光纤与通信：第3章光源与光发射机

光源与光发射机第三章主要内容激光器原理半导体激光器(LD)LD的特性常用光源光发射机光纤通信系统对光源的要求：1、光源发光的峰值波长应当与光纤的低损耗窗口一致。

2、光源的输出功率应当足够大。（10uw~几mw）3、光源应当有高度的可靠性。（10万小时以上）4、光源的谱线不能太宽。5、光源应利于调制。6、电光转换效率应当高。7、光源体积小重量轻功耗小。常用光源半导体激光器（LD）双异质结激光器（DH-LD）分布反馈式激光器（DFB-LD）量子阱激光器（QW-LD）发光二极管（LED）面发光二极管边发光二极管§3.1激光器原理简介2、原子的能级E原子的能级1、光子普朗克常数电子在能级的概率玻尔兹曼常数一、光与物质的作用3、光与物质的三种作用形式光与物质的转变存在三种不同的形式：自发辐射受激吸收受激辐射（1）、自发辐射处于原子高能级的电子是不稳定的，它将自发的向低能级跃迁，发射出一定能量的光子。E电子光子光子的能量满足特点：各个能级上的电子都是自发的、独立的进行跃迁，辐射的光子的频率或相位、方向不同，是非相干光。E2E1自然光（2）、受激吸收在入射光子的激励下，原子低能级上的电子吸收光子的能量从低能级跃迁到高能级。E电子光子特点：这个过程不是自发的，必须有外来的光子的激励。E2E1（3）、受激辐射在入射光子的激励下，电子从高能级跃迁到低能级，同时发出一个能量为

的光子。E电子光子光子特点：（1）受激辐射必须在外来光子的能量等于跃迁时的能级差时发生，（2）产生的光子与原光子的频率、相位、偏振方向相同，称为全同光子，将使光的能量放大。光子E2E1受激辐射是激光器发光的主要原因(LASER-LightAmplificationbyStimulateEmissionofRadiation)受激辐射可能产生光放大二、光放大的条件在热平衡时单位时间受激辐射的电子数+自发辐射的电子数=受激吸收的电子数受激辐射的电子数〈受激吸收的电子数自发辐射系数受激辐射系数受激吸收系数自发辐射入射光出射光入射光自发辐射受激吸收受激辐射光谱密度出射的光子数入射的光子数正常分布受激吸收受激辐射受激辐射的电子数受激吸收的电子数光放大：粒子数反转非热平衡状态有光放大能力激活物质、增益物质光放大器=工作物质+泵浦源工作物质被泵浦源激活后具有光放大作用，就是光放大器入射光受激吸收受激辐射工作物质外在激励泵浦源粒子数反转出射的受激辐射光子数入射光子数光放大的条件：三、激光器组成正反馈谐振回路光学谐振腔光学谐振腔组成：两个反射率为R1，R2的反射镜作用：能量反馈，方向选择，频率选择。激光器=光放大器+正反馈谐振回路Fabry-Perot电子震荡器工作物质泵浦激励光放大器激光器就是一个内部具有光发大器的光子发生器光子振荡器=放大器+正反馈回路——法布里－珀罗（F-P）谐振腔光方向选择：R1R2与中轴平行的光线不断在同一直线上反射，反射光叠加，强度加强R1R2与中轴不平行的光多次反射后离开谐振腔结论：只有与中轴平行的光才存在，否则将在多次反射后消失工作物质辐射的光的波长有一定谱线宽度光频率的选择：λG当反射光与入射光的相位相等或相差2π的整数倍时，发生相强的干涉，光的能量加强。干涉加强干涉减弱相位条件：结论：只有满足相位条件的波长的光才会被加强，否则会被减弱。不满足相位条件时，则发生相消干涉，光的能量渐渐减弱。激光产生的条件：谐振腔的衰减：工作物质的吸收，反射镜的吸收和透射等。谐振腔的增益：工作物质粒子数反转分布后受激辐射光放大的增益。结论：只有满足以上条件时，才有功率稳定的光存在同相激励的相位条件：振荡器起振的幅度条件：增益损耗外在激励粒子数反转分布自发辐射方向选择受激辐射反射反馈阈值条件相位条件方向性好、功率稳定、频率窄的激光激光的产生过程§3.2半导体激光器原理SemiconductorLaserLaserDiode激光二极管LD1、半导体能级半导体是由大量原子周期有序的排列构成的共价晶体，相邻原子原子之间的相互作用使得电子在整个半导体中进行共有化运动，所处的离散能态扩展成连续分布的能带。半导体电子的能带LD是激光器的一种，主要分析工作物质、粒子数反转及反馈回路LD的工作物质是半导体材料形成的PN结化学键电子所处的能带叫价带比价带高的能带叫导带能带之间不允许电子的存在，称为禁带价带（EV）导带（EC）禁带（Eg）2、直接带隙和间接带隙直接带隙间接带隙半导体材料的带隙是动量k的函数，依照带隙的形状，可以将半导体分为直接带隙材料和间接带隙材料两类。一个电子和一个空穴复合，随后辐射一个光子，在最简单和最有可能发生的复合过程中，电子和空穴具有相同的动量导带最小能级和价带最大能级有不同的动量，所以此时导带与价带之间的复合必须要有另外的粒子参与以保持动量守恒，声子就能完成这样的功能x＝0.08的典型Ga1－xAlxAs光谱图工作在800-900-nm光源：

使用的主要的材料是（镓铝砷）（砷化铝与砷化镓的混合材料）工作在光源，使用的材料主要是（铟镓砷磷）3、光源材料砷化铝与砷化镓的比率x决定了合金的带隙，相应地也就决定了其辐射光的峰值波长。通过改变有源区材料的的摩尔比率，可构造出峰值发光波长在之间

4、本征材料费米能级费米能级：是一个假象能级，电子处在该能级上的概率是1/2本征半导体的电子和空穴是成对出现

本征材料：没有缺陷和未掺杂的理想半导体材料位于禁带中央。电子在的能级上的概率小于1/2电子在的能级上的概率大于1/2向晶体中掺微量的Ⅴ族元素,如掺杂的元素原子核的外层有五个电子，其中四个电子用来与相邻的原子形成共价键，余下一个电子受到的束缚很弱，可以用来传导电流，使导带的电子增加。5、n型材料的费米能级导带价带n型材料的导带中电子数增加，电子位于导带的概率增加。掺杂浓度越高，电子位于导带的概率越大，使费米能级抬高可以使得晶体的导电性能大为增加。6、p型材料的费米能级

通过向晶体中掺微量的Ⅲ族元素，也可以使得晶体的导电性能增加，这些用来掺杂的元素在原子核的外层有三个电子，这三个电子与相邻的原子形成共价键，同时会产生一个与施主电子电量相等的空穴，这样就在价带上方产生一个非占用能级（受主能级）。导带价带p型材料的价带中空穴数增加，电子位于价带的概率减少。掺杂浓度越高，电子位于价带的概率越小，使费米能级降低7、pn结

当p型材料和n型材料接触时，两种材料的电荷区相接触，就会形成pn结，它决定了半导体器件的电特性。

当pn结形成后，在pn结上就形成一个内建电场（或势垒）由于电子和空穴都形成共价键结构，所以结区就不再有移动的载流子，称这个区域称为耗尽区（或空间电荷区）.

空间电荷区pn结pn结电子分布8、PN结正向偏置电流流过PN结，破坏了热平衡时统一的费米能级，在P区和N区各自形成了准费米能级。这时，导带上费米能级以下充满了电子，价带上费米能级以上没有电子，因此，形成了粒子数反转分布，成为激活区。当PN结加上正向偏压时，外加电压的电场方向正好和内建场的方向相反，因而削弱了内建电场，有电流流过PN结，使导带电子密度增加。电流越大，导带的电子密度越大。形成光放大器7、pn结空间电荷区8、加正向偏置粒子数翻转粒子数未翻转解理面解理面解理面解理面9、谐振腔反射面利用晶体解理面构成反射面当激光器阈值电流很大时，器件发热，使寿命很短。如何使激光器阈值电流减少，使寿命长？采用异质结结构10、阈值电流LD要输出激光必须要满足以下条件：（1）粒子数反转；（2）增益大于损耗。只有电流大于一定值时才能满足以上条件。即LD存在一阈值电流才有激光产生。同质结异质结载流子限制11、异质结LD同质结结构单异质结结构双异质结结构(1)同质结与异质结

PN结是否为同一种材料（2）异质结的特点载流子限制与光波限制限制载流子在有源区，在电流不大时就容易达到粒子数反转异质结折射率分布光波限制光功率分布采用异质结，由于载流子限制和光波限制，再配合别的工艺，使LD的阈值电流从几百mA下降到mA。使LD可以长时连续工作。限制光波在有源区使有源光密度增加从而使光增益增加§3.3半导体激光器（LD)特性1、输出光功率与激光器驱动电流之间关系

外量子效应阈值电流2、激光二极管的模式在半导体激光器的谐振腔内，在横向有不同的场分布称为横模

在纵向有不同的场分布称为纵模谐振腔中纵向模式。激光二极管谐振腔中的的横模与纵模横模：由激光器谐振腔横向结构决定纵模：由激光器谐振腔纵向长度决定不同的纵模对应不同的谐振频率3、光谱特性LD输出光功率和波长的关系（1）半导体材料的自发辐射发光特性（2）激光器增益和波长的关系（3）谐振腔的选频特性有很多纵模多纵模激光器考虑激光器相位关系

在多模激光器中纵模的频率的间隔为：多纵模激光器的纵模间隔例：有一GaAs多纵模激光器,腔长500μm，材料折射率n＝3.7,激光器工作波长为850nm,频率和波长的间隔各为多少？解：4、温度特性其中是激光器对温度敏感程度的度量的特性温度；是一个常数。（1）温度对阈值电流的影响（2）温度对量子效率的影响（3）温度输出光谱的影响温度升高，光谱变宽电光延迟、张弛振荡、自脉动、啁啾（1）电光延迟激光器的输出光信号滞后于电信号td原因：有源区的电子密度必须增加到一定的阈值才会有光出来。5、瞬态特性电信号光信号电信号光信号（2）张弛振荡当电脉冲注入激光器后，输出光脉冲有一个幅度逐渐衰减的振荡。影响：当调制速度接近张弛振荡的频率时，容易产生误判，影响了调制的速度。原因：光子激发与电子注入的时间延迟。通过增加偏置电流可以改善电光延迟和张弛振荡引起的码型效应。电光延迟和张弛振荡在光通信中会引起码型效应。码型效应：输出的光信号中“1”码的波形和码型有关，在检测时容易引起误码电信号码型光信号码型（3）自脉动现象有些激光器在脉冲调制下或直流驱动下，当注入电流足够大时，输出的光脉冲出现持续等幅的高频振荡。（4）啁啾（Chirp）效应有的激光器在输入电流变化时载波有一附加的调频现象§3.4分布反馈半导体激光器（DFB)异质结LDDistributedfeedbacklaser多纵模LDF-P谐振腔光谱比较宽几个只有一个纵模光谱就很窄如何实现单纵模单纵模LD采用分布反馈是一种很好的方法（用反射面集中反馈）（1）DFB激光器的结构

DFB是用Brag衍射光栅代替F-P谐振腔对光进行波长的选择，使激光器形成单纵模。Bragg波纹光栅是由于材料折射率的周期性变化而形成。（2）DFB激光器的工作原理DFB激光器用布拉格（Bragg)光栅代替F-P镜面反射。

P区N区有源区光栅布拉格反射条件

布拉格反射条件

DFB激光器的优点

当光栅的周期长度为L时，只有满足布拉格反射条件波长为的光波，才能产生激光振荡，因而使激光器得到单频输出。由于分布馈激光器是由光栅来选择单纵模，因而在高速调制下仍维持单纵模输出。----DFB激光器的谱线窄，其线宽大约为普通型激光器线宽的1/10左右，如图所示，从而使色散的影响大为降低，可以实现速率为Gb/s的超高速传输。DFB的优点：1、单纵模

2、谱线窄(0.02~0.06nm),波长稳定3、动态谱线好，啁啾小，利于高速调制4、线性好，利于调制模拟信号。DFB的应用：2.5G以上的1550nm第三代光纤通信系统光纤CATV3、量子阱激光器（QW-LD）量子阱：一般双异质结激光器的有源层的厚度为0.15um,若将有源层的厚度减少到德布罗意波长（50nm）以下，半导体的性质将发生根本的改变，出现量子效应，相应的势阱称为量子阱。（我们将窄带隙Eg称为势阱，将宽带隙Eg称为势垒）量子阱激光器：将双异质结半导体激光器的有源层做到nm级，形成量子阱结构，使之出现量子效应，这样的激光器叫做量子阱激光器。单量子阱激光器(SQW-LD)具有一个势阱和两个势垒的激光器多量子阱激光器（MQW-LD）具有n个势阱和n+1个势垒的激光器势垒势阱6.3nm<Lw<50nm势垒势阱量子阱激光器（QW-LD）Quantum-well3.5发光二极管一、发光原理LED与LD的最大不同：没有光学谐振腔反射，发出的是自发辐射光。P层N层有源层＋－低高E外电场在正向偏压的情况下，N区的电子将向正方向扩展进入有源区，P区的空穴也将向负方向扩展进入有源区。进入有源区的电子和空穴由于势垒的作用而被封闭在有源区，这些电子将发生自发辐射，发出自发辐射的光。只要有外加电流的作用，就会源源不断的向有源层提供电子和空穴得到稳定的自发辐射光。

LEDLightemittingdiode二、分类边发光二极管面发光二极管面发光二极管正面发光辐射角大输出功率大耦合效率低边发光二极管侧面发光辐射角小输出功率小耦合效率高三、工作特性1、光谱特性和辐射特性没有经过光学谐振腔的光强反馈、方向选择和光频选择，谱线宽，辐射角大，强度不大。λ

P△λ3dBⅠθ

3dBθoⅠ0Ⅰ=Ⅰ0·cosθ2、P–Ⅰ特性ⅠP边发光二极管面发光二极管无阈值自发光近似直线ⅠPⅠth（闸值电流）3、温度特性10℃20℃30℃40℃50℃ⅠP对温度不敏感，不用ATC电路。ⅠP20℃30℃40℃60℃80℃4、可靠性工作寿命长，可靠性好，达3×105小时，合34年。5、耦合效率低LED发散角大，耦合效率低。一般小于10%。四、应用中低速数字通信和模拟通信中根据LED和LD的性能，在选择光源时应作到技术上合理、经济上合理以及便于应用。§3.6光发射机

光发射机实现电/光转换。由光源、驱动器和调制器组成。功能:用电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤光缆中。光源光调制器光载波电信号光信号光源驱动1、光纤通信的调制什么是调制：把随信息变化的电信号加到光载波上，使光载波承载上信息，随电信号变化，这就是调制。如何调制：模拟信号调幅AM调频FM调相PM数字信号ASKFSKPSKQAM目前光纤通信系统采用那种调制：IMimmediacymodulate光的功率（强度）随电信号变化

IM-DD（immediacymodulate-directdetection）选用调制技术要主要考虑的因素：频谱利用率（带宽或容量）抗干扰性电路复杂性如何实现强度调制：内调制（直接调制）外调制（间接调制）强度调制在接收端解调采用直接检测IM的特点：实现容易，成本很低要传输的信号载波内调制（直接调制）：设备简单，但有啁啾，不利于高速调制。LED调制IPIPLD调制直接光调制图：偏置电流直接用电信号去驱动光源。外调制（间接调制）

：调制器电信号激光器直流驱动电路光信号解决了啁啾现象，适于高速数字信号、模拟CATV、军事雷达等，并且可进行幅度、相位、频率调制，但对光源和光调制器要求很高。利用外调制器对激光器输出光信号进行调制。电信号激光器直流驱动电路外调制器光信号对数字信号的IM铌酸锂光调制器2、光发射机组成光源（1）内调制光发射机组成（2）外调制光发射机组成驱动（调制）电路光源控制保护与电路线路编码输入接口电路光源驱动电路光源控制保护电路线路编码输入接口电路调制器调制器控制电路（1）、激光器的直接调制电路模拟信号调制数字信号调制3、直接调制电路工作在线性段可以饱和输出激光器的数字调制电路偏置电流和调制电流的选择

偏置电流的选择直接影响激光器的高速调制性质。(1)加大直流偏置电流使其逼近阈值，可以大大减小电光延迟时间，同时使张弛振荡得到一定程度的抑制。从而可以大大减小码型效应。LD无偏置和有偏置时脉冲瞬态波形和光谱LD加了足够的预偏置电流，调制电流脉冲幅度较小，预偏置后张弛振荡大大减弱，谱线减少，光谱宽度变窄；另外，电光延迟的减小，也大大提高了调制速率。选择直流预偏置电流要兼顾电光延迟、张弛振荡、码型效应、激光器的消光比以及散粒噪声等各方面情况，根据器件特别是激光器的具体性能和系统的具体要求，适当的选择偏置电流的大小。

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（2)加大直流偏置电流会使激光器的消光比恶化。

光源的消光比将直接影响接收机的灵敏度，为了不使接收机的灵敏度明显下降，如果激光器的偏置电流IB过大，势必会使消光比恶化，降低接收机的灵敏度。消光比：在全“l”码时发送的光功率(P1)与全“0”码时发射的光功率(Po)之比：通常取IB＝(0.85～0.9)Ith。(3)实验证明，异质结激光器的散粒噪声在阈值处出现最大值，如激光器正好偏置在阈值上，散粒噪声的影响较严重。由于激光器的电阻较小，因此激光器的偏置电路应是高阻恒流源。调制电流幅度的选择：应根据激光器的特性曲线，既要有足够的输出光脉冲功率，又要考虑到光源的负担。考虑到某些激光器在某些区域有自脉动现象发生，Im的选择应避应避开这些区域。自动功率控制电路(APC)自动温度控制电路(ATC)

激光器保护电路

光源慢启动保护电路激光器反向冲击电流保护电路激光器过流保护电路激光器关断电路4、控制保护电路自动功率控制峰值功率控制：偏置电流控制调制电流幅值控制平均功率控制：偏置电流控制通常要求：输出平均光功率:0~-3dBm;

不稳定度:0.5dB(模块表面温度0-50C)

消光比:10dB

自动功率控制电路(APC)

6、自动温度控制电路(ATC)

热敏电阻半导体制冷器制冷器驱动电路激光器的过流保护电路正常情况下，电阻Rl上的电压小于T4的导通降压，因而T4截止，保护电路不工作。T3为激光器提供偏流IB。保护电路由晶体管T4、电阻Rl组成当偏流IB过大，致使Rl上的压降VRl剧增并超过T4的导通压降时，T4饱和导通，使Vce4≈0，从而导致T3截止，保护了激光器不致因偏流IB过大而被损坏。一、普通二进制码的缺点：

（1）码流中的0、1个数随机变化，使得直流分量也发生随机的起伏，从而影响了判决电平。（2）随机码流容易出现长串连0和连1，使得同步时钟的提取困难。（3）没有冗余码，不利于误码检测。所以必须重新进行光线路编码。5、线路编码（4）双极性码，不能进行光纤传输光源驱动（调制）电路光源控制保护与电路线路编码输入接口电路信道编码二、数字光纤通信系统对编码的要求：（1）减少光信号中的高频和低频分量。低频：容易导致基线的漂移，产生误判。高频：使得系统带宽增加，加大电路设计的难度。（2）定时信息丰富避免长的连0和连1，使0、1交替分布。（3）有适当的冗余码。一定的冗余码可以用于平衡码流，误码检测，公务通信。但过多的冗余信息会降低接收机的灵敏度。1、NRZ码（非归零码）与RZ码（归零码）NRZ码是最简单的码型。NRZ码很容易产生和译码，但它们没有内在的误差监测或纠错能力，也没有自有时钟（定时）特征。三、线路码型NRZ码RZ码

2、mBnB分组码

将原始二进制码分组，m个为一组，变换后为n个一组,（m>n）

新的分组以NRZ或RZ的格式传输。

什么是mBnB分组码？mBnB分组码的特点：1、避免了长的连0和连1，定时信息丰富。2、总的0、1比例相等，基线漂移小。3、引入冗余码，便于误码检测。数字3B4B方式1方式2012345670000010100111001011101110100001101010110100110101100001010110011010101101001101011001101如：3B4B分组码（1）不出现连续4个以上的“0”码或“1”，易于定时提取。（2）电路简单，易于实现。（3)有一定的纠错能力。当编码规则被破坏后，即