光纤通信第二章实用教案

1、 一第1页/共77页第一页，共78页。 1917年爱因斯坦根据辐射与原子(yunz)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: (1)受激吸收 (2)自发辐射 (3)受激辐射第2页/共77页第二页，共78页。 受激吸收(xshu)入射光子的能量(nngling)普朗克常数(chngsh)h6.62510-34(Js)21hvEE第3页/共77页第三页，共78页。v：辐射光子(gungz)的频率 21hvEE第4页/共77页第四页，共78页。21hvEE第5页/共77页第五页，共78页。入射的光子(gungz)哪里来？PDLEDLD辐射吸收 光放大吸收辐射无光输出辐射、

2、吸收第6页/共77页第六页，共78页。 kTEEeNN1212 产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。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(lz)数分别为 N1 和 N2。热平衡条件下，粒子(lz)数分布满足如何产生(chnshng)光放大？ ， 为 波 尔 兹 曼 常 数 ， T 为 绝 对 温 度(juduwnd)。所以在这种状态下，总是 N1 N2。231.381 10/kJK2100EET，第7页/共77页第七页，共78页。如何实现粒子(lz)数反转分布的状态呢?产生光放大(fngd)要求21NN21NN称为粒子数反转分布需要外界能源(nngyu

3、n)泵浦，即外加正向电压第8页/共77页第八页，共78页。 二、半导体发光(f un)机理1、本征半导体的能带分布本征半导体：没有任何(rnh)外来杂志和晶格缺陷的理想半导体费米能级：绝对零度是电子所具有的最大能量要使半导体产生激光引入P.N型半导体P-N结处于粒子数反转第9页/共77页第九页，共78页。（1）N型半导体：向本征半导体掺杂质元素（五价元素，P，AS。），提供电子(dinz)。即电子(dinz)多，空穴少（2）P型半导体：加三价元素，提供空穴。即空穴多，电子(dinz)少2. P、N型半导体第10页/共77页第十页，共78页。没有统一(tngy)的费米能级第11页/共77页第十一

4、页，共78页。=fcfvEEE第12页/共77页第十二页，共78页。粒子数反转(fn zhun)区域。称为”有源区”正向偏压消弱的内建电场，空间电荷区变小。fcfvgEEeVE实现(shxin)粒子数反转第13页/共77页第十三页，共78页。自发辐射(z f f sh)受激辐射非相干光占主导地位，普通光辐射吸收实现粒子(lz)数反转分布2.1.2 激光激射(j sh)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页第十四页，共78页。2.半导体激光器的发射(fsh)波长 dirdir1 24hcEE.发射波长dirhE光子能量第15页

5、/共77页第十五页，共78页。1半导体激光器的通用(tngyng)结构（1）有源区 （2）光反馈装置（3）频率选择元件（4）光束的方向(fngxing)选 择元件（5）光波导 第16页/共77页第十六页，共78页。LD功能(gngnng)组成与模式输出的关系 第17页/共77页第十七页，共78页。同质(tn zh)结单异质(y zh)结量子阱双异质结第18页/共77页第十八页，共78页。 同质(tn zh)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，必须在低温(dwn)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

6、同的带隙、接近(jijn)相同的折射率（掺杂后折射率稍有变化，但很小。第19页/共77页第十九页，共78页。不同(b tn)带隙的材料限制载流子不同(b tn)折射率的材料限制光波 双异质(y zh)结半导体激光器DH激光器工作(gngzu)原理n折射率P光5%nD5%nD第20页/共77页第二十页，共78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(b fen)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页第二十一页，共78页。要产

7、生(chnshng)激光振荡还要满足： 阈值条件 相位条件第22页/共77页第二十二页，共78页。 为阈值增益(zngy)系数，为谐振腔内激活物质的损耗系数，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页第四十五页，共78页。 把光强下降一半(ybn)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页第四十六页，共78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

8、 GHz。在接近 fT 处，数字(shz)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页第四十七页，共78页。1. 发光机理(j l)：自发辐射 种类：面发光二极管 边发光二极管第48页/共77页第四十八页，共78页。 P-I特性(txng)及温度特性(txng) 非阈值器件，p随电流(dinli)增大，并在大电流(dinli)时逐渐饱和P随温度升高而降低，相对LD来说，LED受温度影响小第49页/共77页第四十九页，共78页。1300波 长 / nm 70 nm相对光强一般(ybn)短波长GaAlAs-GaAs LED谱线宽度为3050 nm，长波InGaA

9、sP-InP LED谱线宽度为60120 nm第50页/共77页第五十页，共78页。小电流，LED线性好大电流，LED逐渐饱和(boh)模拟传输需要LED工作在线性区 同时需要线性补偿数字调制：电流直接调制光源模拟调制：先将LED直流偏执第51页/共77页第五十一页，共78页。注入(zh r)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页第五十二页，共78页。第53页/共77页第五十三页，共78页。2.3.2 光源(gungyun)的直接调制数字(shz)调制模拟(mn)调制第54页/共77页第五十四页，共78页。 LD数字调制(tiozh)过程的瞬态分析 什

10、么是瞬态现象(xinxing)？ 半导体激光器在进行直接调制时显示出来的现象(xinxing)。主要瞬态现象(xinxing): 张弛振荡(zhndng) 电光延迟 光脉冲瞬态响应波形 第55页/共77页第五十五页，共78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 - t d : 对 导 带 底 部 填 充(tinchng)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(tinchng)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(tinchng

11、)电子第56页/共77页第五十六页，共78页。1/2sp phth11jj 2.张驰振荡(zhndng)的角频率和衰减时间12thospjj (1) 张弛振荡频率随j的增加(zngji)而增加(zngji)。 (2) 张弛振荡幅度衰减时间随j的增加(zngji)而减小。第57页/共77页第五十七页，共78页。3电光(dingung)延迟时间 电光(dingung)延迟过程发生在阈值以下 dspthlnjtjj0mdspspthm0thlnlnjjjtjjjjjn 加直流偏置(pin zh)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页第五十八页，共78页。第5

12、9页/共77页第五十九页，共78页。 2.3.3 直接调制(tiozh)激光发射机 1、激光器的实用(shyng)组件 第60页/共77页第六十页，共78页。 2、光发射机的组成(z chn) 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页第六十一页，共78页。 1）偏置电流(dinli)大小的选择（1）加大直流偏置电流使其逼近(bjn)阈值（2）加大直流偏置电流会使激光器的消光比恶化。10lgPEXTP全1全00第62页/共77页第六十二页，共78页。 （4）实验观察到异质结激光器的散粒噪声(zoshng)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

13、电流的选择(xunz)：第63页/共77页第六十三页，共78页。2）激光器的调制(tiozh)电路第64页/共77页第六十四页，共78页。 3）激光器控制电路第65页/共77页第六十五页，共78页。自动(zdng)温度控制（ATC） 激光器致冷器热敏电阻(r mn din z)控制电路热导(r do)热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻半导体制冷器（TEC）： 珀尔帖效应第66页/共77页第六十六页，共78页。（2）自动功率(gngl)控制（APC） 第67页/共77页第六十七页，共78页。 （2）自动(zdng)功率控制（APC） 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(ji

14、n c)平均光功率 ，控制0I第68页/共77页第六十八页，共78页。 2.4.1 间接调制(tiozh)的类型和特点第69页/共77页第六十九页，共78页。v电光(dingung)调制：电光(dingung)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页第七十页，共78页。2.4.2 电光调制(tiozh)和波导调制(tiozh)器 M-Z（Mach-Zahnder）电光(dingung)波导调制器 第71页/共77页第七十一页，共78页。2.4.

15、3 电吸收(xshu)调制器 EA调制(tiozh)器的基本原理是：改变调制(tiozh)器上的偏压，使多量子阱（MQW）的吸收边界波长发生变化，进而改变光束的通断，实现调制(tiozh)。EA调制(tiozh)器容易与激光器集成在一起。第72页/共77页第七十二页，共78页。2.5.1 光调制(tiozh)格式的类型 1通断键控（OOK） 2M进制相移键控（MPSK） 3M进制正交幅度(fd)调制（M-QAM）第73页/共77页第七十三页，共78页。 2.5.2 高速长距离系统中常用的调制(tiozh)格式 1. 载波(zib)抑制归零（CSRZ）码 第一级边带的频率间距仅为RZ码型的一半，

16、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(zib)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页第七十四页，共78页。 （a）半占空的RZ码的波形(b xn)和频谱 （b）CSRZ信号(xnho)眼图和光谱第75页/共77页第七十五页，共78页。2. 差分(ch fn)相移键控（DPSK）码差分编码(bin m): “1”码光载波相位不变 “0”码光载波相位增加RZ-DPSK信号(xnho)眼图和光谱DPSK码型的优势 平衡接收机的灵敏度相对OOK系统有3dB的优势; 在平衡接收系统中判决电平为0, 对于功率的波动不敏感; 由于DPSK信号的等包络特性，在相同的平均功率下，码元峰值功率比OOK信号的峰值功率小3dB，因此，相同条件下，DPSK信号所受的非线性效应影响小于OOK信号。 第76页/共77页第七十六页，共78页。谢谢您的观看(gunkn)！第77