光纤通信4第四章光源和光发射机

光纤通信简明教程总学时数40周学时4光纤通信原理全面表达光纤损耗特性

197020dB/km

现0.2dB/km袁国良李元元编著主要参考书

方强《光纤通信》

西安电子科技大学出版社孙学康《光纤通信技术》

北京邮电大学出版社1目录第1章光纤通信概述第2章光纤的物理学基础第3章光纤第4章光源和光发射机第5章光检测器和光接收机第6章光纤通信系统与工程第7章SDH技术第8章光放大和色散补偿技术第9章波分复用技术第10章光纤通信的高新技术2

本章内容4.1半导体的能带理论4.2发光二极管4.3半导体激光器4.4光调制4.5光发送机第4章光源和光发射机34.1半导体的能带理论第4章光源和光发射机根据能量最小原理：每个电子总是趋向占有最低能级。满带－能带中最低的能级，是被价电子占满的，满带中的电子不起导电作用。价带－相应于价电子所填充的能带，可能被占满，也可能被占据一部分。导带－最高的未被电子填满的能带。由于激发等原因而在导带中出现了电子，在价带处留下一个空穴，邻近的电子过来填补，空穴导电。Ef导带价带满带Eg禁带1．半导体的能带4第4章光源和光发射机若

E＝

Ef

，则f（E）＝1/2说明该能级被电子占据的概率为50％若E<Ef

，

则f（E）

>1/2说明该能级被电子占据的概率大于50％若E>Ef

，则f（E）

<1/2说明该能级被电子占据的概率小于50％能量为E的能级被一个电子占据的概率为k0

为波耳兹曼常数，T

为绝对温度，Ef

为费米能级5第4章光源和光发射机从费米能级的位置可以判明半导体的类型以及掺杂程度

受主杂质多施主杂质多（价带几乎全是束缚电子）本征半导体Ef导带价带N型半导体P型半导体Ef导带价带Ef导带价带重掺杂N型半导体重掺杂P型半导体Ef导带价带Ef导带价带2．半导体PN结的形成6第4章光源和光发射机扩散

空间电荷区（PN结）的形成：P型区空穴浓度高，电子很少，N型反之。N型区中的电子向P区扩散，P区中的空穴向N区扩散。在P区留下了带负电的离子，N区反之。②内建电场使P区的电子移向N区，将N区的空穴移向P区。这种与扩散相反的作用称为漂移作用。这个电场阻止扩散作用。扩散与漂移达到平衡。PN①⊕⊕⊕⊕①①①①+—Ef导带底价带顶价带顶导带底⊕⊕①空间电荷区内建电场PN结形成后的能带分布图PNENf导带底价带顶价带顶导带底有源区外加正向偏压后PN结能带分布图EPf7第4章光源和光发射机③PN结形成后的能带分布由于内建电场的作用，使得P区电子的电位能相对于N区提高了，从而形成了PN结能带。④粒子数反转PN结外加正偏压后使P区的正电荷电位提高（电子电位降低），空穴多，使N区的电子电位提高，电子多。出现粒子数反转。PN①⊕⊕⊕⊕①①①①+—Ef导带底价带顶价带顶导带底⊕⊕①空间电荷区内建电场PN结形成后的能带分布图PNENf导带底价带顶价带顶导带底有源区外加正向偏压后PN结能带分布图EPf8第4章光源和光发射机2．同质结和异质结半导体激光器的复合发光区域是有源区。有源区通常由一个或多个垂直方向的PN结构成。根据PN结的性质不同，又分为同质结、异质结激光器。同质结在PN结的两边使用相同的半导体材料采用同质结结构的激光器或发光二极管存在如下两个问题。①

对光波的限制不完善。由于P-GaAs

和N-GaAs同为GaAs材料，两者折射率差别不大，导致纤芯和包层的折射率差别不大，属弱导波结构，导波作用不大，会有相当一些光波进入了无源区（即不满足粒子数反转的区域），这对输出的光波来讲是一种损耗。9第4章光源和光发射机②对载流子的限制不完善。当外加正向偏压后，注入的载流子（电子、空穴）进入N区，P区后还要向P区、N区扩散，使有源区变宽，导致需要更大的阈值电流来产生激光。因此为了降低同质结半导体激光器的阈值电流，就要从上述两个方面改进。改进的方法就是采用异质结结构。

10第4章光源和光发射机所谓异质结是指由两种不同的半导体材料（如GaAs

和GaAsAl

）构成的PN结。即在同质结的基础上增加了一层异质材料GaAsAl

，其作用有两方面：

a：在异质材料之间出现一个台阶，对电子呈现了一个位垒，使其不能越过这个台阶，不能溢出，从而使有源区的电子浓度增大，增加了受激辐射作用。

b：在界面上出现了n

的突变，限制了光波，起到了导波的作用。异质结11第4章光源和光发射机双异质结在单异质结的基础上，在有源区的另一侧加了一块异质材料，从而在有源区的两侧对载流子和光波进行了限制。这样，光能被有效地限制在有源区内，阈值电流大大降低。12第4章光源和光发射机双异质结单异质结同质结相对折射率差很小0.1~1%大5%双边大，波导效应显著光增益光强分布阈值电流密度小大更大分散收缩于激活区更集中大较小最小

增加载流子的注入效率，形成光波导效应，降低阈值电流异质结的比较134.2发光二极管发光二极管(LED)是低速、短距离光通信系统中常用光源。目前广泛采用PN异质结制造。

LED的原理是在LED注入正向电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中发光。

LED是非相干光源，它的发光过程是自发辐射过程，发出的是荧光，它没有光学谐振腔，是无阈值器件。第4章光源和光发射机141.LED的结构和工作原理

LED的基本工作原理是光的自发辐射。正向电压V提供的外加能量激发了处于导带的电子和空穴进入耗尽区并且发生复合，促使发光二极管LED产生了能量。与普通二极管以热能的方式释放能量不同，LED将大部分产生的能量以可见光的方式释放出来。第4章光源和光发射机双异质结半导体发光二极管的结构15第4章光源和光发射机通常，用内部量子效率η来衡量受激电子中产生光子的电子的比例。1.LED的结构和工作原理辐射光功率表示每秒发光的能量其中N为受激电子的数量，Ep为单个光子的能量电流辐射光功率与电流关系16LED可分为面发光二极管和边发光二极管两大类。1)面发光二极管第4章光源和光发射机1.LED的结构和工作原理结构：双异质结有源发光区为圆形平面，直径50μm厚度2.5μm。发光区光束的水平、垂直发散角均为1200。172）边发光二极管边发光二极管结构示意图如下所示，它为长波长1.31μm双异质结InGaAsP/InP边发光型LED的结构。其核心部分是一个N-AlGaAs有源层，及其两边的P-AlGaAs和N-AlGaAs导光层(限制层)。导光层的折射率比有源层低，但比其他周围材料的折射率高，从而有源层产生的光波从端面发射出来第4章光源和光发射机182）边发光二极管第4章光源和光发射机有源层光射出端面为50－70μm，镀有增透模，另一端镀有金属模，长度为100－150μm。边发光二极管的方向性比面发光的好，其发散角水平方向为250－350，垂直方向为1200。边发光二极管驱动电流较大，输出光功率较小，但是由于光辐射角度较小，与光纤的耦合效率较高，因而入纤光功率比面发光型LED大。目前单模数字光纤通信系统大多采用边发光型LED。192．LED的工作特性1)LED的光谱特性由于LED是自发辐射，没有谐振腔对波长的选择，谱线较宽，对高速率调制是不利的。短波长LED的谱线宽度为30－50nm，长波长LED的普线宽度为60－120nm。发光光谱随着温度升高而升高，且峰值波长向长波长方向移动。第4章光源和光发射机LED的光谱特性20第4章光源和光发射机光谱宽度是决定色度色散的主要因素。也是决定光纤带宽的关键参数，色度色散与光谱宽度和传输距离都是成比例的。因此LED只可用于短距离窄带宽应用。

色度色散是指光源光谱中不同波长的光在光纤中的群延时差所引起的光脉冲展宽现象

。单位为ps/nm.km。单模光纤的色度色散是材料色散和波导色散之和。2．LED的工作特性1)LED的光谱特性212）LED的输出光功率特性

从下图可见LED的P-I曲线线性范围较大，当驱动电流I较小时，P-I曲线的线性较好，在进行调制时，动态范围大，信号失真小。通常工作条件下，LED工作电流为50－100mA，输出光功率为几十毫瓦，由于光辐射角度大，入纤功率只有几百微瓦。第4章光源和光发射机22第4章光源和光发射机3）耦合特性NA为数值孔径，θ⊥为光源的垂直光束发散角，θ∥

为光源的水平发散角。对面发光二极管，θ⊥＝θ∥

＝120°对边发光二极管，θ∥

＝120°耦合效率公式ηc

＝Pf/Ps

ηc

为耦合效率，Pf

为入纤功率，Ps

为光源的输出功率。

LED的辐射强度空间分布可以用发散角来表示。其发出的光束发散角较大，大约为40－1200范围23第4章光源和光发射机3）耦合特性结构简单，耦合效率低。对面发光LED

为提高耦合效率可放置透镜4）温度特性LED的温度特性较好，在－20－600范围内，变化不大，不需加温控电路。适合短距离使用。24第4章光源和光发射机5）载流子生存期和调制带宽生存期是τ指载流子从被激活（即被射入耗尽区）到被复合之间的这一段时间，也称为复合生存期，其范围一般从几纳秒到几毫秒。可以将它分为辐射复合生存期τn和非辐射复合生存期τnr，这样总的载流子生存期为：25第4章光源和光发射机5）载流子生存期和调制带宽调制带宽BW是指当检测的电功率衰减到－3dB时的调制频率的范围。LED的调制带宽由载流子的生存期决定。

BW＝1/τ其输出光功率受调制频率和τ的限制。为提高调制频率，应设法减小τ。但调制频率提高后，输出光功率可能下降。在一般工作条件下，面发光LED的截止频率为20－30MHz，边发光LED的截止频率为100－150MHz。这就是为什么LED的带宽被限制在几百兆赫的原因，所以LED应用主要局限于低带宽网络和局域网上。264.3半导体激光器半导体激光器（LD）主要适用于长距离大容量的光纤通信系统。尤其是单纵模半导体激光器，在高速率、大容量的数字光纤通信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WDM光纤通信系统的关键器件，越来越受到人们的关注。第4章光源和光发射机271、光纤通信对半导体激光器的主要要求半导体激光器(LD)是光纤通信最主要的光源，对它的基本要求有以下几点：（1）光源应在光纤的三个低损耗窗口工作，即发光波长为

0.85μm、1.31μm或1.55μm。（2）光源的谱线宽度较窄，Δλ=0.1～1.0nm。（3）能提供足够的输出功率，可达到10mW以上。（4）与光纤耦合效率高，30%～50%。（5）能长时间连续工作，工作稳定，提供足够的输出光功率。第4章光源和光发射机282、LD的基本结构与工作原理一个典型的半导体激光器由下面几部分功能组成。（1）有源区（增益区）有源区是实现粒子数反转分布，产生光增益的区域。满足N2>N1（2）光反馈装置完成正反馈以促进激光振荡。利用晶体的自然解理面的反射形成。其大小决定了纵模的模式。第4章光源和光发射机频率选择元件光波导光反馈装置有源区输出光29第4章光源和光发射机频率选择元件光波导光反馈装置有源区输出光（3）频率选择元件采用相位光栅作为频率选择元件，利用其优良的滤波特性实现单纵模工作。（4）光束的方向选择元件只有严格与腔轴平行的光束才能在谐振腔里来回反射，多次通过增益区得到放大。（5）光导波用于对所产生的光波在器件内部进行引导。它对激光器输出的横向模式存在较大影响。302、LD的基本结构与工作原理第4章光源和光发射机半导体激光器产生激光输出应满足三个基本条件：．粒子数反转分布．光反馈．激光振荡的阈值条件（1）粒子数反转分布在外加正向偏压作用下，不断注入电子，在PN结上就会形成粒子数反转分布，为了限制载流子和光波的范围，一般采用双异质结结构。312、LD的基本结构与工作原理第4章光源和光发射机（2）光的正反馈与谐振条件谐振腔要满足如下条件：

qλ=2nL,q为正整数，称为纵模模数。由于受激辐射光只在沿腔轴方向（纵向)形成纵模。根据驻波条件，腔长为L的谐振腔内能产生的驻波数为q。当q不同时，可能有不同的波长值，既有若干个谐振频率。q的取值越少，光谱特性越好。322、LD的基本结构与工作原理第4章光源和光发射机（3）激光振荡的阈值条件光学谐振腔实际上存在两个相反的过程：

光增益和光损耗只有当光增益G大于损耗α时，才能建立起稳定的激光振荡，输出激光，这个条件称为激光器的阈值条件。即

G>Gt333、常用半导体激光器第4章光源和光发射机1）法布里—珀罗激光器普通的半导体激光器一般采用条形结构双异质结半导体激光器(BHLD)，光学谐振腔为法布里－珀罗腔(F－P)，从光的振荡形式上看，主要有两种方式构成的激光器，一种是用天然解理面形成的F－P激光器，另一种是分布反馈型激光器（DFB－LD）铟镓砷磷双异质结条形激光器构造341）法布里—珀罗激光器①外加正向偏压足够大时，PN结区出现粒子反转分布状态，受激辐射大于受激吸收，产生光的放大。被放大的光在F-P光学腔中来回反射，不断增强，当克服损耗（即满足阈值条件）后，即可发出激光。

FP-LD输出的激光在低码速下具有良好的单纵模性，

但在高码速下，其光谱呈多纵模性，光谱线较宽。第4章光源和光发射机35第4章光源和光发射机半导体激光器的纵模和横模性质纵模反映激光器光强随波长变化的情况，即光谱特性。横模反映激光器输出光束的空间分布，即方向特性。

纵模：产生纵模的条件

a：与谐振腔轴线平行的光纤

b：往返一次的相位差等于2π的整数倍Z激光输出m可取1，2，3，。。。。纵模在光谱中是一根根离散的谱线36第4章光源和光发射机纵模的性质

a：纵模数量随注入电流变化。在高注入电流时呈单纵模振荡。b：峰值波长随温度变化。温度升高时，禁带宽度变窄，峰值波长向长波长方向移动。c：动态谱线展宽。光谱宽度：最大输出光功率下降到一半时所对应的谱线全宽。谱线宽度影响材料色散和波导色散。谱线越窄越好，且工作在单纵模状态。37第4章光源和光发射机横模：表示谐振腔中垂直于腔的方向上光场分布。横模决定了激光束强度的空间分布，也决定了光纤的耦合效率。光束分布特性：即发出激光的方向性。光束空间分布窄，方向性好，能量集中度高，入纤功率大，耦合效率高。半导体激光器的发展方向：

a：阈值电流低

b：输出功率高

c：谱线窄，保持单模状态。

d：波长稳定，可调谐。38第4章光源和光发射机2）动态单纵模半导体激光器特点：在高速率、大调制电流下仍保持单纵模振荡。PN结保持单纵模的条件：改进谐振腔结构和折射率分布。目前比较成熟的动态单纵模激光器是DFB－LD，它是在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近刻上波纹状的周期光栅制成。有源区光输出光栅波导区N区P区ALN区39第4章光源和光发射机2）动态单纵模半导体激光器有源区光输出光栅波导区N区P区ALN区光子在每一条光栅上形成一个激光器需要的光反馈，由于这种波纹状周期结构对光的反射作用，使得在一个方向上传播的光不断地被反馈回相对的方向，只有前向和反向波之间产生相干耦合，这种结构可以理解为形成了一个对光波波长敏感的光学谐振腔。由于光栅对波长的选择性极强，只允许一种特定的模式传播，压抑了其它纵模，从而实现了单模振荡。402）动态单纵模半导体激光器第4章光源和光发射机DFB激光器的基本工作原理可以用布拉格反射来说明在两种不同介质的交界面上，具有周期性的反射点，当光入射时，将产生周期性的反射。412）动态单纵模半导体激光器第4章光源和光发射机使Λ＋B＝mλ/n

。m

为正整数，λ为光波长，n为材料等效折射率。Λ为波纹光栅的周期，也称栅距。则布拉格反射条件为：

nΛ（1＋sinθ）＝m

λ物理意义：对特定的Λ

和θ有一个与之对应的λ，具有λ波长的光所产生的各个反射光将产生干涉，得到光的增强与放大。42第4章光源和光发射机在DBF激光器的分布反馈中，是θ＝π/2，的布拉格反射，这时栅条间入射光和反射光的方向相反。

Λ

＝mλ/2n上式是实现动态单纵模的条件。通常m＝1。2）动态单纵模半导体激光器43由于分布反馈激光器的这种工作方式，使得它具有极强的波长选择性，从而实现动态单纵模工作。从下图的LD多模光谱和单模光谱的比较可以看出，单纵模LD中除了一个主模外，其它纵模都被抑制了，同时主模的谱线宽度非常窄，通常小于1nm，用于高速光纤通信系统是非常理想的。第4章光源和光发射机44第4章光源和光发射机2）动态单纵模半导体激光器DBF-LD的优点：

a：在动态下谱线宽度窄，且保持单纵模振荡。谱线宽度仅0.2~0.8nm，适用于2.5Gb/s

的传输系统。

b：波长稳定性好。温度漂移仅有0.8Å/ºCc：输出功率线性好。

d：频率稳定，不随时间和外部条件变化。453）量子阱激光器为了进一步提高激光发射效率，可以使用一种特殊的制造技术来得到特别薄的激活区，厚度大概在4~20nm，而双异质结有源区厚度为0.1~0.2µm。在有源区的异质结上出现导带与价带的突变，为导带中的电子和价带中的空穴创造了一个势能阱，造成有源区内粒子数反转浓度很高。这种技术被称为量子阱激光器。

第4章光源和光发射机463）量子阱激光器主要特点：

a：阈值电流低。由于源区内粒子数反转浓度很高，大大降低了阈值电流，只有双异质结的1/3－1/5，甚至达到0.55mA。

b：功耗低，温度特性好。

c：谱线窄。由于带间复合的作用，大大减少了谱线宽度，减少近一倍。

d：动态单纵模特性好，横模控制能力强。

e：输出功率大，可达几百毫瓦。第4章光源和光发射机474．激光器LD的工作特性LD的工作特性可以用一些特性曲线和特性参量来描述。1）P-I曲线第4章光源和光发射机阈值特性：当注入电流很小时LD发出的光功率很小，处于自发辐射，发出的是荧光。当达到某个电流值时，光功率突然增强，这时的电流层称为阈值电流Ith，当I>Ith时，LD发出激光。对LD来说Ith越小越好，好的LD阈值电流可以小于10mA。484．激光器LD的工作特性LD的工作特性可以用一些特性曲线和特性参量来描述。1）P-I曲线第4章光源和光发射机线性特性:I>Ith的一段范围内，发出的光功率P与注入电流近似为线性关系。为保证光纤通信系统稳定工作，LD应该有很好的线性关系。49

2)光谱特性

短波长GaAsLD的光谱特性曲线如下图所示。第4章光源和光发射机50

2)光谱特性

（1）单纵模与多纵模第4章光源和光发射机（2）峰值波长λP:峰值波长是指在规定光功率时，光谱内若干发射模式中最大强度的光谱波长。或者相对光强50％最大幅度处线段的中点所对应的波长。51第4章光源和光发射机（3）谱线宽度Δλ

2)光谱特性谱线宽度采用ITU-TG．957标准建议的最大－20dB宽度定义。即在规定光功率下，主模中心波长的最大峰值功率跃落－20dB时的最大全宽为光谱宽度。523)温度特性

LD的温度特性包括阈值电流Ith随温度变化特性和中心波长温度特性。（1）阈值电流Ith随温度的升高而加大，为了使光纤通信系统稳定、可靠地工作，一般都要采用自动温度控制电路，来稳定激光器的阈值电流和输出光功率。另外，激光器的阈值电流也和使用时间有关，随着使用时间的增加，阈值电流也会逐渐增大。第4章光源和光发射机I0是温度T＝T0

时的阈值电流。T0

是阈值电流的温度敏感参数，也叫激光器的特征温度。激光器的寿命：

Ith

＝1.5Ith01352420604080注入电流（mA）20ºC30ºC40ºC60ºC70ºC80ºC50ºC输出光功率（mW）533)温度特性第4章光源和光发射机(2)中心波长的温度特性激光二级管的中心波长λ随温度升高而增加，呈线性关系。可以通过控制温度来调节波长。83684084683884220403050器件温度P0=3mw峰值波长544）转换效率半导体激光器实质上是把电功率直接转换成光功率的器件，定义为激光器达到阈值后，输出光子数的增量与注入电子数的增量之比第4章光源和光发射机554.4光调制

实现光纤通信，首先要解决的问题是如何将电信号加载到光源的输出光束上变成光信号，即需要进行光调制。根据调制与光源的关系，光调制可分为直接调制和间接调制两大类。从调制信号的形式来说，光源的调制又可分为模拟信号调制和数字信号调制。第4章光源和光发射机561．直接调制与间接调制1）光源的直接调制光源的直接调制又称为光源的内部调制，它是将调制信号直接作用在光源上，把要传送的信息转变为电信号注入到LD或LED，获得相应的光信号。直接调制适用于电流注入型的半导体光源器件，通过把要传递的信息转变为驱动电流控制光源的发光过程从而获得输出功率的变化以实现调制。如图所示第4章光源和光发射机半导体光源调制光输出注入电流ItPt直接调制571．直接调制与间接调制第4章光源和光发射机半导体光源调制光输出注入电流ItPt调制后的光波电场振幅平方比例于调制信号，也称为光强度调制（IM）。优点：调制方式原理简单、实现方便，应用广泛。缺点：在高码速下，由于光源的发光及调制都集中在PN结区完成，使载流子和光子的作用关系变得复杂，调制的瞬态特性变差，影响到谐振腔的振荡性能，使光源的动态谱线展宽，出现调制啁啾，加剧了光纤传输中色散的影响，给高速调制和长距离光传输带来诸多不利因素。直接调制581．直接调制与间接调制第4章光源和光发射机2）光源的间接调制（外部调制）是指由恒定光源输出激光后，外加光调制器对光进行调制。也就是利用晶体的电光、声光、磁光效应等来实现对激光辐射的调制。

间接调制与直接调制的本质区别在于光源的发光和调制功能是分离进行的，即在激光形成后才加载调制信号，二者只有光路的连接而没有电路之间的相互影响，因此，不会因为调制影响到激光器的工作。激光光源外调制器外部泵浦调制信号恒定光输出调制光输出PtVtt间接调制59第4章光源和光发射机激光光源外调制器外部泵浦调制信号恒定光输出调制光输出PtVtt间接调制光源在泵浦源激励下稳态工作，产生连续恒定的激光输出。调制器放置在激光器谐振腔外的光路上，当施加调制电压时引起调制器的某些物理特性发生改变，继而对通过的激光波进行调制。在数字调制中，其作用就相当于高速通行的通断型光开关。啁啾特性主要由外调制器决定，而调制器的啁啾系数一般非常小，从而大大改善了光源高速调制时的传输性能。2）光源的间接调制（外部调制）60第4章光源和光发射机激光光源外调制器外部泵浦调制信号恒定光输出调制光输出PtVtt间接调制啁啾:指对脉冲进行编码时，其载频在脉冲持续时间内线性增加，当将脉冲变到音频时，会发出一种声音，听起来像鸟叫的啁啾声，故名“啁啾”。后来就将脉冲传输时中心波长发生偏移的现象叫做“啁啾”。例如在光纤通信中由于激光二极管本身不稳定而使传输单个脉冲时中心波长瞬时偏移的现象，也叫“啁啾”。2）光源的间接调制（外部调制）611．直接调制与间接调制第4章光源和光发射机电光调制的基本工作原理是晶体的线性电光效应。电光效应是指电场引起晶体折射率发生变化的现象，能够产生电光效应的晶体称为电光晶体。电光调制可以利用电光效应进行电光相位调制、电光强度调制和电光频率调制。电光相位调制利用电光晶体（铌酸锂）的电光效应，即当外加电场变化时，将引起折射率的变化，而折射率的变化又将引起光波相位的变化。调制电压的变化最终将得到光波的相位的变化，从而达到电光调相的目的。62第4章光源和光发射机电光相位调制

实际中为了便于耦合、固定，往往将电光相位调制器做成波导型的结构，波导是在x方向切割的铌酸锂上，用扩散金属钛做成，调制电信号通过同轴电缆接在行波电极上，光信号由光纤从左端接入调制器，经电光相位调制后的信号由光纤从右端输出。2）光源的间接调制（外部调制）铌酸锂光电效应相位调制器结构示意图63第4章光源和光发射机2）光源的间接调制（外部调制）实用的电光相位调制器－MZ波导调制器利用相位调制器构成强度调制器进行解调。

工作原理：在铌酸锂衬低上制作一对平行条形波导，两端各连一个Y型的3dB分支波导，条形波导夹在表面电极之间，构成一个MZ干涉仪。输入光在进入第一个分支波导被分为功率相等的两份，并在平行波导中传播，这两个调相波在第二分支波导的汇合处产生光的干涉。64第4章光源和光发射机2）光源的间接调制（外部调制）波导是用电光材料制成的，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时相位延迟不同。若两束光的光程差是波长的整数倍，两束光相干加强，若是波长的1/2，两束光相干抵消。因此只要控制外加电压，就能对光束进行强度调制。652．模拟信号与数字信号的直接调制第4章光源和光发射机模拟调制就是将连续变化的模拟信号叠加在直流偏置的工作点上对光源进行调制，要考虑非线性失真问题。数字信号调制是脉冲调制，调制电流为二进制脉冲形式，利用输出光功率的有无来传递信息。663．LD调制特性第4章光源和光发射机对LD调制特性产生影响的因素主要有电光延迟、张驰振荡、码型效应等。1）电光延迟电光延迟就是在电信号到来时，光信号相对于电信号的时间延迟，用延迟时间td表示，电光延迟的原因是由于载流子的浓度达到激光阈值需要一定时间（约0.5ms）如果LD预偏置在阈值附近，则td可显著减小，有利于提高调制速率。电光延迟张驰振荡I(t)P(t)电光瞬态相应波形67第4章光源和光发射机3．LD调制特性2）张驰振荡

当电流脉冲突然加到LD上，则光输出呈现如图所示的动态响应，由于注入电子与所产生的光子相互作用的量子力学过程。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，经过几个周期后达到平衡值，这种特性称为张驰振荡特性。LD的张驰振荡特性电光延迟张驰振荡I(t)P(t)电光瞬态相应波形68第4章光源和光发射机3．LD调制特性

电光延迟和张驰振荡是激光器内部电光相互作用所表现出来的内部特性。表现在两个方面：①当电流脉冲注入时，对导带底部的能级进行电子填充，使有源区里的电子密度增加。当电子密度小于阈值电子密度时，激光器并不激射，从而使输出光功率存在一段初始的延迟时间td。电光延迟张驰振荡I(t)P(t)电光瞬态相应波形69第4章光源和光发射机3．LD调制特性②当电子密度增加到阈值时，激光器开始激射，但光子密度的增加也有一定的过程，只要光子密度还没有达到它的稳态值，电子密度将继续增加。光子密度迅速上升同时使电子密度开始下降，持续一段时间，使电子密度下降到阈值密度之下，从而引起光子密度也开始迅速下降。当电子密度下降到最低点时，发射可能停止或减弱，于是从新开始上述过程。电光延迟张驰振荡I(t)P(t)电光瞬态相应波形这种振荡过程会逐渐减小直到输出光功率达到稳态值。70第4章光源和光发射机解决办法：对激光器加直流预偏置。直流预偏置电流在脉冲到来之前已将有源区里的电子密度提高到一定程度，从而使脉冲到来时，有源区的电子密度很快便达到阈值，从而大大减少电光延迟时间并抑制了张驰振荡。如何减小电光延迟和张驰振荡？电光延迟张驰振荡I(t)P(t)电光瞬态相应波形3．LD调制特性71第4章光源和光发射机3．LD调制特性3）码型效应实际的数字光纤通信系统传输的是有一定宽度的随机序列脉冲，当用这样的脉冲序列对半导体激光器进行强度调制时，由于瞬态性质，输出光脉冲会出现码型效应。解决方法：把LD偏置在阈值附近，适当的过调制补偿。72第4章光源和光发射机3．LD调制特性4）小信号输入的频率响应小信号是指偏置电流Ib>Ith，并且调制信号足够小，即调制幅度Im≤Ib－Ith

时的调制特性，理论计算和试验表明，