光纤通信第5章光源与光发送机.ppt

第5章光源与光发送机 光有源器件 定义 需要外加能源驱动工作的光电子器件半导体光源 LD LED DFB QW SQW VCSEL 半导体光探测器 PD PIN APD 光纤激光器 OFL 单波长 多波长 光放大器 SOA EDFA 光波长转换器 XGM XPM FWM 光调制器 EA 光开关 路由器 光无源器件 定义 不需要外加能源驱动工作的光电子器件光纤连接器 固定 活动 FC PC FC APC 光纤定向耦合器 分支器光分插复用器 OADM 光波分 密集波分复用器 WDM DWDM 光衰减器 固定 连续 光滤波器 带通 带阻 光纤隔离器与环行器 偏振有关 无关 光偏振态控制器 光纤延迟线 光纤光栅 光器件与电器件的类比 多波长光源DWDM光调制器光隔离器光耦合器光波长转换 光放大DWDM光色散补偿光隔离器光环行器 光波长转换OADMDWDM光隔离器光环行器光开关 可调谐滤波DWDMOXC光耦合器光调制解调 光器件的应用 光器件的分类 光电变换器件光开关与调制器件光放大器件光色散补偿器件光网络器件 光电变换器件 F P腔激光二极管 LD 分布反馈布拉格激光器 DFB 分布布拉格反射激光器 DBR 外腔激光器与Q开关激光器发光二极管 LED 光纤激光器 OFL 垂直腔表面发射激光器 ECSEL 多波长光源与波长可调谐激光器光电探测器 PD PIN APD 光调制器件 幅度调制机械调制电光调制直接调制电吸收光调制 EA 相位调制偏振调制光电集成芯片 OEIC 光子集成芯片 PIC 光色散补偿器件 色散控制色散位移单模光纤非零色散位移单模光纤大有效截面单模光纤色散平坦单模光纤色散补偿色散补偿光纤模块SOA色散补偿光纤光栅色散补偿色散管理 光网络器件 光耦合透镜 自聚焦透镜 玻璃球透镜 光连接器与光耦合器光隔离器与光环行器光滤波与光波分复用器件光起偏器与偏振控制器光波长转换与光波长路由器件光调制解调器 Modem 光衰减器与光延时器件光开关与光交叉连接器件微光电机械芯片 光放大器件 掺铒光纤放大 EDFA 掺镨光纤放大 PDFA 掺钕光纤放大 NDFA 分布式光纤放大喇曼光纤放大 SRFA 布里渊光纤放大 SBFA 半导体光放大 SOA 元件 Components 器件 Devices 模块 Modules 系统 Systems 第三章有源光器件和无源光器件 3 1激光原理的基础知识3 2半导体光源3 3光电探测器3 4无源光器件 5 1激光的基础知识 5 1 1玻尔的能级假说5 1 2光子5 1 3自发辐射受激辐射和受激吸收5 1 4粒子数反转 其中E2和E1分别为跃迁前 后的原子能级能量 h为普朗克常数 为电磁辐射的频率 5 1 1玻尔的能级假说 h 6 6261 10 34Js 能量最低的原子能级称为基态能级 其它能量较高的原子能级称为激发态能级 5 1 2光子 若原子从E2 E1 E E2 E1 这个差 E将以一个量子的能量形式释放 一个量子的能量被称为光子 photon 一个光子的能量Ep由下面的公式定义Ep h 3 1 3 1 h是普朗克常数 h 6 626 10 34J S 而 是光子的频率 原子从高能级 低能级 对应于光子的辐射 原子从低能级 高能级 对应于光子的吸收 处于高能级的原子自发的辐射一个频率为 能量为E的光子 跃迁到低能级 这一过程称为自发辐射 是相位 偏振方向不同的非相干光 5 1 3自发辐射受激辐射和受激吸收 1自发辐射 spontaneousradiation 2受激辐射 stimulatedradiation 在能量为E的入射光子的激励下 原子从高能级向低能级跃迁 同时发射一个与入射光子频率 相位 偏振方向和传播方向都相同的另一个光子 这一过程称为受激辐射 上述外来光也有可能被低能级吸收 使原子从E1 E2 在入射光子的激励下 原子从低能级向高能级跃迁 称为受激吸收 3受激吸收 stimulatedabsorption 自发辐射是单向性的 受激跃迁是双向的 自发辐射概率与光强无关 受激跃迁概率正比于光强 自发辐射和受激辐射 吸收的区别 5 1 4粒子数反转 在热平衡时 各能级的粒子数目服从玻耳兹曼统计分布 即若E2 E1 则两能级上的原子数目之比 k 1 38 10 23J K为玻耳兹曼常量 粒子数反转 N2 N1 是实现激光放大的必要条件 为了实现粒子数反转 就需要大量电子跃迁到导带 为此 需要泵浦为跃迁提供能量 此外 还需要亚稳态能级使激发的电子保持一段时间 形成粒子数反转 例如 T 103K kT 1 38 10 20J 0 086eV 在可见光和近红外 Eg hv E2 E1 1eV 说明基态上粒子数最多 此时受激辐射概率 受激吸收概率 不能产生光放大 例题 1 假设一个激光二极管发出的红光的波长 650nm 那么单个光子的能量是多少 解 Ep h h c 6 6 10 34J S 3 108m s 650 10 9m 3 04 10 19J 2 LD波长 650nm 光能量P 1mW 这个光源每秒发射多少光子 解 总能量E P 1s 1 10 3W 1s 1 10 3J这个能量等于E Ep N 其中N是光子的数量 所以N E Ep 1 10 3J 3 04 10 19J 3 3 1015 也就是3 3千万亿 5 2半导体光源 5 2 1半导体激光器的特点和应用5 2 2半导体激光器 LD 5 2 2发光二极管 LED 5 2 1半导体激光器的特点和应用 半导体激光器是通过受激辐射产生光的器件 受激辐射的特征 一个外来光子迫使一个带有类似能量E的光子被发射 所有受激光子的发射方向都与激发他们的光子相同 受激光子仅在有外来光子激发他们的时候才辐射 同步的 形成正反馈的方法 用两个镜面 光栅形成谐振器 受激光子快速增加需要导带中有无数受激电子来维持这个动态过程 因此需要比LED快得多的速度来激活电子 需要粒子数反转 为了实现粒子数反转 需要在激活区加大的正向电流 为了使激光二极管产生光 增益必须大于损耗 综上所述 半导体激光器的激射条件为 粒子数反转受激辐射正反馈 5 2 2半导体激光器 LD FP LD 法布里 泊罗激光器DFB LD 分布反馈激光器DBR LD 分布反射激光器QW LD 量子阱激光器 法不里 泊罗激光器Fabry Perot FP Laser 多纵模 MLM 光谱 著名 的半导体激光器最早用于光纤链路 850or1300nm 今天 用于短或中等长度的光纤链路主要性能指标主要用于波长850or1310nm总输出功率大于几mw光谱宽度3to20nmModespacing0 7to2nm高偏振相干长度约为1to100mm小的NA 光易于耦合进光纤 Ppeak I mA P mW 阈值 nm FP LD的结构 FP LD管芯示意图 FP LD的工作原理 要实现FP LD激射 必须满足几个基本条件 要有能实现电子和光场相互作用的物质 要有注入能量的泵浦源 要有一个F P谐振腔 必须增益大于损耗要满足振荡条件 2nL N 其中L是镜间距 N是一个整数 n为谐振腔内折射率 是光波长 a 任意波注入时的FP LD b 驻波注入时的FP LD 例如 如果L 0 4mm 400 m n 1而 1300nm 1 3 m则N 615谐振器支持的波长为1300nm 2nL N 但其也支持 2L N 1 2L N 2 等等波长 这些谐振器选择的波长叫纵模 当谐振器的长度增加或减少时 激光器就从一个纵模转向另一个 被称之为跳模 因为 2nL N 所以相邻两个纵模的间隔 N N 1 2nL N2 2 2nL 1 必须增益大于损耗 激光出射条件 2 活性介质只能在很小的波长范围内提供增益 hc E 谐振器和活性介质共同作用的结果 只有几个落在增益曲线内的谐振波长才能被激射 相邻两个纵模的间隔 N N 1 2 2nL当谐振器的L 0 4mm n 1 工作在 1300nm附近时 计算出 N N 1 2 1nm 假设增益曲线的线宽等于7nm 则这种活性介质可支持3个纵模 c 增益损耗曲线和可能的纵模 d 实际的多模辐射 FP LD的光谱宽度为纵模包络光功率最大值一半时的带宽 分布反馈激光器DistributedFeedback DFB Laser 单纵模 SLM 光谱高性能的通信激光器价格贵 难于制造 长距离干线或DWDM系统主要性能指标主要用于1550nm总输出功率3to50mw谱线宽度10to100MHz 0 08to0 8pm 边模抑制比 SMSR 50dB相干长度约为1to100m小的NA 光易于耦合进光纤 为了减少线宽 需要激光管只发射一个纵模 分布反馈激光器实现这个功能 其在激活区附近的异质结中合并了光栅 其工作原理与镜子类似 但他仅选择反射波长为 B的光 2 neff B 反馈 是指 使受激光子返回活性介质 分布 是指 反射并不仅仅发生在一个点上 二十世纪六十年代提出 二十世纪八十年代商品化 改进方案 DBR a 分布反馈激光器 b 分布反馈工作原理 c 实际单模辐射 分布布拉格反射 DBR 镜交替的半导体材料层40到60层 每层厚度l 4光束的匹配与光纤更接近主要性能指标波长范围780to980nm gigabitethernet 谱线宽度 10dBm相干长度10cmto10mNA0 2to0 3 量子阱激光器 为了提高发射效率 使用特殊制造技术来得到特别薄的激活区 4nm 20nm 称为量子阱 QW 激光器 a 单量子阱激光器 MQW激光器是用超薄膜 厚度 20nm 形成有源层 能呈现量子效应的异质结半导体激光器 普通半导体激光器的有源层厚度为几百纳米到几千纳米 电子在有源层的运动是三维的 当有源层的厚度减小到20nm而与电子的自由程接近时 电子就不能在层厚方向做自由运动 只能在层面内作横向运动 电子能量变成一个个离散值 即呈现量子效应 有源层由多个薄层构成 由于载流子和光子被限制在薄层之内 从直观来看就是载流子和光子都很集中 因此容易发生激射 多量子阱激光器MQW LD MQW激光器的优点 1 阈值电流小 由于其结构中 阱 的作用 使电子和空穴被限制在很薄的有源区内 造成有源层内粒子数反转浓度很高 因而大大降低了阈值电流 由于阈值电流的降低 还带来了功耗低 温度特性好的优点 2 线宽变窄 由于量子阱中带间复合的特点 造成线宽增大系数a变小 从而减小了光谱中的线宽 同双异质结激光器相比 缩小了近一倍 3 器件的微分增益高 注入电流的微小变化能够引起光功率的较大变化 4 调制速度高 工作频段可达30GHZ 5 频率啁啾小 动态单纵模特性好 纵模控制能力强 5 2 3发光二极管 LED 面发射发光二极管SELED边发光发光二极管EELED超辐射发光二极管SLDLED的主要性能指标 5 2 2发光二极管Light emittingDiode LED 具有体积小 机械强度高 寿命长 电压低 电流小 数毫安或数十毫安 耗电省 响应速度快 易用电流调制光通量和使用方便等优点 由于它所需要的电压低 能与集成电路或晶体管共用电源 或用晶体直接控制它发光 能方便的与光纤进行耦合 因此 LED在光纤通信领域获得广泛应用 LED的结构 光纤通信用的发光二极管 LED 通常是采用GaAs为衬底的GaAs或AlGaAs和InP为衬底的InGaAs或InGaAsP材料制成 用AlGaAs GaAs制作的LED其峰值发射波长在0 8 0 95 m范围内 用InGaAsP InP制作的LED其峰值发射波长为1 31 m和1 55 m 要使LED发光 有源层的半导体材料必须是直接带隙材料 越过带隙的电子和空穴能够直接复合而发射出光子 为了使器件有好的光和载流子限制 大多采用双异质结 DH 结构 面发射同质结 发光二极管的基本类型 图3 2 2 1LED结构截面图 分为 面发射SELED 边发射EELED和超辐射SLD 这里介绍前两种 1 面发射LED SELED 出光条件 产生光子的地方 有源区 谐振腔 上 下面 限制载流子和光子的路径 特点 驱动电流大 出光功率高 温度特性较好 带宽较小 出光条件 产生光子的地方 有源区 谐振腔侧边限制载流子和光子的路径 光纤通信用的LED多采用边发光型LED 因为边发光型LED有与激光管相似的结构 与光纤耦合效率较高 带宽较宽 线宽较窄 2 边发光LED EELED edge emittingLED 介于LED和LD之间的光源 在高电流强度下 用双异质结结构构成有源区 但SLD没有正反馈 仅能自发辐射光 所以SLD比通常的LED功率更强 限定性更好 但是 在单色性 定向性和相干性方面 不如LD SLD在光通信中较少使用 多用于宽带测量光源 2 超辐射发光二极管SLD Super luminescentDiodes LED的工作原理 值得注意的是 对于大量处于高能级的粒子各自分别自发发射一列一列角频率为 Eg h的光波 但各列光波之间没有固定的相位关系 可以有不同的偏振方向 并且每个粒子所发射的光沿所有可能的方向传播 这个过程称之为自发发射 其发射波长 可用下式来表示 1 2396 Eg 半导体发光二极管 LED 是在正向偏置时p n结内的电子和空穴复合产生光子的电致发光器件 GaAs的Eg 1 435eV 故可用它来制作0 85 m波长的红外LED InGaAsP的Eg 0 75 1 35eV 对应的发射波长为1 65 0 92 m 考虑到光纤的低损耗窗口 InGaAsP LED的发射波长选为1 31 m和1 55 m 光功率P N光 E t 而光子数目N光 N电 N电 受激电子数目 量子效率 E 能量 t 时间 I N电 e t N电 It e P N电 E t It e E t I E e其中 E的单位是焦耳 如果用电子伏特eV来度量E I的单位是mA 则 P mW I mA E eV I 主要性能指标波长通常为 780 850 1300nm总输出功率大于几 W mW光谱宽度30 100nm相干长度约为0 01 0 1mm偏振较小或不偏振大的NA 难于将光耦合进光纤 3 LED的主要性能指标 SLED的P I特性 LED的P I特性是指输出功率随注入电流的关系 LED的输出功率P与注入电流I的关系为 p aI 表明LED的P I曲线应该具有线性关系 但实际上只有在注入电流I较小时 它们才具有近似的线性关系 当注入电流I较大时 P I曲线会出现饱和现象 LED的P I特性 驱动电流 mA 876543210 输出光功率 mW LED的耦合效率 LED的发射功率尽管可以超过10mw 但因与光纤的耦合效率很低 从光纤中输出的光功率最大也只能达到100uW左右 损耗20dB左右 耦合输出光功率 uW 驱动电流 mA a 面发射LED 朗伯源 b 边发射LED c 双异质结LED LED的辐射模式 LED的温度特性 当温度上升时 功率下降 2dB 65 C LED的波长和光谱宽度 峰值波长 p由禁带宽度决定 一般给出最大最小值 如AMP公司的SLED为1290nm和1350nm 而EELED为1270nm和1330nm 光谱宽度 是用半最大宽度FWHM来度量 如图 当温度升高 变大 0 38nm C 当正向电流增加 变大 0 69nm mA 某SLD的光谱特性 LED的电特性 包括 正向电压 电容和漏泻电流 制作商通常给出U I关系 LED的U I特性是指正向压降随注入电流的关系 当I 100mA时 正向压降通常小于2V 反向击穿电压2 4V 串联电阻1 4 LED的伏安特性如图所示 是根据脉冲最大值的10 到90 的时间来定义的 如右上图 理想的阶跃型脉冲响应如图虚线所示 实线为由于上升 下降时间造成的脉冲失真 上升 下降时间 其中 为载流子寿命 C为LED的电容 T K表示开尔文绝对温度 0 C 273 K 上升 下降时间表明输出光脉冲是怎样随着电调制而改变的 如右下图 上升 下降时间 电调制带宽BW是指当电功率衰减到0 707时的调制频率范围 在电子学中有其与上升时间关系式 BW 0 35 t1LED调制带宽是在输出光功率下降到 3dB时的频带宽度 LED的频响受复合寿命 的影响 其关系为 BW 3dB 1 调制带宽BW 即 增加LED的带宽是以输出功率为代价 功率带宽积 5 4光发送机 下图示出单向传输的光纤通信系统 包括发射 接收和作为广义信道的基本光纤传输系统 5 4光发射机简介 数字光发射机的功能 电端机输出的数字基带电信号转换为光信号 用耦合技术注入光纤线路 用数字电信号对光源进行调制 调制分为直接调制和外调制两种方式受调制的光源特性参数有 功率 幅度 频率和相位 直接光强数字调制原理当激光器的驱动电流大于阈值电流Ith时 出光功率P和驱动电流I基本上是线性关系输出光功率和输入电流成正比 输出光信号反映输入电信号 输出光信号 p I t Iin 输入电信号 p I a 发光二极管 LED 数字调制原理 输出光信号 输入电信号 Iin Ith Ib b 半导体激光器 LD 的数字调制原理 直接光强数字调制原理 光发射机基本组成数字光发射机的方框图如图所示 主要有光源和电路两部分 图4 2数字光发射机方框图 光源是实现电 光转换的关键器件 在很大程度上决定着光发射机的性能 电路的设计应以光源为依据 使输出光信号准确反映输入电信号 直接光强调制的数字光发射机主要电路有 调制电路 控制电路和线路编码电路 1 光源对通信用光源的要求如下 1 考虑损耗和色散两个传输特性发射的光波长应和光纤低损耗 窗口 一致 即中心波长应在0 85 m 1 31 m和1 55 m附近 光谱单色性要好 即谱线宽度要窄 以减小光纤色散对带宽的限制 2 电 光转换效率要高 即要求在足够低的驱动电流下 有足够大而稳定的输出光功率 且线性良好 发射光束的方向性要好 即远场的辐射角要小 以利于提高光源与光纤之间的耦合效率 3 允许的调制速率要高或响应速度要快 以满足系统的大传输容量的要求 4 器件应能在常温下以连续波方式工作 要求温度稳定性好 可靠性高 寿命长 5 此外 要求器件体积小 重量轻 安装使用方便 价格便宜 以上各项中 调制速率 谱线宽度 输出光功率和光束方向性 直接影响光纤通信系统的传输容量和传输距离 是光源最重要的技术指标 2 调制电路和控制电路采用激光器作光源时 还有偏置电路对调制电路和控制电路的要求如下 1 输出光脉冲的通断比 全 1 码平均光功率和全 0 码平均光功率的比值 或消光比的倒数 应大于10 以保证足够的光接收信噪比 2 输出光脉冲的宽度应远大于开通延迟 电光延迟 时间 光脉冲的上升时间 下降时间和开通延迟时间应足够短 以便在高速率调制下 输出的光脉冲能准确再现输入电脉冲的波形 3 对激光器应施加足够的偏置电流 以便抑制在较高速率调制下可能出现的张弛振荡 保证发射机正常工作 4 应采用自动功率控制 APC 和自动温度控制 ATC 以保证输出光功率有足够的稳定性 3 线路编码电路电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码 而光源不能发射负脉冲 要变换为适合于光纤传输的单极性码 练习题 一 假设一个激光二极管发出的红光的波长 650nm 那么单个光子的能量是多少 二 LD波长 650nm 光能量P 1mW 这个光源每秒发射多少光子 三 相邻两个纵模的间隔 N N 1 2 2nL当谐振器的L 0 4mm n 1 工作在 1300nm附近时 计算出 N N 1 2 1nm 假设增益曲线的线宽等于7nm 则这种活性介质可支持3个纵模 四 确定LD的域值电流 画驱动曲线