光纖通信第二章實用教案

1、 一第1頁/共77頁第一頁，共78頁。 1917年愛因斯坦根據(jù)輻射與原子(yunz)相互作的量子理論提出，光與物質(zhì)的相互作用時，將發(fā)生三種基本物理過程: (1)受激吸收 (2)自發(fā)輻射 (3)受激輻射第2頁/共77頁第二頁，共78頁。 受激吸收(xshu)入射光子的能量(nngling)普朗克常數(shù)(chngsh)h6.62510-34(Js)21hvEE第3頁/共77頁第三頁，共78頁。v：輻射光子(gungz)的頻率 21hvEE第4頁/共77頁第四頁，共78頁。21hvEE第5頁/共77頁第五頁，共78頁。入射的光子(gungz)哪里來？PDLEDLD輻射吸收 光放大吸收輻射無光輸出輻射、

2、吸收第6頁/共77頁第六頁，共78頁。 kTEEeNN1212 產(chǎn)生受激輻射和產(chǎn)生受激吸收的物質(zhì)是不同的。設(shè)在單位物質(zhì)中，處于低能級E1和處于高能級 E2 (E2 E1) 的粒子(lz)數(shù)分別為 N1 和 N2。熱平衡條件下，粒子(lz)數(shù)分布滿足如何產(chǎn)生(chnshng)光放大？ ， 為 波 爾 茲 曼 常 數(shù) ， T 為 絕 對 溫 度(juduwnd)。所以在這種狀態(tài)下，總是 N1 N2。231.381 10/kJK2100EET，第7頁/共77頁第七頁，共78頁。如何實現(xiàn)粒子(lz)數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)呢?產(chǎn)生光放大(fngd)要求21NN21NN稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布需要外界能源(nngyu

3、n)泵浦，即外加正向電壓第8頁/共77頁第八頁，共78頁。 二、半導(dǎo)體發(fā)光(f un)機理1、本征半導(dǎo)體的能帶分布本征半導(dǎo)體：沒有任何(rnh)外來雜志和晶格缺陷的理想半導(dǎo)體費米能級：絕對零度是電子所具有的最大能量要使半導(dǎo)體產(chǎn)生激光引入P.N型半導(dǎo)體P-N結(jié)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)第9頁/共77頁第九頁，共78頁。（1）N型半導(dǎo)體：向本征半導(dǎo)體摻雜質(zhì)元素（五價元素，P，AS。），提供電子(dinz)。即電子(dinz)多，空穴少（2）P型半導(dǎo)體：加三價元素，提供空穴。即空穴多，電子(dinz)少2. P、N型半導(dǎo)體第10頁/共77頁第十頁，共78頁。沒有統(tǒng)一(tngy)的費米能級第11頁/共77頁第十一

4、頁，共78頁。=fcfvEEE第12頁/共77頁第十二頁，共78頁。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(fn zhun)區(qū)域。稱為”有源區(qū)”正向偏壓消弱的內(nèi)建電場，空間電荷區(qū)變小。fcfvgEEeVE實現(xiàn)(shxin)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)第13頁/共77頁第十三頁，共78頁。自發(fā)輻射(z f f sh)受激輻射非相干光占主導(dǎo)地位，普通光輻射吸收實現(xiàn)粒子(lz)數(shù)反轉(zhuǎn)分布2.1.2 激光激射(j sh)條件1.激射的條件： （輻射有受激輻射、自發(fā)輻射）受激輻射自發(fā)輻射相干光占主導(dǎo)地位，為激光第14頁/共77頁第十四頁，共78頁。2.半導(dǎo)體激光器的發(fā)射(fsh)波長 dirdir1 24hcEE.發(fā)射波長dirhE光子能量第15頁

5、/共77頁第十五頁，共78頁。1半導(dǎo)體激光器的通用(tngyng)結(jié)構(gòu)（1）有源區(qū) （2）光反饋裝置（3）頻率選擇元件（4）光束的方向(fngxing)選 擇元件（5）光波導(dǎo) 第16頁/共77頁第十六頁，共78頁。LD功能(gngnng)組成與模式輸出的關(guān)系 第17頁/共77頁第十七頁，共78頁。同質(zhì)(tn zh)結(jié)單異質(zhì)(y zh)結(jié)量子阱雙異質(zhì)結(jié)第18頁/共77頁第十八頁，共78頁。 同質(zhì)(tn zh)結(jié)半導(dǎo)體激光器 缺點：發(fā)光不集中，強度低，需要較大的注入電流。器件工作時發(fā)熱非常嚴重，必須在低溫(dwn)環(huán)境下工作，不可能在室溫下連續(xù)工作。PN結(jié)是同一種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的，P區(qū)、N區(qū)具有相

6、同的帶隙、接近(jijn)相同的折射率（摻雜后折射率稍有變化，但很小。第19頁/共77頁第十九頁，共78頁。不同(b tn)帶隙的材料限制載流子不同(b tn)折射率的材料限制光波 雙異質(zhì)(y zh)結(jié)半導(dǎo)體激光器DH激光器工作(gngzu)原理n折射率P光5%nD5%nD第20頁/共77頁第二十頁，共78頁。激光器是由反射率為100%（R=1）的全反射鏡與反射率為90%95%（R1）的部分(b fen)反射鏡平行放置在工作物質(zhì)兩端以構(gòu)成光學(xué)諧振腔。并被稱為法布里-珀羅(Fabry Perot，F(xiàn)-P)諧振腔。 3. 法布里-珀羅 (F-P) 諧振腔第21頁/共77頁第二十一頁，共78頁。要產(chǎn)

7、生(chnshng)激光振蕩還要滿足： 閾值條件 相位條件第22頁/共77頁第二十二頁，共78頁。 為閾值增益(zngy)系數(shù)，為諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù)，L為諧振腔的長度，R1，R2Ith 發(fā)激光（激光區(qū)）I Ith 發(fā)熒光（熒光區(qū)）目前Ith120 K?？梢奍nGaAsP激光器對溫度較敏感。00ex pthTIIT第45頁/共77頁第四十五頁，共78頁。 把光強下降一半(ybn)時的兩點間波長范圍定義為輸出譜線寬度（半功率點全寬FWHP），用 表示。D第46頁/共77頁第四十六頁，共78頁。 圖為半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性。張弛頻率 fT 是調(diào)制頻率的上限，一般激光器的 fT 為12

8、 GHz。在接近 fT 處，數(shù)字(shz)調(diào)制要產(chǎn)生張弛振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)生非線性失真。 5. 頻率特性第47頁/共77頁第四十七頁，共78頁。1. 發(fā)光機理(j l)：自發(fā)輻射 種類：面發(fā)光二極管 邊發(fā)光二極管第48頁/共77頁第四十八頁，共78頁。 P-I特性(txng)及溫度特性(txng) 非閾值器件，p隨電流(dinli)增大，并在大電流(dinli)時逐漸飽和P隨溫度升高而降低，相對LD來說，LED受溫度影響小第49頁/共77頁第四十九頁，共78頁。1300波 長 / nm 70 nm相對光強一般(ybn)短波長GaAlAs-GaAs LED譜線寬度為3050 nm，長波InGaA

9、sP-InP LED譜線寬度為60120 nm第50頁/共77頁第五十頁，共78頁。小電流，LED線性好大電流，LED逐漸飽和(boh)模擬傳輸需要LED工作在線性區(qū) 同時需要線性補償數(shù)字調(diào)制：電流直接調(diào)制光源模擬調(diào)制：先將LED直流偏執(zhí)第51頁/共77頁第五十一頁，共78頁。注入(zh r)電流2.3.1 光源的兩種調(diào)制方式調(diào)制電信號半導(dǎo)體光源調(diào)制電路第52頁/共77頁第五十二頁，共78頁。第53頁/共77頁第五十三頁，共78頁。2.3.2 光源(gungyun)的直接調(diào)制數(shù)字(shz)調(diào)制模擬(mn)調(diào)制第54頁/共77頁第五十四頁，共78頁。 LD數(shù)字調(diào)制(tiozh)過程的瞬態(tài)分析 什

10、么是瞬態(tài)現(xiàn)象(xinxing)？ 半導(dǎo)體激光器在進行直接調(diào)制時顯示出來的現(xiàn)象(xinxing)。主要瞬態(tài)現(xiàn)象(xinxing): 張弛振蕩(zhndng) 電光延遲 光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形 第55頁/共77頁第五十五頁，共78頁。1階躍響應(yīng)的瞬態(tài)分析電子和光子相互作用 t=0: 階躍電流脈沖注入 0 - t d : 對 導(dǎo) 帶 底 部 填 充(tinchng)電子， 使電子密度達到nthtd t1： 激光器開始激射，光場建立，導(dǎo)帶中電子的超量填充(tinchng)t1 t2 ：有源區(qū)過量復(fù)合t2 t3： 過量復(fù)合持續(xù)，電子密度降到nth 以下，S也下降t3以后： 重新對導(dǎo)帶底部填充(tinchng

11、)電子第56頁/共77頁第五十六頁，共78頁。1/2sp phth11jj 2.張馳振蕩(zhndng)的角頻率和衰減時間12thospjj (1) 張弛振蕩頻率隨j的增加(zngji)而增加(zngji)。 (2) 張弛振蕩幅度衰減時間隨j的增加(zngji)而減小。第57頁/共77頁第五十七頁，共78頁。3電光(dingung)延遲時間 電光(dingung)延遲過程發(fā)生在閾值以下 dspthlnjtjj0mdspspthm0thlnlnjjjtjjjjjn 加直流偏置(pin zh)后的延遲時間 電光延遲時間隨注入電流的增加而減小(jjth)。第58頁/共77頁第五十八頁，共78頁。第5

12、9頁/共77頁第五十九頁，共78頁。 2.3.3 直接調(diào)制(tiozh)激光發(fā)射機 1、激光器的實用(shyng)組件 第60頁/共77頁第六十頁，共78頁。 2、光發(fā)射機的組成(z chn) 輸入接口線路編碼調(diào)制電路光源控制電路光信號輸出電信號輸入第61頁/共77頁第六十一頁，共78頁。 1）偏置電流(dinli)大小的選擇（1）加大直流偏置電流使其逼近(bjn)閾值（2）加大直流偏置電流會使激光器的消光比惡化。10lgPEXTP全1全00第62頁/共77頁第六十二頁，共78頁。 （4）實驗觀察到異質(zhì)結(jié)激光器的散粒噪聲(zoshng)在閾值處常有一很陡的峰值，因此I0的選取應(yīng)避開此峰值。調(diào)制

13、電流的選擇(xunz)：第63頁/共77頁第六十三頁，共78頁。2）激光器的調(diào)制(tiozh)電路第64頁/共77頁第六十四頁，共78頁。 3）激光器控制電路第65頁/共77頁第六十五頁，共78頁。自動(zdng)溫度控制（ATC） 激光器致冷器熱敏電阻(r mn din z)控制電路熱導(dǎo)(r do)熱敏電阻熱敏電阻熱敏電阻熱敏電阻半導(dǎo)體制冷器（TEC）： 珀爾帖效應(yīng)第66頁/共77頁第六十六頁，共78頁。（2）自動功率(gngl)控制（APC） 第67頁/共77頁第六十七頁，共78頁。 （2）自動(zdng)功率控制（APC） 外微分量子對溫度不太敏感，一般采用平均功率功率控制法：監(jiān)測(ji

14、n c)平均光功率 ，控制0I第68頁/共77頁第六十八頁，共78頁。 2.4.1 間接調(diào)制(tiozh)的類型和特點第69頁/共77頁第六十九頁，共78頁。v電光(dingung)調(diào)制：電光(dingung)效應(yīng)電致雙折射現(xiàn)象v磁光調(diào)制：磁光效應(yīng)法拉弟電磁偏轉(zhuǎn)效應(yīng)v聲光調(diào)制：聲光效應(yīng)布拉格效應(yīng)和喇曼-奈斯衍射v電吸收調(diào)制：Franz-keldysh 效應(yīng)和量子約束的Stark效應(yīng)第70頁/共77頁第七十頁，共78頁。2.4.2 電光調(diào)制(tiozh)和波導(dǎo)調(diào)制(tiozh)器 M-Z（Mach-Zahnder）電光(dingung)波導(dǎo)調(diào)制器 第71頁/共77頁第七十一頁，共78頁。2.4.

15、3 電吸收(xshu)調(diào)制器 EA調(diào)制(tiozh)器的基本原理是：改變調(diào)制(tiozh)器上的偏壓，使多量子阱（MQW）的吸收邊界波長發(fā)生變化，進而改變光束的通斷，實現(xiàn)調(diào)制(tiozh)。EA調(diào)制(tiozh)器容易與激光器集成在一起。第72頁/共77頁第七十二頁，共78頁。2.5.1 光調(diào)制(tiozh)格式的類型 1通斷鍵控（OOK） 2M進制相移鍵控（MPSK） 3M進制正交幅度(fd)調(diào)制（M-QAM）第73頁/共77頁第七十三頁，共78頁。 2.5.2 高速長距離系統(tǒng)中常用的調(diào)制(tiozh)格式 1. 載波(zib)抑制歸零（CSRZ）碼 第一級邊帶的頻率間距僅為RZ碼型的一半，

16、更窄的光譜不僅降低了光纖色散的影響，而且具有更高的頻譜效率； CSRZ碼沒有載波(zib)頻譜分量, 從而降低了峰值功率，這使其對各種非線性光學(xué)效應(yīng)也有更好的容限。 實現(xiàn): MOD1: 實現(xiàn)強度調(diào)制 MOD2: 實現(xiàn)脈沖切割第74頁/共77頁第七十四頁，共78頁。 （a）半占空的RZ碼的波形(b xn)和頻譜 （b）CSRZ信號(xnho)眼圖和光譜第75頁/共77頁第七十五頁，共78頁。2. 差分(ch fn)相移鍵控（DPSK）碼差分編碼(bin m): “1”碼光載波相位不變 “0”碼光載波相位增加RZ-DPSK信號(xnho)眼圖和光譜DPSK碼型的優(yōu)勢 平衡接收機的靈敏度相對OOK系統(tǒng)有3dB的優(yōu)勢; 在平衡接收系統(tǒng)中判決電平為0, 對于功率的波動不敏感; 由于DPSK信號的等包絡(luò)特性，在相同的平均功率下，碼元峰值功率比OOK信號的峰值功率小3dB，因此，相同條件下，DPSK信號所受的非線性效應(yīng)影響小于OOK信號。 第76頁/共77頁第七十六頁，共78頁。謝謝您的觀看(gunkn)！第77