光纤通信第三章+光发射机

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。高高精度温控与精度温控与低低纹纹波波恒流流源恒流流源优点：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：以满足系

6、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、大容量的数字光纤

7、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，各个轨道上的电子具

8、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 损耗p 泵浦源：粒

9、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优点：的优点：尺

10、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 轴向传播的光子引发受激辐射

11、，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，激光器只能产生一些离散的

12、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)mn 相相对对光

13、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

14、) 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、易于集成（阵列），可应用于WDM多波长系统中特点：n发光效率高；工作阈值极低；可单纵模也可多纵模工作n调制性能好，高工作速率（最新的已超过40Gb/s）n寿命长；易集成，易测试，低成本n采用二维阵列，可以提供多个波长；或用激光器阵列提供大功率输出n光互

15、连，局域网、数据中心p-DBRn-DBRgain mediumcomposite mirror 1composite mirror 2VCSELEquivalent ModelLnc22DD增益线宽p 抑制横模是为了提高光源输出光束的亮度，同时减小光斑尺寸。抑制横模是为了提高光源输出光束的亮度，同时减小光斑尺寸。p 为了将激光器用于高速系统中，还需要对纵模进行约束，即输出单个波长。为了将激光器用于高速系统中，还需要对纵模进行约束，即输出单个波长。p 通过减小腔长可以实现单模，但是同时会导致增益大大减小，输出光功率小。通过减小腔长可以实现单模，但是同时会导致增益大大减小，输出光功率小。- L相当

16、于F-P激光器的腔长L，每一个L形成一个微型谐振腔- 很小使得m阶和(m+1)阶模之间的波长间隔比F-P大得多- 多个微型腔级联易实现选模的同时保证光束能获得足够增益nDFB激光器没有集总的谐振腔反射镜，而是靠有源区波导上的折射率周期性变化的Bragg光栅。n在有源区介质表面上使用全息光刻法做成周期性的波纹形状n只有波长满足“Bragg反射条件”的光波才能在介质中来回反射，得到不断的加强和增长（波长选择，单纵模工作）增益增益纵模纵模发射模发射模频率频率腔损耗腔损耗0 0nDBR LD的周期性沟槽不在有源波导表面上，而是在有源层波导两外侧的无源波导层上，这两个无源的光栅波导充当Bragg反射镜的

17、作用。n由于有源波导的增益特性和无源周期波导的Bragg发射，只有在Bragg频率附近的光波才能满足振荡条件，从而发射出激光-DBR激光器是将光栅刻在有源区两端激光器是将光栅刻在有源区两端-DBR激光器的特点和工作特性与激光器的特点和工作特性与DFB激光器类似，但激光器类似，但其其阈值阈值电流要比电流要比DFB激光器的阈值电流高激光器的阈值电流高高稳频窄线宽半导体激光器高稳频窄线宽半导体激光器项目项目支撑支撑：国家863、 民用航天应用领域：应用领域：自由空间激光通信，光纤相干通信，传感与检测产品产品1 1：半导体单片集成半导体单片集成 线宽：线宽：100KHz100KHz 频稳：频稳： 15

18、MHz/2415MHz/24小时小时 可小批量供货可小批量供货 国际先进水平国际先进水平产品产品2 2：光纤半导体集成光纤半导体集成 线宽：线宽： 5KHz5KHz 频稳：频稳： 15MHz15MHz/24/24小时小时 可小批量供货可小批量供货 国际先进国际先进水平水平规划规划： 高指标，小高指标，小体积体积，高可靠性，高可靠性 n DFB与DBR激光器单纵模振荡、线性度好、线宽窄（MHz）、稳定性好、动态单纵模特性好、高速调制下也保持单模振荡n 外腔激光器波长易调谐线宽窄，可达KHz量级n 阈值特性n 效率n 温度特性n 模式特性n 瞬态特性n半导体激光器存在阈值电流Ith, 当注入电流小

19、于阈值电流时,器件发出微弱的自发辐射光，类似于发光二极管的发光情况。当注入电流超过阈值，器件进入受激辐射状态时，光功率输出迅速增加，输出功率与注入电流基本保持线性关系。Example: Wavelength Shift = 0.1 nm/oCT1 = 27 CGainCavity ResonanceOutputCavity ResonanceOutputT2 = 30 C阈值电流随温度增加阈值电流随温度增加温控电路温控电路00expTTIIth温控对LD的正常使用至关重要CnmdTd0/09. 0n任何半导体激光器既使注入恒定的电流，其输出的光强和相位都有随机起伏，即噪声。n幅度的起伏用相对强

20、度噪声(RIN，Relative Intensity Noise)来描述，它定义为相对输出光功率的变化的功率谱密度。n 依据工作速率、温度特性、传输距离和封装成本、大小等因素，可采用不同类型的封装形式n 常见的有 双列直插式封装 TO(Transistor Outline)封装 蝶形封装 小型化封装 SFF(small form factor)n 早期采用的封装方式n 半导体激光器 TO 封装是一种典型的同轴器件封装形式，它具有体积小、结构紧凑、成本较低的优点n 包括插拔式、和带尾纤式n 无法容纳半导体制冷器n 目前，工作速率可达10Gb/sn 14pin蝶形封装：用于直流工作的激光器，很常见

21、；空间充足，可以容纳半导体制冷器n 7pin蝶形封装：用于高速直调激光器；一侧的7个管脚由高频连接器替代n 随着技术发展，激光器组件封装得越来越小，各种封装形式不断涌现n 高频传输线可采用柔性电路板n 可以将多个波长的激光器封装在一起 坚决杜绝静电，必须带防静电手镯，必须可靠接地讨论讨论n激光器的分类与特点？调制调制n调制概念调制概念n直接调制特性直接调制特性n外调制特性外调制特性n用待发送的电信号控制光载波的某一参量（如光强度等），使之携带发送信息的过程，也就是完成电/光转换的过程。n根据待调制的电信号类型，分为模拟调制和数字调制n根据调制方式，分为直接调制和间接调制（外调制）内（直接）调制

22、：信息流直接控制激光器的驱动电流 ( IB 将会将会 部分切除信号的下半部，这将引部分切除信号的下半部，这将引 起严重的失真。起严重的失真。 tAtAtx2211coscos nmmntnmBty,21cos输入输出n 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态性质光电瞬态响应电光延迟张弛振荡自脉动码型效应结发热效应啁啾n 原因：激光输出与注入电脉冲之间存在一个时间延迟，一般为纳秒量级。n 当注入电流从零快速增大到阈值以上时，经电光延迟后产生激光输出，并在脉冲顶部出现阻尼振荡，经过

23、几个周期后达到平衡值。n 采用预偏置在Ith附近的方法，可减小张弛振荡n 不同于张弛振荡，没有阻尼，脉动频率范围为0.24GHz,容易发生在阈值附近和P-I特性的扭曲区。n 造成自脉动的机理涉及量子噪声效应、有源区的缺陷及温度感应的变化等因素。n 抑制这种现象主要靠控制材料的质量，尽量减少有源区的缺陷。n电光延迟导致长时间连“0”码后，“1”码的幅度和宽度减小n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，如果调制速率很高，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

24、小，输出光脉冲的幅度和宽度增加。n消除方法：采用双脉冲信号或增加直流偏置电流。n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n现象：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。频率啁啾LD直接调制 - 改变LD驱动电流 - 谐振腔内载流子浓度发生变化 - 谐振腔折射率发生变化 - 谐振腔相位条件选频特性发生改变 - LD输出光的中心波长发生漂移 - 频率啁啾mL

25、nc2啁啾的直接后果是导致系统色散性能的恶化n 激光二极管的啁啾(Chirp)特性：在直接调制激光二极管时，不仅输出光功率随调制电流发生变化，而且光的频率也会发生波动，即在幅度调制的同时还受到频率调制。n 带有频率啁啾的信号在单模光纤中传播时，在色散作用下，将增大非线性失真。n 随着调制速率增加，啁啾现象愈加严重。LD LD 带宽带宽半导体激光器直接调制速率的基本限制：自发辐射载流子寿命、半导体激光器直接调制速率的基本限制：自发辐射载流子寿命、受激载流子寿命、光子寿命受激载流子寿命、光子寿命thphgncRRLnc2111ln21光子寿命光子寿命150cmgth5 . 3npsph2光子寿命决

26、定了半导体激光器直接调制速率的上限。2/12/11121thphspIIf激光场的张弛振荡频率为：直接调制频率需小于张弛振荡频率。否则，数字调制要产生张弛振荡，模拟调制要产生非线性失真。直接调制速率限制：张弛振荡频率解决的办法是在LD上持续加一个IBiasn 偏置于阈值附近，可大大减小码型效应和结发热效应的影响，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n 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.n 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。n 另一方面，加大直流偏置电流将会使光信

27、号消光比(EX)恶化，光源消光比将直接影响接收机灵敏度.n 注意直流偏置的位置！n 直流激光器+外调制器n 外调制器是高速、长距离光通信的关键器件，也是最重要的集成光学器件之一。它是通过电压或电场的变化最终调控输出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。n 调制信号啁啾小，可以产生复杂调制格式（OFDM, QAM）。n 目前，调制速率达到100Gb/s以上n 电光效应Pockels效应（线性电光效应，折射率与外电场幅度成线性变化）Kerr效应（非线性电光效应）n 声光效应 布拉格效应和奈斯效应n 磁光效应 法拉弟电磁偏转效应n FranzKeldysh效应n 量子约束Stark效应n 载流子色散效应n n 铌酸锂调制器(富士通)电光效应n 电吸收调制器，可与激光器集成 (EML)FranzKeldysh效应n 聚合物调制器（Gigoptix）电光效应n 硅基调制器载流子色散效应等n GaAs基调制器(u2t)n 相位调制器n Mach-Zehnder 强度调制器n I/Q调制器产生复杂调制格式QPSK, 16QAM,n 其他集成调制器并行串行并串结合n 铌酸锂调制器属于电光调制器，其基于铌酸锂晶体的线性电