chapter3光接收机与光发射机2.ppt

半导体激光器的工作特性,阈值特性光谱特性 LD的方向特性 转换效率与输出光功率特性 温度特性,阈值特性,阈值电流Ith 当激光器的注入电流IIth时，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加，激光器发出激光输,出,光,功,率,（,m,W,）,3,50,100,150,Ith,注入电流（mA),,光谱特性,单模激光(SLM):光谱只有1根谱线，谱线峰值波长称为中心波长，谱线宽度小于0.1nm，光谱很窄多模激光(MLM):光谱有多根谱线，对应于多个中心波长，其中最大峰值波长称为主中心波长，该模式也称为主模，其它的模式称为边模，谱线宽度为几个纳米多模激光,相对光强,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,波长,单模激光,,为3dB线宽或称为频谱的半宽高,单模运转,光通信系统的传输能力与激光器的线宽密切相关线宽越窄，传输速率越高，无中继距离越长理想情况下，激光器是理想的单模光源，只有一个频率，线宽为零当激光器谐振腔长度减小时，模式的频率间隔将变大，也可能实现单模运转用F-P谐振腔可以得到的是直流驱动的静态单纵模激光器，要得到高速数字调制的动态单纵模激光器，必须改变激光器的结构，如采用分布反馈式激光器可达到目的。

在直流驱动下，随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线宽度变窄这是由于谐振腔对光波频率和方向的选择，使边模消失、主模增益增加而产生的当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模在数字调制情况下，随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽DFB激光器通过在有源区形成光栅，用于对波长进行选择，可以得到稳定的单模输出，即便在10Gb/s或更高的调制速率下，仍然能保持高效的单模运转DFB激光器与F-P激光器比较,LD的方向特性,LD的方向性是指LD输出光束的空间发散程度激光束的空间分布用远场和近场来描述近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布远场光强下降到最大值一半之处时，在垂直于p-n结平面的方向上，对LD输出端面的张角大小，称为垂直发散角，用来表示在平行于p-n结平面的方向上，对LD输出端面的张角大小，称为平行发散角，用//来表示//,O,P,层,N,层,有,源,层,,（a）水平发散角和垂直发散角,,,光纤与光源的耦合,转换效率与输出光功率特性,激光器的电/光转换效率用外微分量子效率d：在阈值电流上，每对载流子产生的光子数P和I：激光器的输出光功率和驱动电流；Pth和Ith分别为相应的阈值；hf和e分别为光子能量和电子电荷。

温度特性,激光器输出光功率随温度而变化如图所示变化规律产生有两个原因：一是激光器的阈值电流随温度升高而增大，二是外微分量子效率随温度升高而减小 阈值电流与温度的关系可表示为: T0称为器件的特征温度， T0和T都用绝对温度表示； I0为T=T0时阈值电流的1/e 半导体发光二极管(LED),LED与LD的工作原理不同，LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光 LED不需要光学谐振腔，没有阈值 N,层,P,层,,输出自发光,,,,,N,层,P,层,,,,（a）正面发光二极管SLED,（b）侧面发光二极管ELED,输出自发光,侧面发光型LED驱动电流较大，输出光功率较小，但由于光束辐射角较小，与光纤的耦合效率较高，因而入纤光功率比正面发光型LED大发光二极管的工作特性,P-I特性在低注入电流范围内其线性程度比LD好，且不存在阈值，所以LED适合用在光纤模拟通信系统中 LED光功率的温度稳定性也比LD好光谱特性自发辐射光，没有谐振腔对波长的选择，为非相干光，谱线较宽方向特性LED的发散角比LD大，LED与光纤的耦合效率通常小于10％调制特性LED的可调制频率比LD低其中，面发光型LED的可调制频率仅为几十MHz，边发光型LED的可调制频率可达200MHz。

LD的调制频率可达GHz寿命LED的寿命比LD长，可达百万个小时以上发光二极管的工作特性,LED P-I特性LED是非阈值器件，发光率随工作电流增大，并在大电流时逐渐饱和LED的工作电流通常为 50mA-100mA，这时偏置电压 1.2 V-1.8 V,输出功率约几mW工作温度升高时， 同样工作电流下LED的输出功率要下降，相对而言，温度的影响要比LD小发光二极管总述,尽管发光二极管的输出光功率较低，光谱较宽，但由于使用简单、寿命长等优点，因此，在中、低速率短距离光纤数字通信系统和光纤模拟信号传输系统中，还是得到了广泛应用激光器的种类,§3.3 光源的调制,光调制：将信息信号加载到光源的发射光束上调制后的光波经过光纤信道送至接收端，由光接收机鉴别出它的变化，再现出原来的信息，称为光解调 光源的调制分为两类：直接调制：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，采用的是电源调制方法，也称内调制方法仅适用于半导体光源（LD和LED） 间接调制：利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射的调制，这种调制方法适合于半导体激光器，也适应于其他类型的激光器。

直接调制,模拟信号的直接调制：直接用连续的模拟信号（如话音、电视等信号）对光源进行调制发光二极管LED模拟调制原理：连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上，适当选择直流偏置的大小，使静态工作点位于发光管特性曲线线性段的中点，可以减小光信号的非线性失真在所有通信系统中，用LED作为光源时，均采用直接强度调制IM）,,,,,,LED模拟调制原理,LD模拟调制原理,直接调制,,,数字信号的直接调制（1）数字调制主要是指PCM编码调制信号电流为单向二进制数字信号，用单向脉冲电流的“有”、“无”(“1”码和“0”码)控制发光管的发光与否LED数字系统都是通过控制流经发光管电流的办法达到调制输出光功率的目的LED数字信号调制电路只有一级共发射极的晶体管调制电路，晶体管用作饱和开关，晶体管的集电极电流就是LED的注入电流信号由A点接入0”码时晶体三极管不导通；“1”码时晶体三极管导通，于是注入电流注入到LED管，使得LED管发光，从而实现了数字信号调制图3.18 LED数字信号调制,,,直接调制,数字信号的直接调制（2）LD数字系统通常用于高速系统，且是阈值器件，它的温度稳定性较差，与LED相比，其调制问题要复杂的多，驱动条件的选择、调制电路的形式和工艺， 都对调制性能至关重要。

图3.19 LD数字信号调制,V1、V2组成一个电流开关，数字电信号Vin从V1的基极输入，Vb是直流参考电压施加在V2的基极上当信号为“0”码时，V1的基极电位高于V2的基极电位，电流源全部电流流过V1的集电极，LD接在V2上不发光，故LD不发光，相当于发“0”码当信号为“1”码时，V2基极电位高于V1基极电位时，则反过来V2导通，全部电流源电流流过V2的集电极支路，对应于发一个“1”码自动功率控制电路（APC）,LD结温的变化以及老化都会使Ith增大，量子效率下降，从而导致输出光脉冲的幅度发生变化为了保证激光器有稳定的输出光功率，需要有各种辅助电路，例如功率控制电路、温控电路、限流保护电路和各种告警电路等自习APC工作过程：P.42～43,自动温度控制电路,温度控制原理,微制冷器多采用半导体制冷器，它利用半导体材料的珀尔帖效应制成的 当直流电流通过两种半导体组成的电偶时，出现一端吸热另一端放热的现象，这种现象称为珀尔帖效应 微型半导体制冷器的温差可以达到30℃~40℃自动温度控制电路,具体的温度控制电路图,热敏电阻Rf;制冷器RC Rf，Rl，R2，R3组成桥式电路，其输出电压加到差分放大器的同相和反相输入端，在某温度下，电桥达到平衡。

例：LD温度升高时，Rf下降，差分放大器输入压降升高，差分放大器输出电压升高， BGl正向导通，通过制冷器RC的电流IC加大，使LD的温度下降IC,光源的间接调制,光源直接调制的优点是简单、经济、容易实现，但调制速率受载流子寿命及高速率下的性能退化的限制外调制方式需要调制器，结构复杂，但可获得优良的调制性能，特别适合高速率光通信系统 目前已提出的间接调制方式有电光调制、声光调制和磁光调制电光调制,电光调制的基本工作原理是利用晶体的电光效应电光效应是指由外加电压引起的晶体的折射率发生变化的现象 基本工作原理：利用电光晶体（如铌酸锂晶体等）的电光效应，当外加电场变化时，将引起晶体折射率n随之变化的现象折射率的变化又将引起光波相位的变化其中电场变化实际上就是对应于调制电压的变化（即需要传输的信号的变化）这样，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结果电光调制,当一个 的光波入射到光波调制器(Z=0)，经过长度为L的外电场作用区后，输出光场(Z=L)即已调制光波为 ，相位变化因子受外电压的控制从而实现相位调制间接调制（2）,,声光调制器是利用介质的声光效应制成的。

声光调制的工作原理是，当调制电信号变化时，由于压电效应，使压电晶体产生机械振动形成超声波，这个声波引起声光介质的密度发生变化，使介质折射率跟着变化，从而形成一个变化的光栅，由于光栅的变化，使光强随之发生变化，结果使光波受到调制间接调制（3）,,磁光调制磁光调制是利用法拉第效应得到的一种光间接调制入射光信号经过起偏器，使入射光变为偏振光，这束偏振光通过YIG磁棒时，其偏置方向随绕在上面线圈的调制信号而变化，当偏振方向与后面的检偏器相同时，输出光强最大，当偏振方向与检偏器方向垂直时，输出光强最小，从而使输出光强随调制信号变化，实现了光的间接调制。