光纤通信第四章光发射机

1、 4.1.1 4.1.1 光发射机基本组成和主要指标光发射机基本组成和主要指标 光发送电路主要由驱动电路、发光器件、自动功光发送电路主要由驱动电路、发光器件、自动功率控制（率控制（APCAPC）电路、自动温度控制（）电路、自动温度控制（ATCATC）电路组成。）电路组成。其功能是将输入的电脉冲信号转换为输出光脉冲信号其功能是将输入的电脉冲信号转换为输出光脉冲信号（即（即E/OE/O转换）。转换）。光发射机基本组成框图光发射机基本组成框图 驱动电路起调制作用，调制分为内调制（即直驱动电路起调制作用，调制分为内调制（即直接调制）和外调制（即间接调制）。内调制是直接接调制）和外调制（即间接调制）。内

2、调制是直接在光源上调制，系统结构较简单，广泛应用于通信在光源上调制，系统结构较简单，广泛应用于通信系统中；外调制是在光输出通路上加调制器，对光系统中；外调制是在光输出通路上加调制器，对光源性能影响小，但系统结构复杂，目前尚未广泛应源性能影响小，但系统结构复杂，目前尚未广泛应用。图中给出的驱动电路，是用输入电信号的大小用。图中给出的驱动电路，是用输入电信号的大小来直接调制发光器件的发光强度，所以属于内调制。来直接调制发光器件的发光强度，所以属于内调制。驱动电路的输入电脉冲信号和发光器件的输出光脉驱动电路的输入电脉冲信号和发光器件的输出光脉冲信号都要求是光纤码型信号；冲信号都要求是光纤码型信号；

3、APC APC电路用来使光信号的功率稳定而不随外界条电路用来使光信号的功率稳定而不随外界条件变化；件变化； ATC ATC电路用来使发光器件工作温度恒定。电路用来使发光器件工作温度恒定。 定义为正常工作条件下光发送电路输出的平定义为正常工作条件下光发送电路输出的平均光功率。通常均光功率。通常P PT T使用毫瓦分贝（使用毫瓦分贝（dBmdBm）单位，即）单位，即 平均发送光功率与光发送电路（驱动电路）平均发送光功率与光发送电路（驱动电路）的输入电脉冲信号幅度和码型有关。所以，离线的输入电脉冲信号幅度和码型有关。所以，离线测试时应在正常工作的注入电流条件下进行，并测试时应在正常工作的注入电流条件

4、下进行，并且测试信号使用伪随机码，以便尽可能接近实际且测试信号使用伪随机码，以便尽可能接近实际情况。情况。)(10)(lg1010)(lg1033dBmWPWPPTTT单位(mW) 定义为光发送电路输出全定义为光发送电路输出全“1”1”码时的平均输出码时的平均输出光功率光功率P P1 1与输出全与输出全“0”0”码时的平均输出光功率码时的平均输出光功率P P0 0之比，之比，即即 消光比应大于消光比应大于1010，以保证足够的光接收信噪比。，以保证足够的光接收信噪比。01lg10PPEX DIM:电流注入式器件，发光和调制集中在结区，载流子光子作电流注入式器件，发光和调制集中在结区，载流子光子

5、作用关系复杂，影响腔的振荡特性，动态光谱展宽。外调制：电用关系复杂，影响腔的振荡特性，动态光谱展宽。外调制：电光、磁光、声光效应，发光与调制分开光、磁光、声光效应，发光与调制分开光电瞬态响应波形光电瞬态响应波形 在上述条件下，速率方程组可以简化为在上述条件下，速率方程组可以简化为n(t)为有源区中自由电子密度；为有源区中自由电子密度；s(t)为有源区中光子为有源区中光子密度；密度；j为注入电流密度；为注入电流密度；e0为电子电荷；为电子电荷；d为有源为有源区厚度；区厚度；Rsp为自发辐射速率；为自发辐射速率；g(n)为增益函数，它为增益函数，它与电子密度与电子密度n的依赖关系由有源区的材料及掺

6、杂决的依赖关系由有源区的材料及掺杂决定；定； ph为光子寿命时间，指光子从谐振腔端面逸出为光子寿命时间，指光子从谐振腔端面逸出或在腔内被吸收之前存在的平均时间；或在腔内被吸收之前存在的平均时间； 为自发发为自发发射进入激光模式的系数射进入激光模式的系数 sp0ddn tjRng n s tte d spphdds ts tg n s tRntththnnnnnsssssggggg 0expinnt 0expisst 对双异质结激光器，可以得到对双异质结激光器，可以得到用用 表示张弛振荡的幅度衰减为初始值的表示张弛振荡的幅度衰减为初始值的1/ e的的时间，称之为张弛振荡的衰减时间。时间，称之为张

7、弛振荡的衰减时间。可知可知 张弛振荡的衰减时间与自发辐射的寿命时间（张弛振荡的衰减时间与自发辐射的寿命时间（ sp）同一数量级，并随注入电流密度同一数量级，并随注入电流密度j的增加而减小；的增加而减小； 张弛振荡的角频率张弛振荡的角频率 与与 ph和和 sp有关，并随注入电有关，并随注入电流密度的增加而升高；流密度的增加而升高；s pth1 2jj1/ 2spphth11jj 010spddnjnte ddthsp00spsp0ddtnntnje d thdspsp00lnnnjte d设直流预偏置电流密度为设直流预偏置电流密度为j j0 0，由于直流偏置电流预先，由于直流偏置电流预先注入，当

8、脉冲电流到来时，有源区里的电子密度已达注入，当脉冲电流到来时，有源区里的电子密度已达到到 这时电光延迟时间为这时电光延迟时间为 0s p00jne d0mdspspthm0thlnlnjjjtjjjjjdspthlnjtjj 当把电压加到某些晶体上时，可能使晶体的折当把电压加到某些晶体上时，可能使晶体的折射率发生变化，结果引起通过该晶体的光波特性发射率发生变化，结果引起通过该晶体的光波特性发生变化，晶体的这种性质称为电光效应。当晶体的生变化，晶体的这种性质称为电光效应。当晶体的折射率与外加电场幅度成线性变化时，称为线性电折射率与外加电场幅度成线性变化时，称为线性电光效应，即普科尔（光效应，即普

9、科尔（PockelPockel）效应；当晶体的折射）效应；当晶体的折射率与外加电场幅度的平方成比例变化时，称为克尔率与外加电场幅度的平方成比例变化时，称为克尔（KerrKerr）效应。电光调制器主要利用普科尔效应）效应。电光调制器主要利用普科尔效应 。 线性电光效应仅出现在具有反演对称的晶体中。线性电光效应仅出现在具有反演对称的晶体中。对这样的晶体，电场对这样的晶体，电场E所引起的所引起的 的线性变化为的线性变化为 i=1，2，3，6 21in211ijjjir En用矩阵表示用矩阵表示式中式中n为折射率，为折射率，rij为电光系数。由电光系数组成的为电光系数。由电光系数组成的63矩阵称为电光

10、张量。对于各类电光晶体，电光张矩阵称为电光张量。对于各类电光晶体，电光张量的元素可能有许多等于零。量的元素可能有许多等于零。21221 11 21 32 12 22 31233 13 23 324 14 24 3325 15 25 346 16 26 32526111111nrrrnrrrErrrnErrrErrrnrrrnn电光相位调制器基本原理框图电光相位调制器基本原理框图波 导LiNbO3光 输 入已 调 光 输 出长 度 L电 压M-ZM-Z（Mach-ZahnderMach-Zahnder）波导调制器）波导调制器磁光调制器原理图磁光调制器原理图 电吸收效应是利用电吸收效应是利用Fra

11、nz-keldysh效应和量子约效应和量子约束束Stark效应效应产生材料吸收边界波长移动的效应。产生材料吸收边界波长移动的效应。 电吸收多量子阱电吸收多量子阱MQW调制器是很有发展前途调制器是很有发展前途的调制器，它不仅具有低的驱动电压和低的啁啾特的调制器，它不仅具有低的驱动电压和低的啁啾特性，而且还可以与性，而且还可以与DFB激光器单片集成。激光器单片集成。 MQW调制器实际上类似于半导体激光器的结构，调制器实际上类似于半导体激光器的结构， 它对光具有吸收作用。它对光具有吸收作用。 通常情况下，电吸收通常情况下，电吸收MQW调制器对发送波长调制器对发送波长是透明的，一旦加上反向偏压，吸收波

12、长在向长波是透明的，一旦加上反向偏压，吸收波长在向长波长移动的过程中产生光吸收。长移动的过程中产生光吸收。利用这种效应，在调利用这种效应，在调制区加上零伏到负压之间的调制信号，就能对制区加上零伏到负压之间的调制信号，就能对DFB激光器产生的光输出进行强度调制。激光器产生的光输出进行强度调制。DFB有 源 层N型N型 衬 底电 极电 压 信 号P型MQW 叠 层DFB区调 制 区电吸收电吸收MQWMQW型调制器型调制器换 能 器声 光 介 质光 输 入电 压 信 号电 极I1 1级 光 强I0零 级 光 强声光布拉格调制器原理框图声光布拉格调制器原理框图 超声波使介质的折射率沿传播方向交替变化，

13、超声波使介质的折射率沿传播方向交替变化，当一束平行光束通过它时，由于声光效应产生的光当一束平行光束通过它时，由于声光效应产生的光栅使出射光束成为一个周期性变化的光波。栅使出射光束成为一个周期性变化的光波。 当声波频率较高且光波以一定的角度入射时，当声波频率较高且光波以一定的角度入射时，只出现零级和只出现零级和1 1级衍射光。如果入射声波很强，则级衍射光。如果入射声波很强，则可以使入射光能几乎全部转移到零级或可以使入射光能几乎全部转移到零级或+1+1级或级或-1-1级级的某一级衍射光上。的某一级衍射光上。 激光器组件的内视图和外视图激光器组件的内视图和外视图 Thermoelectric Coo

14、ler 球差 (spherical aberration)光线透过球面透镜所产生的成像误差，单色光像差的一种。球面透镜上，远离光轴位置进入镜头的平行光线（边缘光线、远轴光线），入射角大，折射强，在光轴离镜头近处形成焦点；而离光轴近处进入镜头的平行光线（中心光线、近轴光线）折射弱，在光轴上离镜头远处形成焦点。由于平行光束在光轴上前后分散形成焦点，形成了弥散光斑（一定直径的模糊像），从而清晰度和解像力下降。 主要考虑以下原则主要考虑以下原则 （1）加大直流偏置电流使其逼近阈值，可以大大）加大直流偏置电流使其逼近阈值，可以大大减小电光延迟时间，提高频谱利用率和通信容量，减小电光延迟时间，提高频谱利用

15、率和通信容量，并且在一定程度上抑制张弛振荡并且在一定程度上抑制张弛振荡 ；（2）激光器偏置在阈值附近的另一好处是较小的）激光器偏置在阈值附近的另一好处是较小的调制电流就能获得足够大的输出光脉冲，调制电流就能获得足够大的输出光脉冲，I0和和I0+Im值相差不大，从而削弱调制码型间的相互影响，减值相差不大，从而削弱调制码型间的相互影响，减小码型效应；小码型效应；（3 3）由于偏置电流决定）由于偏置电流决定“0”0”码时的发光功率，码时的发光功率，I I0 0上升意味着激光器的消光比恶化。上升意味着激光器的消光比恶化。EXEX太小灵敏度下太小灵敏度下降；降；（4 4）实验观察到异质结激光器的散粒噪声

16、在阈值）实验观察到异质结激光器的散粒噪声在阈值处常有一很陡的峰值，因此处常有一很陡的峰值，因此I I0 0的选取应避开此峰值。的选取应避开此峰值。但对数字光传输系统，光源的噪声对接收机影响不但对数字光传输系统，光源的噪声对接收机影响不大。大。 对激光器进行高速脉冲调制时，调制电路既对激光器进行高速脉冲调制时，调制电路既要有快的开关速度，又要保持有良好的电流脉冲要有快的开关速度，又要保持有良好的电流脉冲波形。因为不仅电流脉冲上升沿和下降沿的快慢波形。因为不仅电流脉冲上升沿和下降沿的快慢会影响到光脉冲的响应速度，而且电流脉冲上升会影响到光脉冲的响应速度，而且电流脉冲上升沿的过冲还会加剧光脉冲的张驰

17、振荡。要做到这沿的过冲还会加剧光脉冲的张驰振荡。要做到这两点，不仅电路的设计是重要的，而且电路的工两点，不仅电路的设计是重要的，而且电路的工艺也同样重要，因为杂散电感和杂散电容会给高艺也同样重要，因为杂散电感和杂散电容会给高速脉冲电路带来不良影响。速脉冲电路带来不良影响。 射极耦合射极耦合LD驱动电路图驱动电路图 V2V1Ib电流源Io UEUinLD“0”码，码，V1导通，导通，LD不发光；不发光；“1”码，码，V2导通，导通，LD发光。发光。三极管三极管fT 4.5 GHz，调制速率，调制速率达达300 MHz；动；动态范围小，功耗态范围小，功耗大大 阈值变化引起的光输出变化阈值变化引起的

18、光输出变化 外微分量子效率变化外微分量子效率变化 引起的光输出变化引起的光输出变化 控制电路的作用，就是为了消除上述温度变控制电路的作用，就是为了消除上述温度变化和器件老化带来的影响，给激光器提供稳定的化和器件老化带来的影响，给激光器提供稳定的工作环境。目前主要采取的措施有自动温度控制工作环境。目前主要采取的措施有自动温度控制和自动功率控制。和自动功率控制。 （1）自动温度控制（）自动温度控制（ATC） R3R2 VR1LDRtRcPIN组 件 UAV1V2ATCATC原理原理电路电路Rc：半导体制：半导体制冷器冷器TEC电阻电阻 T(环境环境)T(LD、热沉、热沉) RT I(致冷器致冷器) T(LD) RRC1PINLDLRGNDRV2RGNDRRRRRRCA3RUE EGNDCRRRRGNDUE ERCGNDGNDDA2V4RUE ERIbA1V3SqV1APCAPC电路原理电路原理（2）自动功率控制（）自动