光纖通信第四章光發(fā)射機(jī)

光纖通信第四章光發(fā)射機(jī)第一頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日4.1光發(fā)射機(jī)4.1.1光發(fā)射機(jī)基本組成和主要指標(biāo)

4.1.2光源的調(diào)制原理

4.1.3光發(fā)射機(jī)及控制電路第二頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日4.1.1光發(fā)射機(jī)基本組成和主要指標(biāo)一、光發(fā)射機(jī)的基本組成光發(fā)送電路主要由驅(qū)動(dòng)電路、發(fā)光器件、自動(dòng)功率控制（APC）電路、自動(dòng)溫度控制（ATC）電路組成。其功能是將輸入的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出光脈沖信號(hào)（即E/O轉(zhuǎn)換）。光發(fā)射機(jī)基本組成框圖第三頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日

驅(qū)動(dòng)電路起調(diào)制作用，調(diào)制分為內(nèi)調(diào)制（即直接調(diào)制）和外調(diào)制（即間接調(diào)制）。內(nèi)調(diào)制是直接在光源上調(diào)制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)中；外調(diào)制是在光輸出通路上加調(diào)制器，對(duì)光源性能影響小，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前尚未廣泛應(yīng)用。圖中給出的驅(qū)動(dòng)電路，是用輸入電信號(hào)的大小來直接調(diào)制發(fā)光器件的發(fā)光強(qiáng)度，所以屬于內(nèi)調(diào)制。驅(qū)動(dòng)電路的輸入電脈沖信號(hào)和發(fā)光器件的輸出光脈沖信號(hào)都要求是光纖碼型信號(hào)；APC電路用來使光信號(hào)的功率穩(wěn)定而不隨外界條件變化；ATC電路用來使發(fā)光器件工作溫度恒定。第四頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日二、光發(fā)射機(jī)的主要性能指標(biāo)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(qū)動(dòng)電路）的輸入電脈沖信號(hào)幅度和碼型有關(guān)。所以，離線測(cè)試時(shí)應(yīng)在正常工作的注入電流條件下進(jìn)行，并且測(cè)試信號(hào)使用偽隨機(jī)碼，以便盡可能接近實(shí)際情況。(mW)第五頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日２．消光比（EX）

定義為光發(fā)送電路輸出全“1”碼時(shí)的平均輸出光功率P1與輸出全“0”碼時(shí)的平均輸出光功率P0之比，即消光比應(yīng)大于10，以保證足夠的光接收信噪比。第六頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日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(jié)區(qū)，載流子光子作用關(guān)系復(fù)雜，影響腔的振蕩特性，動(dòng)態(tài)光譜展寬。外調(diào)制：電光、磁光、聲光效應(yīng)，發(fā)光與調(diào)制分開第七頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日

光源的直接調(diào)制

第八頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日

LD數(shù)字調(diào)制過程的瞬態(tài)分析

光電瞬態(tài)響應(yīng)波形

第九頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日1．階躍響應(yīng)的瞬態(tài)分析

激光器的瞬態(tài)過程

第十頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日2．速率方程組簡(jiǎn)化的速率方程組是基于下列條件提出的：（1）注入電流均勻恒定，即電流密度j為常數(shù)，電子和光子密度在腔內(nèi)處處均勻，因而可以不考慮梯度場(chǎng)和漂移場(chǎng)的作用；（2）光子完全被介質(zhì)波導(dǎo)限制在有源區(qū)中，不需要考慮側(cè)向光場(chǎng)的漏出；（3）忽略非輻射復(fù)合的影響；（4）激光器在閾值之上單縱模振蕩。第十一頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日在上述條件下，速率方程組可以簡(jiǎn)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(guān)系由有源區(qū)的材料及摻雜決定；ph為光子壽命時(shí)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(shí)間；為自發(fā)發(fā)射進(jìn)入激光模式的系數(shù)第十二頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日3．速率方程組的解用小信號(hào)分析法求速率方程組的瞬態(tài)解可以得到小信號(hào)近似下速率方程組的瞬態(tài)解為

第十三頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日對(duì)雙異質(zhì)結(jié)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(shí)間，稱之為張弛振蕩的衰減時(shí)間。可知

張弛振蕩的衰減時(shí)間與自發(fā)輻射的壽命時(shí)間（sp）同一數(shù)量級(jí)，并隨注入電流密度j的增加而減小；張弛振蕩的角頻率與ph和sp有關(guān)，并隨注入電流密度的增加而升高；第十四頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日4．電光延遲時(shí)間

在閾值以下，受激復(fù)合過程可以忽略，速率方程組可以寫為由得到電光延遲時(shí)間為第十五頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日設(shè)直流預(yù)偏置電流密度為j0，由于直流偏置電流預(yù)先注入，當(dāng)脈沖電流到來時(shí)，有源區(qū)里的電子密度已達(dá)到這時(shí)電光延遲時(shí)間為利用速率方程組的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，上式可化簡(jiǎn)為第十六頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日

光源的間接調(diào)制1．電光效應(yīng)與電光調(diào)制器當(dāng)把電壓加到某些晶體上時(shí)，可能使晶體的折射率發(fā)生變化，結(jié)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(yīng)。當(dāng)晶體的折射率與外加電場(chǎng)幅度成線性變化時(shí)，稱為線性電光效應(yīng)，即普科爾（Pockel）效應(yīng)；當(dāng)晶體的折射率與外加電場(chǎng)幅度的平方成比例變化時(shí)，稱為克爾（Kerr）效應(yīng)。電光調(diào)制器主要利用普科爾效應(yīng)。第十七頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日

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

i=1，2，3，…，6

第十八頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日用矩陣表示式中n為折射率，rij為電光系數(shù)。由電光系數(shù)組成的6×3矩陣稱為電光張量。對(duì)于各類電光晶體，電光張量的元素可能有許多等于零。第十九頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日電光相位調(diào)制器基本原理框圖第二十頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日M-Z（Mach-Zahnder）波導(dǎo)調(diào)制器第二十一頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日2．磁光效應(yīng)與磁光調(diào)制器磁光調(diào)制器原理圖

第二十二頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日3．電吸收效應(yīng)與電吸收調(diào)制器

電吸收效應(yīng)是利用Franz-keldysh效應(yīng)和量子約束Stark效應(yīng)產(chǎn)生材料吸收邊界波長(zhǎng)移動(dòng)的效應(yīng)。

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(qū)動(dòng)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(shí)際上類似于半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)，它對(duì)光具有吸收作用。

通常情況下，電吸收MQW調(diào)制器對(duì)發(fā)送波長(zhǎng)是透明的，一旦加上反向偏壓，吸收波長(zhǎng)在向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)的過程中產(chǎn)生光吸收。利用這種效應(yīng)，在調(diào)制區(qū)加上零伏到負(fù)壓之間的調(diào)制信號(hào)，就能對(duì)DFB激光器產(chǎn)生的光輸出進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。第二十三頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日電吸收MQW型調(diào)制器第二十四頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日4．聲光效應(yīng)與聲光調(diào)制器聲波（主要指超聲波）在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生光彈性作用，引起介質(zhì)的折射率發(fā)生疏密變化，因此受超聲波作用的晶體相當(dāng)于形成了一個(gè)布拉格光柵，光柵的條紋間隔等于聲波的波長(zhǎng)。當(dāng)光波通過此晶體介質(zhì)時(shí)，光波將被介質(zhì)中的光柵衍射，衍射光的強(qiáng)度、頻率、相位、方向等隨聲波場(chǎng)而變化，這種效應(yīng)稱為聲光效應(yīng)。聲光調(diào)制器由聲光介質(zhì)、電聲換能器、吸聲（反射）裝置等組成。電壓調(diào)制信號(hào)經(jīng)過電聲換能器轉(zhuǎn)化為超聲波，然后加到聲光晶體上。電聲換能器利用某些晶體(如石英、LiNbO3等)的壓電效應(yīng)，在外加電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)形成聲波。第二十五頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日聲光布拉格調(diào)制器原理框圖第二十六頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日超聲波使介質(zhì)的折射率沿傳播方向交替變化，當(dāng)一束平行光束通過它時(shí)，由于聲光效應(yīng)產(chǎn)生的光柵使出射光束成為一個(gè)周期性變化的光波。當(dāng)聲波頻率較高且光波以一定的角度入射時(shí)，只出現(xiàn)零級(jí)和±1級(jí)衍射光。如果入射聲波很強(qiáng)，則可以使入射光能幾乎全部轉(zhuǎn)移到零級(jí)或+1級(jí)或-1級(jí)的某一級(jí)衍射光上。第二十七頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日4.1.3光發(fā)射機(jī)及控制電路

激光器的實(shí)用組件激光器組件的內(nèi)視圖和外視圖

ThermoelectricCooler第二十八頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日球差(sphericalaberration)光線透過球面透鏡所產(chǎn)生的成像誤差，單色光像差的一種。球面透鏡上，遠(yuǎn)離光軸位置進(jìn)入鏡頭的平行光線（邊緣光線、遠(yuǎn)軸光線），入射角大，折射強(qiáng)，在光軸離鏡頭近處形成焦點(diǎn)；而離光軸近處進(jìn)入鏡頭的平行光線（中心光線、近軸光線）折射弱，在光軸上離鏡頭遠(yuǎn)處形成焦點(diǎn)。由于平行光束在光軸上前后分散形成焦點(diǎn)，形成了彌散光斑（一定直徑的模糊像），從而清晰度和解像力下降。

第二十九頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日數(shù)字光發(fā)射機(jī)的組成

第三十頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日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(shí)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(yīng)；第三十一頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日（3）由于偏置電流決定“0”碼時(shí)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(shí)驗(yàn)觀察到異質(zhì)結(jié)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(yīng)避開此峰值。但對(duì)數(shù)字光傳輸系統(tǒng)，光源的噪聲對(duì)接收機(jī)影響不大。第三十二頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日2．激光器的調(diào)制電路

對(duì)激光器進(jìn)行高速脈沖調(diào)制時(shí)，調(diào)制電路既要有快的開關(guān)速度，又要保持有良好的電流脈沖波形。因?yàn)椴粌H電流脈沖上升沿和下降沿的快慢會(huì)影響到光脈沖的響應(yīng)速度，而且電流脈沖上升沿的過沖還會(huì)加劇光脈沖的張馳振蕩。要做到這兩點(diǎn)，不僅電路的設(shè)計(jì)是重要的，而且電路的工藝也同樣重要，因?yàn)殡s散電感和雜散電容會(huì)給高速脈沖電路帶來不良影響。

第三十三頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日射極耦合LD驅(qū)動(dòng)電路圖

“0”碼，V1導(dǎo)通，LD不發(fā)光；“1”碼，V2導(dǎo)通，LD發(fā)光。三極管fT4.5GHz，調(diào)制速率達(dá)300MHz；動(dòng)態(tài)范圍小，功耗大第三十四頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日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

第三十五頁(yè)，共三十八頁(yè)，