第三章 光发射机1.

1、刘建国刘建国中国科学院大学中国科学院大学optical pre- amplifierphoto- detectorsemiconductor laseroptical modulatoroptical fiberelectrical signaloptical signaloptical receiverelectronicsoptical transmitteroptical amplifieroptical fiberoptical fiberoptical transmitteroptical receiverrepeaterinformation receiverreceiver el

2、ectronicsinformation sourcedrive electronicsoptical pre- amplifierphoto- detectorsemiconductor laseroptical modulatoroptical fiberelectrical signaloptical signaloptical receiverelectronicsoptical transmitteroptical amplifieroptical fiberoptical fiberoptical transmitteroptical receiverrepeaterinforma

3、tion receiverreceiver electronicsinformation sourcedrive electronics光发送机中继器光放大器光接收机光源光纤光纤光纤信源信宿电信号光信号内容提要内容提要n 光发送机n 光源（LED&LD)n LD动态特性与调制n 将数字或者模拟电信号加载到光波上，并耦合进光纤中进行传输n 核心器件：光源、调制器n美国电子工业协会（EIA）制定的工业标准n19英寸标准机柜的“19英寸”表示机柜中安置的机架式设备的宽度n机柜内设备安装所占高度用一个特殊单位“U”表示；使用19寸标准机柜的设备面板一般都是按nU的规格制造 。1U=44.45mm=1.

4、75英寸n没有1U的机柜,只有1U的设备,机柜6U-47U不等；例如，一台42U的机柜理论上可以安装42台1U高的设备，但实际一般放10-20个正常,因为他们之间需要间隔散热n激光器的温度主要影响发射波长n控制精度达到0.01Cn波长稳定性达到200MHz/24小时由光检测器来感应激光器后端面辐射光功率的变化，并与参考功率相比较，然后根据比较结果自动调整直流偏置电流，最终使光功率峰值保持为一个稳定值。高高精度温控与低温波恒流流源精度温控与低温波恒流流源优点：优点：高电流稳定度：高电流稳定度：纹波在A量级。高精度温控高精度温控：精度在0.001量级。自动保护功能自动保护功能：激光器短路保护，反接

5、保护，慢启动保护，TEC短路保护，防浪涌保护。操作简便：操作简便：人性化控制面板设计参数名称参数名称特性指标特性指标输出电流量程输出电流量程100mA/300mA可选调谐精度调谐精度0.01mA电流纹波电流纹波1A温控范围温控范围1040温控精度温控精度0.001功耗功耗小于15W外接电源外接电源220V储存温度储存温度-4085 工作温度工作温度-2065 TECTEC工作电压工作电压5V激光器保护激光器保护 短路保护 缓启动保护 反接保护 TEC短路保护 防浪涌保护光纤通信对光源的要求光纤通信对光源的要求n波长准：波长准：窗口之内，符合窗口之内，符合ITU标准标准;n功率高：功率高：以满足

6、系统对光中继段距离的要求以满足系统对光中继段距离的要求;n高可靠：高可靠：寿命长，可靠性高寿命长，可靠性高;n单纵模：单纵模：以减少光纤的材料色散；以减少光纤的材料色散；n噪声低噪声低: 以提高模拟调制系统的信噪比以提高模拟调制系统的信噪比;n高线性高线性: 以保证模拟调制不失真。以保证模拟调制不失真。n。最常用的光源最常用的光源n光纤通信中最常用的光源是光纤通信中最常用的光源是:半导体激光器（半导体激光器（LD Laser Diode ）发光二极管（发光二极管（LED Light Emitting Diode）n尤其是单纵模（或单频）尤其是单纵模（或单频）LD，在高速率、大容量的，在高速率、

7、大容量的数字光纤系统中得到广泛应用；数字光纤系统中得到广泛应用；n近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是多信道近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是多信道WDM光纤通信系统的关键器件，越来越受到人们的关注光纤通信系统的关键器件，越来越受到人们的关注。pn-junction物理基础物理基础n原子的能级、能带以及电子跃迁原子的能级、能带以及电子跃迁n自发辐射与受激辐射自发辐射与受激辐射n 能级能级理论理论是是一一种解释原子核外电子运动轨道的一种解释原子核外电子运动轨道的一种理论。它认为电子只能在特定的、分立的轨道种理论。它认为电子只能在特定的、分立的轨道上运动，各个轨道上的电子具有分立的能量，这上运动，各

8、个轨道上的电子具有分立的能量，这些能量值即为能级些能量值即为能级。原子核电子高能级低能级电子优先抢占低能级N = 4N = 9n能带结构由多条能带组成，能带分为传导带（简称导带）、价电带（简称价带）和禁带n能带结构可以解释导体、半导体、绝缘体三大类区别的由来讨论：金属，半导体和绝缘体的区别？讨论：金属，半导体和绝缘体的区别？As+4As+5掺入第V族元素(如磷P, 砷As, 锑Sb)后，某些电子受到很弱的束缚，只要很少的能量DED (0.040.05eV)就能让它成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。施主杂质掺入第III族元素(如硼B,铟In,镓Ga,铝Al)，晶体只需要很少的能量DEA 损

9、耗p 泵浦源：粒子数反转p 谐振腔：光反馈 相位锁定，波长选择(受激辐射的光放大受激辐射的光放大)泵浦R1R2增益介质反射镜Ln1917年爱因斯坦提出“受激辐射”理论，一个光子使得受激原子发出一个相同的光子。n1953年美国物理学家Charles Townes用微波实现了激光器的前身：微波受激发射放大（首字母缩写Maser）n1957年Townes的博士生Gordon Gould创造了“laser”这个单词，从理论上指出可以用光激发原子，产生一束相干光束，之后人们为其申请了专利n1960年美国加州Hughes 实验室的Theodore Maiman实现了第一束激光n 半导体激光器半导体激光器的

10、优点：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。n 按结构分类：按结构分类：F-P 激光器、 DFB激光器、 DBR激光器、 量子阱激光器、 VCSEL激光器n禁带宽度决定了激光器的激射波长，不同的半导体材料禁带宽度不同，需要根据所需波长范围选择材料直接带隙直接带隙nF-P型激光器是最常见最简单的激光器.n由外延生长的有源层和有源层两边的限制层构成，谐振腔由晶体的两个解理面构成。通常为双异质结型。1. 将工作物质置于光学谐振腔 (F-P腔)2. 光的产生及方向选择 少数载流子的自发辐射产生光子 偏离轴向的光子产生后穿出有源区，得不到放大 轴向传播的

11、光子引发受激辐射，产生大量相干光子3. 通过来回反射，特定波长的光最终得到放大，并被输出法布里珀罗 (F-P) 谐振腔 zhvhvgeEzE0g()为增益系数， 为材料损耗系数。当光经反射镜R1和R2反射在腔内往返传播2L回到原点之后，电场分量为：能量为hn的光子的辐射强度E()在腔内随传播距离z变化：)( hvhvgLeRRELE22102要能在腔内产生稳定的振荡，需要满足下列关系：在空间中传播的光电场分布可以表示为： )(,ztjOezEtzE 02ELE和12Lje光幅度放大光相位同步幅度条件211ln21RRLgth相位条件mL22/2cn2(1,2,3)cn Lmm上式表明，激光器只

12、能产生一些离散的波长。每个波长称为激光器的一个纵模。相邻两波长(纵模)之间的波长之差约为：Lnc22D 02ELEnLc 2Dn增益谱F-P腔滤波器F-P的谐振波长D为谐振峰的间隔：F-P自由谱宽频域采样有源区有源区电流注入电流注入型型型光光hv光光hv解理面解理面(a)半导体激光器(a)半导体激光器 L1 2 34R1 1增益介质增益介质R2 2光的驻波光的驻波折射率折射率反反射射镜镜反反射射镜镜(b)纵模驻波(b)纵模驻波 2nnPNm m-m+ (c)纵模共振光谱(c)纵模共振光谱增益差增益差11光光增增益益 o(a) 腔内允许产生的模式腔内允许产生的模式 m m( ) /2= L(b)

13、mn 相相对对光光强强 m (a)+(b)=(c)(c)半导体激光器的输出光谱(c)半导体激光器的输出光谱光增益与波长的关系光增益与波长的关系 m m解理面解理面 = 0Z = xZ n 模式特性首先取决于光腔的三个线度（横向、侧向、纵向的尺寸）及介质特性。通常腔内能存在许多模式，但只有获得净增益（满足阈值条件）的那些模式才能被激励，它的频率才会出现在输出光中。在实际应用中，模式的稳定性和线宽是对系统性能影响较大的两个参量。n 分为纵模和横模模式间存在竞争，导致不稳定模式间存在竞争，导致不稳定机制：从顶层一个窄的条形欧姆接触区进行载流子注入，改变有源区的折射率，从而对光子形成横向的约束，能有效抑制横模特点：1) 辐射功率高，但有2)散光性，且3)工作不稳定In(I)15 mm光强-20020机制：1) 在横向引入一个折射率分布实现对光模式的限制2) 在横向将电流严格地限制在有源区，使得 60% 的注 入电流用于发光特点：输出光束具有很好的准直性、能工作在基横模光强-10010 阈值电流低(100 mA) ，激光纯度高； 发光面大、易于耦合； 体积小、