1、第三章 光源和光發(fā)射機(jī)光源光源放大器放大器光電二光電二極管極管判決器判決器本章重點(diǎn)本章重點(diǎn)（1）掌握光與物質(zhì)的相互作用的三種基本過程；）掌握光與物質(zhì)的相互作用的三種基本過程；（2）構(gòu)成激光器的必須具備的條件；半導(dǎo)體激光器）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；的工作特性；（3）掌握發(fā)光二極管）掌握發(fā)光二極管LED的工作特性的工作特性（4）光發(fā)射機(jī)的基本組成及功能光發(fā)射機(jī)的基本組成及功能（5）光源的調(diào)制方式）光源的調(diào)制方式（6）光纖線路碼型的種類光纖線路碼型的種類本章內(nèi)容提要本章內(nèi)容提要 3.1 半導(dǎo)體光源半導(dǎo)體光源 3.2 光源調(diào)制光源調(diào)制 3.3 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)3.1 3.1

2、 半導(dǎo)體光源半導(dǎo)體光源3.1.1 3.1.1 半導(dǎo)體光源基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體光源基礎(chǔ)知識(shí)u半導(dǎo)體能帶半導(dǎo)體能帶u光與物質(zhì)相互作用的三種基本方式光與物質(zhì)相互作用的三種基本方式u粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布uPNPN結(jié)結(jié) 一一 半導(dǎo)體能帶半導(dǎo)體能帶 1 1、原子能級(jí)原子能級(jí) 圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子只能沿著某些可能的軌道運(yùn)圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子只能沿著某些可能的軌道運(yùn)轉(zhuǎn)，這些軌道不連續(xù)，每一個(gè)軌道具有確定的能量，轉(zhuǎn)，這些軌道不連續(xù)，每一個(gè)軌道具有確定的能量，這些離散的能量值稱為原子的能級(jí)。這些離散的能量值稱為原子的能級(jí)。 2 2、晶體的能帶晶體的能帶 由大量原子相互靠近形成晶體時(shí)，由于內(nèi)部電子共由大量原子相互

3、靠近形成晶體時(shí)，由于內(nèi)部電子共有化運(yùn)動(dòng)，使離散的原子能級(jí)組成有一定寬度的帶，有化運(yùn)動(dòng)，使離散的原子能級(jí)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，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。分成的能帶比較寬。 3 3 在半導(dǎo)體中的在半導(dǎo)體中的能帶能帶： 價(jià)帶價(jià)帶（valence band）:形成共價(jià)鍵的價(jià)電形成共價(jià)鍵的價(jià)電子所占據(jù)的能帶稱為價(jià)帶。子所占據(jù)的能帶稱為價(jià)帶。較低的能量較低的能量滿帶：滿帶：價(jià)帶下面的能帶是被電子占滿了，價(jià)帶下面的能帶是被電子占滿了，稱為滿

4、帶。稱為滿帶。 導(dǎo)帶導(dǎo)帶（conduction band）:價(jià)帶上面鄰近價(jià)帶上面鄰近的空帶（自由電子占據(jù)的能帶）稱為導(dǎo)帶。的空帶（自由電子占據(jù)的能帶）稱為導(dǎo)帶。導(dǎo)帶和價(jià)帶通過禁帶（導(dǎo)帶和價(jià)帶通過禁帶（energy gap）來分來分開，電子可以在價(jià)帶或者導(dǎo)帶所對(duì)應(yīng)的軌開，電子可以在價(jià)帶或者導(dǎo)帶所對(duì)應(yīng)的軌道上活動(dòng)，但決不能在它們之間禁帶道上活動(dòng)，但決不能在它們之間禁帶上活動(dòng)。上活動(dòng)。 二二 光與物質(zhì)相互作用的三種基本方式光與物質(zhì)相互作用的三種基本方式u自發(fā)輻射無外界激勵(lì)而高能級(jí)電子自發(fā)躍遷到低能級(jí)，同時(shí)釋放出光子。u受激輻射高能級(jí)電子受到外來光作用，被迫躍遷到低能級(jí)，同時(shí)釋放出光子，且產(chǎn)生的新光子

5、與外來激勵(lì)光子同頻同方向，為相干光。u受激吸收低能級(jí)電子在外來光作用下吸收光能量而躍遷到高能級(jí)。 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(jí)與電子躍遷示意圖光輻射與能帶光輻射與能帶 三三 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 設(shè)在單位物質(zhì)中低能級(jí)電子數(shù)和高能級(jí)設(shè)在單位物質(zhì)中低能級(jí)電子數(shù)和高能級(jí)電子數(shù)分別為電子數(shù)分別為N N1 1和和N N2 2u 物質(zhì)在物質(zhì)在正常狀態(tài)下正常狀態(tài)下N N1 1N N2 2，此時(shí)光通過該物此時(shí)光通過該物質(zhì)時(shí)，光強(qiáng)會(huì)衰減，物質(zhì)為吸收物質(zhì)。質(zhì)時(shí)，光強(qiáng)會(huì)衰減，物質(zhì)為吸收物質(zhì)。u 若若N N2 2N

6、N1 1，受激吸收小于受激輻射，光通過受激吸收小于受激輻射，光通過該物質(zhì)時(shí)，光強(qiáng)會(huì)放大，該物質(zhì)成為激活物該物質(zhì)時(shí)，光強(qiáng)會(huì)放大，該物質(zhì)成為激活物質(zhì)。質(zhì)。N N2 2N N1 1的分布的分布與正常狀態(tài)相反，故稱為與正常狀態(tài)相反，故稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。四四 PNPN結(jié)結(jié)1 1、N N型材料和型材料和P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體uN N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體：如果摻入的是：如果摻入的是V V族元素，在核外族元素，在核外電可子有電可子有5 5個(gè)，其中四個(gè)與個(gè)，其中四個(gè)與SiSi形成共價(jià)鍵，形成共價(jià)鍵，余下一個(gè)電子以用來傳導(dǎo)電流，由于這種材余下一個(gè)電子以用來傳導(dǎo)電流，由于這種材料是由電子來導(dǎo)電的稱為料是

7、由電子來導(dǎo)電的稱為N N型材料。型材料。uP P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體：如果摻入的是：如果摻入的是IIIIII族元素，在核族元素，在核外電子有外電子有3 3個(gè)，其中三個(gè)與個(gè)，其中三個(gè)與SiSi形成共價(jià)鍵，形成共價(jià)鍵，余下一個(gè)空穴用來傳導(dǎo)電流，由于這種材料余下一個(gè)空穴用來傳導(dǎo)電流，由于這種材料是由空穴流動(dòng)來導(dǎo)電的稱為是由空穴流動(dòng)來導(dǎo)電的稱為P P型材料型材料2 2 p-np-n結(jié)結(jié)的形成的形成當(dāng)當(dāng)P P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N N型半導(dǎo)體形成型半導(dǎo)體形成PNPN結(jié)時(shí)，結(jié)時(shí)，載流子的濃度差引起擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，載流子的濃度差引起擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，P P區(qū)的空區(qū)的空穴向穴向N N區(qū)擴(kuò)散，剩下帶負(fù)電的電離受主，區(qū)擴(kuò)散，剩下帶

8、負(fù)電的電離受主，從而在靠近從而在靠近PNPN結(jié)界面的區(qū)域形成一個(gè)帶負(fù)結(jié)界面的區(qū)域形成一個(gè)帶負(fù)電的區(qū)域。同樣，電的區(qū)域。同樣，N N區(qū)的電子向區(qū)的電子向P P區(qū)擴(kuò)散，區(qū)擴(kuò)散，剩下帶正電的電離施主，從而造成一個(gè)帶剩下帶正電的電離施主，從而造成一個(gè)帶正電的區(qū)域。載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的結(jié)果形成正電的區(qū)域。載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的結(jié)果形成了一個(gè)空間電荷區(qū)，稱為了一個(gè)空間電荷區(qū)，稱為PNPN結(jié)。結(jié)。3 3增益區(qū)的形成增益區(qū)的形成 對(duì)于兼并型對(duì)于兼并型P P型半導(dǎo)體和兼并型型半導(dǎo)體和兼并型N N型半導(dǎo)體形成型半導(dǎo)體形成的的PNPN結(jié)，當(dāng)注入電流結(jié)，當(dāng)注入電流( (或正向電壓或正向電壓) )加大到某一加大到某一值后，準(zhǔn)費(fèi)米

9、能級(jí)值后，準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)E EfCfC和和E EfVfV的能量間隔大于禁的能量間隔大于禁帶寬度，帶寬度， PNPN結(jié)里出現(xiàn)一個(gè)增益區(qū)結(jié)里出現(xiàn)一個(gè)增益區(qū)( (也叫有源也叫有源區(qū)區(qū)) )。 實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這個(gè)區(qū)域?qū)庾幽芰繚M足實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這個(gè)區(qū)域?qū)庾幽芰繚M足 E Eg ghhe e0 0V V 的光子有光放大作用。半導(dǎo)體激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(gè)區(qū)域。光器的輻射就發(fā)生在這個(gè)區(qū)域。 3.13.1半導(dǎo)體光源半導(dǎo)體光源3.1.2 3.1.2 光源的種類、要求及發(fā)射波長(zhǎng)光源的種類、要求及發(fā)射波長(zhǎng)一、光纖通信常用光源的種類：一、光纖通信常用光源的種類：l 半導(dǎo)體激光器（半導(dǎo)

10、體激光器（LD) LD) 應(yīng)用于高速率、遠(yuǎn)距離應(yīng)用于高速率、遠(yuǎn)距離l 發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LED) LED) 應(yīng)用于低速率、短距離應(yīng)用于低速率、短距離v光源發(fā)出的波長(zhǎng)與光纖所使用的低窗口相符合；光源發(fā)出的波長(zhǎng)與光纖所使用的低窗口相符合；v有足夠高、穩(wěn)定的輸出功率；有足夠高、穩(wěn)定的輸出功率；v電光轉(zhuǎn)換效率高，驅(qū)動(dòng)功率低，壽命長(zhǎng)；電光轉(zhuǎn)換效率高，驅(qū)動(dòng)功率低，壽命長(zhǎng)；v單色性好；單色性好；v響應(yīng)速度快；響應(yīng)速度快；v強(qiáng)度噪聲??；強(qiáng)度噪聲?。?二、光纖通信對(duì)光源的要求二、光纖通信對(duì)光源的要求 三、光源的發(fā)射波長(zhǎng)三、光源的發(fā)射波長(zhǎng)v材料帶隙的大小決定著光源的發(fā)射光波的波長(zhǎng)材料帶隙的大小決定著光源的發(fā)

11、射光波的波長(zhǎng))(24. 1)(eVEumhchfEgg3.1.3 3.1.3 半導(dǎo)體半導(dǎo)體激光器激光器一一 半導(dǎo)體激光器輸出激光的必要條件和模式半導(dǎo)體激光器輸出激光的必要條件和模式二二 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)三三 半導(dǎo)體激光器的工作特性半導(dǎo)體激光器的工作特性四四 單縱模激光器單縱模激光器1 1、LDLD輸出激光的必要條件輸出激光的必要條件u粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布（激活物質(zhì)）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布（激活物質(zhì)）u光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔( (光反饋光反饋) )u激光振蕩的閾值條件激光振蕩的閾值條件一、半導(dǎo)體激光器輸出激光的必要條一、半導(dǎo)體激光器輸出激光的必要條件和模式件和模式光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔 光學(xué)諧

12、振腔光學(xué)諧振腔由兩個(gè)反射率分別為由兩個(gè)反射率分別為R1R1和和R2R2的平的平行反射鏡構(gòu)成。腔內(nèi)物質(zhì)具備粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，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，使增益大幅度提高放大，方向性不斷改善，使增益大幅度提高。正反饋正反饋：光放大和正反饋 激光振蕩激光振蕩閾值條件閾值條件 激活物質(zhì)在被置于光學(xué)諧振腔后，能對(duì)光的頻率激

13、活物質(zhì)在被置于光學(xué)諧振腔后，能對(duì)光的頻率和方向進(jìn)行選擇，可獲得連續(xù)的光放大和激光振和方向進(jìn)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(dāng)蕩輸出激光起振閾值條件：腔內(nèi)增益與損耗相當(dāng)時(shí)開始建立穩(wěn)定的激光振蕩，閾值條件為：時(shí)開始建立穩(wěn)定的激光振蕩，閾值條件為： 是是 閾值光增益系數(shù)；閾值光增益系數(shù)； 是是 諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的吸收系數(shù)諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的吸收系數(shù) 為諧振腔長(zhǎng)度為諧振腔長(zhǎng)度為激光腔的反射損耗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閾值條件即為增益值正好等于總損耗121ln()2t hendR RLhtLend激光發(fā)射效應(yīng)和輸入輸出特性曲線激光發(fā)射效應(yīng)

14、和輸入輸出特性曲線a) 增益與損耗b) 輸入輸出曲線c) 測(cè)量輸入輸出用的設(shè)備輸出功率與激光器輸出功率與激光器 驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系LDLD的輸出功率為幾至一百多毫瓦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用于光纖通信的一般為幾毫瓦2 2輻射模式輻射模式（1 1）. .常規(guī)激光二極管輻射的光束常規(guī)激光二極管輻射的光束縱模：縱模：諧振腔內(nèi)部沿軸向形成的穩(wěn)定的駐波場(chǎng)諧振腔內(nèi)部沿軸向形成的穩(wěn)定的駐波場(chǎng)稱為縱模。不同的頻率（波長(zhǎng)）構(gòu)成不同模稱為縱模。不同的頻率（波長(zhǎng)）構(gòu)成不同模式，它與腔長(zhǎng)式，它與腔長(zhǎng)L L相關(guān)。相關(guān)。橫模：橫模：諧振腔橫截面上場(chǎng)的分布形式。與有源諧振腔橫截面

15、上場(chǎng)的分布形式。與有源區(qū)的寬度相關(guān)。區(qū)的寬度相關(guān)。 （2 2）縱模與橫模）縱模與橫模橫模：橫模：諧振腔橫截面上場(chǎng)的分布形諧振腔橫截面上場(chǎng)的分布形式式激光中出現(xiàn)多個(gè)縱模也就是出現(xiàn)多種頻率，影響了激光的單激光中出現(xiàn)多個(gè)縱模也就是出現(xiàn)多種頻率，影響了激光的單色性。色性。FPFP腔縱模，縱模數(shù)由腔長(zhǎng)決定。腔縱模，縱模數(shù)由腔長(zhǎng)決定。橫模：由于腔邊緣的反射光橫模：由于腔邊緣的反射光形成橫模。形成橫模?？v模：縱模：沿軸向形成的穩(wěn)定的駐波場(chǎng)不同的沿軸向形成的穩(wěn)定的駐波場(chǎng)不同的頻率（波長(zhǎng)）構(gòu)成不同模式頻率（波長(zhǎng)）構(gòu)成不同模式v在諧振腔中，光波是在兩平面反射鏡之間往復(fù)傳輸?shù)?，在諧振腔中，光波是在兩平面反射鏡之間往

16、復(fù)傳輸?shù)?，只有平面鏡間距離是半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，光波才能得到只有平面鏡間距離是半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，光波才能得到彼此加強(qiáng)，即彼此加強(qiáng)，即 式中，式中，為光波的波長(zhǎng)，為光波的波長(zhǎng)，n n為增益介質(zhì)的折射率，為增益介質(zhì)的折射率，m m=1=1，2 2，。利用，可將上式重寫成。利用，可將上式重寫成 式中，式中，f f為光波的頻率，為光波的頻率，c c為光速。為光速。v只有那些有增益且增益大于損耗的模式才能在激光的輸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(gè)模稱為單縱模激光器，否出光譜中存在。若只剩下一個(gè)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則稱為

17、多縱模激光器。相鄰兩縱模之間的頻率之差nmL2nLcmf2nLcf2 圖圖3.10 MLM3.10 MLM和和SLMSLM的光譜的光譜 (a) MLM(a) MLM的光譜；的光譜； (b) SLM(b) SLM的光譜的光譜幾 個(gè) 納 米c/2nL:100 200 GHz(a)ff(b)精心設(shè)計(jì)的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)是優(yōu)質(zhì)激光二極管高效工精心設(shè)計(jì)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)鍵作的關(guān)鍵二二. 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)(a)能量電子空穴EgpP-(AlGaAs)N-(AlGaAs)P-(GaAs)(b)(c)(d)折射率光場(chǎng)分布EgnEg有源層的材料是有源層的材料是P P型砷化鎵型砷化

18、鎵GaAsGaAs材料，限制層分別是材料，限制層分別是P P型和型和N N型砷化鎵鋁型砷化鎵鋁AlGaAsAlGaAs材料，在它們的界面上分別形成兩個(gè)材料，在它們的界面上分別形成兩個(gè)PNPN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)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(jí)結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)能級(jí)結(jié)構(gòu)三三 半導(dǎo)體激光器的工作特性半導(dǎo)體激光器的工作特性v閾值閾值v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。低。v功率轉(zhuǎn)換效率定義為：功率轉(zhuǎn)換效率定義為：v量子效率定義為：輸出光子數(shù)與注入電子數(shù)之比，表

19、示量子效率定義為：輸出光子數(shù)與注入電子數(shù)之比，表示為為hfIePeIhfPexexex空穴對(duì)數(shù)激光器每秒注入的電子數(shù)激光器每秒發(fā)射的光子RIIVPjexp23 3 頻率特性頻率特性v在直接光強(qiáng)度調(diào)制下，激光器輸出光功率在直接光強(qiáng)度調(diào)制下，激光器輸出光功率P P和調(diào)制頻和調(diào)制頻率率f f的關(guān)系為：的關(guān)系為： P(f)=P(f)=式中，式中，f fr r和和分別稱為弛豫頻率和阻尼因子，分別稱為弛豫頻率和阻尼因子， 2222)/(4)/(1 )0(ffffp圖圖3.113.11示出半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性。弛豫示出半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性。弛豫頻率頻率frfr是調(diào)制頻率的上限，一般激光器

20、的是調(diào)制頻率的上限，一般激光器的f fr r為為12 12 GHzGHz。目前激光器可達(dá)到目前激光器可達(dá)到10GHz10GHz以上以上. .在接近在接近f fr r處，數(shù)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0.010.11100.1110100fr調(diào) 制 頻 率 f / GHz相 對(duì) 光 功 率圖圖 3.11 3.11 半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性4 4 溫度特性溫度特性v激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個(gè)原因：激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個(gè)原因： 一是激一是激光器的閾值電流光器的閾值電流I It

21、hth隨溫度升高而增大，二是外微分量隨溫度升高而增大，二是外微分量子效率子效率d d隨溫度升高而減小。溫度升高時(shí)，隨溫度升高而減小。溫度升高時(shí)，I Ithth增大，增大，dd減小，減小， 輸出光功率明顯下降，達(dá)到一定溫度時(shí)，激輸出光功率明顯下降，達(dá)到一定溫度時(shí)，激光器就不激射了光器就不激射了 當(dāng)對(duì)激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)，閾值電流隨溫度呈指數(shù)當(dāng)對(duì)激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)，閾值電流隨溫度呈指數(shù)變化，在一定溫度范圍內(nèi)，可以表示為變化，在一定溫度范圍內(nèi)，可以表示為 I Ithth=I=I0 0 expexpv閾值電流對(duì)溫度的變化非常敏感閾值電流對(duì)溫度的變化非常敏感, ,長(zhǎng)波長(zhǎng)更敏感長(zhǎng)波長(zhǎng)更敏感. .dd隨隨

22、溫度變化不十分敏感溫度變化不十分敏感. . 例如，例如， GaAlAsGaAlAsGaAsGaAs激光器在激光器在77 77 K K時(shí)時(shí)d50%d50%，在在300 300 K K時(shí)，時(shí)，dd30%30%。 )(0TT22304050607080P / mW54321050100I / mA不激射5 光譜特性v發(fā)射波長(zhǎng)和光譜特性 h=Eg =hc/Eg=1.24/Eg為譜線寬為譜線寬度，多縱模激度，多縱模激光器一般為光器一般為3-3-5nm5nm，單縱模，單縱模為為0.1nm0.1nm，甚，甚至更小至更小四四. . 單模激光器單模激光器v什么是單模激光器：工作在單縱模和單橫模什么是單模激光器：

23、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。狀態(tài)，這樣的激光器具有很窄的譜線寬度。v獲得單縱模的一條途徑：獲得單縱模的一條途徑：減少諧振腔長(zhǎng)度減少諧振腔長(zhǎng)度L L，使得相鄰模式間頻率間隔大于激光器的躍遷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(gè)縱模落在器件的增線寬，于是也就只有一個(gè)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，稱作法布里的，稱作法布里- -珀羅珀羅(Fabry-Perot)(Fabry-Perot)激光器，激光器，對(duì)于這種激光器，只有靠減少腔長(zhǎng)對(duì)于這種激光器，只有靠減少腔長(zhǎng)L L來獲得單來獲得單

24、縱模，但制作很難。因此出現(xiàn)了新的類型的縱模，但制作很難。因此出現(xiàn)了新的類型的單縱模激光器。單縱模激光器。1 1 分布反饋式分布反饋式(DFB(DFB：Distributed-Feed Back) Distributed-Feed Back) 激光器。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，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刻上波紋結(jié)構(gòu)的光柵，激光振蕩不是由反射鏡來提供提供DFBDFB工作原理工作原理v其工作原理可以用布喇格其工作原理可以用布喇格(Bragg)(Bragg)反射來說明。反射來說明。波紋狀光柵是由于材料折射率的周期性變化

25、而波紋狀光柵是由于材料折射率的周期性變化而形成的，在一定的條件下，所有反射光都同相形成的，在一定的條件下，所有反射光都同相疊加，形成某方向的主極強(qiáng)。疊加，形成某方向的主極強(qiáng)。v當(dāng)光波接近布拉格波長(zhǎng)當(dāng)光波接近布拉格波長(zhǎng) 時(shí)形成相互疊時(shí)形成相互疊加強(qiáng)加強(qiáng)B2eBnk等式中等式中ne ne 是模式的有效折射率，是模式的有效折射率，k k是光柵是光柵的階數(shù)。一階光柵的階數(shù)。一階光柵(k=1)(k=1)的耦合最強(qiáng)的耦合最強(qiáng)DBR激光器v波紋光柵在有源區(qū)的外面，從而避免了在制波紋光柵在有源區(qū)的外面，從而避免了在制作過程中對(duì)有源層造成的晶格損傷作過程中對(duì)有源層造成的晶格損傷2 2 耦合腔激光二極管耦合腔激光

26、二極管v模式選擇采用耦合腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)諧振模式選擇采用耦合腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)諧振腔放在一起構(gòu)成耦合腔時(shí)，只有兩個(gè)諧振腔腔放在一起構(gòu)成耦合腔時(shí)，只有兩個(gè)諧振腔中相同的縱模才能成為耦合腔的振蕩縱模。中相同的縱模才能成為耦合腔的振蕩縱模。v有兩種結(jié)構(gòu)：有源有兩種結(jié)構(gòu)：有源- -無源結(jié)構(gòu)、有源無源結(jié)構(gòu)、有源- -有源結(jié)有源結(jié)構(gòu)構(gòu)v可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)可調(diào)諧可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)可調(diào)諧3 量子阱半導(dǎo)體激光器量子阱半導(dǎo)體激光器v超晶格超晶格(Super Lattice)是由兩種或兩種以上組分不同或?qū)щ娦允怯蓛煞N或兩種以上組分不同或?qū)щ娦阅艿某硬牧辖惶嫔L(zhǎng)形成的人工周期結(jié)構(gòu)，超晶格構(gòu)成能的超薄層材料交替生長(zhǎng)形成的人工周期

27、結(jié)構(gòu)，超晶格構(gòu)成的量子阱如圖所示。的量子阱如圖所示。v勢(shì)壘較厚，相鄰勢(shì)阱中電子波函數(shù)不發(fā)生交迭的周期結(jié)構(gòu)稱勢(shì)壘較厚，相鄰勢(shì)阱中電子波函數(shù)不發(fā)生交迭的周期結(jié)構(gòu)稱為為“多量子阱多量子阱”(MQW)，只有一個(gè)勢(shì)阱，兩邊是勢(shì)壘的結(jié)構(gòu)，只有一個(gè)勢(shì)阱，兩邊是勢(shì)壘的結(jié)構(gòu)稱為稱為“單量子阱單量子阱”(SQW)。 v 圖圖4.14 4.14 量子阱的結(jié)構(gòu)和能帶圖量子阱的結(jié)構(gòu)和能帶圖4 4 垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(VCSEL)(VCSEL)v垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。采用多層周期結(jié)構(gòu)的示。采用多層周期結(jié)構(gòu)的BraggBragg

28、反射鏡形成微諧反射鏡形成微諧振腔。振腔。 圖圖4.15 4.15 垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖3.1.4 發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LED）v光纖通信用的半導(dǎo)體光纖通信用的半導(dǎo)體LED發(fā)出的是不可見發(fā)出的是不可見的紅外光，而顯示所用的紅外光，而顯示所用LED發(fā)出的是可見發(fā)出的是可見光光v應(yīng)用于通信技術(shù)的某些特定部分：應(yīng)用于通信技術(shù)的某些特定部分：相對(duì)較短距離和較低帶寬的網(wǎng)絡(luò)。相對(duì)較短距離和較低帶寬的網(wǎng)絡(luò)。v局域網(wǎng)是基于發(fā)光二極管的發(fā)送器的最主要的局域網(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。應(yīng)用領(lǐng)域。v制作成本低廉，產(chǎn)量高制作成本低廉，產(chǎn)量高一一.

29、 LED:工作的原理工作的原理正偏電壓正偏電壓V促使電子和空穴進(jìn)入耗盡區(qū)并且促使電子和空穴進(jìn)入耗盡區(qū)并且發(fā)生復(fù)合。發(fā)生復(fù)合。 發(fā)光二極管的工作原理vLED發(fā)射的是自發(fā)輻射光（非相干光）。大發(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)，把有源層夾在多采用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，把有源層夾在P型和型和N型限制層間，但沒有光學(xué)諧振腔，故型限制層間，但沒有光學(xué)諧振腔，故無閾值無閾值。LED分為正面發(fā)光型、邊發(fā)光型和超輻射發(fā)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)光型光二極管，邊發(fā)光型LED的驅(qū)動(dòng)電流較大，的驅(qū)動(dòng)電流較大，輸出光功率小，但光束發(fā)射角小，與光纖的輸出光功率小，但光束發(fā)射角小，與光纖的

30、耦合效率高，故入纖光功率比面發(fā)光型耦合效率高，故入纖光功率比面發(fā)光型LED高。高。 二二. LED的基本結(jié)構(gòu)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。二極管、超輻射發(fā)光二極管。1. 面發(fā)光二極管面發(fā)光二極管下圖是面發(fā)光二極管的典型結(jié)構(gòu)。它由下圖是面發(fā)光二極管的典型結(jié)構(gòu)。它由NPP雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)成。這種成。這種LED發(fā)射面積限定在一個(gè)小區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域的橫向發(fā)射面積限定在一個(gè)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，一般尺寸與光纖尺寸相近。面發(fā)光二極管輸出的功率較大，

31、一般注入注入100mA電流時(shí)，就可達(dá)幾個(gè)毫瓦，但光發(fā)散角大，水平電流時(shí)，就可達(dá)幾個(gè)毫瓦，但光發(fā)散角大，水平和垂直發(fā)散角都可達(dá)到和垂直發(fā)散角都可達(dá)到120，與光纖的耦合效率低。，與光纖的耦合效率低。 L球透鏡環(huán)氧樹脂N層發(fā)光區(qū)(a)正面發(fā)光型 2. 邊發(fā)光二極管邊發(fā)光二極管下圖是邊發(fā)光下圖是邊發(fā)光ELED（Edge Emitting）二極管的典型結(jié)構(gòu)。）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)，在掩模技術(shù)，在P面形面形成垂直于端面的條形接觸電極成垂直于端面的條形接觸電極(約約4050m)，從而限定了有源層的寬度；，從而限定

32、了有源層的寬度；同時(shí)，增加光波導(dǎo)層，進(jìn)一步提高光的限定能力，把有源區(qū)產(chǎn)生的光輻同時(shí)，增加光波導(dǎo)層，進(jìn)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，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?cè)鐾改?，以?shí)現(xiàn)單向出光。在垂直于結(jié)平面方向，發(fā)散角約為另一端鍍?cè)鐾改?，以?shí)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。，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) 3. 超輻射發(fā)光二極管超輻射發(fā)光二極管超輻射發(fā)光二極管是一種介于激光二極管超輻射發(fā)光二極管是一種介

33、于激光二極管LD和發(fā)光二極管和發(fā)光二極管LED之間的半導(dǎo)體光之間的半導(dǎo)體光源，它的出現(xiàn)和發(fā)展是受到光纖陀螺的驅(qū)動(dòng)，對(duì)它的要求是有高的功率輸出并有源，它的出現(xiàn)和發(fā)展是受到光纖陀螺的驅(qū)動(dòng)，對(duì)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(kuò)展到二極管芯片整個(gè)長(zhǎng)度外，其他部分的長(zhǎng)度與條形激光器相同。這種結(jié)構(gòu)有擴(kuò)展到二極管芯片整個(gè)長(zhǎng)度外，其他部分的長(zhǎng)度與條形激光器相同。這種結(jié)構(gòu)的目的是使得的目的是使得SLD既有很高的輸出功率而又不產(chǎn)生激射振蕩，因?yàn)橐馆敵龉β始扔泻芨叩妮敵龉β识?/p>

34、不產(chǎn)生激射振蕩，因?yàn)橐馆敵龉β试黾樱詈?jiǎn)單辦法是增大注入電流，但是，過高的注入電流可能會(huì)導(dǎo)致激射振蕩。增加，最簡(jiǎn)單辦法是增大注入電流，但是，過高的注入電流可能會(huì)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。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。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。三. 發(fā)光二極管的工作特性 v光譜特性光譜特性v光束空間分布光束空間分布v輸出光功率特性輸出光功率特性 v頻率特性頻率特性 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(xué)發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光

35、，沒有光學(xué)諧振腔對(duì)波長(zhǎng)的選擇，譜線寬，短波長(zhǎng)諧振腔對(duì)波長(zhǎng)的選擇，譜線寬，短波長(zhǎng)LED譜譜線寬度為線寬度為3050nm。長(zhǎng)波長(zhǎng)長(zhǎng)波長(zhǎng)LED的譜線寬度的譜線寬度為為60120nm。 1300 波長(zhǎng)/nm 相對(duì)光強(qiáng)=70nm LED的光束空間分布 正面發(fā)光型的半功率點(diǎn)輻射角為正面發(fā)光型的半功率點(diǎn)輻射角為120o，側(cè)面發(fā)光型的平行發(fā)射角為側(cè)面發(fā)光型的平行發(fā)射角為120o，垂垂直發(fā)射角為直發(fā)射角為25o35o。LED與光纖的耦與光纖的耦合效率一般低于合效率一般低于10%。輻射模式輻射模式輻射的空間模式輻射的空間模式輻射波長(zhǎng)輻射波長(zhǎng) 輻射波長(zhǎng)是由半導(dǎo)體的禁帶決定的進(jìn)入光纖的耦合光進(jìn)入光纖的耦合光被耦合進(jìn)入

36、一個(gè)數(shù)值孔徑被耦合進(jìn)入一個(gè)數(shù)值孔徑(NA)的階躍的階躍折射率光纖的光功率?？梢酝ㄟ^下面的公式折射率光纖的光功率?？梢酝ㄟ^下面的公式計(jì)算計(jì)算:20()inPP NAinP輸出光功率特性 發(fā)光二極管實(shí)際輸出的光子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有源區(qū)產(chǎn)生發(fā)光二極管實(shí)際輸出的光子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有源區(qū)產(chǎn)生的光子數(shù)，一般外微分量子效率的光子數(shù)，一般外微分量子效率d小于小于10%。兩種。兩種類型發(fā)光二極管的輸出光功率特性示于圖類型發(fā)光二極管的輸出光功率特性示于圖3.16。驅(qū)。驅(qū)動(dòng)電流動(dòng)電流I較小時(shí)，較小時(shí)， P - I曲線的線性較好；曲線的線性較好；I過大時(shí)，過大時(shí)，由于由于PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使P -I

37、 曲線的斜率減曲線的斜率減小 。 在 通 常 工 作 條 件 下 ，小 。 在 通 常 工 作 條 件 下 ， L E D 工 作 電 流 為工 作 電 流 為50100mA， 輸出光功率為幾輸出光功率為幾mW，由于光束輻由于光束輻射角大，入纖光功率只有幾百射角大，入纖光功率只有幾百W。 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頻率特性發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)：發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)：|H(f)|=式中，式中，f為調(diào)制頻率，為調(diào)制頻率，P(f)為對(duì)應(yīng)于調(diào)制頻率為對(duì)應(yīng)于調(diào)制頻率f的輸出光功率，的輸出光功率，

38、e為少數(shù)載流子為少數(shù)載流子(電子電子)的壽命。定義的壽命。定義fc為發(fā)光二極管的截止頻為發(fā)光二極管的截止頻率，當(dāng)率，當(dāng)f=fc=1/(2e)時(shí)，時(shí)，|H(fc)|= ， 最高調(diào)制頻率應(yīng)低最高調(diào)制頻率應(yīng)低于截止頻率。于截止頻率。 圖圖3.17示出發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)，示出發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)， 圖中顯示出少數(shù)載流圖中顯示出少數(shù)載流子的壽命子的壽命e和截止頻率和截止頻率fc的關(guān)系。對(duì)有源區(qū)為低摻雜濃度的的關(guān)系。對(duì)有源區(qū)為低摻雜濃度的LED， 適當(dāng)增加工作電流可以縮短載流子壽命，提高截適當(dāng)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)光型止頻率。在一般工作條件下，正面發(fā)光型L

39、ED截止頻率為截止頻率為2030 MHz，側(cè)面發(fā)光型側(cè)面發(fā)光型LED截止頻率為截止頻率為100150 MHz。2)2(11)0()(efPfp21 圖 3.17 發(fā)光二極管(LED)的頻率響應(yīng) e 1.1 nse 2.1 nse 6.4 ns1001000100.110調(diào) 制 頻 率 f / MHz頻 率 響 應(yīng) H( f )3.2 光源的調(diào)制方式v直接調(diào)制直接調(diào)制 是把要傳送的信號(hào)轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)是把要傳送的信號(hào)轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)注入注入LD或或LED,從而獲得相應(yīng)光信號(hào)從而獲得相應(yīng)光信號(hào).僅適用于僅適用于LD或或LED,輸出光功率與注入電流成正比輸出光功率與注入電流成正比.適用適用于于2.5Gb

40、/S以下的系統(tǒng)以下的系統(tǒng)v間接調(diào)制間接調(diào)制 是利用晶體的電光效應(yīng)是利用晶體的電光效應(yīng) 磁光效應(yīng)磁光效應(yīng) 聲聲光效應(yīng)等性質(zhì)對(duì)激光調(diào)制光效應(yīng)等性質(zhì)對(duì)激光調(diào)制,是在是在激光形成以后激光形成以后加載調(diào)制信號(hào)加載調(diào)制信號(hào).既適合于半導(dǎo)體激光器既適合于半導(dǎo)體激光器,也適合也適合于其他類型的激光器于其他類型的激光器.適用于適用于2.5Gb/S以上的系以上的系統(tǒng)統(tǒng)3.3 光發(fā)送機(jī)v光發(fā)射機(jī)的基本組成光發(fā)射機(jī)的基本組成(直接調(diào)制直接調(diào)制)1. 光源 將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)2. 調(diào)制電路 光源驅(qū)動(dòng)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3.3.1 線路編碼

41、線路編碼單 極 性 信 號(hào)正 值010110110光 信 號(hào)正 值01011負(fù) 值0110電 信 號(hào)雙 極 性 信 號(hào)單極性碼與雙極性碼NRZ格式RZ格式短脈沖二進(jìn)制數(shù)據(jù)101101NRZ與RZ的比較v NRZ碼優(yōu)點(diǎn)碼優(yōu)點(diǎn):占據(jù)的頻帶寬度窄，占據(jù)的頻帶寬度窄， 是是RZ碼的一半碼的一半. 缺點(diǎn)是缺點(diǎn)是:當(dāng)出現(xiàn)長(zhǎng)連當(dāng)出現(xiàn)長(zhǎng)連“1”或或“0”時(shí)，時(shí)， 光脈沖沒有光脈沖沒有“有有”和和“無無”的交替的交替變化，變化， 這對(duì)于接收時(shí)對(duì)比特時(shí)鐘的提取這對(duì)于接收時(shí)對(duì)比特時(shí)鐘的提取是不利的。是不利的。v RZ碼優(yōu)點(diǎn)：碼優(yōu)點(diǎn)： 解決了連解決了連“1”的問題，的問題， 但但長(zhǎng)連長(zhǎng)連“0”問題仍然存在。缺點(diǎn)是：占

42、據(jù)問題仍然存在。缺點(diǎn)是：占據(jù)較寬的頻帶。較寬的頻帶。 擾碼在系統(tǒng)光發(fā)射機(jī)的調(diào)制器前，在系統(tǒng)光發(fā)射機(jī)的調(diào)制器前， 需要附加一個(gè)擾碼器，將原始的二進(jìn)制碼序需要附加一個(gè)擾碼器，將原始的二進(jìn)制碼序列加以變換，使其接近于隨機(jī)序列。相應(yīng)地，在光接收機(jī)的判決器之后，列加以變換，使其接近于隨機(jī)序列。相應(yīng)地，在光接收機(jī)的判決器之后，附加一個(gè)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附加一個(gè)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(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)的前饋移位寄存器前饋移位寄存器實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)。 擾碼改變了擾碼改變了“”碼與碼與“0”碼的分布，碼的分布， 從而改善了碼流的一些特性。從而改善了碼流的一些

43、特性。 例如：例如： 擾碼前：擾碼前： 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 擾碼后：擾碼后： 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 但是，但是， 擾碼仍具有下列缺點(diǎn)：擾碼仍具有下列缺點(diǎn)： 不能完全控制長(zhǎng)串連不能完全控制長(zhǎng)串連“”和長(zhǎng)串連和長(zhǎng)串連“0”序列的出現(xiàn)；序列的出現(xiàn)； 沒有引入冗余，沒有引入冗余， 不能進(jìn)行在線誤碼監(jiān)測(cè)；不能進(jìn)行在線誤碼監(jiān)測(cè)； 信號(hào)頻譜中接近于直流的分量較大，信號(hào)頻譜中接近于直流的分量較大， 不能解決基線不能解決基線漂移。漂移。 因?yàn)閿_碼不能完全滿足光纖通信對(duì)線路碼型的要求，因?yàn)閿_碼不能完全滿足光纖通信對(duì)線路碼型的要求， 所以許多光纖通信設(shè)備

44、除采用擾碼外還采用其它類型的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。線路編碼。 分組碼(mBnB碼)vmBnB碼又稱分組碼（碼又稱分組碼（Block Code)，它是把輸入，它是把輸入信號(hào)碼流中每信號(hào)碼流中每m比特分為一組，然后變換為比特分為一組，然后變換為n比特，比特，且且nm，這就是說變換后碼組比特?cái)?shù)比變換前大，這就是說變換后碼組比特?cái)?shù)比變換前大，這就是使得變換后的碼流有了這就是使得變換后的碼流有了“富余富余”，在碼流中，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)出除了可以傳原來的信息外，還可以傳送與誤碼監(jiān)測(cè)等有關(guān)的信息、另一方面，經(jīng)過適當(dāng)編碼后還可測(cè)等有關(guān)的信

45、息、另一方面，經(jīng)過適當(dāng)編碼后還可以改善定時(shí)信息的提取和直流分量的起伏問題。以改善定時(shí)信息的提取和直流分量的起伏問題。v因?yàn)樗鼪]有長(zhǎng)的連因?yàn)樗鼪]有長(zhǎng)的連1和和0，所以沒有基線漂移的問題。，所以沒有基線漂移的問題。v新分組仍以新分組仍以NRZ碼或碼或RZ碼格式傳輸碼格式傳輸 分組變換碼（mBnB碼） v把輸入的二進(jìn)制原始碼流按把輸入的二進(jìn)制原始碼流按m m比特為一組進(jìn)行分比特為一組進(jìn)行分組，然后把每個(gè)分組變換成一個(gè)組，然后把每個(gè)分組變換成一個(gè)n n比特的二進(jìn)制比特的二進(jìn)制碼，并在同樣大小的時(shí)隙內(nèi)輸出。碼，并在同樣大小的時(shí)隙內(nèi)輸出。v特點(diǎn)：特點(diǎn)： 1 1） 碼流中碼流中“1”“0”1”“0”碼概率相

46、等，連碼概率相等，連“1”“0”1”“0”的數(shù)目減少，定時(shí)信息豐富。的數(shù)目減少，定時(shí)信息豐富。 2 2） 直流分量少，基線漂移小。直流分量少，基線漂移小。 3 3）碼流中引入一定冗余度，便于在線誤碼監(jiān)測(cè)。）碼流中引入一定冗余度，便于在線誤碼監(jiān)測(cè)。 以5B6B為例（1）編碼情況）編碼情況v按照數(shù)學(xué)的排列理論可知，由按照數(shù)學(xué)的排列理論可知，由0和和1組成組成的五位和六位碼，可以有如下的排列：的五位和六位碼，可以有如下的排列：五位碼的排列數(shù)：五位碼的排列數(shù)：2532種種六位碼的排列數(shù)：六位碼的排列數(shù)：2664種種（2）碼流平衡情況分析v如果將如果將64種排列一一列出來可以發(fā)現(xiàn)：種排列一一列出來可以發(fā)

47、現(xiàn)：a)六位碼中含有三個(gè)六位碼中含有三個(gè)1和和0的平衡碼組共有的平衡碼組共有20個(gè)，個(gè)，所謂平衡是指在一個(gè)碼組中所謂平衡是指在一個(gè)碼組中0和和1和個(gè)數(shù)相同。顯然和個(gè)數(shù)相同。顯然這樣的碼組在信碼流中對(duì)保持碼流的直流分量的穩(wěn)這樣的碼組在信碼流中對(duì)保持碼流的直流分量的穩(wěn)定是有利的定是有利的b)六位碼組中含有四個(gè)六位碼組中含有四個(gè)1和兩個(gè)和兩個(gè)0，或四個(gè)，或四個(gè)0兩個(gè)兩個(gè)1的的不平衡碼組各有不平衡碼組各有15個(gè)，雖然不平衡，但相差不大，個(gè)，雖然不平衡，但相差不大，只選了其中的各只選了其中的各12組。組。c)除了上述兩種碼組外，還有除了上述兩種碼組外，還有642021514種碼組，由于種碼組，由于1和和

48、0相差太大，不利于穩(wěn)定碼流中相差太大，不利于穩(wěn)定碼流中的直流分量，因此不選用。的直流分量，因此不選用。(3)碼組的選用v首先選取碼組中包含有三個(gè)首先選取碼組中包含有三個(gè)”0”和三個(gè)和三個(gè)”1”和和20個(gè)平衡碼個(gè)平衡碼組組v再選取含有四個(gè)再選取含有四個(gè)1和二個(gè)和二個(gè)0的不完全平衡的碼組，即的不完全平衡的碼組，即21530個(gè)碼組中的個(gè)碼組中的21224個(gè)碼組，并為正負(fù)二種模式，正模個(gè)碼組，并為正負(fù)二種模式，正模式式1個(gè)數(shù)多，當(dāng)碼流中出現(xiàn)上述某個(gè)模式后，則后一碼組應(yīng)個(gè)數(shù)多，當(dāng)碼流中出現(xiàn)上述某個(gè)模式后，則后一碼組應(yīng)選用另一種模式，由于正負(fù)交替使用，保持了信碼流中選用另一種模式，由于正負(fù)交替使用，保持了

49、信碼流中0和和1的概率相同，從面保持直流分量的穩(wěn)定，基線不起伏。的概率相同，從面保持直流分量的穩(wěn)定，基線不起伏。v對(duì)上述對(duì)上述0和和1個(gè)數(shù)相差太大的未選用個(gè)數(shù)相差太大的未選用v在在5B6B的的64個(gè)碼組中只用了個(gè)碼組中只用了20+212=44個(gè)碼組，還有個(gè)碼組，還有644420外碼組沒有使用，這樣一旦出現(xiàn)這外碼組沒有使用，這樣一旦出現(xiàn)這20個(gè)碼組中任個(gè)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行誤碼監(jiān)測(cè)，通常把這種不使用的碼稱為對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行誤碼監(jiān)測(cè)，通常把這種不使用的碼稱為禁字禁字編碼器v組合邏輯電路組成一塊專用編譯碼

50、的集成塊組合邏輯電路組成一塊專用編譯碼的集成塊v將設(shè)計(jì)好的碼表存貯到將設(shè)計(jì)好的碼表存貯到PROM內(nèi)構(gòu)成內(nèi)構(gòu)成 （國內(nèi)）（國內(nèi)）并串PROMB1B2B3B4b1b2b3串并組別變換ABC變前時(shí)鐘已變換的輸出4B碼流變換時(shí)鐘待變換輸入信號(hào)碼流 插入碼（mB1X碼） v把輸入的二進(jìn)制原始碼流按把輸入的二進(jìn)制原始碼流按m m比特為一組進(jìn)行比特為一組進(jìn)行分組，然后在每個(gè)分組末按一定規(guī)律插入一個(gè)分組，然后在每個(gè)分組末按一定規(guī)律插入一個(gè)碼，組成（碼，組成（m+1m+1）位為一組的線路碼流?？煞郑┪粸橐唤M的線路碼流?？煞譃闉閙B1PmB1P碼、碼、mB1CmB1C碼、碼、mB1HmB1H碼。碼。v優(yōu)點(diǎn)：碼速提

51、高不大，誤碼增值??；可實(shí)現(xiàn)在優(yōu)點(diǎn)：碼速提高不大，誤碼增值?。豢蓪?shí)現(xiàn)在線誤碼監(jiān)測(cè)、區(qū)間通信和輔助信息傳送。線誤碼監(jiān)測(cè)、區(qū)間通信和輔助信息傳送。v缺點(diǎn)：碼流的頻譜特性不如缺點(diǎn)：碼流的頻譜特性不如mBnBmBnB碼，但在擾碼碼，但在擾碼后在進(jìn)行后在進(jìn)行mB1XmB1X碼變換，就可以滿足通信系統(tǒng)的碼變換，就可以滿足通信系統(tǒng)的要求。要求。插入碼vmB1C碼碼 把原始碼流分成每把原始碼流分成每m比特比特(mB)一組，一組， 然后在每組然后在每組mB碼的末尾碼的末尾插入插入1比特補(bǔ)碼，比特補(bǔ)碼， mB碼為：碼為：100 110 001 101 mB1C碼為：碼為： 1001 1101 0010 1010 C

52、碼的作用是引入冗余碼，可以進(jìn)行在線誤碼率監(jiān)測(cè)；碼的作用是引入冗余碼，可以進(jìn)行在線誤碼率監(jiān)測(cè)； 同時(shí)改善了同時(shí)改善了“0”碼和碼和“1”碼的分布，有利于定時(shí)提取。碼的分布，有利于定時(shí)提取。 mB1H碼碼 是是mB1C碼演變而成的，即在碼演變而成的，即在mB1C碼中，扣除部分碼中，扣除部分C碼，并在相碼，并在相應(yīng)的碼位上插入一個(gè)混合碼應(yīng)的碼位上插入一個(gè)混合碼(H碼碼)，所以稱為，所以稱為mB1H碼。所插入的碼。所插入的H碼可碼可以根據(jù)不同用途分為三類：第一類是以根據(jù)不同用途分為三類：第一類是C碼，它是第碼，它是第m位碼的補(bǔ)碼，用于位碼的補(bǔ)碼，用于在線誤碼率監(jiān)測(cè)；第二類是在線誤碼率監(jiān)測(cè)；第二類是L碼

53、，用于區(qū)間通信；第三類是碼，用于區(qū)間通信；第三類是G碼，用于碼，用于幀同步、公務(wù)、數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)等信息的傳輸。幀同步、公務(wù)、數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)等信息的傳輸。 3.3.2 調(diào)制電路v數(shù)字調(diào)制電路數(shù)字調(diào)制電路 采用采用電流開關(guān)電流開關(guān)電路電路. 要求要求:開關(guān)速度快開關(guān)速度快,有良好的電流脈沖有良好的電流脈沖UCR2LEDC1R1UinV數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)Uin從三極管從三極管V的的基極輸入，通過集電極的基極輸入，通過集電極的電流驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)LED。數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)“0”碼和碼和“1”碼對(duì)應(yīng)于碼對(duì)應(yīng)于V的截止和飽和狀態(tài)，電流的截止和飽和狀態(tài)，電流的大小根據(jù)對(duì)輸出光信號(hào)的大小根據(jù)對(duì)輸出光信號(hào)幅度的要求確定。這種

54、驅(qū)幅度的要求確定。這種驅(qū)動(dòng)電路適用于動(dòng)電路適用于10 Mb/s以下以下的低速率系統(tǒng)的低速率系統(tǒng)LD數(shù)字調(diào)制電路V2V1Ib電流源Io UEUinLD電流源為由電流源為由V1和和V2組成的差分組成的差分開關(guān)電路提供恒定的偏置電流開關(guān)電路提供恒定的偏置電流.數(shù)字電信號(hào)數(shù)字電信號(hào)Uin從從V1基極輸入?；鶚O輸入。 當(dāng)信號(hào)為當(dāng)信號(hào)為“0”碼時(shí)，碼時(shí)，V1基極電基極電位比位比UB高而搶先導(dǎo)通，高而搶先導(dǎo)通，V2截截止，止， LD不發(fā)光不發(fā)光;反之，當(dāng)信號(hào)反之，當(dāng)信號(hào)為為“”碼時(shí)，碼時(shí)，V1基極電位比基極電位比UB低，低， V2搶先導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)搶先導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)LD發(fā)光。發(fā)光。 V1和和V2處于輪流截止和處于輪

55、流截止和非飽和導(dǎo)通狀態(tài)，有利于提高非飽和導(dǎo)通狀態(tài)，有利于提高調(diào)制速率。調(diào)制速率。3.3.3調(diào)制特性調(diào)制特性(直接調(diào)制的瞬態(tài)特性直接調(diào)制的瞬態(tài)特性)v電光延遲和張馳振蕩電光延遲和張馳振蕩 電光延遲電光延遲: :當(dāng)階躍電流注入時(shí)當(dāng)階躍電流注入時(shí), ,有源區(qū)里的自由電子有源區(qū)里的自由電子密度密度n n增加增加, ,由于由于n n的增加與時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系的增加與時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系, ,當(dāng)小于當(dāng)小于閾值電子密度閾值電子密度n nthth, ,激光器不激射激光器不激射, ,因此輸出光脈沖與因此輸出光脈沖與注入電流脈沖之間存在一個(gè)初始延遲時(shí)間注入電流脈沖之間存在一個(gè)初始延遲時(shí)間, ,其數(shù)量其數(shù)量級(jí)為級(jí)為ns.ns

56、. 原因是載流子密度達(dá)到激光閾值需要原因是載流子密度達(dá)到激光閾值需要0.52.5ns.0.52.5ns.偏置電流越大偏置電流越大, ,延遲時(shí)間越小延遲時(shí)間越小. . thspdjjjln張馳振蕩張馳振蕩: :當(dāng)電流脈沖注入激光器后當(dāng)電流脈沖注入激光器后, ,輸出光脈表輸出光脈表現(xiàn)出衰減式振蕩現(xiàn)出衰減式振蕩. .與電子自發(fā)復(fù)合和光子壽命與電子自發(fā)復(fù)合和光子壽命有關(guān)有關(guān). .張馳振蕩頻率為張馳振蕩頻率為: : 衰減時(shí)間為衰減時(shí)間為: :21)1(1thphspjjwjjthspo2電光延遲和張馳振蕩電光延遲和張馳振蕩限制調(diào)制速率限制調(diào)制速率, ,調(diào)制速調(diào)制速率不能高于張馳頻率率不能高于張馳頻率fr=r/2fr=r/2一般為一般為0.52 GHz0.52 GHz調(diào)制特性調(diào)制特性v碼型效應(yīng)碼型效應(yīng): :當(dāng)