有源光器件专题-光收发器件

温度对DFB激光器的影响 温度对DFB激光器的影响
阈值电流变大 阈值波长 向长波长方向移动
图 2.3.1-B λ/4 DFB 激光器的阈值波长及阈值电流 与有源区的温度的关系
注入电流时激光器的空间载流 子及光子浓度分布
图 2.3.6-A 常规 DFB 激光器的注入电流对激光器 的有源区的载流子浓度及光子浓度分布的影响
传统的DFB激光器的波长调节
– 利用温度调节~0.1nm/OC – 范围有限
可调波长激光器
– – – –
多段DFB DBR VSECL 外腔激光器
多段DFB激光器 多段DFB激光器
DBR激光器 DBR激光器
可调EML激光器 可调EML激光器
VCSEL原理 VCSEL原理
可调波长的VCSEL 可调波长的VCSEL
DWDM激光器的要求 DWDM激光器的要求 －波长稳定
波长稳定技术
– 温度反馈控制技术 – 波长反馈控制技术
MQW-DFB 激光器 外调制器 2.5Gbit/s 光输出信号 温度-波长控制 温度 波长控制 /监控电路 监控电路 2.5Gbit/s 驱动器 2.5Gbit/s 电输入信号
外部波长反馈输入
高频响应
– 2.5Gb/s信号，要求达到~1.8GHz – 10Gb/s信号，要求达到~8GHz
低频响应
– 2.5Gb/s信号，要求达到~300kHz – 10Gb/s信号，要求达到~100kHz
低频响应直接影响允许的长0及长1码个 数
接收器件的响应速度（1 接收器件的响应速度（1） 封装电容及电阻
[
1 ∂ ∂ + ( g0 + jδ ) + ]RF ( z, t ) = − jKRB ( z, t ) ∂z vg ∂t
DFB激光器的耦合波方程 DFB激光器的耦合波方程 ----分析激光器的静态特征 ----分析激光器的静态特征
∂ 1 ∂ [ + ( g0 + jδ ) + ]RF ( z, t ) = − jKRB ( z, t ) ∂z vg ∂t ∂ I (t ) 1 2 2 N ( z, t ) = − [ AN ( z, t ) + BN 2 ( z, t ) + CN 3 ( z, t )] − g ( z, t )( RF + RB ) ∂t eV vg z = 0 : RF (0, t ) = ρl RB (0, t ) z = L : RB ( L, t ) = ρ r RF ( L, t )
DFB激光器原理 DFB激光器原理
DFB Laser AR AR
Corrugated Grating ∆g Loss
Fabry-Perot Laser
λ λ0
Loss
λ λ0
∆g
Gain
Gain
Wavelength Single Frequency (a) 图 2-1
Wavelength Multi-mode (b)
外调制技术
电吸收外调制器 Mach-Zehnder外调制器
– LiNbO3外调制器 – III-V外调制器
电吸收外调制器
物理效应 Franz-Kledish Stark Shift Wannier-Stark
调制器结构 条型 多量子阱 超晶格
Henry系数 基本上为正 可以达到负 可以达到负
开态时吸收率 大 小 很小
DFB激光器的直接调制性能 DFB激光器的直接调制性能
张弛振荡不可避免 啁啾系数较大:~0.7
直接调制DFB激光器的啁啾 直接调制DFB激光器的啁啾
定义
传输距离 80km
E = I ⋅ e jΦ ( I ) ⋅ e jϖ 0t
dE (t ) Im( E (t ) ) dt αm = = ∂I dE (t ) * 1 /(2 I ) Re( E (t ) ) ∂t dt
E2
αm =
∆ β 2 ( t ) + ∆β 1 ( t ) π ⋅ c tan( (V2 (t ) − V1 (t )) ∆β 2 ( t ) − ∆β 1 ( t ) 2Vπ
啁啾系数容易控制，可以为０，也可以为负
LiNbO3外调制器 LiNbO3外调制器
集成III集成III-V外调制／激光器
更长的工作波长 更稳定的波长特征+更灵活的波长特征 更稳定的波长特征 更灵活的波长特征 更快的响应速度 更小的RIN噪声及线宽 更高的集成度 更长的寿命
光发送器件基本原理
半导体发光原理
自建场
P
N
P
n
N
空间电荷区
PN结 N
Ef
有源区
eV0
P
折射率
n1-n2 eV
光强
PN结能带结构
半导体激光器
发光三要素： 谐振腔 增益物质 激励
光纤通信系统中的 光接收与光发送器件
2001-06
主要内容
光纤通信系统对光接收发送器件的需求 光接收器件基本原理 光接收器件发展趋势 光发送器件基本原理 光发送器件发展趋势
光纤通信系统中 光接收发送器件的应用
终端设备（光发送机） 终端设备（光发送机）
终端设备（光接收机） 终端设备（光接收机）
光接收器件
2.5Gb/s APD/FET
10Gb/s PIN/FET
APD的温度特征 APD的温度特征
温度升高，Vb增大，M下降 dVb/dT~ 0.1V/oC 温度升高，噪声电平提高
光发送器件
光纤通信系统的光发射机
APC 电路
电信号 光输出
调制电路
激光器 制冷器
温控电路
性能检测
光通信系统对光发送器件的要求
VCSEL
Micro-ECL
长 距 离 、 Metro 、 OADM
光发送器件的其它应用
EDFA泵浦激光器980nm/1480nm Raman放大器
光发送器件的安全性要求
谢谢
图 2.3.6-A λ/4 DFB 激光器的注入电流对激光器 的有源区的载流子浓度及光子浓度分布的影响
注入电流对激光器的影响
注入电流增加使得激光器的输出光功率 变大 注入电流增加使得激光器的有源区空间 载流子浓度变大,导致波长向短波长方移 动:脉冲注入电流 注入电流增加使得激光器的有源区的温 度升高,导致波长向短波长方移动 综合以上:连续注入电流时 ~0.01nm/mA
PIN
放大器
Cd--分布电容 Gd--分布电阻
Rs—接触电阻 Rb—偏置电阻
接收器件的响应速度（2 接收器件的响应速度（2） transit time
零场区光生载流子的扩散时间 耗尽区光生载流子的漂移时间 雪崩倍增建立时间
接收器件的响应速度(3) 接收器件的响应速度(3) RF接头 RF接头
*
∂Leabharlann Baidu ∂t
60km
-0.7
啁啾因子
正啁啾与色散的影响类似，导致脉冲展宽，缩 短传输距离
啁啾缩短传输距离
随着脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽 无啁啾光源的传输距离：
B 2 * L * D ≤ 105 (Gb / s ) 2 * km * ( ps / nm / km)
理想无啁啾光源传输距离： 2.5Gb/s：G.652光纤传输1000km(17000ps/nm) 10Gb/s： G.652光纤传输60km(1000ps/nm) 直接调制激光器的传输距离： 2.5Gb/s： G.652光纤传输<180km(3200ps/nm)
)n
APD的结构 APD的结构
PIN的主要指标 PIN的主要指标
光电转换效率/响应度 暗电流 响应速度(带宽)
APD的主要指标 APD的主要指标
光电转换效率 暗电流 雪崩倍增噪声（APD） 雪崩倍增因子M（APD） 响应速度（增益带宽积）
光接收器件组件 PIN/FET及 PIN/FET及APD/FET
光接收器件组件中的 前置放大器
AR H (ϖ ) = 1 + jϖRC 电压放大器
−A RF H (ϖ ) = ( ) A + 1 1 + jϖC RF A +1 互阻放大器
互阻放大器的优点
放大器增益受限于反馈电阻，容易实现 放大器带宽宽，无须额外的均衡电路， 从而提高动态范围 较低的噪声指数
光接收器件组件的主要指标
外腔激光器
各种可调激光器的性能对比
激光器类型 DFB DBR 优点 波长稳定性 生产工艺成熟 快速调节时间 宽调节范围 线宽窄（O/P） ，模式 稳定、易于耦合、低 功率消耗 大输出光功率，窄线 宽，低 RIN，连续调 节，宽调节范围 缺点 输出光功率低 有限的调节范围 低输出光功率，线宽 宽，不可连续调节， 波长稳定性差 输出光功率低， 目 前 产 品 多 在 850/1310nm 切换时间慢，对振动 敏感 应用场合 波长备份、窄调节应 用 Access 、 Metro 、 OADM Metro、Access
接收机灵敏度 接收机的光口反射
接收机灵敏度
定义：BER达到特定指标(1e-12)时，要 求的最小输入光功率 量子极限灵敏度
影响接收机灵敏度的因素影响接收机灵敏度的因素-噪声
接收器件噪声
– 量子噪声 – APD器件的雪崩噪声
前置放大器件的噪声
– 偏置电阻的热噪声 – 放大电路的噪声
影响接收机灵敏度的因素影响接收机灵敏度的因素-带宽
光纤通信系统的光接收机
光电 变换 前置 放大 主放 大器 均衡 滤波 判 决 器 译 码 器
输出
AGC电路
时钟恢复
光通信系统对光接收器件的要求
更长的工作波长，更高的波长响应度 更快的响应速度 更小的噪声 更好的温度特性 更小的体积 更长的寿命
光接收器件基本原理
光电效应 接收机组件
光电效应
• 光电流 Ip = R • Pin • 量子效率的波长特性 eη R= hυ • 光电效应前提 h υ > E g ，即 λ < λ c = hc / E g
光功率
V0
P
耗尽区
N
不同材料的接收器件响应度
PIN光电二极管 PIN光电二极管
V0
P
I
耗尽区
N
I: 增加的一层重搀杂的N层，用于增大耗 尽区的宽度，提高量子效率
PIN的结构 PIN的结构
APD光电二极管 APD光电二极管
V0
+ P
I
耗尽区 吸收
P N+
增益
利用“雪崩”效应倍增= g
1− (
1 V − I pR VB
设置输入/监控输出 设置输入 监控输出
激光器波长的长时间漂移：0.1~0.2nm 采用无源器件进行波长锁定，可以有效防止波 长随着时间的漂移，波长漂移<5GHz
波长锁定技术原理 －采用Fabry-Perot标准具 －采用Fabry-Perot标准具
OXC激光器的要求 OXC激光器的要求 －波长可调
外光路反馈的影响
DFB激光器外光路的反馈等价于激光器端面反 射率的变化
外光路的反馈
引起的激光器的波长变化量与相位有关 引起的激光器的波长最大变化与反射率有关 在动态调制时引入额外的chirp
DFB激光器的速率方程 DFB激光器的速率方程 ----分析激光器的动态特征 ----分析激光器的动态特征
消光比 小 大 小
集成电吸收外调制/ 集成电吸收外调制/激光器
集成电吸收外调制/ 集成电吸收外调制/激光器 传输性能
发送端眼图
传输8X80km后眼图 传输8X80km后眼图
Mach-Zehnder外调制器 Mach-Zehnder外调制器
微波电极
Ui Ein Pin
光波导 微波电极 微波电极
E1 Eout Pout