【正文】 46 LD光發(fā)射機(jī)的控制電路 一、自動(dòng)溫度控制電路（ ATC） 熱沉： 導(dǎo)熱材料，采用導(dǎo)熱性能好的銅。 另外，閾值電流 Ith對(duì)溫度敏感，半導(dǎo)體激光器使用過(guò)程中老化， Ith也增大。為 防止接通電源時(shí)光源電流的瞬態(tài)過(guò)沖 ，往往先讓調(diào)制電路、反饋電路及運(yùn)算放大器等接通，而偏置電流 Ib卻是緩慢增加，即接通電源后，反饋電路、調(diào)制電路達(dá)到穩(wěn)定工作之前，偏置電路緩慢啟動(dòng)，防止了接通電源瞬間沖擊電流對(duì)光源的損傷。 ① 利用 LD輸出光纖的功率，由 Y型光纖耦合器分流出一小部分光功率進(jìn)行監(jiān)控。 光纖通信 106 2022年 2月 11日星期五 167。 ui V+ 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 信號(hào)電流為單向二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，用單向脈沖電流的“有”、“無(wú)” (“1”碼和“ 0”碼 )控制發(fā)光管的發(fā)光與否 。 在所有通信系統(tǒng)中，用 LED作為光源時(shí)，均采用直接強(qiáng)度調(diào)制。 光纖通信 97 2022年 2月 11日星期五 167。 45 光源的調(diào)制及驅(qū)動(dòng)電路 當(dāng)一個(gè) Asin(wt+φ0)的光波入射到光波調(diào)制器 (Z=0)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為 L的外電場(chǎng)作用區(qū)后，輸出光場(chǎng) (Z=L)即已調(diào)制光波為 Asin(wt+φ0+Δφ) ，相位變化因子 ?φ受外電壓的控制從而實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制。 光纖通信 94 2022年 2月 11日星期五 167。用集成光學(xué)的方法把激光器和調(diào)制器集成在一起，用調(diào)制信號(hào)控制調(diào)制元件的物理性質(zhì)，從而改變激光輸出特性以實(shí)現(xiàn)調(diào)制 LD 調(diào)制器 (晶體 ) 光信號(hào) 調(diào)制信號(hào)：諧振腔的外面放置調(diào)制器 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 調(diào)制后的光波經(jīng)過(guò)光纖信道送至接收端，由光接收機(jī)鑒別出它的變化，再現(xiàn)出原來(lái)的信息，稱(chēng)為光解調(diào)。 9 ．可靠性一般。 5 ．光譜較窄。 光纖通信 89 2022年 2月 11日星期五 激光二極管 發(fā)光二極管 1 ．輸出光功率較大，幾 mW 一幾十 mw 。 5. 響應(yīng)速度 時(shí)域上的概念，在頻域上對(duì)應(yīng)為帶寬，調(diào)制頻率比 LD低很多，面發(fā)光型 LED的可調(diào)制頻率僅為幾十 MHz，邊發(fā)光型LED的可調(diào)制頻率可達(dá) 200MHz。 I P 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 ② 當(dāng)最高調(diào)制頻率接近張弛振蕩頻率時(shí)，波形嚴(yán)重失真，以至于使光接收機(jī)在抽樣判決時(shí)增加誤碼率，因此實(shí)際使用的最高調(diào)制速率應(yīng)低于張弛振蕩頻率。 為什么？ 原因分析： 在兩個(gè)接連出現(xiàn)的“ 1”碼中，第一個(gè)脈沖到來(lái)之前，有較長(zhǎng)的連“ 0”碼，由于電光延遲時(shí)間長(zhǎng)和光脈沖上升時(shí)間的影響，因此脈沖變小。直流預(yù)偏置電流在脈沖到來(lái)時(shí)，電光延遲的時(shí)間大大減少，而且張弛振蕩現(xiàn)象也可得到一定程度的抑制。由速率方程組 (簡(jiǎn)化 )得到的張弛振蕩頻率 wr及其幅度衰減時(shí)間 τ0和電光延遲時(shí)間 td的表達(dá)式為 式中， τ0表示張弛振蕩的幅度衰減為初始值 1/ e的時(shí)間， i和 ith分別為注入電流密度和閾值電流密度。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 但是對(duì)于 LD進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)，尤其是高碼速光纖通信中， LD往往呈現(xiàn)出復(fù)雜的動(dòng)態(tài)性質(zhì)。 光纖通信 71 2022年 2月 11日星期五 167。 光纖通信 69 2022年 2月 11日星期五 167。 光纖通信 67 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導(dǎo)體激光器 ?普通激光器工作在直流或低碼速情況下，它具有良好的單縱模譜線(xiàn)，所對(duì)應(yīng)的光譜只有一根譜線(xiàn)，而在高碼速調(diào)制（脈沖調(diào)制）時(shí)，動(dòng)態(tài)譜線(xiàn)隨調(diào)制電流 Im增加而展寬，甚至其線(xiàn)譜呈現(xiàn)多縱模譜線(xiàn)。當(dāng) I＜ Ith時(shí)，發(fā)出的是 熒光 ，光譜很寬；當(dāng) I＞ Ith后，發(fā)射光譜突然變窄，譜線(xiàn)中心強(qiáng)度急劇增加，此時(shí)發(fā)出 激光 ，如圖所示。 相對(duì)于高碼速通信， 低碼速 光纖通信系統(tǒng)的“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”更加明顯，這是因?yàn)殡S著調(diào)制速率的提高，碼元 時(shí)間間隔縮短， PN結(jié)結(jié)區(qū)溫度來(lái)不及發(fā)生 變化。 43 半導(dǎo)體激光器 2. 溫度特性 半導(dǎo)體激光器對(duì)溫度變化敏感，輸出光功率隨溫度發(fā)生變化，產(chǎn)生變化的原因有兩個(gè)： 首先，表現(xiàn)出外微分量子效率隨溫度升高而下降； 對(duì)于線(xiàn)性度良好的激光器，輸出光功率可以表示為 其次，閾值電流隨溫度的升高而加大，呈指數(shù)變化，結(jié)區(qū)溫度為 T時(shí)的閾值電流 00000( ) e x p ( ) 1 /thTI T I T TTI T T e??， 結(jié) 區(qū) 的 熱 力 學(xué) 溫 度 ， 激 光 器 材 料 的 特 征 溫 度 ，在 一 定 溫 度 變 化 范 圍 是 常 數(shù) , 是 常 數(shù) ， 為 時(shí) 閾 值 電 流 的 。 光纖通信 57 2022年 2月 11日星期五 167。 下圖為利用 PI曲線(xiàn)求解 Ith常用的簡(jiǎn)單方法：雙斜率法 和反向延長(zhǎng)法。 光纖通信 53 2022年 2月 11日星期五 167。因此只有一個(gè)模式。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 43 半導(dǎo)體激光器 因此， DFB和 DBR的工作原理可以用 Bragg反射來(lái)說(shuō)明。 ?DFB激光器的結(jié)構(gòu)和工作原理 (基于 布拉格反射原理 )與DBR激光器類(lèi)似 (閾值電流要比 DFB激光器的 )，不同的是 DBR激光器的波紋結(jié)構(gòu)在 有源區(qū)的外面 ，從而避免光柵制作過(guò)程中造成晶格損傷。 167。 光纖通信 41 2022年 2月 11日星期五 167。 前后兩個(gè) 晶體解理面作為反射鏡構(gòu)成 (FP)諧振腔 . 窄帶隙材料 寬帶隙材料 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 特點(diǎn)是 對(duì)電子和光子產(chǎn)生限制作用，減少了注入電流，增加了發(fā)光強(qiáng)度。 43 半導(dǎo)體激光器 FP腔激光器的基本原理 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 33 2022年 2月 11日星期五 167。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 43 半導(dǎo)體激光器 2. 半導(dǎo)體激光器形成激光振蕩條件 ?工作物質(zhì) 重?fù)诫s的雙兼并型 PN結(jié)； ?激活物質(zhì) /增益物質(zhì) 產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布； 正向偏置的重?fù)诫s PN結(jié)。 在滿(mǎn)足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件的情況下，當(dāng) Eghυ (Efc Efv )時(shí)（ 自發(fā)輻射的光波 ），則光子能量為 hυ的這束光波經(jīng)過(guò)雙兼并型半導(dǎo)體時(shí)將被放大。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 在空間電荷區(qū)內(nèi)，自建場(chǎng)從 N區(qū)指向 P區(qū)，這說(shuō)明 P區(qū)相對(duì)于 N區(qū)為負(fù)電荷，用 VD來(lái)表示，叫做 接觸電位差/PN結(jié)的勢(shì)壘高度 ， P區(qū)所有能級(jí)的電子都附加了位能，其值為 (e0).(VD)=e0 VD，從而使 P區(qū)的能帶相對(duì)于 N區(qū)來(lái)說(shuō)提高了 e0 VD。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 自建電場(chǎng)逐漸加強(qiáng)，直到漂移運(yùn)動(dòng)（自建電場(chǎng)引起）完全抵消了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，從而使 PN結(jié)達(dá)到 動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài) （熱平衡狀態(tài)），客觀上沒(méi)有電流通過(guò)。 光纖通信 23 2022年 2月 11日星期五 167。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 ( ) /1()1 f fE E k Tp E Ee ???? ， 費(fèi) 米 能 級(jí)廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 半導(dǎo)體內(nèi)部自由運(yùn)動(dòng)的電子 (簡(jiǎn)稱(chēng)自由電子 )所填充的能帶稱(chēng)為 導(dǎo)帶 ；價(jià)電子所填充的能帶稱(chēng)為 價(jià)帶 ；導(dǎo)帶和價(jià)帶之間 不允許電子填充 ， 所以稱(chēng)為 禁帶 ， 其寬度稱(chēng)為 禁帶寬度 /帶隙 ， 用 Eg表示 ， 單位為電子伏特 (eV)。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 每種躍遷是不是獨(dú)立存在的呢？ 實(shí)際上，在光電器件中，自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收過(guò)程總是同時(shí)出現(xiàn)，但對(duì)于各種特點(diǎn)的光電器件， 只有一種機(jī)理起主要作用 ，分別對(duì)應(yīng)的是：發(fā)光二極管 LED，半導(dǎo)體激光管 LD和光電二極管 /光電探測(cè)器。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 受激輻射： 處于高能級(jí) E2的電子在感應(yīng)光場(chǎng)作用下（感應(yīng)光子能量為 hυ= E2 E1 ），發(fā)射一個(gè)和感應(yīng)光子 一模一樣 的光子，躍遷到低能級(jí) E1上。 分裂的能帶，這些光子僅僅能量相同而彼此無(wú)關(guān)，可以有不同的相位和不同的偏振方向，可以向空間各個(gè)方向傳播，是非相干光（熒光）。 √ 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 為什么目前多采用半導(dǎo)體光源呢？ 半導(dǎo)體光源可以直接進(jìn)行調(diào)制，即注入調(diào)制電流而實(shí)現(xiàn)光波強(qiáng)度調(diào)制。 41 概述 二、光發(fā)射機(jī)的主要指標(biāo) 光發(fā)射機(jī)的指標(biāo)很多，我們僅從應(yīng)用的角度介紹其主要指標(biāo)。 電信號(hào) 輸入電路 驅(qū)動(dòng)電路 光源 控制電路 對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制 輔助電路：穩(wěn)定信號(hào)，控制溫度 光信號(hào) 一、光發(fā)射機(jī)簡(jiǎn)單框圖 適用于長(zhǎng)距離大容量的光纖通信系統(tǒng)，尤其是單縱模半導(dǎo)體激光器，在高速率、大容量的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 ； ?167。 43 半導(dǎo)體激光器 ； ?167。 適用于短距離、低碼速的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，或者是模擬光纖通信系統(tǒng)。 1. 平均發(fā)送功率及其穩(wěn)定度 平均發(fā)送功率是指光源尾纖的平均輸出光功率，是在 “ 0”、 “ 1”碼等概率調(diào)制的情況下，光發(fā)送機(jī)輸出的光功率值，單位為 dBm。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 10 2022年 2月 11日星期五 167。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 所以， 受激輻射的特點(diǎn)如下： ① ② 受激過(guò)程中發(fā)射出來(lái)的光子與外來(lái)光子不僅頻率相同，而且相位、偏振方向和傳播方向都相同，因此稱(chēng)它們是全同光子，是相干光。 光纖通信多數(shù)采用 LD，則受激輻射的條件和結(jié)果？ 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 Eg =EcEv E2 E1 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 20 2022年 2月 11日星期五 167。 光纖通信 22 2022年 2月 11日星期五 167。 42 半導(dǎo)體光源的工作原理 三、 PN結(jié) 1. PN結(jié)的形成 P型半導(dǎo)體和 N型半導(dǎo)體形成 PN結(jié)時(shí)， 載流子的 濃度差引起擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) ， P區(qū)的空穴向 N區(qū)擴(kuò)散，剩下帶負(fù)電的電離受主，從而在靠近 PN結(jié)界面的區(qū)域形成了一個(gè) 帶負(fù)電的區(qū)域 ；同樣，N區(qū)的電子向 P區(qū)擴(kuò)散，剩下帶正電的電離施主，從而造成一個(gè)帶正電的區(qū)域 。 2. PN結(jié)的能帶（熱平衡狀態(tài)） 由于一個(gè)熱平衡系統(tǒng)只能有一個(gè)費(fèi)米能級(jí)，這就要求原來(lái)在 P區(qū)和 N區(qū)高低不同的費(fèi)米能級(jí)達(dá)到相同的水平。 3. 正向偏置下 (PN結(jié)施加正向電壓 )形成增益區(qū) /有源區(qū) 正向電壓施加以后，削弱了原有內(nèi)建電場(chǎng)，使勢(shì)壘降低。 增益區(qū) P + N Efc Efv hυ 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 ?光學(xué)諧振機(jī)制 提供正反饋，并且在有源區(qū)里建立起穩(wěn)定的振蕩。 光纖通信 31 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導(dǎo)體激光器 由相位條件導(dǎo)出縱模的頻率間隔或波長(zhǎng)間隔為 （ 2）建立穩(wěn)定振蕩的閾值條件 /振幅條件 光在 FP諧振腔內(nèi)的傳播同時(shí)受到增益和衰減兩大相互矛盾因素的共同作用 一方面，在外部激勵(lì)源的作用下，激光器內(nèi)部形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的有源區(qū)，往返傳輸?shù)墓庾硬粩嗾T發(fā)受激輻射，使得 光信號(hào)不斷增強(qiáng) ； 另一方面，腔內(nèi)也存在著 損耗 ，例如鏡面的反射損耗（鏡面反射率總是小于 1）、工作物質(zhì)的吸收和散射損耗等。 光纖通信 36 2022年 2月 11日星期五 167。 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 39 2022年 2月 11日星期五 167。 43 半導(dǎo)體激光器 （ 3） 量子阱半導(dǎo)體激光器 量子阱激光器 與一般雙異質(zhì)結(jié)激光器類(lèi)似 ，只是有源區(qū)的厚度很薄，屬于雙異質(zhì)結(jié)器件。 43 半導(dǎo)體激光器 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 布拉格反射是指 當(dāng)光波入射到兩種不同介質(zhì)的交界面時(shí)，能夠產(chǎn)生周期性的反射，把這種反射稱(chēng)為布拉格反射。 波紋光柵為受激輻射產(chǎn)生的光子提供周期性的反射點(diǎn)，在一定條件下，圖中 I， I?， I?等反射光束同相位加強(qiáng)，形成某方向 (θ+90o)的主極強(qiáng)。 光纖通信 50 2022年 2月 11日星期五 167。 很顯然，減小腔長(zhǎng)，可以抑制高階模。 43 半導(dǎo)體激光器 4．垂直腔面發(fā)射激光器（ VCSEL ） VCSEL激光器的結(jié)構(gòu) 廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 閾值電流越小越好還是越大越好？ 越小越好。 43 半導(dǎo)體激光器 量子效率 分為 內(nèi)量子效率 、 外量子