光纤通信-04-光源与光发送机

第4章光源与光发送机第4章光源与光发送机光发送机是光纤通信系统的基本组成部分之一，它的作用是将电信号转换为光信号，并将光信号以最大效率耦合进光纤线路光源是光发送机的核心器件，是发光器件光纤通信中应用的光源主要有半导体激光器（LD，LaserDiode）半导体发光二极管（LED，LightEmittingDiode）第4章光源与光发送机4.1物质与光之间的相互作用4.2半导体激光器4.3半导体发光二极管4.4数字光发送机4.1物质与光之间的相互作用当光进入物质时，与物质原子之间发生相互作用这种相互作用导致了光纤的色散和非线性现象这种相互作用中的受激辐射过程是激光器的物理基础一、原子能级和半导体的能带根据现代量子物理学的观点，构成物质的原子的能量只能取一系列分离值也就是说原子的能量状态是量子化的，这些分离的能量状态称为能级一、原子能级和半导体的能带在正常状态下，原子处于最低能级，电子在离核最近的轨道上运动的定态称为基态或基能级原子吸收能量后从基态跃迁到较高能级，电子在较远的轨道上运动的定态称为激发态或高能级一、原子能级和半导体的能带由于半导体光源的材料是单晶体，其内部原子是紧密地按一定规律排列在一起的，并且原子最外层的轨道是相互重叠的，从而使它们的能级形成能带半导体的能带由价带、禁带和导带构成一、原子能级和半导体的能带价带中的电子由于受到紧约束而不能自由运动导带中的电子则可自由运动，如果有外加电场存在，就可形成电流禁带是不能为电子所占据的能量状态，禁带的宽度称为带隙能量，用Eg表示一、原子能级和半导体的能带一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用费米能级Ef

位于禁带中央来表示在N型半导体中，Ef

增大，导带的电子增多，价带的空穴相对减少在P型半导体中，Ef

减小，导带的电子减少，价带的空穴相对增多二、光与物质的相互作用光具有波粒二象性一方面光是电磁波，有确定的波长和频率，具有波动性，会产生反射、折射、衍射、干涉、偏振等，电磁波满足电磁波方程即麦克斯韦方程另一方面，和所有运动的粒子一样，光具有能量、动量和质量，也能产生压力，即光是由大量光子构成的光子流，每个光子都有一定的能量E，具有粒子性光子能量与光波频率之间的关系是h=6.626×10-34

J·s（焦耳·秒），称为普朗克常数二、光与物质的相互作用物质可以发光，光也可以被物质吸收光的吸收与发射和物质内部能量状态的变化有关当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或发射二、光与物质的相互作用研究发现：光与物质原子的电子有三种相互作用机制，分别是自发辐射、受激辐射和受激吸收二、光与物质的相互作用自发辐射高能级E2上的电子不稳定，即使没有外界的作用，也会自发地跃迁到较低能级E1上，并释放出一个能量为hf=E2-E1的光子自发辐射由于是完全随机的，所产生的光子在相位、偏振和传播方向上是随机的，输出的光是非相干光半导体发光二极管就是基于自发辐射发光机制的发光器件二、光与物质的相互作用受激辐射在高能级E2上的电子，受到入射光的作用，由高能级跃迁到低能级上，并释放一个能量为hf=E2-E1的全同光子全同光子是指受激辐射产生的与入射光子的能量、相位、偏振和传播方向完全相同的光子半导体激光器就是基于受激辐射发光机制的发光器件二、光与物质的相互作用受激吸收当外界入射光子能量hf近等于能级E1与E2能量差时，电子就吸收光子，由E1跃迁到E2能级半导体光检测器就是基于受激吸收工作的光电器件三、激光器的工作原理尽管激光器有各种各样形式的不同，但各种激光器产生激光的基本工作原理相同1．粒子数反转分布在热平衡状态下，高能级上的电子数N2总是比低能级上的电子数N1少这种电子数的分布状态称为粒子数的正常分布状态大部分入射光子被吸收掉，以至于受激辐射实际上可以忽略不计1．粒子数反转分布在同一物质内，光和物质相互作用的三个过程是同时存在的为了使物质发光，就必须使其内部的自发辐射或受激辐射的几率大于受激吸收的几率，这就要求高能级上的电子数多于低能级上电子数，这种电子数的分布状态称为“粒子数反转分布”状态由于这是一种非平衡状态，因此需要通过各种“泵浦”（激励）技术来实现粒子数反转1．粒子数反转分布在外界足够强的激励源（泵浦源）作用下，能够形成粒子数反转分布的物质，称为激活物质或增益物质可以利用适当的半导体材料作为激光工作物质（激活物质）制造出半导体光源1．粒子数反转分布半导体激光器通常采用外加正向电压激励形成粒子数反转分布2．激光器的构成和工作原理激光器是一种光自激振荡器。包括：产生激光的工作物质（激活物质）。也就是处于粒子数反转状态的发光物质，是激光器的组成核心，产生激光的必要条件。工作物质可以是气体、液体或固体。半导体激光器的工作物质是半导体材料。能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源（泵浦源）。能够完成频率选择及正反馈作用的光学谐振腔，形成激光振荡，输出激光最为常见的谐振腔是法布里－帕罗（F-P，Fabry-Perot）谐振腔2．激光器的构成和工作原理两个反射镜组成的光谐振腔其中一个反射镜（M1）要求有100％的反射率另一个（M2）要有95％左右的反射率两个面对面的反射镜来实现光的反馈放大，使其产生振荡100%反射率95%反射率正反馈2．激光器的构成和工作原理两个反射镜之间是工作物质，工作物质在泵浦源的激发下，实现粒子数反转分布，构成有源区由于高能级上的粒子不稳定，会自发向低能级跃迁，并释放一个能量为Eg的光子2．激光器的构成和工作原理这些自发辐射的光子在运动过程中，又会激发高能级上的粒子，从而引起受激辐射，释放出与激光光子全同的光子，使光得到放大，当达到一定强度后，就从部分反射镜出射，形成激光3．激光的产生条件激光器并不是在任何情况下都可以产生激光，还要满足一定的振幅平衡和相位平衡条件振幅平衡条件即是阈值条件，是光的放大和损耗应满足的平衡条件将激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的阈值条件激光器的阈值条件决定于光学谐振腔的固有损耗损耗越小，激光器就越容易起振3．激光的产生条件在谐振腔中，光波在两块反射镜之间往复传输，只有在满足特定相位的驻波才能得到彼此加强，这种条件称为相位条件只有那些与谐振腔轴平行，且往返一次的相位差等于2π的整数倍的光才能相干增强，形成正反馈，使光波加强设谐振腔的长度为L，则谐振腔的谐振条件（或称驻波条件）为纵模序数3．激光的产生条件由于受激辐射只在腔轴方向（纵向）形成驻波，因此称为纵模不同的q值对应于谐振腔纵方向不同的电磁场分布状态，一种分布就是一个激光器的纵模相邻两个纵模的频率间隔是一样的，为，但其对应的光强不同，L越大，纵模间距越小3．激光的产生条件显然，谐振腔内产生的驻波数（即纵模数）q不同，可得到不同的光波长（或频率），即有无穷多个谐振频率具有多个频率（纵模）的激光器称为多纵模激光器4.2半导体激光器用半导体材料作为工作物质的激光器，称为半导体激光器（LD），在光纤通信系统中，使用的激光光源几乎都是半导体激光器半导体激光器产生的输出光具有强单色性，而且光束具有很好的方向性半导体激光器的典型响应时间小于1ns，光谱带宽小于或等于2nm，并且它们可以和具有小芯径和小模场直径的光纤实现耦合，注入光纤的功率可达到几十毫瓦一、半导体激光器的结构半导体激光器的受激辐射光是由电子在价带与导带之间连续分布的能级间跃迁产生的可以采用法布里－帕罗（F-P）谐振腔结构不过，在半导体激光器中，这种谐振腔要小得多一、半导体激光器的结构其长度约为200~500μm、宽度为5~15μm、厚度为0.1~0.2μm一、半导体激光器的结构法布里－帕罗腔半导体激光器的核心是PN结，PN结的两个端面是按照晶体的天然晶面剖切开的，表面非常光滑，成为两个平行的镜面，称为解理面两个解理面之间组成一个光学谐振腔，即法布里－帕罗腔（F-P腔）其作用是提供强的纵向光反馈，得到激光激光器谐振腔可能会有许多谐振频率，但仅有那些增益足以克服损耗的频率振荡得以输出一、半导体激光器的结构半导体激光器LD按纵向（垂直于PN结）结构的不同，可分为同质结LD、单异质结LD和双异质结LD一、半导体激光器的结构由同一种半导体材料构成的同质结中，在PN结的两边光发射都可以发生，因此，发光不集中，强度低，需要较大的注入电流通过加强结区的光波导作用及对载流子的限定作用，可采用由带隙及折射率都不同的两种半导体材料构成的PN结异质结结构实际使用的所有半导体激光器都是多层异质结器件二、半导体激光器的特性半导体激光器仍然属于半导体二极管，具有二极管的一般特性（如伏安特性）还具有特殊的光频特性1．激光器的P-I特性激光器的P-I特性曲线表明激光器输出光功率（输出）与注入电流（输入）变化的关系阈值2．激光器效率可用功率转换效率和量子效率衡量激光器转换效率的高低外微分量子效率ηd是用来衡量激光器的电／光转换效率高低的一个参量，其定义为：激光器输出光子数的增量与注入电子数的增量之比2．激光器效率功率转换效率ηp是用来衡量激光器的电／光转换效率高低的另一个参量，其定义为：激光器的输出光功率与器件消耗的电功率之比激光器发射的光功率注入电流激光器的结电压3．光谱特性半导体激光器的纵向光场不是以行波形式传输，而是成驻波形式振荡因此，激光器输出的是一系列模式明确，谱宽很窄，功率不同的尖锐的谱线，称为激光器的纵模3．光谱特性当注入电流低于阈值时，发射光谱以自发辐射为主，发出的是荧光当注入电流大于阈值后，谐振腔里的增益大于损耗，产生激光振荡，其发射光谱变窄，谱线中心强度急剧增加3．光谱特性激光器产生的激光有单模和多模单模激光器（SLM）是指激光器发出的激光是单纵模，所对应的光谱只有一个谱线当有很多谱线时，即为多纵模激光器（MLM）3．光谱特性所谓光谱特性是指激光器输出的光功率随波长的变化情况，一般用光源谱线宽度来表示，激光器的越小越好对于多纵模激光器，线宽可用半高全宽光谱宽度来度量一般含有3~5个纵模，对应的线宽为3~5nm对于单纵模激光器，则以光功率峰值下降到20dB时的功率点对应的宽度评定约为0.1nm，甚至更小4．温度特性半导体激光器的阈值电流、输出光功率和输出光波波长随温度变化的特性称为温度特性双异质结半导体条形激光器的温度特性曲线如图5．啁啾单纵模激光器在高速直接调制（强度调制）时，注入有源层的电子密度不断变化，导致折射率的变化，而且使激光器的输出波长和强度都发生变化，在调制脉冲的上升沿向短波长漂移，在调制脉冲的下降沿向长波长漂移，从而使输出谱线加宽，这种动态谱线加宽现象叫做啁啾5．啁啾啁啾的存在使得光信号的频谱大大展宽，成为制约光纤高速传输的一个关键因素解决频率啁啾问题的方法包括对注入电流脉冲形状的控制、注入锁模、采用耦合腔半导体激光器等最直接的方法就是设计出具有较小线宽展宽因子的激光器，如采用量子阱结构设计采用外调制器的方法，可根本消除调制引起的频率啁啾三、新型半导体激光器为了提高光源的调制速率和减小模分配噪声，通常希望LD单纵模输出LD的输出光谱宽度和模式特性与其光增益谱分布和选模机制有关F-P腔激光器由于谐振腔的长度较长，导致纵模间隔小，相邻纵模间的增益差别小，因此要得到单纵模振荡非常困难1．分布反馈DFB激光器分布反馈DFB激光器与F-P激光器的主要区别在于它不需要解理面进行光反馈其反射机构是由有源区波导上的Bragg光栅提供，因为光栅具有很好的选频功能，DFB具有非常好的单色性和方向性，成为一种性能很好的激光器1．分布反馈DFB激光器DFB激光器就是在条形结构的基础上，用光刻技术将有源层刻成波纹光栅形式1．分布反馈DFB激光器DFB利用光栅的二次选频功能，满足布拉格条件的光波在有源区传播过程中沿途不断地经历反射、叠加，不断得到放大加强，而不满足条件的光波得不到放大，很快衰减掉其中，光栅起到一个分布式滤波器的作用，其选频的中心波长λB为1．分布反馈DFB激光器DFB激光振荡波长完全取决于光栅波纹的周期，可通过改变光栅的周期来调整激光器的输出波长DFB激光器的发射光谱主要由光栅周期Λ决定Λ相当于F-P激光器的腔长L，每一个Λ形成一个微型谐振腔由于Λ的长度很小，所以波长间隔比F-P腔大得多，加之多个微型腔的选模作用，很容易设计成单纵模激光器DFB激光器也比F-P激光器有更好的线性响应2．分布布拉格反射DBR激光器分布布拉格反射DBR激光器也是基于光栅的布拉格反射条件工作的，其结构与DFB激光器类似反馈作用反射作用3．量子阱QW激光器量子阱（QW，QuantumWell）激光器与一般双异质结激光器类似，只是有源区的厚度很薄，在10nm左右，属于双异质结器件采用先进的半导体材料外延生长工艺（如分子束外延生长工艺），将厚度仅为几十个原子层的半导体发光材料（作为量子阱）交替生长在光限制材料（作为量子势垒）之间，使其产生量子限制效应3．量子阱QW激光器有源层与两边相邻层的能带不连续，在有源层的异质结上出现导带和价带的突变，这样窄带隙的有源区为导带中的电子和价带中的空穴创造了一个势能阱，将载流子限制在很薄的有源区内，使有源区内的粒子数反转浓度非常高3．量子阱QW激光器量子阱激光器有单量子阱（SQW）激光器和多量子阱（MQW）激光器多量子阱激光器有相对较好的光模式限制特性，所以其电流密度的阈值相对较低输出波长可以通过调整有源层厚度d来改变量子阱激光器能在较低的电流驱动下就产生较强的激光，从而降低温度对激光器性能的影响，使之能在较高的温度下正常工作4．垂直腔面发射激光器VCSEL垂直腔面发射激光器（VCSEL，VerticalCavitySurfaceEmittingLaser）是一种电流和发射光束方向都与芯片表面垂直的激光器垂直腔结构对于二维应用具有很好的灵活性与光纤耦合具有较高的耦合效率在平行光信息处理及广互联等新光电子领域十分引入注目4．垂直腔面发射激光器VCSELVCSEL由有源区、限制区和布拉格反射镜组成，结构通常是上下两块反射镜中间夹着有源区4.3半导体发光二极管在光纤通信中使用的光源，除了半导体激光器（LD）外，还有半导体发光二极管（LED）LED没有光学谐振腔，是无阈值器件，基于自发辐射而工作，发出的是荧光光谱线宽度比LD的谱线宽度要宽，因而色散较大，传输带宽小，发出的功率小但是LED的结构比较简单，价格低，发射功率与温度的关系小，性能较稳定，因此在小容量、短距离的光纤通信系统中得到广泛的应用一、半导体发光二极管的结构用于光纤通信系统的发光二极管有两种基本结构，面发光二极管（SLED）也称为Burrus或前发射边发光二极管（ELED）面发光二极管面发光二极管中，有源发光面与光纤轴垂直面发光二极管发出的光束是各向同性的，总的半功率光束宽度为120°边发光二极管边发光二极管由一个有源结区和两个导光层组成导光层的折射率比有源区的折射率低，但比周围材料的折射率高，从而形成一个波导通道，使辐射光的方向朝向光纤的纤芯边发光二极管边发光二极管的条形接触面的宽度一般为50~70μm之间有源区的长度通常在100~150μm之间边发光二极管比面发光二极管具有更好的方向性，与光纤的耦合效率更高，发光亮度要大二、半导体发光二极管的工作特性1．P-I特性2．光谱特性3．调制特性1．P-I特性LED是无阈值器件，加上电流后，即有输出光，且随着注入电流的增加，输出光功率近似呈线性增加当注入电流较大时，由于PN结的发热而出现饱和现象LED的工作电流通常为50~100mA，输出功率约为几毫瓦，由于光束辐射角大，入纤光功率只有几百微瓦2．光谱特性LED是自发辐射光源，谱线宽度∆λ比LD宽得多谱线宽度∆λ定义为辐射光强下降一半的两点间波长变化值在短波长范围内，LED线宽∆λ的典型值为25~40nm在长波长1310~1550nm波段，线宽∆λ的典型值为50~100nm3．温度特性温度特性主要影响LED的输出光功率、P-I特性的线性及工作波长当温度上升时，LED的输出光功率会下降，例如当温度从20°C提高到70°C时，输出功率将下降约一半，但相对LD而言，温度的影响较小温度上升还将导致线性工作区变窄，电路噪声增加，系统性能下降，峰值工作波长向长波长方向漂移，附加损耗增大三、半导体光源的应用LED与LD相比，LED输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低但LED性能稳定，寿命长，可达到3×105

小时以上，使用简单，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉LED通常和多模光纤耦合，用于1310nm或850nm波长的小容量、短距离的光通信系统LD通常和单模光纤耦合，用于1310nm或1550nm大容量、长距离光通信系统4.4数字光发送机目前的光纤通信系统大多采用传输数字信号的数字光纤通信系统数字光发送机是数字光纤通信系统基本组成部分之一，其主要作用是将电端机送来的数字信号变换为光信号，并耦合进光纤线路中进行传输光发送机中的光源是整个系统的核心器件光源的调制速率、谱线宽度、输出光功率和光束方向性等性能直接影响光纤通信系统的传输容量和传输距离一、光源的调制方式电／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对半导体光源的调制有两种方法一类是直接调制，又称为内调制另一类是间接调制，又称外调制1．直接调制直接调制是通过信息流直接控制激光器的驱动电流，从而实现输出功率的变化来实现调制，也称为强度调制（IM，IntensityModulation）直接调制具有简单方便等优点，但调制速率受到载流子寿命及高速下的性能劣化的限制（如频率啁啾等）直接调制方法仅适用于半导体光源（LD和LED）1．直接调制直接光强度数字调制的原理：通过注入电流来实现光强度调制2．间接调制间接调制是指激光形成之后，在激光器外的光路上放置光调制器，用调制信号改变光调制器的物理特性，当激光通过调制器时，就会使光波的某参量受到调制电信号不再是直接加在激光光源上，而是加在光源输出通路上外加的外调制器的电极上，从而把来自激光二极管的连续光波转换成为一个随电信号变化的光输出信号2．间接调制直接调制会引入频率啁啾，即光脉冲的载频随时间变化由于带啁啾的光脉冲在光纤中传输时会加剧色散展宽，所以在高速系统中需要采用外调制技术此外相干光通信系统也需要采用间接调制商用化的外调制器一般作为一个单独的器件或作为一个部件集成到激光器封装中2．间接调制光信号间接调制是利用一些材料的电光效应、声光效应、磁光效应和电吸收效应使输出光的强度等参数随电信号而变，达到调制的目的目前光通信中实用的调制器主要有两种：一种是M-Z（Mach-Zehnder）波导调制器另一种是电吸收调制器M-Z调制器M-Z调制器用电光材料制作，如LiNbO3

输入光信号在第一个3dB耦合器处被分成相等的两束，分别进入两波导传输波导采用电光材料制成，其折射率随外部施加的电压大小而变化，从而导致两路光信号到达第二个耦合器的相位延时不同M-Z调制器如果两束光的光程差是波长的整数倍，两束光相干加强如果两束光的光程差是波长的一半，两束光相干抵消，调制器输出很小因此，只要控制外加电压，就能对光束进行调制电吸收调制器电吸收调制器（EAM，Electro-absorptionModulator）是一种损耗调制器，为半导体结型器件当外加反向偏置时，耗尽层的电场引起带隙能量（Eg）减少，即所谓Franz-Keldysh效应，利用这个效应可以改变光束的通断电吸收调制器由于能量低于带隙能量的光子可以通过半导体，而能量高于带隙能量的光子将被吸收并产生自由电子－空穴对当EAM无偏压时，带隙能量较大，光子通过，输出功率最大当EAM外加反向偏压，将减小带隙能量，原来可传输波长的光子将被吸收，输出功率最小，从而实现调制电吸收调制器电吸收式调制器可以制成分立器件，通过对接耦合或者光纤与半导体激光器连接EAM也很容易与激光器（通常是DFB型LD）集成在一起，制成体积小、结构紧凑的单片集成组件，这样可以获得较低的连接损耗，所需的驱动电压也更低控制EAM的电压有两种状态：零电压时对应于传输，而加一个小的（在1.5V左右）反向电压则对应于吸收电吸收调制器EAM可以适应10Gb/s甚至40Gb/s的系统，其插入损耗在10dB左右，这一损耗可以通过与调制器集成在同一衬底的光放大器来补偿EAM的频率啁啾比M-Z调制器更大，一般不用于传输距离特别长的高速率海缆系统当利用G.652光纤时，对2.5Gb/s系统，EAM的传输距离可达到600km二、数字光发送机的基本组成在光纤通信系统中，光发送机的作用是将输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号有效注入光纤传输采用直接调制（IM）的光发送机主要包括：输入电路（输入盘）电／光转换电路（发送盘）1．输入电路各部分功能均衡器的作用是对由PCM电端机送来的HDB3码（HighDensityBipolaroforder3code，又称三阶高密度双极性码）或CMI（CodedMarkInversion，又称信号反转码）码流进行均衡，用以补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变，保证电、光端机（发送机和接收机统称端机）间信号的幅度、阻抗适配，以便正确译码1．输入电路各部分功能PCM电端机送来的HDB3或CMI码并不适合在光纤通信系统中传输，需要码型变换并且HDB3或CMI线路码是双极性码，在光纤系统中不宜使用，需要将其变成适合于光纤线路中传输的单极性码。这样经译码后，还原为原来的二进制代码1．输入电路各部分功能译码获得的NRZ二进制信号不直接送光发送电路进行光驱动加扰码电路可有规律地破坏长连“0”和长连“1”的码流，从而使“0”、“1”等概率出现1．输入电路各部分功能线路编码的作用提取定时信息误码检测能力线路编码将改变线路的传输速率1．输入电路各部分功能由于码型和扰码都需要以时钟信号为基础，因此，在均衡电路之后，由时钟提取电路提取出时钟信号，供给码型变换、扰码电路和线路编码使用2．电／光转换电路各部分的功能电／光转换电路（发送盘）主要完成将电信号转换成光信号，并将光信号送入光纤主要由驱动电路、自动功率控制电路和自动温度控制电路和保护电路组成2．电／光转换电路各部分的功能光源驱动电路（又称为调制电路）是电／光转换电路的核心2．电／光转换电路各部分的功能自动功率控制电路APC的功能是自动跟踪光功率输出的变化，相应地改变LD的偏置电流和调制电流，使光功率输出保持恒定2．电／光转换电路各部分的功能LD的特性对温度极为敏感，对于功率要求高稳定的场合，仅有APC电路是不够的，还必须有自动温度控制电路ATCATC就是保持LD的工作温度基本恒定，不受外界温度变化和LD本身结发热效应的影响，可大大提高LD的稳定性和使用寿命ATC一般由致冷器、热敏电阻和控制电路组成2．电／光转换电路各部分的功能ATC电路在设定温度（例如20°C）时，调节R3使电桥平衡，A、B两点没有电位差，传输到运算放大器A的信号为零，流过致冷器TEC的电流也为零2．电／光转换电路各部分的功能实用的光发送机还应考虑各种保护、告警和监测的需要，增设其它电路比如，光发送机电路出现故障，或输入信号中断，或激光器失