第三章 光发射机1

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

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
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
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
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.
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)
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
置电流，最终使光功率峰值保持为一个稳定值。
高精度温控与低温波恒流流源
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


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
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
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
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
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பைடு நூலகம்：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
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
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
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。
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
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
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
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
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。
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
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
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
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
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