光纤通信第二章PPT学习教案

1、会计学1光纤通信第二章光纤通信第二章第1页/共77页 1917年根据辐射与原子相互作的量子理论提出，光与物质的相互作用时，将发生三种基本物理过程: 第2页/共77页入射光子的能量普朗克常数h6.62510-34(Js)21hvEE第3页/共77页 21hvEE第4页/共77页 受激辐射光子与感应光子是全同光子：频率相同，而且相位、偏振方向、传播方向都相同，因此它们是相干的；受激辐射过程实质上是对感应入射光的放大过程。21hvEE第5页/共77页入射的光子哪里来？PDLEDLD辐射吸收 光放大吸收辐射无光输出辐射、吸收第6页/共77页 kTEEeNN1212 产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不

2、同的。设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级 E2 (E2 E1) 的粒子数分别为 N1 和 N2。热平衡条件下，粒子数分布满足如何产生光放大？ ，为波尔兹曼常数，T 为绝对温度。所以在这种状态下，总是 N1 N2。231.381 10/kJK2100EET，第7页/共77页如何实现粒子数反转分布的状态呢?产生光放大要求21NN21NN称为粒子数反转分布需要外界能源泵浦，即外加正向电压第8页/共77页P-N结处于粒子数反转第9页/共77页2. P、N型半导体第10页/共77页没有统一的费米能级第11页/共77页=fcfvEEE第12页/共77页粒子数反转区域。称为”有源区”正向偏压消弱的内

3、建电场，空间电荷区变小。fcfvgEEeVE实现粒子数反转第13页/共77页辐射吸收实现粒子数反转分布2.1.2 激光激射条件1.激射的条件： （辐射有受激辐射、自发辐射）受激辐射自发辐射相干光占主导地位，为激光第14页/共77页dirdir1 24hcEE.发射波长dirhE光子能量第15页/共77页（1）有源区 （2）光反馈装置（3）频率选择元件（4）光束的方向选 择元件（5）光波导 第16页/共77页LD功能组成与模式输出的关系 第17页/共77页同质结单异质结量子阱双异质结第18页/共77页 同质结半导体激光器 缺点：发光不集中，强度低，需要较大的注入电流。器件工作时发热非常严重，必须

4、在低温环境下工作，不可能在室温下连续工作。PN结是同一种半导体材料构成的，P区、N区具有相同的带隙、接近相同的折射率（掺杂后折射率稍有变化，但很小。第19页/共77页不同带隙的材料限制载流子不同折射率的材料限制光波 双异质结半导体激光器DH激光器工作原理n折射率P光5%nD 5%nD第20页/共77页激光器是由反射率为100%（R=1）的全反射镜与反射率为90%95%（R1）的部分反射镜平行放置在工作物质两端以构成光学谐振腔。并被称为法布里-珀罗(Fabry Perot，F-P)谐振腔。 3. 法布里-珀罗 (F-P) 谐振腔第21页/共77页第22页/共77页 为阈值增益系数，为谐振腔内激活

5、物质的损耗系数，L为谐振腔的长度，R1，R2Ith 发激光（激光区）I Ith 发荧光（荧光区）目前Ith120 K。可见InGaAsP激光器对温度较敏感。00ex pthTIIT第45页/共77页 把光强下降一半时的两点间波长范围定义为输出谱线宽度（半功率点全宽FWHP），用 表示。D第46页/共77页 图为半导体激光器的直接调制频率特性。张弛频率 fT 是调制频率的上限，一般激光器的 fT 为12 GHz。在接近 fT 处，数字调制要产生张弛振荡，模拟调制要产生非线性失真。 5. 频率特性第47页/共77页第48页/共77页 非阈值器件，p随电流增大，并在大电流时逐渐饱和P随温度升高而降低

6、，相对LD来说，LED受温度影响小第49页/共77页1300波 长 / nm 70 nm相对光强一般短波长GaAlAs-GaAs LED谱线宽度为3050 nm，长波InGaAsP-InP LED谱线宽度为60120 nm第50页/共77页第51页/共77页强度调制(IM) 只适用于半导体光源 简单方便，价格便宜，但动态谱线的展宽严重，不适合高速、长距离传输系统。注入电流2.3.1 光源的两种调制方式调制电信号半导体光源调制电路第52页/共77页v啁啾小,适用于10Gb/s及更高速率传输系统v有些调制器偏振相关第53页/共77页模拟调制第54页/共77页什么是瞬态现象？ 半导体激光器在进行直接

7、调制时显示出来的现象。主要瞬态现象: 张弛振荡 电光延迟 光脉冲瞬态响应波形 第55页/共77页1阶跃响应的瞬态分析电子和光子相互作用 t=0: 阶跃电流脉冲注入 0-td: 对导带底部填充电子， 使电子密度达到nthtd t1： 激光器开始激射，光场建立，导带中电子的超量填充t1 t2 ：有源区过量复合t2 t3： 过量复合持续，电子密度降到nth 以下，S也下降t3以后： 重新对导带底部填充电子第56页/共77页1/2sp phth11jj 2.张驰振荡的角频率和衰减时间12thospjj (1) 张弛振荡频率随j的增加而增加。 (2) 张弛振荡幅度衰减时间随j的增加而减小。第57页/共7

8、7页dspthlnjtjj0mdspspthm0thlnlnjjjtjjjjjn 加直流偏置后的延迟时间 电光延迟时间随注入电流的增加而减小(jjth)。第58页/共77页第59页/共77页1、激光器的实用组件 第60页/共77页输入接口线路编码调制电路光源控制电路光信号输出电信号输入第61页/共77页10lgPEXTP全1全00第62页/共77页 （4）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I0的选取应避开此峰值。调制电流的选择：第63页/共77页第64页/共77页第65页/共77页激光器致冷器热敏电阻控制电路热导热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻半导体制冷器（TEC）

9、： 珀尔帖效应第66页/共77页第67页/共77页 外微分量子对温度不太敏感，一般采用平均功率功率控制法：监测平均光功率 ，控制0I第68页/共77页v啁啾小,适用于10Gb/s及更高速率传输系统v有些调制器偏振相关第69页/共77页v电光调制：电光效应电致双折射现象v磁光调制：磁光效应法拉弟电磁偏转效应v声光调制：声光效应布拉格效应和喇曼-奈斯衍射v电吸收调制：Franz-keldysh 效应和量子约束的Stark效应第70页/共77页M-Z（Mach-Zahnder）电光波导调制器 第71页/共77页第72页/共77页1通断键控（OOK） 2M进制相移键控（MPSK） 3M进制正交幅度调制（M-QAM）第73页/共77页1. 载波抑制归零（CSRZ）码 第一级边带的频率间距仅为RZ码型的一半，更窄的光谱不仅降低了光纤色散的影响，而且具有更高的频谱效率； CSRZ码没有载波频谱分量, 从而降低了峰值功率，这使其对各种非线性光学效应也有更好的容限。 实现: MOD1: 实现强度调制 MOD2: 实现脉冲切割第74页/共77页 （a）半占空的RZ码的波形和频谱 （b）CSRZ信号眼图和光谱第75页/共77页差分编码: “1”码光载波相位不变 “0”码光载波相位增加RZ-DPSK信号眼图和