激光器与光发射机

1、激光器与光发射机    激光器与光发射机2组光源F-P谐振腔只有增益介质而无光学反馈装置,便不能形成激光将已实现粒子数反转分布的系统置于严格平行的一对反射镜之间便形成F-P谐振腔.光在两个反射镜之间往返多次过程中,得到放大.半导体激光器的主要特性发射波长和光谱特性h =Eg 式中 =c/, (Hz)和=(m)分别为发射光的频率和波长,c=3×108m/s为光速,h=6.628×10-34J·S为普朗克常数,1ev=1.6×10-19J.得到:=hc/Eg=1.24/Eg激光器纵模的概念:激光器的纵模反映激光器的光谱

2、性质.对于半导体激光器,当注入电流低于阈值时,发射光谱是导带和价带的自发发射谱,谱线较宽;只有当激光器的注入电流大于阈值后,谐振腔里的增益才大于损耗,自发发射谱线中满足驻波条件的光频率才能在谐振腔里振荡并建立起场强,这个场强使粒子数反转分布的能级间产生受激辐射,而其他频率的光却受到抑制,使激光器的输出光谱呈现出以一个或几个模式振荡,这种振荡称之为激光器的纵模.(a) (b)GaGlAs-DH激光器的光谱特性(a)直流 下图是典型激光器的光功率特性曲线.当IIth时,发出的是受激辐射光,光功率随驱动电流的增加而增加频率特性下图示出半导体激光器的直接调制频率特性.弛豫频率fr是调制频率的上限,一般

3、激光器的fr为12GHz.在fr在处,数字调制要产生弛豫振荡, 激光器输出光功率随温度而变化有两个原因:一是激光器的阈值电流Ith随温度升高而增大,二是外微分子量子效率d随温度升高而减小.温度升高时, Ith增大, d减小,输出光功率明显下降,达到一定温度时,激光器就不激射了.阈值电流随温度呈指数变化:Ith=I0 exp(T/T0)分布反馈激光器DFB LDDFB激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性结构(波纹状)衍射光栅实现光反馈.这种衍射光栅的折射率周期性变化,使光沿有源层分布式反馈,所以叫分布反馈激光器.DFB激光器与F-P激光器相比,有以下优点:单纵模激光器谱线窄,波长稳定性好动态

4、谱线好线性好半导体激光器LD激光器被视为20世纪的三大发明(还有半导体和原子能)之一,特别是半导体激光器LD倍受重视.光纤通信中最常用的光源是半导体激光器LD和发光二极管LED.主要差别:发光二极管输出非相干光;半导体激光器输出相干光.半导体激光器的优点:尺寸小,耦合效率高,响应速度快,波长和尺寸与光纤尺寸适配,可直接调制,相干性好.按结构分类: F-P LD, DFB LD, DBR LD, QW LD, VCSEL按波导机制分类:增益导引LD和折射率导引LD按性能分类:低阈值LD,超高速LD,动态单模LD,大功率LD发光二极管LED对于光纤通信系统,如果使用多模光纤且信息比特率在10020

5、0Mb/s以下,同时只要求几十微瓦的输入光功率,那么LED是可选用的最佳光源.比起半导体激光器,因为LED不需要热稳定和光稳定电路,所以LED的驱动电路相对简单,另外其制作成本低,产量高.LED的主要工作原理对应光的自发发射过程,因而是一种非相干光源.LED发射光的谱线较宽,方向性较差,本身的响应速度又较慢,所以只适用于速率较低的通信系统.在高速,大容量的光纤通信系统中主要采用半导体激光器作光源.半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)一般性能-2050 -2050 -2050 -2050 工作温度/ 107 108 105106 106107 寿命t/h 30×120 30

6、15;120 20×50 20×50 辐射角/(o) 30100 50150 5001000 5002000 调制带宽B/MHz 0.10.20.10.3 13 13 入纤功率P/mW 13 15 510 510 输出功率P/mW 100150 100150 工作电流I/mA 3060 2030 阈值电流Ith/mA 60120 50100 1312谱线宽度/nm 1.55 1.3 1.55 1.3 工作波长/m LED LD 分布反馈激光器(DFB-LD)一般性能15302040输出功率P/mW(连续单纵模,25 )1520外量子效率d/%20301520阈值电流Ith/

7、mA <0.08频谱漂移/(nm/ )3035边模抑制比/dB0.040.05(1Gb/s,RZ)直接调制单纵模10-410-3连续波单纵模谱线宽度/nm1.551.3工作波长/m光发射机数字光发射机的功能:把电端机输出的数字基带电信号转换为光信号,并用耦合技术有效注入光纤线路,电/光转换是用承载信息的数字电信号对光源进行调制来实现的.调制分为直接调制和外调制两种方式.受调制的光源特性参数有功率,幅度,频率和相位.目前技术上成熟并在实际光纤通信系统得到广泛应用的是直接光强(功率)调制.调制一,直接调制的特点:将要传送的信息转变为电流信号注入LD或LED调制后的光波振幅的平方比例于调制信号

8、(强度调制)简单,经济,容易实现响应带宽有限(2.5Gb/s)引入调制啁啾加大偏置电流使其逼近激光器阈值,可以大大减小电光延迟时间,同时使张驰振荡得到一定程度的抑制.偏置于阈值附近,较小的调制脉冲电流即可得到足够的输出光脉冲,从而可大大减小码型效应和结发热效应的影响.另一方面,加大直流偏置电流将会使光信号消光比(EX)恶化,光源消光比将直接影响接收机灵敏度.实验发现,异质结激光器的散粒噪声在阈值处出现最大值,因此偏置电流不正好偏置在阈值处.调制电流幅度Im的选择,应根据激光器的P-I曲线,既要有足够的输出光脉冲幅度,又要考虑到光源的负担.如果激光器在某些区域有自脉动现象发生,则Im的选择应避开

9、自脉动发生的区域.二,数字直接调制中偏置电流和调制电流大小的选择三,外调制将调制信号控制激光器后接的外调制器,利用调制器的电光,声光等物理效应使其输出光的强度等参数随信号而变.调制信号啁啾小.外调制器以LN电光调制和EA电致吸收为主.光发射机的基本组成光源要求如下:光谱特性单色要好,即谱线要窄(0.85m,1.31m,1.55m)电/光转换效率要高,方向性要好调制速度要高或响应速度要快温度稳定性好,可靠性高,寿命长器件体积小,重量轻,安装使用方便,价格便宜以上各项中,调制速率,谱线宽度,输出光功率和光束方向性,直接影响光纤通信系统的传输容量和传输距离,是光源中最重要的技术指标.调制电路和控制电

10、路直接光强调制的数字光发射机主要电路有调制电路,控制电路和线路编码电路,采用激光器作光源时,还有偏置电路.对调制电路和控制电路的要求如下:输出光脉冲通断比应大于10脉冲的宽度应远大于开通延迟(电光延迟)时间尽可能不出现张弛振荡应诺采用自动功率控制(APC)和自动温度控制(ATC)线路编码电路线路编码之所以必要,是因为电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码,而光源不能发射负脉冲,所以要变换为适合于光纤传输的单极性码.半导体激光器的瞬态性质半导体激光器具有电光转换效率高,响应速度快,可以进行直接调制的优点,被视为光纤通信中的理想光源.但在对半导体激光器进行脉冲调制时,激光器往往呈现出复杂的动

11、态性质 由于瞬态性质,输出光脉冲会出现码型效应.码型效应起因:当第一个电流脉冲过后,存储在有源区的电荷以指数形式衰减,回到初始状态有一个时间过程 sp,如果调制速率很高,脉冲间隔小于 sp ,会使第二个电流脉冲到来时,前一个电流脉冲注入的电荷并没有完全复合消失,有源区的存储电荷起到直流预偏置的作用,于是第二个光脉冲延迟时间减小,输出光脉冲的幅度和宽度增加.消除方法:增加直流偏置电流.电流脉冲光脉冲两个连"1"的现象5,结发热效应:半导体激光器是对温度很敏感的器件,不仅环境温度的变化会使激光器的阈值电流以及输出光功率发生变化,注入电流的热效应也会发生类似的变化结发热效应.是激光器的另一种瞬态调制效应.起因:注入电流导致温升,进而引起阈值电流的变化,从而输出光功率也发生变化.在电流脉冲持续阶段,输出光功率随时间而减小;而当电流脉冲过后,输出光功率随时间而增加.消除方法:适当增加偏置电流1. 系统对光源的要求:(1)波长稳定性要求WDM系统对光源发射波长的稳定性具有较高的要求;波长的漂移将导致信道之间的串扰;温度变化是波长漂移的主要因素.(2)功率稳定性要求某信道功率的漂移,不仅影响本信道的传输性能,而且通过EDFA的瞬态效应影响其它信道的性能;影响发射功率的因素:管芯温度:温度增加-功率下降器件老化:功率下降激光器控制电路温度控制和功