光源和光發(fā)射器

光源和光發(fā)射器第一頁，共一百零二頁，2022年，8月28日Chapter3OpticalSourceandLightTransmitter

光源和光發(fā)射機(jī)

光源可實現(xiàn)從電信號到光信號的轉(zhuǎn)換，是光發(fā)射機(jī)以及光纖通信系統(tǒng)的核心器件，它的性能直接關(guān)系到光纖通信系統(tǒng)的性能和質(zhì)量指標(biāo)。本章主要對半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)和半導(dǎo)體激光器(LD)這兩種光源的工作原理、應(yīng)用以及相關(guān)的調(diào)制進(jìn)行介紹。第二頁，共一百零二頁，2022年，8月28日第三章光源和光發(fā)射機(jī)激光二極管

發(fā)光二極管光發(fā)射機(jī)光源的調(diào)制方式第三頁，共一百零二頁，2022年，8月28日導(dǎo)帶：電子不受原子的約束，可以自由活動。價帶：空穴不受約束，可以自由活動。第四頁，共一百零二頁，2022年，8月28日光的自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射工作物質(zhì)和泵浦源是實現(xiàn)光的自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射的最基本條件。自發(fā)輻射：大量處于高能級的粒子，各自分別發(fā)射一列一列頻率為=(E2-E1)/h的光波，但各列光波之間沒有固定的相位關(guān)系，可以有不同的偏振方向，沿所有可能的方向傳播。各光子彼此無關(guān)。第五頁，共一百零二頁，2022年，8月28日雙能級原子系統(tǒng)的三種躍遷hE2E1自發(fā)輻射躍遷第六頁，共一百零二頁，2022年，8月28日光的自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射工作物質(zhì)和泵浦源是實現(xiàn)光的自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射的最基本條件。自發(fā)輻射：大量處于高能級的粒子，各自分別發(fā)射一列一列頻率為=(E2-E1)/h的光波，但各列光波之間沒有固定的相位關(guān)系，可以有不同的偏振方向，沿所有可能的方向傳播。各光子彼此無關(guān)。受激輻射：處于高能級E2的粒子受到光子能量為的光照射時，粒子會由于這種入射光的刺激而輻射出與入射光一模一樣的光子，并躍遷到低能級E1上。有相同的偏振方向和傳播方向。第七頁，共一百零二頁，2022年，8月28日雙能級原子系統(tǒng)的三種躍遷hE2E1自發(fā)發(fā)射躍遷E2E1受激吸收躍遷hhE2E1受激輻射躍遷hh受激輻射的光子與原光子具有相同的波長、相位和傳播方向第八頁，共一百零二頁，2022年，8月28日自發(fā)輻射和受激輻射的特點自發(fā)輻射的同時總伴有受激輻射發(fā)生。在熱平衡情況下，自發(fā)輻射占絕對優(yōu)勢。當(dāng)外界給系統(tǒng)提供能量時，如采用光照（即光泵）或電流注入（即電泵），打破熱平衡狀態(tài)，大量粒子處于高能級，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后，在發(fā)光束方向上的受激輻射比自發(fā)輻射的強(qiáng)度大幾個數(shù)量級?？偨Y(jié)受激輻射的首要條件：工作物質(zhì)（即能實現(xiàn)粒子躍遷的晶體材料，如GaAs和InGaAsP）外界供給能量滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（常采用電流注入法）第九頁，共一百零二頁，2022年，8月28日激光器被視為20世紀(jì)的三大發(fā)明之一，特別是半導(dǎo)體激光器LD倍受重視。光纖通信中最常用的光源是半導(dǎo)體激光器LD和發(fā)光二極管LED。主要差別：發(fā)光二極管輸出非相干光(自發(fā)輻射)；半導(dǎo)體激光器輸出相干光(受激輻射)。第十頁，共一百零二頁，2022年，8月28日3.1.1工作原理1.發(fā)光原理LD是基于受激輻射的原理工作的，光的受激輻射過程中必須保持能量和動量的守恒。3.1激光器二極管LD原子軌道導(dǎo)帶禁帶價帶原子能級共有化態(tài)－能帶第十一頁，共一百零二頁，2022年，8月28日2.LD結(jié)構(gòu)

電極出光面N-GaAs前端鏡面電極N-AlGaAsP-GaAsP-AlGaAsN-GaAs限制層有源層限制層雙異質(zhì)結(jié)端鏡面激光器兩端是端鏡面，兩者是平行的，同時又是非常平坦光亮的，它可以使有源層產(chǎn)生的光部分逸出，因此端鏡面和有源層構(gòu)成了光的容器。第十二頁，共一百零二頁，2022年，8月28日注入電子有源層電子勢壘電子能量折射率空穴勢壘注入空穴雙異質(zhì)結(jié)發(fā)光器件把有源層夾在P型和N型限制層間第十三頁，共一百零二頁，2022年，8月28日LD發(fā)射激光的

首要條件---粒子數(shù)反轉(zhuǎn)第十四頁，共一百零二頁，2022年，8月28日另一個條件是半導(dǎo)體激光器中必須存在光學(xué)諧振腔，并在諧振腔里建立起穩(wěn)定的振蕩。有源區(qū)里實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后，受激發(fā)射占據(jù)了主導(dǎo)地位，但是，激光器初始的光場來源于導(dǎo)帶和價帶的自發(fā)輻射，頻譜較寬，方向也雜亂無章。為了得到單色性和方向性好的激光輸出，必須構(gòu)成光學(xué)諧振腔。LD發(fā)射激光的

第二個條件---光學(xué)諧振腔第十五頁，共一百零二頁，2022年，8月28日光在諧振腔里建立穩(wěn)定振蕩的條件

相位條件---使諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干；閾值條件---使腔內(nèi)獲得的光功率正好與腔內(nèi)損耗相抵消。只有諧振腔里的光增益和損耗值保持相等，并且諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干時，才能在諧振腔的兩個端面輸出譜線很窄的相干光束。第十六頁，共一百零二頁，2022年，8月28日LD閾值條件設(shè)增益介質(zhì)的增益和損耗分別為G和α，諧振腔內(nèi)光功率隨距離z的變化：光束在腔內(nèi)一個來回時，兩次通過增益介質(zhì)，這時的光增益為：第十七頁，共一百零二頁，2022年，8月28日建立光振蕩的條件產(chǎn)生激光的閾值條件光與半導(dǎo)體物質(zhì)的相互作用可用速率方程來描述：增益介質(zhì)的損耗通過反射鏡的損耗第十八頁，共一百零二頁，2022年，8月28日物理意義：①在單位時間內(nèi)，總光子數(shù)目取決于受激輻射產(chǎn)生光子數(shù)目、自發(fā)輻射產(chǎn)生光子數(shù)目、激光腔損耗造成的光子損失數(shù)目；②在單位時間內(nèi)，總電子數(shù)目取決于注入載流子數(shù)目、自發(fā)輻射導(dǎo)致導(dǎo)帶的電子損失數(shù)目、受激輻射導(dǎo)致導(dǎo)帶的電子損失數(shù)目使s值增加，n值要大于閾值nth。第十九頁，共一百零二頁，2022年，8月28日nth可由閾值電流密度來jth表示，實際上jth是光子數(shù)目s=0時，保持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所需的電流密度。穩(wěn)定狀態(tài)下，粒子數(shù)不再變化：n=nth，第二十頁，共一百零二頁，2022年，8月28日3.1.2LD的工作特性第二十一頁，共一百零二頁，2022年，8月28日

PI特性光譜特性調(diào)制特性

第二十二頁，共一百零二頁，2022年，8月28日一、半導(dǎo)體激光器的P－I特性典型的P－I曲線P－I曲線：激光二極管的總發(fā)射光功率P與注入電流I的關(guān)系曲線。閾值電流Ith：開始發(fā)射受激輻射的電流值。閾值電流與腔的損耗、尺寸、有源區(qū)材料和厚度等因素有關(guān)。I<Ith，自發(fā)輻射，發(fā)出的是非相干光I>Ith，受激輻射，發(fā)出的是相干光第二十三頁，共一百零二頁，2022年，8月28日T0--LD的特征溫度，與器件的材料、結(jié)構(gòu)等有關(guān)。T0代表Ith對溫度的靈敏度，也可解釋為激光二極管的熱穩(wěn)定性。較高的T0意味著當(dāng)溫度快速增加時，激光二極管Ith激光二極管Ith增加不大。不同溫度下的P－I曲線溫度特性：溫度升高時性能下降，閾值電流隨溫度按指數(shù)增長。第二十四頁，共一百零二頁，2022年，8月28日

表示激光器件把注入的電子－空穴對（注入電荷）轉(zhuǎn)換成從器件發(fā)射的光子的效率。是一個以百分?jǐn)?shù)（％）度量的性能系數(shù)。D可從P-I特性的斜率（閾值以上）dP/dI求得：2.光電效率外微分量子效率D：第二十五頁，共一百零二頁，2022年，8月28日內(nèi)量子效率i是衡量激光二極管把電子－空穴對（注入電流）轉(zhuǎn)換成光子能力的一個參數(shù)。與D不同的的是，i與激光二極管的幾何尺寸無關(guān)，是評價激光二極管半導(dǎo)體晶片質(zhì)量的主要參數(shù)。i和D既有關(guān)系又有差別。i是激光二極管把電子－空穴對（注入電流）轉(zhuǎn)換成光子效率的直接表示，但要注意，并非所有光子都出射成為輸出光，有些光子由于各種內(nèi)部損耗而被重新吸收。D是激光二極管把電子－空穴對（注入電流）轉(zhuǎn)換成輸出光的效率象征。D總是比i小。內(nèi)量子效率i=有源區(qū)內(nèi)每秒鐘產(chǎn)生的光子數(shù)有源區(qū)內(nèi)每秒鐘注入的電子-空穴對數(shù)內(nèi)量子效率i：第二十六頁，共一百零二頁，2022年，8月28日

LD的模式特性首先取決于光腔的三個線度（橫向、側(cè)向、縱向的尺寸）及介質(zhì)特性。通常腔內(nèi)能存在許多模式，但只有獲得凈增益（滿足閾值條件）的那些模式才能被激勵，它的頻率才會出現(xiàn)在輸出光中。在實際應(yīng)用中，模式的穩(wěn)定性和線寬是對系統(tǒng)性能影響較大的兩個參量。

二、半導(dǎo)體激光器的光譜特性第二十七頁，共一百零二頁，2022年，8月28日1、激光器縱模的概念：

激光器的縱模反映激光器的光譜性質(zhì)。對于半導(dǎo)體激光器，當(dāng)注入電流低于閾值時，發(fā)射光譜是導(dǎo)帶和價帶的自發(fā)輻射譜，譜線較寬；只有當(dāng)激光器的注入電流大于閾值后，諧振腔里的增益才大于損耗，自發(fā)輻射譜線中滿足駐波條件的光頻率才能在諧振腔里振蕩，使激光器的輸出光譜呈現(xiàn)出以一個或幾個模式振蕩，這種振蕩稱之為激光器的縱模m--正整數(shù)；L--腔長；n--材料折射。諧振條件（正入射）:第二十八頁，共一百零二頁，2022年，8月28日諧振頻率（正入射）:相鄰縱模的頻率間隔:第二十九頁，共一百零二頁，2022年，8月28日2.光譜特性λp為具有最大輻射功率的縱模峰值所對應(yīng)的波長，稱為峰值波長。Δλ為LD的譜寬，其定義為縱模包絡(luò)下降到最大值一半時對應(yīng)的波長寬度，也稱半高全寬光譜寬度。

ΔλL是一個縱模中光譜輻射功率為其最大值一半的譜線兩點間的波長間隔。波長λ0相對功率Δλ第三十頁，共一百零二頁，2022年，8月28日LED和LD的光譜特性第三十一頁，共一百零二頁，2022年，8月28日I=67mAP=1.2mWI=75mAP=2.5mWI=100mAP=10mWI=95mAP=6mWI=80mAP=4mW隨著電流增加，主模的增益增加，而邊模的增益減小，縱模數(shù)減少，一個模式開始占優(yōu)勢，直到出現(xiàn)單個窄線寬的光譜為止。3、縱模數(shù)隨注入電流而變：第三十二頁，共一百零二頁，2022年，8月28日三、半導(dǎo)體激光器的瞬態(tài)性質(zhì)半導(dǎo)體激光器具有電光轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快、可以進(jìn)行直接調(diào)制的優(yōu)點，被視為光纖通信中的理想光源。但在對半導(dǎo)體激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時，激光器往往呈現(xiàn)出復(fù)雜的動態(tài)性質(zhì)——光電瞬態(tài)響應(yīng)。 電光延遲張弛振蕩自脈動第三十三頁，共一百零二頁，2022年，8月28日1.電光延遲原因：激光輸出與注入電脈沖之間存在一個時間延遲，一般為納秒量級。降低方法：預(yù)偏置在Ith附近。電光延遲0注入電流光輸出tdt張弛振蕩持續(xù)振蕩直流預(yù)偏置電流第三十四頁，共一百零二頁，2022年，8月28日張弛振蕩：當(dāng)電流脈沖注入激光器以后，輸出光脈沖表現(xiàn)出衰減式振蕩。是激光器內(nèi)部光電相互作用所表現(xiàn)出來的固有特性。自脈動：某些激光器在某些注入電流下發(fā)生的一種持續(xù)振蕩。張弛振蕩和自脈動的結(jié)合。激光器激射以后，先出現(xiàn)一個張弛振蕩的過程，隨后則開始持續(xù)自脈動。光電瞬態(tài)響應(yīng)波形第三十五頁，共一百零二頁，2022年，8月28日當(dāng)注入電流從零快速增大到閾值以上時，經(jīng)電光延遲后產(chǎn)生激光輸出，并在脈沖頂部出現(xiàn)阻尼振蕩，經(jīng)過幾個周期后達(dá)到平衡值。采用預(yù)偏置在Ith附近的方法，可減小張弛振蕩2.張弛振蕩第三十六頁，共一百零二頁，2022年，8月28日不同于張弛振蕩,容易發(fā)生在閾值附近和P-I特性的扭曲區(qū)。造成自脈動的機(jī)理涉及量子噪聲效應(yīng)、有源區(qū)的缺陷及溫度感應(yīng)的變化等因素。抑制這種現(xiàn)象主要靠控制材料的質(zhì)量，盡量減少有源區(qū)的缺陷。3.自脈動(持續(xù)振蕩)第三十七頁，共一百零二頁，2022年，8月28日激光二極管的啁啾特性：在直接調(diào)制激光二極管時，不僅輸出光功率隨調(diào)制電流發(fā)生變化，而且光的頻率也會發(fā)生波動。帶有頻率啁啾的信號在單模光纖中傳播時，在色散作用下，將增大非線性失真。隨著調(diào)制速率增加，啁啾現(xiàn)象愈加嚴(yán)重。解決辦法：采用外部調(diào)制器。4、啁啾第三十八頁，共一百零二頁，2022年，8月28日LD的噪聲源主要有：（1）相位噪聲（2）工作不穩(wěn)定引起的噪聲（如自脈動）（3）光纖端面與LD之間互作用引起的噪聲（4）模噪聲（單模LD+多模光纖系統(tǒng)）與模分配噪聲（多模LD+單模光纖系統(tǒng)）通過模式穩(wěn)定及光隔離器來減低或消除四、半導(dǎo)體激光器的噪聲特性由于LD諧振腔內(nèi)載流子和光子密度的量子起伏，造成輸出光波中存在著固有的量子噪聲，一般用相對噪聲強(qiáng)度RIN來度量，即光強(qiáng)度脈動的均方根與平均光強(qiáng)度平方之比。第三十九頁，共一百零二頁，2022年，8月28日LD的類型1.法布里-珀羅型激光器F-PLDF-PLD是最常見最普通的LD.由有源層和有源層兩邊的限制層構(gòu)成，諧振腔由晶體的兩個解

理面構(gòu)成。通常為

雙異質(zhì)結(jié)LD。激光器實質(zhì)上是一個受激發(fā)射的光振蕩放

大器。第四十頁，共一百零二頁，2022年，8月28日F-PLD基本工作原理實現(xiàn)F-PLD激射工作的四個基本條件：要有能實現(xiàn)電子和光場相互作用的工作物質(zhì)要有注入能量的泵浦源（光泵或者電泵浦）要有一個F-P諧振腔要滿足振蕩條件第四十一頁，共一百零二頁，2022年，8月28日F-P諧振腔將已實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的系統(tǒng)置于嚴(yán)格平行的一對反射鏡之間便形成F-P諧振腔。光在兩個反射鏡之間往返多次過程中，得到放大。第四十二頁，共一百零二頁，2022年，8月28日振蕩條件當(dāng)增益超過由部分反射和散射等多種因素引起的總損耗，經(jīng)過諧振腔的選頻作用，特定頻率的光波在諧振腔內(nèi)積累能量并通過反射鏡射出，形成激光（相干光）。相位條件：n-有源層折射率；L-腔長m-任意整數(shù)；-波長滿足相位條件的頻率有無限多個，只有那些在譜線中心附近的頻率才能滿足振蕩條件，所以激光器的振蕩頻率只能取有限個分立值。第四十三頁，共一百零二頁，2022年，8月28日窄譜寬半導(dǎo)體激光器分布反饋激光器是單縱模(SLM)LD，即頻譜特性只有一個縱模（譜線）的LD。SLMLD與法布里-珀羅LD相比，它的諧振腔損耗與模式有關(guān)，即對不同的縱模具有不同的損耗。這是通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計，使分布反饋LD內(nèi)部具有一個對波長有選擇性的衍射光柵，從而使只有滿足布拉格波長條件的光波才能建立起振蕩第四十四頁，共一百零二頁，2022年，8月28日分布反饋LD的分類分布反饋式激光器

DFB:DistributedFeedBack分布布拉格反射式激光器

DBR:DistributedBraggReflector第四十五頁，共一百零二頁，2022年，8月28日2.Distributed-FeedbackLaserDiode

分布反饋激光器(DFBLD)DFBLD同F(xiàn)-PLD的主要區(qū)別：DFBLD沒有專門的諧振腔反射鏡，它的反射機(jī)構(gòu)是由有源區(qū)波導(dǎo)上的Bragg光柵提供的。分布式反饋

非常好的單色性和方向性第四十六頁，共一百零二頁，2022年，8月28日DFBLD基本工作原理在有源區(qū)介質(zhì)表面上使用全息光刻法做成周期性的波紋形狀。用泵浦（光泵浦或電泵浦）激發(fā)，造成足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，具備增益條件只有波長滿足“Bragg反射條件”的光波才能在介質(zhì)中來回反射，得到不斷的加強(qiáng)和增長。第四十七頁，共一百零二頁，2022年，8月28日DBF激光器比其他常規(guī)激光器有更好的溫度特性；窄線寬特性（典型值為0.1nm~0.2nm）光柵起到穩(wěn)定輸出波長的作用線性響應(yīng)好2.分布反饋激光器(DFBLD)DFBLD已成為中長距離光纖通信應(yīng)用的主要激光器第四十八頁，共一百零二頁，2022年，8月28日3.分布Bragg反射型激光器DBRLDDBRLD的周期性溝槽不在有源波導(dǎo)表面上，而是在有源層波導(dǎo)兩外側(cè)的無源波導(dǎo)層上，這兩個無源的光柵波導(dǎo)充當(dāng)Bragg反射鏡的作用。由于有源波導(dǎo)的增益特性和無源周期波導(dǎo)的Bragg發(fā)射，只有在Bragg頻率附近的光波才能滿足振蕩條件，從而發(fā)射出激光。第四十九頁，共一百零二頁，2022年，8月28日5.Vertical-CavitySurface-EmittingLaserDiodes

垂直腔表面發(fā)射激光器垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL,VerticalCavitySurfaceEmittingLaser）它的光發(fā)射方向與腔體垂直，而不是像普通激光器那樣，與腔體平行。這種激光器的光腔軸線與注入電流方向相同。第五十頁，共一百零二頁，2022年，8月28日VCSEL激光器示意圖這種激光器的光腔軸線與注入電流方向相同。有源區(qū)的長度L與邊發(fā)射器件比較非常短，光發(fā)射是從腔體表面，而不是腔體邊沿。腔體兩端的反射器是由電介質(zhì)鏡組成，即由厚度為d的高低折射率層交錯組成。

反射器反射器有源區(qū)輻射金屬層金屬層第五十一頁，共一百零二頁，2022年，8月28日優(yōu)點：發(fā)光效率高(850nm的VCSEL，10mA驅(qū)動1.5mW輸出光功率)閾值電流極低（閾值電流0.1mA，簡化了驅(qū)動電路的設(shè)計）可單縱模也可多縱模工作（應(yīng)用于以多模光纖為傳輸媒介底局域網(wǎng)中或VSR）調(diào)制速率高壽命長價格低、產(chǎn)量高第五十二頁，共一百零二頁，2022年，8月28日VCSEL激光器陣列第五十三頁，共一百零二頁，2022年，8月28日普通LD第五十四頁，共一百零二頁，2022年，8月28日LD外形圖第五十五頁，共一百零二頁，2022年，8月28日LD組件及其技術(shù)指標(biāo)光隔離器，防止LD輸出的激光回射，避免引起激光器噪音的增加，它位于LD輸出邊監(jiān)視光電二極管PD，監(jiān)視LD的輸出功率變化，它位于LD背出光面；尾纖和連接器；LD的驅(qū)動電路；第五十六頁，共一百零二頁，2022年，8月28日LD組件及其技術(shù)指標(biāo)熱敏電阻，測量組件內(nèi)的溫度；熱電致冷器，一種半導(dǎo)體熱電元件，通過改變熱電元件的極性達(dá)到加熱或冷卻的目的；自動溫控電路ATC，和熱敏電阻相接，其作用是保持LD組件內(nèi)恒定的溫度（如250oC），以保證激光器參數(shù)的穩(wěn)定性；自動功率控制電路APC第五十七頁，共一百零二頁，2022年，8月28日第三章光源和光發(fā)射機(jī)激光二極管發(fā)光二極管光發(fā)射機(jī)光源的調(diào)制方式第五十八頁，共一百零二頁，2022年，8月28日LED的主要工作原理對應(yīng)光的自發(fā)輻射過程，因而是一種非相干光源。LED發(fā)射光的譜線較寬、方向性較差，本身的響應(yīng)速度又較慢，所以只適用于速率較低的通信系統(tǒng)。在高速、大容量的光纖通信系統(tǒng)中主要采用半導(dǎo)體激光器作光源。3.2Light-EmittingDiodes

發(fā)光二極管LED第五十九頁，共一百零二頁，2022年，8月28日發(fā)光二極管的基本結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管有PN結(jié)（同質(zhì)或異質(zhì)結(jié)），無光學(xué)諧振腔，不一定需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。所以，LED只能發(fā)出自發(fā)輻射光。按照光輸出位置的不同，LED分為面發(fā)光二極管和邊發(fā)光二極管。第六十頁，共一百零二頁，2022年，8月28日按照光輸出位置的不同，LED分為面發(fā)光二極管和邊發(fā)光二極管。面發(fā)光型Surface-emittingLED第六十一頁，共一百零二頁，2022年，8月28日邊發(fā)光型Edge-emmittingLED第六十二頁，共一百零二頁，2022年，8月28日面發(fā)光型LED輸出功率大，但是光發(fā)散角很大，水平和垂直發(fā)散角都可達(dá)到120o，與光纖耦合效率低。

邊發(fā)光型LED的驅(qū)動電流較大，輸出光功率小，但光束發(fā)射角小，與光纖的耦合效率高，故入纖光功率比面發(fā)光型LED高。第六十三頁，共一百零二頁，2022年，8月28日Light-EmittingDiodeOperatingCharacteristics

發(fā)光二極管的工作特性

光譜特性PI特性調(diào)制特性

第六十四頁，共一百零二頁，2022年，8月28日LED的光譜特性

發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光，沒有光學(xué)諧振腔對波長的選擇，譜線寬。λ1波長(um)相對功率λ1λ21.201.350.5第六十五頁，共一百零二頁，2022年，8月28日LED的輸出光功率特性P-I特性呈線性電流（mA）光功率（mW）第六十六頁，共一百零二頁，2022年，8月28日LED的輸出光功率特性驅(qū)動電流較小時，P-I特性呈線性，I過大時，由于PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使P-I特性曲線斜率減小。100邊發(fā)光二極管P(mW)I(mA)LD面發(fā)光二極管200123第六十七頁，共一百零二頁，2022年，8月28日T0是器件的特征溫度。當(dāng)溫度升高時，同一電流下的發(fā)射功率要降低，但與LD比較起來，發(fā)光二極管的溫度穩(wěn)定性相對較好，在實際應(yīng)用中，一般可以不加溫度控制。LED的溫度特性第六十八頁，共一百零二頁，2022年，8月28日LED的調(diào)制特性數(shù)字調(diào)制模擬調(diào)制第六十九頁，共一百零二頁，2022年，8月28日光源的上升時間tr當(dāng)輸入階躍變化的電流時，其輸出光功率從最終值的10%上升為90%的時間。輸出光功率波形輸入電流波形LED上升時間從幾納秒一直到250ns，比LD大得多,調(diào)制速度比LD慢。第七十頁，共一百零二頁，2022年，8月28日LED與光纖的耦合耦合效率：入纖的光功率與發(fā)光管發(fā)出的功率之比，影響耦合效率的主要因素是光源的發(fā)散角和光纖的數(shù)值孔徑。發(fā)散角大，耦合效率低；數(shù)值孔徑大，耦合效率高。面發(fā)光器件的光功率按cosθ遞減。面發(fā)光器件輻射出來的大部分能量都被浪費光束角度光束強(qiáng)度面發(fā)光器件的朗伯輻射圖第七十一頁，共一百零二頁，2022年，8月28日LED與光纖的耦合輸出光束在與PN結(jié)平行的面上呈朗伯分布，在與PN結(jié)垂直的平面內(nèi)的光強(qiáng)發(fā)散緩慢得多。邊發(fā)光器件比面發(fā)光器件更能集中光束能量，提供更高的耦合效率。光束角度光束強(qiáng)度邊發(fā)光器件的輻射圖平行平面垂直平面第七十二頁，共一百零二頁，2022年，8月28日LED與光纖的耦合直接耦合：將光纖端面直接對準(zhǔn)光源發(fā)光面進(jìn)行耦合的方法。透鏡耦合：在光源與光纖之間放置透鏡，使更多的發(fā)散光線會聚進(jìn)入光纖來提高耦合效率。第七十三頁，共一百零二頁，2022年，8月28日

LD

LED工作波長λ/μm1.31.55

1.31.55譜線寬度Δλ/nm1～21～350～10060～120閾值電流Ith/mA20～3030～60

工作電流I/mA

50～150100～150輸出功率P/mW5～105～10

1～51～3入纖功率P/mW1～31～30.1～0.30.1～0.2

調(diào)制帶寬B/MHz500～2000500～100050～15030～100輻射角θ/（°）

20×3020×5030×12030×120壽命t/h106～107105～106105105工作溫度/℃-20～50-20～50

-65～125-65～125第七十四頁，共一百零二頁，2022年，8月28日第三章光源和光發(fā)射機(jī)激光二極管發(fā)光二極管光發(fā)射機(jī)光源的調(diào)制方式第七十五頁，共一百零二頁，2022年，8月28日3.3發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)防止LD輸出的激光反射，實現(xiàn)光的單向傳輸保持LD組件內(nèi)恒定的溫度，保證激光參數(shù)的穩(wěn)定性使LD有恒定的光輸出功率數(shù)據(jù)電接口線路編碼驅(qū)動電路調(diào)制器光隔離器LD功控溫控光發(fā)射機(jī)第七十六頁，共一百零二頁，2022年，8月28日3.3.1模擬光發(fā)射機(jī)模擬光發(fā)射機(jī)的指標(biāo)主要有：載噪比CNR、復(fù)合二階失真CSO和復(fù)合三階差拍CTB，它們反映了光發(fā)射機(jī)的非線性失真特性。模擬光發(fā)射機(jī)外形第七十七頁，共一百零二頁，2022年，8月28日3.3.2數(shù)字光發(fā)射機(jī)電形式的數(shù)字信號通過輸入接口后，必須經(jīng)過碼型變換，將普通的二進(jìn)制雙極性信號轉(zhuǎn)換成適合在光纖中傳輸?shù)拇a型信號，然后送至驅(qū)動電路，完成這一功能的部件稱為線路編碼單元。第七十八頁，共一百零二頁，2022年，8月28日光發(fā)射機(jī)的參數(shù)(1)發(fā)送光功率（dBm）

P=10lg[P(mW)/1(mW)]

功率(mW)10010210.50.10.010.001功率(dBm)+20+10+30-3-10-20-30如：功率增加一倍，表明增益是3dB；功率減小到一半，表明損耗是3dB。光纖損耗6dB－－通過光纖后，功率減小到連接器損耗1dB－－通過連接器后，功率減小到25％80％第七十九頁，共一百零二頁，2022年，8月28日光譜特性最大均方根RMS寬度對于多縱模激光器和發(fā)光二極管這樣的光能量比較分散的光源,采用來衡量光脈沖能量在頻域的集中程度.單縱模的激光器,能量主要集中在主模中.半高全寬FWHM(3dB)寬度最大20dB跌落寬度光發(fā)射機(jī)的參數(shù)(2)第八十頁，共一百零二頁，2022年，8月28日最小邊模抑制比(SMSR)：主縱模(M1)的平均光功率與最顯著的邊模(M2)的平均光功率之比。SMSR=10lg（M1/M2）

光發(fā)射機(jī)的參數(shù)(3)一般規(guī)定單縱模激光器的最小邊模抑制比為30dB，即主縱模功率至少要比邊模大1000倍以上。第八十一頁，共一百零二頁，2022年，8月28日光發(fā)射機(jī)的參數(shù)(4)消光比:僅限數(shù)字光發(fā)射機(jī)激光功率在“0”時平均光功率p0和在“1”時平均光功率p1之比，可用EXT表示EXT=10lg(p1/p0)(dB)消光比的不足容易引起對碼元的誤判。第八十二頁，共一百零二頁，2022年，8月28日第三章光源和光發(fā)射機(jī)激光二極管發(fā)光二極管光發(fā)射機(jī)光源的調(diào)制方式第八十三頁，共一百零二頁，2022年，8月28日光源的調(diào)制方式調(diào)制方式：直接調(diào)制間接調(diào)制（外調(diào)制）第八十四頁，共一百零二頁，2022年，8月28日常用的調(diào)制方法----直接調(diào)制將要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘栕⑷隠D或LED獲得好的光調(diào)制波形的前提條件：響應(yīng)速度快、輸出波形好的調(diào)制電路。數(shù)字調(diào)制有編碼電路，模擬調(diào)制沒有編碼電路，其它結(jié)構(gòu)完全相同。簡單、經(jīng)濟(jì)、容易實現(xiàn)響應(yīng)帶寬有限（~2.5Gb/s）噪聲大第八十五頁，共一百零二頁，2022年，8月28日直接調(diào)制光發(fā)射機(jī)第八十六頁，共一百零二頁，2022年，8月28日對LD直接調(diào)制第八十七頁，共一百零二頁，2022年，8月28日加大偏置電流使其逼近激光器閾值，可以大大減小電光延遲時間，同時使張馳振蕩得到一定程度的抑制.偏置于閾值附近，較小的調(diào)制脈沖電流即可得到足夠的輸出光脈沖，從而可大大減小熱效應(yīng)的影響.另一方面，加大直流偏置電流將會使光信號消光比惡化，光源消光比將直接影響接收機(jī)靈敏度.數(shù)字直接調(diào)制中偏置電流和調(diào)制電流大小的選擇第八十八頁，共一百零二頁，2022年，8月28日實驗發(fā)現(xiàn)，異質(zhì)結(jié)激光器的散粒噪聲在閾值處出現(xiàn)最大值，因此偏置電流不正好偏置在閾值處.調(diào)制電流幅度Im的選擇，應(yīng)根據(jù)激光器的P-I曲線，既要有足夠的輸出光脈沖幅度，又要考慮到光源的負(fù)擔(dān)。如果激光器在某些區(qū)域有自脈動現(xiàn)象發(fā)生，則Im的選擇應(yīng)避開自脈動發(fā)生的區(qū)域.數(shù)字直接調(diào)制中偏置電流和調(diào)制電流大小的選擇第八十九頁，共一百零二頁，2022年，8月28日外調(diào)制電信號不再直接加在激光光源上，而是加在外調(diào)制器的電極上，從而把來自激光器的連續(xù)光波轉(zhuǎn)換成一個隨著電信號變化