光纤通信简明教程原 荣,1,第4章 光发射和接收,4.1 激光器和光发射机 发光机理、LD激光发射的条件、 半导体激光器、波长可调半导体激光器、 高速光发射机 4.2 光探测器和光接收机 光探测原理、PIN光敏探测器、 雪崩光敏二极管（APD）、 波导光敏探测器、光接收机工作原理和性 能、相干光接收机,光纤通信简明教程原 荣,2,4.1 激光器和光发射机,在光纤通信中，将电信号转变为光信号是由光发射机来完成的。 光发射机的关键器件是光源： LED LD,光纤通信简明教程原 荣,3,图4.1.1 各种光源比较,光是一种电磁波，太阳光和电灯光可以看作是波长在可见光范围内的电磁波的混合体。与此相反，光纤通信使用的激光器发出的光则是单色光，具有极窄的光谱宽度。 现在所讲的激光器发出的光，其空间相干性都非常好，可认为是近似于从点光源发出的光，如图4.1.1c所示。由于非相干光是不同方向的波面的叠加，所以散发到各个方向的光不能聚焦成一点，而是成了光源的实象。,光纤通信简明教程原 荣,4,光纤通信对光源的要求,光源发射的峰值波长，应在光纤低损耗窗口之内; 有足够高的、稳定的输出光功率，以满足系统对光中继段距离的要求; 电光转换效率高，驱动功率低，寿命长，可靠性高; 单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高光源和光纤的耦合效率； 易于调制，响应速度快，以利于高速率、大容量数字信号的传输; 强度噪声要小，以提高模拟调制系统的信噪比; 光强对驱动电流的线性要好，以保证有足够多的模拟调制信道。,光纤通信简明教程原 荣,5,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） 发光二极管（LED） 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。,光纤通信简明教程原 荣,6,常用的调制方法,直接调制 注入调制电流实现光波强度调制 外调制 通过外腔调制器对光的强度、相位或频率进行调制,光纤通信简明教程原 荣,7,模拟信号对 LD 直接调制,光纤通信简明教程原 荣,8,模拟直接调制光发射机,注入调制电流实现光强度调制。响应速度快、输出波形好的调制电路和线性好的LD注入电流-光强曲线是获得好的光调制波形的前提条件。,光纤通信简明教程原 荣,9,数字直接强度调制,信号经复用和编码后，通过调制器对光源进行光强度调制。发送光的一部分反馈到光源的输出功率稳定电路，即光功率控制（AGC）电路。因为输出光功率与温度有关，一般还加有自动温度控制（ATC）电路。,光纤通信简明教程原 荣,10,光外腔调制发射机框图,光源发出的连续光信号，送入外调制器，信息信号经复用、编码后通过外调制器对连续光的强度、相位或偏振进行调制。 尽管大多数情况均采用直接调制光载波的调制方式，但是在高速率DWDM系统和相干检测系统中必须采用光的外调制。,光纤通信简明教程原 荣,11,外调制示意图,光纤通信简明教程原 荣,12,4.1.1 发光机理,我们知道，白炽灯是把被加热钨原子的一部分热激励能转变成光能，发出宽度为1 000 nm 以上的白色连续光谱。 发光二极管（LED）却是通过电子在能带之间的跃迁，发出频谱宽度在几百 nm 以下的光。 在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出。这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。,光纤通信简明教程原 荣,13,在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带； 如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出； 这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。,图4.1.3 半导体发光原理,光纤通信简明教程原 荣,14,半导体发光机理,光纤通信简明教程原 荣,15,图 4.1.4 受激发射导致光放大和振荡,发光过程，除自发辐射外，还有受能量等于能级差的光所激发而发出与之同频率、同相位的光，即受激发射，如图4.1.4所示。,光纤通信简明教程原 荣,16,4.1.2 LD激光发射的条件,图4.1.5 半导体激光器（LD） a）LD相当于法布里珀罗（F-P）谐振腔 b）初始光场在谐振腔体内移动x获得增益g,光纤通信简明教程原 荣,17,LD的结构 就是一个法布里珀罗谐振腔,在3.1.3节中，我们已讨论了法布里-珀罗谐振腔的构成和工作原理。半导体激光器的结构就是一个法布里珀罗谐振腔，如图4.1.5所示。 激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时，高能带中的电子密度增加，这些电子自发地由高能带跃迁到低能带发出光子，形成激光器中初始的光场。 在这些光场作用下，受激发射和受激吸收过程同时发生，受激发射和受激吸收发生的概率相同。,光纤通信简明教程原 荣,18,受激发射和受激吸收,用Nc和Nv分别表示高、低能带上的电子密度。当Nc Nv时，受激吸收过程大于受激发射，增益系数g 0，只能出现普通的荧光，光子被吸收的多，发射的少，光场减弱。 若注入电流增加到一定值后，使Nc Nv ，增益系数g 0，受激发射占主导地位，光场迅速增强，此时的PN结区成为对光场有放大作用的区域（称为有源区），从而形成受激发射，如图4.1.4和图4.1.7所示。,光纤通信简明教程原 荣,19,图4.1.4 受激发射导致光放大和振荡,光纤通信简明教程原 荣,20,LD发射激光的 首要条件-粒子数反转,光纤通信简明教程原 荣,21,另一个条件是半导体激光器中必须存在光学谐振腔，并在谐振腔里建立起稳定的振荡。 有源区里实现了粒子数反转后，受激发射占据了主导地位，但是，激光器初始的光场来源于导带和价带的自发辐射，频谱较宽，方向也杂乱无章。 为了得到单色性和方向性好的激光输出，必须构成光学谐振腔。,LD 发射激光的 第二个条件-光学谐振腔,光纤通信简明教程原 荣,22,法布里-珀罗（Fabry-Perot） 光学谐振器,镀有反射镜面的光学谐振腔只有在特定的频率内能够储存能量，这种谐振腔就叫做法布里-珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器。 它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。当谐振腔内的前向光波A和后向光波B发生相干时，就保持振荡，形成和腔体端面平行的等相面驻波。此时的增益就是激光器的阈值增益，达到该增益所要求的注入电流称作阈值电流。,光纤通信简明教程原 荣,23,光在谐振腔里建立稳定振荡的条件,与电谐振一样，光也有谐振。要使光在谐振腔里建立起稳定的振荡，必须满足一定的相位条件和阈值条件。 相位条件-使谐振腔内的前向和后向光波发生相干； 阈值条件-使腔内获得的光功率正好与腔内损耗相抵消。 只有谐振腔里的光增益和损耗值保持相等，并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，才能在谐振腔的两个端面输出谱线很窄的相干光束。,光纤通信简明教程原 荣,24,图4.1.6 激光器起振的阈值条件,受激发射使 腔体得到的 增益 = 腔体损耗,光纤通信简明教程原 荣,25,图4.1.7 激光器 起振阈值条件 的简化描述,光纤通信简明教程原 荣,26,小 结 -光在谐振腔里建立稳定振荡的条件,在半导体激光器里，由两个起反射镜作用的晶体解理面构成的法布里珀罗谐振腔，它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。 当受激发射使腔体得到的放大增益等于腔体损耗时（阈值条件），并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时（相干条件），就保持振荡，形成等相面和腔体端面平行的驻波，然后穿透谐振腔的两个端面，输出谱线很窄的相干光束。,光纤通信简明教程原 荣,27,4.1.3 半导体激光器,在光纤通信网络中，最常用的激光器是分布反馈（DFB）激光器，它是一种单纵模（SLM）或单频半导体激光器，单频激光器是指半导体激光器的频谱特性只有一个纵模（谱线）的激光器，它可以工作在光纤最小损耗窗口（1.55 m）的光纤系统中。 在解释DFB激光器工作原理的过程中，离不开3.1.4节已介绍过的光的衍射现象。除小孔衍射和裂缝衍射外，事实上，任何物质折射率的周期性变化，都可以作为衍射光栅。,光纤通信简明教程原 荣,28,图4.1.8 三种不同的光栅,a) 传输光栅 b) 反射光栅 c) 阶梯面反射光栅 入射光波和衍射光波在光栅两侧的是传输光栅，如图4.1.10a所示；同在光栅一侧的是反射光栅，如图4.1.10b所示。光栅是由周期性变化的反射表面构成的，这可通过在金属薄膜上刻蚀平行的凹槽得到。没有刻蚀表面的反射可作为同步的二次光源，它们发射的光波沿一定的方向干涉就产生零阶、一阶和二阶等衍射光波。,光纤通信简明教程原 荣,29,分布反馈激光器(DFB),DFB激光器是单纵模(SLM) LD，即频谱特性只有一个纵模（谱线）的 LD。 SLM LD与法布里-珀罗 LD 相比，它的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗。 这是通过改进结构设计，使DFB LD 内部具有一个对波长有选择性的衍射光栅，从而使只有满足布拉格波长条件的光波才能建立起振荡。 图4.1.10表示这种激光器的增益和损耗曲线。由图可见，增益曲线首先和模式具有最小损耗的曲线接触的模开始起振，并且变成主模。其它相邻模式由于其损耗较大，不能达到阈值，因而也不会从自发辐射中建立起振荡。,光纤通信简明教程原 荣,30,LD与法布里-珀罗 LD 相比，它的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗,图4.1.10 单纵模 DFB 半导体激光器 增益和损耗曲线,增益曲线首先和模式具有最小损耗的曲线接触的模开始起振，并且变成主模。,光纤通信简明教程原 荣,31,图4.1.9 DBR LD 结构及其原理,DBR激光器除有源区外，还在紧靠其右側增加了一段分布式布拉格反射器，它起着衍射光栅的作用。 DBR激光器的输出是反射光相长干涉的结果。只有当波长等于两倍光栅间距 时，反射波才相互加强，发生相长干涉。例如当部分反射波 A 和 B 具有路程差 2 时，它们才发生相长干涉。,光纤通信简明教程原 荣,32,只有当波长为 2 时，反射波才相互加强，发生相长干涉,光纤通信简明教程原 荣,33,例4.1.1 DFB激光器,光纤通信简明教程原 荣,34,普通LD,光纤通信简明教程原 荣,35,LD 外形图,光纤通信简明教程原 荣,36,4.1.4 波长可调半导体激光器,波长可调激光器是WDM、分组交换和光分插复用网络重构的最重要器件。 使用它，可有效使用波长资源，减少设备费用。 波长可调激光器主要有集成阵列波导光栅(AWG)型、耦合腔波导型、衍射光栅PIC型三种。,光纤通信简明教程原 荣,37,图4.1.11 集成衍射光栅波长可调激光器,图4.1.11 阵列SOA集成光栅腔体波长可调激光器,阵列半导体光放大器(SOA)集成光栅腔体激光器 其发射波长可以精确设置在指定位置,光纤通信简明教程原 荣,38,阵列SOA集成光栅腔体 波长可调激光器,有源条的外部界面和光栅共同构成了谐振腔的反射边界。右边的光栅由凹面反射界面组成，以便聚焦衍射返回的光到有源条的内部端面上。这些条是直接位于波导芯上部的多量子阱（MQW）有源区。,右边的平板衍射光栅和左边双异质结有源波导条（SOA）之间构成了该激光器的主体。,光纤通信简明教程原 荣,39,图4.1.11 阵列SOA集成光栅腔体 波长可调激光器,(b) 一个SOA的典型发射光谱,光纤通信简明教程原 荣,40,（c）波长和有源条位置的关系,图4.1.11 阵列SOA集成光栅腔体波长可调激光器,光纤通信简明教程原 荣,41,阵列SOA光栅腔体波长可调激光器波长与路径差有关（即与SOA位置有关）,光纤通信简明教程原 荣,42,4.1.5 高速