第4章 光发射和接收.pptVIP

《光纤通信简明教程》原 荣 第4章 光发射和接收 4.1 激光器和光发射机 发光机理、LD激光发射的条件、 半导体激光器、波长可调半导体激光器、 高速光发射机 4.2 光探测器和光接收机 光探测原理、PIN光敏探测器、 雪崩光敏二极管（APD）、 波导光敏探测器、光接收机工作原理和性 能、相干光接收机 4.1 激光器和光发射机 在光纤通信中，将电信号转变为光信号是由光发射机来完成的。 光发射机的关键器件是光源： LED LD 图4.1.1 各种光源比较 光是一种电磁波，太阳光和电灯光可以看作是波长在可见光范围内的电磁波的混合体。与此相反，光纤通信使用的激光器发出的光则是单色光，具有极窄的光谱宽度。 现在所讲的激光器发出的光，其空间相干性都非常好，可认为是近似于从点光源发出的光，如图4.1.1c所示。由于非相干光是不同方向的波面的叠加，所以散发到各个方向的光不能聚焦成一点，而是成了光源的实象。 光纤通信对光源的要求 光源发射的峰值波长，应在光纤低损耗窗口之内; 有足够高的、稳定的输出光功率，以满足系统对光中继段距离的要求; 电光转换效率高，驱动功率低，寿命长，可靠性高; 单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高光源和光纤的耦合效率； 易于调制，响应速度快，以利于高速率、大容量数字信号的传输; 强度噪声要小，以提高模拟调制系统的信噪比; 光强对驱动电流的线性要好，以保证有足够多的模拟调制信道。 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） 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。 常用的调制方法 直接调制 注入调制电流实现光波强度调制 外调制 通过外腔调制器对光的强度、相位或频率进行调制 模拟直接调制光发射机 注入调制电流实现光强度调制。响应速度快、输出波形好的调制电路和线性好的LD注入电流---光强曲线是获得好的光调制波形的前提条件。 数字直接强度调制 信号经复用和编码后，通过调制器对光源进行光强度调制。发送光的一部分反馈到光源的输出功率稳定电路，即光功率控制（AGC）电路。因为输出光功率与温度有关，一般还加有自动温度控制（ATC）电路。 光外腔调制发射机框图 光源发出的连续光信号，送入外调制器，信息信号经复用、编码后通过外调制器对连续光的强度、相位或偏振进行调制。 尽管大多数情况均采用直接调制光载波的调制方式，但是在高速率DWDM系统和相干检测系统中必须采用光的外调制。 外调制示意图 4.1.1 发光机理 我们知道，白炽灯是把被加热钨原子的一部分热激励能转变成光能，发出宽度为1 000 nm 以上的白色连续光谱。 发光二极管（LED）却是通过电子在能带之间的跃迁，发出频谱宽度在几百 nm 以下的光。 在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出。这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。 图4.1.3 半导体发光原理 在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带； 如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出； 这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。 半导体发光机理 图 4.1.4 受激发射导致光放大和振荡 发光过程，除自发辐射外，还有受能量等于能级差的光所激发而发出与之同频率、同相位的光，即受激发射，如图4.1.4所示。 4.1.2 LD激光发射的条件 图4.1.5 半导体激光器（LD） a）LD相当于法布里?珀罗（F-P）谐振腔 b）初始光场在谐振腔体内移动?x获得增益?g LD的结构就是一个法布里?珀罗谐振腔 在3.1.3节中，我们已讨论了法布里-珀罗谐振腔的构成和工作原理。半导体激光器的结构就是一个法布里?珀罗谐振腔，如图4.1.5所示。 激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时，高能带中的电子密度增加，这些电子自发地由高能带跃迁到低能带发出光子，形成激光器中初始的光场。 在这些光场作用下，受激发射和受激吸收过程同时发生，受激发射和受激吸收发生的概率相同。 受激发射和受激吸收 用Nc和Nv分别表示高、低能带上的电子密度。当Nc ? Nv时，受激吸收过程大于受激发射，增益系数g ? 0，只能出现普通的荧光，光子被吸收的多，发射的少，光场减弱。 若注入电流增加到一定值后，使Nc ? Nv ，增益系数g 0，受激发射占主导地位，光场迅速增强，此时的PN结区成为对光场有放大作用的区域（称为有源区）