光纤通信光发射机.pptx

第第4 4章章 光发射机和光接收机光发射机和光接收机4.1 4.1 光发射机光发射机 4.2 4.2 光接收机光接收机 4.1 4.1 光发射机光发射机4.1.1 光发射机基本组成和主要指标光发射机基本组成和主要指标4.1.2 光源的调制原理光源的调制原理 4.1.3 光发射机及控制电路光发射机及控制电路4.1.1 4.1.1 光发射机基本组成和主要指标光发射机基本组成和主要指标一、光发射机的基本组成一、光发射机的基本组成 光发送电路主要由驱动电路、发光器件、自动功光发送电路主要由驱动电路、发光器件、自动功率控制（率控制（APCAPC）电路、自动温度控制（）电路、自动温度控制（ATCATC）电路组成。）电路组成。其功能是将输入的电脉冲信号转换为输出光脉冲信号其功能是将输入的电脉冲信号转换为输出光脉冲信号（即（即E/OE/O转换）。转换）。光发射机基本组成框图光发射机基本组成框图 驱动电路起调制作用，调制分为内调制（即直接驱动电路起调制作用，调制分为内调制（即直接调制）和外调制（即间接调制）。内调制是直接在光调制）和外调制（即间接调制）。内调制是直接在光源上调制，系统结构较简单，广泛应用于通信系统中；源上调制，系统结构较简单，广泛应用于通信系统中；外调制是在光输出通路上加调制器，对光源性能影响外调制是在光输出通路上加调制器，对光源性能影响小，但系统结构复杂，目前尚未广泛应用。图中给出小，但系统结构复杂，目前尚未广泛应用。图中给出的驱动电路，是用输入电信号的大小来直接调制发光的驱动电路，是用输入电信号的大小来直接调制发光器件的发光强度，所以属于内调制。驱动电路的输入器件的发光强度，所以属于内调制。驱动电路的输入电脉冲信号和发光器件的输出光脉冲信号都要求是光电脉冲信号和发光器件的输出光脉冲信号都要求是光纤码型信号；纤码型信号；APC APC电路用来使光信号的功率稳定而不随外界条电路用来使光信号的功率稳定而不随外界条件变化；件变化；ATC ATC电路用来使发光器件工作温度恒定。电路用来使发光器件工作温度恒定。二、光发射机的主要性能指标二、光发射机的主要性能指标1.1.平均发送光功率平均发送光功率P PT T 定义为正常工作条件下光发送电路输出的平定义为正常工作条件下光发送电路输出的平均光功率。通常均光功率。通常P PT T使用毫瓦分贝（使用毫瓦分贝（dBmdBm）单位，即）单位，即 平均发送光功率与光发送电路（驱动电路）平均发送光功率与光发送电路（驱动电路）的输入电脉冲信号幅度和码型有关。所以，离线的输入电脉冲信号幅度和码型有关。所以，离线测试时应在正常工作的注入电流条件下进行，并测试时应在正常工作的注入电流条件下进行，并且测试信号使用伪随机码，以便尽可能接近实际且测试信号使用伪随机码，以便尽可能接近实际情况。情况。(mW)消光比（消光比（EXEX）定义为光发送电路输出全定义为光发送电路输出全“1”1”码时的平均输出码时的平均输出光功率光功率P P1 1与输出全与输出全“0”0”码时的平均输出光功率码时的平均输出光功率P P0 0之比，之比，即即 消光比应大于消光比应大于1010，以保证足够的光接收信噪比。，以保证足够的光接收信噪比。4.1.2 光源的调制原理光源的调制原理 光源的两种调制方式光源的两种调制方式 DIM:电流注入式器件，发光和调制集中在结区，载流子光子作电流注入式器件，发光和调制集中在结区，载流子光子作用关系复杂，影响腔的振荡特性，动态光谱展宽。外调制：电用关系复杂，影响腔的振荡特性，动态光谱展宽。外调制：电光、磁光、声光效应，发光与调制分开光、磁光、声光效应，发光与调制分开光源的直接调制光源的直接调制 LD数字调制过程的瞬态分析数字调制过程的瞬态分析 光电瞬态响应波形光电瞬态响应波形 1阶跃响应的瞬态分析阶跃响应的瞬态分析 激光器的瞬态过程激光器的瞬态过程激光器的瞬态过程激光器的瞬态过程 2速率方程组速率方程组 简化的速率方程组是基于下列条件提出的：简化的速率方程组是基于下列条件提出的：简化的速率方程组是基于下列条件提出的：简化的速率方程组是基于下列条件提出的：（1 1）注入电流均匀恒定，即电流密度）注入电流均匀恒定，即电流密度）注入电流均匀恒定，即电流密度）注入电流均匀恒定，即电流密度j j为常数，电为常数，电为常数，电为常数，电 子和光子密度在腔内处处均匀，因而可以不考虑梯子和光子密度在腔内处处均匀，因而可以不考虑梯子和光子密度在腔内处处均匀，因而可以不考虑梯子和光子密度在腔内处处均匀，因而可以不考虑梯度场和漂移场的作用；度场和漂移场的作用；度场和漂移场的作用；度场和漂移场的作用；（2 2）光子完全被介质波导限制在有源区中，不需）光子完全被介质波导限制在有源区中，不需）光子完全被介质波导限制在有源区中，不需）光子完全被介质波导限制在有源区中，不需要考虑侧向光场的漏出；要考虑侧向光场的漏出；要考虑侧向光场的漏出；要考虑侧向光场的漏出；（3 3）忽略非辐射复合的影响；）忽略非辐射复合的影响；）忽略非辐射复合的影响忽略非辐射复合的影响；（4 4）激光器在阈值之上单纵模振荡。）激光器在阈值之上单纵模振荡。）激光器在阈值之上单纵模振荡。）激光器在阈值之上单纵模振荡。在上述条件下，速率方程组可以简化为在上述条件下，速率方程组可以简化为n(t)为有源区中自由电子密度；为有源区中自由电子密度；s(t)为有源区中光子为有源区中光子密度；密度；j为注入电流密度；为注入电流密度；e0为电子电荷；为电子电荷；d为有源区为有源区厚度；厚度；Rsp为自发辐射速率；为自发辐射速率；g(n)为增益函数，它与为增益函数，它与电子密度电子密度n的依赖关系由有源区的材料及掺杂决定；的依赖关系由有源区的材料及掺杂决定；ph为光子寿命时间，指光子从谐振腔端面逸出或在为光子寿命时间，指光子从谐振腔端面逸出或在腔内被吸收之前存在的平均时间；腔内被吸收之前存在的平均时间；为自发发射进为自发发射进入激光模式的系数入激光模式的系数 3速率方程组的解速率方程组的解 用小信号分析法求速率方程组的瞬态解用小信号分析法求速率方程组的瞬态解用小信号分析法求速率方程组的瞬态解用小信号分析法求速率方程组的瞬态解可以得到小信号近似下速率方程组的瞬态解为可以得到小信号近似下速率方程组的瞬态解为可以得到小信号近似下速率方程组的瞬态解为可以得到小信号近似下速率方程组的瞬态解为 对双异质结激光器，可以得到对双异质结激光器，可以得到用用 表示张弛振荡的幅度衰减为初始值的表示张弛振荡的幅度衰减为初始值的1/e的时的时间，称之为张弛振荡的衰减时间。间，称之为张弛振荡的衰减时间。可知可知 张弛振荡的衰减时间与自发辐射的寿命时间张弛振荡的衰减时间与自发辐射的寿命时间（sp）同一数量级，并随注入电流密度）同一数量级，并随注入电流密度j的增加而的增加而减小；减小；张弛振荡的角频率张弛振荡的角频率 与与 ph和和 sp有关，并随注入电有关，并随注入电流密度的增加而升高；流密度的增加而升高；4 4电光延迟时间电光延迟时间 在阈值以下，受激复合过程可以忽略，速率方在阈值以下，受激复合过程可以忽略，速率方在阈值以下，受激复合过程可以忽略，速率方在阈值以下，受激复合过程可以忽略，速率方程组可以写为程组可以写为程组可以写为程组可以写为由由由由得到电光延迟时间为得到电光延迟时间为得到电光延迟时间为得到电光延迟时间为设直流预偏置电流密度为设直流预偏置电流密度为j j0 0，由于直流偏置电流预先，由于直流偏置电流预先注入，当脉冲电流到来时，有源区里的电子密度已达注入，当脉冲电流到来时，有源区里的电子密度已达到到 这时电光延迟时间为这时电光延迟时间为 利用速率方程组的稳态关系，上式可化简为利用速率方程组的稳态关系，上式可化简为利用速率方程组的稳态关系，上式可化简为利用速率方程组的稳态关系，上式可化简为光源的间接调制光源的间接调制 1电光效应与电光调制器电光效应与电光调制器 当把电压加到某些晶体上时，可能使晶体的折当把电压加到某些晶体上时，可能使晶体的折射率发生变化，结果引起通过该晶体的光波特性发射率发生变化，结果引起通过该晶体的光波特性发生变化，晶体的这种性质称为电光效应。当晶体的生变化，晶体的这种性质称为电光效应。当晶体的折射率与外加电场幅度成线性变化时，称为线性电折射率与外加电场幅度成线性变化时，称为线性电光效应，即普科尔（光效应，即普科尔（PockelPockel）效应；当晶体的折射）效应；当晶体的折射率与外加电场幅度的平方成比例变化时，称为克尔率与外加电场幅度的平方成比例变化时，称为克尔（KerrKerr）效应。电光调制器主要利用普科尔效应）效应电光调制器主要利用普科尔效应 。线性电光效应仅出现在具有反演对称的晶体中。线性电光效应仅出现在具有反演对称的晶体中。对这样的晶体，电场对这样的晶体，电场E所引起的所引起的 的线性变化为的线性变化为 i=1，2，3，6 用矩阵表示用矩阵表示式式中中n为为折折射射率率，rij为为电电光光系系数数。由由电电光光系系数数组组成成的的63矩矩阵阵称称为为电电光光张张量量。对对于于各各类类电电光光晶晶体体，电电光光张张量量的的元元素可能有许多等于零。素可能有许多等于零。电光相位调制器基本原理框图电光相位调制器基本原理框图M-ZM-Z（Mach-ZahnderMach-Zahnder）波导调制器）波导调制器2磁光效应与磁光调制磁光效应与磁光调制 器器磁光调制器原理图磁光调制器原理图 3电吸收效应与电吸收调制器电吸收效应与电吸收调制器 电吸收效应是利用电吸收效应是利用Franz-keldysh效应和量子约效应和量子约束束Stark效应效应产生材料吸收边界波长移动的效应。产生材料吸收边界波长移动的效应。电电吸吸收收多多量量子子阱阱MQW调调制制器器是是很很有有发发展展前前途途的的调调制制器器，它它不不仅仅具具有有低低的的驱驱动动电电压压和和低低的的啁啁啾啾特特性性，而且还可以与而且还可以与DFB激光器单片集成。激光器单片集成。MQW调调制制器器实实际际上上类类似似于于半半导导体体激激光光器器的的结结构构，它对光具有吸收作用。它对光具有吸收作用。通通常常情情况况下下，电电吸吸收收MQW调调制制器器对对发发送送波波长长是是透透明明的的，一一旦旦加加上上反反向向偏偏压压，吸吸收收波波长长在在向向长长波波长长移移动动的的过过程程中中产产生生光光吸吸收收。利利用用这这种种效效应应，在在调调制制区区加加上上零零伏伏到到负负压压之之间间的的调调制制信信号号，就就能能对对DFB激激光器产生的光输出进行强度调制。光器产生的光输出进行强度调制。电吸收电吸收MQWMQW型调制器型调制器4 4 4 4声光效应与声光调制器声光效应与声光调制器声光效应与声光调制器声光效应与声光调制器 声声波波（主主要要指指超超声声波波）在在介介质质中中传传播播时时会会产产生生光光弹弹性性作作用用，引引起起介介质质的的折折射射率率发发生生疏疏密密变变化化，因因此此受受超超声声波波作作用用的的晶晶体体相相当当于于形形成成了了一一个个布布拉拉格格光光栅栅，光光栅栅的的条条纹纹间间隔隔等等于于声声波波的的波波长长。当当光光波波通通过过此此晶晶体体介介质质时时，光光波波将将被被介介质质中中的的光光栅栅衍衍射射，衍衍射射光光的的强强度度、频频率率、相相位位、方方向向等等随随声声波波场场而而变变化化，这这种种效效应应称为声光效应。称为声光效应。声声光光调调制制器器由由声声光光介介质质、电电声声换换能能器器、吸吸声声（反反射射）装装置置等等组组成成。电电压压调调制制信信号号经经过过电电声声换换能能器器转转化化为为超超声声波波，然然后后加加到到声声光光晶晶体体上上。电电声声换换能能器器利利用用某某些些晶晶体体(如如石石英英、LiNbOLiNbO3 3等等)的的压压电电效效应应，在在外外加加电电场场的作用下产生机械振动形成声波。的作用下产生机械振动形成声波。声光布拉格调制器原理框图声光布拉格调制器原理框图 超超声声波波使使介介质质的的折折射射率率沿沿传传播播方方向向交交替替变变化化，当当一一束束平平行行光光束束通通过过它它时时，由由于于声声光光效效应应产产生生的的光光栅使出射光束成为一个周期性变化的光波。栅使出射光束成为一个周期性变化的光波。当当声声波波频频率率较较高高且且光光波波以以一一定定的的角角度度入入射射时时，只只出出现现零零级级和和11级级衍衍射射光光。如如果果入入射射声声波波很很强强，则则可可以以使使入入射射光光能能几几乎乎全全部部转转移移到到零零级级或或+1+1级级或或-1-1级级的某一级衍射光上。的某一级衍射光上。4.1.3 光发射机及控制电路光发射机及控制电路 激光器的实用组件激光器的实用组件 激光器组件的内视图和外视图激光器组件的内视图和外视图 Thermoelectric Cooler 球差(sphericalaberration)光线透过球面透镜所产生的成像误差，单色光像差的一种。球面透镜上，远离光轴位置进入镜头的平行光线（边缘光线、远轴光线），入射角大，折射强，在光轴离镜头近处形成焦点；而离光轴近处进入镜头的平行光线（中心光线、近轴光线）折射弱，在光轴上离镜头远处形成焦点。由于平行光束在光轴上前后分散形成焦点，形成了弥散光斑（一定直径的模糊像），从而清晰度和解像力下降。数字光发射机的组成数字光发射机的组成 1偏置电流偏置电流I0和调制电流和调制电流Im大小的选择大小的选择 主要考虑以下原则主要考虑以下原则（1）加大直流偏置电流使其逼近阈值，可以大大减）加大直流偏置电流使其逼近阈值，可以大大减小电光延迟时间，提高频谱利用率和通信容量，并小电光延迟时间，提高频谱利用率和通信容量，并且在一定程度上抑制张弛振荡且在一定程度上抑制张弛振荡；（2）激光器偏置在阈值附近的另一好处是较小的调）激光器偏置在阈值附近的另一好处是较小的调制电流就能获得足够大的输出光脉冲，制电流就能获得足够大的输出光脉冲，I0和和I0+Im值值相差不大，从而削弱调制码型间的相互影响，减小相差不大，从而削弱调制码型间的相互影响，减小码型效应；码型效应；（3 3）由于偏置电流决定）由于偏置电流决定“0”0”码时的发光功率，码时的发光功率，I I0 0上升意味着激光器的消光比恶化。上升意味着激光器的消光比恶化。EXEX太小灵敏度下太小灵敏度下降；降；（4 4）实验观察到异质结激光器的散粒噪声在阈值处）实验观察到异质结激光器的散粒噪声在阈值处常有一很陡的峰值，因此常有一很陡的峰值，因此I I0 0的选取应避开此峰值。的选取应避开此峰值。但对数字光传输系统，光源的噪声对接收机影响不但对数字光传输系统，光源的噪声对接收机影响不大。大。2激光器的调制电路激光器的调制电路 对激光器进行高速脉冲调制时，调制电路既对激光器进行高速脉冲调制时，调制电路既要有快的开关速度，又要保持有良好的电流脉冲要有快的开关速度，又要保持有良好的电流脉冲波形。因为不仅电流脉冲上升沿和下降沿的快慢波形。因为不仅电流脉冲上升沿和下降沿的快慢会影响到光脉冲的响应速度，而且电流脉冲上升会影响到光脉冲的响应速度，而且电流脉冲上升沿的过冲还会加剧光脉冲的张驰振荡。要做到这沿的过冲还会加剧光脉冲的张驰振荡。要做到这两点，不仅电路的设计是重要的，而且电路的工两点，不仅电路的设计是重要的，而且电路的工艺也同样重要，因为杂散电感和杂散电容会给高艺也同样重要，因为杂散电感和杂散电容会给高速脉冲电路带来不良影响。速脉冲电路带来不良影响。射极耦合射极耦合LD驱动电路图驱动电路图“0”码，码，V1导通，导通，LD不发光；不发光；“1”码，码，V2导通，导通，LD发光。发光。三极管三极管fT 4.5 GHz，调制速率，调制速率达达300 MHz；动；动态范围小，功耗态范围小，功耗大大3激光器控制电路激光器控制电路 阈值变化引起的光输出变化阈值变化引起的光输出变化 外微分量子效率变化外微分量子效率变化 引起的光输出变化引起的光输出变化 控制电路的作用，就是为了消除上述温度变控制电路的作用，就是为了消除上述温度变化和器件老化带来的影响，给激光器提供稳定的化和器件老化带来的影响，给激光器提供稳定的工作环境。目前主要采取的措施有自动温度控制工作环境。目前主要采取的措施有自动温度控制和自动功率控制。和自动功率控制。（1）自动温度控制（）自动温度控制（ATC）ATCATC原理原理电路电路Rc：半导体制：半导体制冷器冷器TEC电阻电阻 T(环环境境)T(LD、热热沉沉)RT I(致致冷冷器器)T(LD)APCAPC电路原理电路原理（2）自动功率控制（自动功率控制（APC）习习 题题1一半导体激光器，阈值电流一半导体激光器，阈值电流Ith=60 mA，sp=410-9 s，ph=210-12 s，注入幅度为，注入幅度为90 mA的的阶跃电流脉冲，求：阶跃电流脉冲，求：（1）瞬态过程中张弛振荡的频率和衰减时间；）瞬态过程中张弛振荡的频率和衰减时间；（2）电光延迟时间。）电光延迟时间。2.在在LD的驱动电路里，为什么要设置功率自动控制的驱动电路里，为什么要设置功率自动控制电路电路APC？3.在在LD的驱动电路里，为什么要设置温度自动控制的驱动电路里，为什么要设置温度自动控制电路？具体措施是什么？电路？具体措施是什么？人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。