光纤通信系统（第3版） 课件 第三章 光源和光发送机

光纤通信系统2光发送机的作用是将由数字复用设备来的电信号转换成相应的光信号，并将光信号耦合进光纤后进行传输。光发送机的核心部件是光源。目前，光纤通信系统均采用半导体激光二极管（LD）和发光二极管（LED）作为光源。这类光源的特点是体积小，与光纤之间的耦合效率高，响应速度快，可以在较高速率条件下进行直接强度调制。本章着重介绍包括半导体激光二极管和发光二极管的光源工作原理和特性，以及光发送机的工作原理。本章教学课时4学时。第三章光源和光发送机33.1半导体激光器和发光二极管1.激光的产生及其物理基础自然界中的一切物质都是由原子组成。不同物质的原子各不相同。原子由一个带正电荷的原子核和若干个带负电荷的电子组成。围绕原子核作轨道运动的电子的运动轨道不是连续可变的，电子只能沿着某些可能的轨道绕核运转，而不能具有任意的轨道。但可以在外界作用下，从一个轨道跳到另一个轨道，这种过程称为跃迁。由于电子轨道与轨道之间是不连续的，并且每一轨道具有确定的能量。它的能量也是不连续的，离核较近的轨道对应的能量较小，离核较远的轨道所对应的能量较大，原子的这一内部能量值称为原子的一个能级。通常我们用若干水平线来表示电子所处的状态，这就是所谓的能级图。4图3-1能级图5跃迁如果原子中的两个能级满足一定的条件，则可能出现下述情况：一个处于高能级E2的电子，发射一个能量为E＝hf＝E2-E1的光子，结果这个电子回到低能级E1。一个处于低能级E1的电子，从外界吸收一个能量为E＝hf=E2-E1的光子，结果这个电子被激发到高能级E2。这种电子由于发射或吸收光子而从一个能级改变到另一个能级称为辐射跃迁。但原子发射或吸收光子，只能出现在某些特定的能级之间。6受激吸收和受激辐射当处于低能级E1的电子，受到光子能量恰好为E＝hf＝E2-E1的外来入射光的照射时，电子吸收一个这种光子，而跃迁到高能级E2，这称为光的受激吸收，如图3-2(a)所示。当处于高能级E2的电子，在受到光子能量恰好为E＝hf＝E2-E1的外来入射光的照射时，电子在入射光子的刺激下，跃迁回到低能级E1，而且辐射出一个与入射光子有相同频率、相同相位和相同传播方向的光子，这种类型的跃迁称为受激跃迁，其辐射称为受激辐射。7图3-2受激吸收和辐射8粒子数正常与反转分布在通常情况下，处于高能级的粒子数总是远少于处于低能级上的粒子数，这种状态称为粒子数的正常分布。由于低能级上的电子数较多，所以总是光的受激吸收占优势，也就是光总要受到衰减。要获得光的放大，必须设法使光的受激辐射占优势。也就是要使电子在能级上的分布一反常态，使处于高能级上的电子数目远多于低能级的电子数目，这可以给予额外的能量，把处于低能级的电子激发到高能级上去。这种处于高能级的电子数量多于低能级电子数量的分布叫做“粒子数反转分布”。9粒子数反转分布必要条件：多能级物质*当用hf31＝E3-E1的外界激励去激发激光物质时，处在低能级E1上的电子被激发到了高能级E3上，但因在E3能级上寿命很短，很快跃迁到亚稳态级E2上，结果在E2与E1之间形成“粒子数反转分布”。这种处于E2亚稳能级上的电子是不稳定的，它可以自发跃迁到低能级E1而辐射出频率为f21＝E2-E1／h的光子。思考：什么两能级物质无法形成粒子数反转分布？10粒子数反转分布形成示意图11激光的形成有了“粒子数反转分布”的条件，就有可能实现光的放大。那么，如何使光的放大转为光的振荡，成为激光光源呢？把激光物质放置在由两个反射镜组成的光谐振腔之间，利用两个面对面的反射镜来实现光的反馈放大，使其产生振荡。光谐振腔的轴线与激光物质的轴线相合。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，即允许有部分的光透射。12图3-3激光的形成13形成激光的三个必要条件激光LASER是受激辐射的光放大（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）的缩写。用来产生激光的装置，就叫做激光器。由此可见，任何一种激光器，都必须包括下列三个最基本的部分：

工作物质——激光器的组成核心，也就是发光物质。

光学共振腔——形成激光振荡，输出激光。

激励系统——将各种形式的外界能量转换成激光光能，通常是激光器的电源。142.半导体激光器的基本原理用半导体材料做激光物质的激光器，称为半导体激光器。能够产生受激辐射的半导体材料有许多，而当前在光纤通信方面用得较多的是砷化镓（GaAs）半导体激光器。半导体材料是一种单晶体。在晶体中，原子是紧密地按照一定规则排列。各原子最外层的轨道互相重迭，使半导体材料的能级已不像前述的单个原子那样的分立的能级，而变成了能带。15补充知识：泡利不相容原理泡利不相容原理：每个能级只允许两个自旋相反的电子占有。根据泡利不相容原理，固体材料中电子的基态能级和激发态能级将分裂成能带。对半导体，基态能级分裂成价带，激发态能级分裂成导带。价带和导带之间存在一个电子不能具有的能量区间，称为禁带。16图3-5半导体能带图17半导体激光器工作原理半导体激光器的核心部分是一个PN结。这个PN结是高度掺杂的，P型半导体中空穴极多，N型半导体中自由电子极多。半导体中的载流子是由导带电子和价带空穴产生的。

导带价带EgEvEc禁带导带电子价带空穴18图3-6高掺杂的PN结P区PN结空间电荷区N区扩散漂移19势垒的形成高掺杂的PN结中，N区的电子向P区扩散，在靠近界面的地方剩下带正电的离子。P区的空穴向N区扩散，在靠近界面的地方剩下带负电的离子。因此在P型和N型半导体交界的两侧形成了带相反电荷的区域，称为“空间电荷区”。在P型和N型半导体交界的两侧形成了一个电场叫“自建场”。方向由N区指向P区。与此相应，在结的两边产生一个电位差VD叫做势垒，它阻碍空穴和电子进一步扩散，最后达到平衡。由于势垒VD的存在，使得P区的能级比N区提高了eVD(e是电子能量)。由于高度掺杂，空间电荷区的正负电荷很多，势垒VD很大，以使N型半导体的导带的底部能级(EC)N。比P型半导体价带顶部能级(EV)P还要低。20费米能级能级越低，电子占据的可能性就越大，理论分析指出：存在着某一能级EF，叫做费米能级。对于EF以下的所有能级，例如在N区导带中EF和(EC)N之间各能级电子占据的可能性大于1／2。对于EF以上的所有能级，则在P区价带中，EF和(EV)P之间各能级电子占据的可能性小于1／2。总的来说，N区导带底(EC)N以上到费米能级EF之间这个区域内的电子数多于P区价带顶以下到费米能级EF以上区域内的电子数（即此时是粒子数的正常分布）。21图3-7外加正向电压时的PN结22正向电压减小和抵消势垒作用外加正向电压破坏了原来的平衡，使费米能级分离。在N区(EF)N以下各能级，电子占据的可能性大于1／2。在P区对于(EF)P以上的各能级，空穴占据的可能性大于1／2，因此，当PN结上加足够的正向电压，保证电流足够放大时，P区的空穴和N区中的电子大量地注入结区，在PN结的空间电荷区附近就存在一个电子反转分布的区域，这个区域叫做“有源区”或“作用区”。在有源区内，由于电子数反转分布，在自发辐射的激发下，产生的受激辐射大于受激吸收。一个光子会不断激发出更多完全相同的光子，起了光放大作用。23阈值（thresholdvalue）只有足够大的正向电压，保证电流足够大时，才能产生激光。当电流较小时，注入结区的电子和空穴也较少，辐射小于吸收，增益系数G<0，只能出现普通的荧光。电流逐渐加大，注入结区的电子和空穴增多，到了G>0，就出现光放大现象。这时发射很亮的荧光。如果增益不足以克服谐振腔的损耗，仍不能在腔内产生振荡。只有当注入的电流增大到增益足以补偿损耗时，才能产生谱线尖锐、模式明确的振荡。刚开始产生激光的（注入）电流称为激光器的阈值电流。24图3-8注入电流与光功率的关系25异质结半导体激光器若半导体激光器的P区和N区是同一种物质（如GaAs），称为同质结半导体激光器，其阈值电流密度Jth很大（室温下Jth≥5×104A·cm-2），难以在室温条件下连续工作。Why？为了提高激光器的功率和效率，降低阈值电流，使用了异质结的半导体激光器。所谓“异质结”，就是由两种材料（例如砷化镓GaAs和砷镓铝GaAlAs两种材料）构成的PN结。采用异质结结构后，Jth可降至约103A·cm-2量级。263.半导体激光器的主要特性（1）阈值（2）激光器效率（3）温度特性（4）纵模特性－光谱特性27（1）阈值半导体激光器是一个阈值器件，它的工作状态随注入电流的不同而不同。只有当外加激励的能源功率（一般为电能源）超过某一临界值时，激光物质中的粒子数反转达到了一定程度，激光器才能克服光谐振腔内的损耗而产生激光。此临界值就称为激光器的阈值。

阈值电流Ith：当注入电流大于Ith时，激光器方可激发出激光。在实际使用中，外加激励能源刚达到阈值时虽有激光输出但很弱。对激光器而言，希望其阈值电流越小越好，因为阈值电流小，要求的外加激励能源就小，激光器本身发热就少。28（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。

功率转换效率定义为：输出光功率与消耗的电功率之比，表示式为：

式中：Pex——激光器发射的光功率Vj——激光器的结电压（PN结正向电压）Rs——激光器的串联电阻（包括半导体材料电阻和接触电阻）I——注入电流

量子效率定义为：输出光子数与注入电子数之比，表示为29（3）温度特性半导体激光器的阈值电流、输出光功率和发光波长随温度而变化的特性称为温度特性。阈值电流随温度的升高而加大。这是因为温度上升使异质结势垒的载流子限制作用下降，因此激光器的阈值电流增大。阈值电流与温度的变化关系可以表示为：

(3-4)式中：T为器件的绝对温度，I0为常数，T0为激光器材料的特征温度。对于GaAs-GaAlAs半导体激光器，T0＝100～150K，InGaAsP-InP激光器T0＝40～70K。T0越大，器件的温度特性越好。半导体激光器的阈值电流还与其器件的老化程度有关。随着激光器工作时间增长，器件老化，其阈值电流不断增加。30图3-13不同温度下激光器的P-I曲线31图3-14P-I特性曲线随器件老化变化情况32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、尖锐的谱线，称为激光器的纵模。对于半导体激光器，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，谱宽很宽，其光谱宽度常达数十nm。当注入电流大于阈值后，谐振腔里的增益大于损耗，激光器产生激光振荡，输出光谱呈现出以一系列振荡模式——纵模。其发射光谱变窄，谱线中心强度急剧增加，激光器输出功率越大，其发射光谱越窄，谱线中心强度越大。（4）纵模特性－光谱特性33图3-16半导体激光器的输出光谱a）低于阈值b）高于阈值c）单纵模LD344.单纵模半导体激光器普通的F-P腔激光器采用自然解理的反射镜实现光反馈，这种激光器端面光反馈不具有波长选择性，其模选择性差，为多纵模输出。可以在激光器中引入光栅，利用光栅对光波长的选择性反馈来提高模的选择性，实现单纵模输出，这种激光器称为分布反馈（DFB）激光器。DFB激光器在靠近有源层沿长度方向刻有波纹状的光栅。其光的反馈是通过折射率周期性变化的光栅产生的布拉格衍射得到，并使正向和反向传播的光波相互耦合使其产生激光振荡。光的反馈是沿有源层在整个光腔长度上分布进行的，所以称为分布反馈（DFB）激光器。35DFB和DBR激光器结构示意36商用化（封装）激光器示例373.1.2半导体发光二极管除了半导体激光器（LD）外，半导体发光二极管（LED）是另一种常用的光源器件。LED的工作原理与LD基本相同，只是结构上有所区别。LED也采用双异质结的结构，但没有谐振腔，它发出的是自发辐射光，而不是激光，其光谱线宽度比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。38图3-22双异质结发光二极管结构

面发光型

边发光型39LED的工作特性与半导体激光器的P-I特性相比，LED没有阈值，其线性范围较大。在注入电流较小时，曲线基本上是线性的，当注入电流较大时，由于PN结的发热而出现饱和现象。40图3-23LED的P-I特性41发光二极管辐射图形42小结：LED特点优点：输出光功率线性范围宽(P-I特性)性能稳定寿命长制造工艺简单、价格低廉缺点：输出光功率较小

谱线宽度较宽

调制频率较低LED器件在小容量、短距离系统中发挥了重要作用433.2光源调制要实现光纤通信，首先要解决如何将光信号加载到光源的发射光束上，即需要进行光调制。经调制后的光波经过光纤送至接收端，进行光解调，还原出原来的信号。

443.2.1光源的调制方式光源调制可以分为直接调制和间接调制。这里的直接和间接可以理解为调制信号加载在光载波的方式。451.直接调制直接调制方法仅适用于半导体光源（LD和LED），这种方法是把要传送的信息转变为电流信号注入LD或LED，从而获得相应的光信号。光纤通信系统中传播的光，可以视为光频载波，电信号对光源器件的直接调制方式，使光源发出的光载波功率大小在时间上随驱动电流变化而变化。这种方式是直接/强度调制，简称IM（IntensityModulation）。462.间接调制间接调制是利用晶体的光电效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射的调制。这种调制方式既适用于半导体激光器，也适用于其它类型的激光器。间接调制最常用的是外调制的方法，即在激光形成后加载调制信号。它是在激光器谐振腔外的光路上放置调制器，在调制器上加调制信号电压，使调制器的某些物理特性发生相应的变化，当由光源发出的激光通过它时，得到调制。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，因此对于传输速率达到10Gbit/s及以上系统需要考虑采用间接调制，此外相干光通信系统也需要采用间接调制。473.2.2光源的直接调制原理直接调制方法适用于半导体激光器和发光二极管。这是因为发光二极管和激光器的输出光功率（对激光器来说，是指阈值以上的线性部分）基本上与注入电流成正比，而且电流的变化转换为光频调制也是线性调制，所以可以通过注入电流来实现光强度调制。48图3-27模拟信号调制原理49图3-28数字信号调制原理50间接调制示例51直接调制和间接调制示例523.3光发送机光端机主要由光发送机、光接收机和辅助电路三大部分组成。由图3-29可知，光发送机由输入接口，光线路码型变换和光发送机等组成。光接收机由光接收、定时再生、光线路码型反变换和输出接口等组成。光端机中的辅助电路由公务、监控、告警、输入分配、倒换、区间通信等组成。此外，不论是光发送机、光接收机还是辅助电路，都必须有电源转换，将通信机房中的直流电源转换为光端机所需的电源。53图3-29光端机功能原理框图543.3.1光端机主要构成及其作用输入接口光线路码型变换光发送电路光接收电路定时再生光线路码型反变换输出接口公务、监控、告警、倒换、输入分配、区间通信、电源等553.3.2光发送机光发送机由输入电路和光发送电路组成。输入电路由输入接口电路与光线路码型变换电路组成。光发送电路的主要作用是将经过线路编码的电信号对光源进行调制，即完成电／光变换，并从光源的尾纤送出光信号注入光纤线路。561.输入电路输入电路由输入接口电路与光线路码型变换电路组成。输入接口是光端机的入口电路。PCM数字复用设备的输出信号经电缆连接到光端机的输入端。输入接口除了正常应该考虑信号幅度大小和阻抗外，特别应注意信号脉冲码型。PCM电端机输出码型(即光端机输入接口的接口码型)为双极性码，在光纤系统中不宜使用。所以，需在输入接口中将其变成适合于光纤线路中传输的单极性码。57图3-30输入接口与码型变换框图58线路码型变换普通的二进码(NRZ)在传输时会存在下列问题：如码流中连“0”，连“1”数太大，将减少信号中的离散定时分量，使接收机的时钟提取比较困难。如码流中“0”，“1”分布不均匀，会导致直流分量波动起伏，即基线漂移，影响判决电路对信号的再生。因数字序列没有预定规律，不可能在运行时进行不中断通信误码检测。为了解决上述问题，光纤线路码型要特别设计。59线路码型选择原则传输码型有足够的定时含量，减少连“0”和连“1”数，便于时钟提取。传输码型应有不中断业务进行误码检测的能力。传输码型应力求降低线路传输的码率，或线路传输码率的提高应尽可能的少。抗干扰性好，能使可检测的光功率减至最小。传输码型的实施，应力求简单和经济。传输中发生误码时，误码扩散范围或误码增值低。60常用的线路码型扰码二进制字变换码插入型码61扰码二进制扰码二进制即是将输入的二进制NRZ码进行扰码后输出仍为二进制码。在系统的调制器前，加一个扰码器，将原始的码序加以变换，使其接近于随机序列，相应的在接收机的判决器后，附加一个解扰器，以便恢复原始序列。扰码可以改变码流中的“1”码和“0”码的分布，能改善码流的特性。62字变换码字变换码是将输入二进制码分成一个个“码字”，输出用对应的另一种“码字”来代替。常用的是分组码的一种型式mBnB码，它将输入码每m比特为一组，然后变换成另一种n比特为一组的传输码。在接收端再进行变换，从而恢复为原来的信号。n、m均为正整数，且n>m。于是引进了一定的富余度，以满足线路码的基本要求。63mBnB码的编码原理以3B4B码来介绍mBnB码的基本原理。3B4B码，是将输入信号码流分成3B（bit）一组，它有23=8种状态，然后编写为4B码，有24=16种状态：我们从16种状态中选出若干种代表3B码的8种状态，如表3-1所示。64表3-13B和4B的码字3B码4B码012345670000010100111001011101110123456700000001001000110100010101100111891011121314151000100110101011110011011110111165码字数字和(WDS)如果用“-1”表示字中的“0”，用“+1”表示字中的“1”，则将每个数字的代数和“字数字和”记为“WDS”。例如：“1000”可写成(+1)+(-1)+(-1)+(-1)＝-2，即字“1000”的WDS＝-2。若其代数和为0时，称为均等，其代数和为正或为负时，称为不均等。mBnB码的基本原理就是通过采取交替使用不同模式的编码，使码字的不均值得到平衡，以限制整个传输码流的累计不均。66表3-2WDS值分类类别WDS=0WDS=+2WDS=-2WDS=+4WDS=-4状态0011010101101001101011000111101111011110000100100100100011110000673B4B编码方案使用的mBnB码的基本原理是通过限制字数字和来满足传输要求，即尽可能选择｜WDS｜最小的码字，禁止使用｜WDS｜最大的码字。从这个意义出发，在选用4B码代替3B码时最好的是WDS＝0的码字，最差的是表3-2中的1111，0000，这种字称为禁字。3B4B码方案很多，下面举一例。如表3-3可见，一组3B码有两组4B码与它对应。其中一组模式1，标识为“+”组，WDS＝+2和WDS＝0；另一组模式2，标识为“一组”，WDS＝-2和WDS＝0，模式1和模式2交替使用。68表3-3一种3B4B码表3B码4B码模式1“+”组模式2“－”组码组WDS码组WDS00000101001110010111011110111110010101101001101001111101+2+20000+2+201000001010101101001101010000010-2-20000-2-269插入码插入码是把输入二进制原始码流分成每m比特（mB）一组，然后在每组mB码末尾按一定的规律插入一个码，组成m＋1个码为一组的线路码流。根据插入码的规律，可以分为mB1C码，mB1H码和mB1P码。70线路编码对线路传输速率的改变对扰码二进制线路速率不变对字变换码，如mBnB实际线路速率＝标称速率×(n/m)对插入码，如mB1H实际线路速率＝标称速率×[(m+1)/m]712.光发送电路光发送电路的主要作用是将经过线路编码的电信号对光源进行调制，即完成电／光变换，并从光源的尾纤送出光信号注入光纤线路。72光纤通信对光源的要求光源发光波长应在光纤的低损耗窗口内，且要求色散小。光源的输出功率必须足够大。可靠性高，使用寿命长。光源的谱线宽度要窄。调制特性好，调制效率高，调制速率能适应系统的要求。温度特性好。73LD发送电路LD发送电路是指光源采用半导体激光器LD的发送电路。LD发送电路由电平移动、LD光源、驱动电路、预偏置电路、自动功率控制(APC)电路和自动温度控制(ATC)电路组成。光端机中，一般将这几部分电路装在一块机盘中，称为光发送盘*。*此处机盘系电路板的习惯叫法74图3-31LD发送电路框图光发送盘的核心自动增益（功率）控制自动温度控制实时监测光源输出状态75光源驱动电路光源驱动电路是光发送盘的核心。它用数字信号来调制发光器的发光强度，即完成电／光变换过程。电信号对光源的调制是PCM脉码强度直接调制方式，光源输出的光功率正比于注入电流。由于光源有LD和LED，其P-I特性也不同，因此驱动方式也不同。76光源的驱动电路和偏置电路的要求输出的光脉冲峰值必须保持恒定。不管温度如何变化或激光器如何老化，都要保持脉冲恒定。光脉冲的通断比（即消光比）*应≥