第三部分光源与光发送机精选文档.ppt

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1、第三部分光源与光发送机本讲稿第一页，共八十三页发送部分发送部分传输部分传输部分接收部分接收部分光纤、光缆光纤、光缆光源光源驱动电路驱动电路辅助电路辅助电路本讲稿第二页，共八十三页1.光源的作用光源的作用完成电信号到光信号的变换完成电信号到光信号的变换2.光源的类型光源的类型半导体发光二极管（半导体发光二极管（LED:Light Emitting Diode）半导体激光二极管（半导体激光二极管（LD:Laser Diode）本讲稿第三页，共八十三页3.对光源的要求对光源的要求 体积小，与光纤耦合效率高体积小，与光纤耦合效率高 发射光波长位于光纤低损耗窗口发射光波长位于光纤低损耗窗口 易于调制易于

2、调制 可靠性高，寿命长，稳定性好可靠性高，寿命长，稳定性好 发射的光功率足够高发射的光功率足够高 温度稳定性好温度稳定性好本讲稿第四页，共八十三页3.1 半导体光源的物理基础3.1.1 孤立原子的能级和半导体的能带孤立原子的能级和半导体的能带1.孤立原子的能级孤立原子的能级原原子子是是由由原原子子核核和和围围绕绕原原子子核核旋旋转转的的电电子子构构成成。围围绕绕原原子子核核旋旋转转的的电电子子能能量量不不能能任任意意取取值值，只只能能取取特特定定的的离离散散值值，这这种种现现象象称称为为电电子子能能量量的量子化。这些离散能量值称为原子的能级。的量子化。这些离散能量值称为原子的能级。本讲稿第五页

3、，共八十三页2.半导体的能带半导体的能带在在大大量量原原子子相相互互靠靠近近形形成成半半导导体体晶晶体体时时，由由于于半半导导体体晶晶体体内内部部电电子子的的共共有有化化运运动动，使使孤孤立立原原子子中中离散能级变成能带。离散能级变成能带。本讲稿第六页，共八十三页图图3.2 半导体的能带结构半导体的能带结构本讲稿第七页，共八十三页5.1.2 光与物质的相互作用光与物质的相互作用 本讲稿第八页，共八十三页1.自发辐射自发辐射处于高能级的电子状态是不稳定的。处于高能级的电子状态是不稳定的。它它将将自自发发地地从从高高能能级级(在在半半导导体体晶晶体体中中更更多多是是指指导导带带的的一一个个能能级级

4、)运运动动(称称为为跃跃迁迁)到到低低能能级级(在在半半导导体体晶晶体体中中更更多多是是指指价价带带的的一一个个能能级级)与与空空穴穴复复合，同时释放出一个光子。合，同时释放出一个光子。本讲稿第九页，共八十三页自发辐射hf12初态初态初态初态E2E1终态终态终态终态E2E1本讲稿第十页，共八十三页2.受激辐射受激辐射在在外外来来光光子子的的激激励励下下，电电子子从从高高能能级级跃跃迁迁到到低低能能级级与与空空穴穴复复合合，同同时时释释放放出出一一个个与与外外来来光光子子同同频频、同相的光子。同相的光子。本讲稿第十一页，共八十三页hf12初态初态初态初态E2E1终态终态终态终态E2E1受激辐射本

5、讲稿第十二页，共八十三页3.受激吸收受激吸收在在外外来来光光子子激激励励下下，电电子子吸吸收收外外来来光光子子能能量量而而从低能级跃迁到高能级，变成自由电子。从低能级跃迁到高能级，变成自由电子。本讲稿第十三页，共八十三页hf12初态初态初态初态E2E1终态终态终态终态E2E1受激吸收本讲稿第十四页，共八十三页 受激辐射受激辐射和自发辐射自发辐射产生的光的特点很不相同。受受激激辐辐射射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光相干光。自自发发辐辐射射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非非相相干光干光。本讲稿

6、第十五页，共八十三页受激辐射受激辐射和受激吸收受激吸收的区别与联系 受受激激辐辐射射是受受激激吸吸收收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波波尔尔条条件件，即 E2-E1=hf12 式中，h=6.62810-34Js，为普普朗朗克克常常数数，f12为吸收或辐射的光子频率。本讲稿第十六页，共八十三页3.1.3 粒子数反转分布状态粒子数反转分布状态1.粒子数正常分布状态粒子数正常分布状态在在热热平平衡衡状状态态下下，高高能能级级上上的的电电子子数数(N2)要要少少于于低低能能级级上电子数上电子数(N1)。本讲稿第十七页，共八十三页2.粒子数反转分布状态

7、粒子数反转分布状态为为了了使使物物质质发发光光，就就必必须须使使其其内内部部的的自自发发辐辐射射和和/或或受激辐射几率大于受激吸收的几率。受激辐射几率大于受激吸收的几率。要要使使物物质质内内部部的的自自发发辐辐射射和和/或或受受激激辐辐射射占占据据优优势势，就就必必须须使使高高能能级级上上的的电电子子数数多多于于低低能能级级上上电电子子数数，这种现象称为粒子数反转分布状态。，这种现象称为粒子数反转分布状态。本讲稿第十八页，共八十三页3.2 半导体光源的工作原理3.2.1 发光二极管的工作原理发光二极管的工作原理自发辐射自发辐射LEDLED的的出出射射光光是是一一种种非非相相干干光光，其其谱谱线

8、线较较宽宽，辐辐射射角角也也较大。较大。在在低低速速数数字字通通信信和和窄窄带带模模拟拟通通信信系系统统中中,LED,LED是是可可以以选用的最佳光源。选用的最佳光源。本讲稿第十九页，共八十三页半导体发光二极管基本应用半导体发光二极管基本应用GaAlAsGaAlAs和和InGaAsPInGaAsP材料，可以覆盖整个光纤通信材料，可以覆盖整个光纤通信系统使用波长范围。系统使用波长范围。本讲稿第二十页，共八十三页1.发光二极管的类型结构发光二极管的类型结构按照器件输出光的方式，可以将发光二极管分为三种类型结构：表面发光二极管表面发光二极管边发光二极管边发光二极管超辐射发光二极管超辐射发光二极管本讲

9、稿第二十一页，共八十三页本讲稿第二十二页，共八十三页2.发光二极管的工作原理发光二极管的工作原理(1)LED的能带结构本讲稿第二十三页，共八十三页(2)LED的工作原理的工作原理当当给给LEDLED外外加加合合适适的的正正向向电电压压时时，PpPp结结之之间间的的势势垒垒(相相对对于于空空穴穴)和和NpNp结结之之间间的的势势垒垒(相相对对于于电电子子)降降低低，大大量量的的空空穴穴和电子分别从和电子分别从P P区扩散到区扩散到p p区和从区和从N N区扩散到区扩散到p p区。区。由由于于双双异异质质结结构构，p p区区中中外外来来的的电电子子和和空空穴穴不不会会分分别别扩扩散散到到P P区和

10、区和N N区，在有源区形成区，在有源区形成粒子数反转分布粒子数反转分布状态状态有有源源区区的的电电子子经经跃跃迁迁与与空空穴穴复复合合，最最终终克克服服受受激激吸吸收收及及其他衰减而产生其他衰减而产生自发辐射的光输出自发辐射的光输出。本讲稿第二十四页，共八十三页5.2.2 激光二极管的工作原理激光二极管的工作原理受激辐射受激辐射LDLD的的出出射射光光是是一一种种相相干干光光，其其谱谱线线较较窄窄，方向性较好。方向性较好。在在高高速速数数字字通通信信和和宽宽带带模模拟拟通通信信系系统统中中,LD,LD是可以选用的最佳光源。是可以选用的最佳光源。本讲稿第二十五页，共八十三页在在结结构构上上，半半

11、导导体体激激光光二二极极管管与与其其他他类类型型的的激激光光器器是是相相同的，都主要由三部分构成：同的，都主要由三部分构成：激励源激励源工作物质工作物质谐振腔谐振腔 本讲稿第二十六页，共八十三页1.激光二极管的类型结构激光二极管的类型结构(1)常用激光二极管常用激光二极管(2)单频激光二极管单频激光二极管多纵模状态多纵模状态单纵模状态单纵模状态本讲稿第二十七页，共八十三页纵模和横模纵模和横模纵纵模模：激激光光器器在在两两个个反反射射镜镜构构成成的的光光学学谐谐振振腔腔内内将将产产生生光光波波谐谐振振，形形成成驻驻波波，此此时时谐谐振振腔腔的的长长度度等等于于半半波波长长的的整整数数倍倍。把把这

12、这种种沿沿谐谐振振腔腔的的轴轴线线方向（纵向）形成的驻波叫做纵模方向（纵向）形成的驻波叫做纵模。本讲稿第二十八页，共八十三页纵模谐振条件为：纵模谐振条件为：不同的不同的m值对应不同的纵模。值对应不同的纵模。本讲稿第二十九页，共八十三页横横模模：如如果果考考虑虑谐谐振振腔腔横横截截面面上上沿沿宽宽度度方方向向和和垂垂直直方方向向上上折折射射率率分分布布和和增增益益分分布布，则则在在腔腔横横截截面内的两个方向上也将产生驻波，这就叫横模面内的两个方向上也将产生驻波，这就叫横模。本讲稿第三十页，共八十三页当当沿沿激激光光器器的的出出射射方方向向观观察察谐谐振振腔腔的的出出射射镜镜面面是是，在在出出射射

13、面面附附近近形形成成的的光光强强度度分分布布图图，可可以以反反映映出出横模特性。横模特性。本讲稿第三十一页，共八十三页(1)常用激光二极管的类型结构常用激光二极管的类型结构在在双双异异质质结结构构的的LDLD中中，通通常常采采用用具具有有横横模模限限制制作作用用的的激激光光二二极极管管结结构构，这这种种激激光光二二极极管管称称为为条条形形激激光光二极管二极管。增益波导型激光二极管增益波导型激光二极管折射率波导型激光二极管折射率波导型激光二极管本讲稿第三十二页，共八十三页图图5.6 一种扩散条形激光二极管一种扩散条形激光二极管本讲稿第三十三页，共八十三页图图5.7 拱棱波导条形激光二极管拱棱波导

14、条形激光二极管本讲稿第三十四页，共八十三页(2)单频激光二极管单频激光二极管一一般般地地，普普通通激激光光二二极极管管只只能能工工作作于于多多纵纵模模状状态态，其其增增益益峰峰值值附附近近的的数数个个模模式式携携带带着着大大部部分分的的输输出出光功率。光功率。一一种种改改善善纵纵模模选选择择性性的的方方法法是是采采用用不不同同频频率率的的选选择反馈机理，即择反馈机理，即谐振腔对不同频率具有不同的损耗谐振腔对不同频率具有不同的损耗。本讲稿第三十五页，共八十三页 分布反馈机理激光二极管分布反馈机理激光二极管在在分分布布反反馈馈(Distributed(Distributed FeedbackFee

15、dback，DFB)DFB)机机理理激激光光二二极极管管中中，通通过过谐谐振振腔腔和和具具有有频频率率选选择择反反馈馈功功能的光栅共同完成反馈作用能的光栅共同完成反馈作用。本讲稿第三十六页，共八十三页 耦合腔激光二极管耦合腔激光二极管模模式式选选择择也也可可以以采采用用耦耦合合腔腔结结构构实实现现，其其基基本本机机理理为为：虽虽然然两两个个谐谐振振腔腔具具有有各各自自不不同同的的振振荡荡纵纵模模，但但是是当当两两个个谐谐振振腔腔放放在在一一起起构构成成耦耦合合腔腔(或或复复合合腔腔)时时，这这时时只只有有两两个个谐谐振振腔腔中中相相同同的的纵纵模模才才能能成成为为耦耦合合腔腔的的振振荡荡纵纵模

16、模，再再加加上上增增益益谱谱的的作作用用，最最终终实实现了模式选择功能。现了模式选择功能。本讲稿第三十七页，共八十三页 量子阱激光二极管量子阱激光二极管出出现现较较晚晚的的量量子子阱阱(Quantum(Quantum WellWell，QW)QW)激激光光二二极极管管，已已经经在在实实际际系系统统尤尤其其是是相相干干传传输输系系统统和和波波分分复用系统复用系统中得到广泛应用。中得到广泛应用。本讲稿第三十八页，共八十三页 波长可调谐单频激光二极管波长可调谐单频激光二极管波波长长可可调调谐谐单单频频激激光光二二极极管管是是波波分分复复用用系系统统、相相干干光光通通信信系系统统及及光光交交换换网网络

17、络的的关关键键器器件件，其其主主要要性性能能指标包括调谐速度和波长调谐范围。指标包括调谐速度和波长调谐范围。本讲稿第三十九页，共八十三页2.激光二极管的工作原理激光二极管的工作原理(1)LD的能带结构的能带结构在在结结构构上上，LDLD与与LEDLED的的主主要要区区别别是是LDLD有有谐谐振振腔腔，而而LEDLED没有谐振腔。没有谐振腔。与与LEDLED相比，相比，LDLD也具有类似的能带结构。也具有类似的能带结构。本讲稿第四十页，共八十三页(2)LD的工作原理的工作原理当当给给LDLD外外加加适适当当的的正正向向电电压压时时，由由于于有有源源区区粒粒子子数数的反转分布而首先发生的反转分布而

18、首先发生自发辐射自发辐射现象。现象。传传播播方方向向与与谐谐振振腔腔高高反反射射率率界界面面垂垂直直的的自自发发辐辐射射光光子会在有源层内部边传播边发生子会在有源层内部边传播边发生受激辐射放大受激辐射放大。如如此此反反复复，直直到到放放大大作作用用足足够够克克服服有有源源层层和和高高反反射射率率界界面面的的损损耗耗后后，就就会会向向高高反反射射率率界界面面外外面面输输出激光出激光。本讲稿第四十一页，共八十三页3.3 光源的工作特性 3.3.1 LED的工作特性的工作特性1.P-I特性特性 本讲稿第四十二页，共八十三页2.光谱特性光谱特性 本讲稿第四十三页，共八十三页3.温度特性温度特性 温度特

19、性主要影响到：温度特性主要影响到：LEDLED的平均发送光功率的平均发送光功率P-IP-I特性的线性特性的线性工作波长工作波长本讲稿第四十四页，共八十三页4 3 2 1 0 50 100 150 02570电流电流/mA输输出出功功率率/mW本讲稿第四十五页，共八十三页3.3.2 LD的工作特性的工作特性1.LD的的P-I特性特性 本讲稿第四十六页，共八十三页 当IIth 时，发出的是受激辐射光受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。本讲稿第四十七页，共八十三页两个基本参数：微分量子效率和功率转换效率。微微分分量量子子效效率率可可以以定定义义为为输输出出光光子子数数的的增增量量与与注注入电子

20、数的增量之比，表达式为：入电子数的增量之比，表达式为：本讲稿第四十八页，共八十三页 功功率率转转换换效效率率定定义义为为输输出出光光功功率率与与消消耗耗的的电电功功率率之比，可以表示为：之比，可以表示为：本讲稿第四十九页，共八十三页2.光谱特性光谱特性 本讲稿第五十页，共八十三页3.温度特性温度特性与与LEDLED比比较较，温温度度主主要要对对LDLD的的阈阈值值电电流流、输输出出光光功功率率及峰值工作波长影响较大。及峰值工作波长影响较大。本讲稿第五十一页，共八十三页激光器输出光功率随温度而变化有两个原因激光器输出光功率随温度而变化有两个原因:（1）激光器的）激光器的阈值电流阈值电流Ith 随

21、随温度温度升高而升高而增大增大（2）外微分）外微分量子效率量子效率d随随温度温度升高而升高而减小减小。当当对对激激光光器器进进行行脉脉冲冲调调制制时时，阈阈值值电电流流随随温温度度呈呈指指数数变变化化，在一定温度范围内，可以表示为在一定温度范围内，可以表示为本讲稿第五十二页，共八十三页为了降低温度对为了降低温度对LDLD的影响，可以采用两种方法：的影响，可以采用两种方法：选择温度特性优异的新型选择温度特性优异的新型LDLD通通过过一一个个外外加加的的自自动动温温度度控控制制电电路路，使使LDLD的的温温度度特特性性能够满足系统的要求。能够满足系统的要求。本讲稿第五十三页，共八十三页发光二极管和

22、半导体激光器的比较发光二极管和半导体激光器的比较发光二极管半导体激光器自发辐射受激辐射输出光功率较小，仅1mw2mw输出光功率较大，几mw几十mw光束方向性差，发散度大光束方向性好，发散度小光谱较宽光谱较窄与光纤耦合效率低与光纤耦合效率高制造工艺难度小，成本低制造工艺难度大，成本高可在较宽的温度范围内正常工作要求光功率稳定时，需要ATC和APC无阈值有阈值无谐振腔有谐振腔式结构本讲稿第五十四页，共八十三页 LED通通常常和和多多模模光光纤纤耦耦合合，用用于于1.31m(或或0.85 m)波波长长的的小小容容量量短短距距离离系系统统。因因为为LED发发光光面面积积和和光光束束辐辐射射角角较较大大

23、，而而多多模模SIF光光纤纤或或G.651规规范范的的多多模模GIF光光纤纤具具有有较较大大的的芯芯径径和和数数值值孔孔径径，有利于提高有利于提高耦合效率耦合效率，增加，增加入纤功率入纤功率。LD通通常常和和G.652或或G.653规规范范的的单单模模光光纤纤耦耦合合，用用于于1.31m或或1.55 m大容量长距离系统。大容量长距离系统。分分布布反反馈馈激激光光器器(DFB-LD)主主要要和和G.653或或G.654规规范范的的单单模模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于超大容量的新型光纤系统。光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于超大容量的新型光纤系统。本讲稿第五十五页，共八十三页 半导体激光器半

24、导体激光器(LD)和发光二极管和发光二极管(LED)的一般性能的一般性能-2050 -2050-2050 -2050工作温度工作温度 /C寿命寿命 t/h30120 30120 2050 2050辐射角辐射角50150 301005002000 5001000调制带宽调制带宽 B/MHz0.10.3 0.10.213 13入纤功率入纤功率 P/mW15 13510 510输出功率输出功率 P/mW100150 100150工作电流工作电流 I/mA2030 3060阀值电流阀值电流 Ith/mA50100 6012012 13谱线宽度谱线宽度1.3 1.551.3 1.55工作波长工作波长LE

25、DLD本讲稿第五十六页，共八十三页光源组件实例本讲稿第五十七页，共八十三页3.4 光 发 送 机3.4.1 光调制原理光调制原理(1)按照光源与调制信号的关系分类直接调制方式直接调制方式是指直接将调制信号施加在光源上来完成光源是指直接将调制信号施加在光源上来完成光源参数的调制过程。参数的调制过程。外部调制方式外部调制方式是指通过外部调制器来完成光源参数的调制是指通过外部调制器来完成光源参数的调制过程。过程。本讲稿第五十八页，共八十三页（2）按照已调制信号的性质分类：）按照已调制信号的性质分类：模拟调制方式模拟调制方式是指已调制信号属于模拟信号。是指已调制信号属于模拟信号。包括强度调制方式，振幅

26、调制方式，双边带抑包括强度调制方式，振幅调制方式，双边带抑制载波调制方式，单边带调制方式和残余边带制载波调制方式，单边带调制方式和残余边带调制方式。调制方式。数字调制方式数字调制方式是指已调制信号属于数字信号。是指已调制信号属于数字信号。包括幅移键控调制方式，频移键控调制方式和包括幅移键控调制方式，频移键控调制方式和相移键控调制方式。相移键控调制方式。本讲稿第五十九页，共八十三页输出光信号输出光信号pItIin输入电信号输入电信号pI（a）LED数字调制原理输出光信号输出光信号输入电信号输入电信号IinIthIb(b)LD的数字调制原理 当激光器的驱动电流大于阈值电流Ith时，输出光功率P和驱

27、动电流I基本上是线性关系线性关系线性关系线性关系 输出光功率光功率光功率光功率和输入电流输入电流输入电流输入电流成正比，输出光信号反映输入电信号输出光信号反映输入电信号本讲稿第六十页，共八十三页3.4.2 光发送机的构成及指标光发送机的构成及指标1.光发送机构成光发送机构成 光源光源驱动电路驱动电路辅助电路辅助电路本讲稿第六十一页，共八十三页2.光发送机的主要指标光发送机的主要指标(1)平均发送光功率及其稳定度平均发送光功率及其稳定度平均发送光功率平均发送光功率又称为平均输出光功率，通常是又称为平均输出光功率，通常是指光源尾巴光纤的平均输出光功率。指光源尾巴光纤的平均输出光功率。平均发送光功率

28、稳定度平均发送光功率稳定度是指环境温度变化或器件老是指环境温度变化或器件老化过程中平均发送光功率度相对变化量。化过程中平均发送光功率度相对变化量。本讲稿第六十二页，共八十三页(2)消光比消光比消消光光比比定定义义为为最最大大平平均均发发送送光光功功率率与与最最小小平平均均发发送送光光功功率率之之比比，通通常常用用符符号号EXEX表示：表示：本讲稿第六十三页，共八十三页半导体激光器的瞬态特性半导体激光器的瞬态特性 半半导导体体激激光光器器是是光光纤纤通通信信的的理理想想光光源源，但但在在高高速速脉脉冲冲调调制制下下，其其瞬瞬态态特特性性仍仍会会出出现现许许多多复复杂杂现现象象，如如常常见见的的电

29、电光光延延迟迟、张张弛弛振振荡荡和和自自脉脉动现象动现象。这这些些特特性性严严重重限限制制系系统统传传输输速速率率和和通通信信质质量量，因此在电路的设计时要给予充分考虑。因此在电路的设计时要给予充分考虑。本讲稿第六十四页，共八十三页1.电光延迟和张弛振荡电光延迟和张弛振荡现象现象 半半导导体体激激光光器器在在高高速速脉脉冲冲调调制制下下，输输出出光光脉脉冲冲瞬瞬态态响应波形如图所示。响应波形如图所示。光脉冲瞬态响应波形光脉冲瞬态响应波形 本讲稿第六十五页，共八十三页 输输出出光光脉脉冲冲和和注注入入电电流流脉脉冲冲之之间间存存在在一一个个初初始始延延迟迟时时间间，称为称为电光延迟时间电光延迟时

30、间电光延迟时间电光延迟时间td，其数量级一般为，其数量级一般为 ns。当当电电流流脉脉冲冲注注入入激激光光器器后后，输输出出光光脉脉冲冲会会出出现现幅幅度度逐逐渐渐衰衰减减的的振振荡荡，称称为为张张张张弛弛弛弛振振振振荡荡荡荡，其其振振荡荡频频率率fr(=r/2)一一般般为为0.52 GHz。这这些些特特性性与与激激光光器器有有源源区区的的电电电电子子子子自自自自发发发发复复复复合合合合寿寿寿寿命命命命和和谐谐谐谐振振振振腔腔腔腔内光子寿命内光子寿命内光子寿命内光子寿命以及以及注入电流初始偏差量注入电流初始偏差量注入电流初始偏差量注入电流初始偏差量有关。有关。本讲稿第六十六页，共八十三页 张弛

31、振荡张弛振荡和和电光延迟电光延迟的后果是的后果是限制调制速率限制调制速率。当当最最高高调调制制频频率率接接近近张张弛弛振振荡荡频频率率时时，波波形形失失真真严严重重，会会使使光光接接收收机机在在抽抽样样判判决决时时增增加加误误码码率率，因因此实际使用的此实际使用的最高调制频率应低于张弛振荡频率最高调制频率应低于张弛振荡频率最高调制频率应低于张弛振荡频率最高调制频率应低于张弛振荡频率。本讲稿第六十七页，共八十三页电光延迟电光延迟要产生要产生码型效应码型效应。当当电电光光延延迟迟时时间间td与与数数字字调调制制的的码码元元持持续续时时间间T/2为为相相同同数数量量级级时时，会会使使“0”码码过过后

32、后的的第第一一个个“1码码的的脉脉冲冲宽宽度度变变窄窄，幅幅度度减减小小，严严重重时时可可能能使使单个单个“”码丢失，码丢失，这种现象称为这种现象称为“码型效应码型效应”。本讲稿第六十八页，共八十三页在在两两个个接接连连出出现现的的“1”“1”码码中中，第第一一个个脉脉冲冲到到来来前前，有有较较长长的的连连“0”“0”码码，由由于于电电光光延延迟迟时时间间长长和和光光脉脉冲冲上上升升时时间间的的影影响响，因因此脉冲变小。此脉冲变小。第第二二个个脉脉冲冲到到来来时时，由由于于第第一一个个脉脉冲冲的的电电子子复复合合尚尚未未完完全全消消失失，有源区电子密度较高，因此电光延迟时间短，有源区电子密度较

33、高，因此电光延迟时间短，脉冲较大。脉冲较大。1 2电脉冲光脉冲码型效应本讲稿第六十九页，共八十三页 “码型效应码型效应”的的特点是：特点是：在在脉脉冲冲序序列列中中较较长长的的连连“0”码码后后出出现现的的“1”码码，其其脉脉冲冲明明显显变变小小，而而且且连连“0”码码数数目目越越多多，调调制制速速率率越越高高，这这种种效效应应越越明明显显。本讲稿第七十页，共八十三页式中，式中，o是张弛振荡幅度衰减到初始值的是张弛振荡幅度衰减到初始值的1/e的时间，的时间，j和和jth分别为分别为注入电流密度注入电流密度和和阈值电流密度阈值电流密度。sp和和ph分别为分别为电子自电子自发复合寿命发复合寿命和和

34、谐振腔内光子寿命谐振腔内光子寿命。在典型的激光器中，。在典型的激光器中，sp10-9s,ph10-12s。通通过过LD速速率率方方程程组组的的瞬瞬态态解解得得到到的的张张弛弛振振荡荡频频率率r及及其其幅幅度衰减时间度衰减时间o和和电光延迟时间电光延迟时间td的表达式为的表达式为：本讲稿第七十一页，共八十三页 (1)张张弛弛振振荡荡频频率率r随随sp、ph的的减减小小而而增增加加，随随j的的增增加加而而增增加加。这个振荡频率决定了这个振荡频率决定了LD的最高调制频率。的最高调制频率。(2)张弛振荡幅度衰减时间张弛振荡幅度衰减时间o与与sp为为相同数量级相同数量级，并随，并随j的的增加而减小增加而

35、减小。(3)电电光光延延迟迟时时间间td与与sp为为相相同同数数量量级级，并并随随j的的增增加加而而减减小小(jjth)。由由此此可可见见，增增加加注注入入电电流流j，有有利利于于提提高高张张弛弛振振荡荡频频率率r，减减小小其其幅幅度度衰衰减减时时间间o，以以及及减减小小电电光光延延迟迟时时间间td，因因此此对对LD施施加加偏偏置置电流是非常必要的。电流是非常必要的。本讲稿第七十二页，共八十三页2.自脉动现象自脉动现象 某某些些激激光光器器在在脉脉冲冲调调制制甚甚至至直直流流驱驱动动下下，当当注注入入电电流流达达到到某某个个范范围围时时，输输出出光光脉脉冲冲出出现现持持续续等等幅幅的的高高频振

36、荡，这种现象称为频振荡，这种现象称为自脉动现象自脉动现象，如图所示。，如图所示。电脉冲光脉冲激光器自脉冲动现象本讲稿第七十三页，共八十三页 自自脉脉动动频频率率可可达达2GHz，严严重重影影响响LD的的高高速速调调制制特特性。性。自自脉脉动动现现象象是是激激光光器器内内部部不不均均匀匀增增益益或或不不均均匀匀吸吸收收产产生生的的，往往往往和和LD的的P-I曲曲线线的的非非线线性性有有关关,自自脉脉动发生的区域和动发生的区域和P-I曲线扭折区域相对应曲线扭折区域相对应。本讲稿第七十四页，共八十三页偏置电流的选择：加大偏置电流可以有效抑制电光延迟、张驰振荡和码型效应。另一方面，加大偏置电流会使得激

37、光器消光比恶化。激光器的散粒噪声在阈值处出现峰值。本讲稿第七十五页，共八十三页调制电流的选择：应根据激光器的P-I特性曲线，既要有足够的输出光脉冲幅度，又要考虑光源的负担，如果激光器在某些区域有自脉动现象，要避开自脉动发生的区域。本讲稿第七十六页，共八十三页3.5 驱动电路和辅助电路3.5.1 驱动电路驱动电路1.对驱动电路的要求对驱动电路的要求一个优良的驱动电路应该满足以下条件：一个优良的驱动电路应该满足以下条件：(1)(1)能够提供较大的、稳定的驱动电流；能够提供较大的、稳定的驱动电流；(2)(2)有有足足够够快快的的响响应应速速度度，最最好好大大于于光光源源的的驱驱动动速度；速度；(3)

38、(3)保证光源具有稳定的输出特性。保证光源具有稳定的输出特性。本讲稿第七十七页，共八十三页2.驱动电路的工作原理驱动电路的工作原理 能够满足要求的最简单的驱动电路是能够满足要求的最简单的驱动电路是共发射极驱动电共发射极驱动电路路。这种简单的驱动电路一般应用于这种简单的驱动电路一般应用于LED的驱动中。的驱动中。本讲稿第七十八页，共八十三页在实际中，最常使用的驱动电路是应用了电流开关原理的在实际中，最常使用的驱动电路是应用了电流开关原理的射射极耦合电路极耦合电路。这种电路具有驱动速度高，驱动电路工作稳定等特点。这种电路具有驱动速度高，驱动电路工作稳定等特点。本讲稿第七十九页，共八十三页3.5.2

39、 辅助电路辅助电路 LD的阈值电流随温度升高而增大；的阈值电流随温度升高而增大；及及P-I特性曲线斜率（微分量子效率）将随着特性曲线斜率（微分量子效率）将随着温度升高而降低；温度升高而降低；结发热效应结发热效应 老化现象老化现象本讲稿第八十页，共八十三页1.自动功率控制电路自动功率控制电路本讲稿第八十一页，共八十三页2.自动温度控制电路自动温度控制电路 LD的的输输出出特特性性与与温温度度有有着着密密切切的的关关系系。为为了了保保证证光光发发送送机机具具有有稳稳定定的的输输出出特特性性，对对LD的的温温度度特特性性进进行行控控制制是是非非常常必必要要的的，而而且且对对LD的的温温度度控控制制也也是保护是保护LD的一项关键措施。的一项关键措施。本讲稿第八十二页，共八十三页温度变化引起LD输出光功率的变化，虽然可以通过APC电路调节，使输出光功率恢复正常值，但是，如果环境温度升高较多，经APC调节后，偏置电流增大较多，则LD的结温因此也升高很多，致使阈值电流继续增大，造成恶性循环。本讲稿第八十三页，共八十三页