光纖通信第四章光發(fā)射機

光纖通信第四章光發(fā)射機第一頁，共三十八頁，2022年，8月28日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光源的調制原理

4.1.3光發(fā)射機及控制電路第二頁，共三十八頁，2022年，8月28日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)射機基本組成框圖第三頁，共三十八頁，2022年，8月28日

驅動電路起調制作用，調制分為內調制（即直接調制）和外調制（即間接調制）。內調制是直接在光源上調制，系統(tǒng)結構較簡單，廣泛應用于通信系統(tǒng)中；外調制是在光輸出通路上加調制器，對光源性能影響小，但系統(tǒng)結構復雜，目前尚未廣泛應用。圖中給出的驅動電路，是用輸入電信號的大小來直接調制發(fā)光器件的發(fā)光強度，所以屬于內調制。驅動電路的輸入電脈沖信號和發(fā)光器件的輸出光脈沖信號都要求是光纖碼型信號；APC電路用來使光信號的功率穩(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，共三十八頁，2022年，8月28日二、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)第五頁，共三十八頁，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。第六頁，共三十八頁，2022年，8月28日4.1.2光源的調制原理

光源的兩種調制方式DIM:電流注入式器件，發(fā)光和調制集中在結區(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。外調制：電光、磁光、聲光效應，發(fā)光與調制分開第七頁，共三十八頁，2022年，8月28日

光源的直接調制

第八頁，共三十八頁，2022年，8月28日

LD數(shù)字調制過程的瞬態(tài)分析

光電瞬態(tài)響應波形

第九頁，共三十八頁，2022年，8月28日1．階躍響應的瞬態(tài)分析

激光器的瞬態(tài)過程

第十頁，共三十八頁，2022年，8月28日2．速率方程組簡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處處均勻，因而可以不考慮梯度場和漂移場的作用；（2）光子完全被介質波導限制在有源區(qū)中，不需要考慮側向光場的漏出；（3）忽略非輻射復合的影響；（4）激光器在閾值之上單縱模振蕩。第十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日在上述條件下，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)第十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日3．速率方程組的解用小信號分析法求速率方程組的瞬態(tài)解可以得到小信號近似下速率方程組的瞬態(tài)解為

第十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日對雙異質結激光器，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?。粡埑谡袷幍慕穷l率與ph和sp有關，并隨注入電流密度的增加而升高；第十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日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第十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日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，上式可化簡為第十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日

光源的間接調制1．電光效應與電光調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。電光調制器主要利用普科爾效應。第十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日

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

第十八頁，共三十八頁，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，共三十八頁，2022年，8月28日電光相位調制器基本原理框圖第二十頁，共三十八頁，2022年，8月28日M-Z（Mach-Zahnder）波導調制器第二十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日2．磁光效應與磁光調制器磁光調制器原理圖

第二十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日3．電吸收效應與電吸收調制器

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

電吸收多量子阱MQW調制器是很有發(fā)展前途的調制器，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生光吸收。利用這種效應，在調制區(qū)加上零伏到負壓之間的調制信號，就能對DFB激光器產生的光輸出進行強度調制。第二十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日電吸收MQW型調制器第二十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日4．聲光效應與聲光調制器聲波（主要指超聲波）在介質中傳播時會產生光彈性作用，引起介質的折射率發(fā)生疏密變化，因此受超聲波作用的晶體相當于形成了一個布拉格光柵，光柵的條紋間隔等于聲波的波長。當光波通過此晶體介質時，光波將被介質中的光柵衍射，衍射光的強度、頻率、相位、方向等隨聲波場而變化，這種效應稱為聲光效應。聲光調制器由聲光介質、電聲換能器、吸聲（反射）裝置等組成。電壓調制信號經(jīng)過電聲換能器轉化為超聲波，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，在外加電場的作用下產生機械振動形成聲波。第二十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日聲光布拉格調制器原理框圖第二十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日超聲波使介質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。第二十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日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視圖和外視圖

ThermoelectricCooler第二十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日球差(sphericalaberration)光線透過球面透鏡所產生的成像誤差，單色光像差的一種。球面透鏡上，遠離光軸位置進入鏡頭的平行光線（邊緣光線、遠軸光線），入射角大，折射強，在光軸離鏡頭近處形成焦點；而離光軸近處進入鏡頭的平行光線（中心光線、近軸光線）折射弱，在光軸上離鏡頭遠處形成焦點。由于平行光束在光軸上前后分散形成焦點，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，共三十八頁，2022年，8月28日數(shù)字光發(fā)射機的組成

第三十頁，共三十八頁，2022年，8月28日1．偏置電流I0和調制電流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，從而削弱調制碼型間的相互影響，減小碼型效應；第三十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日（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。第三十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日2．激光器的調制電路

對激光器進行高速脈沖調制時，調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。

第三十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日射極耦合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，調制速率達300MHz；動態(tài)范圍小，功耗大第三十四頁，共三十八頁，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，共三十八頁，