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1、主要内容,激光器原理半导体激光器(LD)LD的特性常用光源光发射机,光源是光发送机中的光波发生器，即光振荡器。,相干光：（激光）,非相干光：（自然光）,光源有产生的光有两类：,光纤通信系统对光源的要求：,1、光源发光的峰值波长应当与光纤的低损耗窗口一致。,2、光源的输出功率应当足够大。（10uw几mw）,3、光源应当有高度的可靠性。（10万小时以上）,4、光源的谱线不能太宽。,5、光源应利于调制。,6、电光转换效率应当高。,7、光源体积小重量轻功耗小。,常用光源,（三）LD和LED的比较,3.1激光器原理,二、原子的能带,E,原子的能级,一、光子,普朗克常数,电子在能级的概率,玻尔兹曼常数,三
2、、光与物质的三种作用形式,爱因斯坦指出光与物质的转变存在三种不同的形式：,自发辐射受激吸收受激辐射,1、自发辐射,处于高能级的电子是不稳定的，它将自发的向低能级跃迁，发射出一定能量的光子。,E,电子,光子,光子的能量满足,特点：各个能级上的电子都是自发的、独立的进行跃迁，辐射的光子的频率或相位、方向不同，所以是非相干光。,E2,E1,自然光,2、受激吸收,在光子的激励条件下，电子吸收光子的能量从低能级跃迁到高能级。,E,电子,光子,特点：这个过程不是自发的，必须有外来的光子的激励。,E2,E1,3、受激辐射,在外来光子的激励下，电子从高能级跃迁到低能级，同时发出一个能量为 的光子。,E,电子,
3、光子,光子,特点：受激辐射必须在外来光子的能量等于跃迁时的能级差时发生，产生的光子与原光子的频率、相位、偏振方向相同，称为全同光子，将使光的能量放大。,光子,E2,E1,受激辐射是激光器发光的主要原因(LASER-Light Amplification by Stimulate Emission of Radiation),四、光放大的条件,受激吸收受激辐射,外来光子,吸收光能？,放大光能？,受激辐射,受激吸收,在热平衡时,单位时间 受激辐射的电子数+自发辐射的电子数,=受激吸收的电子数,受激辐射的电子数受激吸收的电子数,自发辐射系数,受激辐射系数,受激吸收系数,受激辐射的电子数受激吸收的电子
4、数,光放大,粒子数反转,非热平衡状态,外在激励（能量）,粒子数反转分布,有光放大能力,泵浦源,工作物质,激活物质、增益物质,光放大器=工作物质+泵浦源,工作物质被泵浦源激活后具有光放大作用，就是光放大器,四、激光器组成,光学谐振腔,粒子数反转分布是产生激光的必要条件，但需要对产生的光子进行频率和方向的选择光学谐振腔,组成：两个反射率为R1，R2的反射镜法布里珀罗（F-P）谐振腔,R1,R2,工作物质,作用：方向选择，能量反馈放大，频率选择。,激光器=光放大器+正反馈谐振回路,Fabry-Perot,电子震荡器=放大器+正反馈回路,光方向选择：,R1,R2,与中轴平行的光线,不断在同一直线上反射
5、，反射光叠加，强度加强,R1,R2,与中轴不平行的光,多次反射后离开谐振腔,结论：只有与中轴平行的光才存在，否则将在多次反射后消失,工作物质辐射的光的波长有一定谱线宽度，如 图：,光频率的选择：,G,当反射光与入射光的相位相等或相差2的整数倍时，发生相强的干涉，光的能量加强。反之则发生相消干涉，光的能量渐渐减弱。,干涉加强,干涉减弱,相位条件：,结论：只有满足相位条件的波长的光才会被加强，否则会被减弱。,光的能量的反馈放大：,谐振腔的衰减：光方向性衰减，工作物质的吸收，反射镜的吸收和透射等。,谐振腔的增益：激励物质源源不断向工作物质提供粒子数反转分布以发出光子，,增益系数表示为G。,当增益与损
6、耗相当时，将建立稳定的激光震荡，增益的阈值条件为：Gth=a+1/2 Ln(1/R1R2),(a为工作 物质的吸收，R1,R2为反射镜的反射率),结论：只有满足阈值条件时，才有功率稳定的光存在,外在激励,粒子数反转分布,自发辐射,方向选择,受激辐射,全同光子,阈值条件,相位条件,方向性好、功率稳定、频率窄的激光,激光的产生过程,3.2 半导体激光器原理,Semiconductor Laser,Laser Diode,激光二极管LD,1、半导体能级,半导体是由大量原子周期有序的排列构成的共价晶体，相邻原子原子之间的相互作用使得电子在整个半导体中进行共有化运动，所处的离散能态扩展成连续分布的能带。
7、,半导体电子的能带,化学键电子所处的能带叫价带,比价带高的能带叫导带电子在导带可以自由运动,能带之间不允许电子的存在，称为禁 带,价 带（EV）,导 带（EC）,禁带（Eg）,2、直接带隙和间接带隙,直接带隙,间接带隙,半导体材料的带隙是动量k的函数，依照带隙的形状，可以将半导体分为直接带隙材料和间接带隙材料两类。,直接带隙一个电子和一个空穴复合，随后辐射一个光子，在最简单和最有可能发生的复合过程中，电子和空穴具有相同的动量，这就是直接带隙材料。间接带隙导带最小能级和价带最大能级有不同的动量，所以此时导带与价带之间的复合必须要有另外的粒子参与以保持动量守恒，声子就能完成这样的功能，,x0.08
8、的典型Ga1xAlxAs光谱图,工作在800-900-nm光源：使用的主要的材料是（镓铝砷），砷化铝与砷化镓的比率x决定了合金的带隙，相应地也就决定了其辐射光的峰值波长。,工作在 光源，使用的材料主要是（铟镓砷磷），通过改变有源区材料的 的摩尔比率，可构造出峰值发光波长在之间,3、光源材料,4、本征材料：没有缺陷和未掺杂的理想半导体材料,费米能级：,是一个假象能级，电子处在该能级上的概率是1/2,本征半导体：电子和空穴是 成对出现的，Ef位于禁带中央。,通过向晶体中掺微量的族元素,如,可以使得晶体的导电性能大为增加，这些用来掺杂的元素在原子核的外层有五个电子，其中四个电子用来与相邻的原子形成共
9、价键，余下一个电子受到的束缚很弱，可以用来传导电流，这样就在导带下面产生了一个占用能级（施主能级）。在n型材料中电子是多数载流子，空穴是少数载流子,N型半导体：导带电子多，价带空穴少，Ef抬高。,5、n型材料,导带,价带,6、p型材料,通过向晶体中掺微量的族元素，也可以使得晶体的导电性能增加，这些用来掺杂的元素在原子核的外层有三个电子，这三个电子与相邻的原子形成共价键，同时会产生一个与施主电子电量相等的空穴，这样就在价带上方产生一个非占用能级（受主能级）。在P型材料中空穴是多数载流子，电子是少数载流子,P型半导体：导带电子变少，价带空穴增多。Ef 降低。,导带,价带,7、pn结,当p型材料和n
10、型材料接触时，两种材料的电荷区相接触，就会形成pn结，它决定了半导体器件的电特性。当pn结形成后，在pn结上就形成一个内建电场（或势垒）由于电子和空穴都形成共价键结构，所以结区就不再有移动的载流子，称这个区域称为耗尽区（或空间电荷区）.,当电场正极接p型材料，负极接n型材料，这时pn结就形成了正向偏置，导致势垒降低。于是n型区的导带电子和p型区的价带空穴又可在结区内扩散。,8、正向偏置与粒子数反转,当PN结加上正向偏压时，外加电压的电场方向正好和内建场的方向相反，因而削弱了内建电场，破坏了热平衡时统一的费米能级，在P区和N区各自形成了准费米能级。这时，导带上费米能级以下充满了电子，价带上费米能
11、级以上没有电子，因此，形成了粒子数反转分布，成为激活区，称为半导体激光器的作用区或有源区。当频率f满足FEg/h的光通过时，就可以得到放大。,粒子数翻转,解理面,解理面,解理面,解理面,半导体激光器是利用在有源区中受激而发射光的光器件。只有在工作电流超过闻值电流的情况下，才会输出激光(相干光)，因而是有阈值的器件。,当激光器阈值电流很大时，器件发热，使寿命很短,如何使激光器阈值电流减少，使寿命长,采用异质结结构,同质结结构,单异质结结构,双异质结结构,同质结,异质结,载流子限制,异质结,折射率分布,光波限制,3.3半导体激光器（LD)的P-I特性,1、输出光功率与激光器驱动电流之间关系,外量子
12、效应外量子效率定义为超过阈值时每个电子空穴对的辐射性复合所产生的光子数。,是带隙能量,阈值电流,2、激光二极管的模式,在半导体激光器的谐振腔内，辐射光建立起的电磁场模式称为谐振腔模式，它们可划分为横电（TE）和横磁（TM）模式两种。每类模式都能通过沿谐振腔主轴分布的纵向电磁场、水平横向电磁场以及垂直横向电磁场的半正弦变化来进行描述。其中，纵向模式与谐振腔的长度L相关，并决定辐射光的主要光谱结构，由于L远大于激光波长（），因此在谐振腔中会有许多纵模。,水平横向模分布在pn结平面内，它取决于谐振腔的宽度和腔壁的情况，同时该模式又决定激光束的水平横向分布特性。垂直横向模与pn结垂直方向上的电磁场和波
13、形相关。以上三种模式分布在很大程度决定激光器的特性。,谐振腔中纵向模式。,激光二极管的横模与纵模,3、光谱特性,考虑激光器相位关系,如果只考虑纵向模式，在多模激光器中频率和波长的间隔为：,例：有一GaAs，激光器工作波长为850nm,激光器腔长500m，材料折射率n3.7,频率和波长的间隔各为多少？,在半导体激光器的应用中，一个值得考虑的重要因素是温度对阈值电流的影响，经验公式可粗略的表示为：,4、温度特性,其中 是激光器对温度敏感程度的度量的特性温度；是一个常数。,方向性,半导体激光器发出的激光与光纤或光器件进行耦合，要求激光器的方向性要强。,15,5,电光延迟、张弛振荡、自脉动、啁啾,（1
14、）电光延迟,激光器的输出光信号 滞后于电信号的现象。,原因：有源区的电子密度必须增加到一定的闸值才会有光出来。,影响：出现码型效应，限制调制速度。,5、瞬态特性,（2）张弛振荡,当电脉冲注入激光器后，输出光脉冲有一个幅度逐渐衰减的振荡。,影响：当调制速度接近张弛振荡的频率时，容易产生误判，影响了调制的速度。,原因：光子激发与电子注入的时间延迟。,通过增加偏置电流可以改善电光延迟和张弛振荡。,（3）自脉动现象,有些激光器再脉冲调制下或直流驱动下，当注入电流足够大时，输出的光脉冲出现持续等幅的高频振荡。,啁啾（Chirp）效应,3.4分布反馈半导体激光器（DFB)与LED,多纵模LD-F-P 双异
15、质结LD,分布反馈半导体激光器（DFB),量子阱激光器（QW-LD）,发光二极管LED,常用光源,Distributed feedback laser,Light emitting diode,Quantum-well,2、分布反馈半导体激光器（DFB),DFB激光器的结构,DFB是用Brag衍射光栅代替F-P谐振腔对光进行波长的选择，是激光器形成单纵模。,DFB激光器的工作原理,DFB激光器用布拉格（Bragg)光栅代替F-P镜面反射。,Bragg波纹光栅是由于材料折射率的周期性变化而形成。,布拉格反射条件,DFB激光器的分布反馈是 的布拉格反射,这时有源区的光在栅条间来回振荡。此时的布拉格
16、条件为：,DFB激光器的优点,当光栅的周期长度为 L时，只有满足布拉格反射条件波长为 的光波，才能产生激光振荡，因而使激光器得到单频输出。由于分布馈激光器是由光栅来选择单纵模，因而在高速调制下仍维持单纵模输出。-DFB激光器的谱线窄，其线宽大约为普通型激光器线宽的1/10左右，如图所示，从而使色散的影响大为降低，可以实现速率为Gb/s的超高速传输。,DFB的优点：,1、单纵模,2、谱线窄，波长稳定,3、动态谱线好，啁啾小，利于高速调制,4、线性好，利于调制模拟信号。,DFB的应用：,2.5G以上的1550nm第三代光纤通信系统,光纤CATV,3、量子阱激光器（QW-LD）,量子阱：一般双异质结
17、激光器的有源层的厚度为0.15um,若将有源层的厚度减少到德布罗意 波长（50nm）以下，半导体的性质将发生根本的改变，出现量子效应，相应的势阱称为量子阱。（我们将窄带隙Eg称为势阱，将宽带隙Eg称为势垒）,量子阱激光器：将双异质结半导体激光器的有源层做到nm级，形成量子阱结构，使之出现量子效应，这样的激光器叫做量子阱激光器。,单量子阱激光器(SQW-LD)具有一个势阱和两个势垒的激光器,多量子阱激光器（MQW-LD）具有n个势阱和n+1个势垒的激光器,势垒,势阱,6.3nmLw50nm,势垒,势阱,量子阱激光器的特点：,1、阈值电流低，输出功率大。超薄的有源区使得很小 的电流就可以产生大增
18、益的电流。,2、单纵模，谱线窄，利于调制。,3、温度要求低。无需温度控制，无需制冷仪器。,4、发光二极管,一、发光原理,LED 与LD 的最大不同：没有光学谐振腔，发出的是自发辐射光。,P层,N层,有源层,低,高,E,外电场,在正向偏压的情况下，N区的电子将向正方向扩展进入有源区，P区的空穴也将向负方向扩展进入有源区。进入有源区的电子和空穴由于势垒的作用而被封闭在有源区，形成粒子数反转分布，这些反分布的电子将发生自发辐射，发出自发辐射的光。只要有外加电流的作用，就会源源不断的向有源层提供电子和空穴得到稳定的自发辐射光。,二、分类,面发光二极管,正面发光辐射角大输出功率大耦合效率低,边发光二极管
19、,侧面发光辐射角小输出功率小 耦合效率高,三、工作特性,1、光谱特性和辐射特性,没有经过光学谐振腔的光强反馈、方向选择和光频选择，谱线宽，辐射角大，强度不大。,3dB,=0cos,2、P特性,P,边发光二极管,面发光二极管,无阈值自发光近似直线,3、温度特性,10,20,30,40,50,P,对温度不敏感，不用ATC电路。,4、可靠性,工作寿命长，可靠性好，达3105小时，合 34 年。,5、耦合效率低,LED发散角大，耦合效率低。一般小于10%。,四、应用,中低速数字通信和模拟通信中,LD与LED之比较,L D,L E D,1、P-I特性,P,P,有阈值电流曲线有转折点,无阈值电流 曲线无转
20、折点,L D,L E D,2、温度特性,P,P,20,40,60,80,受温度影响大，温度越高闸值电流越大，输出光功率越小。,20,40,60,80,受温度影响小，温度升高，输出光功率减少不大。,3、光谱特性,L D,L E D,单纵模,多纵模,P,P,P,谱线窄，功率大,谱线宽，功率相对小,4、方向性,L D,L E D,方向集中，发散角小,方向不集中，发散角大,5、耦合效率,耦合效率高,耦合效率低,6、寿命,相对较短,较长,7、价格,高,低,8、应用,长途高速数字系统,中低速数字或模拟系统,根据LED和LD的性能，在选择光源时应作到技术上合理、经济上合理以及便于应用。,3.5 光发射机,光
21、发射机实现电/光转换。,由光源、驱动器和调制器组成。,功能是用电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。,1、发射端机的组成及功能,输入接口：将电端机送来的信号做码型变换，如将HDB3码变换为普通二进制码。,线路编码：将普通二进制码变换为适合在光纤链路上传输的码型。,调制电路：为光源提供调制电流。,控制电路：主要是APC电路、ATC电路、光源保护电路等。,光源：一般为发光二极管或半导体激光器，实现光电转换。,二、数字直接调制中偏置电流和调制电流大小的选择加大偏置电流使其逼近激光器阈值，可以大大减小电光延迟时间，同时使张驰振荡得到一定程度的抑制偏置
22、于阈值附近，较小的调制脉冲电流即可得到足够的输出光脉冲，I0与I0+Im的值相差不大，从而可大大减小码型效应和结发热效应的影响另一方面，加大直流偏置电流将会使光信号消光比（EX）恶化，光源消光比将直接影响接收机灵敏度，一般要求EX10dB,实验发现，异质结激光器的散粒噪声在阈值处出现最大值，因此偏置电流不正好偏置在阈值处由于激光器的串联阻抗很小，因此激光器的偏置电路应是高阻恒流源调制电流幅度Im的选择，应根据激光器的P-I曲线，既要有足够的输出光脉冲幅度，又要考虑到光源的负担。如果激光器在某些区域有自脉动现象发生，则Im的选择应避开自脉动发生的区域,三、直接调制电路要求：快的开关速度、良好的电
23、流脉冲波形,四、外调制外调制器以EA、LN为主高速驱动模块EA：驱动电压峰-峰值2V、偏置电压-1VLN：驱动电压峰-峰值5V、偏置电压23V,偏置点控制电路,高速驱动器,LiNbO3外调制器,五、激光器控制电路1、系统对光源的要求,波长稳定性要求WDM系统对光源发射波长 的稳定性具有较高的要求波长的漂移将导致信道之 间的串扰,影响发射波长的因素,对于DFB 激光器，影响发射波长的因素：管芯温度、工作电流、光反射（利用隔离器减小）管芯温度与激射光频的关系：呈单调直线下降，,工作电流与激射光频的关系：,电流注入载流子变化有源区折射率下降,大电流结温升高，正常工作时，起主导作用一般为-1GHz/m
24、A左右,B为DFB激光器的布拉格波长，为光栅周期，为场限制因子，n为折射率，为载流子浓度，为载流子寿命,比较而言，温度变化是波长漂移的主要因素,功率稳定性要求某信道功率的漂移，不仅影响本信道的传输性能，而且通过EDFA的瞬态效应影响其它信道的性能通常要求：输出平均光功率:0-3dBm;不稳定度:0.5dB(模块表面温度 0-50C)消光比:10dB 眼图:符合 G.957模版,影响发射功率的因素管芯温度:温度增加-功率下降器件老化:功率下降,温度控制和功率控制作用，就是消除温度变化和器件老化影响,稳定发射机性能，采取的稳定方法有：温度控制；自动功率控制,窄线宽 DFB 激光器,EA（LN）调制
25、器,精密温度控制,恒定电流控制,10Gb/s电压驱动器,NRZ码,光发射机结构框图,温度控制：,温控电路通常由比例放大、PID（比例-积分-微分）电路、电流放大组成控制精度可到0.01C波长稳定性可达200MHz/24小时目前N2.5Gb/s系统中，主要采用这一技术,DFB-LD组件,激光器,导热,制冷器,热敏电阻,温度控制电路,PD,R1=10k，T1=298K，B=3887+/-34K,波长锁定（wavelength locker),例：将激光器输出波长与一标准波长（参考波长）进行比较，测得波长漂移信息，反馈控制管芯温度，由此控制激光器的输出波长,WDM signal,Wavelength
26、Reference,.,TemperatureController,Pin-PD,Log Amp.,Error signal,波长稳定性：100MHz/12小时,关键：锁波器（与LD集成或独立器件）,锁波器工作原理,自动功率控制（APC）,DFB-LD组件,激光器,导热,制冷器,热敏电阻,温度控制电路,PD,自动功率控制（APC）电路,偏置电流,峰值功率控制：偏置电流控制 调制电流幅值控制平均功率控制：偏置电流控制,(需与波长控制一起使用）,其它控制电路：光源慢启动保护电路激光器反向冲击电流保护电路激光器过流保护电路激光器关断电路,2、光波的调制,在光纤通信系统中，把随信息变化的电信号加到光载
27、波上，使光载波按信息的变化而变化，这就是光波的调制。,从本质上讲，光载波调制和无线电波载波调制一样，可以利用光波的振幅、强度、频率、相位和偏振随信号变化携带信息，也即有调幅、调强、调频、调相、调偏等多种调制方式。,在光频段多采用光的强度调制方式。,IM immediacy modulate,直接调制将要传送的信息转变为电流信号注入LD或LED调制后的光波振幅的平方比例于调制信号（强度调制）仅适应于半导体光源简单、经济、容易实现响应带宽有限（2.5Gb/s）引入调制啁啾（正啁啾）,调制方式,内调制（直接调制）：直接用电信号去驱动光源。,设备简单，但有啁啾，不利于高速调制。,LED调制,I,P,I
28、,P,LD调制,直接光调制图：,偏置电流,外调制：利用外调制器对激光器输出直流光信号进行调制。（间接调制）,调制器,电信号,激光器,直流驱动电路,光信号,解决了啁啾现象，适于高速数字信号（SDH/SONET）、模拟CATV、军事雷达等，并且可进 行幅度、相位、频率调制，但对光源和光调制器要求很高。,3、LED的（模拟信号调制）驱动电路,连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上，适当选择直流偏置的大小，使静态工作点位于发光管特性曲线线性段的中点，可以减小光信号的非线性失真。调制线性的好坏取决于调制深度m。设调制电流幅值为I，偏置电流为IB，则,LED的数字驱动电路,LED的数字驱动电路主要应用于二
29、进制数字信号，驱动电路应能提供几十至几百毫安（mA）的“开”“关”电流。码速不高时，可以不加偏置；但在高码速时，需加小量的正向偏置电流，有利于 保持二极管电容上的电荷。,几种典型的LED数字驱动电路,简单的共射极饱和开关电路,低阻抗射极跟随式驱动电路,发射极开关式驱动电路,高速LED驱动电路,4、激光器的直接调制电路,偏置电流和调制电流的选择,采用直接调制方式时，偏置电流的选择直接影响激光器的高速调制性质。选择直流预偏置电流应考虑以下几个方面：,(1)加大直流偏置电流使其逼近阈值，可以大大减小电光延迟时间，同时使张弛振荡得到一定程度的抑制。,LD无偏置和有偏置时脉冲瞬态波形和光谱,LD 加了足
30、够的预偏置电流，调制电流脉冲幅度较小，预偏置后张弛振荡大大减弱，谱线减少，光谱宽度变窄；另外，电光延迟的减小，也大大提高了调制速率。,-,(2)当激光器偏置在阈值附近时，较小的调制脉冲电流即能得到足够功率的输出光脉冲，从而可以大大减小码型效应。,3)加大直流偏置电流会使激光器的消光比恶化。,光源的消光比将直接影响接收机的灵敏度，为了不使接收机的灵敏度明显下降，消光如果激光器的偏置电流IB过大，势必会使消光比恶化，降低接收机的灵敏度。通常取IB(0.850.9)Ith。驱动脉冲电流的峰-峰值Im一般取Im十IB(1.21.3)Ith，以避免结发热和码型效应。,所谓消光比，是指激光器在全“l”码时
31、发送的光功率(P1)与全“0”码时发射的光功率(Po)之比，用dB表示为：,(4)实验证明，异质结激光器的散粒噪声在阈值处出现最大值，如激光器正好偏置在阈值上，散粒噪声的影响较严重。,因此，偏置电流的选择，要兼顾电光延迟、张弛振荡、码型效应、激光器的消光比以及散粒噪声等各方面情况，根据器件特别是激光器的具体性能和系统的具体要求，适当的选择偏置电流的大小。由于激光器的电阻较小，因此激光器的偏置电路应是高阻恒流源,调制电流幅度的选择，应根据激光器的特性曲线，既要有足够的输出光脉冲功率，又要 考虑到光源的负担。考虑到某些激光器在某些区域有自脉动现象发生，Im的选择应避应避开这些区域。,自动功率控制电
32、路(APC)自动温度控制电路(ATC)激光器告警电路,光源慢启动保护电路激光器反向冲击电流保护电路激光器过流保护电路激光器关断电路,控制电路,某信道功率的漂移，不仅影响本信道的传输性能，而且通过EDFA的瞬态效应影响其它信道的性能,自动功率控制,峰值功率控制：偏置电流控制 调制电流幅值控制,平均功率控制：偏置电流控制,通常要求：输出平均光功率:0-3dBm;不稳定度:0.5dB(模块表面温度 0-50C)消光比:10dB,自动功率控制电路(APC),5、自动功率控制电路(APC),在使用中，LD结温的变化以及老化都会使Ith增大，量子效率下降，从而导致输出光脉冲的幅度发生变化。为了保证激光器有
33、稳定的输出光功率，需要有各种辅助电路，例如功率控制电路、温控电路、限流保护电路和各种告警电路等。,光功率自动控制有许多方法，一是自动跟踪偏置电流，使LD偏置在最佳状态；二是峰值功率和平均功率的自动控制；三是P-I曲线效率控制法等。,最简单的办法是通过直接检测光功率控制偏置电流，用这种办法即可收到良好的效果。该办法是利用激光器组件中的PIN光电二极管，监测激光器背向输出光功率的大小，若功率小于某一额定值时，通过反馈电路后驱动电流增加，并达到额定输出功率值。反之，若光功率大于某一额定值，则使驱动电流减小，以保证激光器输出功率基本上恒定不变,美国亚特兰大光通信系统中光发射机的APC电路，,电路是通过
34、控制LD偏置电流大小来保持输出光脉冲幅度的恒定。,在运放的输入端，再生信号由输入信号再生处理后得到，它固定在0V-lV间。LD组件中PIN管接收LD的背面输出光，它受到与正面输出光同样的温度及老化影响，从而可用来反馈控制LD输出光功率。,该PIN产生的信号与直流参考比较后送到放大器的同相端，直流参考通过调节Rl控制预偏置电流IB。调节R2使再生信号与PIN输出取得平衡，使IB保持恒定。,当输出光功率产生变化时，平衡破坏，反馈偏置电路将自动调整IB，使输出功率恢复到原来的值，电路又恢复平衡状态。,R3Cl构成LD的慢启动网络，当刚开启电源或有突发的电冲击时，由于电路的时间常数很大(l ms)，I
35、B只能慢慢增大。这时，前面的控制电路首先进入稳定控制状态，然后IB缓慢增大，保护LD免受冲击。,温度变化引起LD输出光功率的变化，虽然可以通过APC电路进行调节，使输出光功率恢复正常值。但是，如果环境温度升高较多，经APC调节后，IB增大较多，则LD的结温因此也升高很多，致使Ith继续增大，造成恶性循环，从而影响了LD的使用寿命。因此，为保证激光器长期稳定工作，必须采用自动温度控制电路(ATC)使激光器的工作温度始终保持在20度左右。,微制冷器多采用半导体制冷器。它是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。当直流电流通过两种半导体组成的电偶时，出现一端吸热另一端放热的现象，这种现象称为珀尔帖效应。微
36、型半导体制冷器的温差可以达到3040。,6、自动温度控制电路(ATC),LD的温度控制由微型制冷器、热敏元件及控制电路组成。,目前实际商用的半导体激光器总是和其他一些部件封装在一起，形成一个完整的LD组件，它将LD芯片、半导体制冷器和具有负温度系数的热敏电阻等封装在一个体积很小的密封盒内，控制电路放在盒外，这属于内制冷方式。内制冷方式不仅结构紧凑，控制效率也很高，使激光器有较恒定的输出光功率和发射波长。,外制冷方式是将外加半导体制冷器与山组件的密封盒紧密接触，通过控制电路给外加制冷器加直流，达到控制LD周围环境温度的目的。通常内制冷较外制冷方式更直接、有效。,制冷方式分为内制冷和外制冷两种。,
37、为半导体制冷器的结构示意图,单个热电偶是由P型和N型掺杂的半导体组成，它被焊接在铜连接片上，并用陶瓷面板电绝缘。当未接外电路时，跨越它两端形成的温度差使它的两端产生一与温度差成比例的电位差。此时将其与外电路的负载连接起来，将产生电流，从而输出电功率，这就是一个热电偶器件。,直流电流通过热电偶将产生珀尔帖效应，在它的一端吸收热量，与之相连的物体将被冷却；另一端排放热量，将散热器与之接触，该热电偶起到制冷器的作用。如果改变直流电流的方向，制冷器的吸热、散热端将互换。,LD组件中的热敏电阻具有负温度系数，在20时阻值 Rt10k12k，RtT-05。它与Rl，R2，R3组成桥式电路，其输出电压加到差
38、分放大器的同相和反相输入端，在某温度下，电桥达到平衡。LD温度升高时，Rt下降，BGl正向导通，通过制冷器Rc的电流Ic加大，使LD的温度下降。,具体控制过程如下：-TRt差分放大器输入端压降差分放大器输出电压IcT。实际上激光器在连续工作时，管芯温度会持续上升，从而使得热敏电阻Rt总保持在RtR3即电桥总不平衡，于是Ic维持一定值，即控制电路始终为致冷器提供恒定的工作电流Ic。在光发送电路中，由于采用了ATC 和 APC电路，使LD输出光功率 的稳定度保持在较高的水平上。在环境温度为十5十50范围内，LD输出光功率的不稳定度小于5。,温度控制电路,7、激光器的保护及告警电路,光源是光发送电路
39、的核心，它价格昂贵又较容易损坏。因此在光发送电路中必须设有保持电路，以防止意外的损坏。另外，当光发送电路出现故障时，告警电路应发出相应的声、光告警信号，以便于工作人员维护。,光源的过流保护电路 为了使光源不致因通过大电流而损坏，一般需对光源进行过流保护。,无光告警电路 当光发送机电路出现故障，或输入信号中断、或激光器损坏时，都可能使LD长时间不发光。这时，无光告警电路都应动作，发出相应的声光告警信号。,寿命告警电路,随着使用时间的增长，LD阈值电流也将逐渐增大。当阈值电流增大到开始使用时的1.5倍时，就认为激光器的寿命终止。由于IBIth，所以寿命告警电路通常采用监测偏流IB的值来判断激光器寿
40、命是否终止。也就是说，当IB1.5Itho(Itho为LD开始启用时的阈值电流)时，寿命告警电路就发出告警指示。,激光器的过流保护电路,T3为激光器提供偏流IB。保护电路由晶体管T4、电阻Rl组成。正常情况下，电阻Rl上的电压小于T4的导通降压，因而T4截止，保护电路不工作。当偏流IB过大，致使Rl上的压降VRl剧增并超过T4的导通压降时，T4饱和导通，使Vce40，从而导致T3截止，保护了激光器不致因偏流IB过大而被损坏。,A2的反向端为直流参考电压VD，其同相端则为代表LD输出光功率平均值的Vf。当LD发光正常时，PIN管检测到的光电流经A1放大后送入A2的同相端。这时，VfVD，因此A2
41、输出高电平，致使无光告警指示灯LED不亮。当LD不发光时，PIN管检测不到光信号，因而VfVD，A2输出低电平，使无光告警灯发出红色告警显示。另一路高电平为正常、低电平为告警的无光告警信号则被送入监控系统处理。,无光告警原理图,T3为激光器提供偏流IB，T4、R1组成过流保护电路。由于VlIBRl，所以调整电位器W使V21.5IthoR1。当激光器工作正常时，IB1.5Itho，则VlV2，A1输出高电平，寿命告警灯 不亮。如果IB1.5Itho，则激光器寿命终止，这时VlV2，A1输出低电平，寿命告警灯发黄色告警显示。同样有一路高电平正常、低电平告警的寿命告警信号送到监控系统。,寿命告警电路
42、原理图,激光器组件,1、激光器组件：是指在一个紧密的结构体中，除了激光二极管（LD）以外，还配置其他的元件以实现LD工作必需的外围器件。,2、LD 组件的构成图：,驱动电路,偏置电流,信号电流,监视光电二极管,LD,温度监控,ATC,电子制冷器,光隔离器,MQW-DFB激光器,掺铒激光器,一、重新编码的原因,电码的缺点：双极性码，不能进行光纤传输,简单二进制码的缺点：,（1）码流中的0、1个数随机变化，使得直流分量也发生随机的起伏，从而影响了判决电平。,（2）随机码流容易出现长串连0和连1，使得同步时钟的提取困难。,（3）没有冗余码，不利于误码检测。,所以必须重新进行光线路编码。,4.6 线路
43、编码,二、数字光纤通信系统对编码的要求：,（1）减少光信号中的高频和低频分量。,低频：容易导致基线的漂移，产生误判。,高频：使得系统带宽增加，加大电路设计的难度。,（2）定时信息丰富,避免长的连0和连1，使0、1交替分布。,（3）有适当的冗余码。,一定的冗余码可以用于平衡码流，误码检测，公务通信。但过多的冗余信息会降低接收机的灵敏度。,1 NRZ码（非归零码）,NRZ码是最简单的码型。NRZ码很容易产生和译码，但它们没有内在的误差监测或纠错能力，也没有自有时钟（定时）特征。,三、线路码型,2 RZ码（归零码）,如果有足够的带宽富余度，则可将每个数据比特编为两个线路码比特，这就是RZ码的基础。在
44、这些码型中，为了提供定时信息，既可在部分的也可在全部的比特周期内发生信号电平的变化。,3、mBnB分组码,将原始二进制码分组，m个 为一组，变换后为n个一组。（mn）新的分组以NRZ或RZ的格式传输。,mBnB分组码可以提供足够的定时和检错信息，又因没有长0或长1，所以没有基线漂移问题；但使用这种格式，将面临带宽增加的代价，附加的冗余比特将以n/m的比率增加带宽。,3B4B码,输入：8种码字,输出：16种码字,mBnB码的优点：,1、避免了长的连0和连1，定时信息丰富。,2、总的0、1比例相等，基 线漂移小。,3、引入冗余码，便于误码检测。,其他常用的mBnB码：,1、1B2B 码：,光纤中采
45、用CMI码（传号反转码）：,编码表：,应用：三次群以下的系统。,特点；编解码电路简单，但码速提高一倍。,2、5B6B码：,4.6 线路编码,用于光纤传输链路的两电平二进制线路码有三种基本类型：非归零格式（NRZ）；归零格式（RZ）；相位编码格式（PE）。,设计光线链路时，要考虑的一个重要因素是传输光信号的格式。其重要性在于任何实际的数字光纤链路，其接收机的判决电路必须精确地从接收的光信号中提取定时信息。定时的三个主要目的分别是：,在接收机的信噪比最大时对信号进行取样；,保持适当的脉冲间隔；,指示每个时间间隔的开始和结束。,另外，信号检测过程中，信道噪声和失真会导致误码，故光信号应有内在的误码检
46、测能力，这可以通过信号的重组（或编码），引入额外的比特到数据流中来实现。,所谓信号编码是指使用一套规则把信号符号编排为一个特殊的格式。这个过程称为线路编码。线路编码的主要功能是在数据流中引入冗余码，其目的是为了使信道干扰引起的误码最小。,尽管采用光纤可以获得巨大的带宽，但从噪声方面考虑，较大的带宽将导致较大的噪声影响，故希望得到较小的带宽；而要从数据流中获得定时数据就需要较大的带宽。通过选择特殊的线路码，可以在定时和噪声带宽之间达成折衷。,一、重新编码的原因,电码的缺点：双极性码，不能进行光纤传输,简单二进制码的缺点：,（1）码流中的0、1个数随机变化，使得直流分量也发生随机的起伏，从而影响了
47、判决电平。,（2）随机码流容易出现长串连0和连1，使得同步时钟的提取困难。,（3）没有冗余码，不利于误码检测。,所以必须重新进行光线路编码。,4.6 线路编码,二、数字光纤通信系统对编码的要求：,（1）减少光信号中的高频和低频分量。,低频：容易导致基线的漂移，产生误判。,高频：使得系统带宽增加，加大电路设计的难度。,（2）定时信息丰富,避免长的连0和连1，使0、1交替分布。,（3）有适当的冗余码。,一定的冗余码可以用于平衡码流，误码检测，公务通信。但过多的冗余信息会降低接收机的灵敏度。,1 NRZ码,现在已有好几种不同的NRZ码得到了广泛应用，它们的带宽可作为其它码组的参考。最简单的NRZ码就
48、是NRZ电平（NRZ-L），如图所示。这些码很容易产生和译码，但它们没有内在的误差监测或纠错能力，而且也没有自有时钟（定时）特征。,另外，NRZ码有最小的带宽需求，但接收机的平均输入功率却依赖于数据的模式。例如很长的1码出现时，接收功率的高电平将会导致基线漂移效应。这种效应是由于接收机的交流耦合滤波器的低频特性引起脉冲拖尾的积累所造成的。当接收机在很长的连1码后恢复到原来阈值的过程很慢，而下一个1码到来时幅度又较低时，就有可能产生误码。,三、线路码型,同时长的连1或连0，NRZ码没有定时信息，因为其中没有电平变化。于是，除非系统的定时时钟非常稳定，N个同样的长码就有可能被误判为N-1个或N+1
49、个，从而导致误码。解决方法一是在系统中使用高稳定的时钟（这样将明显增加系统的成本）；另外就是采用分组码和扰码。,2 RZ码,如果有足够的带宽富余度，则可将每个数据比特编为两个光线路码比特，这就是RZ码的基础。在这些码型中，为了提供定时信息，既可在部分的也可在全部的比特周期内发生信号电平的变化。下图给出了RZ码的一些码型，图(a)是基带（NRZ-L）数据，(c)是单极RZ码。,单极RZ格式的一个缺点是长的连0码会导致定时同步的丢失。双相码或光曼切斯特码就没有这种限制。对基带(NRZ-L)信号和时钟信号直接进行模二加运算即可得到光曼切斯特码。该码每个比特间隔的中心处都有电平转换，负相变换表示1比特
50、，争相表示0比特。它易于编码和译码，但需占用两倍NRZ码的带宽；另外它也没有内在误码检测和纠错能力。,1、分组码,一种高效率的冗余二进制码是mBnB分组码，即将由m个二进制比特构成的分组，转换为由n个（nm）二进制比特构成的分组。新的分组以NRZ或RZ的格式传输。mBnB分组码可以提供足够的定时和检错信息，又因没有长0或长1，所以没有基线漂移问题；但使用这种格式，将面临带宽增加的代价，附加的冗余比特将以n/m的比率增加带宽。3B4B分组码如下：,四、线路编码,几种mBnB参数对比列在表中，表中参数如下：n/m比率，代表带宽的增加；最大的连续同符号数（较小的值更利于时钟恢复）；累加偏差D的限度；
