光纤通信3-光源与光发射机课件.pptx

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1、主要内容激光器原理半导体激光器(LD)LD的特性常用光源光发射机光纤通信系统对光源的要求：1、光源发光的峰值波长应当与光纤的低损耗窗口一致。2、光源的输出功率应当足够大。（10uw几mw）3、光源应当有高度的可靠性。（10万小时以上）4、光源的谱线不能太宽。5、光源应利于调制。6、电光转换效率应当高。7、光源体积小重量轻功耗小。常用光源半导体激光器（LD）双异质结激光器（DH-LD）分布反馈式激光器（DFB-LD）量子阱激光器（QW-LD）发光二极管（LED）面发光二极管边发光二极管（三）LD和LED的比较LDLED工作波长1.31um,1.55um0.81.6um输出功率510mw1mw入纤

2、损耗35dB1.520dB谱线宽度多纵模5nm，单纵模Eg/h的光通过时，就可以得到放大。粒子数翻转解理面解理面解理面解理面半导体激光器是利用在有源区中受激而发射光的光器件。只有在工作电流超过闻值电流的情况下，才会输出激光(相干光)，因而是有阈值的器件。当激光器阈值电流很大时，器件发热，使寿命很短如何使激光器阈值电流减少，使寿命长采用异质结结构同质结结构单异质结结构双异质结结构同质结异质结载流子限制载流子限制异质结折射率分布光波限制光波限制3.3半导体激光器（LD)的P-I特性1、输出光功率与激光器驱动电流之间关系、输出光功率与激光器驱动电流之间关系外量子效应外量子效应外量子效率定义为超过阈值

3、时每个外量子效率定义为超过阈值时每个电子空穴对的辐射性复合所产生电子空穴对的辐射性复合所产生的光子数。的光子数。是带隙能量是带隙能量阈值电流2、激光二极管的模式、激光二极管的模式在半导体激光器的谐振腔内，辐射光建立起的电磁场模式称为谐振腔模式，在半导体激光器的谐振腔内，辐射光建立起的电磁场模式称为谐振腔模式，它们可划分为横电（它们可划分为横电（TE）和横磁（）和横磁（TM）模式两种。每类模式都能通过沿谐）模式两种。每类模式都能通过沿谐振腔主轴分布的纵向电磁场、水平横向电磁场以及垂直横向电磁场的半正振腔主轴分布的纵向电磁场、水平横向电磁场以及垂直横向电磁场的半正弦变化来进行描述。其中，纵向模式与

4、谐振腔的长度弦变化来进行描述。其中，纵向模式与谐振腔的长度L相关，并决定辐射光相关，并决定辐射光的主要光谱结构，由于的主要光谱结构，由于L远大于激光波长（远大于激光波长（），因此在谐振腔中会有许），因此在谐振腔中会有许多纵模。多纵模。水平横向模分布在水平横向模分布在pn结平面内，它取决于谐振腔的宽度和腔壁的情况，同结平面内，它取决于谐振腔的宽度和腔壁的情况，同时该模式又决定激光束的水平横向分布特性。垂直横向模与时该模式又决定激光束的水平横向分布特性。垂直横向模与pn结垂直方向结垂直方向上的电磁场和波形相关。以上三种模式分布在很大程度决定激光器的特性。上的电磁场和波形相关。以上三种模式分布在很大

5、程度决定激光器的特性。谐振腔中纵向模式。谐振腔中纵向模式。激光二极管的横模与纵模激光二极管的横模与纵模3、光谱特性考虑激光器相位关系考虑激光器相位关系如果只考虑纵向模式，在多模激光器中频率和波长如果只考虑纵向模式，在多模激光器中频率和波长的间隔为：的间隔为：例：有一例：有一GaAs，激光器工作波长为激光器工作波长为850nm,激光器腔长激光器腔长500m500m，材料折射率，材料折射率n n3.7,3.7,频率和波长的间隔各为多少？频率和波长的间隔各为多少？在半导体激光器的应用中，一个值得考虑的重要因素是温度对阈值电流的影响，经验公式可粗略的表示为：4、温度特性其中是激光器对温度敏感程度的度量

6、的特性温度；是一个常数。方向性半导体激光器发出的激光与光纤或光器件进行耦合，要求激光器的方向性要强。155电光延迟、张弛振荡、自脉动、啁啾（1）电光延迟激光器的输出光信号滞后于电信号的现象。td原因：有源区的电子密度必须增加到一定的闸值才会有光出来。影响：出现码型效应码型效应，限制调制速度。5、瞬态特性（2）张弛振荡当电脉冲注入激光器后，输出光脉冲有一个幅度逐渐衰减的振荡。影响：当调制速度接近张弛振荡的频率时，容易产生误判，影响了调制的速度。原因：光子激发与电子注入的时间延迟。通过增加偏置电流可以改善电光延迟和张弛振荡。（3）自脉动现象有些激光器再脉冲调制下或直流驱动下，当注入电流足够大时，输

7、出的光脉冲出现持续等幅的高频振荡。啁啾（Chirp）效应3.4分布反馈半导体激光器（分布反馈半导体激光器（DFB)与与LED多纵模LD-F-P双异质结LD分布反馈半导体激光器（分布反馈半导体激光器（DFB)量子阱激光器（QW-LD）发光二极管发光二极管LED常用光源DistributedfeedbacklaserLightemittingdiodeQuantum-well2、分布反馈半导体激光器（、分布反馈半导体激光器（DFB)DFB激光器的结构激光器的结构DFB是用Brag衍射光栅代替F-P谐振腔对光进行波长的选择，是激光器形成单纵模。DFB激光器的工作原理DFB激光器用布拉格（Bragg)

8、光栅代替F-P镜面反射。Bragg波纹光栅是由于材料折射率的周期性变化而形成。P区N区有源区光栅布拉格反射条件DFB激光器的分布反馈是的布拉格反射,这时有源区的光在栅条间来回振荡。此时的布拉格条件为：DFB的优点：1、单纵模2、谱线窄，波长稳定3、动态谱线好，啁啾小，利于高速调制4、线性好，利于调制模拟信号。DFB的应用：2.5G以上的1550nm第三代光纤通信系统光纤CATV4、发光二极管、发光二极管一、发光原理LED与LD的最大不同：没有光学谐振腔，发出的是自发辐射光。P层N层有源层低高E外电场在正向偏压的情况下，N区的电子将向正方向扩展进入有源区，P区的空穴也将向负方向扩展进入有源区。进

9、入有源区的电子和空穴由于势垒的作用而被封闭在有源区，形成粒子数反转分布，这些反分布的电子将发生自发辐射，发出自发辐射的光。只要有外加电流的作用，就会源源不断的向有源层提供电子和空穴得到稳定的自发辐射光。二、分类边发光二极管面发光二极管面发光二极管正面发光辐射角大输出功率大耦合效率低边发光二极管侧面发光辐射角小输出功率小耦合效率高三、工作特性1、光谱特性和辐射特性没有经过光学谐振腔的光强反馈、方向选择和光频选择，谱线宽，辐射角大，强度不大。P3dB3dBo0=0cos2、P特性P边发光二极管面发光二极管无阈值自发光近似直线Pth（闸值电流）3、温度特性1020304050P对温度不敏感，不用AT

10、C电路。P20304060804、可靠性工作寿命长，可靠性好，达3105小时，合34年。5、耦合效率低LED发散角大，耦合效率低。一般小于10%。四、应用中低速数字通信和模拟通信中LD与LED之比较LDLED1、P-I特性PP有阈值电流曲线有转折点无阈值电流曲线无转折点LDLED2、温度特性PP20406080受温度影响大，温度越高闸值电流越大，输出光功率越小。20406080受温度影响小，温度升高，输出光功率减少不大。3、光谱特性LDLED单纵模多纵模PPP谱线窄，功率大谱线宽，功率相对小4、方向性LDLED方向集中，发散角小方向不集中，发散角大5、耦合效率耦合效率高耦合效率低6、寿命相对较

11、短较长7、价格高低8、应用长途高速数字系统中低速数字或模拟系统3.5光发射机光发射机实现电/光转换。由光源、驱动器和调制器组成。功能是用电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。1、发射端机的组成及功能输入接口线路编码调制电路光源控制电路输入接口：将电端机送来的信号做码型变换，如将HDB3码变换为普通二进制码。线路编码：将普通二进制码变换为适合在光纤链路上传输的码型。调制电路：为光源提供调制电流。控制电路：主要是APC电路、ATC电路、光源保护电路等。光源：一般为发光二极管或半导体激光器，实现光电转换。2、光波的调制在光纤通信系统中，把随信息变化

12、的电信号加到光载波上，使光载波按信息的变化而变化，这就是光波的调制。在发射端采用光的幅度、频率、相位调制，在接收端采用相干检测的光调制解调的方式叫相干光通信。从本质上讲，光载波调制和无线电波载波调制一样，可以利用光波的振幅、强度、频率、相位和偏振随信号变化携带信息，也即有调幅、调强、调频、调相、调偏等多种调制方式。在光频段多采用光的强度调制方式。IMimmediacymodulate直接调制直接调制将要传送的信息转变为电流信号注入将要传送的信息转变为电流信号注入LD或或LED调制后的光波振幅的平方比例于调制信号（强度调制）调制后的光波振幅的平方比例于调制信号（强度调制）仅适应于半导体光源仅适应

13、于半导体光源简单、经济、容易实现简单、经济、容易实现响应带宽有限（响应带宽有限（2.5Gb/s）引入调制啁啾（正啁啾）引入调制啁啾（正啁啾）内调制外调制光强度调制：以信号去改变光的功率大小。接收端直接检波IM-DD（immediacymodulate-directdetection）方式调制方式内调制（直接调制）：直接用电信号去驱动光源。设备简单，但有啁啾，不利于高速调制。LED调制IPIPLD调制直接光调制图：偏置电流外调制：利用外调制器对激光器输出直流光信号进行调制。（间接调制）调制器电信号激光器直流驱动电路光信号解决了啁啾现象，适于高速数字信号（SDH/SONET）、模拟CATV、军事雷

14、达等，并且可进行幅度、相位、频率调制，但对光源和光调制器要求很高。3、LED的（模拟信号调制）驱动电路连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上，适当选择直流偏置的大小，使静态工作点位于发光管特性曲线线性段的中点，可以减小光信号的非线性失真。调制线性的好坏取决于调制深度m。设调制电流幅值为I，偏置电流为IB，则LED的数字驱动电路的数字驱动电路LED的数字驱动电路主要应用于二进制数字信号，驱动电路应能提供几十至几百毫安（mA）的“开”“关”电流。码速不高时，可以不加偏置；但在高码速时，需加小量的正向偏置电流，有利于保持二极管电容上的电荷。几种典型的LED数字驱动电路简单的共射极饱和开关电路低阻抗射

15、极跟随式驱动电路发射极开关式驱动电路高速LED驱动电路4、激光器的直接调制电路偏置电流和调制电流的选择偏置电流和调制电流的选择采用直接调制方式时，偏置电流的选择直接影响激光器的高速调制性质。选择直流预偏置电流应考虑以下几个方面：(1)加大直流偏置电流使其逼近阈值，可以大大减小电光延迟时间，同时使张弛振荡得到一定程度的抑制。LD无偏置和有偏置时脉冲瞬态波形和光谱LD加了足够的预偏置电流，调制电流脉冲幅度较小，预偏置后张弛振荡大大减弱，谱线减少，光谱宽度变窄；另外，电光延迟的减小，也大大提高了调制速率。-(2)当激光器偏置在阈值附近时，较小的调制脉冲电流即能得到足够功率的输出光脉冲，从而可以大大减

16、小码型效应。3)加大直流偏置电流会使激光器的消光比恶化。光源的消光比将直接影响接收机的灵敏度，为了不使接收机的灵敏度明显下降，消光如果激光器的偏置电流IB过大，势必会使消光比恶化，降低接收机的灵敏度。通常取IB(0.850.9)Ith。驱动脉冲电流的峰-峰值Im一般取Im十IB(1.21.3)Ith，以避免结发热和码型效应。所谓消光比，是指激光器在全“l”码时发送的光功率(P1)与全“0”码时发射的光功率(Po)之比，用dB表示为：(4)实验证明，异质结激光器的散粒噪声在阈值处出现最大值，如激光器正好偏置在阈值上，散粒噪声的影响较严重。因此，偏置电流的选择，要兼顾电光延迟、张弛振荡、码型效应、

17、激光器的消光比以及散粒噪声等各方面情况，根据器件特别是激光器的具体性能和系统的具体要求，适当的选择偏置电流的大小。由于激光器的电阻较小，因此激光器的偏置电路应是高阻恒流源调制电流幅度的选择，应根据激光器的特性曲线，既要有足够的输出光脉冲功率，又要考虑到光源的负担。考虑到某些激光器在某些区域有自脉动现象发生，Im的选择应避应避开这些区域。自动功率控制电路自动功率控制电路(APC)自动温度控制电路自动温度控制电路(ATC)激光器告警电路激光器告警电路光源慢启动保护电路光源慢启动保护电路激光器反向冲击电流保护电路激光器反向冲击电流保护电路激光器过流保护电路激光器过流保护电路激光器关断电路激光器关断电

18、路控制电路控制电路某信道功率的漂移，不仅影响本信道的传输性能，而某信道功率的漂移，不仅影响本信道的传输性能，而且通过且通过EDFA的瞬态效应影响其它信道的性能的瞬态效应影响其它信道的性能自动功率控制自动功率控制峰值功率控制：偏置电流控制峰值功率控制：偏置电流控制 调制电流幅值控制调制电流幅值控制平均功率控制：偏置电流控制平均功率控制：偏置电流控制通常要求：输出平均光功率通常要求：输出平均光功率:0-3dBm;不稳定度不稳定度:0.5dB(模块表面温度模块表面温度 0-50 C)消光比消光比:10dB自动功率控制电路自动功率控制电路(APC)激光器组件1、激光器组件：是指在一个紧密的结构体中，除

19、了激光二极管（LD）以外，还配置其他的元件以实现LD工作必需的外围器件。2、LD组件的构成图：驱动电路偏置电流信号电流监视光电二极管LD温度监控ATC电子制冷器光隔离器MQW-DFB激光器掺铒激光器一、重新编码的原因电码的缺点：双极性码，不能进行光纤传输简单二进制码的缺点：（1）码流中的0、1个数随机变化，使得直流分量也发生随机的起伏，从而影响了判决电平。（2）随机码流容易出现长串连0和连1，使得同步时钟的提取困难。（3）没有冗余码，不利于误码检测。所以必须重新进行光线路编码。4.6线路编码二、数字光纤通信系统对编码的要求：（1）减少光信号中的高频和低频分量。低频：容易导致基线的漂移，产生误判

20、。高频：使得系统带宽增加，加大电路设计的难度。（2）定时信息丰富避免长的连0和连1，使0、1交替分布。（3）有适当的冗余码。一定的冗余码可以用于平衡码流，误码检测，公务通信。但过多的冗余信息会降低接收机的灵敏度。1NRZ码（非归零码）NRZ码是最简单的码型。NRZ码很容易产生和译码，但它们没有内在的误差监测或纠错能力，也没有自有时钟（定时）特征。比特周期三、线路码型2RZ码（归零码）如果有足够的带宽富余度，则可将每个数据比特编为两个线路码比特，这就是RZ码的基础。在这些码型中，为了提供定时信息，既可在部分的也可在全部的比特周期内发生信号电平的变化。3、mBnB分组码将原始二进制码分组，m个为一

21、组，变换后为n个一组。（mn）新的分组以NRZ或RZ的格式传输。mBnB分组码可以提供足够的定时和检错信息，又因没有长0或长1，所以没有基线漂移问题；但使用这种格式，将面临带宽增加的代价，附加的冗余比特将以n/m的比率增加带宽。3B4B码3B4B0000000100000100011001010001010100110011101110001001100101010111011100110111011101111111输入：8种码字输出：16种码字mBnB码的优点：1、避免了长的连0和连1，定时信息丰富。2、总的0、1比例相等，基线漂移小。3、引入冗余码，便于误码检测。优点：改善了0、1分布，

22、使连0连1的情况改善。缺点：*不能完全控制连0连1的情况。*无冗余码来监控误码情况。*直流分量没有改善，不能解决基线的漂移。其他常用的mBnB码：1、1B2B码：光纤中采用CMI码（传号反转码）：编码表：二元码CMI（正码组）CMI（负码组）0010110010应用：三次群以下的系统。特点；编解码电路简单，但码速提高一倍。2、5B6B码：一、重新编码的原因电码的缺点：双极性码，不能进行光纤传输简单二进制码的缺点：（1）码流中的0、1个数随机变化，使得直流分量也发生随机的起伏，从而影响了判决电平。（2）随机码流容易出现长串连0和连1，使得同步时钟的提取困难。（3）没有冗余码，不利于误码检测。所以

23、必须重新进行光线路编码。4.6线路编码二、数字光纤通信系统对编码的要求：（1）减少光信号中的高频和低频分量。低频：容易导致基线的漂移，产生误判。高频：使得系统带宽增加，加大电路设计的难度。（2）定时信息丰富避免长的连0和连1，使0、1交替分布。（3）有适当的冗余码。一定的冗余码可以用于平衡码流，误码检测，公务通信。但过多的冗余信息会降低接收机的灵敏度。1NRZ码现在已有好几种不同的NRZ码得到了广泛应用，它们的带宽可作为其它码组的参考。最简单的NRZ码就是NRZ电平（NRZ-L），如图所示。这些码很容易产生和译码，但它们没有内在的误差监测或纠错能力，而且也没有自有时钟（定时）特征。比特周期图N

24、RZ-L数据模式的一个例子另外，NRZ码有最小的带宽需求，但接收机的平均输入功率却依赖于数据的模式。例如很长的1码出现时，接收功率的高电平将会导致基线漂移基线漂移效应。这种效应是由于接收机的交流耦合滤波器的低频特性引起脉冲拖尾的积累所造成的。当接收机在很长的连1码后恢复到原来阈值的过程很慢，而下一个1码到来时幅度又较低时，就有可能产生误码。三、线路码型2RZ码如果有足够的带宽富余度，则可将每个数据比特编为两个光线路码比特，这就是RZ码的基础。在这些码型中，为了提供定时信息，既可在部分的也可在全部的比特周期内发生信号电平的变化。下图给出了RZ码的一些码型，图(a)是基带（NRZ-L）数据，(c)

25、是单极RZ码。NRZ-L基带数据时钟信号单极性RZ码双相码或光曼切斯特码变换图RZ码型：(a)NRZ-L基带数据；(b)时钟信号；(c)单极性RZ码；(d)双向码或光曼切斯特码；(e)曼切斯特数据在比特周期内发生的电平转换1、分组码一种高效率的冗余二进制码是mBnB分组码，即将由m个二进制比特构成的分组，转换为由n个（nm）二进制比特构成的分组。新的分组以NRZ或RZ的格式传输。mBnB分组码可以提供足够的定时和检错信息，又因没有长0或长1，所以没有基线漂移问题；但使用这种格式，将面临带宽增加的代价，附加的冗余比特将以n/m的比率增加带宽。3B4B分组码如下：数字3B4B方式1方式201234

26、5670000010100111001011101110100001101010110100110101100001010110011010101101001101011001101四、线路编码mBnB码将原始二进制码分组，m个为一组，变换后为n个一组。（mn）编码原理（以3B4B码为例）3B4B0000000100000100011001010001010100110011101110001001100101010111011100110111011101111111输入：8种码字输出：16种码字怎么从16个码字中选出8个码字表示原始码？mBnB码的优点：1、避免了长的连0和连1，定时信息丰富。2、总的0、1比例相等，基线漂移小。3、引入冗余码，便于误码检测。优点：改善了0、1分布，使连0连1的情况改善。缺点：*不能完全控制连0连1的情况。*无冗余码来监控误码情况。*直流分量没有改善，不能解决基线的漂移。其他常用的mBnB码：1、1B2B码：光纤中采用CMI码（编号反转码）：编码表：二元码CMI（正码组）CMI（负码组）0010110010应用：三次群以下的系统。特点；编解码电路简单，但码速提高一倍。2、5B6B码：是码速提高，设备简单的折中。应用在我国的3次群和4次群系统。