光纤通信光发射机课件

第三章：光发送机第三章：光发送机刘建国刘建国中国科学院大学中国科学院大学第三章：光发送机刘建国1光纤通信链路光发送机中继器光放大器光接收机光源光纤光纤光纤信源信宿电信号光信号光纤通信链路光发送机中继器光放大器光接收机光源光纤光纤光纤信2内容提要内容提要n光发送机n光源（LED&LD)nLD动态特性与调制内容提要光发送机3光发送机n将数字或者模拟电信号加载到光波上，并耦合进光纤中进行传输n核心器件：光源、调制器正面正面背面背面光发送机将数字或者模拟电信号加载到光波上，并耦合进光纤中进行4机柜和机架设备的规格与标准n美国电子工业协会（EIA）制定的工业标准n19英寸标准机柜的“19英寸”表示机柜中安置的机架式设备的宽度n机柜内设备安装所占高度用一个特殊单位“U”表示；使用19寸标准机柜的设备面板一般都是按nU的规格制造。1U=44.45mm=1.75英寸n没有1U的机柜,只有1U的设备,机柜6U-47U不等；例如，一台42U的机柜理论上可以安装42台1U高的设备，但实际一般放10-20个正常,因为他们之间需要间隔散热机柜和机架设备的规格与标准美国电子工业协会（EIA）制定的工5光发送机基本结构防止防止防止防止LDLD输出的激输出的激输出的激输出的激光反射，实现光光反射，实现光光反射，实现光光反射，实现光的单向传输的单向传输的单向传输的单向传输保持光源恒定的温保持光源恒定的温保持光源恒定的温保持光源恒定的温度，保证激光参数度，保证激光参数度，保证激光参数度，保证激光参数的稳定性（波长）的稳定性（波长）的稳定性（波长）的稳定性（波长）使光源有恒定使光源有恒定使光源有恒定使光源有恒定的光输出功率的光输出功率的光输出功率的光输出功率数字或模拟电信号数字或模拟电信号数字或模拟电信号数字或模拟电信号微波微波微波微波/电接口电接口电接口电接口驱动电路驱动电路驱动电路驱动电路调制器调制器调制器调制器光隔离器光隔离器光隔离器光隔离器光源光源光源光源功控功控功控功控温控温控温控温控光发射机光发射机光发送机基本结构防止LD输出的激光反射，实现光的单向传输保持6光发送机中的自动温度控制电路n激光器的温度主要影响发射波长n控制精度达到0.01Cn波长稳定性达到200MHz/24小时激光器激光器激光器激光器热导热导热导热导制冷器制冷器制冷器制冷器热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻温度控制电路温度控制电路温度控制电路温度控制电路光发送机中的自动温度控制电路激光器的温度主要影响发射波长激光7光发送机中的自动功率控制电路由光检测器来感应激光器后端面辐射光功率的变化，并与参考功率相比较，然后根据比较结果自动调整直流偏置电流，最终使光功率峰值保持为一个稳定值。激光器激光器激光器激光器热导热导热导热导制冷器制冷器制冷器制冷器热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻温度控制电路温度控制电路温度控制电路温度控制电路PDPD自动功率控制（自动功率控制（自动功率控制（自动功率控制（APCAPC）电路电路电路电路偏置电流偏置电流偏置电流偏置电流光发送机中的自动功率控制电路由光检测器来感应激光器后端面辐射8高高精度温控与精度温控与低低纹纹波波恒流流源恒流流源优点：优点：高电流稳定度：高电流稳定度：纹波在A量级。高精度温控高精度温控：精度在0.001量级。自动保护功能自动保护功能：激光器短路保护，反接保护，慢启动保护，TEC短路保护，防浪涌保护。操作简便：操作简便：人性化控制面板设计参数名称参数名称特性指标特性指标输出电流量程输出电流量程100mA/300mA可选调谐精度调谐精度0.01mA电流纹波电流纹波1A温控范围温控范围1040温控精度温控精度0.001功耗功耗小于15W外接电源外接电源220V储存温度储存温度-4085 工作温度工作温度-2065 TECTEC工作电压工作电压5V激光器保护激光器保护短路保护缓启动保护反接保护TEC短路保护防浪涌保护高精度温控与低纹波恒流流源优点：参数名称特性指标输出电流量程9光纤通信对光源的要求光纤通信对光源的要求n波长准：波长准：窗口之内，符合窗口之内，符合ITU标准标准n功率高：功率高：以满足系统对光中继段距离的要求以满足系统对光中继段距离的要求n高可靠：高可靠：寿命长，可靠性高寿命长，可靠性高n单纵模：单纵模：以减少光纤的材料色散以减少光纤的材料色散n噪声低噪声低:以提高模拟调制系统的信噪比以提高模拟调制系统的信噪比n高线性高线性:以保证模拟调制不失真以保证模拟调制不失真n。光纤通信对光源的要求波长准：窗口之内，符合ITU标准10最常用的光源最常用的光源n光纤通信中最常用的光源是光纤通信中最常用的光源是:半导体激光器（半导体激光器（LD Laser Diode）发光二极管（发光二极管（LED Light Emitting Diode）n尤尤其其是是单单纵纵模模（或或单单频频）LD，在在高高速速率率、大大容容量量的的数字光纤系统中得到广泛应用；数字光纤系统中得到广泛应用；n近近年年来来逐逐渐渐成成熟熟的的波波长长可可调调谐谐激激光光器器是是多多信信道道WDM光纤通信系统的关键器件，越来越受到人们的关注。光纤通信系统的关键器件，越来越受到人们的关注。pn-junction最常用的光源光纤通信中最常用的光源是:pn-junction11物理基础物理基础n原子的能级、能带以及电子跃迁原子的能级、能带以及电子跃迁n自发辐射与受激辐射自发辐射与受激辐射物理基础原子的能级、能带以及电子跃迁12能级(孤立原子）n能级能级理论理论是是一一种解释原子核外电子运动轨道的一种解释原子核外电子运动轨道的一种理论。它认为电子只能在特定的、分立的轨道种理论。它认为电子只能在特定的、分立的轨道上运动，各个轨道上的电子具有分立的能量，这上运动，各个轨道上的电子具有分立的能量，这些能量值即为能级些能量值即为能级。原子核电子高能级低能级电子优先抢占低能级能级(孤立原子）能级理论是一种解释原子核外电子运动轨道的13N=4N=9能带(晶体，大量原子阵列）N=4N=9能带(晶体，大量原子阵列）14能带理论n能带结构由多条能带组成，能带分为传导带（简称导带）、价电带（简称价带）和禁带n能带结构可以解释导体、半导体、绝缘体三大类区别的由来讨论：金属，半导体和绝缘体的区别？讨论：金属，半导体和绝缘体的区别？能带理论能带结构由多条能带组成，能带分为传导带（简称导带15As+4As+5非本征半导体材料：n型掺入第V族元素(如磷P,砷As,锑Sb)后，某些电子受到很弱的束缚，只要很少的能量DED(0.040.05eV)就能让它成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。施主杂质As+4As+5非本征半导体材料：n型掺入第V族元素(如磷P16非本征半导体材料：p型掺入第III族元素(如硼B,铟In,镓Ga,铝Al)，晶体只需要很少的能量DEA 损耗p泵浦源：粒子数反转p谐振腔：光反馈 相位锁定，波长选择(受激辐射的光放大受激辐射的光放大)泵浦R1R2增益介质反射镜LLaserLASER 原理激光器产生激光的条件是：(受激辐射43激光诞生（laser）n1917年爱因斯坦提出“受激辐射”理论，一个光子使得受激原子发出一个相同的光子。n1953年美国物理学家Charles Townes用微波实现了激光器的前身：微波受激发射放大（首字母缩写Maser）n1957年Townes的博士生Gordon Gould创造了“laser”这个单词，从理论上指出可以用光激发原子，产生一束相干光束，之后人们为其申请了专利n1960年美国加州Hughes 实验室的Theodore Maiman实现了第一束激光激光诞生（laser）1917年爱因斯坦提出“受激辐射”理44半导体激光器n半导体激光器半导体激光器的优点：的优点：尺寸小，耦合效率高，响应速度快，波长和尺寸与光纤尺寸适配，可直接调制，相干性好。n按结构分类：按结构分类：F-P 激光器、DFB激光器、DBR激光器、量子阱激光器、VCSEL激光器半导体激光器半导体激光器的优点：尺寸小，耦合效率高，响应速度45制作激光器的半导体材料n禁带宽度决定了激光器的激射波长，不同的半导体材料禁带宽度不同，需要根据所需波长范围选择材料直接带隙直接带隙制作激光器的半导体材料禁带宽度决定了激光器的激射波长，不同的46法布里-珀罗（F-P）型激光器nF-P型激光器是最常见最简单的激光器.n由外延生长的有源层和有源层两边的限制层构成，谐振腔由晶体的两个解理面构成。通常为双异质结型。法布里-珀罗（F-P）型激光器F-P型激光器是最常见最简单的47LASER激射过程（FP）1.将工作物质置于光学谐振腔(F-P腔)2.光的产生及方向选择少数载流子的自发辐射产生光子偏离轴向的光子产生后穿出有源区，得不到放大轴向传播的光子引发受激辐射，产生大量相干光子3.通过来回反射，特定波长的光最终得到放大，并被输出法布里珀罗(F-P)谐振腔LASER激射过程（FP）将工作物质置于光学谐振腔(F-P48g()为增益系数，为材料损耗系数。当光经反射镜R1和R2反射在腔内往返传播2L回到原点之后，电场分量为：能量为hn的光子的辐射强度E()在腔内随传播距离z变化：谐振腔的光传播（FP）要能在腔内产生稳定的振荡，需要满足下列关系：在空间中传播的光电场分布可以表示为：和光幅度放大光相位同步g()为增益系数，为材料损耗系数。当光经反射镜R49幅度条件相位条件上式表明，激光器只能产生一些离散的波长。每个波长称为激光器的一个纵模。相邻两波长(纵模)之间的波长之差约为：谐振腔的光传播（FP）幅度条件相位条件上式表明，激光器只能产生一些离散的波长。每个50增益谱与F-P腔选频增益谱F-P腔滤波器F-P的谐振波长Dl为谐振峰的间隔：F-P自由谱宽频域采样增益谱与F-P腔选频增益谱F-P腔滤波器F-P的谐振波长Dl51F-P腔激光器工作过程F-P腔激光器工作过程52F-P激光器的限制注入电流不同注入电流不同温度或电流变化引起跳模温度或电流变化引起跳模F-P F-P 激光器在高速激光器在高速调制（调制（1Gb/s1Gb/s）下）下，或在温度和注入电流变化时，不再维持原，或在温度和注入电流变化时，不再维持原激射模式，而会出现模式跳跃和谱线展宽，这对高速应用很不利。为了维持单模，激射模式，而会出现模式跳跃和谱线展宽，这对高速应用很不利。为了维持单模，减小光谱展宽，需研究动态单模激光器减小光谱展宽，需研究动态单模激光器DFB LDDFB LD及及DBR DBR LDLDF-P激光器的限制注入电流不同温度或电流变化引起跳模F-P 53F-P激光器实例F-P激光器实例54半导体激光器的模式特性n模式特性首先取决于光腔的三个线度（横向、侧向、纵向的尺寸）及介质特性。通常腔内能存在许多模式，但只有获得净增益（满足阈值条件）的那些模式才能被激励，它的频率才会出现在输出光中。在实际应用中，模式的稳定性和线宽是对系统性能影响较大的两个参量。n分为纵模和横模半导体激光器的模式特性模式特性首先取决于光腔的三个线度（横向55激光器横模与纵模激光器横模与纵模56激光器横模与纵模模式间存在竞争，导致不稳定模式间存在竞争，导致不稳定激光器横模与纵模模式间存在竞争，导致不稳定57横向约束的双异质结构：增益引导型机制：从顶层一个窄的条形欧姆接触区进行载流子注入，改变有源区的折射率，从而对光子形成横向的约束，能有效抑制横模特点：1)辐射功率高，但有2)散光性，且3)工作不稳定In(I)15 mm光强-200 20横向约束的双异质结构：增益引导型机制：从顶层一个窄的条形欧姆58机制：1)在横向引入一个折射率分布实现对光模式的限制2)在横向将电流严格地限制在有源区，使得 60%的注 入电流用于发光特点：输出光束具有很好的准直性、能工作在基横模横向约束的双异质结构：折射率引导型光强-100 10机制：1)在横向引入一个折射率分布实现对光模式的限制横向约59垂直腔表面发射激光器(VCSEL)阈值电流低(50nm50nm外腔激光器（ECL）波长可调 50nm68高稳频窄线宽半导体激光器高稳频窄线宽半导体激光器项目项目支撑支撑：国家863、民用航天应用领域：应用领域：自由空间激光通信，光纤相干通信，传感与检测产品产品1 1：半导体单片集成半导体单片集成 线宽：线宽：100KHz100KHz 频稳：频稳：15MHz/2415MHz/24小时小时 可小批量供货可小批量供货 国际先进水平国际先进水平产品产品2 2：光纤半导体集成光纤半导体集成 线宽：线宽：5KHz5KHz 频稳：频稳：15MHz15MHz/24/24小时小时 可小批量供货可小批量供货 国际先进国际先进水平水平规划规划：高指标，小高指标，小体积体积，高可靠性，高可靠性 高稳频窄线宽半导体激光器项目支撑：国家863、应用领域：自由69几种激光器特点nDFB与DBR激光器单纵模振荡、线性度好、线宽窄（MHz）、稳定性好、动态单纵模特性好、高速调制下也保持单模振荡n外腔激光器波长易调谐线宽窄，可达KHz量级几种激光器特点DFB与DBR激光器70半导体激光器的工作特性n阈值特性n效率n温度特性n模式特性n瞬态特性半导体激光器的工作特性阈值特性71半导体激光器的阈值特性n半导体激光器存在阈值电流Ith,当注入电流小于阈值电流时,器件发出微弱的自发辐射光，类似于发光二极管的发光情况。当注入电流超过阈值，器件进入受激辐射状态时，光功率输出迅速增加，输出功率与注入电流基本保持线性关系。IIIIIIthth，受激辐射，发出的是相干光受激辐射，发出的是相干光受激辐射，发出的是相干光受激辐射，发出的是相干光半导体激光器的阈值特性半导体激光器存在阈值电流Ith,当注72Example:Wavelength Shift=0.1 nm/oCT1=27 CGainCavity ResonanceOutputCavity ResonanceOutputT2=30 CLD 温度特性Example:Wavelength Shift=073LD 温度特性阈值电流随温度增加阈值电流随温度增加温控电路温控电路温控对LD的正常使用至关重要LD 温度特性阈值电流随温度增加温控对LD的正常使用至关重要74LD的温控设备LD的温控设备75纵模特性1：随注入电流变化I=67mAI=67mAP=1.2mWP=1.2mWI=75mAI=75mAP=2.5mWP=2.5mWI=100mAI=100mAP=10mWP=10mWI=95mAI=95mAP=6mWP=6mWI=80mAI=80mAP=4mWP=4mW随着电流增加，主模的增益增加，而边模的增益减小，纵模数减随着电流增加，主模的增益增加，而边模的增益减小，纵模数减随着电流增加，主模的增益增加，而边模的增益减小，纵模数减随着电流增加，主模的增益增加，而边模的增益减小，纵模数减少，一个模式开始占优势，直到出现单个窄线宽的光谱为止。少，一个模式开始占优势，直到出现单个窄线宽的光谱为止。少，一个模式开始占优势，直到出现单个窄线宽的光谱为止。少，一个模式开始占优势，直到出现单个窄线宽的光谱为止。纵模特性1：随注入电流变化I=67mAI=75mAI=10076纵模特性2：随温度变化半导体激光器的发射波长随结区温半导体激光器的发射波长随结区温半导体激光器的发射波长随结区温半导体激光器的发射波长随结区温度而变化。当结温升高时，半导体度而变化。当结温升高时，半导体度而变化。当结温升高时，半导体度而变化。当结温升高时，半导体材料的禁区带宽变窄，因而使激光材料的禁区带宽变窄，因而使激光材料的禁区带宽变窄，因而使激光材料的禁区带宽变窄，因而使激光器发射光谱的峰值波长移向长波长。器发射光谱的峰值波长移向长波长。器发射光谱的峰值波长移向长波长。器发射光谱的峰值波长移向长波长。InGaAsP/InPInGaAsP/InP激光器的发射激光器的发射激光器的发射激光器的发射波长随注入电流漂移的情况，波长随注入电流漂移的情况，波长随注入电流漂移的情况，波长随注入电流漂移的情况，此激光器没加温度控制，由此激光器没加温度控制，由此激光器没加温度控制，由此激光器没加温度控制，由于电流的热效应，使结温度于电流的热效应，使结温度于电流的热效应，使结温度于电流的热效应，使结温度升高，从而使发射波长漂移。升高，从而使发射波长漂移。升高，从而使发射波长漂移。升高，从而使发射波长漂移。纵模特性2：随温度变化半导体激光器的发射波长随结区温度而变化77纵模特性3：动态谱线展宽动态谱线展宽对高速光纤通信非常动态谱线展宽对高速光纤通信非常动态谱线展宽对高速光纤通信非常动态谱线展宽对高速光纤通信非常不利，各种动态单模激光器已得到不利，各种动态单模激光器已得到不利，各种动态单模激光器已得到不利，各种动态单模激光器已得到迅速发展迅速发展迅速发展迅速发展DFB LDDFB LD及及及及DBR LDDBR LD。对激光器进行直接强度调制会使发射对激光器进行直接强度调制会使发射对激光器进行直接强度调制会使发射对激光器进行直接强度调制会使发射谱线增宽，振荡模数增加。这是因为谱线增宽，振荡模数增加。这是因为谱线增宽，振荡模数增加。这是因为谱线增宽，振荡模数增加。这是因为对激光器进行脉冲调制时，注入电流对激光器进行脉冲调制时，注入电流对激光器进行脉冲调制时，注入电流对激光器进行脉冲调制时，注入电流不断变化，使有源区里载流子浓度随不断变化，使有源区里载流子浓度随不断变化，使有源区里载流子浓度随不断变化，使有源区里载流子浓度随之变化，进而导致折射率随之变化，之变化，进而导致折射率随之变化，之变化，进而导致折射率随之变化，之变化，进而导致折射率随之变化，激光器的谐振频率发生漂移，动态谱激光器的谐振频率发生漂移，动态谱激光器的谐振频率发生漂移，动态谱激光器的谐振频率发生漂移，动态谱线展宽。线展宽。线展宽。线展宽。调制速率越高，调制速率越高，调制速率越高，调制速率越高，调制电流变调制电流变调制电流变调制电流变化越快，化越快，化越快，化越快，谱线展宽的越多。谱线展宽的越多。谱线展宽的越多。谱线展宽的越多。激光器的发射光谱随调激光器的发射光谱随调激光器的发射光谱随调激光器的发射光谱随调制电流变化的情况制电流变化的情况制电流变化的情况制电流变化的情况纵模特性3：动态谱线展宽动态谱线展宽对高速光纤通信非常不利，78纵模特性4：线宽纵模特性4：线宽79纵模特性5：相对强度噪声n任何半导体激光器既使注入恒定的电流，其输出的光强和相位都有随机起伏，即噪声。n幅度的起伏用相对强度噪声(RIN，Relative Intensity Noise)来描述，它定义为相对输出光功率的变化的功率谱密度。纵模特性5：相对强度噪声任何半导体激光器既使注入恒定的电流，80激光器的封装n依据工作速率、温度特性、传输距离和封装成本、大小等因素，可采用不同类型的封装形式n常见的有双列直插式封装TO(Transistor Outline)封装蝶形封装小型化封装 SFF(small form factor)激光器的封装依据工作速率、温度特性、传输距离和封装成本、大小81双列直插式封装n早期采用的封装方式双列直插式封装早期采用的封装方式82TO封装n半导体激光器 TO 封装是一种典型的同轴器件封装形式，它具有体积小、结构紧凑、成本较低的优点n包括插拔式、和带尾纤式n无法容纳半导体制冷器n目前，工作速率可达10Gb/sTO封装半导体激光器 TO 封装是一种典型的同轴器件封装形式83蝶形封装n14pin蝶形封装：用于直流工作的激光器，很常见；空间充足，可以容纳半导体制冷器n7pin蝶形封装：用于高速直调激光器；一侧的7个管脚由高频连接器替代蝶形封装14pin蝶形封装：用于直流工作的激光器，很常见；空84小型化封装n随着技术发展，激光器组件封装得越来越小，各种封装形式不断涌现n高频传输线可采用柔性电路板n可以将多个波长的激光器封装在一起小型化封装随着技术发展，激光器组件封装得越来越小，各种封装形85 半导体激光器的安全使用坚决杜绝静电，必须带防静电手镯，必须可靠接地 半导体激光器的安全使用坚决杜绝静电，必须带防静电手镯86讨论讨论n激光器的分类与特点？讨论激光器的分类与特点？87调制调制n调制概念调制概念n直接调制特性直接调制特性n外调制特性外调制特性调制调制概念88光源的调制n用待发送的电信号控制光载波的某一参量（如光强度等），使之携带发送信息的过程，也就是完成电/光转换的过程。n根据待调制的电信号类型，分为模拟调制和数字调制n根据调制方式，分为直接调制和间接调制（外调制）光源的调制用待发送的电信号控制光载波的某一参量（如光强度等）89光纤通信光发射机课件90内（直接）调制：信息流直接控制激光器的驱动电流(40GHz)调制 外调制：使用调制器(如MZM)对输出的光信号进行调制激光器的调制技术内调制速率限制：自发/受激辐射载流子寿命 信号啁啾内（直接）调制：信息流直接控制激光器的驱动电流(IB 将会将会 部分切除信号的下半部，这将引部分切除信号的下半部，这将引 起严重的失真。起严重的失真。输入输出直接调制技术：失真1.激射区线性度不高，将对信号带输入输出96半导体激光器的瞬态特性n半导体激光器具有电光转换效率高、响应速度快、可以进行直接调制的优点，被视为光纤通信中的理想光源。但在对半导体激光器进行脉冲调制时，激光器往往呈现出复杂的动态性质光电瞬态响应电光延迟张弛振荡自脉动码型效应结发热效应啁啾半导体激光器的瞬态特性半导体激光器具有电光转换效率高、响应速97电光延迟n原因：激光输出与注入电脉冲之间存在一个时间延迟，一般为纳秒量级。上升时间：从额定功率的上升时间：从额定功率的上升时间：从额定功率的上升时间：从额定功率的1010升到升到升到升到9090所需的时间所需的时间所需的时间所需的时间下降时间：从额定功率的下降时间：从额定功率的下降时间：从额定功率的下降时间：从额定功率的9090降到降到降到降到1010所需的时间所需的时间所需的时间所需的时间电光延迟原因：激光输出与注入电脉冲之间存在一个时间延迟，一般98张弛振荡/驰豫振荡n当注入电流从零快速增大到阈值以上时，经电光延迟后产生激光输出，并在脉冲顶部出现阻尼振荡，经过几个周期后达到平衡值。n采用预偏置在Ith附近的方法，可减小张弛振荡张弛振荡/驰豫振荡当注入电流从零快速增大到阈值以上时，经电光99自脉动n不同于张弛振荡，没有阻尼，脉动频率范围为0.24GHz,容易发生在阈值附近和P-I特性的扭曲区。n造成自脉动的机理涉及量子噪声效应、有源区的缺陷及温度感应的变化等因素。n抑制这种现象主要靠控制材料的质量，尽量减少有源区的缺陷。自脉动不同于张弛振荡，没有阻尼，脉动频率范围为0.24GH100码型效应n电光延迟导致长时间连“0”码后，“1”码的幅度和宽度减小n当第一个电流脉冲过后，存储在有源区的电荷以指数形式衰减，回到初始状态有一个时间过程，如果调制速率很高，会使第二个电流脉冲到来时，前一个电流脉冲注入的电荷并没有完全复合消失，有源区的存储电荷起到直流预偏置的作用，于是第二个光脉冲延迟时间减小，输出光脉冲的幅度和宽度增加。n消除方法：采用双脉冲信号或增加直流偏置电流。电流脉冲电流脉冲电流脉冲电流脉冲光脉冲光脉冲光脉冲光脉冲码型效应电光延迟导致长时间连“0”码后，“1”码的幅度和宽度101结发热效应n半导体激光器是对温度很敏感的器件，不仅环境温度的变化会使激光器的阈值电流以及输出光功率发生变化，注入电流的热效应也会发生类似的变化结发热效应。是激光器的另一种瞬态调制效应n现象：注入电流导致温升，进而引起阈值电流的变化，从而输出光功率也发生变化。在电流脉冲持续阶段，输出光功率随时间而减小；而当电流脉冲过后，输出光功率随时间而增加。结发热效应半导体激光器是对温度很敏感的器件，不仅环境温度的变102频率啁啾LD直接调制 -改变LD驱动电流 -谐振腔内载流子浓度发生变化 -谐振腔折射率发生变化 -谐振腔相位条件选频特性发生改变 -LD输出光的中心波长发生漂移 -频率啁啾啁啾的直接后果是导致系统色散性能的恶化频率啁啾LD直接调制啁啾的直接后果是导致系统色散性能的恶化103啁啾n激光二极管的啁啾(Chirp)特性：在直接调制激光二极管时，不仅输出光功率随调制电流发生变化，而且光的频率也会发生波动，即在幅度调制的同时还受到频率调制。n带有频率啁啾的信号在单模光纤中传播时，在色散作用下，将增大非线性失真。n随着调制速率增加，啁啾现象愈加严重。啁啾激光二极管的啁啾(Chirp)特性：在直接调制激光二极管104LD LD 带宽带宽半导体激光器直接调制速率的基本限制：自发辐射载流子寿命、半导体激光器直接调制速率的基本限制：自发辐射载流子寿命、受激载流子寿命、光子寿命受激载流子寿命、光子寿命光子寿命光子寿命光子寿命决定了半导体激光器直接调制速率的上限。LD 带宽半导体激光器直接调制速率的基本限制：自发辐射载流子105激光场的张弛振荡频率为：直接调制频率需小于张弛振荡频率。否则，数字调制要产生张弛振荡，模拟调制要产生非线性失真。直接调制速率限制：张弛振荡频率解决的办法是在LD上持续加一个IBias激光场的张弛振荡频率为：直接调制频率需小于张弛振荡频率。否则106直接调制的偏置电流选择n偏置于阈值附近，可大大减小码型效应和结发热效应的影响，大大减小电光延迟时间，同时使张驰振荡得到一定程度的抑制n实验发现，异质结激光器的散粒噪声在阈值处出现最大值，因此偏置电流不正好偏置在阈值处.n调制电流幅度Im的选择，应根据激光器的P-I曲线，既要有足够的输出光脉冲幅度，又要考虑到光源的负担。n另一方面，加大直流偏置电流将会使光信号消光比(EX)恶化，光源消光比将直接影响接收机灵敏度.n注意直流偏置的位置！直接调制的偏置电流选择偏置于阈值附近，可大大减小码型效应和结107外调制n直流激光器+外调制器n外调制器是高速、长距离光通信的关键器件，也是最重要的集成光学器件之一。它是通过电压或电场的变化最终调控输出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。n调制信号啁啾小，可以产生复杂调制格式（OFDM,QAM）。n目前，调制速率达到100Gb/s以上外调制直流激光器+外调制器108外调制器利用的物理效应n电光效应Pockels效应（线性电光效应，折射率与外电场幅度成线性变化）Kerr效应（非线性电光效应）n声光效应 布拉格效应和奈斯效应n磁光效应 法拉弟电磁偏转效应nFranzKeldysh效应n量子约束Stark效应n载流子色散效应n外调制器利用的物理效应电光效应109常见的外调制器材料n铌酸锂调制器(富士通)电光效应n电吸收调制器，可与激光器集成(EML)FranzKeldysh效应n聚合物调制器（Gigoptix）电光效应n硅基调制器载流子色散效应等nGaAs基调制器(u2t)常见的外调制器材料铌酸锂调制器(富士通)110常见的外调制器结构类型n相位调制器nMach-Zehnder 强度调制器nI/Q调制器产生复杂调制格式QPSK,16QAM,n其他集成调制器并行串行并串结合PLC-LN PLC-LN Silicon Silicon 常见的外调制器结构类型相位调制器PLC-LN Silicon111铌酸锂电光调制器n铌酸锂调制器属于电光调制器，其基于铌酸锂晶体的线性电光效应（也被称为Pockels效应）n相比于其他具有电光效应的材料，如-族半导体化合物和有机聚合物，铌酸锂材料由于其损耗低和电光效率高等优点而成为制作高速调制器的首选n铌酸锂调制器向着高速、低插损、高调制效率、高线性度、偏振不敏感、小型化和可集成性等方向发展n铌酸锂晶体中一阶电光效应（或线性电光效应）比高阶电光效应明显得多，故实际中利用的是铌酸锂调制器的线性电光效应铌酸锂电光调制器铌酸锂调制器属于电光调制器，其基于铌酸锂晶体112铌酸锂电光调制器n在铌酸锂调制器实际制作中，一般采用金属元素扩散法在铌酸锂衬底中需要的位置掺入钛（Ti）元素。n扩散了Ti元素的区域的折射率有所升高约0.01，这样就恰好满足了单模传输的条件，形成一条波导。通常将此种调制器为波导调制器，其与单模光纤耦合很容易。n实际调制器制作中的铌酸锂晶体是沿着某些特殊方向切割而成的，通常选取x切和z切铌酸锂电光调制器在铌酸锂调制器实际制作中，一般采用金属元素扩113相位调制器n用来调制光载波的相位，一般基于线性电光效应n 为总的相移；为光信号在相位调制器内传播而引入的固定相移相位调制器用来调制光载波的相位，一般基于线性电光效应114Mach-Zehnder 强度调制器（MZM）n一个典型的MZM是基于MZ干涉结构的，可以将相位信息转变为幅度或强度信息n输入端的Y型分支可以看作是一个功分器，将输入光信号等分成两路，这两路光信号将在分离的两段光波导中传播，一般将这两条支路称为MZM的两条“臂”。这两条臂中至少要有一条被设计成电光波导结构，原理类似一个相位调制器。位于输出端的Y型分支的作用是将经过两个臂后的光信号合并为一路单模光信号输出n可以将MZM的两条臂简单地理解为经过特殊设计制作而成的两个并行的相位调制器Mach-Zehnder 强度调制器（MZM）一个典型的MZ115LD的外调制技术：马赫的外调制技术：马赫-曾德调制器曾德调制器00p p0Photonic Integrated Circuitcombines tunable laser and optical modulator（JDSU公司）LD的外调制技术：马赫-曾德调制器00p0Photonic 外调与直接调制对比外调与直接调制对比调制器调制器调制器调制器方式方式优点优点缺点缺点外调带宽宽传输距离长功耗高（大于6dB）偏振敏感线性度差直调线性度好功耗低偏振不敏感带宽低非线性串扰传输距离短低低RINRIN噪声噪声窄线宽窄线宽高功率高功率宽带宽带高线性高线性稳频窄线宽稳频窄线宽外调与直接调制对比调制器方式优点缺点外调带宽宽功耗高（大于6117