情境41光有源器件

1、情境情境4 4光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)光源光源放大器放大器光電二極管光電二極管判決器判決器 光器件可以分為光器件可以分為有源器件有源器件和和無源器件無源器件兩大類。兩大類。 有源器件有源器件包括包括光源、光檢測器光源、光檢測器和和光放大器光放大器。 有源器件有源器件定義：定義：需要外加能源驅(qū)動工作的光電子器件需要外加能源驅(qū)動工作的光電子器件 無源器件無源器件主要有主要有連接器、耦合器、波分復(fù)用器、光開關(guān)連接器、耦合器、波分復(fù)用器、光開關(guān)和和隔離器隔離器等。等。 v光發(fā)送機是光纖通信系統(tǒng)的基本組成部分之一，它的作光發(fā)送機是光纖通信系統(tǒng)的基本組成部分之一，它的作用是將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并將光信號

2、以最大效率耦用是將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并將光信號以最大效率耦合進光纖線路合進光纖線路v光發(fā)射機的關(guān)鍵器件是光發(fā)射機的關(guān)鍵器件是光源光源 一般，作為光源的光發(fā)射器應(yīng)滿足以下基本要求：一般，作為光源的光發(fā)射器應(yīng)滿足以下基本要求： 體積小，發(fā)光面積應(yīng)與光纖纖芯尺寸相匹配，光源和光體積小，發(fā)光面積應(yīng)與光纖纖芯尺寸相匹配，光源和光纖之間應(yīng)有較高的耦合效率；纖之間應(yīng)有較高的耦合效率；光源所發(fā)出的光波長必須落在光纖的三個工作窗口（低損光源所發(fā)出的光波長必須落在光纖的三個工作窗口（低損耗、低色散）之一；耗、低色散）之一； 可靠性高，工作壽命長，互換性好；可靠性高，工作壽命長，互換性好； 可進行直接強度調(diào)制；可

3、進行直接強度調(diào)制； 光功率足夠大，響應(yīng)速度快；光功率足夠大，響應(yīng)速度快； 溫度特性好，溫度變化時，輸出光功率及工作波長的變溫度特性好，溫度變化時，輸出光功率及工作波長的變化在允許范圍內(nèi)。化在允許范圍內(nèi)。v光纖通信中應(yīng)用的光源主要有光纖通信中應(yīng)用的光源主要有半導(dǎo)體激光器（半導(dǎo)體激光器（LDLD，Laser DiodeLaser Diode）半導(dǎo)體發(fā)光二極管（半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LEDLED，Light Emitting DiodeLight Emitting Diode）LDLD用于高速率、長距離通信系統(tǒng)用于高速率、長距離通信系統(tǒng)LEDLED用于低速率、短距離或模擬通信系統(tǒng)用于低速率、短距離或模擬

4、通信系統(tǒng)4.1 4.1 激光原理的基礎(chǔ)知識激光原理的基礎(chǔ)知識4.2 4.2 半導(dǎo)體光源半導(dǎo)體光源4.3 4.3 光電探測器光電探測器4.4 4.4 光發(fā)送機光發(fā)送機4.1 4.1 激光的基礎(chǔ)知識激光的基礎(chǔ)知識4.1.1 玻爾的能級假說玻爾的能級假說4.1.2 光子光子4.1.3 自發(fā)輻射自發(fā)輻射 受激輻射和受激吸收受激輻射和受激吸收4.1.4 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)其中E2和E1分別為躍遷前、后的原子能級能量，h為普朗克常數(shù)，f 為電磁輻射的頻率。4.1.1 玻爾的能級假說玻爾的能級假說12EEhfh =6.626110-34 Js（焦耳.秒）能量最低的原子能級E1稱為基態(tài)能級，其它能量較高的原

5、子能級稱為激發(fā)態(tài)能級Ei(i=2, 3, 4 ) 。4.1.2 光子光子若原子從E2 E 1 ， E=E2 E 1 ，這個差 E將以一個量子的能量形式釋放，一個量子的能量被稱為光子光子（photon）。）。一個光子的能量Ep由下面的公式定義Ep =hfh是普朗克常數(shù)(h=6.626 10-34 J S)，而f是光子的頻率。原子從高能級低能級，對應(yīng)于光子的輻射；原子從低能級高能級，對應(yīng)于光子的吸收。 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E2的激發(fā)態(tài)之間的躍遷有的激發(fā)態(tài)之間的躍遷有三種基本方式：三種基本方式： 處于高能級的原子自發(fā)的輻射一個頻率為處于高能級的原子自發(fā)的輻射一個頻

6、率為f、能量、能量為為E的光子，躍遷到低能級，這一過程稱為的光子，躍遷到低能級，這一過程稱為自發(fā)輻自發(fā)輻射射。是相位、偏振方向不同的非相干光。是相位、偏振方向不同的非相干光。E2E1N2N1hf自發(fā)輻射自發(fā)輻射(spontaneous radiation)12EEhfEpE2E1N2N1全同光子全同光子hf受激輻射受激輻射 (stimulated radiation)在能量為在能量為E的入射光子的激勵下，原子從高能級向的入射光子的激勵下，原子從高能級向低能級躍遷，同時發(fā)射一個與入射光子頻率、相位、低能級躍遷，同時發(fā)射一個與入射光子頻率、相位、偏振方向和傳播方向都相同的另一個光子，這一過偏振方向

7、和傳播方向都相同的另一個光子，這一過程稱為程稱為受激輻射受激輻射。12EEhfEE2E1N2N1hf上述外來光也有可能被低能級吸收，使原子從E1E2。在入射光子的激勵下，在入射光子的激勵下，原子從低能級向高能級躍遷，原子從低能級向高能級躍遷，稱為稱為受激受激吸收吸收。受激吸收受激吸收 (stimulated absorption)12EEhfE三種過程的具體應(yīng)用三種過程的具體應(yīng)用光光的的自自發(fā)發(fā)輻輻射射Ec cEvh h 光光的的受受激激發(fā)發(fā)射射Ec ch Evh 輸輸入入輸輸出出(a) 發(fā)發(fā)光光二二極極管管光光的的自自發(fā)發(fā)輻輻射射(b) 激激光光器器光光的的受受激激發(fā)發(fā)射射Ec c吸吸收收光

8、光子子后后產(chǎn)產(chǎn)生生電電子子Ev光光子子h 輸輸入入( (輸輸出出電電流流) )(c) 光光探探測測器器件件光光的的吸吸收收自發(fā)輻射是單向性的；受激躍遷是雙向的;自發(fā)輻射概率與光強無關(guān)；受激躍遷概率正比于光強。自發(fā)輻射和受激輻射、吸收的區(qū)別：例題1、假設(shè)一個激光二極管發(fā)出的紅光的波長=650nm,那么單個光子的能量是多少？解： Ep =h f =hc/ =6.626 10-34 J S 3 108 m/s /65010-9m=3.04 10-19 J 4.1.3 4.1.3 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 問題：如何保持受激輻射狀態(tài)？問題：如何保持受激輻射狀態(tài)？答案是：答案是：高能級的電子數(shù)要遠遠多于低能

9、級的電子數(shù)高能級的電子數(shù)要遠遠多于低能級的電子數(shù)。 但在一個熱平衡狀態(tài)中，情形剛好相反，即位于低能級的電子數(shù)但在一個熱平衡狀態(tài)中，情形剛好相反，即位于低能級的電子數(shù)總是大于高能級的電子數(shù)，這是因為在高能級的電子很不穩(wěn)定，總是總是大于高能級的電子數(shù)，這是因為在高能級的電子很不穩(wěn)定，總是向低能級躍遷。向低能級躍遷。 那么，怎樣才能使這種狀態(tài)反過來呢？那么，怎樣才能使這種狀態(tài)反過來呢？ 這個過程就是所謂的這個過程就是所謂的“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)能夠使高能級的電子數(shù)遠遠多于低能級的電子數(shù)。能夠使高能級的電子數(shù)遠遠多于低能級的電子數(shù)。 怎樣實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)呢？怎樣實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)呢

10、？答案是：答案是：如果外界向物質(zhì)提供了能量，就會使得低能級上如果外界向物質(zhì)提供了能量，就會使得低能級上的電子獲得能量，并大量地激發(fā)到高能級上去，像一個泵一的電子獲得能量，并大量地激發(fā)到高能級上去，像一個泵一樣，不斷地將低能級上的電子樣，不斷地將低能級上的電子“抽運抽運”到高能級上，就可達到高能級上，就可達到高能級上的到高能級上的粒子數(shù)粒子數(shù)N N2 2大于低能級上的粒子數(shù)大于低能級上的粒子數(shù)N N1 1 ，此時，我，此時，我們稱這個能量為們稱這個能量為激勵激勵或者或者泵浦泵浦。 N2N1粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（N2 N1）是實現(xiàn)激光放大的必要條件）是實現(xiàn)激光放大的必要條件。為了實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，

11、就需要大量電子躍遷到導(dǎo)帶，為此，需要泵浦為躍遷提供能量。此外，還需要亞穩(wěn)態(tài)能級使激發(fā)的電子保持一段時間，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。4.1.4 PN4.1.4 PN結(jié)結(jié) PN結(jié)結(jié)是由是由P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體共同組成的結(jié)。型半導(dǎo)體共同組成的結(jié)。 P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體是通過摻以型半導(dǎo)體是通過摻以過多電子過多電子或或缺少電子缺少電子的雜的雜質(zhì)方法而得到的。質(zhì)方法而得到的。 根據(jù)根據(jù)PN結(jié)的性質(zhì)不同，可以分為：結(jié)的性質(zhì)不同，可以分為：同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)單異質(zhì)結(jié)單異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)量子阱量子阱 半導(dǎo)體光源的核心，即發(fā)光區(qū)（半導(dǎo)體光源的核心，即發(fā)光區(qū)（有源區(qū)有源區(qū)）就是由一個或多個垂直方向的就是

12、由一個或多個垂直方向的PN結(jié)組成的。結(jié)組成的。 半導(dǎo)體光源通常采用半導(dǎo)體光源通常采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)作為作為有源有源發(fā)光區(qū)發(fā)光區(qū)。 采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有如下好處：采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有如下好處：1.1.兩種半導(dǎo)體之間的兩種半導(dǎo)體之間的帶隙差帶隙差有助于有助于電子電子- -空穴復(fù)合空穴復(fù)合，在有，在有源層中就會不斷有源層中就會不斷有光產(chǎn)生光產(chǎn)生；2.2.由于有源層具有更小的帶隙，所以其折射率比其周圍由于有源層具有更小的帶隙，所以其折射率比其周圍的的P P型和型和N N型包層折射率略大。這樣，有源層可以看成型包層折射率略大。這樣，有源層可以看成是一個是一個介質(zhì)波導(dǎo)介質(zhì)波導(dǎo)。通過改變有源層厚度可以達到控制

13、。通過改變有源層厚度可以達到控制有源層所支持的光波波長。有源層所支持的光波波長。 4.2 半導(dǎo)體光源半導(dǎo)體光源4.2.1 半導(dǎo)體激光器的特點和應(yīng)用半導(dǎo)體激光器的特點和應(yīng)用4.2.2 半導(dǎo)體激光器（半導(dǎo)體激光器（LD）4.2.2 發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LED）4.2.1 半導(dǎo)體激光器的特點和應(yīng)用半導(dǎo)體激光器的特點和應(yīng)用半導(dǎo)體激光器是通過半導(dǎo)體激光器是通過受激輻射受激輻射產(chǎn)生光的器件。產(chǎn)生光的器件。受激輻射的特征受激輻射的特征：一個外來光子迫使一個帶有類似能量：一個外來光子迫使一個帶有類似能量E E的光子被發(fā)射；所有受激光子的發(fā)射方向都與激發(fā)他們的的光子被發(fā)射；所有受激光子的發(fā)射方向都與激發(fā)他們

14、的光子相同；受激光子僅在有外來光子激發(fā)他們的時候才輻光子相同；受激光子僅在有外來光子激發(fā)他們的時候才輻射射同步的。同步的。4.2.1 半導(dǎo)體激光器的特點和應(yīng)用半導(dǎo)體激光器的特點和應(yīng)用形成正反饋的方法：用兩個鏡面、光柵形成諧振器。形成正反饋的方法：用兩個鏡面、光柵形成諧振器。受激光子快速增加需要導(dǎo)帶中有無數(shù)受激電子來維持這受激光子快速增加需要導(dǎo)帶中有無數(shù)受激電子來維持這個動態(tài)過程。因此需要比個動態(tài)過程。因此需要比LEDLED快得多的速度來激活電子，快得多的速度來激活電子，需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。為了實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，需要在激活區(qū)加需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。為了實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，需要在激活區(qū)加大的正向電流。大的正向電流

15、。為了使激光二極管產(chǎn)生光，增益必須大于損耗。為了使激光二極管產(chǎn)生光，增益必須大于損耗。綜上所述，半導(dǎo)體激光器的激射條件為：綜上所述，半導(dǎo)體激光器的激射條件為： 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 受激受激輻輻射射 正反饋正反饋4.2.1 4.2.1 半導(dǎo)體光源工作原理半導(dǎo)體光源工作原理1. LD1. LD與與LEDLED激光器被視為激光器被視為2020世紀(jì)的三大發(fā)明（還有半導(dǎo)體和原子能）世紀(jì)的三大發(fā)明（還有半導(dǎo)體和原子能）之一，特別是半導(dǎo)體激光器之一，特別是半導(dǎo)體激光器LDLD倍受重視。倍受重視。光纖通信中最常用的光源是半導(dǎo)體激光器光纖通信中最常用的光源是半導(dǎo)體激光器LDLD和發(fā)光二極管和發(fā)光二極管LEDL

16、ED。兩者主要差別：兩者主要差別：發(fā)光二極管輸出非相干光（自發(fā)輻射）發(fā)光二極管輸出非相干光（自發(fā)輻射）半導(dǎo)體激光器輸出相干光（受激輻射）半導(dǎo)體激光器輸出相干光（受激輻射）比起半導(dǎo)體激光器，因為比起半導(dǎo)體激光器，因為LEDLED不需要熱穩(wěn)定和光穩(wěn)定電不需要熱穩(wěn)定和光穩(wěn)定電路，所以路，所以LEDLED的的驅(qū)動電路相對簡單驅(qū)動電路相對簡單，另外制作，另外制作成本低成本低、產(chǎn)量產(chǎn)量高高。LEDLED的主要工作原理對應(yīng)光的自發(fā)輻射過程，因而是一的主要工作原理對應(yīng)光的自發(fā)輻射過程，因而是一種種非相干光源非相干光源。LEDLED發(fā)射光的發(fā)射光的譜線較寬譜線較寬、方向性較差，本身、方向性較差，本身的響應(yīng)速度又

17、較慢，所以只的響應(yīng)速度又較慢，所以只適用于速率較低的通信系統(tǒng)適用于速率較低的通信系統(tǒng)。在高速、大容量的光纖通信系統(tǒng)中主要采用在高速、大容量的光纖通信系統(tǒng)中主要采用半導(dǎo)體激半導(dǎo)體激光器光器LDLD作光源。作光源。普通普通LDLDLD LD 外形圖外形圖2. 2. 發(fā)光二極管發(fā)光二極管LEDLEDv對于光纖通信系統(tǒng)，如果使用多模光纖且信息比特率在對于光纖通信系統(tǒng)，如果使用多模光纖且信息比特率在100100200Mb/s200Mb/s以下，同時只要求幾十微瓦的輸入光功率，以下，同時只要求幾十微瓦的輸入光功率，那么那么LEDLED是可選用的最佳光源。是可選用的最佳光源。vLEDLED通常和多模光纖耦合

18、，用于通常和多模光纖耦合，用于1.31m1.31m或或0.85m0.85m波長的小波長的小容量、短距離的光通信系統(tǒng)。容量、短距離的光通信系統(tǒng)。vLDLD通常和單模光纖耦合，用于通常和單模光纖耦合，用于1.31m1.31m或或1.55m1.55m大容量、大容量、長距離光通信系統(tǒng)。長距離光通信系統(tǒng)。v分布反饋半導(dǎo)體激光器（分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB-LDDFB-LD）主要也和單模光纖或特）主要也和單模光纖或特殊設(shè)計的單模光纖耦合，用于殊設(shè)計的單模光纖耦合，用于1.55m1.55m超大容量的新型光纖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。系統(tǒng)，這是目前光纖通信發(fā)展的主要趨勢。1.

19、1. 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器，稱為半導(dǎo)體激光器用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器，稱為半導(dǎo)體激光器（LDLD）。在光纖通信系統(tǒng)中，使用的激光光源幾乎都是半導(dǎo)體）。在光纖通信系統(tǒng)中，使用的激光光源幾乎都是半導(dǎo)體激光器激光器半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的輸出光具有強單色性，而且光束具有半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的輸出光具有強單色性，而且光束具有很好的方向性。很好的方向性。半導(dǎo)體激光器的典型響應(yīng)時間小于半導(dǎo)體激光器的典型響應(yīng)時間小于1ns1ns，光譜帶寬小于或，光譜帶寬小于或等于等于2nm2nm，并且它們可以和具有小芯徑和小模場直徑的光纖實，并且它們可以和具有小芯徑和小模場直徑的光纖實現(xiàn)耦

20、合，注入光纖的功率可達到幾十毫瓦?，F(xiàn)耦合，注入光纖的功率可達到幾十毫瓦。4.2.2 4.2.2 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器2. 2. 激光器的構(gòu)成和工作原理激光器的構(gòu)成和工作原理vLDLD發(fā)射激光的首要條件發(fā)射激光的首要條件-粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)vLDLD發(fā)射激光另一個條件發(fā)射激光另一個條件-半導(dǎo)體激光器中必須存在光半導(dǎo)體激光器中必須存在光學(xué)諧振腔，并在諧振腔里建立起穩(wěn)定的振蕩。學(xué)諧振腔，并在諧振腔里建立起穩(wěn)定的振蕩。LR1R2反射波相互干涉反射波相互干涉M1M2反反射射鏡鏡反反射射鏡鏡ABab3 3激光的產(chǎn)生條件激光的產(chǎn)生條件v激光器并不是在任何情況下都可以產(chǎn)生激光，還要滿足一定激光器并不是在

21、任何情況下都可以產(chǎn)生激光，還要滿足一定的的振幅平衡振幅平衡和和相位平衡相位平衡條件條件v振幅平衡振幅平衡條件即是閾值條件，是光的放大和損耗應(yīng)滿足的平條件即是閾值條件，是光的放大和損耗應(yīng)滿足的平衡條件衡條件v將激光器能產(chǎn)生激光振蕩的最低限度稱為激光器的將激光器能產(chǎn)生激光振蕩的最低限度稱為激光器的閾值條件閾值條件v在諧振腔中，光波在兩塊反射鏡之間往復(fù)傳輸，只有在滿足在諧振腔中，光波在兩塊反射鏡之間往復(fù)傳輸，只有在滿足特定相位的駐波才能得到彼此加強，這種條件稱為特定相位的駐波才能得到彼此加強，這種條件稱為相位條件相位條件4. 4. 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)長度約為長度約為20020050

22、0m500m寬度為寬度為5 515m15m厚度為厚度為0.10.10.2m0.2mv法布里帕羅腔半導(dǎo)體激光器的核心是法布里帕羅腔半導(dǎo)體激光器的核心是PN結(jié)，結(jié)，PN結(jié)的兩個結(jié)的兩個端面是按照晶體的天然晶面剖切開的，表面非常光滑，成為端面是按照晶體的天然晶面剖切開的，表面非常光滑，成為兩個平行的鏡面，稱為解理面兩個平行的鏡面，稱為解理面v兩個解理面之間組成一個光學(xué)諧振腔，即法布里帕羅腔兩個解理面之間組成一個光學(xué)諧振腔，即法布里帕羅腔（F-P腔）腔）v其作用是提供強的縱向光反饋，得到激光其作用是提供強的縱向光反饋，得到激光v激光器諧振腔可能會有許多諧振頻率，但僅有那些增益足以激光器諧振腔可能會有許

23、多諧振頻率，但僅有那些增益足以克服損耗的頻率振蕩得以輸出克服損耗的頻率振蕩得以輸出 5. 5. 導(dǎo)體激光器的分類導(dǎo)體激光器的分類v半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器LDLD按縱向（垂直于按縱向（垂直于PNPN結(jié)）結(jié)構(gòu)的不同，可分為結(jié)）結(jié)構(gòu)的不同，可分為同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)LDLD、單異質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)LDLD和雙異質(zhì)結(jié)和雙異質(zhì)結(jié)LDLD實際使用的所有半導(dǎo)體激光器都是多層異質(zhì)結(jié)器件實際使用的所有半導(dǎo)體激光器都是多層異質(zhì)結(jié)器件6. 6. 半導(dǎo)體激光器的特性半導(dǎo)體激光器的特性半導(dǎo)體激光器仍然屬于半導(dǎo)體二極管，具有二極管的一般半導(dǎo)體激光器仍然屬于半導(dǎo)體二極管，具有二極管的一般特性（如伏安特性），還具有特殊的光頻特性。特性

24、（如伏安特性），還具有特殊的光頻特性。（1 1）激光器的）激光器的P-IP-I特性特性v激光器的激光器的P-IP-I特性曲線表明激光器輸出光功率（輸出）與特性曲線表明激光器輸出光功率（輸出）與注入電流（輸入）變化的關(guān)系注入電流（輸入）變化的關(guān)系閾值閾值（2 2）激光器效率）激光器效率v可用功率轉(zhuǎn)換效率和量子效率衡量激光器轉(zhuǎn)換效率的高低可用功率轉(zhuǎn)換效率和量子效率衡量激光器轉(zhuǎn)換效率的高低v外微分量子效率外微分量子效率d是用來衡量激光器的電光轉(zhuǎn)換效率高低是用來衡量激光器的電光轉(zhuǎn)換效率高低的一個參量，其定義為：激光器輸出光子數(shù)的增量與注入電的一個參量，其定義為：激光器輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量

25、之比子數(shù)的增量之比 v功率轉(zhuǎn)換效率功率轉(zhuǎn)換效率p是用來衡量激光器的電光轉(zhuǎn)換效率高低的是用來衡量激光器的電光轉(zhuǎn)換效率高低的另一個參量，其定義為：激光器的輸出光功率與器件消耗的另一個參量，其定義為：激光器的輸出光功率與器件消耗的電功率之比電功率之比IPhfeeIhfPd/IVRIPsp20（3 3）光譜特性）光譜特性v半導(dǎo)體激光器的縱向光場不是以行波形式傳輸，而是成駐波形式半導(dǎo)體激光器的縱向光場不是以行波形式傳輸，而是成駐波形式振蕩振蕩v因此，激光器輸出的是一系列模式明確，譜寬很窄，功率不同的因此，激光器輸出的是一系列模式明確，譜寬很窄，功率不同的尖銳的譜線，稱為激光器的縱模尖銳的譜線，稱為激光器

26、的縱模 v當(dāng)當(dāng)注入電流低于閾值時，發(fā)射光譜以自發(fā)輻射為主注入電流低于閾值時，發(fā)射光譜以自發(fā)輻射為主，發(fā)出的是熒，發(fā)出的是熒光光v當(dāng)注入電流當(dāng)注入電流大于閾值后大于閾值后，諧振腔里的增益大于損耗，產(chǎn)生，諧振腔里的增益大于損耗，產(chǎn)生激光振激光振蕩蕩，其發(fā)射光譜變窄，譜線中心強度急劇增加，其發(fā)射光譜變窄，譜線中心強度急劇增加v激光器產(chǎn)生的激光有單模和多模激光器產(chǎn)生的激光有單模和多模v單模激光器（單模激光器（SLM）是指激光器發(fā)出的激光是單縱模，所）是指激光器發(fā)出的激光是單縱模，所對應(yīng)的光譜只有一個譜線對應(yīng)的光譜只有一個譜線v當(dāng)有很多譜線時，即為多縱模激光器（當(dāng)有很多譜線時，即為多縱模激光器（MLM）

27、 v所謂光譜特性是指激光器輸出的光功率隨波長的變化情況，所謂光譜特性是指激光器輸出的光功率隨波長的變化情況，一般用光源譜線寬度一般用光源譜線寬度 來表示，激光器的來表示，激光器的 越小越好越小越好v對于多縱模激光器，線寬可用半高全寬光譜寬度來度量對于多縱模激光器，線寬可用半高全寬光譜寬度來度量一般含有一般含有35個縱模，對應(yīng)的線寬為個縱模，對應(yīng)的線寬為35 nmv對于單縱模激光器，則以光功率峰值下降到對于單縱模激光器，則以光功率峰值下降到20dB時的功率時的功率點對應(yīng)的寬度評定點對應(yīng)的寬度評定約為約為0.1 nm，甚至更小，甚至更小 （4 4）溫度特性）溫度特性v半導(dǎo)體激光器的閾值電流、輸出光

28、功率和輸出光波波長隨溫半導(dǎo)體激光器的閾值電流、輸出光功率和輸出光波波長隨溫度變化的特性稱為溫度特性度變化的特性稱為溫度特性v雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體條形激光器的溫度特性曲線如圖雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體條形激光器的溫度特性曲線如圖 （5 5）啁啾）啁啾v單縱模激光器在高速直接調(diào)制（強度調(diào)制）時，注入有源層單縱模激光器在高速直接調(diào)制（強度調(diào)制）時，注入有源層的電子密度不斷變化，導(dǎo)致折射率的變化，而且使激光器的的電子密度不斷變化，導(dǎo)致折射率的變化，而且使激光器的輸出波長和強度都發(fā)生變化，在調(diào)制脈沖的上升沿向短波長輸出波長和強度都發(fā)生變化，在調(diào)制脈沖的上升沿向短波長漂移，在調(diào)制脈沖的下降沿向長波長漂移，從而使輸出譜線漂移

29、，在調(diào)制脈沖的下降沿向長波長漂移，從而使輸出譜線加寬，這種動態(tài)譜線加寬現(xiàn)象叫做啁啾加寬，這種動態(tài)譜線加寬現(xiàn)象叫做啁啾 v啁啾的存在使得光信號的頻譜大大展寬，成為制約光纖高速啁啾的存在使得光信號的頻譜大大展寬，成為制約光纖高速傳輸?shù)囊粋€關(guān)鍵因素傳輸?shù)囊粋€關(guān)鍵因素 v解決頻率啁啾問題的方法包括對注入電流脈沖形狀的控制、解決頻率啁啾問題的方法包括對注入電流脈沖形狀的控制、注入鎖模、采用耦合腔半導(dǎo)體激光器等注入鎖模、采用耦合腔半導(dǎo)體激光器等v最直接的方法就是設(shè)計出具有較小線寬展寬因子的激光器，最直接的方法就是設(shè)計出具有較小線寬展寬因子的激光器，如采用量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計如采用量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計 v采用外調(diào)制器的

30、方法，可根本消除調(diào)制引起的頻率啁啾采用外調(diào)制器的方法，可根本消除調(diào)制引起的頻率啁啾7. 7. 新型半導(dǎo)體激光器新型半導(dǎo)體激光器v為了提高光源的調(diào)制速率和減小模分配噪聲，通常希望為了提高光源的調(diào)制速率和減小模分配噪聲，通常希望LDLD單單縱模輸出縱模輸出vLDLD的輸出光譜寬度和模式特性與其光增益譜分布和選模機制的輸出光譜寬度和模式特性與其光增益譜分布和選模機制有關(guān)有關(guān)vF-PF-P腔激光器由于諧振腔的長度較長，導(dǎo)致縱模間隔小，相腔激光器由于諧振腔的長度較長，導(dǎo)致縱模間隔小，相鄰縱模間的增益差別小，因此要得到單縱模振蕩非常困難鄰縱模間的增益差別小，因此要得到單縱模振蕩非常困難 （1 1）分布反饋

31、）分布反饋DFBDFB激光器激光器v分布反饋分布反饋DFBDFB激光器與激光器與F-PF-P激光器的主要區(qū)別在于它不需要解激光器的主要區(qū)別在于它不需要解理面進行光反饋理面進行光反饋v其反射機構(gòu)是由有源區(qū)波導(dǎo)上的其反射機構(gòu)是由有源區(qū)波導(dǎo)上的BraggBragg光柵提供，光柵提供，v因為光柵具有很好的選頻功能，因為光柵具有很好的選頻功能，DFBDFB具有非常好的單色性和具有非常好的單色性和方向性，成為一種性能很好的激光器方向性，成為一種性能很好的激光器 vDFB激光器就是在條形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，用光刻技術(shù)將有源激光器就是在條形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，用光刻技術(shù)將有源層刻成波紋光柵形式層刻成波紋光柵形式vDFB利

32、用光柵的二次選頻功能，滿足布拉格條件的光波在利用光柵的二次選頻功能，滿足布拉格條件的光波在有源區(qū)傳播過程中沿途不斷地經(jīng)歷反射、疊加，不斷得到放有源區(qū)傳播過程中沿途不斷地經(jīng)歷反射、疊加，不斷得到放大加強，而不滿足條件的光波得不到放大，很快衰減掉，其大加強，而不滿足條件的光波得不到放大，很快衰減掉，其中，光柵起到一個分布式濾波器的作用。中，光柵起到一個分布式濾波器的作用。vDFB激光器也比激光器也比F-P激光器有更好的線性響應(yīng)激光器有更好的線性響應(yīng) （2 2）分布布拉格反射）分布布拉格反射DBRDBR激光器激光器v分布布拉格反射分布布拉格反射DBR激光器也是基于光柵的布拉格反射激光器也是基于光柵的

33、布拉格反射條件工作的，其結(jié)構(gòu)與條件工作的，其結(jié)構(gòu)與DFB激光器類似激光器類似反饋作用反饋作用反射作用反射作用（3 3）量子阱）量子阱QWQW激光器激光器v量子阱（量子阱（QW，Quantum Well）激光器與一般雙異質(zhì)結(jié)激）激光器與一般雙異質(zhì)結(jié)激光器類似，只是有源區(qū)的厚度很薄，在光器類似，只是有源區(qū)的厚度很薄，在10 nm左右，屬于雙左右，屬于雙異質(zhì)結(jié)器件異質(zhì)結(jié)器件v采用先進的半導(dǎo)體材料外延生長工藝（如分子束外延生長工采用先進的半導(dǎo)體材料外延生長工藝（如分子束外延生長工藝），將厚度僅為幾十個原子層的半導(dǎo)體發(fā)光材料（作為量藝），將厚度僅為幾十個原子層的半導(dǎo)體發(fā)光材料（作為量子阱）交替生長在光限

34、制材料（作為量子勢壘）之間，使其子阱）交替生長在光限制材料（作為量子勢壘）之間，使其產(chǎn)生量子限制效應(yīng)產(chǎn)生量子限制效應(yīng)v有源層與兩邊相鄰層的能帶不連續(xù)，在有源層的異質(zhì)結(jié)上出有源層與兩邊相鄰層的能帶不連續(xù)，在有源層的異質(zhì)結(jié)上出現(xiàn)導(dǎo)帶和價帶的突變，這樣窄帶隙的有源區(qū)為導(dǎo)帶中的電子現(xiàn)導(dǎo)帶和價帶的突變，這樣窄帶隙的有源區(qū)為導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴創(chuàng)造了一個勢能阱，將載流子限制在很薄的和價帶中的空穴創(chuàng)造了一個勢能阱，將載流子限制在很薄的有源區(qū)內(nèi)，使有源區(qū)內(nèi)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)濃度非常高有源區(qū)內(nèi)，使有源區(qū)內(nèi)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)濃度非常高v量子阱激光器有單量子阱（量子阱激光器有單量子阱（SQW）激光器和多量子阱）激光器和多

35、量子阱（MQW）激光器）激光器 v多量子阱激光器有相對較好的光模式限制特性，所以其電流多量子阱激光器有相對較好的光模式限制特性，所以其電流密度的閾值相對較低密度的閾值相對較低v輸出波長可以通過調(diào)整有源層厚度輸出波長可以通過調(diào)整有源層厚度d來改變來改變 v量子阱激光器能在較低的電流驅(qū)動下就產(chǎn)生較強的激光，從量子阱激光器能在較低的電流驅(qū)動下就產(chǎn)生較強的激光，從而降低溫度對激光器性能的影響，使之能在較高的溫度下正而降低溫度對激光器性能的影響，使之能在較高的溫度下正常工作常工作 （4 4）垂直腔面發(fā)射激光器）垂直腔面發(fā)射激光器VCSELVCSELv垂直腔面發(fā)射激光器（垂直腔面發(fā)射激光器（VCSELVC

36、SEL，Vertical Cavity Surface Vertical Cavity Surface Emitting LaserEmitting Laser）是一種電流和發(fā)射光束方向都與芯片表面）是一種電流和發(fā)射光束方向都與芯片表面垂直的激光器垂直的激光器v垂直腔結(jié)構(gòu)對于二維應(yīng)用具有很好的靈活性垂直腔結(jié)構(gòu)對于二維應(yīng)用具有很好的靈活性v與光纖耦合具有較高的耦合效率與光纖耦合具有較高的耦合效率v在平行光信息處理及廣互聯(lián)等新光電子領(lǐng)域十分引入注目在平行光信息處理及廣互聯(lián)等新光電子領(lǐng)域十分引入注目vVCSEL由有源區(qū)、限制區(qū)和布拉格反射鏡組成，結(jié)構(gòu)通由有源區(qū)、限制區(qū)和布拉格反射鏡組成，結(jié)構(gòu)通常是上

37、下兩塊反射鏡中間夾著有源區(qū)常是上下兩塊反射鏡中間夾著有源區(qū)4.2.3 4.2.3 半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體發(fā)光二極管1. 1. 半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體發(fā)光二極管發(fā)光二極管發(fā)光二極管(LED)(LED)是光纖通信系統(tǒng)中常用的另一種光源是光纖通信系統(tǒng)中常用的另一種光源，發(fā)光機理與發(fā)光機理與LDLD也相同，不同之處是也相同，不同之處是LEDLED沒有平面反射鏡。沒有平面反射鏡。LEDLED的性質(zhì)：的性質(zhì)：輻射的光是自發(fā)輻射產(chǎn)生的，是熒光輻射的光是自發(fā)輻射產(chǎn)生的，是熒光它是非閾值器件。它是非閾值器件。產(chǎn)生非相干光產(chǎn)生非相干光光譜的譜線較寬光譜的譜線較寬2. 2. 半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體發(fā)光二極管的

38、結(jié)構(gòu) 用于光纖通信系統(tǒng)的發(fā)光二極管有兩種基本結(jié)構(gòu)，用于光纖通信系統(tǒng)的發(fā)光二極管有兩種基本結(jié)構(gòu)，面發(fā)光二極管（面發(fā)光二極管（SLEDSLED）也稱為）也稱為BurrusBurrus或前發(fā)射或前發(fā)射邊發(fā)光二極管（邊發(fā)光二極管（ELEDELED） 面發(fā)光二極管v面發(fā)光二極管中，有源發(fā)光面與光纖軸垂直面發(fā)光二極管中，有源發(fā)光面與光纖軸垂直v面發(fā)光二極管發(fā)出的光束是各向同性的，總的半功率光束寬面發(fā)光二極管發(fā)出的光束是各向同性的，總的半功率光束寬度為度為120邊發(fā)光二極管v邊發(fā)光二極管由一個有源結(jié)區(qū)和兩個導(dǎo)光層組成邊發(fā)光二極管由一個有源結(jié)區(qū)和兩個導(dǎo)光層組成v導(dǎo)光層的折射率比有源區(qū)的折射率低，但比周圍材料的

39、折射率高，導(dǎo)光層的折射率比有源區(qū)的折射率低，但比周圍材料的折射率高，從而形成一個波導(dǎo)通道，使輻射光的方向朝向光纖的纖芯從而形成一個波導(dǎo)通道，使輻射光的方向朝向光纖的纖芯 v邊發(fā)光二極管的條形接觸面的寬度一般為邊發(fā)光二極管的條形接觸面的寬度一般為505070m70m之間之間v有源區(qū)的長度通常在有源區(qū)的長度通常在100 100 150m150m之間之間v邊發(fā)光二極管比面發(fā)光二極管具有更好的方向性，與光纖的耦合邊發(fā)光二極管比面發(fā)光二極管具有更好的方向性，與光纖的耦合效率更高，發(fā)光亮度要大效率更高，發(fā)光亮度要大 3. 3. 半導(dǎo)體發(fā)光二極管的工作特性半導(dǎo)體發(fā)光二極管的工作特性 P-IP-I特性特性 光

40、譜特性光譜特性 調(diào)制特性調(diào)制特性（1 1）P-IP-I特性特性vLEDLED是無閾值器件，加上電流后，即有輸出光，且隨著注是無閾值器件，加上電流后，即有輸出光，且隨著注入電流的增加，輸出光功率近似呈線性增加入電流的增加，輸出光功率近似呈線性增加 當(dāng)注入電流較大時，由于當(dāng)注入電流較大時，由于PNPN結(jié)結(jié)的發(fā)熱而出現(xiàn)飽和現(xiàn)象的發(fā)熱而出現(xiàn)飽和現(xiàn)象 LEDLED的工作電流通常為的工作電流通常為5050100 100 mAmA，輸出功率約為幾毫瓦，由，輸出功率約為幾毫瓦，由于光束輻射角大，入纖光功率于光束輻射角大，入纖光功率只有幾百微瓦只有幾百微瓦（2 2）光譜特性）光譜特性vLEDLED是自發(fā)輻射光源

41、，譜線寬度是自發(fā)輻射光源，譜線寬度比比LDLD寬得多寬得多v譜線寬度譜線寬度定義為輻射光強下降一半的兩點間波長變化值定義為輻射光強下降一半的兩點間波長變化值v在短波長范圍內(nèi)，在短波長范圍內(nèi)，LEDLED線寬線寬的典型值為的典型值為252540nm40nm 在長波長在長波長131013101550nm1550nm波波段，線寬段，線寬的典型值為的典型值為50 50 100 nm100 nm（3 3）溫度特性）溫度特性v溫度特性主要影響溫度特性主要影響LEDLED的輸出光功率、的輸出光功率、P-IP-I特性的線性及工作特性的線性及工作波長波長v當(dāng)溫度上升時，當(dāng)溫度上升時，LEDLED的輸出光功率會下

42、降，例如當(dāng)溫度從的輸出光功率會下降，例如當(dāng)溫度從2020C C提高到提高到7070C C時，輸出功率將下降約一半，但相對時，輸出功率將下降約一半，但相對LDLD而而言，溫度的影響較小言，溫度的影響較小v溫度上升還將導(dǎo)致線性工作區(qū)變窄，電路噪聲增加，系統(tǒng)性溫度上升還將導(dǎo)致線性工作區(qū)變窄，電路噪聲增加，系統(tǒng)性能下降，峰值工作波長向長波長方向漂移，附加損耗增大能下降，峰值工作波長向長波長方向漂移，附加損耗增大 4. 4. 半導(dǎo)體光源的應(yīng)用半導(dǎo)體光源的應(yīng)用vLEDLED與與LDLD相比，相比，LEDLED輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低率較低v但但LEDL

43、ED性能穩(wěn)定，壽命長，可達到性能穩(wěn)定，壽命長，可達到3 310105 5 小時以上，使用簡小時以上，使用簡單，輸出光功率線性范圍寬，而且制造工藝簡單，價格低廉單，輸出光功率線性范圍寬，而且制造工藝簡單，價格低廉vLEDLED通常和多模光纖耦合，用于通常和多模光纖耦合，用于1310 nm1310 nm或或850 nm850 nm波長的小容波長的小容量、短距離的光通信系統(tǒng)量、短距離的光通信系統(tǒng)vLDLD通常和單模光纖耦合，用于通常和單模光纖耦合，用于1310 nm1310 nm或或1550 nm1550 nm大容量、長大容量、長距離光通信系統(tǒng)距離光通信系統(tǒng) LDLD與與LEDLED的比較的比較返回

44、4.1.4 4.1.4 數(shù)字光發(fā)送機數(shù)字光發(fā)送機數(shù)字光發(fā)送機是數(shù)字光纖通信系統(tǒng)基本組成部分之一，其數(shù)字光發(fā)送機是數(shù)字光纖通信系統(tǒng)基本組成部分之一，其主要作用是將電端機送來的數(shù)字信號變換為光信號，并耦合進主要作用是將電端機送來的數(shù)字信號變換為光信號，并耦合進光纖線路中進行傳輸。光纖線路中進行傳輸。 光發(fā)送機中的光源是整個系統(tǒng)的核心器件。光發(fā)送機中的光源是整個系統(tǒng)的核心器件。 光源的調(diào)制速率、譜線寬度、輸出光功率和光束方向性等光源的調(diào)制速率、譜線寬度、輸出光功率和光束方向性等性能直接影響光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量和傳輸距離性能直接影響光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量和傳輸距離 。1. 1. 光源的調(diào)制方式光源的

45、調(diào)制方式光發(fā)射機由光源、調(diào)制器和信道耦合器組成。光信號光發(fā)射機由光源、調(diào)制器和信道耦合器組成。光信號是用電信號調(diào)制光載波產(chǎn)生的。是用電信號調(diào)制光載波產(chǎn)生的。對半導(dǎo)體光源的調(diào)制有兩種方法對半導(dǎo)體光源的調(diào)制有兩種方法一類是直接調(diào)制，又稱為內(nèi)調(diào)制一類是直接調(diào)制，又稱為內(nèi)調(diào)制另一類是間接調(diào)制，又稱外調(diào)制另一類是間接調(diào)制，又稱外調(diào)制 （1 1）直接調(diào)制）直接調(diào)制v直接調(diào)制就是將電信號直接注入光源，使其輸出的光載波直接調(diào)制就是將電信號直接注入光源，使其輸出的光載波信號的強度隨調(diào)制信號的變化而變化，又稱為內(nèi)調(diào)制。信號的強度隨調(diào)制信號的變化而變化，又稱為內(nèi)調(diào)制。v直接調(diào)制具有調(diào)制簡單、損耗小、成本低等特點。但

46、存在直接調(diào)制具有調(diào)制簡單、損耗小、成本低等特點。但存在波長波長(頻率頻率)的抖動。的抖動。v直接調(diào)制方法僅適用于半導(dǎo)體光源（直接調(diào)制方法僅適用于半導(dǎo)體光源（LD和和LED）。）。直接光強度數(shù)字調(diào)制原理直接光強度數(shù)字調(diào)制原理（2 2）間接調(diào)制）間接調(diào)制v間接調(diào)制不直接調(diào)制光源，而是利用晶體的電光、磁光和聲間接調(diào)制不直接調(diào)制光源，而是利用晶體的電光、磁光和聲光特性對光特性對LDLD所發(fā)出的光載波進行調(diào)制，即光輻射之后再加載所發(fā)出的光載波進行調(diào)制，即光輻射之后再加載調(diào)制電壓，使經(jīng)過調(diào)制器的光載波得到調(diào)制，這種調(diào)制方式調(diào)制電壓，使經(jīng)過調(diào)制器的光載波得到調(diào)制，這種調(diào)制方式又稱作外調(diào)制。又稱作外調(diào)制。v間

47、接調(diào)制的調(diào)制系統(tǒng)比較復(fù)雜、損耗大、而且造價也高。但間接調(diào)制的調(diào)制系統(tǒng)比較復(fù)雜、損耗大、而且造價也高。但譜線寬度窄，可以應(yīng)用于譜線寬度窄，可以應(yīng)用于2.5Gbit/s2.5Gbit/s的高速大容量傳輸系的高速大容量傳輸系統(tǒng)之中，而且傳輸距離也超過統(tǒng)之中，而且傳輸距離也超過300km300km以上。以上。v直接調(diào)制會引入頻率啁啾，即光脈沖的載頻隨時間變化直接調(diào)制會引入頻率啁啾，即光脈沖的載頻隨時間變化v由于帶啁啾的光脈沖在光纖中傳輸時會加劇色散展寬，所以由于帶啁啾的光脈沖在光纖中傳輸時會加劇色散展寬，所以在高速系統(tǒng)中需要采用外調(diào)制技術(shù)在高速系統(tǒng)中需要采用外調(diào)制技術(shù)v此外相干光通信系統(tǒng)也需要采用間接

48、調(diào)制此外相干光通信系統(tǒng)也需要采用間接調(diào)制 v商用化的外調(diào)制器一般作為一個單獨的器件或作為一個部件商用化的外調(diào)制器一般作為一個單獨的器件或作為一個部件集成到激光器封裝中集成到激光器封裝中 v光信號間接調(diào)制是利用一些材料的電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光信號間接調(diào)制是利用一些材料的電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)和電吸收效應(yīng)使輸出光的強度等參數(shù)隨電信號而變，光效應(yīng)和電吸收效應(yīng)使輸出光的強度等參數(shù)隨電信號而變，達到調(diào)制的目的達到調(diào)制的目的v目前光通信中實用的調(diào)制器主要有兩種：目前光通信中實用的調(diào)制器主要有兩種：一種是一種是M-ZM-Z（Mach-ZehnderMach-Zehnder）波導(dǎo)調(diào)制器）波導(dǎo)調(diào)制器另一

49、種是電吸收調(diào)制器另一種是電吸收調(diào)制器 M-Z調(diào)制器vM-Z調(diào)制器用電光材料制作，如調(diào)制器用電光材料制作，如LiNbO3 v輸入光信號在第一個輸入光信號在第一個3 dB耦合器處被分成相等的兩束，分耦合器處被分成相等的兩束，分別進入兩波導(dǎo)傳輸別進入兩波導(dǎo)傳輸v波導(dǎo)采用電光材料制成，其折射率隨外部施加的電壓大小而波導(dǎo)采用電光材料制成，其折射率隨外部施加的電壓大小而變化，從而導(dǎo)致兩路光信號到達第二個耦合器的相位延時不變化，從而導(dǎo)致兩路光信號到達第二個耦合器的相位延時不同同 M-Z調(diào)制器v如果兩束光的光程差是波長的整數(shù)倍，兩束光相干加強如果兩束光的光程差是波長的整數(shù)倍，兩束光相干加強v如果兩束光的光程差

50、是波長的一半，兩束光相干抵消，調(diào)制如果兩束光的光程差是波長的一半，兩束光相干抵消，調(diào)制器輸出很小器輸出很小v因此，只要控制外加電壓，就能對光束進行調(diào)制因此，只要控制外加電壓，就能對光束進行調(diào)制 電吸收調(diào)制器v電吸收調(diào)制器（電吸收調(diào)制器（EAMEAM，Electro-absorption ModulatorElectro-absorption Modulator）是）是一種損耗調(diào)制器，為半導(dǎo)體結(jié)型器件一種損耗調(diào)制器，為半導(dǎo)體結(jié)型器件v當(dāng)外加反向偏置時，耗盡層的電場引起帶隙能量（當(dāng)外加反向偏置時，耗盡層的電場引起帶隙能量（E Eg g）減少，）減少，即所謂即所謂Franz-KeldyshFranz

51、-Keldysh效應(yīng)，利用這個效應(yīng)可以改變光束的效應(yīng)，利用這個效應(yīng)可以改變光束的通斷通斷 電吸收調(diào)制器v由于能量低于帶隙能量的光子可以通過半導(dǎo)體，而能量高于帶隙能量的由于能量低于帶隙能量的光子可以通過半導(dǎo)體，而能量高于帶隙能量的光子將被吸收并產(chǎn)生自由電子空穴對光子將被吸收并產(chǎn)生自由電子空穴對v當(dāng)當(dāng)EAMEAM無偏壓時，帶隙能量較大，光子通過，輸出功率最大，無偏壓時，帶隙能量較大，光子通過，輸出功率最大，當(dāng)當(dāng)EAM外外加反向偏壓，將減小帶隙能量，原來可傳輸波長的光子將被吸收，輸出加反向偏壓，將減小帶隙能量，原來可傳輸波長的光子將被吸收，輸出功率最小，從而實現(xiàn)調(diào)制功率最小，從而實現(xiàn)調(diào)制電吸收調(diào)制器

52、v電吸收式調(diào)制器可以制成分立器件，通過對接耦合或者光纖電吸收式調(diào)制器可以制成分立器件，通過對接耦合或者光纖與半導(dǎo)體激光器連接與半導(dǎo)體激光器連接vEAMEAM也很容易與激光器（通常是也很容易與激光器（通常是DFBDFB型型LDLD）集成在一起，制成）集成在一起，制成體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的單片集成組件，這樣可以獲得較低的連體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的單片集成組件，這樣可以獲得較低的連接損耗，所需的驅(qū)動電壓也更低接損耗，所需的驅(qū)動電壓也更低v控制控制EAMEAM的電壓有兩種狀態(tài)：零電壓時對應(yīng)于傳輸，而加一的電壓有兩種狀態(tài)：零電壓時對應(yīng)于傳輸，而加一個小的（在個小的（在1.5 V1.5 V左右）反向電壓則對應(yīng)于吸收

53、左右）反向電壓則對應(yīng)于吸收 電吸收調(diào)制器vEAMEAM可以適應(yīng)可以適應(yīng)10 Gb/s10 Gb/s甚至甚至40 Gb/s40 Gb/s的系統(tǒng)，其插入損耗在的系統(tǒng)，其插入損耗在10 10 dBdB左右，這一損耗可以通過與調(diào)制器集成在同一襯底的光放左右，這一損耗可以通過與調(diào)制器集成在同一襯底的光放大器來補償大器來補償vEAMEAM的頻率啁啾比的頻率啁啾比M-ZM-Z調(diào)制器更大，一般不用于傳輸距離特別調(diào)制器更大，一般不用于傳輸距離特別長的高速率海纜系統(tǒng)長的高速率海纜系統(tǒng)v當(dāng)利用當(dāng)利用G.652G.652光纖時，對光纖時，對2.5 Gb/s2.5 Gb/s系統(tǒng)，系統(tǒng)，EAMEAM的傳輸距離可達的傳輸距

54、離可達到到600 km 600 km 直接強度調(diào)制和外調(diào)制的區(qū)別直接強度調(diào)制和外調(diào)制的區(qū)別線路編碼驅(qū)動電路L D 或LED控制電路電信號輸入光信號直接調(diào)制的光發(fā)射機直接調(diào)制的光發(fā)射機線路編碼驅(qū)動電路LD或LED控制電路電信號輸入光信號外調(diào)制器件間接調(diào)制的光發(fā)射機間接調(diào)制的光發(fā)射機2. 2. 數(shù)字光發(fā)送機的基本組成數(shù)字光發(fā)送機的基本組成在光纖通信系統(tǒng)中，光發(fā)送機的作用是將輸入電信號轉(zhuǎn)換在光纖通信系統(tǒng)中，光發(fā)送機的作用是將輸入電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并用耦合技術(shù)把光信號有效注入光纖傳輸為光信號，并用耦合技術(shù)把光信號有效注入光纖傳輸采用直接調(diào)制（采用直接調(diào)制（IMIM）的光發(fā)送機主要包括：）的光發(fā)送機主

55、要包括：輸入電路（輸入盤）輸入電路（輸入盤）電光轉(zhuǎn)換電路（發(fā)送盤）電光轉(zhuǎn)換電路（發(fā)送盤） （1 1）輸入電路各部分功能）輸入電路各部分功能 均衡器均衡器：是對由：是對由PCMPCM電端機送來的電端機送來的HDB3HDB3碼（又稱三階高碼（又稱三階高密度雙極性碼）或密度雙極性碼）或CMICMI（又稱信號反轉(zhuǎn)碼）碼流進行均衡，用（又稱信號反轉(zhuǎn)碼）碼流進行均衡，用以補償由電纜傳輸所產(chǎn)生的衰減和畸變，保證電、光端機（發(fā)以補償由電纜傳輸所產(chǎn)生的衰減和畸變，保證電、光端機（發(fā)送機和接收機統(tǒng)稱端機）間信號的幅度、阻抗適配，以便正確送機和接收機統(tǒng)稱端機）間信號的幅度、阻抗適配，以便正確譯碼。譯碼。 碼型變換：

56、碼型變換：PCMPCM電端機送來的電端機送來的HDB3HDB3或或CMICMI碼并不適合在碼并不適合在光纖通信系統(tǒng)中傳輸，需要碼型變換。并且光纖通信系統(tǒng)中傳輸，需要碼型變換。并且HDB3HDB3或或CMICMI線路碼線路碼是雙極性碼，在光纖系統(tǒng)中不宜使用，需要將其變成適合于光是雙極性碼，在光纖系統(tǒng)中不宜使用，需要將其變成適合于光纖線路中傳輸?shù)膯螛O性碼。這樣經(jīng)譯碼后，還原為原來的二進纖線路中傳輸?shù)膯螛O性碼。這樣經(jīng)譯碼后，還原為原來的二進制代碼。制代碼。 信號擾碼信號擾碼：譯碼獲得的：譯碼獲得的NRZNRZ二進制信號不直接送光發(fā)送二進制信號不直接送光發(fā)送電路進行光驅(qū)動。加電路進行光驅(qū)動。加擾碼電路

57、擾碼電路可有規(guī)律地破壞長連可有規(guī)律地破壞長連“0 0”和長連和長連“1 1”的碼流，從而使的碼流，從而使“0 0”、“1 1”等概率出現(xiàn)。等概率出現(xiàn)。 線路編碼：線路編碼：提取定時信息、誤碼檢測能力。線路編碼將提取定時信息、誤碼檢測能力。線路編碼將改變線路的傳輸速率。改變線路的傳輸速率。時鐘提取時鐘提取：由于碼型和擾碼都需要以時鐘信號為基礎(chǔ)，：由于碼型和擾碼都需要以時鐘信號為基礎(chǔ)，因此，在均衡電路之后，由因此，在均衡電路之后，由時鐘提取電路時鐘提取電路提取出時鐘信號，提取出時鐘信號，供給碼型變換、擾碼電路和線路編碼使用供給碼型變換、擾碼電路和線路編碼使用 （2 2）電光轉(zhuǎn)換電路各部分的功能）電

58、光轉(zhuǎn)換電路各部分的功能電光轉(zhuǎn)換電路（發(fā)送盤）主要完成將電信號轉(zhuǎn)換成光信電光轉(zhuǎn)換電路（發(fā)送盤）主要完成將電信號轉(zhuǎn)換成光信號，并將光信號送入光纖。主要由驅(qū)動電路、自動功率控制電號，并將光信號送入光纖。主要由驅(qū)動電路、自動功率控制電路和自動溫度控制電路和保護電路組成。路和自動溫度控制電路和保護電路組成。 光源驅(qū)動電路（又稱為調(diào)制電路）：光源驅(qū)動電路（又稱為調(diào)制電路）：是電光轉(zhuǎn)換是電光轉(zhuǎn)換電路的核心。電路的核心。自動功率控制電路自動功率控制電路APC：是自動跟蹤光功率輸出的變化，：是自動跟蹤光功率輸出的變化，相應(yīng)地改變相應(yīng)地改變LD的偏置電流和調(diào)制電流，使光功率輸出保持恒的偏置電流和調(diào)制電流，使光功率

59、輸出保持恒定定自動溫度控制電路自動溫度控制電路ATCATC：ATCATC就是保持就是保持LDLD的工作溫度基本的工作溫度基本恒定，不受外界溫度變化和恒定，不受外界溫度變化和LDLD本身結(jié)發(fā)熱效應(yīng)的影響，可大大本身結(jié)發(fā)熱效應(yīng)的影響，可大大提高提高LDLD的穩(wěn)定性和使用壽命。的穩(wěn)定性和使用壽命。ATCATC一般由致冷器、熱敏電阻和一般由致冷器、熱敏電阻和控制電路組成?？刂齐娐方M成。 ATCATC電路：電路：在設(shè)定溫度（例如在設(shè)定溫度（例如2020）時，調(diào)節(jié)）時，調(diào)節(jié)R3R3使電橋使電橋平衡，平衡，A A、B B兩點沒有電位差，傳輸?shù)竭\算放大器兩點沒有電位差，傳輸?shù)竭\算放大器A A的信號為零，的信號

60、為零，流過致冷器流過致冷器TECTEC的電流也為零。的電流也為零。 保護電路保護電路：實用的光發(fā)送機還應(yīng)考慮各種：實用的光發(fā)送機還應(yīng)考慮各種保護、告警和保護、告警和監(jiān)測監(jiān)測的需要，增設(shè)其它電路。比如，光發(fā)送機電路出現(xiàn)故障，的需要，增設(shè)其它電路。比如，光發(fā)送機電路出現(xiàn)故障，或輸入信號中斷，或激光器失效，都將使激光器長時間不發(fā)光，或輸入信號中斷，或激光器失效，都將使激光器長時間不發(fā)光，無光告警電路就會告警；隨使用時間增長，無光告警電路就會告警；隨使用時間增長，LD的閾值電流逐的閾值電流逐步增大，當(dāng)增大到原來的步增大，當(dāng)增大到原來的1.5倍時，壽命告警電路就會告警；倍時，壽命告警電路就會告警；為避免