè)備的規(guī)格與標(biāo)準(zhǔn)美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）制定的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜的“19英寸”表示機(jī)柜中安置的機(jī)架式設(shè)備的寬度機(jī)柜內(nèi)設(shè)備安裝所占高度用一個(gè)特殊單位“U”表示；使用19寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜的設(shè)備面板一般都是按nU的規(guī)格制造。1U=44.45mm=1.75英寸沒有1U的機(jī)柜,只有1U的設(shè)備,機(jī)柜6U--47U不等；例如，一臺(tái)42U的機(jī)柜理論上可以安裝42臺(tái)1U高的設(shè)備，但實(shí)際一般放10-20個(gè)正常,因?yàn)樗麄冎g需要間隔散熱光發(fā)送機(jī)基本結(jié)構(gòu)防止LD輸出的激光反射，實(shí)現(xiàn)光的單向傳輸保持光源恒定的溫度，保證激光參數(shù)的穩(wěn)定性（波長）使光源有恒定的光輸出功率數(shù)字或模擬電信號(hào)微波/電接口驅(qū)動(dòng)電路調(diào)制器光隔離器光源功控溫控光發(fā)射機(jī)光發(fā)送機(jī)中的自動(dòng)溫度控制電路激光器的溫度主要影響發(fā)射波長控制精度達(dá)到0.01oC波長穩(wěn)定性達(dá)到200MHz/24小時(shí)激光器熱導(dǎo)制冷器熱敏電阻溫度控制電路光發(fā)送機(jī)中的自動(dòng)功率控制電路由光檢測器來感應(yīng)激光器后端面輻射光功率的變化，并與參考功率相比較，然后根據(jù)比較結(jié)果自動(dòng)調(diào)整直流偏置電流，最終使光功率峰值保持為一個(gè)穩(wěn)定值。激光器熱導(dǎo)制冷器熱敏電阻溫度控制電路PD自動(dòng)功率控制（APC）電路偏置電流高精度溫控與低溫波恒流流源優(yōu)點(diǎn)：高電流穩(wěn)定度：紋波在μA量級(jí)。高精度溫控：精度在0.001℃量級(jí)。自動(dòng)保護(hù)功能：激光器短路保護(hù)，反接保護(hù)，慢啟動(dòng)保護(hù)，TEC短路保護(hù)，防浪涌保護(hù)。操作簡便：人性化控制面板設(shè)計(jì)參數(shù)名稱特性指標(biāo)輸出電流量程100mA/300mA可選調(diào)諧精度0.01mA電流紋波<1μA溫控范圍10℃—40℃溫控精度0.001℃功耗小于15W外接電源220V儲(chǔ)存溫度-40~85℃工作溫度-20~65℃TEC工作電壓5V

激光器保護(hù)短路保護(hù)緩啟動(dòng)保護(hù)反接保護(hù)TEC短路保護(hù)防浪涌保護(hù)光纖通信對光源的要求波長準(zhǔn)：窗口之內(nèi)，符合ITU標(biāo)準(zhǔn);功率高：以滿足系統(tǒng)對光中繼段距離的要求;高可靠：壽命長，可靠性高;單縱模：以減少光纖的材料色散；噪聲低:以提高模擬調(diào)制系統(tǒng)的信噪比;高線性:以保證模擬調(diào)制不失真。。。。。。。最常用的光源光纖通信中最常用的光源是:

半導(dǎo)體激光器（LD

LaserDiode） 發(fā)光二極管（LEDLightEmittingDiode）尤其是單縱模（或單頻）LD，在高速率、大容量的數(shù)字光纖系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用；近年來逐漸成熟的波長可調(diào)諧激光器是多信道WDM光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，越來越受到人們的關(guān)注。pn-junction物理基礎(chǔ) 原子的能級(jí)、能帶以及電子躍遷 自發(fā)輻射與受激輻射能級(jí)(孤立原子）

能級(jí)理論是一種解釋原子核外電子運(yùn)動(dòng)軌道的一種理論。它認(rèn)為電子只能在特定的、分立的軌道上運(yùn)動(dòng)，各個(gè)軌道上的電子具有分立的能量，這些能量值即為能級(jí)。原子核電子高能級(jí)低能級(jí)電子優(yōu)先搶占低能級(jí)N=4N=9能帶(晶體，大量原子陣列）能帶理論

能帶結(jié)構(gòu)由多條能帶組成，能帶分為傳導(dǎo)帶（簡稱導(dǎo)帶）、價(jià)電帶（簡稱價(jià)帶）和禁帶能帶結(jié)構(gòu)可以解釋導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體三大類區(qū)別的由來討論：金屬，半導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別？As+4As+5非本征半導(dǎo)體材料：n型摻入第V族元素(如磷P,砷As,銻Sb)后，某些電子受到很弱的束縛，只要很少的能量DED(0.04~0.05eV)就能讓它成為自由電子。這個(gè)電離過程稱為雜質(zhì)電離。施主雜質(zhì)非本征半導(dǎo)體材料：p型摻入第III族元素(如硼B(yǎng),銦In,鎵Ga,鋁Al)，晶體只需要很少的能量DEA<Eg

就可以產(chǎn)生自由空穴B受主雜質(zhì)PN結(jié)濃度的差別導(dǎo)致載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),平衡時(shí)，中間形成一個(gè)特殊的區(qū)域-pn結(jié)，它阻擋了載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，因此也稱為耗盡區(qū)。討論：什么是PN結(jié)？

反向偏壓反向偏壓使耗盡區(qū)加寬擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被抑制，只存在少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)Un型p型耗盡層耗盡層

正向偏壓正向偏壓使耗盡區(qū)變窄,使得多數(shù)載流子在結(jié)區(qū)擴(kuò)散Un型p型耗盡層耗盡層導(dǎo)致p型（或者n型）內(nèi)的少數(shù)載流子濃度大大增加。與多數(shù)載流子的復(fù)合是產(chǎn)生光輻射的機(jī)理。電致發(fā)光正向偏壓使pn節(jié)形成一個(gè)增益區(qū)：-導(dǎo)帶主要是電子，價(jià)帶主要是空穴，實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)-大量的導(dǎo)帶電子和價(jià)帶的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射光pn外加正偏壓注入載流子粒子數(shù)反轉(zhuǎn)載流子復(fù)合發(fā)光hv直接帶隙：導(dǎo)帶的最低位置位于價(jià)帶最高位置的正上方；電子空穴復(fù)合伴隨光子的發(fā)射。III-V族元素的合金，典型的如GaAs等。間接帶隙：導(dǎo)帶的最低位置不位于價(jià)帶最高位置的正上方；電子空穴復(fù)合需要聲子的參與，聲子振動(dòng)導(dǎo)致熱能，降低了發(fā)光量子效率。發(fā)光材料的選擇討論：什么是直接帶隙、間接帶隙？輻射與躍遷

hE2E1自發(fā)輻射E2E1受激吸收hhE2E1受激輻射hh發(fā)光二極管光電二極管激光器電子可以在不同的軌道間發(fā)生躍遷，電子吸收能量可以從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)或者從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)從而輻射出光子自發(fā)輻射

處于高能級(jí)的粒子，各自分別發(fā)射頻率ν=(E2-E1)/h的光波只與原子本身的性質(zhì)有關(guān)，與外界存在的光子數(shù)無關(guān)各個(gè)處于高能級(jí)的粒子都是自發(fā)地、獨(dú)立地進(jìn)行躍遷，其輻射光子的頻率不同，所以自發(fā)輻射的光的頻率范圍很寬自發(fā)輻射光是由不同頻率、不同相位、不同偏振方向的光子組成，是非相干光，各光子彼此無關(guān)hE2E1自發(fā)輻射受激輻射

處于高能級(jí)E2的粒子受到光子能量為hν的光照射時(shí)，粒子會(huì)由于這種入射光的刺激而發(fā)射出與入射光一模一樣的光子，并躍遷到低能級(jí)E1上。出射光與入射光具有相同的波長、相位、偏振和傳播方向hE2E1受激輻射hh光源

發(fā)光二極管LED與激光器laserhE2E1自發(fā)輻射hE2E1受激輻射hh發(fā)光二極管激光器LED

LED原理

LED特點(diǎn)

LED小結(jié)發(fā)光二極管LED

基本原理：外加電場實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，

大量電子-空穴對的自發(fā)復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光pnLEDiV+-基本結(jié)構(gòu)

面發(fā)光型（SLED），邊發(fā)射型（ELED）面發(fā)射LED

P(q)=P0cosq載流子注入25mm2.5mm朗伯光半功率光束寬度120?優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)電流小，成本低缺點(diǎn)：發(fā)散角大，耦合效率低邊發(fā)射LED

優(yōu)點(diǎn)：與面發(fā)光LED比，光出射方向性好缺點(diǎn)：需要較大的驅(qū)動(dòng)電流、發(fā)光功率低載流子注入50~70mm100~150mm30o120oLED的P-I特性

無閾值LED的光譜特性

自發(fā)輻射，譜線較寬，幾十到上百nm隨著溫度升高或驅(qū)動(dòng)電流增大，譜線加寬，且峰值波長向長波長方向移動(dòng)LED的溫度特性隨溫度升高，量子效率降低，無閾值。OpticalPowerOpticalPowerOutput111100InputCurrent(Signal)ttLED數(shù)字調(diào)制SignalLEDiLED模擬調(diào)制iisIdcBiasSignalLEDOpticalPowerOpticalPowerInputCurrent(Signal)ttPdcIdciPspIsp0LED模擬調(diào)制原理圖LED模擬調(diào)制SourceBandwidthConstraintsThelightsourcelimitsthehighestmodulationfrequencyfortworeasons:Junctionandparasiticcapacitance.

（結(jié)電容和寄生電容）2)

Non-zerocarrierlifetimes.

(載流子壽命)LED調(diào)制帶寬isPotrttOutputPowerLargeincreasesthepulserisetimetr.Largebroadenstheoutputpulse.InputCurrentThesechargesproducethesephotons.Example:DigitalModulationLED調(diào)制帶寬從電的角度看，光電檢測器輸出電功率變?yōu)樵瓉硪话?，即系統(tǒng)輸出光電流變?yōu)?.707時(shí)所對應(yīng)的頻率定義為3-dB帶寬，即電3-dB帶寬TypicalLEDbandwidthsareontheorderof1MHzto100MHz.LED調(diào)制帶寬LED的響應(yīng)速度響應(yīng)速度比激光器低邊發(fā)光的LED:300MHz面發(fā)光的LED:17~35MHzLED小結(jié)

特點(diǎn)1）非相干光源，譜線較寬、方向性較差2）無閾值電流，輸出功率基本上與注入電流成正比4）響應(yīng)速度慢，只適用于較低速通信系統(tǒng)5）驅(qū)動(dòng)電路簡單、不需要溫控和功控6）可靠性高、壽命長、成本低pnLEDiV+-應(yīng)用場合：短距離光纖傳輸，可見光通信

LD

LD基本原理

發(fā)輻射與受激輻射LaserLightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiationLASER原理激光器產(chǎn)生激光的條件是：增益介質(zhì)：增益>損耗泵浦源：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)諧振腔：光反饋相位鎖定，波長選擇(受激輻射的光放大)泵浦R1R2增益介質(zhì)反射鏡L激光誕生（laser）1917年

愛因斯坦提出“受激輻射”理論，一個(gè)光子使得受激原子發(fā)出一個(gè)相同的光子。1953年

美國物理學(xué)家CharlesTownes用微波實(shí)現(xiàn)了激光器的前身：微波受激發(fā)射放大（首字母縮寫Maser）1957年 Townes的博士生GordonGould創(chuàng)造了“l(fā)aser”這個(gè)單詞，從理論上指出可以用光激發(fā)原子，產(chǎn)生一束相干光束，之后人們?yōu)槠渖暾埩藢＠?960年

美國加州Hughes實(shí)驗(yàn)室的TheodoreMaiman實(shí)現(xiàn)了第一束激光半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點(diǎn)：尺寸小，耦合效率高，響應(yīng)速度快，波長和尺寸與光纖尺寸適配，可直接調(diào)制，相干性好。按結(jié)構(gòu)分類：F-P激光器、DFB激光器、DBR激光器、量子阱激光器、VCSEL激光器制作激光器的半導(dǎo)體材料禁帶寬度決定了激光器的激射波長，不同的半導(dǎo)體材料禁帶寬度不同，需要根據(jù)所需波長范圍選擇材料直接帶隙法布里-珀羅（F-P）型激光器F-P型激光器是最常見最簡單的激光器.由外延生長的有源層和有源層兩邊的限制層構(gòu)成，諧振腔由晶體的兩個(gè)解理面構(gòu)成。通常為雙異質(zhì)結(jié)型。LASER激射過程（FP）將工作物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔(F-P腔)光的產(chǎn)生及方向選擇少數(shù)載流子的自發(fā)輻射產(chǎn)生光子偏離軸向的光子產(chǎn)生后穿出有源區(qū)，得不到放大軸向傳播的光子引發(fā)受激輻射，產(chǎn)生大量相干光子通過來回反射，特定波長的光最終得到放大，并被輸出法布里－珀羅(F-P)諧振腔g(·)為增益系數(shù)，為材料損耗系數(shù)。當(dāng)光經(jīng)反射鏡R1和R2反射在腔內(nèi)往返傳播2L回到原點(diǎn)之后，電場分量為：能量為hn的光子的輻射強(qiáng)度E(·)在腔內(nèi)隨傳播距離z變化：諧振腔的光傳播（FP）要能在腔內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩，需要滿足下列關(guān)系：在空間中傳播的光電場分布可以表示為：和光幅度放大光相位同步幅度條件相位條件上式表明，激光器只能產(chǎn)生一些離散的波長。每個(gè)波長稱為激光器的一個(gè)縱模。相鄰兩波長(縱模)之間的波長之差約為：諧振腔的光傳播（FP）增益譜與F-P腔選頻增益譜F-P腔濾波器F-P的諧振波長Dl為諧振峰的間隔：F-P自由譜寬頻域采樣F-P腔激光器工作過程F-P激光器的限制注入電流不同溫度或電流變化引起跳模F-P激光器在高速調(diào)制（>1Gb/s）下，或在溫度和注入電流變化時(shí)，不再維持原激射模式，而會(huì)出現(xiàn)模式跳躍和譜線展寬，這對高速應(yīng)用很不利。為了維持單模，減小光譜展寬，需研究動(dòng)態(tài)單模激光器DFBLD及DBRLDF-P激光器實(shí)例半導(dǎo)體激光器的模式特性模式特性首先取決于光腔的三個(gè)線度（橫向、側(cè)向、縱向的尺寸）及介質(zhì)特性。通常腔內(nèi)能存在許多模式，但只有獲得凈增益（滿足閾值條件）的那些模式才能被激勵(lì)，它的頻率才會(huì)出現(xiàn)在輸出光中。在實(shí)際應(yīng)用中，模式的穩(wěn)定性和線寬是對系統(tǒng)性能影響較大的兩個(gè)參量。分為縱模和橫模激光器橫模與縱模激光器橫模與縱模模式間存在競爭，導(dǎo)致不穩(wěn)定