第三章光发射机1

第三章：光发送机刘建国中国科学院大学光纤通信链路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光发送机光源（LED&LD)LD动态特性与调制光发送机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核心器件：光源、调制器正面背面机柜和机架设备的规格与标准美国电子工业协会（EIA）制定的工业标准19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=1.75英寸没有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光发送机基本结构防止LD输出的激光反射，实现光的单向传输保持光源恒定的温度，保证激光参数的稳定性（波长）使光源有恒定的光输出功率数字或模拟电信号微波/电接口驱动电路调制器光隔离器光源功控温控光发射机光发送机中的自动温度控制电路激光器的温度主要影响发射波长控制精度达到0.01ºC波长稳定性达到200MHz/24小时激光器热导制冷器热敏电阻温度控制电路光发送机中的自动功率控制电路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。激光器热导制冷器热敏电阻温度控制电路PD自动功率控制（APC）电路偏置电流高精度温控与低温波恒流流源优点：高电流稳定度：纹波在μA量级。高精度温控：精度在0.001℃量级。自动保护功能：激光器短路保护，反接保护，慢启动保护，TEC短路保护，防浪涌保护。操作简便：人性化控制面板设计参数名称特性指标输出电流量程100mA/300mA可选调谐精度0.01mA电流纹波<1μA温控范围10℃—40℃温控精度0.001℃功耗小于15W外接电源220V储存温度-40~85℃工作温度-20~65℃TEC工作电压5V

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波长准：窗口之内，符合ITU标准;功率高：以满足系统对光中继段距离的要求;高可靠：寿命长，可靠性高;单纵模：以减少光纤的材料色散；噪声低:以提高模拟调制系统的信噪比;高线性:以保证模拟调制不失真。。。。。。。最常用的光源光纤通信中最常用的光源是:

半导体激光器（LD

LaserDiode） 发光二极管（LEDLightEmittingDiode）尤其是单纵模（或单频）LD，在高速率、大容量的数字光纤系统中得到广泛应用；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。pn-junction物理基础 原子的能级、能带以及电子跃迁 自发辐射与受激辐射能级(孤立原子）

能级理论是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、分立的轨道上运动，各个轨道上的电子具有分立的能量，这些能量值即为能级。原子核电子高能级低能级电子优先抢占低能级N=4N=9能带(晶体，大量原子阵列）能带理论

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？As+4As+5非本征半导体材料：n型掺入第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(0.04~0.05eV)就能让它成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。施主杂质非本征半导体材料：p型掺入第III族元素(如硼B,铟In,镓Ga,铝Al)，晶体只需要很少的能量DEA<Eg

就可以产生自由空穴B受主杂质PN结浓度的差别导致载流子的扩散运动,平衡时，中间形成一个特殊的区域-pn结，它阻挡了载流子的扩散运动，因此也称为耗尽区。讨论：什么是PN结？

反向偏压反向偏压使耗尽区加宽扩散运动被抑制，只存在少数载流子的漂移运动Un型p型耗尽层耗尽层

正向偏压正向偏压使耗尽区变窄,使得多数载流子在结区扩散Un型p型耗尽层耗尽层导致p型（或者n型）内的少数载流子浓度大大增加。与多数载流子的复合是产生光辐射的机理。电致发光正向偏压使pn节形成一个增益区：-导带主要是电子，价带主要是空穴，实现了粒子数反转-大量的导带电子和价带的空穴复合，产生自发辐射光pn外加正偏压注入载流子粒子数反转载流子复合发光hv直接带隙：导带的最低位置位于价带最高位置的正上方；电子空穴复合伴随光子的发射。III-V族元素的合金，典型的如GaAs等。间接带隙：导带的最低位置不位于价带最高位置的正上方；电子空穴复合需要声子的参与，声子振动导致热能，降低了发光量子效率。发光材料的选择讨论：什么是直接带隙、间接带隙？辐射与跃迁

hE2E1自发辐射E2E1受激吸收hhE2E1受激辐射hh发光二极管光电二极管激光器电子可以在不同的轨道间发生跃迁，电子吸收能量可以从低能级跃迁到高能级或者从高能级跃迁到低能级从而辐射出光子自发辐射

处于高能级的粒子，各自分别发射频率ν=(E2-E1)/h的光波只与原子本身的性质有关，与外界存在的光子数无关各个处于高能级的粒子都是自发地、独立地进行跃迁，其辐射光子的频率不同，所以自发辐射的光的频率范围很宽自发辐射光是由不同频率、不同相位、不同偏振方向的光子组成，是非相干光，各光子彼此无关hE2E1自发辐射受激辐射

处于高能级E2的粒子受到光子能量为hν的光照射时，粒子会由于这种入射光的刺激而发射出与入射光一模一样的光子，并跃迁到低能级E1上。出射光与入射光具有相同的波长、相位、偏振和传播方向hE2E1受激辐射hh光源

发光二极管LED与激光器laserhE2E1自发辐射hE2E1受激辐射hh发光二极管激光器LED

LED原理

LED特点

LED小结发光二极管LED

基本原理：外加电场实现粒子数反转，

大量电子-空穴对的自发复合导致发光pnLEDiV+-基本结构

面发光型（SLED），边发射型（ELED）面发射LED

P(q)=P0cosq载流子注入25mm2.5mm朗伯光半功率光束宽度120˚优点：驱动电流小，成本低缺点：发散角大，耦合效率低边发射LED

优点：与面发光LED比，光出射方向性好缺点：需要较大的驱动电流、发光功率低载流子注入50~70mm100~150mm30º120ºLED的P-I特性

无阈值LED的光谱特性

自发辐射，谱线较宽，几十到上百nm随着温度升高或驱动电流增大，谱线加宽，且峰值波长向长波长方向移动LED的温度特性随温度升高，量子效率降低，无阈值。OpticalPowerOpticalPowerOutput111100InputCurrent(Signal)ttLED数字调制SignalLEDiLED模拟调制iisIdcBiasSignalLEDOpticalPowerOpticalPowerInputCurrent(Signal)ttPdcIdciPspIsp0LED模拟调制原理图LED模拟调制SourceBandwidthConstraintsThelightsourcelimitsthehighestmodulationfrequencyfortworeasons:Junctionandparasiticcapacitance.

（结电容和寄生电容）2)

Non-zerocarrierlifetimes.

(载流子寿命)LED调制带宽isPotrttOutputPowerLargeincreasesthepulserisetimetr.Largebroadenstheoutputpulse.InputCurrentThesechargesproducethesephotons.Example:DigitalModulationLED调制带宽从电的角度看，光电检测器输出电功率变为原来一半，即系统输出光电流变为0.707时所对应的频率定义为3-dB带宽，即电3-dB带宽TypicalLEDbandwidthsareontheorderof1MHzto100MHz.LED调制带宽LED的响应速度响应速度比激光器低边发光的LED:300MHz面发光的LED:17~35MHzLED小结

特点1）非相干光源，谱线较宽、方向性较差2）无阈值电流，输出功率基本上与注入电流成正比4）响应速度慢，只适用于较低速通信系统5）驱动电路简单、不需要温控和功控6）可靠性高、寿命长、成本低pnLEDiV+-应用场合：短距离光纤传输，可见光通信

LD

LD基本原理

发辐射与受激辐射LaserLightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiationLASER原理激光器产生激光的条件是：增益介质：增益>损耗泵浦源：粒子数反转谐振腔：光反馈相位锁定，波长选择(受激辐射的光放大)泵浦R1R2增益介质反射镜L激光诞生（laser）1917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。1953年

美国物理学家CharlesTownes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）1957年 Townes的博士生GordonGould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1960年

美国加州Hughes实验室的TheodoreMaiman实现了第一束激光半导体激光器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激光器、DFB激光器、DBR激光器、量子阱激光器、VCSEL激光器制作激光器的半导体材料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法布里-珀罗（F-P）型激光器F-P型激光器是最常见最简单的激光器.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。LASER激射过程（FP）将工作物质置于光学谐振腔(F-P腔)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，产生大量相干光子通过来回反射，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g(·)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：谐振腔的光传播（FP）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：和光幅度放大光相位同步幅度条件相位条件上式表明，激光器只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：谐振腔的光传播（FP）增益谱与F-P腔选频增益谱F-P腔滤波器F-P的谐振波长Dl为谐振峰的间隔：F-P自由谱宽频域采样F-P腔激光器工作过程F-P激光器的限制注入电流不同温度或电流变化引起跳模F-P激光器在高速调制（>1Gb/s）下，或在温度和注入电流变化时，不再维持原激射模式，而会出现模式跳跃和谱线展宽，这对高速应用很不利。为了维持单模，减小光谱展宽，需研究动态单模激光器DFBLD及DBRLDF-P激光器实例半导体激光器的模式特性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。分为纵模和横模激光器横模与纵模激光器横模与纵模模式间存在竞争，导致不稳定