光纖通信第四章光發(fā)射機課件

第4章光發(fā)射機和光接收機4.1光發(fā)射機

4.2光接收機

4.1光發(fā)射機4.1.1光發(fā)射機基本組成和主要指標

4.1.2光源的調(diào)制原理

4.1.3光發(fā)射機及控制電路4.1.1光發(fā)射機基本組成和主要指標一、光發(fā)射機的基本組成光發(fā)送電路主要由驅動電路、發(fā)光器件、自動功率控制（APC）電路、自動溫度控制（ATC）電路組成。其功能是將輸入的電脈沖信號轉換為輸出光脈沖信號（即E/O轉換）。光發(fā)射機基本組成框圖二、光發(fā)射機的主要性能指標1.平均發(fā)送光功率PT定義為正常工作條件下光發(fā)送電路輸出的平均光功率。通常PT使用毫瓦分貝（dBm）單位，即平均發(fā)送光功率與光發(fā)送電路（驅動電路）的輸入電脈沖信號幅度和碼型有關。所以，離線測試時應在正常工作的注入電流條件下進行，并且測試信號使用偽隨機碼，以便盡可能接近實際情況。(mW)２．消光比（EX）

定義為光發(fā)送電路輸出全“1”碼時的平均輸出光功率P1與輸出全“0”碼時的平均輸出光功率P0之比，即消光比應大于10，以保證足夠的光接收信噪比。4.1.2光源的調(diào)制原理

光源的兩種調(diào)制方式DIM:電流注入式器件，發(fā)光和調(diào)制集中在結區(qū)，載流子光子作用關系復雜，影響腔的振蕩特性，動態(tài)光譜展寬。外調(diào)制：電光、磁光、聲光效應，發(fā)光與調(diào)制分開

光源的直接調(diào)制

1．階躍響應的瞬態(tài)分析

激光器的瞬態(tài)過程

在上述條件下，速率方程組可以簡化為n(t)為有源區(qū)中自由電子密度；s(t)為有源區(qū)中光子密度；j為注入電流密度；e0為電子電荷；d為有源區(qū)厚度；Rsp為自發(fā)輻射速率；g(n)為增益函數(shù)，它與電子密度n的依賴關系由有源區(qū)的材料及摻雜決定；ph為光子壽命時間，指光子從諧振腔端面逸出或在腔內(nèi)被吸收之前存在的平均時間；為自發(fā)發(fā)射進入激光模式的系數(shù)對雙異質(zhì)結激光器，可以得到用表示張弛振蕩的幅度衰減為初始值的1/e的時間，稱之為張弛振蕩的衰減時間?？芍?/p>

張弛振蕩的衰減時間與自發(fā)輻射的壽命時間（sp）同一數(shù)量級，并隨注入電流密度j的增加而減??；張弛振蕩的角頻率與ph和sp有關，并隨注入電流密度的增加而升高；4．電光延遲時間

在閾值以下，受激復合過程可以忽略，速率方程組可以寫為由得到電光延遲時間為設直流預偏置電流密度為j0，由于直流偏置電流預先注入，當脈沖電流到來時，有源區(qū)里的電子密度已達到這時電光延遲時間為利用速率方程組的穩(wěn)態(tài)關系，上式可化簡為

光源的間接調(diào)制1．電光效應與電光調(diào)制器當把電壓加到某些晶體上時，可能使晶體的折射率發(fā)生變化，結果引起通過該晶體的光波特性發(fā)生變化，晶體的這種性質(zhì)稱為電光效應。當晶體的折射率與外加電場幅度成線性變化時，稱為線性電光效應，即普科爾（Pockel）效應；當晶體的折射率與外加電場幅度的平方成比例變化時，稱為克爾（Kerr）效應。電光調(diào)制器主要利用普科爾效應。

線性電光效應僅出現(xiàn)在具有反演對稱的晶體中。對這樣的晶體，電場E所引起的的線性變化為

i=1，2，3，…，6

電光相位調(diào)制器基本原理框圖M-Z（Mach-Zahnder）波導調(diào)制器3．電吸收效應與電吸收調(diào)制器

電吸收效應是利用Franz-keldysh效應和量子約束Stark效應產(chǎn)生材料吸收邊界波長移動的效應。

電吸收多量子阱MQW調(diào)制器是很有發(fā)展前途的調(diào)制器，它不僅具有低的驅動電壓和低的啁啾特性，而且還可以與DFB激光器單片集成。

MQW調(diào)制器實際上類似于半導體激光器的結構，它對光具有吸收作用。

通常情況下，電吸收MQW調(diào)制器對發(fā)送波長是透明的，一旦加上反向偏壓，吸收波長在向長波長移動的過程中產(chǎn)生光吸收。利用這種效應，在調(diào)制區(qū)加上零伏到負壓之間的調(diào)制信號，就能對DFB激光器產(chǎn)生的光輸出進行強度調(diào)制。電吸收MQW型調(diào)制器聲光布拉格調(diào)制器原理框圖超聲波使介質(zhì)的折射率沿傳播方向交替變化，當一束平行光束通過它時，由于聲光效應產(chǎn)生的光柵使出射光束成為一個周期性變化的光波。當聲波頻率較高且光波以一定的角度入射時，只出現(xiàn)零級和±1級衍射光。如果入射聲波很強，則可以使入射光能幾乎全部轉移到零級或+1級或-1級的某一級衍射光上。4.1.3光發(fā)射機及控制電路

激光器的實用組件激光器組件的內(nèi)視圖和外視圖

ThermoelectricCooler數(shù)字光發(fā)射機的組成

1．偏置電流I0和調(diào)制電流Im大小的選擇

主要考慮以下原則（1）加大直流偏置電流使其逼近閾值，可以大大減小電光延遲時間，提高頻譜利用率和通信容量，并且在一定程度上抑制張弛振蕩；（2）激光器偏置在閾值附近的另一好處是較小的調(diào)制電流就能獲得足夠大的輸出光脈沖，I0和I0+Im值相差不大，從而削弱調(diào)制碼型間的相互影響，減小碼型效應；（3）由于偏置電流決定“0”碼時的發(fā)光功率，I0上升意味著激光器的消光比惡化。EX太小靈敏度下降；（4）實驗觀察到異質(zhì)結激光器的散粒噪聲在閾值處常有一很陡的峰值，因此I0的選取應避開此峰值。但對數(shù)字光傳輸系統(tǒng)，光源的噪聲對接收機影響不大。2．激光器的調(diào)制電路

對激光器進行高速脈沖調(diào)制時，調(diào)制電路既要有快的開關速度，又要保持有良好的電流脈沖波形。因為不僅電流脈沖上升沿和下降沿的快慢會影響到光脈沖的響應速度，而且電流脈沖上升沿的過沖還會加劇光脈沖的張馳振蕩。要做到這兩點，不僅電路的設計是重要的，而且電路的工藝也同樣重要，因為雜散電感和雜散電容會給高速脈沖電路帶來不良影響。

射極耦合LD驅動電路圖

“0”碼，V1導通，LD不發(fā)光；“1”碼，V2導通，LD發(fā)光。三極管fT4.5GHz，調(diào)制速率達300MHz；動態(tài)范圍小，功耗大3．激光器控制電路

閾值變化引起的光輸出變化外微分量子效率變化引起的光輸出變化

控制電路的作用，就是為了消除上述溫度變化和器件老化帶來的影響，給激光器提供穩(wěn)定的工作環(huán)境。目前主要采取的措施有自動溫度控制和自動功率控制。（1）自動溫度控制（ATC）

ATC原理電路Rc：半導體制冷器TEC電阻T(環(huán)境)→T(LD、熱沉)→RT→I(致冷器)→T(LD)APC電路原理（2）自動功率控制（APC）習題1．一半導體激光器，閾值電流Ith=60mA，sp=4×10