1、光通信原理与技术光源和光发送机李玉权、朱勇、王江平编著o 物质与光之间的互作用o 半导体激光器o 半导体发光二极管o 光源的调制原理o 线路码型o 光发送机o 光通信对光源的要求光通信对光源的要求n 发射光波长适中 光源器件发射光波的波长，必须落在光纤呈现低衰耗的0.85m、1.31m和1.55m 附近。n 发射光功率足够大 光源器件一定要能在室温下连续工作，而且其入纤光功率足够大，最少也应有数百微瓦，当然达到一毫瓦以上更好。在这里我们强调的是入纤光功率而不指单纯的发光功率。因为只有进入光纤后的光功率才有实际意义，由于光纤的几何尺寸极小（单模光纤的芯径不足10 微米），所以要求光源器件要具有与
2、光纤较高的耦合效率。n 温度特性好 光源器件的输出特性如发光波长与发射光功率大小等，一般来讲随温度变化而变化，尤其是在较高温度下其性能容易劣化。在光纤通信的初期与中期，经常需要对半导体激光器加致冷器和自动温控电路，而目前一些性能优良的激光器可以不需要任何温度保护措施。n 发光谱宽窄 光源器件发射出来的光的谱线宽度应该越窄越好。因为若其谱线过宽，会增大光纤的色散，减少了光纤的传输容量与传输距离（色散受限制时）。例如对于长距离、大容量的光纤通信系统，其光源的谱线宽度 应该小于2nm。n 工作寿命长 光纤通信要求其光源器件长期连续工作，因此光源器件的工作寿命越长越好。光源器件寿命的终结并不是我们所想
3、象的完全损坏，而是其发光功率降低到初始值的一半或者其阈值电流增大到其初始值的二倍以上。目前工作寿命近百万小时（约100 年）的半导体激光器已经商用化。n 体积小重量轻 光源器件要安装在光发送机或光中继器内，为使这些设备小型化，光源器件必须体积小、重量轻。o 半导体光源：半导体光源：分类：半导体激光器(LD)和半导体发光二极管(LED)o 半导体光源的优点：n 体积小、重量轻、寿命长、功耗低、可集成和高可靠性n 易择波：半导体光源的物理基础决定了只要选择合适的光电材料就可以制成适用于光纤中不同低损耗窗口的光源器件；n 易辐射：容易获得足够高的输出光功率和足够窄的光谱宽度；n 易调制：改变注入电流
4、就可以改变输出光强，能够直接进行强度调制；n 易耦合：发光面积可以与光纤芯径相比拟，从而具有较高的耦合效率 n LD的优点：输出功率高、调制频带宽、发光谱线窄n LED的优点：线性好，使用寿命长，成本低n LED的缺点：谱线宽度宽，调制速率较低，与光纤的耦合效率低n LD适用于长距离、大容量的传输系统 LED适用于短距离、小容量的传输系统物质与光之间的互作用o 光的波粒二象性光的波粒二象性 光既是一种电磁波又是一种粒子流，对光的波动和粒子的双重性质称为波一粒二象性。光在空间中传播的时候主要表现出波动性；当光与物质相互作用是，表现出粒子性。o 光的波动性：解释光的传输特性o 光量子学说：1905
5、年，由爱因斯坦提出。认为光是由光子组成的 E：光子能量 H：是普朗克常量 v：是波的频率 携带信息的光波，所具有的能量是E的整数倍。当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或者释放的 。hvE 原子的能级和半导体的能带o 原子的能级原子的能级 原子是由原子核和绕原子核旋转的核外电子组成；原子中的电子只能在一定的量子态中运动；轨道越高，能量也越高 当电子在每一个这样的轨道上运动时，原子具有确定的能量，称为原子的一个能级o 晶体的能带晶体的能带 晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同而分裂成若干组，每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带，称为能带。把这种形成共价键的价电子所占
6、据的能带称为价带，而把价带上面邻近的空带（自由电子占据的能带）称为导带o 禁带禁带o 不能为电子所占据的能量状态。o 禁带的宽度又称为带隙能量gEo 光与物质相互作用的基本过程光与物质相互作用的基本过程 自发辐射、受激吸收和受激辐射o 自发辐射自发辐射特点：发射光子的频率为：无外界作用，自发光跃迁；独立、自发发射，非相干光典型应用：发光二极管hEEv/)(21h=E2-E1E g=E2-E1o 受激吸收受激吸收特点：外来光子能量应等于电子跃迁的能级之差；消耗外来光能，产生电子空穴对。典型应用：光电二极管o 受激辐射受激辐射特点：外来光子能量应等于电子跃迁的能级之差，产生的 光子与感应光子是相干
7、的，为全同光子；光得到放大。典型应用：半导体激光器o 光的吸收和放大光的吸收和放大n 吸收状态 设媒质中低能级E1上的电子密度为N1，高能级E2上的电子密度为N2，当N2N1时，受激吸收过程占主导地位，光波经过媒质时强度按指数规律衰减，光波被吸收 n 放大状态 若媒质中N2N1，则受激辐射占主导地位，光波经过媒质时强度按指数规律增大，光波被放大。N2N1的情况是一种处于非热平衡状态下的反常情况，称之为粒子数反转分布，或布居反转，必须要有外界的泵浦才能实现o 粒子反转分布粒子反转分布o 根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布 K为波兹曼常数 T为热力学温度 E
8、f为费米能级，描述半导体中各能级被电子占据的状态 在费米能级，各能级被电子和被空穴占据的概率相同)exp(11)(kTEEEpf正向偏压下PN结的能带图半导体激光器o 基本原理基本原理 半导体激光器是一种PN结构成的二极管结构，通过向PN结注入正向电流，当注入电流达到一定的阈值后，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光震荡。实现粒子数反转分布的区域被称为有源区，半导体激光器的光激射就发生在这个区域 o 激射的一般基本条件激射的一般基本条件n 有源区里产生足够的粒子数反转分布n 存在光学谐振机制，并在有源区里建立起稳定的激光振荡o 阈值条件阈值条件 光子在传
9、播和反射等运动过程中要消耗一部分能量，光子向不希望的方向运动，会很快离开使光子总量减少。此外还有产生声子（晶格振动）的损耗等。无论如何，激活物质产生的光增益应足以抵消所有的损耗，振荡才可能发生。将振荡开始出现净增益的条件称为阈值条件o 选频单元选频单元n 光学谐振腔：能够提供必要的反馈及进行频率选择n F-P腔（法布里-珀罗谐振腔）：在增益物质两端适当的位置，放置两个互相平行的反射镜 F-P腔M2M1Ln 腔的尺寸远大于工作波长腔内电磁波可认为是均匀平面波。n 从一点出发的平面波，垂直投射到反射镜M1，由M1反射后又垂直投射向M2,再回到出发点时，如果它们之间的相位差是2的整数倍，达到了谐振，
10、那么 L=q2 L：谐振腔的长度 ：谐振腔介质中光波的波长 q=1，2，3 =2L qn 光学谐振腔的谐振条件（驻波条件）n 当光学谐振腔的折射率为n时=2nL q半导体激光器的结构和工作原理o 分类分类n 同质结LD n 单异质结LD n 双异质结LD o 同质结同质结LDn PN结两边材料相同，仅掺杂不同n 对光场无限制作用n 要求阈值电流太高，几乎不能在室温下工作o 异质结异质结LDn 结两边由不同的半导体材料制成n 降低阈值电流，提高效率o 双异质结双异质结LD P-N结的两个端面按照晶体的天然解理面切开，形成反射面，在其表面镀膜，组成光学谐振腔o 半导体激光器的工作特性n P-I特性
11、n 光谱特性n 转换效率n 温度特性n 时间效应o P-I特性典型的激光器P-I曲线o 阈值条件n 在P-I曲线中，激光器由自发辐射到开始受激振荡时的临界注入正向电流，称为阈值电流。用符号Ith表示n 当I Ith时，LD发出激光n 为使光纤通信系统稳定可靠的工作，阈值电流越小越好o 利用P-I曲线求解Ith的方法：双斜率法、反向延长法、二阶求导法 n 光谱特性n 中心波长（c）：光谱曲线最高点对应的波长n 谱线宽度：比最高点光功率低3dB（50%）时曲线上的宽度n LD的光谱随激励电流变化 当I Ith时，LD发出激光，发射光谱突然变窄，谱线 中心强度急剧增加o 单模LD:激光二极发出的激光
12、是单纵模o 多模LD:激光二极发出的激光是多纵模o 转换效率n 衡量转换效率（电功率转换成光功率）高低的物理量n 定义：激光器输出光功率与注入激光器的电功率之比，用P表示 Pe输出光功率 V工作电压 I工作电流 Rs串联电阻VIIRthp/)/1(R与LD的内部量子效 率、激光波长和模式损耗有关的 常数o 温度特性n LD的阈值电流和光输出功率随温度变化的特性n 阈值电流随温度的升高而加大o 时间效应n LD的阈值电流与使用时间有关n 随着激光二极管使用时间的增加，阈值电流逐渐加大。限制了激光二极管的使用寿命。o LD发光波长n LD波长：=hc/(E2-E1)=1.2398/(E2-E1)n
13、 LD的辐射波长由禁带宽度决定；可以通过半导体材料的选择来改变o 短波长波段n 采用GaAlAs/GaAs-LD材料，改变GaAlAs 中Al的含量改变激光发射波长n 发射波长范围：0.75-0.92mn 使用寿命一般为10万小时。用于传输距离长、传输速率较高的系统o 长波长波段n InGaAsP/InP波长范围：1.0-1.7m GaInAs/GaInP波长范围：1.06-1.7m GaAsSb/GaAlSb波长范围：0.87-1.68mn 光功率较大（几w-几mw），谱线较窄（约3nm），与光纤耦合效率较高（可达到50%左右），使用寿命105h以上单纵模LDo 单纵模LD的获得n 减少腔长
14、：腔的损耗加大，激光器输出减小n 采用掩埋条形：在有源区边缘加大对高次模的吸收利用衍射光栅对 波长进行选择高速调制困难，不易于集成o 动态单纵模半导体激光器n DFB-LD（分布反馈式半导体激光器）DBR-LD（分布布拉格反射式激光器）在制造半导体激光器的过程中直接在半导体激光器的波导层上形成衍射光栅DFB激光器o DFB的优点n 动态单纵模n 谱线窄，波长稳定性好 n 动态谱线好n 线性好o DBR-LD分布布拉格反射式激光器n 激光器的内光栅在有源层的两端LED-半导体发光二极管o 工作原理：当注入正向电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中复合发光 o 特点（与半导体激光器比较）：n 无光
15、学谐振腔n 非相干光源，发光限于自发辐射，发射出的是荧光；非阈值电流，输出功率基本上与注入电流成正比n 采用双异质结，获得高辐射度p分类 边发射二极管 面发射二极管o LED的工作特性n 发射谱线和发散角l 光谱较宽，光纤色散严重；l 发散角大（40-10），与光纤的耦合效率较低，适用于短距离传输n P-I曲线线性好 调制时，动态范围大，信号失真小。n 响应速度:调制速率低n 热特性:温度特性较好，无需温控电路n 寿命长，可靠性高 目前国产发光二极管的寿命可以达到3105小时以上 虽然LED的输出光功率低，光谱较宽，但由于使用简单，寿命长等优点，在中、地速率短距离光纤数字通信系统和光纤模拟信号
16、传输系统中得到广泛应用光源的调制 为了将电信号通过过光波进行传输，要求对光源进行调制 在目前广泛使用的强度调制直接检波光纤通信系统中，实现调制的方法有两类o 直接调制 直接在光源上进行调制，直接调制LD的注入电流。又称为内调制。这是目前广泛采用的调制方式。o 直接调制方法有三种n 模拟强度调制（AIM）：与基带传输相似n 脉位调制（PPM）：等宽脉冲前后沿位置随信号大小前后变化，适应于光源和检测管的特性n 数字调制，如PCM-IM，这是光纤通信最常用的调制方式o 模拟信号的直接调制 LED的注入电流跟随反映语音或图像等模拟量变化，从而使LED的输出光功率跟随模拟信号变化o 数字信号的直接调制
17、光纤通信系统所传的信号是一系列“0”“1”数字信号 对光源进行直接调制简单方便，但是，会使动态谱线增宽，造成传输时色散加大，易产生频率啁啾（光频随调制变化）o 间接调制 在光源外输出的光路上外加调制器来对光波进行调制。又称为外调制直接调制特点直接调制特点n 强度调制(IM)n 只适用于半导体光源n 简单方便，价格便宜，但动态谱线的展宽严重，不适合高速、长距离传输系统。间接调制特点间接调制特点n啁啾小，用于大于 2.5 Gb/s 高速率传输n线性度较好，可用于要求线性度高模拟信号n有些调制器呈现偏振相关性.o M-Z（Mach-Zahnder）外调制器n 3dB耦合器n 利用晶体传输特性随电压变
18、化实现对光波的调制o 电吸收型外调制器（E-A调制器）n 与LD相反，E-A调制器采用反向偏压。光有源区减小，光衰减增加n 优点：可与LD集成在一起o 调制的特性n 半导体激光器-光通信的理想光源n 高速脉冲调制-瞬态特性会出现许多复杂现象 电光延迟 张弛振荡 自脉动 消光比o 电光延迟/张弛振荡o 电光延迟：输出光脉冲和注入脉冲电流之间存在一个初始延迟时间，称为电光延迟时间。用td表示，数量级一般为nso 张弛振荡：当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡，称为张弛振荡 n 原因：注入电流初始偏差量 激光器有源区的电子自发复合寿命 谐振腔内光子寿命 通断电流相差太大n 危害
19、 -波形失真 -抽样判决时增加误码率 -最高调制频率限制在张弛振荡频率以下 -产生码型效应：当电光延迟时 间td与数字调制的码元 持续时间T/2为相同数量 级时光脉冲“0”码后第一个 “1”脉冲宽度变窄，幅度减 小“1”码丢失o码型效应特性n 连“0”码数目越多，调制频率越高，效应越明显 工作在调制状态LD，电光延迟时间为：tsp有源区载流子平均寿命、I0偏置电流、Ith阈值电流、Im调制电流n解决办法：-加适当的偏置，可抑制电光延迟。当I0 Ith时 td0 -减小通断电流差，抑制张弛振荡 -用适当的“过调制”补偿方法，可以消除码型效应。-一般通信设备中常用扰码或码型变换等方式减少连“0”码
20、数目来避免码型效应thmmspdIIIItt0lno 自脉动：在研究激光器的瞬态性质时，某些激光器在某些注入电流下，输出光出现持续脉动现象，脉动频率大约在几百兆赫兹到2G赫兹的范围，这种现象称为自脉动现象。自脉动现象作为一种高频干扰严重威胁着激光器的高速脉冲调制的性能。o自脉动特性自脉动特性n持续、等幅、归零振动n与注入的总电流有关n与调制状态无关n振荡频率与注入n电流强度成正比n对应P-I曲线的扭 曲区o 解决方法：激光器的 选择o 消光比 当I0m。变换后码组比特数变大，这就使变换后的码流有了冗余，因此可以在变换后的码流中传送与误码监测有关的信息；编码后还可改善定时信号的提取和直流分量的起
21、伏问题。n 在光纤通信中常用的是5B6B码 o 5B6B码 把原始码流中每5比特分为一组，再将5位码变换成6位码n 码组选用l 6位码组中含有三个“0”和三个“1”的平衡码组共20个。l 6位码组中含有四个“0”和两个“1”或四个“1”和两个“0”的不完全平衡码组各15个。在5B6B码中只选用了其中的12组。2、插入比特码 将原始码流中每m比特划为一组，在每一组的末尾一位之后插入一个比特码。o根据所插入码的功能，插入比特码可分为三种型式nmB1P码 在每m比特后插入一个奇偶校正码，称为P码，以保证每个码组内1码的个数为偶数。nmB1C码 在每m比特后插入一个反码（补码），称为C码。如果第m位码
22、为“1”，则反码为“0”，反之则为“1”。根据C码的特点，可以进行误码监测，还可以减少连“0”连“1”的影响nmB1H码 在每m比特后插入一个混合码，称为H码（Hybird）。这种码型除了可以完成mB1P码和mB1C码的功能外，还可同时用来做几路区间通信、公务联络、数据传输以及误码监测等功能。LED的驱动电路o LED的特性n P-I曲线没有阈值特性n 温度特性比较稳定n 输出光功率较小n 调制速率较低n 常用于模拟传输和低速率短距离的数字传输系统n 对应的模拟和数字调制方式的偏置电流I0和调制电流Im的选择不同o 数字传输的驱动电路n 要求较低的情况下，驱动电路比较简单，例如用普通的晶体管开
23、关电路n 速率较高时，也可以采用与LD基本相同的驱动电路-射极耦合电流开关电路。o 模拟传输的驱动电路n 输入信号：基带信号，也可以是经过调制的模拟或数字信号以及它们的复用信号n 对于基带模拟调制的LED驱动，主要考虑：1、偏置电流和调制电流的选择 2、非线性失真l 非线性失真来源：为了获得较大的输出功率，LED通常工作于打信号状态，此时的非线性是系统非线性效应的主要来源l 非线性补偿和校正方法：反馈法、移相调制法、前馈与准前馈法、预失真法等o 反馈法n 用负反馈改善非线性失真n 对二次谐波和三次谐波失真的改善可达到12dB和4dBn 简单，成本低n 反馈环的延迟会降低带宽n 对三次谐波失真的抑制比较差o 移相调制法n 采用两个特性相同的LED，分别用相位相差/2的电信号调制，输出为二者之和n 理论上不再包含二次谐波和三次谐波成分，实际上一般可得到20dB以上的改善n 需要额外的器件n 基波成分减小o 前馈与准前馈法n 由一个LED提取非线性失真信号，然后以适当方式把它与调制信号合成，最后用合成信号驱动另一个LED获得输出光功率n 对二次谐波和三次谐波失真的改善可达到33dB和17dBo 预失真法 用普通二极管的非线性来补偿LED的失真，不需要额外的光器件，电路也比较简单，应用最广泛。
