光纖通信(朱宗玖)第四章

1、4.1 半導體光源的發(fā)光機理半導體光源的發(fā)光機理4.2 半導體激光器半導體激光器4.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管4.4 光光 源的調制源的調制4.5 數(shù)字光發(fā)射機數(shù)字光發(fā)射機電子具有的內能為粒子的能級，電子電子具有的內能為粒子的能級，電子在原子核外就存在許多能級，最低能級在原子核外就存在許多能級，最低能級E1稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的能級稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的能級Ei(i=2，3，4)稱為激發(fā)態(tài)。稱為激發(fā)態(tài)。 電子在低能級電子在低能級E1的基態(tài)和高能級的基態(tài)和高能級Ei的的激發(fā)態(tài)之間位置變化叫做躍遷，電子在原激發(fā)態(tài)之間位置變化叫做躍遷，電子在原子核外的躍遷有三種基本方式：自發(fā)輻射、子核外的躍遷有三

2、種基本方式：自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收。受激輻射和受激吸收。 圖圖4.1為半導體光源的發(fā)光機理示意圖。為半導體光源的發(fā)光機理示意圖。 在正常狀態(tài)下，電子處于低電能級在正常狀態(tài)下，電子處于低電能級E1，在入射光作用下，它會吸收光子的能量在入射光作用下，它會吸收光子的能量躍遷到高能級躍遷到高能級E2上，這種躍遷稱為受激上，這種躍遷稱為受激吸收。電子躍遷后，在低能級吸收。電子躍遷后，在低能級E1留下相留下相同數(shù)目的空穴，見圖同數(shù)目的空穴，見圖4.1(a)。 處于高能級處于高能級E2的電子，受到入射光的的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級作用，被迫躍遷到低能級E1上與空穴復合，上與空穴復合，釋

3、放的能量產生光輻射，產生兩個光子，釋放的能量產生光輻射，產生兩個光子，這兩個光子不僅頻率相同，而且相位、偏這兩個光子不僅頻率相同，而且相位、偏振方向、運動方向都相同，稱它們?yōu)槿穹较?、運動方向都相同，稱它們?yōu)槿庾?。這種躍遷稱為受激輻射，見圖光子。這種躍遷稱為受激輻射，見圖4.1(c)。 設在單位物質中，處于低能級和處于設在單位物質中，處于低能級和處于高能級的粒子數(shù)分別為高能級的粒子數(shù)分別為N1和和N2。 通常情況下低能級上的粒子數(shù)比高能通常情況下低能級上的粒子數(shù)比高能級的粒子數(shù)多。光的受激吸收比受激輻射級的粒子數(shù)多。光的受激吸收比受激輻射強，因此光總是受到衰減。要想獲得光的強，因此光總是

4、受到衰減。要想獲得光的放大，必須使受激輻射強于受激吸收。也放大，必須使受激輻射強于受激吸收。也就是說使就是說使N2N1，當光通過這種物質時，當光通過這種物質時，會產生放大作用，這種物質稱為激活物質。會產生放大作用，這種物質稱為激活物質。N2N1的分布，稱為粒子數(shù)反轉分布。的分布，稱為粒子數(shù)反轉分布。 粒子數(shù)反轉分布是產生受激輻射的必粒子數(shù)反轉分布是產生受激輻射的必要條件，但還不能產生激光。只有把激活要條件，但還不能產生激光。只有把激活物質置于光學諧振腔中，對光的頻率和方物質置于光學諧振腔中，對光的頻率和方向進行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激向進行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。光振蕩

5、輸出。 基本的光學諧振腔由兩個反射率分別基本的光學諧振腔由兩個反射率分別為為R1、R2的平行反射鏡構成，如圖的平行反射鏡構成，如圖4.2所示。所示。 其中一個反射鏡的反射率為其中一個反射鏡的反射率為100，另一，另一個為個為95。由于諧振腔內的激活物質具有粒子。由于諧振腔內的激活物質具有粒子數(shù)反轉分布，可用它產生的自發(fā)輻射光作為入數(shù)反轉分布，可用它產生的自發(fā)輻射光作為入射光。入射光經反射鏡反射，沿軸線方向傳播射光。入射光經反射鏡反射，沿軸線方向傳播的光被放大，沿非軸線方向的光逸出腔外。軸的光被放大，沿非軸線方向的光逸出腔外。軸向反射光經多次反饋，不斷得到放大，方向性向反射光經多次反饋，不斷得到

6、放大，方向性得到不斷改善，結果幅度得到提高得到不斷改善，結果幅度得到提高. 以上激活物質和光學諧振腔只是為激光的以上激活物質和光學諧振腔只是為激光的產生提供了必要的條件。為了獲得激光振蕩，產生提供了必要的條件。為了獲得激光振蕩，還必須滿足一定的閾值條件和相位條件。還必須滿足一定的閾值條件和相位條件。 zGPzPi0exp0 光束在腔內經歷一個來回后，兩次通過增光束在腔內經歷一個來回后，兩次通過增益介質，此時的光功率為：益介質，此時的光功率為： 要想產生振蕩，必須滿足：要想產生振蕩，必須滿足： 因此：因此： 上式即為激光器的閾值條件。上式即為激光器的閾值條件。 LGrrPLPi2exp02021

7、 02PLP 210/1ln2/1rrLGi GaAs P-N結半導體激光器的結構如圖結半導體激光器的結構如圖4.3(a)所示，它的核心部分是一個所示，它的核心部分是一個P-N結，結，P-N結由高摻雜濃度的結由高摻雜濃度的P型型GaAs半導體材料和半導體材料和N型型GaAs半導體材料組成的。激光就是由半導體材料組成的。激光就是由P-N結區(qū)發(fā)出的，因此結區(qū)發(fā)出的，因此P-N結也叫做作用區(qū)或有結也叫做作用區(qū)或有源區(qū)。由于源區(qū)。由于P區(qū)和區(qū)和N區(qū)是同一種半導體材料，區(qū)是同一種半導體材料，因此又稱同質結半導體激光器。因此又稱同質結半導體激光器。 當當P型與型與N型半導體結合在一起時，在型半導體結合在一

8、起時，在P區(qū)和區(qū)和N區(qū)的交界面及其兩側形成了帶相反電區(qū)的交界面及其兩側形成了帶相反電荷的區(qū)域，形成自建場，方向由荷的區(qū)域，形成自建場，方向由N區(qū)指向區(qū)指向P區(qū)。區(qū)。同時，在結的兩邊產生一個電位差同時，在結的兩邊產生一個電位差VD，叫做，叫做勢壘。它阻礙多數(shù)載流子的擴散，而使少數(shù)勢壘。它阻礙多數(shù)載流子的擴散，而使少數(shù)載流子在自建場的作用下向相反的方向作漂載流子在自建場的作用下向相反的方向作漂移運動，最后擴散和漂移運動達到動態(tài)平衡。移運動，最后擴散和漂移運動達到動態(tài)平衡。由于勢壘的作用，就使得由于勢壘的作用，就使得P區(qū)的能級比區(qū)的能級比N區(qū)的區(qū)的能級提高了能級提高了eVD，如圖，如圖4.3(b)所

9、示。所示。 N區(qū)導帶底部到費米能級區(qū)導帶底部到費米能級Ef之間的電子數(shù)，之間的電子數(shù)，大于大于P區(qū)價帶頂區(qū)價帶頂EV到費米能級到費米能級Ef以上的電子數(shù)。以上的電子數(shù)。這時沒有產生粒子數(shù)反轉。這時沒有產生粒子數(shù)反轉。P-N結半導體激光結半導體激光器沒有外加電場情況下，不能產生光的放大作器沒有外加電場情況下，不能產生光的放大作用，不能產生激光振蕩。用，不能產生激光振蕩。 當在當在P-N結半導體激光器外加正向電壓結半導體激光器外加正向電壓U時，由于耗盡層電阻很大，而時，由于耗盡層電阻很大，而P區(qū)和區(qū)和N區(qū)電阻區(qū)電阻很小，所以電壓很小，所以電壓U基本上就加在了基本上就加在了P-N結上。結上。如圖如圖

10、4.3(c)所示。當所示。當P-N結加上足夠大的正向結加上足夠大的正向電壓電壓U而正向電流足夠大時，而正向電流足夠大時，P區(qū)空穴和區(qū)空穴和N區(qū)區(qū)電子大量注入結區(qū)，在電子大量注入結區(qū)，在P-N結的空間電荷區(qū)結的空間電荷區(qū)形成粒子數(shù)反轉分布區(qū)域，稱為有源區(qū)，它形成粒子數(shù)反轉分布區(qū)域，稱為有源區(qū)，它可以產生光的放大作用。可以產生光的放大作用。 半導體激光器的泵浦源是外加正向注入電半導體激光器的泵浦源是外加正向注入電流，在足夠大的外加正向電流的作用下，產生流，在足夠大的外加正向電流的作用下，產生了粒子數(shù)反轉，實現(xiàn)光的放大。要產生光的振了粒子數(shù)反轉，實現(xiàn)光的放大。要產生光的振蕩，還必須使放大系數(shù)大于諧振

11、腔的損耗系數(shù)蕩，還必須使放大系數(shù)大于諧振腔的損耗系數(shù)才能起振，也就是必須滿足一定的閾值條件。才能起振，也就是必須滿足一定的閾值條件。 異質結半導體激光器的異質結半導體激光器的“結結”是不同的半是不同的半導體材料制成的導體材料制成的,目的是為了有效限制光波和載目的是為了有效限制光波和載流子，降低閾值電流，提高半導體激光器的電光流子，降低閾值電流，提高半導體激光器的電光轉換效率。利用不同材料的折射率的對光波進行轉換效率。利用不同材料的折射率的對光波進行限制，利用不同材料禁帶寬度的不同對載流子進限制，利用不同材料禁帶寬度的不同對載流子進行限制。由于兩種不同材料的折射指數(shù)相差較大，行限制。由于兩種不同

12、材料的折射指數(shù)相差較大，故光波導效應較顯著，散失到激活區(qū)外的光能量故光波導效應較顯著，散失到激活區(qū)外的光能量較小，損耗下降。異質結對電子載流子和光波的較小，損耗下降。異質結對電子載流子和光波的雙重限制，使其較同質結半導體激光器的閾值電雙重限制，使其較同質結半導體激光器的閾值電流大大降低流大大降低.半導體發(fā)光器件所采用的半導體材料，半導體發(fā)光器件所采用的半導體材料，根據不同的組合，發(fā)光波長從可見光到紅根據不同的組合，發(fā)光波長從可見光到紅外光區(qū)域。發(fā)光波長基本上由半導體禁帶外光區(qū)域。發(fā)光波長基本上由半導體禁帶寬度寬度 決定。由決定。由 得出得出其中其中C為光速為光速(C3108 m/s)。光子能量

13、光子能量E和波長和波長 之間的變換關系如下：之間的變換關系如下： E(ev)1.2398 ( m) fhEgfCfCh短波長短波長GaAlAs激光器的激光器的P-I特性如圖特性如圖4.5所示。所示。P為發(fā)射功率，為發(fā)射功率，I為注入電流。為注入電流。 當激光器注入電流增加時，受激發(fā)射當激光器注入電流增加時，受激發(fā)射量增加，一旦超過量增加，一旦超過PN結中光的吸收損耗，結中光的吸收損耗，激光器就開始振蕩，于是光輸出功率急劇激光器就開始振蕩，于是光輸出功率急劇增大，使激光器發(fā)生振蕩時的電流稱為閾增大，使激光器發(fā)生振蕩時的電流稱為閾值電流值電流Ith，只有當注入電流等于或大于閾，只有當注入電流等于或

14、大于閾值，激光器才發(fā)射激光。值，激光器才發(fā)射激光。圖圖4.5 P-I特性特性IPhfeeIhfPd00d光源譜線寬度是衡量器件發(fā)光單色性光源譜線寬度是衡量器件發(fā)光單色性的一個物理量。激光器發(fā)射光譜的寬度取的一個物理量。激光器發(fā)射光譜的寬度取決于激發(fā)的縱模數(shù)目，對于存在若干個縱決于激發(fā)的縱模數(shù)目，對于存在若干個縱模的光譜特性可畫出包絡線。其譜線寬度模的光譜特性可畫出包絡線。其譜線寬度定義為輸出光功率峰值下降定義為輸出光功率峰值下降3dB時的半功時的半功率點對應的寬度。對于高速率系統(tǒng)采用的率點對應的寬度。對于高速率系統(tǒng)采用的單縱模激光器，則以光功率峰值下降單縱模激光器，則以光功率峰值下降20dB時

15、的功率點對應的寬度評定。時的功率點對應的寬度評定。半導體激光器閾值電流隨溫度增加而半導體激光器閾值電流隨溫度增加而加大。尤其是工作于波長波段的加大。尤其是工作于波長波段的InGaAsP激光器，閾值電流對溫度更敏感。半導體激光器，閾值電流對溫度更敏感。半導體激光器輸出光功率一閾值電流曲線受溫度激光器輸出光功率一閾值電流曲線受溫度變化影響如圖變化影響如圖4.8所示。所示。任何采用周期性波導來獲得單縱模的任何采用周期性波導來獲得單縱模的激光器都稱為分布反饋激光器，然而激光器都稱為分布反饋激光器，然而DFB激光器僅指周期性出現(xiàn)在腔體的有源增益激光器僅指周期性出現(xiàn)在腔體的有源增益區(qū)，如圖區(qū)，如圖4.9(

16、a)所示。如果周期性出現(xiàn)在有所示。如果周期性出現(xiàn)在有源增益區(qū)的外面，如圖源增益區(qū)的外面，如圖4.9(b)所示，則稱為所示，則稱為激光器。激光器。DBR激光器的優(yōu)點是它的增益區(qū)激光器的優(yōu)點是它的增益區(qū)和它的波長選擇是分開的，因此可對它們和它的波長選擇是分開的，因此可對它們分別進行控制。分別進行控制。 圖圖4.10為多量子阱為多量子阱(MQW)激光器的結構激光器的結構示意圖。多量子阱結構帶來了閾值電流小、示意圖。多量子阱結構帶來了閾值電流小、輸出光功率大以及熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點。輸出光功率大以及熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點。 在高速率調制下仍能保持單模的激光器在高速率調制下仍能保持單模的激光器稱為動態(tài)單縱模激光器

17、。量子阱分布反饋激稱為動態(tài)單縱模激光器。量子阱分布反饋激光器就是動態(tài)單縱模激光器，這種激光器光光器就是動態(tài)單縱模激光器，這種激光器光輸出僅有一個模式，或雖有輸出僅有一個模式，或雖有35個縱模，但個縱模，但主、邊模抑制比大于主、邊模抑制比大于30dB，其譜線半寬度一，其譜線半寬度一般小于般小于0.5nm。這么窄的脈沖光在傳輸時展寬。這么窄的脈沖光在傳輸時展寬小，誤碼率低。小，誤碼率低。圖產生激光超短脈沖的技術常稱為鎖模圖產生激光超短脈沖的技術常稱為鎖模技術。實現(xiàn)鎖模的方法有很多種，但一般可技術。實現(xiàn)鎖模的方法有很多種，但一般可以分成兩大類：即主動鎖模和被動鎖模。主以分成兩大類：即主動鎖模和被動鎖

18、模。主動鎖模指的是通過由外部向激光器提供調制動鎖模指的是通過由外部向激光器提供調制信號的途徑來周期性地改變激光器的增益或信號的途徑來周期性地改變激光器的增益或損耗從而達到鎖模目的；而被動鎖模則是利損耗從而達到鎖模目的；而被動鎖模則是利用材料的非線性吸收或非線性相變的特性來用材料的非線性吸收或非線性相變的特性來產生激光超短脈沖。產生激光超短脈沖。 鎖模激光器的輸出是一個等間隔的激光鎖模激光器的輸出是一個等間隔的激光脈沖序列。相鄰脈沖間的時間間隔等于光脈脈沖序列。相鄰脈沖間的時間間隔等于光脈沖在激光腔內的往返時間，即所謂腔周期。沖在激光腔內的往返時間，即所謂腔周期。一臺鎖模激光器所產生的激光脈沖的

19、寬度是一臺鎖模激光器所產生的激光脈沖的寬度是否短到飛秒量級主要取決于腔內色散特性、否短到飛秒量級主要取決于腔內色散特性、非線性特性及兩者間的相互平衡關系。而最非線性特性及兩者間的相互平衡關系。而最終的極限脈寬則受限于增益介質的光譜范圍。終的極限脈寬則受限于增益介質的光譜范圍。 VCSEL是一種電流是一種電流和發(fā)射光束方向都與芯片和發(fā)射光束方向都與芯片表面垂直的激光器。圖表面垂直的激光器。圖4.11是是VCSEL結構的原理結構的原理圖，它的主要結構設計參圖，它的主要結構設計參數(shù)包括腔長數(shù)包括腔長(L)、有源區(qū)、有源區(qū)厚度厚度(d)、有源區(qū)直徑、有源區(qū)直徑(D)和前、后反射鏡的反射率和前、后反射鏡

20、的反射率(Rf、Rr)等。等。 發(fā)光效率高發(fā)光效率高 工作閾值極低工作閾值極低 動態(tài)單一波長工作動態(tài)單一波長工作 溫度穩(wěn)定性好溫度穩(wěn)定性好 工作速率高工作速率高 工作壽命長工作壽命長 價格低、產量高價格低、產量高 對所有不同芯徑光纖都有好的模式匹配對所有不同芯徑光纖都有好的模式匹配 不僅可以單縱模方式工作，也可以多縱不僅可以單縱模方式工作，也可以多縱模方式工作模方式工作發(fā)光二極管的光輸出特性，亦即發(fā)光二極管的光輸出特性，亦即PI特性。當注入電流較小時，發(fā)光二極管的特性。當注入電流較小時，發(fā)光二極管的輸出功率曲線基本是線性的，所以輸出功率曲線基本是線性的，所以LED廣廣泛用于模擬信號傳輸系統(tǒng)。但

21、電流太大時，泛用于模擬信號傳輸系統(tǒng)。但電流太大時，由于由于PN結發(fā)熱而出現(xiàn)飽和狀態(tài)。結發(fā)熱而出現(xiàn)飽和狀態(tài)。發(fā)光二極管的發(fā)射光譜比半導體激光發(fā)光二極管的發(fā)射光譜比半導體激光器寬很多，如長波長器寬很多，如長波長LED譜寬可達譜寬可達100nm。發(fā)光二極管對光纖傳輸帶寬的影響也因之發(fā)光二極管對光纖傳輸帶寬的影響也因之比激光器大。因光纖的色散與光源譜寬成比激光器大。因光纖的色散與光源譜寬成比例，故比例，故LED不能用于長距離傳輸。不能用于長距離傳輸。溫度對發(fā)光二極管的光功率影響比半溫度對發(fā)光二極管的光功率影響比半導體激光器要小。對溫控的要求不像激導體激光器要小。對溫控的要求不像激光器那樣嚴格。光器那樣

22、嚴格。 LED的調制特性可以表示為的調制特性可以表示為212)(1)0()(PPLED通常和多模光纖耦合，用于通常和多模光纖耦合，用于1.3m波長的小容量短距離系統(tǒng)。分布反波長的小容量短距離系統(tǒng)。分布反饋式激光器饋式激光器(DFB-LD)主要和主要和G.653或或G.654規(guī)范的單模光纖或特殊設計的單模光纖耦規(guī)范的單模光纖或特殊設計的單模光纖耦合，用于超大容量的新型光纖系統(tǒng)，這是合，用于超大容量的新型光纖系統(tǒng)，這是目前光纖通信發(fā)展的主要趨勢。目前光纖通信發(fā)展的主要趨勢。 根據調制信號的不同，可分為模擬信號根據調制信號的不同，可分為模擬信號調制和數(shù)字信號調制。調制和數(shù)字信號調制。 圖圖4.15(

23、b)是一個簡單的模擬信號調制電是一個簡單的模擬信號調制電路。當信號從路。當信號從A點輸入后，晶體管放大器集點輸入后，晶體管放大器集電極電流就跟隨模擬量變化，即電極電流就跟隨模擬量變化，即LED的注入的注入電流隨模擬信號變化，于是電流隨模擬信號變化，于是LED的輸出光功的輸出光功率也隨著模擬信號變化，這樣就實現(xiàn)了對光率也隨著模擬信號變化，這樣就實現(xiàn)了對光源的直接調制。源的直接調制。 在光纖通信系統(tǒng)中，數(shù)字調制主要指在光纖通信系統(tǒng)中，數(shù)字調制主要指PCM編碼調制。其數(shù)字調制原理如圖編碼調制。其數(shù)字調制原理如圖4.16(a)所示。所示。 圖圖4.16(b)示出由三極管組成的共發(fā)射極示出由三極管組成的

24、共發(fā)射極驅動電路，這種簡單的驅動電路主要用于以驅動電路，這種簡單的驅動電路主要用于以發(fā)光二極管發(fā)光二極管LED作為光源的光發(fā)射機。數(shù)字作為光源的光發(fā)射機。數(shù)字信號信號Uin從三極管從三極管V的基極輸入，通過集電極的基極輸入，通過集電極的電流驅動的電流驅動LED。數(shù)字信號。數(shù)字信號“0”碼和碼和“1”碼碼對應于對應于V的截止和飽和狀態(tài)，電流的大小根據的截止和飽和狀態(tài)，電流的大小根據對輸出光信號幅度的要求確定。這種驅動電對輸出光信號幅度的要求確定。這種驅動電路適用于路適用于l0Mb/s以下的低速率系統(tǒng)，更高速以下的低速率系統(tǒng)，更高速率系統(tǒng)應采用差分電流開關電路率系統(tǒng)應采用差分電流開關電路 圖圖4.

25、17示出激光器示出激光器(LD)直接光強數(shù)字調制原理。對直接光強數(shù)字調制原理。對LD施加了偏置電流施加了偏置電流Ib。當激。當激光器的驅動電流大于閥值電光器的驅動電流大于閥值電流流Ith時，輸出光功率時，輸出光功率P和驅和驅動電流動電流I基本上是線性關系，基本上是線性關系，輸出光功率和輸入電流成正輸出光功率和輸入電流成正比，所以輸出光信號反映輸比，所以輸出光信號反映輸入電信號。入電信號。 半導體激光器是光纖通信的理想光源，半導體激光器是光纖通信的理想光源，但在高速脈沖調制下，其瞬態(tài)特性仍會出現(xiàn)但在高速脈沖調制下，其瞬態(tài)特性仍會出現(xiàn)許多復雜現(xiàn)象，如常見的電光延遲、張弛振許多復雜現(xiàn)象，如常見的電光

26、延遲、張弛振蕩和自脈動現(xiàn)象。這種特性嚴重限制系統(tǒng)傳蕩和自脈動現(xiàn)象。這種特性嚴重限制系統(tǒng)傳輸速率和通信質量，因此在電路的設計時要輸速率和通信質量，因此在電路的設計時要給予充分考慮。給予充分考慮。 半導體激光器在高速脈沖調制下，輸半導體激光器在高速脈沖調制下，輸出光脈沖瞬態(tài)響應波形如圖出光脈沖瞬態(tài)響應波形如圖4.18所示。輸出所示。輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在一個初始光脈沖和注入電流脈沖之間存在一個初始延遲時間，稱為電光延遲時間延遲時間，稱為電光延遲時間td，其數(shù)量極，其數(shù)量極一般為一般為ns。當電流脈沖注入激光器后，輸出。當電流脈沖注入激光器后，輸出光脈沖會出現(xiàn)幅度逐漸衰減的振蕩，稱為光脈沖

27、會出現(xiàn)幅度逐漸衰減的振蕩，稱為張弛振蕩，其振蕩頻率張弛振蕩，其振蕩頻率fr(=wr/2)一般為一般為0.52GHz. 張弛振蕩和電光延遲的后果是限制調制張弛振蕩和電光延遲的后果是限制調制速率。實際使用的最高調制頻率應低于張弛速率。實際使用的最高調制頻率應低于張弛振蕩頻率。振蕩頻率。 電光延遲要產生碼型效應。當電光延遲電光延遲要產生碼型效應。當電光延遲時間均與數(shù)字調制的碼元持續(xù)時間時間均與數(shù)字調制的碼元持續(xù)時間T/2為相同為相同數(shù)量極時，會使數(shù)量極時，會使“0”過后的第一個過后的第一個“1”碼的碼的脈沖寬度變窄，幅度減小，嚴重時可能使單脈沖寬度變窄，幅度減小，嚴重時可能使單個個“1”碼丟失，這種

28、現(xiàn)象稱為碼丟失，這種現(xiàn)象稱為“碼型效應碼型效應”。如圖如圖4.19。某些激光器在脈沖調某些激光器在脈沖調制甚至直流驅動下，當注制甚至直流驅動下，當注入電流達到某個范圍時，入電流達到某個范圍時，輸出光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅輸出光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅的高頻振蕩，這種現(xiàn)象稱的高頻振蕩，這種現(xiàn)象稱為自脈動現(xiàn)象，如圖為自脈動現(xiàn)象，如圖4.20所所示。自脈動頻率可達示。自脈動頻率可達2GHz，嚴重影響嚴重影響LD的高速調制特的高速調制特性。性。 圖圖4.21是常用的射極耦合驅動電路。電流是常用的射極耦合驅動電路。電流源為由源為由V1和和V2組成的差分開關電路，提供恒定組成的差分開關電路，提供恒定的偏置電流。在的偏置

29、電流。在V2基極上施加直流參考電壓基極上施加直流參考電壓UB，V2集電極的電壓取決于集電極的電壓取決于LD的正向電壓，的正向電壓，數(shù)字電信號數(shù)字電信號Uin從從V1基極輸入。當信號為基極輸入。當信號為“0”碼碼時，時，V1基極電位比基極電位比UB高而搶先導通，高而搶先導通，V2截止，截止，LD不發(fā)光；反之，當信號為不發(fā)光；反之，當信號為“1”碼時，碼時，V1基基極電位比極電位比UB低，低，V1搶先導通，驅動搶先導通，驅動LD發(fā)光。發(fā)光。 V1和和V2處于輪流截止和非飽和導通狀態(tài)，處于輪流截止和非飽和導通狀態(tài)，有利于提高調制速率。當三極管截止頻率有利于提高調制速率。當三極管截止頻率fr4.5GH

30、z時，這種電路的調制速率可達時，這種電路的調制速率可達300Mb/s。當把電壓加到某些晶體上的時候，可能使當把電壓加到某些晶體上的時候，可能使晶體的折射率發(fā)生變化，結果引起通過該晶體晶體的折射率發(fā)生變化，結果引起通過該晶體的光波特性發(fā)生變化，晶體的這種性質稱為電的光波特性發(fā)生變化，晶體的這種性質稱為電光效應；光效應； 根據加在晶體上電場的方向與光束在晶體根據加在晶體上電場的方向與光束在晶體中傳播的方向不同，可分為縱向調制和橫向調中傳播的方向不同，可分為縱向調制和橫向調制。電場方向與光的傳播方向平行，稱為縱向制。電場方向與光的傳播方向平行，稱為縱向電光調制；電場方向與光的傳播方向垂直，稱電光調制

31、；電場方向與光的傳播方向垂直，稱為橫向電光調制。為橫向電光調制。 作 為 普 遍 規(guī) 則 ， 引 入作 為 普 遍 規(guī) 則 ， 引 入 “ 碼 字 數(shù) 字碼 字 數(shù) 字和和”(WDS)來描述碼字的均勻性，并以來描述碼字的均勻性，并以WDS的最佳選擇來保證線路碼的傳輸特性。所謂的最佳選擇來保證線路碼的傳輸特性。所謂“碼字數(shù)字和碼字數(shù)字和”，是在，是在nB碼的碼字中，用碼的碼字中，用“-1”代表代表“0”，用，用“+1”代表代表“1”碼，整個碼字的碼，整個碼字的代數(shù)和即為代數(shù)和即為WDS。如果整個碼字。如果整個碼字“1”碼的數(shù)碼的數(shù)目多于目多于“0”碼，則碼，則WDS為正；如果為正；如果“0”碼的

32、碼的數(shù)目多于數(shù)目多于“1”碼，則碼，則WDS為負；如果為負；如果“0”碼碼和和“1”碼的數(shù)目相等，則碼的數(shù)目相等，則WDS為為0。 插入碼是把輸入二進制原始碼流分成每插入碼是把輸入二進制原始碼流分成每m比特比特(mB)一組，然后在每組一組，然后在每組m個碼末尾按個碼末尾按一定規(guī)律插入一個碼，組成一定規(guī)律插入一個碼，組成m+1個碼為一組個碼為一組的線路碼流。根據插入碼的規(guī)律，可以分為的線路碼流。根據插入碼的規(guī)律，可以分為mB1C碼、碼、mB1H碼和機碼和機mB1P碼。碼。 數(shù)字光發(fā)射機的方框圖如圖數(shù)字光發(fā)射機的方框圖如圖4.22所示，所示，主要有光源和電路兩部分。光源是實現(xiàn)電主要有光源和電路兩部

33、分。光源是實現(xiàn)電/光轉換的關鍵器件，在很大程度上決定著光轉換的關鍵器件，在很大程度上決定著光發(fā)射機的性能。電路的設計應以光源為光發(fā)射機的性能。電路的設計應以光源為依據，使輸出光信號準確反映輸入電信號。依據，使輸出光信號準確反映輸入電信號。 對通信用光源的要求如下：對通信用光源的要求如下： (1) 發(fā)射的光波長應和光纖低損耗發(fā)射的光波長應和光纖低損耗“窗窗口口”一致，即中心波長應在、和附近。光一致，即中心波長應在、和附近。光譜單色性要好，即譜線寬度要窄。譜單色性要好，即譜線寬度要窄。 (2) 電電/光轉換效率要高，即要求在足光轉換效率要高，即要求在足夠低的驅動電流下，有足夠大而穩(wěn)定的輸夠低的驅動

34、電流下，有足夠大而穩(wěn)定的輸出光功率，且線性良好。發(fā)射光束的方向出光功率，且線性良好。發(fā)射光束的方向性要好，即遠場的輻射角要小，以利于提性要好，即遠場的輻射角要小，以利于提高光源與光纖之間的耦合效率。高光源與光纖之間的耦合效率。 (3) 允許的調制速率要高或響應速度要允許的調制速率要高或響應速度要快，以滿足系統(tǒng)的大傳輸容量的要求?？?，以滿足系統(tǒng)的大傳輸容量的要求。 (4) 器件應能在常溫下以連續(xù)波方式工器件應能在常溫下以連續(xù)波方式工作，要求溫度穩(wěn)定性好，可靠性高，壽命長。作，要求溫度穩(wěn)定性好，可靠性高，壽命長。 (5) 此外，要求器件體積小，重量輕，此外，要求器件體積小，重量輕，安裝使用方便，價

35、格便宜。安裝使用方便，價格便宜。 直接光強調制的數(shù)字光發(fā)射機主要電路有調直接光強調制的數(shù)字光發(fā)射機主要電路有調制電路、控制電路和線路編碼電路，采用激光制電路、控制電路和線路編碼電路，采用激光器作光源時，還有偏置電路。對調制電路和控器作光源時，還有偏置電路。對調制電路和控制電路的要求如下：制電路的要求如下： (1) 輸出光脈沖的通斷比應大于輸出光脈沖的通斷比應大于10，以保證，以保證足夠的光接收信噪比。足夠的光接收信噪比。 (2) 輸出光脈沖的寬度應遠大于開通延遲時輸出光脈沖的寬度應遠大于開通延遲時間，光脈沖的上升時間、下降時間和開通延遲間，光脈沖的上升時間、下降時間和開通延遲時間應足夠短，以便

36、在高速率調制下，輸出的時間應足夠短，以便在高速率調制下，輸出的光脈沖能準確再現(xiàn)輸入電脈沖的波形。光脈沖能準確再現(xiàn)輸入電脈沖的波形。 (3) 對激光器應施加足夠的偏置電流，對激光器應施加足夠的偏置電流，以便控制在較高速率調制下可能出現(xiàn)的張以便控制在較高速率調制下可能出現(xiàn)的張弛振蕩，保證發(fā)射機正常工作。弛振蕩，保證發(fā)射機正常工作。 (4) 應采用自動功率控制應采用自動功率控制(APC)和自動和自動溫度控制溫度控制(ATC)，以保證輸出光功率有足，以保證輸出光功率有足夠的穩(wěn)定性。夠的穩(wěn)定性。線路編碼之所以必要，是因為電端機線路編碼之所以必要，是因為電端機輸出的數(shù)字信號是適合電纜傳輸?shù)碾p極性輸出的數(shù)字信號是適合電纜傳輸?shù)碾p極性碼，而光源不能發(fā)射負脈沖，所以要變換碼，而光源不能發(fā)射負脈沖，所以要變換為適合于光纖傳輸?shù)膯螛O性碼為適合于光纖傳輸?shù)膯螛O性碼 。由于溫度變化和工作時間加長，由于溫度變化和工作時間加長，LD的輸出光功率會發(fā)生變化。為保證輸出光的輸出光功率會發(fā)生變化。為保證輸出光功率的穩(wěn)定，必須改進電路設計。功率的穩(wěn)定，必須改進電路設計。 圖圖4.23是利用反饋電流使輸出光功牢穩(wěn)定是利用反饋電流使輸出光功牢穩(wěn)定的的LD驅動電路，由驅動電路，由V3支路為支路為LD提供的偏置電提供的偏置電流流Ib受到激光器背向輸出光平均功率和輸入數(shù)受到激光器背向輸出光平均功率和輸入數(shù)