光源及光發(fā)射機(jī)光纖通信技術(shù)第四章第四章激光器及光發(fā)射機(jī)4.3半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED及工作特性4.2發(fā)光二極管(LED)原理：外加電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，大量電子-空穴對(duì)的自發(fā)復(fù) 合導(dǎo)致發(fā)光為什么要使用LED：1.驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單低壓低于2伏2.不需要溫控電路3.成本低、產(chǎn)量高缺點(diǎn)：4.輸出功率不高：幾個(gè)毫瓦5.譜寬很寬：幾十個(gè)納米到上百納米應(yīng)用場(chǎng)合：短距離傳輸4.3發(fā)光二極管LED半導(dǎo)體激光器除去諧振腔半導(dǎo)體發(fā)光二極管發(fā)光二極管工作原理

發(fā)光二極管（LED）是非相干光源，是無閾值器件，它的基本工作原理是自發(fā)輻射。發(fā)光二極管與半導(dǎo)體激光器差別是：發(fā)光二極管沒有光學(xué)諧振腔，不能形成激光。僅限于自發(fā)輻射，所發(fā)出的是熒光，是非相干光。半導(dǎo)體激光器是受激輻射，發(fā)出的是相干光。 LED沒有解理面，即沒有光學(xué)諧振腔。由于不是激光振蕩，所以沒有閾值。 LED分為兩大類：一類是面發(fā)光型LED，另一類是邊發(fā)光型LED，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。發(fā)光二極管結(jié)構(gòu) 在光纖通信系統(tǒng)中，發(fā)光二極管可以用同質(zhì)結(jié)制造，也可以用異質(zhì)結(jié)制造，只不過在實(shí)際中多采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。面發(fā)光二極管優(yōu)點(diǎn)：LED到光纖的耦合效率高P(q)=P0cosq載流子注入25mm5mm面發(fā)光二極管面發(fā)光二極管由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(gè)小區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域的橫向尺寸與光纖尺寸相近。利用腐蝕的方法在襯底材料正對(duì)有源區(qū)的地方腐蝕出一個(gè)凹陷的區(qū)域，使光纖可以與發(fā)射面靠近，同時(shí)，在凹陷的區(qū)域注入環(huán)氧樹脂，并在光纖末端放置透鏡或形成球透鏡，以提高光纖的接收效率。面發(fā)光二極管輸出的功率較大，一般注入100mA電流時(shí)，就可達(dá)幾個(gè)毫瓦，但光發(fā)散角大，水平和垂直發(fā)散角都可達(dá)到120°，與光纖的耦合效率低。面發(fā)光二極管為提高面發(fā)光LED與光纖的耦合效率：在井中放置一個(gè)截球透鏡；或者將光纖末端形成球透鏡。優(yōu)點(diǎn)：與面發(fā)光LED比，光出射方向性好缺點(diǎn)：需要較大的驅(qū)動(dòng)電流、發(fā)光功率低載流子注入50~70mm100~150mm30o120o邊發(fā)光二極管邊發(fā)光二極管邊發(fā)光二極管，也采用雙異質(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），從而限定了有源區(qū)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)生的光輻射導(dǎo)向發(fā)光面，以提高與光纖的耦合效率。其有源區(qū)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30°，具有比面發(fā)光二極管高的輸出耦合效率。發(fā)光二極管應(yīng)用LED穩(wěn)定、可靠、壽命長(zhǎng)、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、功率對(duì)溫度不敏感，廣泛用作中、短距離（鐵路、電力、交通、公安等）光通信系統(tǒng)的光源。GaAlAs－GaAs面發(fā)光管的帶寬為10～20兆赫，適用于二次群光通信系統(tǒng)(可傳輸120路電話),傳輸距離大于5公里。GaAlAs-GaAs快速邊發(fā)光管帶寬50～100兆赫，適用于三級(jí)群光通信系統(tǒng)(可傳輸480路電話)，傳輸距離數(shù)公里。InGaAsP-InPLED可用于更長(zhǎng)距離(大于10公里)的傳輸系統(tǒng)。發(fā)光二極管的P―I特性 發(fā)光二極管的P―I特性是指輸出的光功率隨注入電流的變化關(guān)系，其P―I曲線如下圖所示。當(dāng)注入電流較小時(shí)，線性度非常好；但當(dāng)注入電流比較大時(shí)，由于PN結(jié)的發(fā)熱，發(fā)光效率降低，出現(xiàn)了飽和現(xiàn)象。在同樣的注入電流下，面發(fā)光二極管的輸出功率要比邊發(fā)光二極管大2.5~3倍，這是由于邊發(fā)光二極管受到更多的吸收和界面復(fù)合的影響。發(fā)光二極管的P―I特性驅(qū)動(dòng)電流較小->LEDP-I特性線性度好驅(qū)動(dòng)電流較大->pn結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象->曲線斜率減小通常，LED工作電流為50~100mA，輸出光功率為幾毫瓦，入纖光功率只有幾百uW發(fā)光二極管的P―I特性在通常應(yīng)用條件下，發(fā)光二極管的工作電流為50~150mA，輸出功率為幾個(gè)毫瓦，但因其與光纖的耦合效率很低，入纖功率要小得多。溫度對(duì)發(fā)光二極管的P―I特性也有影響，當(dāng)溫度升高時(shí)，同一電流下的發(fā)射功率要降低，如上圖所示。發(fā)光二極管的溫度特性相對(duì)較好（與LD相比較），在實(shí)際應(yīng)用中，一般可以不加溫度控制。發(fā)光二極管的輸出譜線特性 由于發(fā)光二極管是自發(fā)輻射發(fā)光，并且沒有諧振腔實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)的選擇，因此發(fā)光譜線較寬。定義光強(qiáng)下降一半的波長(zhǎng)變化為輸出譜線寬度（半功率點(diǎn)全寬FWHP），這就是光源的線寬Δλ。一般短波長(zhǎng)GaAlAs―GaAs發(fā)光二極管的譜線寬度約為25~40nm，長(zhǎng)波長(zhǎng)InGaAsPInP發(fā)光二極管的譜線寬度約為75~100nm。發(fā)光二極管的輸出譜線特性光源線寬發(fā)光二極管的輸出譜線特性發(fā)光二極管的譜線寬度反映了有源區(qū)材料的導(dǎo)帶與價(jià)帶內(nèi)的載流子分布。

線寬隨有源區(qū)摻雜濃度的增加而增加。面發(fā)光二極管一般是重?fù)诫s，而邊發(fā)光二極管為輕摻雜，因此面發(fā)光二極管的線寬就較寬。而且，重?fù)诫s時(shí)，發(fā)射波長(zhǎng)還向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。同時(shí)，溫度的變化會(huì)使線寬加寬，載流子的能量分布變化也會(huì)引起線寬的變化。發(fā)光二極管的輸出譜線特性LED的譜線特性特點(diǎn)：1.自發(fā)輻射光->LED譜線較寬

2.面發(fā)光二極管的譜線要比邊發(fā)光二極管的寬

3.長(zhǎng)波長(zhǎng)光源譜寬比短光源寬

-短波長(zhǎng)GaAlAs/GaAs譜寬30~50nm

-長(zhǎng)波長(zhǎng)InGaAsP/InP譜寬60~120nm發(fā)光二極管的輸出譜線特性發(fā)光二極管的發(fā)光效率發(fā)光效率單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光子數(shù)

ηI=單位時(shí)間內(nèi)注入的電子—空穴對(duì)數(shù)ηT=輸出的光子數(shù)

注入的總電子數(shù)

內(nèi)量子效率代表有源區(qū)內(nèi)產(chǎn)生光子數(shù)與注入的電子—空穴對(duì)數(shù)之比:發(fā)光二極管的外量子效率:發(fā)光二極管的發(fā)光效率由于內(nèi)部吸收、空氣－半導(dǎo)體界面的反射，只有在圓錐角內(nèi)界面的反射，光功率才能從LED表面逸出，外量子效率通常很小（百分之幾）。用雙異質(zhì)結(jié)制作LED可以降低內(nèi)部吸收。發(fā)光二極管的調(diào)制 根據(jù)P―I特性可以看出，改變發(fā)光二極管的注入電流就可以改變其輸出光功率。LED的數(shù)字調(diào)制(a)及模擬調(diào)制(b)發(fā)光二極管的調(diào)制把這種直接改變光源注入電流實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方式稱為直接調(diào)制或內(nèi)調(diào)制。需要注意的是，在圖示的模擬調(diào)制中，首先要給發(fā)光二極管直流偏置，以防止當(dāng)信號(hào)為負(fù)時(shí)，可能會(huì)因反偏而造成的損壞。顯然，對(duì)于模擬調(diào)制P―I關(guān)系的非線性會(huì)使調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生失真（如下圖），在需要的情況下，可以利用線性補(bǔ)償電路來進(jìn)行改善。發(fā)光二極管的調(diào)制光源非線性諧波的產(chǎn)生發(fā)光二極管其它特性溫度特性由于LED是無閾值器件，因此溫度特性較好。

耦合效率由于LED發(fā)射出的光束的發(fā)散角較大，因此與光纖的耦合效率較低。一般只適于短距離傳輸。

調(diào)制特性調(diào)制頻率較低。在一般工作條件下，面發(fā)光型LED截止頻率為20MHz～30MHz，邊發(fā)光型LED截止頻率為100MHz～150MHz。輸出光功率線性范圍寬(P-I特性)性能穩(wěn)定壽命長(zhǎng)制造工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉輸出光功率較小譜線寬度較寬調(diào)制頻率較低這種器件在小容量、短距離系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用關(guān)于LED的小結(jié)

LED通常和多模光纖耦合，用于1.3μm(或0.85μm)波長(zhǎng)的小容量短距離系統(tǒng)。因?yàn)長(zhǎng)ED發(fā)光面積和光束輻射角較大，而多模光纖具有較大的芯徑和數(shù)值孔徑，有利于提高耦合效率，增加入纖功率。LED用于1310nm或850nm波長(zhǎng)的小容量、短距離的光通信系統(tǒng)。

LD通常和G.652或G.653規(guī)范的單模光纖耦合，用于1.3μm或1.55μm大容量長(zhǎng)距離系統(tǒng)。這是目前光纖通信發(fā)展的主要趨勢(shì)。

分布反饋激光器(DFB-LD)主要和G.653或G.654規(guī)范的單模光纖或特殊設(shè)計(jì)的單模光纖耦合，用于超大容量的新型光纖系統(tǒng)。LED與LD的比較第四章激光器及光發(fā)射機(jī)4.3光源-光纖的耦合光源與光纖的耦合在光發(fā)射機(jī)中，光源發(fā)出的光信號(hào)要送入光纖中去，這就涉及到光源與光纖的耦合問題，如下圖。光源與光纖的耦合效率與光源的類型和光纖的類型有關(guān)。一般說來，LD與單模光纖的耦合效率可以達(dá)到30%~50%，LED與單模光纖的耦合效率非常低，只有百分之幾甚至更小。光源與光纖耦合示意圖光源至光纖的功率發(fā)射耦合效率：耦合進(jìn)光纖的光功率(PF)與光源發(fā)射的總功率(Ps)之比：那么，我們關(guān)心的問題是如何讓耦合效率最高。影響耦合效率的主要因素是光源的發(fā)散角和光纖的數(shù)值孔徑。發(fā)散角大，耦合效率低；數(shù)值孔徑大，耦合效率高。此外，光源發(fā)光面和光纖端面的尺寸、形狀及兩者之間的距離都會(huì)影響到耦合效率。光源與光纖的耦合一般采用兩種方法，即直接耦合與透鏡耦合。直接耦合是將光纖端面直接對(duì)準(zhǔn)光源發(fā)光面進(jìn)行耦合的方法。當(dāng)光源發(fā)光面積小于纖芯面積時(shí)，這是一種唯一有效的方法。這種直接耦合的方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但耦合效率低。光源與光纖的耦合當(dāng)光源發(fā)光面積大于纖芯面積時(shí)，可在光源與光纖之間放置透鏡，使更多的發(fā)散光線會(huì)聚進(jìn)入光纖來提高耦合效率，如下圖。面發(fā)光二極管與光纖的透鏡耦合(a)光纖端部做成球透鏡、(b)采用截頭透鏡、4.31(c)采用集成微透鏡光源與光纖的耦合對(duì)于發(fā)散光束非對(duì)稱的邊發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器可以利用圓柱透鏡的方法，如下圖(a)、(b)所示?；蛘呃么髷?shù)值孔徑的自聚焦透鏡（GRIN），其耦合效率可以提高到60%，甚至更高。單模光纖和半導(dǎo)體激光器的耦合可以采用如下圖(c)所示自聚焦透鏡或者在光纖端面用電弧放電形成半球透鏡的方法。光源與光纖的透鏡耦合光源與光纖的耦合第四章激光器及光發(fā)射機(jī)4.5光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)

光發(fā)送機(jī)的構(gòu)成：輸入接口光源驅(qū)動(dòng)電路監(jiān)控電路控制電路等構(gòu)成核心：光源及驅(qū)動(dòng)電路光發(fā)射機(jī)（數(shù)字）框圖光發(fā)射機(jī)由輸入接口、光源、驅(qū)動(dòng)電路、監(jiān)控電路、控制電路等構(gòu)成，其核心是光源及驅(qū)動(dòng)電路。在數(shù)字通信中，輸入電路將輸入的信號(hào)（如PCM脈沖）進(jìn)行整形，變換成適于線路傳送的碼型后通過驅(qū)動(dòng)電路光源，或者送到光調(diào)制器調(diào)制光源輸出的連續(xù)光波。為了穩(wěn)定輸出的平均光功率和工作溫度，通常要設(shè)置一個(gè)自動(dòng)的溫度控制及功率控制電路。對(duì)光發(fā)射機(jī)性能要求光發(fā)射機(jī)的作用是把電端機(jī)送來的電信號(hào)變?yōu)楣庑盘?hào)送入光纖中傳輸。包括以下方面：(1)光源特性(2)調(diào)制特性(3)輸出特性對(duì)光發(fā)送機(jī)的要求：（1）有合適的輸出光功率光發(fā)送機(jī)的輸出光功率，是指耦合進(jìn)光纖的功率，亦稱入纖功率。光源應(yīng)有合適的光功率輸出，一般為0.01mW～5mW。

（2）有較好的消光比消光比的定義為全“1”碼平均發(fā)送光功率與全“0”碼平均發(fā)送光功率之比?？捎孟率奖硎?/p>

式中，P11為全“1”碼時(shí)的平均光功率；P00為全“0”碼時(shí)的平均光功率。一般要求EXT≥10dB。光發(fā)射機(jī)性能要求

（3）調(diào)制特性要好所謂調(diào)制特性好，是指光源的P?I曲線在使用范圍內(nèi)線性特性好，否則在調(diào)制后將產(chǎn)生非線性失真。除此之外，還要求電路盡量簡(jiǎn)單、成本低、穩(wěn)定性好、光源壽命長(zhǎng)等。光發(fā)射機(jī)性能要求光源的調(diào)制把信息加載到光波上的過程就是調(diào)制。調(diào)制信號(hào)分類：模擬調(diào)制、數(shù)字調(diào)制模擬調(diào)制有可分為：強(qiáng)度調(diào)制和副載波調(diào)制。強(qiáng)度調(diào)制是用模擬基帶信號(hào)直接對(duì)光源進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。副載波調(diào)制是利用連續(xù)或脈沖的射頻波作為副載波，模擬基帶信號(hào)先對(duì)它的幅度、頻率或相位等進(jìn)行調(diào)制，再用該受調(diào)制的副載波去強(qiáng)度調(diào)制光源。模擬調(diào)制：設(shè)備簡(jiǎn)單，占有帶寬較窄，但它的抗干擾性能差，中繼時(shí)噪聲累積。光源的調(diào)制數(shù)字調(diào)制：光纖通信的主要調(diào)制方式，將模擬信號(hào)抽樣量化后，以二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)“1”或“0”對(duì)光載波進(jìn)行通斷調(diào)制，并進(jìn)行脈沖編碼（PCM）。數(shù)字調(diào)制：抗干擾能力強(qiáng)，中繼時(shí)噪聲及色散的影響不積累，因此可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸，它的缺點(diǎn)是需要較寬的頻帶，設(shè)備也復(fù)雜。光源的調(diào)制按調(diào)制方式與光源的關(guān)系來分：

直接調(diào)制和外調(diào)制

直接調(diào)制

一、內(nèi)調(diào)制或直接調(diào)制--將調(diào)制信號(hào)直接注入激光器（調(diào)制激光器驅(qū)動(dòng)電流），而實(shí)現(xiàn)激光輸出光強(qiáng)度等參數(shù)的調(diào)制。Bias+DATALaser

DirectModulationofLaserDiode二、直接調(diào)制的特點(diǎn)：將要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)注入LD或LED調(diào)制后的光波振幅的平方比例于調(diào)制信號(hào)（強(qiáng)度調(diào)制）簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、容易實(shí)現(xiàn)響應(yīng)帶寬有限（2.5Gb/s）引入調(diào)制啁啾光源的調(diào)制輸出光信號(hào)pItIin輸入電信號(hào)pI（a）

LED數(shù)字調(diào)制原理輸出光信號(hào)輸入電信號(hào)IinIthIb(b)LD的數(shù)字調(diào)制原理當(dāng)激光器的驅(qū)動(dòng)電流大于閾值電流Ith時(shí)，輸出光功率P和驅(qū)動(dòng)電流I基本上是線性關(guān)系輸出光功率和輸入電流成正比，輸出光信號(hào)反映輸入電信號(hào)直接調(diào)制基本依據(jù)：P-I曲線LD的調(diào)制是通過改變其驅(qū)動(dòng)電流的辦法實(shí)現(xiàn)的直接調(diào)制技術(shù)：信號(hào)啁啾LD內(nèi)調(diào)制->改變LD驅(qū)動(dòng)電流

->諧振腔內(nèi)載流子濃度發(fā)生變化

->諧振腔折射率發(fā)生變化

->諧振腔相位條件選頻特性發(fā)生改變

->LD輸出光的中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移 ->信號(hào)啁啾啁啾的直接后果是導(dǎo)致系統(tǒng)色散性能的惡化加大偏置電流使其逼近激光器閾值，可以大大減小電光延遲時(shí)間，同時(shí)使張馳振蕩得到一定程度的抑制.偏置于閾值附近，較小的調(diào)制脈沖電流即可得到足夠的輸出光脈沖，從而可大大減小碼型效應(yīng)和結(jié)發(fā)熱效應(yīng)的影響.另一方面，加大直流偏置電流將會(huì)使光信號(hào)消光比(EX)惡化，光源消光比將直接影響接收機(jī)靈敏度.調(diào)制電流幅度Im的選擇，應(yīng)根據(jù)激光器的P-I曲線，既要有足夠的輸出光脈沖幅度，又要考慮到光源的負(fù)擔(dān)。如果激光器在某些區(qū)域有自脈動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生，則Im的選擇應(yīng)避開自脈動(dòng)發(fā)生的區(qū)域.數(shù)字直接調(diào)制中偏置電流和調(diào)制電流大小的選擇間接調(diào)制（外調(diào)制）一、外調(diào)制（強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制等）--用調(diào)制信號(hào)控制激光器后接的外調(diào)制器，利用調(diào)制器的電光、聲光等物理效應(yīng)使其輸出光的參數(shù)隨信號(hào)而變

ExternalModulationofLaserDiodeLaserModulatorBiasBias+DATA外調(diào)制方便，且比內(nèi)調(diào)的調(diào)制速率高(約一個(gè)數(shù)量級(jí))，調(diào)制帶寬要寬得多，故倍受重視。外調(diào)制（間接調(diào)制）二、特點(diǎn)：調(diào)制信號(hào)啁啾小。外調(diào)制器以電光調(diào)制和電致吸收為主。目前光纖通信系統(tǒng)中應(yīng)用最多的是光源的基帶直接強(qiáng)度調(diào)制、副載波強(qiáng)度調(diào)制及數(shù)字調(diào)制，高速率是采用外調(diào)制。光調(diào)制器光調(diào)制就是將一個(gè)攜帶信息的信號(hào)疊加到載波光波上,完成這一過程的器件稱為調(diào)制器。調(diào)制器能使載波光波的參數(shù)隨外加信號(hào)變化而變化，這些參數(shù)包括光波的振幅、位相、頻率、偏振、波長(zhǎng)等。承載信息的調(diào)制光波在光纖中傳輸，再由光探測(cè)器系統(tǒng)解調(diào)，然后檢測(cè)出所需要的信息。光源的外調(diào)制技術(shù)調(diào)制信號(hào)不直接施加在LD上，而是施加在光調(diào)制器上。外調(diào)制技術(shù)分類：電光效應(yīng)Electro-opticEffects電致吸收效應(yīng)Electro-AbsorptionEffects磁光效應(yīng)Magneto-opticEffects聲光效應(yīng)AcousticEffects

*電光調(diào)制和電致吸收最為常用Modulator電光效應(yīng)光調(diào)制器電光效應(yīng)：電壓施加于某些電光晶體(LiNbO3)

，導(dǎo)致晶體折射率發(fā)生變化，引起通過該晶體的光波特性發(fā)生變化。折射率變化

n與外加電場(chǎng)E有著復(fù)雜的關(guān)系，可近似地認(rèn)為

n與(r

E

orR

E

2)成正比。電光調(diào)制器主要利用普科爾(Pocket)效應(yīng).普科爾(Pocket)效應(yīng)：晶體折射率與外加電場(chǎng)幅度成線形變化克爾(Kerr)效應(yīng)：晶體折射率與外加電場(chǎng)幅度的平方成比例變化電光效應(yīng)光調(diào)制器u

/2u

ut調(diào)制電壓透射光強(qiáng)半波電壓u

是把調(diào)制器從最小光強(qiáng)轉(zhuǎn)換到最大光強(qiáng)所需的電壓電光模擬調(diào)制的透過率(調(diào)制器被偏置在u

/2點(diǎn)上)LD的外調(diào)制技術(shù)：馬赫-曾德調(diào)制器00p0外調(diào)制得到的NRZ信號(hào)0p0NRZ

input光調(diào)制器的種類電光效應(yīng)馳豫的時(shí)間很短，僅有10-11s量級(jí)，外場(chǎng)的施加或撤銷導(dǎo)致的折射率變化或恢復(fù)瞬間即可完成，因而可用作高速調(diào)制器、高速開關(guān)等。電光效應(yīng)光調(diào)制器常用材料：鈮酸鋰LiNbO3、砷化鉀GaAs、鉭酸鋰LiTaO3電致吸收光調(diào)制器Franz-Keldysh效應(yīng)：半導(dǎo)體材料在電場(chǎng)作用下吸收邊紅移。原理：改變調(diào)制器上的偏壓，使多量子阱(MQW)的吸收邊界波長(zhǎng)發(fā)生變化，進(jìn)而改變光束的通斷，實(shí)現(xiàn)調(diào)制。當(dāng)調(diào)制器無偏壓時(shí)，調(diào)制器為通狀態(tài)當(dāng)調(diào)制器有偏壓時(shí)，調(diào)制器為斷狀態(tài)是一種損耗器件無偏壓有偏壓40Gb/sEAModulator電致吸收光調(diào)制器聲光效應(yīng)光調(diào)制器聲光效應(yīng)： 超聲波是縱向波,在介質(zhì)中傳播時(shí)，使介質(zhì)產(chǎn)生彈性形變，引起介質(zhì)的密度呈疏密相間的交替分布，因此，介質(zhì)的折射率也隨著發(fā)生相應(yīng)的周期性變化。這如同一個(gè)光學(xué)“相位光柵”，光柵常數(shù)等于聲波長(zhǎng)

s。當(dāng)光波通過此介質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光的衍射。衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向等都隨著超聲場(chǎng)的變化而變化。聲光效應(yīng)光調(diào)制器聲光調(diào)制是利用聲光效應(yīng)將信息加載于光頻載波上的一種物理過程。調(diào)制信號(hào)是以電信號(hào)(調(diào)輻)形式作用于電-聲換能器上，電-聲換能器將相應(yīng)的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為變化的超聲場(chǎng)，當(dāng)光波通過聲光介質(zhì)時(shí)，由于聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為“攜帶”信息的強(qiáng)度調(diào)制波。聲光效應(yīng)光調(diào)制器特點(diǎn)：消光比高（~30dB）、驅(qū)動(dòng)功率較低、帶寬窄。常用材料：壓電晶體(石英、鈮酸鋰)或壓電半導(dǎo)體(CdS、

ZnO)磁光調(diào)制主要是應(yīng)用法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，使一束線偏振光在外加磁場(chǎng)作用下的介質(zhì)中傳播時(shí)，其偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)：式中V為韋爾德系數(shù)，H

為沿光束傳播方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度，L為光在介質(zhì)中的傳播長(zhǎng)度。磁光效應(yīng)光調(diào)制器磁光體調(diào)制器的組成如圖所示。為了獲得線性調(diào)制，在垂直于光傳播的方向上加一恒定磁場(chǎng)Hdc，其強(qiáng)度足以使晶體飽和磁化；而總的磁化強(qiáng)度矢量（由恒定磁場(chǎng)和線圈磁場(chǎng)所引起）可以改變方向。

z

zHdc45

入射光起偏器調(diào)制信號(hào)檢偏器

YIG棒圖磁光調(diào)制示意圖YIG:釔鐵石榴石磁光效應(yīng)光調(diào)制器工作時(shí)，高頻信號(hào)電流通過線圈就會(huì)感生出平行于光傳播方向的磁場(chǎng)，入射光通過YIG晶體時(shí)，由于法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度H。

s：是單位長(zhǎng)度飽和法拉第旋轉(zhuǎn)角；是調(diào)制磁場(chǎng)。如果再通過檢偏器，就可以獲得一定強(qiáng)度變化的調(diào)制光。磁光效應(yīng)光調(diào)制器由于起偏器與檢偏器的透光軸相互平行，當(dāng)調(diào)制電流為零時(shí)，透過檢偏器的光強(qiáng)最大；隨著電流逐漸最大，旋轉(zhuǎn)角加大，透過檢偏器的光強(qiáng)逐漸下降。常用材料：釔鐵柘榴石(YIG)或摻鎵YIG晶體系統(tǒng)對(duì)光源的要求是很高的，包括：1．波長(zhǎng)穩(wěn)定性要求：WDM系統(tǒng)對(duì)光源發(fā)射波長(zhǎng)的穩(wěn)定性具有較高的要求，波長(zhǎng)的漂移將導(dǎo)致信道之間的串?dāng)_。2．功率穩(wěn)定性要求：某信道功率的漂移，不僅影響本信道的傳輸性能，而且通過EDFA瞬態(tài)效應(yīng)影響其它信道的性能。數(shù)字光發(fā)射機(jī)對(duì)光源的要求數(shù)字光發(fā)射機(jī)對(duì)光源的要求數(shù)字光發(fā)射機(jī)各部分功能輸入接口電路各部分功能數(shù)字光發(fā)射機(jī)各部分功能輸入接口電路各部分功能數(shù)字光發(fā)射機(jī)各部分功能輸入接口電路各部分功能數(shù)字光發(fā)射機(jī)各部分功能輸入接口電路各部分功能數(shù)字光發(fā)射機(jī)各部分功能輸入接口電路各部分功能數(shù)字光發(fā)射機(jī)各部分功能輸入接口電路各部分功能數(shù)字光發(fā)射機(jī)各部分功能光源的數(shù)字調(diào)制與驅(qū)動(dòng)數(shù)字光發(fā)射機(jī)各部分功能光源的數(shù)字調(diào)制與驅(qū)動(dòng)數(shù)字光發(fā)射機(jī)各部分功能光源的數(shù)字調(diào)制與驅(qū)動(dòng)數(shù)字光發(fā)射機(jī)各部分功能光源的數(shù)字調(diào)制與驅(qū)動(dòng)數(shù)字光發(fā)射機(jī)各部分功能光源的數(shù)字調(diào)制與驅(qū)動(dòng)數(shù)字光發(fā)射機(jī)各部分功能光源的數(shù)字調(diào)制與驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路自動(dòng)功率控制電路自動(dòng)溫度控制電路告警電路和保護(hù)電路光發(fā)射機(jī)的電路 驅(qū)動(dòng)電路作用：將電功率轉(zhuǎn)換成光功率，并將要傳輸?shù)碾娦盘?hào)調(diào)制到光源的輸出上。 LED的驅(qū)動(dòng)電路比較簡(jiǎn)單，而LD的驅(qū)動(dòng)電路相當(dāng)?shù)膹?fù)雜。 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該能對(duì)光源同時(shí)提供偏置電流和隨信號(hào)而變化的調(diào)制電流。 大多數(shù)光纖通信系統(tǒng)采用數(shù)字調(diào)制方式。模擬驅(qū)動(dòng)電路：保證光源的輸出光功率隨信號(hào)電壓的幅度、相位成線性地變化。驅(qū)動(dòng)電路目的：穩(wěn)定激光器的輸出功率，需要在發(fā)射機(jī)中具有自動(dòng)功率控制（APC）電路。機(jī)理：APC電路一般利用一只與LD封裝在一起的PIN監(jiān)測(cè)LD后向輸出的光，根據(jù)PIN輸出的大小而自動(dòng)地改變對(duì)LD的偏置電流，使其輸出光功率保持恒定?？赡芤鸺す馄鬏敵龉β首兓膬蓚€(gè)因素：是芯片溫度的變化和激光器的老化效應(yīng)。自動(dòng)功率控制電路 半導(dǎo)體激光器的輸出特性受溫度影響很大，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，LD的P-I特性和光譜特性都要發(fā)生變化，因此在光發(fā)射機(jī)中需要自動(dòng)溫度控制（ATC）電路以保證激光器在恒定溫度下工作。 一般說來，在實(shí)用化的半導(dǎo)體激光器封裝中，都帶有一個(gè)半導(dǎo)體致冷器和一只能夠監(jiān)測(cè)激光器芯片溫度變化的熱敏電阻。自動(dòng)溫度控制電路自動(dòng)溫度控制電路自動(dòng)溫度控制方框圖激光器致冷器熱敏電阻控制電路熱導(dǎo)熱敏電阻熱敏電阻熱敏電阻熱敏電阻 注：溫度控制只能控制溫度變化引起的輸出光功率的變化，不能控制由于器件老化而產(chǎn)生的輸出功率的變化。 對(duì)于短波長(zhǎng)激光器，一般只需加自動(dòng)功率控制電路即可。 對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器，由于其閥值電流隨溫度的漂移較大，因此，一般還需加自動(dòng)溫度控制電路，以使輸出光功率達(dá)到穩(wěn)定。自動(dòng)溫度控制電路目前，微致冷大多采用半導(dǎo)體致冷器，它是利用半導(dǎo)體材料的珀?duì)柼?yīng)制成的電偶來實(shí)現(xiàn)致冷的用若干對(duì)電偶串聯(lián)或并聯(lián)組成的溫差電功能器件，溫度控制范圍可達(dá)30~40℃。為提高致冷效率和溫度控制精度，把致冷器和熱敏電阻封裝在激光器管殼內(nèi)，溫度控制精度可達(dá)±0.5℃。從而使激光器輸出平均功率和發(fā)射波長(zhǎng)保持恒定，避免調(diào)制失真。自動(dòng)溫度控制電路光源的保護(hù)和告警

光源的保護(hù)是指保護(hù)光源不要因?yàn)橥饨缫蛩囟艿綋p害。由于光源特別是LD是易損器件，要求溫度、電流必須在一定的范圍內(nèi)才能正常工作，否則會(huì)降低器件壽命甚至損壞器件，因此必須采取保護(hù)措施。光源的保護(hù)包括兩個(gè)方面：溫度和電流。上面介紹的自動(dòng)溫度控制實(shí)際上也是溫度保護(hù)。電流保護(hù)包括電流接通時(shí)的保護(hù)，工作過程中的過流保護(hù)以及反向沖擊電流保護(hù)等。告警電路和保護(hù)電路a、電流接通時(shí)的保護(hù)電流接通時(shí)的保護(hù)是為了防止在系統(tǒng)開機(jī)接通電源瞬間，由于電路因素引起的沖擊電流可能對(duì)LD造成的損壞。實(shí)際系統(tǒng)中LD的驅(qū)動(dòng)部分與其它電路是共用一個(gè)電源，因此光源的偏置電流必須緩慢增加，以起到保護(hù)作用。b、工作過程中的過流保護(hù)工作過程中的過流保護(hù)的方法很多，基本思想是利用反饋控制使通過光源的電流不超過某一限定值，從而起到保護(hù)的作用。告警電路和保護(hù)電路c、反向沖擊電流保護(hù)為防止光源受到反向沖擊電流或電壓的破壞，一般在光源上并聯(lián)一個(gè)肖特基二極管。這樣當(dāng)反向沖擊電流或電壓出現(xiàn)時(shí)，肖特基二極管迅速導(dǎo)通，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光源的保護(hù)。完整的光發(fā)射機(jī)除了上述各種控制、保護(hù)之外，還應(yīng)包括告警電路，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障或工作不正常時(shí)及時(shí)發(fā)送告警信號(hào)，提醒設(shè)備維護(hù)人員及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的處理。一般包括無光告警、壽命告警、溫度告警等告警電路和保護(hù)電路電端機(jī)電發(fā)射端機(jī)主要任務(wù)是PCM編碼和信號(hào)的多路復(fù)用。

多路復(fù)用是指將多路信號(hào)組合在一條物理信道上進(jìn)行傳輸，到接收端再用專門的設(shè)備將各路信號(hào)分離出來，多路復(fù)用可以極大地提高通信線路的利用率。電發(fā)射端機(jī)脈沖編碼調(diào)制的基本原理模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)在數(shù)字電話通信中，人們的說話聲音信號(hào)是模擬信號(hào)，那么在發(fā)話端就要先經(jīng)過變換器（稱作模/數(shù)轉(zhuǎn)換器或叫A/D轉(zhuǎn)換器）把它們變成數(shù)字信號(hào)送入傳輸設(shè)備、傳輸線路。在接收端再由反變換器（稱作數(shù)/模轉(zhuǎn)換器或叫D/A轉(zhuǎn)換器）變成模擬（話音）信號(hào)。數(shù)字信號(hào)有各種調(diào)制方法。常見的有以下兩種：（1）脈沖編碼調(diào)制簡(jiǎn)稱脈碼調(diào)制，即PCM（PulseCodeModulation）。是一種將模擬語(yǔ)音信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)的編碼方式，主要包括：抽樣，量化，編碼。（2）增量調(diào)制，又叫△M。利用信號(hào)處理技術(shù)，提高語(yǔ)音信號(hào)的特征參量，再變換為數(shù)字代碼。該調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是在話音質(zhì)量上不如PCM，因而也不如PCM用的普遍。脈沖編碼調(diào)制的基本原理1.模擬信號(hào)的抽樣和抽樣定理模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)的第一步就是要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣。所謂“抽樣”是用很窄的矩形脈沖按一定周期讀取模擬信號(hào)的瞬間值。那么需要以多高的抽樣頻率進(jìn)行抽樣才能在接受端恢復(fù)成原來的信號(hào)呢？這個(gè)問題由著名的抽樣定理給予回答：傳送某一帶寬的有限時(shí)間連續(xù)信號(hào)（模擬信號(hào)）時(shí)，只要傳送信號(hào)的某個(gè)抽樣值（脈沖）的序列就足夠了，這樣抽樣值的幅度等于連續(xù)信號(hào)在該時(shí)刻的瞬間值，而重復(fù)頻率至少等于所傳交流信號(hào)的2倍（奈奎斯特抽樣定理）。通常的通話頻帶的帶寬是4kHz（話音頻帶規(guī)定為300-3400Hz）。因此抽樣頻率取定在8000Hz就足夠了。脈沖編碼調(diào)制的基本原理2.模擬信號(hào)的量化量化，就是把經(jīng)過抽樣得到的瞬時(shí)值將其幅度離散，即用一組規(guī)定的電平，把瞬時(shí)抽樣值用最接近的電平值來表示。抽樣所得的信號(hào)幅度是無限多的，讓這些幅度無限多的連續(xù)樣值信號(hào)通過一個(gè)量化器，四舍五入，使這些幅度變?yōu)橛邢薜腗種（M為整數(shù)。由于在量化的過程中幅度取了整數(shù)，所以量化后的信號(hào)與抽樣信號(hào)之間有一個(gè)差值（稱為量化誤差），使接收端的信號(hào)與原信號(hào)間有一定的誤差，這種誤差表現(xiàn)為接收噪聲，稱為量化噪聲。碼位數(shù)M越多，分級(jí)就越細(xì)，誤差越小，量化噪聲也越小。脈沖編碼調(diào)制的基本原理3.編碼編碼：就是用一組二進(jìn)制碼組來表示每一個(gè)有固定電平的量化值。然而，實(shí)際上量化是在編碼過程中同時(shí)完成的，故編碼過程也稱為模/數(shù)變換，可記作A/D。每種信號(hào)都可以由N個(gè)2二進(jìn)制數(shù)來表示，M和N滿足M=2N。例如如果量化后的幅值有8種（0，1……7），則編碼時(shí)每個(gè)幅值都需要用3個(gè)二進(jìn)制的序列來表示。需要注意的是，此處的編碼僅指信源編碼，這和后面提到的信道編碼是有所區(qū)別的?，F(xiàn)以話音為例來說明這個(gè)過程。我們知道話音的頻率范圍是300～3,400Hz，在抽樣的時(shí)候，要遵循所謂的奈奎斯特抽樣率，實(shí)際中按8,000Hz的速率進(jìn)行抽樣。為了保證通話的質(zhì)量，在長(zhǎng)途干線話路中采用的是8位碼（28=256個(gè)碼組）。這樣量化值有256種，每一種量化值都需要用8位二進(jìn)制碼編碼，那么每一個(gè)話路的話音信號(hào)速率為8×8＝64kbps。時(shí)隙和幀抽樣重復(fù)頻率為8kHz，也就是每隔125s抽樣一次。對(duì)每一個(gè)話路來說，每次抽樣值經(jīng)過量化以后可編成8位PCM碼組，這就是一個(gè)“時(shí)隙”。在30/32路PCM系統(tǒng)中，32路復(fù)用，即在125s范圍內(nèi)要有32個(gè)時(shí)隙，每一個(gè)時(shí)隙占125s/32＝3.9s。而32路合起來的125s時(shí)間內(nèi)由32個(gè)時(shí)隙合成一個(gè)“幀”。16幀合成一個(gè)“復(fù)幀”。一個(gè)幀占時(shí)125s，一個(gè)復(fù)幀占時(shí)125s×16＝2ms。時(shí)隙和幀數(shù)字信號(hào)傳輸速率調(diào)制速率，又稱波特率。單位為波特（Baud），簡(jiǎn)寫B(tài)d。波特率＝信元數(shù)/單位時(shí)間。如一個(gè)信元占時(shí)20ms，即1s有50個(gè)信元，波特率＝50/1＝50Bd數(shù)據(jù)率，數(shù)據(jù)信號(hào)速率。單位為比特/秒，簡(jiǎn)寫為b/s或bps，表示單位時(shí)間內(nèi)能傳輸?shù)拇a個(gè)數(shù)。數(shù)據(jù)率＝信元數(shù)/單位時(shí)間×log2n，其中n為信元狀態(tài)數(shù)。如一個(gè)信元占時(shí)20ms，即1s有50個(gè)信元，狀態(tài)數(shù)為2，則其數(shù)據(jù)率＝50×log22＝50bps；狀態(tài)數(shù)為4，則其數(shù)據(jù)率＝50×log24＝100bps數(shù)字信號(hào)傳輸速率從碼率上講，抽樣重復(fù)頻率為8kHz，也就是每秒傳送8000幀，每幀有32×8＝256bit，所以PCM30/32路系統(tǒng)的總數(shù)碼率是256bit/幀×8000幀/s＝2048kbit/s=2.048Mbit/s。對(duì)于每個(gè)話路來說，每秒鐘8000時(shí)隙，每時(shí)隙8bit，所以可得8bit×8000＝64kbit/s。數(shù)字信號(hào)傳輸格式 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)普遍采用二進(jìn)制二電平碼，即“有光脈沖”表示“１”碼，“無光脈沖”表示“0”碼。

常用的光信號(hào)的傳輸格式包括：NRZ、(CS)RZ

NRZ（不歸零）特點(diǎn)：使用一個(gè)充滿完整周期的光脈沖代表1，沒有光代表0優(yōu)點(diǎn)：碼型產(chǎn)生簡(jiǎn)單，頻譜效率較高，容易解碼缺點(diǎn)：長(zhǎng)連0或1時(shí)不容易提取同步信息，容易產(chǎn)生基線漂移

增大判決難度，且沒有內(nèi)在差錯(cuò)檢測(cè)(糾錯(cuò))能力NRZ的優(yōu)缺點(diǎn)抗非線性能力差RZ(歸零)特點(diǎn)：比特1的光脈沖僅占比特周期的一部分，典型的有33%RZ和50%RZ產(chǎn)生：NRZ信號(hào)乘以一個(gè)頻率為信號(hào)比特率的時(shí)鐘信號(hào)RZ優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：長(zhǎng)連1仍帶有時(shí)鐘信息，抗非線性效應(yīng)能力強(qiáng)缺點(diǎn)：長(zhǎng)連0時(shí)仍然容易導(dǎo)致時(shí)鐘丟失；且占用的帶寬為NRZ 的2倍，因此抗色散能力