11光通信4-1.ppt

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1、目目录录第一章第一章信息与信号信息与信号第二章第二章光通信的一般概念光通信的一般概念第三章第三章传输光路传输光路第四章第四章光发射机光发射机第五章第五章光接收机与基本光纤数字通信系统光接收机与基本光纤数字通信系统第六章第六章基于电复用的光纤通信系统基于电复用的光纤通信系统第七章第七章光放大光放大第八章第八章光路复用技术光路复用技术第四章第四章光发射机光发射机概述概述第一节第一节光发射机使用的光源光发射机使用的光源第二节第二节光的调制光的调制第三节第三节直接调制光发射机直接调制光发射机第四节第四节外调制外调制第五节第五节线路编码线路编码 光纤通信系统的基本组成-1光端机光端机光端机光端机电端机电

2、端机电端机电端机电信号输入电信号输入电信号输出电信号输出传输光路传输光路电电/光光光光/电电前端前端前端前端网卡网卡电信号输入电信号输入网卡网卡电信号输出电信号输出传输光路传输光路光纤通信系统的基本组成-2光纤通信系统的基本组成-3电/光光/电前端前端主机电信号输入主机电信号输出传输光路光卡光卡概述电信号转化为光信号的这部分电路被称为电信号转化为光信号的这部分电路被称为光发射机光发射机。线路线路编码编码驱动驱动电路电路LD或LED控制电路控制电路电信号输入电信号输入光信号光信号光发射机的功能光发射机的功能电电光光变变换换-将将信信息息从从电电信信号号“搬搬移移”到到高高端端电电磁磁波波（光光）

3、的的电电路路组组件件,及及完完成成为为了了适适应应光光信信号号的的有有关关信信号号变换变换(线路编码线路编码)输输入入的的是是双双极极性性数数字字电电信信号号(电电压压)，输输出出的的是是“有有光光”、“无光无光”或或“光平光平”高低代表的数字信号高低代表的数字信号(功率功率)在在光光通通信信系系统统中中，可可能能的的承承载载信信息息的的参参量量有有光光的的强强度度、光的频率光的频率、光的相位光的相位、光的偏振光的偏振.现在成熟利用的光的参量是强度，偏振现在成熟利用的光的参量是强度，偏振。“IM-DD”IM-DD”（强度调制强度调制-直接检测）直接检测）是这样一种电路，其功能是是这样一种电路，

4、其功能是将输入的数字电信号转化将输入的数字电信号转化为用光的强度表征信息的数字光信号为用光的强度表征信息的数字光信号第一节第一节光发射机使用的光源光发射机使用的光源4.1.1光纤通信系统对光源的要求光纤通信系统对光源的要求4.1.2半导体激光器半导体激光器（LD）4.1.3发光二极管发光二极管(LED)4.1.1.通信系统对光源的要求1.与光纤匹配：2.电接口：3.可靠性要求电接口1.与光纤匹配：与光纤匹配：1）芯径小，几到几十微米，芯径小，几到几十微米，发光面积和体积，高的光耦合效率发光面积和体积，高的光耦合效率2）波波长长要要求求：石石英英光光纤纤低低损损耗耗区区：1.21.6微微米米3）

5、带宽要求）带宽要求4）功率要求：大于）功率要求：大于1mW2.电接口：电接口：1）高速调制：高速率的信号高速调制：高速率的信号2）光电集成（）光电集成（OEIC）3）耐压、耗电（发光效率）耐压、耗电（发光效率）3.可靠性要求可靠性要求4.1.2.半导体激光器半导体激光器1基本原理基本原理2.材料与结构材料与结构3.基本特性基本特性LD（laserdiode）基本原理基本原理三个基本条件三个基本条件:具有能够形成粒子数反转的具有能够形成粒子数反转的工作介质工作介质。激励源激励源提供能量，在有源区内形成粒子数反转提供能量，在有源区内形成粒子数反转激光源可以是电流、电场或者光。激光源可以是电流、电场

6、或者光。光学光学谐振腔谐振腔，稳定的振荡输出和单一的谱线，稳定的振荡输出和单一的谱线IP能带结构Ef 费米能级导带禁带价带价带禁带导带kE对于大量电子组成的近独立体系，每个能量为E的单电子态，被电子占据的概率为：掺杂后的能级分布掺杂后的能级分布N型半导体P型半导体兼并N型半导体的费米能级禁带兼并P型半导体的费米能级禁带PN结P区N区费米能级图4.1-4热平衡时PN结的能带PN结增益区图4.1-5 加正向电压后PN结的能带费米能级费米能级P区N区电子空穴光学谐振腔1.法布里法布里-珀罗谐振腔：晶体的天然解理面珀罗谐振腔：晶体的天然解理面2.分布反馈激光器分布反馈激光器(DFB):光栅结构光栅结构

7、3.Bragg反射激光器反射激光器(DBR):光栅结构光栅结构材料与结构-材料 1.材料:导带价带禁带导带价带禁带 直接能隙材料（左）和间接能隙材料（右）材料与结构-材料 1.材料材料:同质结同质结:PN结的两边都是同种材料，具有相同的禁带宽度结的两边都是同种材料，具有相同的禁带宽度 异质结异质结:PN结的两边都是异种材料结的两边都是异种材料 双异质结双异质结:宽带隙的型半导体和型半导体（比如宽带隙的型半导体和型半导体（比如aAlAs）中间，插入一中间，插入一个薄层的窄带隙的有源区材料（比如个薄层的窄带隙的有源区材料（比如GaAs）材料与结构-结构 解理面解理面NP耗尽层耗尽层金属电极金属电极

8、金属电极金属电极材料与结构单纵模激光器 DFB激光器:激光反馈周期性地分布在整个光腔长度上。DBR激光器：Bragg光栅处于有源区之外P型N型P型N型常用的激光器常用的激光器同轴型同轴型FP激光器激光器n法布里-珀罗谐振腔：晶体的天然解理面解理面解理面NP耗尽层耗尽层金属电极金属电极金属电极金属电极技术指标常用的激光器常用的激光器同轴型同轴型FP激光器激光器管脚定义常用的激光器常用的激光器同轴型同轴型FP激光器激光器常用的激光器常用的激光器 DFB激光器激光器n双列直插n蝶形封装引脚PinFunctionPinFunction1TEC(+)8PD(+)2NC9LD(-)3NC10CASE4NC

9、11Thermistor5LD(+)12Thermistor6NC13NC7PD(-)14TEC(-)常用的激光器常用的激光器 DFB激光器激光器3基本特性 1）发光特性(1)发光曲线和阈值特性(2)光谱特性(3)温度特性(4)光斑、发散角和耦合效率(5)噪声特性 2）电特性(1)电压-电流曲线(2)发光效率(3)电光调制特性 发光曲线和阈值特性发光曲线和阈值特性注入电流注入电流荧光，激光荧光，激光PIIth半导体激光器半导体激光器发光特性发光特性F-P光谱特性多谱线，模式多，选频特性不好多谱线，模式多，选频特性不好DFB光谱特性温度特性I温度特性PT温度的变化温度的变化主要影响半导体激光器的

10、两个参数：主要影响半导体激光器的两个参数：输出光功率输出光功率（包括阈值的变化）（包括阈值的变化）发射激光的波长发射激光的波长电压-电流曲线 IV半导体激光器的电特性发光效率发光效率功率效率：功率效率：量子效率量子效率内量子效率定义为：内量子效率定义为：有有源源区区内内每每秒秒钟钟产产生生的的光光子子数数/有有源源区区内内每每秒秒钟钟注注入入的的电电子子空穴对数空穴对数外量子效率外量子效率外微分量子效率外微分量子效率电光调制特性电光调制特性时间延迟时间延迟 纳秒级张驰振荡张驰振荡 当电子密度或光子密度达到最大值时，输出光脉冲会出现一个衰减的振荡，称为张弛振荡。它是激光器内部的固有特性，频率一般

11、为几百兆赫兹。自脉动现象自脉动现象 当滤光器的注入电流达到一定值时，会出现一种连续的振荡，称之为自脉动现象。它源于激光器内部的非线性增益。4.1.3.发光二极管发光二极管LED(light emitting diode)LED是一种将电能转化为可见光的半导体。是一种将电能转化为可见光的半导体。1、发光效率高；、发光效率高；2、寿命长、寿命长;LED灯最长可达灯最长可达100000小时小时.3、故障低，免维修；、故障低，免维修；4、响应时间短、响应时间短;只有只有60钠秒，启动十分迅速；钠秒，启动十分迅速；5、体积小、重量轻、体积小、重量轻;6、LED色彩鲜艳丰富色彩鲜艳丰富;7、单色性好，绿色

12、照明光源，废弃物可回收，没有污染；、单色性好，绿色照明光源，废弃物可回收，没有污染；8、单个单个LED的光通量小的光通量小;9、平面发光，方向性强平面发光，方向性强;10、控制方便。、控制方便。LED照明的特点：照明的特点：LED(light emitting diode)LED 手电LED(light emitting diode)LED闪光灯闪光灯手机上的手机上的LED手电筒手电筒LED(light emitting diode)LED太阳能路灯太阳能路灯LED(light emitting diode)LED矿矿灯灯LED(light emitting diode)奥迪A6汽车上的LED

13、频闪车灯LED(light emitting diode)LED汽车车灯汽车车灯LED(light emitting diode)LED(light emitting diode)LEDLEDLEDLED(light emitting diode)采用红、绿、蓝三种基础色采用红、绿、蓝三种基础色LED，通过电脑控制十万个控，通过电脑控制十万个控制点，上百万个器件，呈现出制点，上百万个器件，呈现出1600万种颜色。万种颜色。LED(light emitting diode)LED(light emitting diode)4.1.3.发光二极管发光二极管1基本原理基本原理2.结构和分类结构和分类

14、3.基本特性基本特性(1)发光特性发光特性(2)电特性电特性1基本原理基本原理没有光学谐振腔没有光学谐振腔不论注入电流有多大，受激辐射都不能占优不论注入电流有多大，受激辐射都不能占优自发辐射过程自发辐射过程,阈值无限大阈值无限大发射出普通的非相干光。发射出普通的非相干光。2.结构和分类面发光边发光限制层双异质结光纤金属电极面发光二极管的结构3.基本特性基本特性(1)发光特性发光特性1)发光曲线发光曲线 2)光谱特性光谱特性 3)温度特性温度特性 4)耦合效率耦合效率(2)发光二极管的电特性发光二极管的电特性 1）电压）电压-电流曲线电流曲线 2）电光调制特性）电光调制特性 发光曲线发光曲线PI

15、半导体发光二极管半导体发光二极管发光特性发光特性LED的发光曲线几的发光曲线几乎成乎成线性线性在在发发光光曲曲线线的的起起始始阶阶段段，有有小小的的弯弯曲曲，会会引引起起调调制制的的非非线线性失真性失真。可可以以采采用用补补偿偿的的方方法克服非线性失真法克服非线性失真光谱特性温度特性PT增加I温度特性耦合效率耦合效率 由于由于LED的光斑大，发散角大，所以与的光斑大，发散角大，所以与光纤耦合困难。光纤耦合困难。当当LED与与光光纤纤直直接接耦耦合合事事，耦耦合合效效率率可可达达4%，非常低。必须使用微透镜。，非常低。必须使用微透镜。电压-电流曲线 IV发光二极管的电特性电光调制特性 LED的响

16、应特性受到载流子自发辐射复合寿命的限制，调制速率比半导体激光器小得多。调制速率可以达到数百兆赫兹量级，可用于传输视频信号。半导体激光器和发光二极管比较光 谱特性出光功率温度特性响应速度相干性 可靠性 价格适用场合LD窄，色 散影 响小mW数量级影响大，动态范围小较快易于高速调制较好较易损坏，寿命较短比较贵长 距 离、大容量系统LED宽，色 散影 响大W和nW量级特性好，动态范围大慢较调制频率不能太高差不易损坏，可靠性高比较便宜近 距 离、中小容量系统国产半导体光源的典型指标器件参数1.31mLED1.55mLED1.31mLD组件1.55mLD组件光纤类型(模式)多单多单多单多单发射波长(m)1.31.31.521.521.31.31.551.55输出功率(W)5063532000100020001000工作电流(mA)150150150150阈值电流(mA)30305050光谱半宽(nm)707080803131上升下降时间(ns)2.52.52.52.50.50.50.50.5正向压降(V)1.51.51.51.51.51.51.51.5工作温度()-10+50寿命(hrs)105