第四章第四章 光源和光发射机光源和光发射机广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信24-14-1概述；概述；概述；概述；4-24-2半半半半导导体光源的任体光源的任体光源的任体光源的任务务原理原理原理原理 ；4-34-3半半半半导导体激光器；体激光器；体激光器；体激光器；4-44-4发发光二极管；光二极管；光二极管；光二极管；4-54-5光源的光源的光源的光源的调调制及制及制及制及驱动电驱动电路；路；路；路；4-5LD4-5LD光光光光发发射机的控制射机的控制射机的控制射机的控制电电路；路；路；路； 本章思索本章思索本章思索本章思索题题。第四章的主要内容第四章的主要内容广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信34-1 概述概述光源光源光光发射机的中心部件：射机的中心部件：半半导体激光管体激光管LD；半半导体体发光二极管光二极管LED。电信号信号输入电路输入电路驱动驱动电路电路光源光源控制电路控制电路对光源光源进展展调制制辅助助电路：路：稳定信号，控制温度定信号，控制温度光信号光信号一、光一、光发射机射机简单框框图适用于长间隔大容量的光纤通讯适用于长间隔大容量的光纤通讯系统，尤其是单纵模半导体激光系统，尤其是单纵模半导体激光器，在高速率、大容量的数字光器，在高速率、大容量的数字光纤通讯系统中得到广泛运用。纤通讯系统中得到广泛运用。适用于短间隔、低码速的数字光适用于短间隔、低码速的数字光纤通讯系统，或者是模拟光纤通纤通讯系统，或者是模拟光纤通讯系统。其制造工艺简单、本钱讯系统。其制造工艺简单、本钱低、可靠性好。低、可靠性好。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信44-1 概述概述此此动画画为光光发射机任射机任务原理原理动画，光源在画，光源在调制制电流的作用下流的作用下发光，然后耦合光，然后耦合进光光纤传输。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信54-1 概述概述二、光二、光发射机的主要目的射机的主要目的光光发射机的目的很多，我射机的目的很多，我们仅从运用的角度引从运用的角度引见其主要目的。其主要目的。1.平均平均发送功率及其送功率及其稳定度定度平均平均发送功率是指光源尾送功率是指光源尾纤的平均的平均输出光功率，出光功率，是在是在“0、“1码等概率等概率调制的情况下，光制的情况下，光发送机送机输出的光功率出的光功率值，单位位为dBm。2.消光比消光比消光比定消光比定义为全全“1码的的输出功率与全出功率与全“0码的的输出功率之比，取常用出功率之比，取常用对数，通常用符号数，通常用符号EXT表表示：示：广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信64-1 概述概述 光光发射机的消光比普通要求大于射机的消光比普通要求大于8.2dB8.2dB，即，即“0“0码光脉冲功光脉冲功率是率是“1“1码光脉冲功率的七分之一。光脉冲功率的七分之一。三、三、对光源的要求光源的要求1. 1. 光源光源发射的峰射的峰值波波长应在光在光纤的低的低损耗窗口内；耗窗口内；2. 2. 有足有足够高和高和稳定的定的输出功率；出功率；3. 3. 电光光转换效率高、效率高、驱动功率低，同功率低，同时要求寿命要求寿命长，可靠性高；，可靠性高；4. 4. 单色性和方向性好；色性和方向性好；广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信74-1 概述概述5.易易调制、呼制、呼应速度快；速度快；6.光光强对驱动电流的流的线性要好，以保性要好，以保证足足够多的信多的信号模号模拟调制光源而不制光源而不发生畸生畸变；7.体体积小、分量小、分量轻。为什么目前多采用半什么目前多采用半导体光源呢？体光源呢？半半导体光源可以直接体光源可以直接进展展调制，即注入制，即注入调制制电流而流而实现光波光波强度度调制。制。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信84-2 半半导体光源的任体光源的任务原理原理一、原子能一、原子能级跃迁迁光源的物理根底光源的物理根底能能级：原子由原子核和核外：原子由原子核和核外电子子组成，核外成，核外电子子围绕原子核旋原子核旋转，每个，每个电子的运子的运转轨道并不一道并不一样，各代表不同的量子各代表不同的量子态，即：原子中的，即：原子中的电子只能在一子只能在一定的量子定的量子态中运中运动；在最里；在最里层的的轨道上量子道上量子态的能的能量最低，量最低，电子受原子核束子受原子核束缚最最强，最外，最外层的的轨道量道量子子态能量最高，能量最高，电子受原子核束子受原子核束缚最弱，最弱，这些不同些不同的的轨道运道运转时相相应的能量的能量值包括包括电子的子的动能和能和电位能称位能称为能能级。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信94-2 半半导体光源的任体光源的任务原理原理能能级跃迁：原子中的迁：原子中的电子可子可经过与外界交与外界交换能量的方式能量的方式发生量子生量子跃迁，量子迁，量子跃迁交迁交换的能量的能量有有热能、光能，分能、光能，分别为热跃迁和光迁和光跃迁。迁。热跃迁：交迁：交换的能量是的能量是热运运动的能量；的能量；光光跃迁：交迁：交换的能量是光能。的能量是光能。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信104-2 半半导体光源的任体光源的任务原理原理思索双能思索双能级的系的系统，低能，低能级E1和高能和高能级E2，设处于高能于高能级E2和低能和低能级E1上的上的电子数分子数分别为N2和和N1，当系，当系统处于于热平衡形状平衡形状时，存在下面的分布：，存在下面的分布：k=1.38110-23J/K，为波波尔兹曼常数，曼常数，T为绝对温度。温度。由于由于(E2-E1)0，T0，所以在，所以在热平衡形状下，平衡形状下，总是是N1N2，这阐明明电子子总是首先占据能量低的能是首先占据能量低的能级。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信114-2 半半导体光源的任体光源的任务原理原理自自发辐射：高能射：高能级E2上的上的电子不子不稳定，会按一定的概率定，会按一定的概率自自发地地跃迁到低能迁到低能级E1上与空穴复合，上与空穴复合，释放的能量以光放的能量以光子子频率率为，能量，能量为h=E2-E1的方式的方式辐射。射。所以，自所以，自发辐射射过程的特点如下：程的特点如下：处于高能于高能级电子的自子的自发行行为，与能否存在外界鼓励作，与能否存在外界鼓励作用无关；用无关；由于自由于自发辐射可以射可以发生在一系列的能生在一系列的能级之之间如共价如共价晶体中晶体中导带向价向价带的自的自发辐射，因此射，因此资料的料的发射光射光谱范范围很很宽；即使即使跃迁迁过程程满足一足一样的能的能级差光子差光子频率一致，率一致，它它们也是独立的、随机的也是独立的、随机的辐射，是一种非相关光。射，是一种非相关光。分裂的能带，这些光子仅仅能量一样而彼此无关，分裂的能带，这些光子仅仅能量一样而彼此无关，可以有不同的相位和不同的偏振方向，可以向空间可以有不同的相位和不同的偏振方向，可以向空间各个方向传播，是非相关光荧光。各个方向传播，是非相关光荧光。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信124-2 半半导体光源的任体光源的任务原理原理受激吸收受激吸收/跃迁：迁：处于低能于低能级上的上的电子在感子在感应光光场的作用的作用下感下感应光子能量光子能量为h=E2-E1，吸收一个光子从低，吸收一个光子从低能能级E1跃迁到高能迁到高能级E2上。上。所以，受激吸收所以，受激吸收过程的特点如下：程的特点如下：受激吸收受激吸收时需求耗需求耗费外来光能；外来光能；受激吸收受激吸收过程程对应光子被吸收，生成光子被吸收，生成电子子空穴空穴对的的光光电转换过程。程。 当某物质与外界处在热平衡形状下，低能级的当某物质与外界处在热平衡形状下，低能级的粒子电子数粒子电子数N1总是大于高能级的粒子电子总是大于高能级的粒子电子数数N2，在这种形状下，有感应光场时，必然是受激，在这种形状下，有感应光场时，必然是受激吸收占主要位置，不会出现发光景象，光波经过该吸收占主要位置，不会出现发光景象，光波经过该物质时强度按指数规律衰减，光波被吸收。物质时强度按指数规律衰减，光波被吸收。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信134-2 半半导体光源的任体光源的任务原理原理受激受激辐射：射：处于高能于高能级E2的的电子在感子在感应光光场作用下感作用下感应光子能量光子能量为h=E2-E1，发射一个和感射一个和感应光子一模光子一模一一样的光子，的光子，跃迁到低能迁到低能级E1上。上。所以，受激所以，受激辐射的特点如下：射的特点如下：外来光子的能量等于外来光子的能量等于跃迁的能迁的能级之差。之差。受激受激过程中程中发射出来的光子与外来光子不射出来的光子与外来光子不仅频率一率一样，而且相位、偏振方向和而且相位、偏振方向和传播方向都一播方向都一样，因此称它，因此称它们是是全同光子，是相关光。全同光子，是相关光。受激受激辐射射过程本程本质上是将感上是将感应光得到放大。光得到放大。发射光子和感应光子不仅频率一样，而且相位、发射光子和感应光子不仅频率一样，而且相位、偏振方向和传播方向都一样，是相关光。偏振方向和传播方向都一样，是相关光。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信144-2 半半导体光源的任体光源的任务原理原理广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信154-2 半半导体光源的任体光源的任务原理原理每种每种跃迁是不是独立存在的呢？迁是不是独立存在的呢？实践上，在光践上，在光电器件中，自器件中，自发辐射、受激射、受激辐射和受激吸收射和受激吸收过程程总是同是同时出出现，但，但对于各种特点的光于各种特点的光电器件，只需一种机理器件，只需一种机理起主要作用，分起主要作用，分别对应的是：的是：发光二极管光二极管LED，半，半导体激光管体激光管LD和光和光电二极管二极管/光光电探探测器。器。光光纤通通讯多数采用多数采用LD，那么受激，那么受激辐射的条件和射的条件和结果？果？广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信164-2 半半导体光源的任体光源的任务原理原理条件条件- -粒子数反粒子数反转分布形状分布形状: : 假假设外界向物外界向物质提供了能提供了能量，就会使得低能量，就会使得低能级上的上的电子子获得能量大量地激得能量大量地激发到高到高能能级上去，像一个上去，像一个泵不断地将低能不断地将低能级上的上的电子子“抽运到抽运到高能高能级上，我上，我们称称这个能量个能量为鼓励或者鼓励或者泵浦浦过程，从而程，从而到达高能到达高能级上的粒子数上的粒子数N2N2大于低能大于低能级上的粒子数上的粒子数N1N1的分的分布形状，布形状，这种形状称种形状称为粒子数反粒子数反转分布形状。分布形状。结果果- -光放大光放大过程程: :当物当物质粒子数反粒子数反转分布形状下，高能分布形状下，高能级上的大量上的大量电子就会在遭到外来感子就会在遭到外来感应光子的激光子的激发下，下，发射出与入射光子的射出与入射光子的频率、相位、偏振方向、率、相位、偏振方向、传播方向完播方向完全一全一样的相关光，的相关光，这样，就，就实现了用一个弱的入射光激了用一个弱的入射光激发出一个出一个强的出射光的光放大的出射光的光放大过程。程。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信174-2 半半导体光源的任体光源的任务原理原理二、半二、半导体能体能带构造和构造和载流子流子 在大量原子相互接近构成半在大量原子相互接近构成半导体晶体体晶体时，由于半，由于半导体晶体内部体晶体内部电子的共有化运子的共有化运动，晶体能，晶体能谱分裂成假分裂成假设干干组，每，每组中能中能级彼此靠得很近，彼此靠得很近，组成有一定成有一定宽度的度的带能能带。 半半导体内部自在运体内部自在运动的的电子子( (简称自在称自在电子子) )所填所填充的能充的能带称称为导带；价；价电子所填充的能子所填充的能带称称为价价带；导带和价和价带之之间不允不允许电子填充，所以称子填充，所以称为禁禁带，其，其宽度称度称为禁禁带宽度度/ /带隙，用隙，用EgEg表示，表示，单位位为电子伏特子伏特(eV)(eV)。Eg =Ec-EvE2E1广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信184-2 半半导体光源的任体光源的任务原理原理此此动画画为晶体的能晶体的能带动画：画：导带和价和价带为光源光源提供了物理根底。提供了物理根底。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信194-2 半半导体光源的任体光源的任务原理原理电子在能子在能级上是如何分布的呢？上是如何分布的呢？( (遵照的遵照的规律律) )电子的能子的能级分布：分布：费米米- -狄拉克狄拉克统计规律律 在在热平衡条件下，能量平衡条件下，能量为E E的能的能级被被电子占据的子占据的概率概率p(E)p(E)服从服从费米分布函数米分布函数费米米统计规律是物律是物质粒子能粒子能级分布的根本分布的根本规律，它反映律，它反映了物了物质中的中的电子按一定子按一定规律占据能律占据能级。 费米能米能级：不是一个可以被：不是一个可以被电子占据的子占据的实践存在践存在的能的能级，它是反映，它是反映电子在各能子在各能级中分布情况的参量，具中分布情况的参量，具有能有能级的量的量纲，位置由，位置由总电子数能子数能级详细情况决情况决议，对本征半本征半导体，在禁体，在禁带的中心。的中心。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信204-2 半半导体光源的任体光源的任务原理原理p(E)是是电子在各能子在各能级分布的概率，所以有分布的概率，所以有当当E=Ef时，p(E)=1/2，能能级E被被电子占据的概率和空穴占据的概率相等，子占据的概率和空穴占据的概率相等，实践践上上费米能米能级不存在；不存在；当当E1/2，能能级E被被电子占据的概率比子占据的概率比较大，假大，假设(Ef-E)kT，那，那么么p(E)1，能，能级几乎被几乎被电子占据；子占据；当当EEf时，p(E)kT，那，那么么p(E)0，能，能级几乎被空穴占据。几乎被空穴占据。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信214-2 半半导体光源的任体光源的任务原理原理 根据根据费米米统计规律，可得各种半律，可得各种半导体中体中电子的子的统计分布：分布：(a) 本征半本征半导体体(b) 兼并型兼并型P型半型半导体体 (c)兼并型兼并型N型半导体型半导体(d)双兼并型半导体双兼并型半导体EfcEfv低温下，本征半导体低温下，本征半导体费米能级的禁带的中费米能级的禁带的中心位置。心位置。对于重掺杂兼并型对于重掺杂兼并型P型半导体，由于受主杂质型半导体，由于受主杂质的掺入三价元素的杂质，多数载流子是空的掺入三价元素的杂质，多数载流子是空穴，费米能级进入半导体的价带。穴，费米能级进入半导体的价带。对于重掺杂兼并型对于重掺杂兼并型N型半导体，由于施主型半导体，由于施主杂质的掺入五价元素的杂质，多数杂质的掺入五价元素的杂质，多数载流子是电子，费米能级进入半导体的载流子是电子，费米能级进入半导体的导带。导带。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信224-2 半半导体光源的任体光源的任务原理原理双兼并型半双兼并型半导体，是一种非体，是一种非热平衡形状下的情况，因此用两平衡形状下的情况，因此用两种种费米能米能级Efc和和Efv来表征来表征载流子的流子的统计分布。在价分布。在价带中，中，载流流子的子的统计分布与兼并型分布与兼并型P型半型半导体的分布体的分布类似，而似，而导带中那么与中那么与兼并型兼并型N型半型半导体的情况体的情况类似。因此，似。因此，Efc和和Efv之之间构成了一个构成了一个粒子数反粒子数反转的区域。假的区域。假设有一光波，光子能量有一光波，光子能量满足足Egh(Efc-Efv)，那么，那么这束光波束光波经过双兼并型半双兼并型半导体体时将被放大光放大。将被放大光放大。半半导体激光器体激光器LD就是利用就是利用这种重种重掺杂的双兼并型半的双兼并型半导体的体的特点。特点。(d)双兼并型半导体双兼并型半导体EfcEfv广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信234-2 半半导体光源的任体光源的任务原理原理三、三、PN结1.PN结的构成的构成P型半型半导体和体和N型半型半导体构成体构成PN结时，载流子的流子的浓度差引起分散运度差引起分散运动，P区的空穴向区的空穴向N区分散，剩下区分散，剩下带负电的的电离受主，从而在接近离受主，从而在接近PN结界面的区域构成界面的区域构成了一个了一个带负电的区域；同的区域；同样，N区的区的电子向子向P区分散，区分散，剩下剩下带正正电的的电离施主，从而呵斥一个离施主，从而呵斥一个带正正电的区的区域。域。这样一来，一来，载流子分散运流子分散运动的的结果构成了一个果构成了一个空空间电荷区荷区/结区。空区。空间电荷区的荷区的电场方向由方向由N区指区指向向P区，区，这个个电场称称为“自建自建电场/内建内建电场，与外，与外加加电场相反。相反。内建内建电场在在P型半导体中存在大量型半导体中存在大量带正电的空穴，同时还存带正电的空穴，同时还存在着等量的带负电的电离在着等量的带负电的电离受主，它们的电性相互抵受主，它们的电性相互抵消而表现出电中性。消而表现出电中性。在在N型半导体中存在型半导体中存在大量带负电的电子，大量带负电的电子，同时还存在着等量的同时还存在着等量的带正电的电离施主，带正电的电离施主，它们的电性相互抵消它们的电性相互抵消而表现出电中性。而表现出电中性。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信244-2 半半导体光源的任体光源的任务原理原理自建自建电场逐逐渐加加强，直到漂移运，直到漂移运动自建自建电场引起完全抵消了分散运引起完全抵消了分散运动，从而使，从而使PN结到达到达动态平衡形状平衡形状热平衡形状，客平衡形状，客观上没有上没有电流流经过。2.PN结的能的能带热平衡形状平衡形状由于一个由于一个热平衡系平衡系统只能有一个只能有一个费米能米能级，这就要求原来在就要求原来在P区和区和N区高低不同的区高低不同的费米能米能级到达一到达一样的程度。在走向的程度。在走向热平衡形状的平衡形状的过程中，程中，费米能米能级趋向同一高度，假向同一高度，假设N区的能区的能级位置不位置不变，那么，那么P区区的能的能级应该提高，从而使提高，从而使PN结的能的能带发生生倾斜弯曲。斜弯曲。PN结能能带的弯曲正反映了空的弯曲正反映了空间电荷区的存在。荷区的存在。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信254-2 半半导体光源的任体光源的任务原理原理广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信264-2 半半导体光源的任体光源的任务原理原理在空在空间电荷区内，自建荷区内，自建场从从N区指向区指向P区，区，这阐明明P区相区相对于于N区区为负电荷，用荷，用-VD来表示，叫做接触来表示，叫做接触电位差位差/PN结的的势垒高度，高度，P区一切能区一切能级的的电子都附加了位能，子都附加了位能，其其值为(-e0).(-VD)=e0VD，从而使，从而使P区的能区的能带相相对于于N区区来来说提高了提高了e0VD。3.正向偏置下正向偏置下(PN结施加正向施加正向电压)构成增益区构成增益区/有源区有源区正向正向电压施加以后，减弱了原有内建施加以后，减弱了原有内建电场，使，使势垒降低。假降低。假设N区的能区的能带还坚持不持不变，那么，那么P区的能区的能带应向向下挪下挪动，下降的数，下降的数值应为e0VVVD。在。在这种非种非热平衡形状下，平衡形状下，费米能米能级随之随之发生了分裂，在生了分裂，在PN结出出现了两个了两个费米能米能级，N区和区和P区的区的费米能米能级分分别为Efc和和Efv。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信274-2 半半导体光源的任体光源的任务原理原理正向偏置的作用下，正向偏置的作用下，热平衡形状被破坏，外加平衡形状被破坏，外加电场区正区正向向电压构成使空穴向构成使空穴向N区运区运动，电子向子向P区运区运动，在，在PN结构成构成一个特殊的增益区一个特殊的增益区/有源区。在增益区，有源区。在增益区，导带的多数的多数载流子是流子是电子，价子，价带的多数的多数载流子是空穴，流子是空穴，结果构成粒子数反果构成粒子数反转分布。分布。在在满足粒子数反足粒子数反转条件的情况下，当条件的情况下，当EghPth，所以，所以或者用功率表示或者用功率表示广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信594-3 半半导体激光器体激光器2.温度特性温度特性半半导体激光器体激光器对温度温度变化敏感，化敏感，输出光功率随温度出光功率随温度发生生变化，化，产生生变化的化的缘由有两个：由有两个：首先，表首先，表现出外微分量子效率随温度升高而下降；出外微分量子效率随温度升高而下降；对于于线性度良好的激光器，性度良好的激光器，输出光功率可以表示出光功率可以表示为其次，其次，阈值电流随温度的升高而加大，呈指数流随温度的升高而加大，呈指数变化，化，结区温度区温度为T时的的阈值电流流广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信604-3 半半导体激光器体激光器广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信614-3 半半导体激光器体激光器另外，温度另外，温度对激光器数字激光器数字调制将制将产生生结发热效效应。所所谓结发热效效应，是指是指调制制电流的作用引起半流的作用引起半导体体激光器激光器PN结结区的温度区的温度发生生变化，化，导致致输出光脉冲的外出光脉冲的外形形发生生变化。化。结发热效效应引起引起调制失真。制失真。相相对于高于高码速通速通讯，低，低码速光速光纤通通讯系系统的的“结发热效效应更加明更加明显，这是由于随着是由于随着调制速率的提高，制速率的提高，码元元时间间隔隔缩短，短，PN结结区温度来不及区温度来不及发生生变化。化。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信624-3 半半导体激光器体激光器3.光光谱特性特性单色性色性1发射波射波长半半导体激光器的体激光器的发射波射波长取决于取决于导带的的电子子跃迁到迁到价价带时所所释放出的能量，放出的能量，这个能量近似等于禁个能量近似等于禁带宽度度Eg(eV)=h=hc/，(Hz)和和(m)分分别为发射光的射光的频率率和波和波长，1eV=1.601019J，所以有激光器的，所以有激光器的发射波射波长由于由于带隙隙Eg与半与半导体体资料的成分及其含量有关，因此根料的成分及其含量有关，因此根据据这个原理可以制成不同个原理可以制成不同发射波射波长的激光器。的激光器。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信634-3 半半导体激光器体激光器半半导体激光器的光体激光器的光谱随着注入随着注入电流的流的变化而化而变化。当化。当IIth时，发出的是出的是荧光，光光，光谱很很宽；当；当IIth后，后，发射光射光谱忽然忽然变窄，窄，谱线中心中心强度急度急剧添加，添加，此此时发出激光，如下出激光，如下图。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信644-3 半半导体激光器体激光器2激光器的激光器的纵模反映器件的光模反映器件的光谱特性特性纵模数随注入模数随注入电流流驱动电流而流而变。随着注。随着注入入电流的添加，流的添加，纵模模数逐模模数逐渐减少，减少，谱线宽度度变窄，当窄，当驱动电流足流足够大大时，多，多纵模模变为单纵模，模，这种激光器称种激光器称为静静态单纵模激光器；模激光器；随注入随注入电流的添加，主模的增益添加而流的添加，主模的增益添加而边模模的添加减少，振的添加减少，振荡模数减少。模数减少。峰峰值波波长随随结温升高而向温升高而向长波波长挪挪动；半半导体体资料的禁料的禁带宽度度Eg随着随着结温升高而温升高而变窄。窄。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信654-3 半半导体激光器体激光器普通激光器任普通激光器任务在直流或低在直流或低码速情况下，它具有良速情况下，它具有良好的好的单纵模模谱线，所，所对应的光的光谱只需一根只需一根谱线，而，而在高在高码速速调制脉冲制脉冲调制制时，动态谱线随随调制制电流流Im添加而展添加而展宽，甚至其，甚至其线谱呈呈现多多纵模模谱线。为什么呢？什么呢？广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信664-3 半半导体激光器体激光器对于脉冲于脉冲调制，制，调制制电流流Im不断不断变化，使有源区化，使有源区载流子流子浓度随之度随之变化，化，进而而导致折射率致折射率变化，最化，最终使激光使激光器的振器的振荡频率率发生漂移，生漂移，动态谱线展展宽。Im不断不断变化化载流子流子浓度度变化化n变化化变化化动态谱线展展宽对高速光高速光纤通通讯不利。普通情况，用不利。普通情况，用F-P谐振腔可以得到的是直流振腔可以得到的是直流驱动的静的静态单纵模激光器，模激光器，要得到高速数字要得到高速数字调制的制的动态单纵模激光器，必需改模激光器，必需改动激激光器的构造，采用分布反响半光器的构造，采用分布反响半导体激光器体激光器DFB等。等。多模激光多模激光:光光谱有多个峰有多个峰值波波长中心波中心波长，其中最，其中最大峰大峰值波波长称称为主中心波主中心波长，该方式也称方式也称为主模，其它主模，其它的方式称的方式称为边模。模。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信674-3 半半导体激光器体激光器3激光器的谱线宽度激光器的谱线宽度多纵模多纵模LD的谱宽的谱宽单纵模单纵模LD的谱宽的谱宽广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信684-3 半半导体激光器体激光器多多纵模激光器：模激光器：用均方根用均方根谱宽 rms或半或半值满谱宽 1/2表示。表示。对于运用于运用多多纵模激光器的光模激光器的光发射机，其射机，其谱宽 rms普通要求在普通要求在210nm范范围。单纵模激光器：模激光器：用用3dB或或20dB谱宽 -20dB表示。表示。 -20dB=6.07 rms，对于运用于运用单纵模激光器的光模激光器的光发射机，其射机，其谱宽 -20dB要求在要求在1nm以下。以下。幅度 谱宽1.0 0.61 0 dlrms0.01 dl-20 dB广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信694-3 半半导体激光器体激光器4边模抑制比模抑制比边模抑制比是指主模抑制比是指主纵模的光功率模的光功率P1和最大和最大边模光模光功率功率P2之比之比普通，光普通，光发射机的射机的SMSR大于大于30dB，即主，即主纵模的光模的光功率是最大功率是最大边模光功率的模光功率的1000倍以上。倍以上。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信704-3 半半导体激光器体激光器4.激光束的空激光束的空间分布分布方向性方向性激光器的方向性指激光器的方向性指输出光束的空出光束的空间发散程度。散程度。远场光光强下降到最大下降到最大值一半之一半之处时，在垂直于，在垂直于P-N结平面的方向上，平面的方向上，对激光器激光器输出端面的出端面的张角大小，称角大小，称为垂直垂直发散角，用散角，用来表示；在平行于来表示；在平行于P-N结平面的方平面的方向上，向上，对LD输出端面的出端面的张角大小，称角大小，称为平行平行发散角，用散角，用/来表示。来表示。/。 /O OP P层层N N层层有有源源层层程度发散角和垂直发散角程度发散角和垂直发散角 1 1. .0 00 0. .5 50 00 0- -5 50 05 50 0发发散散 角角 度度 垂垂 直直 方方 向向水水 平平 方方 向向 远场光强分布曲线远场光强分布曲线相相对对光光强强广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信714-3 半半导体激光器体激光器激光器的横模决激光器的横模决议了了输出光束的空出光束的空间分布，分布，发散角直接影响到器件与光散角直接影响到器件与光纤的耦合效率。与的耦合效率。与纵模的意模的意义不同，横模反映的是由于不同，横模反映的是由于边境条件的存境条件的存在在对腔内腔内电磁磁场形状的横向空形状的横向空间约束作用。束作用。异异质结构造中，有源区厚度很薄构造中，有源区厚度很薄(1m)，通常通常仅有基垂直横模被激有基垂直横模被激发，而程度横模受，而程度横模受PN结条款的影响，普通情况，条款的影响，普通情况，30o，/10o。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信724-3 半半导体激光器体激光器5.瞬瞬态特性特性半半导体激光二极管体激光二极管LD具有具有电光光转换效率高、呼效率高、呼应速度快、可速度快、可进展直接展直接调制等制等优点，被点，被视为光光纤通通讯中中的理想光源。的理想光源。但是但是对于于LD进展脉冲展脉冲调制制时，尤其是高，尤其是高码速光速光纤通通讯中，中，LD往往呈往往呈现出复出复杂的的动态性性质。P(t)易自脉易自脉动景象景象广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信734-3 半半导体激光器体激光器1从从图中可以看出，中可以看出，LD在脉冲在脉冲调制中出制中出现的的动态特性有特性有存在存在电光延光延迟，普通，普通为ns量量级；出出现张弛振弛振荡：LD输出光脉冲会出出光脉冲会出现幅度逐幅度逐渐衰衰减的振减的振荡；-激光器内部光激光器内部光电相互作用所相互作用所变现的固有的固有特性特性出出现自脉自脉动景象：景象：输出光脉冲出出光脉冲出现继续等幅的高等幅的高频振振荡；LD内部不均与增益或不均与吸收内部不均与增益或不均与吸收产生，以生，以及及P-I曲曲线有明有明显扭折的扭折的LD易出易出现自脉自脉动景象景象是是和和的混合。的混合。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信744-3 半半导体激光器体激光器2产生生张弛振弛振荡的的缘由分析由分析tIth时，有，有源区里源区里电子密度子密度n添加，但添加，但这段段时间n小于小于阈值电流密度流密度nth，激光并不会，激光并不会产生，所以生，所以光功率存在一个延光功率存在一个延迟时间，即即电光延光延迟时间。tdtt1：当当n添加到添加到nth以后，激光开以后，激光开场产生，但光子密度生，但光子密度s存在一存在一个添加的个添加的时间过程，光子密程，光子密度度s到达到达稳态值之前，之前，n继续添加，添加，s到达到达稳态值时，n到到达最大达最大值。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信754-3 半半导体激光器体激光器t1tt2：当当t1时辰后，光辰后，光场曾曾经建立，建立，s迅速添加，同迅速添加，同时耗耗费粒子数，粒子数，n下降，当下降，当s到达峰到达峰值时，n下下降到降到nth。t2tt3：当当n下降到下降到nth以后，有源区以后，有源区里里载流子复合仍将流子复合仍将继续一段一段时间，此，此时电子密度子密度n继续下下降到降到nth以下，以下，s也开也开场下降，下降，下降到下降到稳态值时，n已到达最已到达最小，激光停小，激光停顿或减弱，此刻或减弱，此刻又开又开场电子的填充。由于子的填充。由于电子的存子的存储效效应，电子的填充子的填充时间比上次短，比上次短，电子密度和子密度和光子密度的光子密度的过冲也上次小。冲也上次小。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信764-3 半半导体激光器体激光器3分析瞬分析瞬态过程的出程的出发点点出出发点是点是LD速率方程速率方程组的瞬的瞬态解。由速率方程解。由速率方程组(简化化)得到的得到的张弛振弛振荡频率率wr及其幅度衰减及其幅度衰减时间0和和电光延光延迟时间td的表达式的表达式为式中，式中，0表示表示张弛振弛振荡的幅度衰减的幅度衰减为初始初始值1/e的的时间，i和和ith分分别为注入注入电流密度和流密度和阈值电流密度。流密度。sp和和ph分分别为电子自子自发复合寿命复合寿命调和振腔内光子寿命。和振腔内光子寿命。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信774-3 半半导体激光器体激光器由以上三式可以得到：由以上三式可以得到：张弛振弛振荡的角的角频率率wr随随谐振腔内光子寿命振腔内光子寿命 ph和自和自发辐射射寿命寿命时间 sp的减小而添加，并随注入的减小而添加，并随注入电流的添加而升高；流的添加而升高；张弛振弛振荡的衰减的衰减时间与自与自发辐射的寿命射的寿命时间 sp同数量同数量级，并随注入并随注入电流的添加而减小；流的添加而减小；电光延光延迟时间td与自与自发辐射的寿命射的寿命时间 sp为一一样数量数量级，并随注入并随注入电流流i的添加而减小。的添加而减小。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信784-3 半半导体激光器体激光器4对LD进展脉冲展脉冲调制制时，减小，减小电光延光延迟时间行之有效行之有效的方法的方法在在发射机射机电路中施加直流路中施加直流预偏置偏置电流。直流流。直流预偏置偏置电流在脉冲到来流在脉冲到来时，电光延光延迟的的时间大大减少，而且大大减少，而且张弛振弛振荡景象也可得到一定程度的抑制。景象也可得到一定程度的抑制。简化的速率方程化的速率方程组是基于以下条件提出的：是基于以下条件提出的：注入注入电流均匀恒定，即流均匀恒定，即电流密度流密度i为常数，常数，电子和光子密度子和光子密度在腔内在腔内处处均匀，因此可以不思索梯度均匀，因此可以不思索梯度场和漂移和漂移场的作用；的作用；光子完全被介光子完全被介质波波导限制在有源区中，不需求思索限制在有源区中，不需求思索侧向光向光场的漏出；的漏出；忽略非忽略非辐射复合的影响；射复合的影响；激光器在激光器在阈值之上之上单纵模振模振荡。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信794-3 半半导体激光器体激光器5电光延光延迟和和张弛振弛振荡的后果是限制的后果是限制调制速率：制速率：电光延光延迟要要产生生码型效型效应当当电光延光延迟时间td与数字与数字调制的制的码元元继续时间T/2为一一样数量数量级时，会使，会使“0码过后的第一个后的第一个“1码的脉冲的脉冲宽度度变窄，幅度窄，幅度变小，小，严重重时能能够使使单个个“1丧失。失。-码型效型效应电脉冲电脉冲光脉冲光脉冲广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信804-3 半半导体激光器体激光器码型效型效应的特点：的特点：在脉冲序列中在脉冲序列中较长的的连“0码后出后出现的的“1码，其，其脉冲明脉冲明显显效，而且效，而且连“0码越多，越多，调制速率越高，那制速率越高，那么么码型效型效应越明越明显。为什么？什么？缘由分析：在两个接由分析：在两个接连出出现的的“1码中，第一个脉冲到中，第一个脉冲到来之前，有来之前，有较长的的连“0码，由于，由于电光延光延迟时间长和光和光脉冲上升脉冲上升时间的影响，因此脉冲的影响，因此脉冲变小。第二个脉冲到来小。第二个脉冲到来时，由于第一脉冲的，由于第一脉冲的电子空穴复合尚未完全消逝，有源子空穴复合尚未完全消逝，有源区区电子密度子密度较高，因此高，因此电光延光延迟时间短，脉冲短，脉冲较大。大。码型效型效应对光光纤通通讯不利，那么如何消除呢？不利，那么如何消除呢？广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信814-3 半半导体激光器体激光器消除消除码型效型效应的方法：的方法：第一，添加直流偏置第一，添加直流偏置电流，使流，使LD偏置在偏置在Ith附近。附近。-最最简单的方法的方法当当LD偏置在偏置在Ith附近附近时，脉冲，脉冲继续时和脉冲和脉冲过后有源后有源区里区里电子密度子密度变化不大，从而使化不大，从而使电子存子存储时间大大减少。大大减少。第二，双脉冲信号第二，双脉冲信号进展展调制。制。每一个正脉冲跟随一个每一个正脉冲跟随一个负脉冲，正脉冲脉冲，正脉冲产生光脉冲，生光脉冲，负脉冲消除有源区里的存脉冲消除有源区里的存储电荷，但是荷，但是负脉冲不能脉冲不能过大，大，否那么否那么PN结将被将被击穿。穿。当最高当最高调制制频率接近率接近张弛振弛振荡频率率时，波形，波形严重失真，重失真，以致于使光接以致于使光接纳机在抽机在抽样判决判决时添加添加误码率，因此率，因此实践运践运用的最高用的最高调制速率制速率应低于低于张弛振弛振荡频率。率。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信824-3 半半导体激光器体激光器6自脉自脉动景象作景象作为一种高一种高频干干扰严重地要挟到激重地要挟到激光器高速脉冲光器高速脉冲调制的性能制的性能自脉自脉动景象的出景象的出现与与调制形状无关，即注入制形状无关，即注入电流流与注入脉冲与注入脉冲电流都能流都能够出出现自脉自脉动景象，只是与注景象，只是与注入的入的总电流有关；流有关；自脉自脉动景象是目前激光器在某些注入景象是目前激光器在某些注入电流流值的情的情况下况下发生的景象，且振生的景象，且振荡频率随注入率随注入电流的添加而流的添加而升高；升高；自脉自脉动景象景象经常出如今常出如今P-I特性曲特性曲线扭折扭折处。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信834-4 发光二极管光二极管一、任一、任务原理原理发光二极管是非相关光源光二极管是非相关光源荧光，它的光，它的发射射过程主要程主要对应光的自光的自发辐射射过程。在程。在发光二极光二极管的构造中不存在管的构造中不存在谐振腔，当振腔，当PN结注入正向注入正向电流流时，注入的非平衡，注入的非平衡载流子在分散流子在分散过程中复合程中复合发光，光，发光光过程中程中PN结也不一定需求也不一定需求实现粒子数粒子数反反转。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信844-4 发光二极管光二极管二、构造与分二、构造与分类发光二极管不需光二极管不需求求谐振腔，并且振腔，并且为了了获得高得高辐射亮度，射亮度，LED常采用双异常采用双异质结构造。构造。按照光按照光输出的位出的位置不同，置不同，LED可分可分为边发射型射型LED、面、面发射型射型LED和超和超辐射射发光二极管光二极管(SLED)。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信854-4 发光二极管光二极管三、根本特性三、根本特性1.输出光功率特性出光功率特性P-I特性特性没有没有阈值，其，其输出功率根本上与注入出功率根本上与注入电流成正流成正比，适宜短比，适宜短间隔和模隔和模拟光光纤通通讯中；中；实践上也存在践上也存在非非线性区域。性区域。LED的任的任务电流通常流通常50mA100mA。IP广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信864-4 发光二极管光二极管2.温度特性温度特性温度温度对LED影响不大，影响不大，实践运用中也可以不践运用中也可以不进展温度控制，假展温度控制，假设需求，确保需求，确保实验系系统或运用或运用设备的的稳定，可以加装散定，可以加装散热安装。另安装。另外，温度升高外，温度升高时，LED的的输出功率也将降低。出功率也将降低。3.光光谱特性特性自自发辐射光，没有射光，没有谐振腔振腔对波波长的的选择，为非相关光，非相关光，谱线较宽，在，在30120nm，光，光谱约3001600nm。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信874-4 发光二极管光二极管4.光束空光束空间分布分布辐射角大，射角大，LED与光与光纤的的耦合效率通常小于耦合效率通常小于10，普通，普通只适用于短只适用于短间隔通隔通讯，边发光光型和面型和面发光型不一光型不一样，见图。5.呼呼应速度速度时域上的概念，在域上的概念，在频域上域上对应为带宽，调制制频率比率比LD低低很多，面很多，面发光型光型LED的可的可调制制频率率仅为几十几十MHz，边发光型光型LED的可的可调制制频率可达率可达200MHz。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信884-4 发光二极管光二极管四、四、优点与运用点与运用虽然然发光二极管的光二极管的输出光功率出光功率较低，光低，光谱较宽，但，但由于运用由于运用简单、寿命、寿命长、可靠性高、可靠性高、调制制电路路简单、制、制造工造工艺简单、本、本钱低等低等优点。点。LED通常和多模光通常和多模光纤耦合，在耦合，在1.31m或或0.85m波波长的小容量、中低速率、短的小容量、中低速率、短间隔的光隔的光纤数字通数字通讯系系统和光和光纤模模拟信号信号传输系系统中得到了广泛运用。中得到了广泛运用。LD通常和通常和单模光模光纤耦合，用于耦合，用于1.31m或或1.55m大大容量、容量、长间隔光通隔光通讯系系统。DFB和和DBR主要也和主要也和单模光模光纤或特殊或特殊设计的的单模光模光纤耦合，用于耦合，用于1.55m超大容量的新型光超大容量的新型光纤系系统，这是目是目前光前光纤通通讯开展的主要开展的主要趋势。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信89激光二极管激光二极管 发光二极管发光二极管 1输出光功率较大，几输出光功率较大，几mW一几十一几十mw。 输出光功率较小，普通仅输出光功率较小，普通仅1mw一一2mW。 2带宽大，调制速率高，几百带宽大，调制速率高，几百MHz一几一几十十GHz。 带宽小，调制速率低，几十一带宽小，调制速率低，几十一200MHz。 3光束方向性强，发散度小。光束方向性强，发散度小。 方向性差，发散度大。方向性差，发散度大。 4与光纤的耦合效率高，可高达与光纤的耦合效率高，可高达80以上。以上。 与光纤的耦合效率低，仅百分之几。与光纤的耦合效率低，仅百分之几。 5光谱较窄。光谱较窄。 光谱较宽。光谱较宽。 6制造工艺难度大，本钱高。制造工艺难度大，本钱高。 制造工艺难度小，本钱低。制造工艺难度小，本钱低。 7在要求光功率较稳定时，需求在要求光功率较稳定时，需求APC和和ATC。 可在较宽的温度范围内正常任务。可在较宽的温度范围内正常任务。 8输输 出特性曲线的线性度较好。出特性曲线的线性度较好。 在大电流下易饱和。在大电流下易饱和。 9可靠性普通。可靠性普通。 可靠性较好。可靠性较好。 10任务寿命短。任务寿命短。 任务寿命长。任务寿命长。 4-4 发光二极管光二极管广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信904-5 光源的光源的调制及制及驱动电路路一、一、调制方式制方式1.光光调制制将光信号加将光信号加载到光源的到光源的发射光束上。射光束上。调制后的光波制后的光波经过光光纤信道送至接信道送至接纳端，由光接端，由光接纳机机鉴别出它的出它的变化，化，再再现出原来的信息，称出原来的信息，称为光解光解调。2.调制方式的分制方式的分类1直接直接调制制/内内调制制-仅适用于半适用于半导体光源体光源(LD和和LED)把要把要传送的信息送的信息转变为电流信号注入流信号注入LD或或LED，从，从而而获得相得相应的光信号，采用的是的光信号，采用的是电源源调制方法。制方法。直接直接调制后的光波制后的光波电场振幅的平方比例于振幅的平方比例于调制信号，制信号，是一种光是一种光强度度IM的方法。的方法。DIM广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信914-5 光源的光源的调制及制及驱动电路路2间接接调制制/外外调制制 对光源的光源的输出信号出信号进展展调制。制。 利用晶体的利用晶体的电光效光效应、磁光效、磁光效应、声光效、声光效应等性等性质来来实现对激光激光辐射信号的射信号的调制，制，这种种调制方法适宜于半制方法适宜于半导体激光器，也体激光器，也顺应于其他于其他类型的激光器。型的激光器。 间接接调制也可采用内制也可采用内调制。用集成光学的方法把激制。用集成光学的方法把激光器和光器和调制器集成在一同，用制器集成在一同，用调制信号控制制信号控制调制元件的制元件的物理性物理性质，从而改，从而改动激光激光输出特性以出特性以实现调制制LD调制器调制器(晶体晶体)光信号光信号调制信号：谐振腔的外面放置调制器调制信号：谐振腔的外面放置调制器广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信924-5 光源的光源的调制及制及驱动电路路广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信934-5 光源的光源的调制及制及驱动电路路间接接调制制/外外调制与直接制与直接调制制/内内调制的区制的区别：光源直接光源直接调制的制的优点是点是简单、经济、容易、容易实现，但但调制速率受制速率受载流子寿命及高速率下的性能退化流子寿命及高速率下的性能退化的限制。的限制。外外调制方式需求制方式需求调制器，构造复制器，构造复杂，但可，但可获得得优良的良的调制性能，特制性能，特别适宜高速率光通适宜高速率光通讯系系统。目前已提出的目前已提出的间接接调制方式有制方式有电光光调制、声光制、声光调制和磁光制和磁光调制。制。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信944-5 光源的光源的调制及制及驱动电路路电光光调制制电光光调制的根本任制的根本任务原理是利用晶体的原理是利用晶体的电光效光效应。电光效光效应是指由外加是指由外加电压引起的晶体的折射率引起的晶体的折射率发生生变化的景象。化的景象。根本任根本任务原理：利用原理：利用电光晶体如光晶体如铌酸酸锂晶体等晶体等的的电光效光效应，当外加，当外加电场变化化时，将引起晶体折射，将引起晶体折射率率n随之随之变化的景象，折射率的化的景象，折射率的变化又将引起光波相化又将引起光波相位的位的变化。其中化。其中电场变化化实践上就是践上就是对应于于调制制电压的的变化即需求化即需求传输的信号的的信号的变化。化。这样，调制制电压的的变化最化最终将得到光波的相位的将得到光波的相位的变化，从而化，从而到达到达电光光调相的相的结果。果。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信954-5 光源的光源的调制及制及驱动电路路当一个当一个Asin(wt+0)的光波入射到光波的光波入射到光波调制器制器(Z=0)，经过长度度为L的外的外电场作用区后，作用区后，输出光出光场(Z=L)即已即已调制光波制光波为Asin(wt+0+)，相位，相位变化化因子因子 受外受外电压的控制从而的控制从而实现相位相位调制。制。普科普科尔Pockel效效应(常用常用)与克与克尔Kerr效效应。Pockel：当晶体的折射率与外加：当晶体的折射率与外加电场幅度成幅度成线性性变化；化；Kerr：当晶体的折射率与外加：当晶体的折射率与外加电场幅度的平方成比幅度的平方成比例例变化。化。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信964-5 光源的光源的调制及制及驱动电路路声光声光调制制声光声光调制器是利用介制器是利用介质的声光效的声光效应制成的。制成的。声光声光调制的任制的任务原理：当原理：当调制制电信号信号变化化时，由，由于于压电效效应，使，使压电晶体晶体产活力械振活力械振动构成超声构成超声波，波，这个声波引起声光介个声波引起声光介质的密度的密度发生生变化，使化，使介介质折射率跟着折射率跟着变化，从而构成一个化，从而构成一个变化的光化的光栅，由于光由于光栅的的变化，使光化，使光强随之随之发生生变化，化，结果使果使光波遭到光波遭到调制。制。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信974-5 光源的光源的调制及制及驱动电路路磁光磁光调制制磁光磁光调制磁光制磁光调制是利用法拉第效制是利用法拉第效应得到的一种光得到的一种光间接接调制；制；根本原理：入射光信号根本原理：入射光信号经过起偏器，使入射光起偏器，使入射光变为偏振偏振光，光，这束偏振光束偏振光经过YIG磁棒磁棒时，其偏置方向随，其偏置方向随绕在上在上面面线圈的圈的调制信号而制信号而变化，当偏振方向与后面的化，当偏振方向与后面的检偏器偏器一一样时，输出光出光强最大，当偏振方向与最大，当偏振方向与检偏器方向垂直偏器方向垂直时，输出光出光强最小，从而使最小，从而使输出光出光强随随调制信号制信号变化，化，实现了光的了光的间接接调制。制。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信984-5 光源的光源的调制及制及驱动电路路外调外调制器制器放大器放大器电信号电信号调制光调制光电调制信号电调制信号调制后的光波调制后的光波LDLD LD 输出输出延续光波延续光波广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信994-5 光源的光源的调制及制及驱动电路路二、光源的模二、光源的模拟信号信号调制制直接用延直接用延续的模的模拟信号如信号如话音、音、电视等信号等信号对光源光源进展展调制。制。LED模模拟调制原理：延制原理：延续的模的模拟信号信号电流叠加在直流叠加在直流偏置流偏置电流上，适中流上，适中选择直流偏置的大小，使静直流偏置的大小，使静态任任务点位于点位于发光管特性曲光管特性曲线线性段的中点，可以减小光信号性段的中点，可以减小光信号的非的非线性失真。性失真。在一切通在一切通讯系系统中，用中，用LED作作为光源光源时，均采用直，均采用直接接强度度调制。制。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信1004-5 光源的光源的调制及制及驱动电路路光源的模拟信号调制光源的模拟信号调制广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信1014-5 光源的光源的调制及制及驱动电路路典型的模典型的模拟模模拟调制制电路路电流放大流放大电路：放大倍数路：放大倍数=Ic/Ib，ALEDV+usV+广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信1024-5 光源的光源的调制及制及驱动电路路三、光源的数字三、光源的数字调制制 数字数字调制主要是指制主要是指PCM编码调制。制。 信号信号电流流为单向二向二进制数字信号，用制数字信号，用单向脉冲向脉冲电流流的的“有、有、“无无(“1码和和“0码)控制控制发光管的光管的发光与光与否。否。1. LED的数字的数字调制制 LED数字系数字系统都是都是经过控制流控制流经发光管光管电流的方法到流的方法到达达调制制输出光功率的目的。出光功率的目的。 LED的数字的数字调制制电路采用路采用电流开关流开关电路，最常用的路，最常用的是差分是差分电流开关流开关电路，提高伐制速率。路，提高伐制速率。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信1034-5 光源的光源的调制及制及驱动电路路数字信号从基极数字信号从基极输入，入，经过集集电极的极的电流流驱动LED，“0码时三极管截止，三极管截止，“1码时三极管三极管导通。通。对于于LED的二的二值码调制信制信号，其直流偏置可以号，其直流偏置可以选择在零在零点，即点，即输入信号入信号为零零时，输出出功率也功率也为零。因此零。因此驱动电路中路中可以没有直流偏置可以没有直流偏置调整整电路。路。uiV+广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信1044-5 光源的光源的调制及制及驱动电路路LED的数字信号调制的数字信号调制广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信1054-5 光源的光源的调制及制及驱动电路路2. LD的数字的数字调制制 LD数字系数字系统通常用于高速系通常用于高速系统，且是，且是阈值器件，它的温度器件，它的温度稳定定性性较差，与差，与LED相比，其相比，其调制制问题要复要复杂的多，的多，驱动条件的条件的选择、调制制电路的方式和工路的方式和工艺， 都都对调制制性能至关重要。性能至关重要。 LD驱动电路中必需有直流偏路中必需有直流偏置置电流，因此流，因此驱动LD器件器件发光的光的是是Ib+Im共同作用的共同作用的结果。果。 Im的的选择应思索光源思索光源输出光出光脉冲的幅度，又要思索自脉脉冲的幅度，又要思索自脉动景象。景象。PIIbIm广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信1064-5 光源的光源的调制及制及驱动电路路此此动画画为LD的数字的数字调制制动画：留意与画：留意与LED数字数字调制制时其其P-I特性曲特性曲线的区的区别。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信1074-5 光源的光源的调制及制及驱动电路路uinVB(参考电压参考电压)IbV-V3V1V2LD数字数字驱动电路路经过差分差分电流开关提高开流开关提高开关速度，关速度，V1、V2是一是一对差分管，一个差分管，一个导通、一通、一个截止，个截止，组成一个成一个电流流开关，数字开关，数字电信号信号uin从从V1的基极的基极输入，入，VB是是直流参考直流参考电压施加在施加在V2的基极上，的基极上，V3是恒流源。是恒流源。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信1084-5 光源的光源的调制及制及驱动电路路1LD的的输出功率出功率监控方法控方法 由于温度由于温度变化和任化和任务时间加加长，LD的的输出功率出功率会会发生生变化化(降低降低)，采用控制，采用控制电路的反响路的反响电流使流使输出出功率功率稳定，控制定，控制电路的功能是路的功能是动态地地调整其偏置整其偏置电流，从而流，从而实现输出功率出功率稳定。定。 利用利用LD输出光出光纤的功率，由的功率，由Y型光型光纤耦合器分流耦合器分流出一小部分光功率出一小部分光功率进展展监控。控。 LD的后解理面的后解理面发射的光通常被用于射的光通常被用于这种种监控目的。控目的。LD主输出光主输出光反响光反响光广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信1094-5 光源的光源的调制及制及驱动电路路LDuinVBIbV-V3V1V2PIN输出监控输出监控慢启慢启动110ms广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信1104-5 光源的光源的调制及制及驱动电路路2输出功率出功率监控控电路中的慢启路中的慢启动电路路 慢启慢启动电路是一路是一维护电路。在光路。在光发射机中，射机中，调制制电路、偏置路、偏置电路、反响路、反响电路等路等经常都是共用一常都是共用一组电源。源。为防止接通防止接通电源光阴源源光阴源电流的瞬流的瞬态过冲，往冲，往往先往先让调制制电路、反响路、反响电路及运算放大器等接通，路及运算放大器等接通，而偏置而偏置电流流Ib却是却是缓慢添加，即接通慢添加，即接通电源后，反响源后，反响电路、路、调制制电路到达路到达稳定任定任务之前，偏置之前，偏置电路路缓慢慢启启动，防止了接通，防止了接通电源瞬源瞬间冲冲击电流流对光源的光源的损伤。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信1114-5 光源的光源的调制及制及驱动电路路3LD偏置偏置电流的流的选取取加大直流偏置加大直流偏置电流使其逼近流使其逼近阈值，可减小，可减小电光延光延迟时间，提高，提高频谱利用率和通利用率和通讯容量，同容量，同时使使张弛弛振振荡得到一定程度的抑制；得到一定程度的抑制；当激光器偏置在当激光器偏置在阈值附近附近时，较小的小的调制脉冲制脉冲电流就可得到足流就可得到足够的的输出光脉冲，出光脉冲，Ib和和Ib+Im的的值相差不大，从而可以大大减小相差不大，从而可以大大减小码型效型效应和和结发热效效应的影响；的影响；广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信1124-5 光源的光源的调制及制及驱动电路路由于偏置由于偏置电流决流决议“0码时的的发光功率，因此加大偏光功率，因此加大偏置置电流会使激光器的消光比流会使激光器的消光比恶化；化；光源的消光比将直接影响接光源的消光比将直接影响接纳机的灵敏度，机的灵敏度，为使光使光接接纳机有良好的灵敏度，消光比机有良好的灵敏度，消光比应小于小于10%。当当Ib=Ith时，散粒噪声，散粒噪声严重，有一很陡的峰重，有一很陡的峰值，Ib应小于又近似等于小于又近似等于Ith为宜，普通宜，普通为0.71.0。因此，因此，Ib的的选取要兼取要兼顾到到电光延光延迟、张弛振弛振荡、码型效型效应、结发热效效应、激光器的消光比和散粒噪声等各、激光器的消光比和散粒噪声等各个方面的情况。个方面的情况。另外，另外，阈值电流流Ith对温度敏感，半温度敏感，半导体激光器运用体激光器运用过程中老化，程中老化，Ith也增大。也增大。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信1134-6 LD光光发射机的控制射机的控制电路路LD结区温度的变化以及激光管老化都会使结区温度的变化以及激光管老化都会使Ith增增大，量子效率下降，从而导致输出光脉冲的幅度发大，量子效率下降，从而导致输出光脉冲的幅度发生变化，另外，生变化，另外，LD还将发生输出波长漂移。为了保还将发生输出波长漂移。为了保证激光器有稳定的波长以及稳定的输出光功率，需证激光器有稳定的波长以及稳定的输出光功率，需求有各种辅助电路，例如功率控制电路、温控电路、求有各种辅助电路，例如功率控制电路、温控电路、限流维护电路和各种告警电路等。限流维护电路和各种告警电路等。需求阐明的是，某个信道的功率变化不仅影响需求阐明的是，某个信道的功率变化不仅影响本信道的传输性能，而且经本信道的传输性能，而且经EDFA的瞬态效应还将影的瞬态效应还将影响其他信道的性能。响其他信道的性能。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信1144-6 LD光光发射机的控制射机的控制电路路一、自动温度控制电路一、自动温度控制电路ATC热沉：导热资料，采用导热性能好的铜。热沉：导热资料，采用导热性能好的铜。热敏电阻：传感器，监测激光器的结温，经过控制电路热敏电阻：传感器，监测激光器的结温，经过控制电路与基准温度比较、放大，驱动制冷器使激光器在恒定的与基准温度比较、放大，驱动制冷器使激光器在恒定的温度下任务。温度下任务。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信1154-6 LD光光发射机的控制射机的控制电路路制冷器：微型半制冷器：微型半导体体PN结。多采用半多采用半导体制冷器，它利用半体制冷器，它利用半导体体资料的珀料的珀尔帖效帖效应制成的。制成的。当直流当直流电流流经过两种半两种半导体体组成的成的电偶偶时，出，出现一端吸一端吸热另一端放另一端放热的景象，的景象，这种景象称种景象称为珀珀尔帖帖效效应。微型半微型半导体制冷器的温差可以到达体制冷器的温差可以到达3040，0.5的精度。的精度。放热放热吸热吸热广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信1164-6 LD光光发射机的控制射机的控制电路路详细的温度控制电路详细的温度控制电路ATC：-经过平衡电桥实现经过平衡电桥实现热敏电阻热敏电阻Rf，制冷器，制冷器RC。Rf、Rl、R2、R3组成桥式电路，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，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，电桥到达平衡。电桥到达平衡。当当LD温度升高时，温度升高时，Rf下降，差分放大器输入压降升高，差下降，差分放大器输入压降升高，差分放大器输出电压升高，分放大器输出电压升高，BGl正导游通，经过制冷器正导游通，经过制冷器RC的电流的电流IC加大，使加大，使LD的温度下降，维持的温度下降，维持LD的结温不高于设定的温度。的结温不高于设定的温度。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信1174-6 LD光光发射机的控制射机的控制电路路二、自二、自动功率控制功率控制电路路APCAPC从两个方面着手。从两个方面着手。第一，控制第一，控制LD的偏置的偏置电流，使其自流，使其自动跟踪跟踪阈值变化，从而使激光器化，从而使激光器总是偏置在最正确任是偏置在最正确任务形状；形状；第二，控制第二，控制LD的的调制脉冲制脉冲电流，使其自流，使其自动跟踪跟踪D而而变化，从而化，从而坚持持输出光脉冲信号的幅度恒定。出光脉冲信号的幅度恒定。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信1184-6 LD光光发射机的控制射机的控制电路路典型的典型的APC电路：电路：广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信1194-6 LD光光发射机的控制射机的控制电路路APC电路的任务原理：电路的任务原理：当由于温度缘由使当由于温度缘由使LD输出光功率降低时，输出光功率降低时，流过流过PD(通常为通常为PIN)的电流减小，的电流减小，A1放大器反向放大器反向输入端电位增大，输入端电位增大，A1放大器输出端电位降低放大器输出端电位降低(即即A3放大器反向输入端电位降低放大器反向输入端电位降低)，A3放大器的输放大器的输出端电位随即增大出端电位随即增大，使，使Ib添加，从而到达添加，从而到达LD的的输出功率稳定。输出功率稳定。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信1204-6 LD光光发射机的控制射机的控制电路路三、其他维护、监测电路三、其他维护、监测电路LD维护电路维护电路:使半导体激光器的偏流慢启动以及限使半导体激光器的偏流慢启动以及限制偏流不要过大。制偏流不要过大。由于激光器老化以后输出功率将降低，自动功由于激光器老化以后输出功率将降低，自动功率控制电路将使激光器偏流不断添加，假设不限制率控制电路将使激光器偏流不断添加，假设不限制偏流就能够烧毁激光器。偏流就能够烧毁激光器。无光告警电路无光告警电路:当光发射机电路出现缺点，或输入信当光发射机电路出现缺点，或输入信号中断，或激光器失效都将使激光器较长时间不发号中断，或激光器失效都将使激光器较长时间不发光，这时延迟告警电路将发出告警指示。光，这时延迟告警电路将发出告警指示。广广东海洋大学理学院海洋大学理学院 光光纤通信通信121思思 考考 题简述半述半导体体发光原理。光原理。简述激光器和光探述激光器和光探测器的本器的本质区区别。激光器起振的激光器起振的阈值条件是什么？条件是什么？激光器起振的相位条件是什么？激光器起振的相位条件是什么？半半导体激光器的主要特性有哪些？体激光器的主要特性有哪些？半半导体激光器的瞬体激光器的瞬态特性特性对通通讯会会产生什么生什么样的影响的影响？如何防止？如何防止？简述述DFB激光器的任激光器的任务原理。原理。LED和和LD的主要区的主要区别是什么？是什么？典型典型驱动电路路(模模拟和数字和数字)。功率控制功率控制电路和温度控制路和温度控制电路的目的是什么？分路的目的是什么？分别经过什么参数什么参数进展控制？展控制？