光纤通信第三章+光发射机

LED 模拟调制原理图
LED 调制带宽
Source Bandwidth Constraints The light source limits the highest modulation
frequency for two reasons:
1) Junction and parasitic capacitance. （结电容和寄生电容） 2) Non-zero carrier lifetimes. (载流子寿命)
辐射与跃迁
电子可以在不同的轨道间发生跃迁，电子吸收
能量可以从低能级跃迁到高能级或者从高能级跃
迁到低能级从而辐射出光子
E2 E2
E2
h
E1
h
E1
h
E1
h h
受激辐射
自发辐射
受激吸收
发光二极管
光电二极管
激光器
自发辐射
处于高能级的粒子，各自分别发射频率 ν=(E2-E1)/h的光波 只与原子本身的性质有关，与外界存在的光子数无关
optical fiber 光源
semiconduct or laser
optical modulat or
optical 光纤 fiber
optical receiver
phot odet ect or
optical 光纤 fiber
optical preamplifier
中继器 repeater
基本结构 面发光型（SLED），边发射型（ELED）
V
-
面发射LED
朗伯光 半功率光束宽度120˚
载流子注入
25 mm
2.5 mm
优点：驱动电流小，成本低 缺点：发散角大，耦合效率低
P(q) = P0cosq
边发射LED
载流子注入
30º 50~70 mm 100~150 mm 120º
优点：与面发光LED比，光出射方向性好 缺点：需要较大的驱动电流、发光功率低
边发光的LED:300MHz 面发光的LED:17~35MHz
LED小结
p LED
i
n

特点
+
V
-
1）非相干光源，谱线较宽、方向性较差
2）无阈值电流，输出功率基本上与注入电流成正比 4）响应速度慢，只适用于较低速通信系统 5）驱动电路简单、不需要温控和功控 6）可靠性高、寿命长、成本低
应用场合：短距离光纤传输，可见光通信
LD


LD基本原理
发辐射与受激辐射
LASER 原理
反射镜
(受激辐射的光放大) Laser
Light Amplification by Stimulated
R1
泵浦
增益介质
L
R2
激光器产生激光的条件是：
增益介质：增益 > 损耗 泵浦源：粒子数反转
Emission of
Radiation
谐振腔：光反馈 相位锁定， 波长选择
光发送机中的自动温度控制电路
激光器
热导 热敏电阻 温度控制电路
制冷器
激光器的温度主要影响发射波长 控制精度达到0.01º C 波长稳定性达到200MHz/24小时
光发送机中的自动功率控制电路
自动功率控制（APC）电路 偏置电流 PD 热导 制冷器 激光器 热敏电阻 温度控制电路
由光检测器来感应激光器后端面辐射光功率的变化，并 与参考功率相比较，然后根据比较结果自动调整直流偏
美国电子工业协会（EIA）制定的工业标准


19英寸标准机柜的“19英寸”表示机柜中安置的机架式设备的宽度
机柜内设备安装所占高度用一个特殊单位―U‖表示；使用19寸标准机 柜的设备面板一般都是按nU的规格制造 。1U=44.45mm=1.75英寸

没有1U的机柜,只有1U的设备,机柜6U--47U不等；例如，一台42U
h
E1 E2
h h
受激辐射
长、相位、偏振和传播方向
光源
发光二极管LED与激光器laser
E2 E2
h
E1
h
E1
h h
ห้องสมุดไป่ตู้受激辐射
自发辐射
发光二极管
激光器
LED


LED原理
LED特点 LED小结
发光二极管 LED
基本原理：外加电场实现粒子数反转，
p LED
i
+
n
大量电子-空穴对的自发复合导致发光
自发辐射与受激辐射
能级(孤立原子）
原子核
低能级
高能级 电子优先抢占低能级
电子
能级理论是一种解释原子核外电子运动轨道的一
种理论。它认为电子只能在特定的、分立的轨道
上运动，各个轨道上的电子具有分立的能量，这
些能量值即为能级。
能带(晶体，大量原子阵列）
N=4
电子能量 电子能量
N=9
原子间距
原子间距
optical t ransmitt er elect ronics optical receiver
eiver ronics
光放大器
optical amplifier
electrical signal 电信号 optical signal 光信号
optical 光纤 fiber
信宿
information receiver receiver elect ronics
光器、 量子阱激光器、 VCSEL激光器
制作激光器的半导体材料
禁带宽度决定了激光器的激射波长，不同的半导体材料禁带
宽度不同，需要根据所需波长范围选择材料
光接收机 optical receiver
phot odet ect or optical preamplifier
内容提要
光发送机 光源（LED&LD)
LD动态特性与调制
光发送机
将数字或者模拟电信号加载到光波上，并耦合进 光纤中进行传输 核心器件：光源、调制器
正面
背面
机柜和机架设备的规格与标准
LED 调制带宽
Example: Digital Modulation is These charges produce these photons.
t
Po tr
Input Current
t
Output Power
Large increases the pulse rise time tr . Large broadens the output pulse.
非本征半导体材料：p型
B
受主杂质
掺入第III族元素(如硼B,铟In,镓Ga,铝Al)，晶体只需要很少的能量 DEA < Eg 就可以产生自由空穴
PN结
讨论：什么是PN结？
浓度的差别导致载流子的扩散运动,平衡时，中间形成一个特殊 的区域-pn结，它阻挡了载流子的扩散运动，因此也称为耗尽区。
反向偏压
置电流，最终使光功率峰值保持为一个稳定值。
高精度温控与低纹波恒流流源
参数名称
输出电流量程 调谐精度 电流纹波 温控范围 温控精度 功耗
特性指标
100mA/300mA可选 0.01mA <1μA 10℃—40℃ 0.001℃ 小于15W
优点： 高电流稳定度：纹波在μA量级。
外接电源
储存温度 工作温度 TEC工作电压
220V
-40~85 ℃ -20~65 ℃ 5V 短路保护 缓启动保护 反接保护 TEC短路保护 防浪涌保护
高精度温控：精度在0.001℃量级。
自动保护功能：激光器短路保护， 反接保护，慢启动保护，
激光器保护
TEC短路保护，防浪涌保护。
操作简便：人性化控制面板设计
光纤通信对光源的要求
电子能量
Nà∞
原子间距
能带理论
能带结构由多条能带组成，能带分为传导带（简称导带）、价 电带（简称价带）和禁带 能带结构可以解释导体、半导体、绝缘体三大类区别的由来
讨论：金属，半导体和绝缘体的区别？
非本征半导体材料：n型
+5 As+4
施主杂质
掺入第V族元素(如磷P, 砷As, 锑Sb)后，某些电子受到 很弱的束缚，只要很少的能量 DED (0.04~0.05eV) 就能 让它成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。
Signal i
LED
t 1 0 1 t
Input Current (Signal)
LED 模拟调制
Optical Power
Psp Pdc Optical Power t Idc i
Idc is LED i
0
Isp
Bias Signal
t
Input Current (Signal)
LED 模拟调制
第三章：光发送机
刘建国
中国科学院大学
repeater
optical t ransmitt er
光纤通信链路
optical receiver
elect ronics
optical transmitter 光发送机
drive elect ronics
信源
information source
optical amplifier

波长准：窗口之内，符合ITU标准
功率高：以满足系统对光中继段距离的要求
高可靠：寿命长，可靠性高


单纵模：以减少光纤的材料色散
噪声低: 以提高模拟调制系统的信噪比 高线性: 以保证模拟调制不失真
。。。。。。
最常用的光源

光纤通信中最常用的光源是:
半导体激光器（LD 发光二极管（LED
n
h v
p
外加正偏压 à 注入载流子 à 粒子数反转 à 载流子复合发光
发光材料的选择
讨论：什么是直接带隙、间接带隙？
直接带隙： 导带的最低位置位 于价带最高位置的正上方；电 子空穴复合伴随光子的发射。 III-V 族元素的合金，典型的如 GaAs等。
间接带隙： 导带的最低位置不 位于价带最高位置的正上方； 电子空穴复合需要声子的参与， 声子振动导致热能，降低了发 光量子效率。
Laser Diode
）
pn-junction
Light Emitting Diode）

尤其是单纵模（或单频）LD，在高速率、大容量的 数字光纤系统中得到广泛应用；

近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是多信道WDM 光纤通信系统的关键器件，越来越受到人们的关注 。
物理基础


原子的能级、能带以及电子跃迁
单词，从理论上指出可以用光激发原子，产生一束相干光束，
之后人们为其申请了专利
1960年 美国加州Hughes 实验室的Theodore Maiman实现了
第一束激光
半导体激光器
半导体激光器的优点：尺寸小，耦合效率高，响应 速度快，波长和尺寸与光纤尺寸适配，可直接调制， 相干性好。
按结构分类： F-P 激光器、 DFB激光器、 DBR激
激光诞生（laser）
1917年 爱因斯坦提出“受激辐射”理论，一个光子使得受
激原子发出一个相同的光子。
1953年 美国物理学家Charles Townes用微波实现了激光器 Townes的博士生Gordon Gould创造了“laser‖这个
的前身：微波受激发射放大（首字母缩写Maser） 1957年


各个处于高能级的粒子都是自发地、独立地进行跃迁，其辐
射光子的频率不同，所以自发辐射的光的频率范围很宽 自发辐射光是由不同频率、不同相位、不同偏振方向的光子 组成，是非相干光，各光子彼此无关
E2
h
E1
自发辐射
受激辐射
处于高能级E2的粒子受到光子 能量为h ν的光照射时，粒子会 由于这种入射光的刺激而发射 出与入射光一模一样的光子， 并跃迁到低能级E1上。 出射光与入射光具有相同的波
的机柜理论上可以安装42台1U高的设备，但实际一般放10-20个正 常,因为他们之间需要间隔散热
光发送机基本结构
微波/电接口 使光源有恒定 的光输出功率 功控 温控
光发射机
数字或模拟电信号
驱动电路
调制器
光隔离器
光源 保持光源恒定的温 度，保证激光参数 的稳定性（波长）
防止LD输出的激 光反射，实现光 的单向传输
LED 调制带宽
从电的角度看，光电检测器输出电功率变为原来一半，即系 统输出光电流变为0.707时所对应的频率定义为3-dB带宽，即 电3-dB带宽
Typical LED bandwidths are on the order of 1 MHz to 100 MHz.
LED的响应速度
响应速度比激光器低
LED的P-I特性
无阈值
LED的光谱特性
自发辐射，谱线较宽，几十到上百nm
随着温度升高或驱动电流增大，谱线加宽，且峰值波
长向长波长方向移动
LED的温度特性
随温度 升高， 量子效 率降低， 无阈值。
LED 数字调制
Optical Power Optical Power Output 1 0 1
n型 耗尽层 p型
U
反向偏压使耗尽区加宽
扩散运动被抑制，只存在少数载流子的漂移运动
正向偏压
n型耗尽层 p型
正向偏压使耗尽区变窄, 使得多数载流子在结区扩散
U
导致p型（或者n型）内的少数载流子浓度大大增加。
与多数载流子的复合是产生光辐射的机理。
电致发光
正向偏压使pn节形成一个增益区： -导带主要是电子，价带主要是空穴，实现了粒子数反转 -大量的导带电子和价带的空穴复合，产生自发辐射光