光源和光發(fā)送機

光源和光發(fā)送機第一頁，共九十七頁，2022年，8月28日本章重點（1）掌握光與物質(zhì)的相互作用的三種基本過程；構(gòu)成激光器的必須具備的條件；半導(dǎo)體激光器的工作特性；（2）掌握發(fā)光二極管LED的工作特性（3）光發(fā)射機的基本組成及功能

(4)光源的調(diào)制方式、調(diào)制特性、調(diào)制電路（5）光纖線路碼型的種類第二頁，共九十七頁，2022年，8月28日本章內(nèi)容提要3.0激光基礎(chǔ)知識3.1半導(dǎo)體光源3.2光源調(diào)制3.3光發(fā)送機第三頁，共九十七頁，2022年，8月28日3.0激光基礎(chǔ)知識光與物質(zhì)相互作用的三種基本方式粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布能帶PN結(jié)第四頁，共九十七頁，2022年，8月28日光與物質(zhì)相互作用的三種基本方式

自發(fā)輻射——無外界激勵而高能級電子自發(fā)躍遷到低能級，同時釋放出光子。受激輻射——高能級電子受到外來光作用，被迫躍遷到低能級，同時釋放出光子，且產(chǎn)生的新光子與外來激勵光子同頻同方向，為相干光。受激吸收——低能級電子在外來光作用下吸收光能量而躍遷到高能級。

第五頁，共九十七頁，2022年，8月28日

E2

E1

E2

E1

hf12

hf12

hf12

hf12

初態(tài)

終態(tài)(b)自發(fā)輻射(c)受激輻射(a)受激吸收能級與電子躍遷示意圖第六頁，共九十七頁，2022年，8月28日粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布

設(shè)在單位物質(zhì)中低能級電子數(shù)和高能級電子數(shù)分別為N1和N2物質(zhì)在正常狀態(tài)下N1＞N2，受激吸收與受激輻射的速率分別比例于N1和N2且比例系數(shù)相等，此時光通過該物質(zhì)時，光強會衰減，物質(zhì)為吸收物質(zhì)。若N2＞N1，受激吸收小于受激輻射，光通過該物質(zhì)時，光強會放大，該物質(zhì)成為激活物質(zhì)。N2＞N1的分布與正常狀態(tài)相反，故稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。第七頁，共九十七頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體的能帶理論1、晶體的能帶晶體的能譜在原子能級的基礎(chǔ)上按共有化運動的不同而分裂成若干組。每組中能級彼此靠得很近，組成有一定寬度的帶，稱為能帶。內(nèi)層電子態(tài)之間的交疊小，原子間影響弱，分成的能帶比較窄，外層電子態(tài)之間的交疊大，分成的能帶比較寬。第八頁，共九十七頁，2022年，8月28日2在半導(dǎo)體中的能帶：

價帶（valenceband）:形成共價鍵的價電子所占據(jù)的能帶稱為價帶。較低的能量

滿帶：價帶下面的能帶是被電子占滿了，稱為滿帶。導(dǎo)帶（conductionband）:價帶上面鄰近的空帶（自由電子占據(jù)的能帶）稱為導(dǎo)帶。

導(dǎo)帶和價帶通過禁帶（energygap）來分開，電子可以在價帶或者導(dǎo)帶所對應(yīng)的軌道上活動，但決不能在它們之間－－禁帶上活動。一旦有外加能量，它們中的某些將獲得足夠的能量來躍過禁帶，占據(jù)導(dǎo)帶的能級。我們稱這些電子是“受激的”。第九頁，共九十七頁，2022年，8月28日3費米－狄拉克統(tǒng)計電子是費米子(自旋量子數(shù)為1/2)，符合泡里不相容原理。電子在各能級中的分布，服從費米－狄拉克統(tǒng)計。費米能級不是一個可以被電子占據(jù)的實在的能級，它是反映電子在各能級中分布情況的參量，具有能級的量綱。第十頁，共九十七頁，2022年，8月28日4、各種半導(dǎo)體中電子的統(tǒng)計分布根據(jù)費米分布規(guī)律，可以畫出各種半導(dǎo)體中電子的統(tǒng)計分布。如圖所示第十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日光輻射與能帶第十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日本征材料和非本征材料本征材料：不含雜質(zhì)的理想材料，因為晶體中原子的熱運動，價帶中的某些電子可以獲得足夠的能量而激勵到導(dǎo)帶，同時在價帶中留下一個空穴。非本征材料：向晶體中摻微量的V族或III族元素，（如P,As,Sb）可使晶體的導(dǎo)電性能大為增加，摻雜后的半導(dǎo)體稱為非本征半導(dǎo)體材料。第十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日N型材料和P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體：如果摻入的是V族元素，在核外電子有5個，其中四個與Si形成共價鍵，余下一個電子可以用來傳導(dǎo)電流，由于這種材料是由電子來導(dǎo)電的稱為N型材料。P型半導(dǎo)體：如果摻入的是III族元素，在核外電子有3個，其中三個與Si形成共價鍵，余下一個空穴用來傳導(dǎo)電流，由于這種材料是由空穴流動來導(dǎo)電的稱為P型材料第十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日多數(shù)載流子與少數(shù)載流子多數(shù)載流子：濃度高的載流子，N型材料中的電子或P型材料中的空穴。少數(shù)載流子：濃度低的低流子，N型材料中的空穴或P型材料中的電子。第十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日p-n結(jié)的形成

當P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體形成PN結(jié)時，載流子的濃度差引起擴散運動，P區(qū)的空穴向N區(qū)擴散，剩下帶負電的電離受主，從而在靠近PN結(jié)界面的區(qū)域形成一個帶負電的區(qū)域。同樣，N區(qū)的電子向P區(qū)擴散，剩下帶正電的電離施主，從而造成一個帶正電的區(qū)域。載流子擴散運動的結(jié)果形成了一個空間電荷區(qū)，稱為PN結(jié)。

第十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日1、PN結(jié)具有單向?qū)щ娦援擯N結(jié)加上正向電壓時，外加電壓的電場方向消弱了自建場，P區(qū)的空穴通過PN結(jié)流向N區(qū)，N區(qū)的電子也流向P區(qū)，形成正向電流。由于P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子都很多，所以這股正向電流是大電流。當PN結(jié)加反向電壓時，外電場的方向和自建場相同，多數(shù)載流子將背離PN結(jié)的交界面移動，使空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)內(nèi)電子和空穴都很少，它變成高阻層，因而反向電流非常小。第十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日2PN結(jié)的能帶第十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日3增益區(qū)的形成對于兼并型P型半導(dǎo)體和兼并型N型半導(dǎo)體形成的PN結(jié)，當注入電流(或正向電壓)加大到某一值后，準費米能級EfC和EfV的能量間隔大于禁帶寬度，PN結(jié)里出現(xiàn)一個增益區(qū)(也叫有源區(qū))。實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這個區(qū)域?qū)庾幽芰繚M足

Eg＜hν＜e0V的光子有光放大作用。半導(dǎo)體激光器的輻射就發(fā)生在這個區(qū)域。第十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日

3.1半導(dǎo)體光源

光源材料與發(fā)射波長從激射波長出發(fā)來選擇半導(dǎo)體材料有源區(qū)材料應(yīng)該是直接帶隙的，從量子力學來看具有較高的躍遷幾率。不需要粒子參與來滿足動量守恒。雖沒有單元素半導(dǎo)體是直接帶隙的，但有許多二元化合物都是直接帶隙的,如Al,Ga,In,和一種V族元素如P,As,Sb化合而成。第二十頁，共九十七頁，2022年，8月28日材料帶隙的大小決定著LED發(fā)射光波的波長第二十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日對于Ga1-xAlxAs,0≤x≥0.37Eg=1.414+1.266x+0.266x2確定Eg后就可以得到峰值發(fā)光波長。第二十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日3.1.1半導(dǎo)體激光器1半導(dǎo)體激光器輸出激光的必要條件和模式2外量子效率3頻率特性4溫度特性5半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)6單縱模激光器第二十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日1、LD輸出激光的必要條件粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布光反饋(光學諧振腔)激光振蕩的閾值條件半導(dǎo)體激光器輸出激光的必要條件和模式第二十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日正反饋：光放大和正反饋第二十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日光學諧振腔

光學諧振腔——由兩個反射率分別為R1和R2的平行反射鏡構(gòu)成。腔內(nèi)物質(zhì)具備粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，可用其產(chǎn)生的自發(fā)輻射光作入射光，經(jīng)反射鏡反射沿軸線方向傳播的光被放大，沿非軸線方向傳播的光被減弱，反射光經(jīng)反射鏡多次反射不斷被放大，方向性不斷改善，使增益大幅度提高。第二十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日激光振蕩閾值條件激活物質(zhì)在被置于光學諧振腔后，能對光的頻率和方向進行選擇，可獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出激光起振閾值條件：腔內(nèi)增益與損耗相當時開始建立穩(wěn)定的激光振蕩，閾值條件為：是

閾值光增益系數(shù)；

是諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的吸收系數(shù)為諧振腔長度為激光腔的反射損耗

閾值條件即為增益值正好等于總損耗第二十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日激光發(fā)射效應(yīng)和輸入輸出特性曲線a)增益與損耗第二十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日b)輸入輸出曲線c)測量輸入輸出用的設(shè)備輸出功率與激光器驅(qū)動電流的關(guān)系LD的輸出功率為幾至一百多毫瓦,用于光纖通信的一般為幾毫瓦第二十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日第三十頁，共九十七頁，2022年，8月28日2輻射模式（1）.常規(guī)激光二極管輻射的光束第三十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日（2）.縱模與橫模

在半導(dǎo)體激光器的諧振腔內(nèi)，輻射光建立起的電磁場模式稱為諧振腔模式。劃分為橫電(TE)模式和橫磁(TM)模式兩類，通過沿諧振腔主軸分布的縱向電磁場、水平橫向電磁場描述。在多層介質(zhì)波導(dǎo)諧振腔，激光以一定的模式振蕩?？v模：諧振腔內(nèi)部沿軸向形成的穩(wěn)定的駐波場稱為縱模。不同的頻率（波長）構(gòu)成不同模式，它與腔長L相關(guān)。橫模：諧振腔橫截面上場的分布形式。第三十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日橫模：諧振腔橫截面上場的分布形式第三十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日第三十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日激光中出現(xiàn)多個縱模也就是出現(xiàn)多種頻率，影響了激光的單色性。FP腔縱模，縱模數(shù)由腔長決定。橫模：由于腔邊緣的反射光形成橫模?？v模：沿軸向形成的穩(wěn)定的駐波場不同的頻率（波長）構(gòu)成不同模式第三十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日在諧振腔中，光波是在兩平面反射鏡之間往復(fù)傳輸?shù)模挥衅矫骁R間距離是半波長的整數(shù)倍時，光波才能得到彼此加強，即

式中，λ為光波的波長，n為增益介質(zhì)的折射率，m=1，2，…。利用，可將上式重寫成

式中，f為光波的頻率，c為光速。只有那些有增益且增益大于損耗的模式才能在激光的輸出光譜中存在。若只剩下一個模稱為單縱模激光器，否則稱為多縱模激光器。相鄰兩縱模之間的頻率之差

第三十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日圖3.10MLM和SLM的光譜

(a)MLM的光譜；(b)SLM的光譜第三十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日二.外量子效率定義：外微分量子效率為超過閾值時每個電子-空穴對的幅射性復(fù)合所產(chǎn)生的光子數(shù)，P、I分別為激光器輸出光功率和驅(qū)動電流實驗室常通過輻射光功率P與驅(qū)動電流I曲線的直線部分來計算：Eg為帶隙能量(eV).第三十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日三.頻率特性在直接光強度調(diào)制下，激光器輸出光功率P和調(diào)制頻率f的關(guān)系為：

P(f)=式中，fr和ξ分別稱為弛豫頻率和阻尼因子，Ith和I0分別為閾值電流和偏置電流；I′是零增益電流，高摻雜濃度的LD，I′=0，低摻雜濃度的LD,I′=(0.7~0.8)Ith；τsp為有源區(qū)內(nèi)的電子壽命，τph為諧振腔內(nèi)的光子壽命。

第三十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日圖3.11示出半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性。弛豫頻率fr是調(diào)制頻率的上限，一般激光器的fr為1~2GHz。目前激光器可達到10GHz以上.在接近fr處，數(shù)字調(diào)制要產(chǎn)生弛豫振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)生非線性失真圖3.11半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性第四十頁，共九十七頁，2022年，8月28日四.溫度特性激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個原因：一是激光器的閾值電流Ith隨溫度升高而增大，二是外微分量子效率ηd隨溫度升高而減小。溫度升高時，Ith增大，ηd減小，輸出光功率明顯下降，達到一定溫度時，激光器就不激射了當對激光器進行脈沖調(diào)制時，閾值電流隨溫度呈指數(shù)變化，在一定溫度范圍內(nèi)，可以表示為

Ith=I0exp閾值電流對溫度的變化非常敏感,長波長更敏感.ηd隨溫度變化不十分敏感.例如，GaAlAsGaAs激光器在77K時ηd≈50%，在300K時，ηd≈30%。第四十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日

圖3.12PI曲線隨溫度的變化第四十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日精心設(shè)計的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)是優(yōu)質(zhì)激光二極管高效工作的關(guān)鍵五.半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)

第四十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日(a)能量電子空穴EgpP-(AlGaAs)N-(AlGaAs)P-(GaAs)(b)(c)(d)折射率光場分布EgnEg有源層的材料是P型砷化鎵GaAs材料，限制層分別是P型和N型砷化鎵鋁AlGaAs材料，在它們的界面上分別形成兩個PN結(jié)，我們把這類由異種半導(dǎo)體相接的結(jié)構(gòu)稱為雙異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)能級結(jié)構(gòu)第四十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日六.單模激光器什么是單模激光器：工作在單縱模和單橫模狀態(tài)，這樣的激光器具有很窄的譜線寬度。獲得單縱模的一條途徑：減少諧振腔長度L，使得相鄰模式間頻率間隔大于激光器的躍遷線寬，于是也就只有一個縱模落在器件的增益內(nèi)。我們以前討論的激光器反射鏡是平行的，稱作法布里-珀羅(Fabry-Perot)激光器，對于這種激光器，只有靠減少腔長L來獲得單縱模，但制作很難。因此出現(xiàn)了新的類型的單縱模激光器。第四十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日分布反饋式(DFB：Distributed-FeedBack))激光器。在異質(zhì)結(jié)激光器具有光放大作用的有源層附近，刻上波紋結(jié)構(gòu)的光柵，激光振蕩不是由反射鏡來提供ΛP有源區(qū)布拉格反射器N光輸出L第四十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日DFB工作原理其工作原理可以用布喇格(Bragg)反射來說明。波紋狀光柵是由于材料折射率的周期性變化而形成的，在一的條件下，所有反射光都同相疊加，形成某方向的主極強。當光波接近布拉格波長時形成相互疊加強等式中ne是模式的有效折射率，k是光柵的階數(shù)。一階光柵(k=1)的耦合最強第四十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日DBR激光器波紋光柵在有源區(qū)的外面，從而避免了在制作過程中對有源層造成的晶格損傷ΛP有源區(qū)布拉格光柵N光輸出第四十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日DR激光器分布反射激光器由有源分布反射器和無源分布反射器組成,這種結(jié)構(gòu)有很高的效率和輸出功率.第四十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日

發(fā)光二極管（LED）光纖通信用的半導(dǎo)體LED發(fā)出的是不可見的紅外光，而顯示所用LED發(fā)出的是可見光應(yīng)用于通信技術(shù)的某些特定部分：相對較短距離和較低帶寬的網(wǎng)絡(luò)。局域網(wǎng)是基于發(fā)光二極管的發(fā)送器的最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。制作成本低廉，產(chǎn)量高

第五十頁，共九十七頁，2022年，8月28日一.LED:工作的原理

正偏電壓V促使電子和空穴進入耗盡區(qū)并且發(fā)生復(fù)合。第五十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日發(fā)光二極管的工作原理LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光（非相干光）。大多采用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，把有源層夾在P型和N型限制層間，但沒有光學諧振腔，故無閾值。LED分為正面發(fā)光型、邊發(fā)光型和超輻射發(fā)光二極管，邊發(fā)光型LED的驅(qū)動電流較大，輸出光功率小，但光束發(fā)射角小，與光纖的耦合效率高，故入纖光功率比面發(fā)光型LED高。第五十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日

二.

LED的基本結(jié)構(gòu)

發(fā)光二極管常分為三種類型，它們是面發(fā)光二極管、邊發(fā)光二極管、超輻射發(fā)光二極管。

1.面發(fā)光二極管

下圖是面發(fā)光二極管的典型結(jié)構(gòu)。它由N－P—P雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)成。這種LED發(fā)射面積限定在一個小區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域的橫向尺寸與光纖尺寸相近。面發(fā)光二極管輸出的功率較大，一般注入100mA電流時，就可達幾個毫瓦，但光發(fā)散角大，水平和垂直發(fā)散角都可達到120°，與光纖的耦合效率低。

球透鏡環(huán)氧樹脂N層發(fā)光區(qū)(a)正面發(fā)光型第五十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日2.邊發(fā)光二極管

下圖是邊發(fā)光ELED（EdgeEmitting）二極管的典型結(jié)構(gòu)。

邊發(fā)光二極管，也采用了雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。利用SiO2掩模技術(shù)，在P面形成垂直于端面的條形接觸電極(約40~50μm)，從而限定了有源層的寬度；同時，增加光波導(dǎo)層，進一步提高光的限定能力，把有源區(qū)產(chǎn)生的光輻射導(dǎo)向發(fā)光面，以提高與光纖的耦合效率。其有源層一端鍍高反射膜，另一端鍍增透膜，以實現(xiàn)單向出光。在垂直于結(jié)平面方向，發(fā)散角約為30°，具有比面發(fā)光二極管高的輸出耦合效率。

圖3.2.2邊發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)第五十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日3.超輻射發(fā)光二極管

超輻射發(fā)光二極管是一種介于激光二極管LD和發(fā)光二極管LED之間的半導(dǎo)體光源，它的出現(xiàn)和發(fā)展是受到光纖陀螺的驅(qū)動，對它的要求是有高的功率輸出并有寬的光譜寬度。它的結(jié)構(gòu)大體上與激光器的結(jié)構(gòu)相似。除了條形金屬接觸部分沒有擴展到二極管芯片整個長度外，其他部分的長度與條形激光器相同。這種結(jié)構(gòu)的目的是使得SLD既有很高的輸出功率而又不產(chǎn)生激射振蕩，因為要使輸出功率增加，最簡單辦法是增大注入電流，但是，過高的注入電流可能會導(dǎo)致激射振蕩。非泵浦的后尾部區(qū)域是后向光波的吸收體，僅有前向光波被放大。

目前，超輻射發(fā)光二極管在光纖通信中的應(yīng)用還比較少。

第五十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日三.發(fā)光二極管的工作特性

光譜特性光束空間分布輸出光功率特性

頻率特性

第五十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日

LED的光譜特性

發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光，沒有光學諧振腔對波長的選擇，譜線寬，短波長LED譜線寬度為30～50nm。長波長LED的譜線寬度為60～120nm。1300波長/nm相對光強Δλ=70nm第五十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日LED的光束空間分布

正面發(fā)光型的半功率點輻射角為120o，側(cè)面發(fā)光型的平行發(fā)射角為120o，垂直發(fā)射角為25o～35o。LED與光纖的耦合效率一般低于10%。第五十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日輻射模式—輻射的空間模式第五十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日輻射波長

輻射波長是由半導(dǎo)體的禁帶決定的第六十頁，共九十七頁，2022年，8月28日進入光纖的耦合光

被耦合進入一個數(shù)值孔徑(NA)的階躍折射率光纖的光功率?？梢酝ㄟ^下面的公式計算:

第六十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日輸出光功率特性

發(fā)光二極管實際輸出的光子數(shù)遠遠小于有源區(qū)產(chǎn)生的光子數(shù)，一般外微分量子效率ηd小于10%。兩種類型發(fā)光二極管的輸出光功率特性示于圖3.16。驅(qū)動電流I較小時，P-I曲線的線性較好；I過大時，由于PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使P-I曲線的斜率減小。在通常工作條件下，LED工作電流為50~100mA，輸出光功率為幾mW，由于光束輻射角大，入纖光功率只有幾百μW。第六十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日

圖3.16發(fā)光二極管(LED)的P-I特性100邊發(fā)光二極管P(mW)I(mA)LD面發(fā)光二極管超輻射發(fā)光二極管200123第六十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日頻率特性發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)：|H(f)|=式中，f為調(diào)制頻率，P(f)為對應(yīng)于調(diào)制頻率f的輸出光功率，τe為少數(shù)載流子(電子)的壽命。定義fc為發(fā)光二極管的截止頻率，當f=fc=1/(2πτe)時，|H(fc)|=，最高調(diào)制頻率應(yīng)低于截止頻率。圖3.17示出發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)，圖中顯示出少數(shù)載流子的壽命τe和截止頻率fc的關(guān)系。對有源區(qū)為低摻雜濃度的LED，適當增加工作電流可以縮短載流子壽命，提高截止頻率。在一般工作條件下，正面發(fā)光型LED截止頻率為20~30MHz，側(cè)面發(fā)光型LED截止頻率為100~150MHz。第六十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日

圖3.17發(fā)光二極管(LED)的頻率響應(yīng)

第六十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日3.2光源的調(diào)制方式直接調(diào)制是把要傳送的信號轉(zhuǎn)變成電流信號注入LD或LED,從而獲得相應(yīng)光信號.僅適用于LD或LED,輸出光功率與注入電流成正比.適用于2.5Gb/S以下的系統(tǒng)間接調(diào)制是利用晶體的電光效應(yīng)磁光效應(yīng)聲光效應(yīng)等性質(zhì)對激光調(diào)制,是在激光形成以后加載調(diào)制信號.既適合于半導(dǎo)體激光器,也適合于其他類型的激光器.適用于2.5Gb/S以上的系統(tǒng)第六十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日3.3光發(fā)送機光發(fā)射機的基本組成(直接調(diào)制)1.光源將電信號轉(zhuǎn)變成光信號2.調(diào)制電路光源驅(qū)動3.控制制電路溫度控制輸出功率控制4.線路編碼電路將雙極性碼編碼成適合于光纖傳輸?shù)木€路碼型第六十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日3.3.1線路編碼第六十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日單極性碼與雙極性碼第六十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日第七十頁，共九十七頁，2022年，8月28日NRZ與RZ的比較NRZ碼優(yōu)點:占據(jù)的頻帶寬度窄，是RZ碼的一半.缺點是:當出現(xiàn)長連“1”或“0”時，光脈沖沒有“有”和“無”的交替變化，這對于接收時對比特時鐘的提取是不利的。

RZ碼優(yōu)點：解決了連“1”的問題，但長連“0”問題仍然存在。缺點是：占據(jù)較寬的頻帶。第七十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日擾碼在系統(tǒng)光發(fā)射機的調(diào)制器前，需要附加一個擾碼器，將原始的二進制碼序列加以變換，使其接近于隨機序列。相應(yīng)地，在光接收機的判決器之后，附加一個解擾器，以恢復(fù)原始序列。擾碼與解擾可由反饋移位寄存器和對應(yīng)的前饋移位寄存器實現(xiàn)。擾碼改變了“１”碼與“0”碼的分布，從而改善了碼流的一些特性。例如：擾碼前：1100000011000…

擾碼后：1101110110011…

但是，擾碼仍具有下列缺點：第七十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日①不能完全控制長串連“１”和長串連“0”序列的出現(xiàn)；②沒有引入冗余，不能進行在線誤碼監(jiān)測；③信號頻譜中接近于直流的分量較大，不能解決基線漂移。因為擾碼不能完全滿足光纖通信對線路碼型的要求，所以許多光纖通信設(shè)備除采用擾碼外還采用其它類型的線路編碼。第七十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日分組碼(mBnB碼)mBnB碼又稱分組碼（BlockCode)，它是把輸入信號碼流中每m比特分為一組，然后變換為n比特，且n>m，這就是說變換后碼組比特數(shù)比變換前大，這就是使得變換后的碼流有了“富余”，在碼流中出除了可以傳原來的信息外，還可以傳送與誤碼監(jiān)測等有關(guān)的信息、另一方面，經(jīng)過適當編碼后還可以改善定時信息的提取和直流分量的起伏問題。因為它沒有長的連1和0，所以沒有基線漂移的問題。新分組仍以NRZ碼或RZ碼格式傳輸?shù)谄呤捻摚簿攀唔摚?022年，8月28日

分組變換碼（mBnB碼）

把輸入的二進制原始碼流按m比特為一組進行分組，然后把每個分組變換成一個n比特的二進制碼，并在同樣大小的時隙內(nèi)輸出。特點：

1）

碼流中“1”“0”碼概率相等，連“1”“0”的數(shù)目減少，定時信息豐富。

2）

直流分量少，基線漂移小。

3）碼流中引入一定冗余度，便于在線誤碼監(jiān)測。

第七十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日以5B6B為例（1）編碼情況按照數(shù)學的排列理論可知，由0和1組成的五位和六位碼，可以有如下的排列：五位碼的排列數(shù)：25＝32種六位碼的排列數(shù)：26＝64種第七十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日（2）碼流平衡情況分析如果將64種排列一一列出來可以發(fā)現(xiàn)：

a)六位碼中含有三個1和0的平衡碼組共有20個，所謂平衡是指在一個碼組中0和1和個數(shù)相同。顯然這樣的碼組在信碼流中對保持碼流的直流分量的穩(wěn)定是有利的

b)六位碼組中念有四個1和兩個0，或四個0兩個1的不平衡碼組各有15個，雖然不平衡，但相差不大，只選了其中的各12組。

c)除了上述兩種碼組外，還有64－20－2×15＝14種碼組，由于1和0相差太大，不利于穩(wěn)定碼流中的直流分量，因此不選用。第七十七頁，共九十七頁，2022年，8月28日(3)碼組的選用首先選取碼組中包含有三個”0”和三個”1”和20個平衡碼組再選取含有四個1和二個0的不完全平衡的碼組，即2×15＝30個碼組中的2×12＝24個碼組，并為正負二種模式，正模式1個數(shù)多，當碼流中出現(xiàn)上述某個模式后，則后一碼組應(yīng)選用另一種模式，由于正負交替使用，保持了信碼流中0和1的概率相同，從面保持直流分量的穩(wěn)定，基線不起伏。對上述0和1個數(shù)相差太大的未選用在5B6B的64個碼組中只用了20+2×12=44個碼組，還有64－44＝20外碼組沒有使用，這樣一旦出現(xiàn)這20個碼組中任一組，必定在傳輸過程中出現(xiàn)誤碼，由此即可通過編碼方式對系統(tǒng)進行誤碼監(jiān)測，通常把這種不使用的碼稱為禁字第七十八頁，共九十七頁，2022年，8月28日第七十九頁，共九十七頁，2022年，8月28日編碼器組合邏輯電路組成一塊專用編譯碼的集成塊將設(shè)計好的碼表存貯到PROM內(nèi)構(gòu)成（國內(nèi)）第八十頁，共九十七頁，2022年，8月28日

插入碼（mB1X碼）

把輸入的二進制原始碼流按m比特為一組進行分組，然后在每個分組末按一定規(guī)律插入一個碼，組成（m+1）位為一組的線路碼流。可分為mB1P碼、mB1C碼、mB1H碼。優(yōu)點：碼速提高不大，誤碼增值?。豢蓪崿F(xiàn)在線誤碼監(jiān)測、區(qū)間通信和輔助信息傳送。缺點：碼流的頻譜特性不如mBnB碼，但在擾碼后在進行mB1X碼變換，就可以滿足通信系統(tǒng)的要求。第八十一頁，共九十七頁，2022年，8月28日插入碼mB1C碼把原始碼流分成每m比特(mB)一組，然后在每組mB碼的末尾插入1比特補碼，mB碼為：100110001101……mB1C碼為：1001110100101010……C碼的作用是引入冗余碼，可以進行在線誤碼率監(jiān)測；同時改善了“0”碼和“1”碼的分布，有利于定時提取。mB1H碼是mB1C碼演變而成的，即在mB1C碼中，扣除部分C碼，并在相應(yīng)的碼位上插入一個混合碼(H碼)，所以稱為mB1H碼。所插入的H碼可以根據(jù)不同用途分為三類：第一類是C碼，它是第m位碼的補碼，用于在線誤碼率監(jiān)測；第二類是L碼，用于區(qū)間通信；第三類是G碼，用于幀同步、公務(wù)、數(shù)據(jù)、監(jiān)測等信息的傳輸。第八十二頁，共九十七頁，2022年，8月28日3.3.2調(diào)制電路數(shù)字調(diào)制電路采用電流開關(guān)電路.

要求:開關(guān)速度快,有良好的電流脈沖數(shù)字信號Uin從三極管V的基極輸入，通過集電極的電流驅(qū)動LED。數(shù)字信號“0”碼和“1”碼對應(yīng)于V的截止和飽和狀態(tài)，電流的大小根據(jù)對輸出光信號幅度的要求確定。這種驅(qū)動電路適用于10Mb/s以下的低速率系統(tǒng)第八十三頁，共九十七頁，2022年，8月28日LD數(shù)字調(diào)制電路電流源為由V1和V2組成的差分開關(guān)電路提供恒定的偏置電流.數(shù)字電信號Uin從V1基極輸入。當信號為“0”碼時，V1基極電位比UB高而搶先導(dǎo)通，V2截止，LD不發(fā)光;反之，當信號為“１”碼時，V1基極電位比UB低，V2搶先導(dǎo)通，驅(qū)動LD發(fā)光。V1和V2處于輪流截止和非飽和導(dǎo)通狀態(tài)，有利于提高調(diào)制速率。當三極管截止頻率fr≥4.5GHz時，這種電路的調(diào)制速率可達300Mb/s。第八十四頁，共九十七頁，2022年，8月28日（3）反饋穩(wěn)定LD驅(qū)動電路圖是利用反饋電流使輸出光功率穩(wěn)定的LD驅(qū)動電路，其控制過程如下：

反饋穩(wěn)定LD驅(qū)動電路第八十五頁，共九十七頁，2022年，8月28日調(diào)制特性(直接調(diào)制的瞬態(tài)特性)電光延遲和張馳振蕩

電光延遲:當階躍電流注入時,有源區(qū)里的自由電子密度n增加,由于n的增加與時間呈指數(shù)關(guān)系,當小于閾值電子密度nth,激光器不激射,因此輸出光脈沖與注入電流脈沖之間存在一個初始延遲時間,其數(shù)量級為ns.

原因是載流子密度達到激光閾值需要0.5~2.5ns.偏置電流越大,延遲時間越小.

第八十六頁，共九十七頁，2022年，8月28日張馳振蕩:當電流脈沖注入激光器后,輸出光脈表現(xiàn)出衰減式振蕩.與電子自發(fā)復(fù)合和