2020-08-07 光纤通信第二章知识点整理

目录
2.1 半导体激光器 2
2.1.1 激光原理的基础知识 2
2.1.2 激光激射条件 3
2.1.3 结构理论 4
2.1.4 典型分类 6
2.1.5 模式概念 7
2．1.6 基本性质 8
2.2 半导体发光二极管 10
2.2.1 工作原理 10
2.2.2 结构和分类 10
2.2.3 主要性质 10
2.3 光源的直接调制 11
2.3.2 光源的直接调制 11
2.3.3 直接调制激光发射机 13
2.4 光源的间接调制 15
2.4.1 间接调制的类型和特点 15
2.5 光源的调制格式 17
2.5.1 光调制格式的类型 17
2.5.2 高速长距离系统中常用的调制格式 17

第二章光源和光发射机
2.1 半导体激光器
2.1.1 激光原理的基础知识
1.原子的能级：
电子在原子中的微观运动—量子态的能量只能取某些特定的离散值，需要满足电子轨道的量子化条件。电子在每一个这样的轨道上运动时，原子具有确定的能量，称为原子的一个能级。
2.晶体的能带
晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同而分裂成若干组。每组中能级彼此靠的很近，组成具有一定宽度的带，称为能带。
3.能级的跃迁
能级跃迁包括热跃迁（跃迁过程中交换的能量是热运动的能量）和光跃迁（跃迁过程中交换的能量是光能）；光跃迁是研究光与物质相互交换的基础。
对大量原子组成的体系来说，光跃迁同时存在着光的自发辐射，受激辐射和受激吸收3种不同的基本过程。
自发辐射：处在高能级E_2上的电子按照一定的概率自发地跃迁到低能级E_1并发射出一个频率为n的光子，其能量为
e=hn=E_2-E_1
该过程称为自发辐射。
受激辐射：处于高能级E_2的电子在外来光场的感应下（外来感应光子的能量hn=E_2-E_1）发射出一个和感应光场一模一样的电子，二跃迁到低能级E_1，该过程为光的受激辐射过程。
受激吸收：处在低能级E_1上的电子在感应光场的作用下（感应光子的能量hn=E_2-E_1），吸收一个光子而跃迁到高能级E_2，该过程为光的受激吸收过程。
4.光增益区的形成
（1）光的吸收和放大：忽略自发辐射过程，只考虑受激跃迁，受激吸收和受激辐射孰强孰弱取决于电子在两个能级上的分布情况。因此，当光经过介质时会有吸收和放大两种过程。若高能级上的电子密度高于低能级上的电子密度，则受激辐射强于受激吸收，光强在传输过程中逐渐增强。
（2）半导体激光器中增益区的形成：半导体激光器通常为一个二极管结构，当注入正向电流达到一定阈值时，在结区形成的一个粒子数反转分布的区域。称为有源区

2.1.2 激光激射条件
1.激射的一般条件：
（1）有源区产生足够多的粒子数翻转分布。
（2）存在光学谐振机制，并在有源区里建立起稳定的激光振荡。
2.半导体激光器的发射波长：半导体激光器材料的禁带宽度决定了激光器自发辐射的波长范围。发射波长l=hc/E_dir .式中，h为普朗克常量，c为真空中的光速，E_dir为直接带隙材料的禁带宽度。
3.自激振荡原理：
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2.1.3 结构理论
1.半导体激光器的通用结构：
有源区（实现粒子数反转分布，存在光增益），光反馈装置，频率选择原件，光束的方向选择元件，光波导（引导激光器内所产生的光波在器件内部进行传输）。
2.有源区的典型结构
同质结（构成PN结的P型和N型半导体为同一种材料），单异质结，双异质结，量子阱异质结。
·后两种类型是目前商用化半导体激光器的主要方案。
·双异质结构能够实现对有源区的全面控制，达到有效降低阈值电流的目的。
3.法布里-珀罗（F-P）谐振腔
一种最简单的光学反馈装置，如图，由一对平行放置的平面反射镜组成。
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F-P腔必须满足一定的相位条件和振幅条件
相位条件可使发射光谱得到选择，而振幅条件使激光器成为一个阈值器件。
相位条件：波从某一点出发，经腔内往返一周再回到原来位置是，应与初始波同相位，即发生驻波干涉。在这里插入图片描述

振幅条件：波从某一点出发，经腔内往返一周再回到原来位置时，起幅度应不低于初始波的幅度。即达到一个阈值条件，当光信号往返传输一周幅度不发生变化时所处的条件。
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4.布喇格（Bragg）反射器
是一种基于波纹光栅的光学谐振器,是一组具有周期性的空间结构。
其特点是材料折射率在空间某方向上呈现周期性变化，从而为受激辐射产生的光子提供周期性的反射。
和F-P腔相比，布喇格反射器优点在于：谐振波长选择性高，谱线宽度明显变窄，且容易设计成单纵模（单频）振荡。

2.1.4 典型分类
1.F-P腔谐振器
F-P腔谐振器是较早商用化的半导体激光器之一。结构简单，容易制造，在传统光纤通信中使用广泛。但由于这种激光器基本为多纵模工作方式，直接调制时动态谱线展宽不明显，所以不符合现代大容量长距离光纤传输和波分复用系统的应用需求。
2.分布反馈激光器和分布Bragg反射激光器。
基于Bragg衍射光栅的LD分为分布反馈（DFB）和分布Bragg反射（DBR）两种类型。二者区别在于DBR根据波导功能进行分区设计，光栅的周期性沟槽放在有源波导两外侧无源波导上，从而避免了光栅制作过程中可能造成的晶格损伤。
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DBR常用于制作双区或三区可调谐激光器。
DFB是大容量，长距离光纤通信系统中广泛应用的光源。同F-P腔激光器相比，DFB的优点总结为：
可以在一定的范围内有限度地选择激光器的发射波长。
线宽窄，波长稳定性好
在高速调制时仍然能够保持单纵模特性
高线度性。
3.量子阱激光器
量子阱激光器指有源区采用量子阱结构的激光器。
优点：
阈值电流低，波长可调谐，线宽窄，频率啁啾低，调制速率高，温度稳定性强。
4.垂直腔面发射激光器
面发射激光器（SELD）与边发射激光器（上述几种）相比区别在于它的发射方向垂直于或倾斜于PN结平面，可以从PN结的上部或衬底侧出光。垂直腔面发射激光器（VCSEL）是面发射激光器中最有前途的一种。
优点：
阈值电流低（小于1mA），发光效率好，波长选择性好，易于实现动态单模工作，耦合性能好，体积小，速度快，模块化强。

2.1.5 模式概念
1.激光器的模式：当注入电流大于阈值电流时，辐射光在腔内建立起来的电磁场模式称为激光器的模式。
在对激光器进行模式分析时用纵模表示沿谐振腔传播方向上的驻波振荡特性，横模表示谐振腔横截面上的场型分布。
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2.纵模的概念与性质
激光器的纵模反应了光谱性质。
性质：（1）纵模数随注入电流变化；（2）峰值波长随温度变化；（3）动态线谱展宽：对激光器进行直接强度调制会使发射线谱增宽，振荡模数增加
3.横模
横模反映的是由于边界条件的存在对腔内电磁场形态的横向空间约束作用。
横模分为水平横模和垂直横模两种类型。水平横模反映出有源区中平行于PN结方向光场的空间分布。垂直横模表示与PN结垂直方向上的电磁场的空间分布。

2．1.6 基本性质
1.伏安特性（电学性质）
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2.P-I特性
P-I特性揭示了激光器输出光功率与注入电流之间的变化规律
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当注入电流较小时，有源区内不能实现粒子数的反转分布，自发辐射占主导地位。随着注入电流的增大，有源区里实现了粒子数反转分布，受激辐射开始占主导地位。当注入电流达到阈值后，才能发射谱线尖锐、模式明确的激光，光谱突然变窄并出现单峰。
3.光谱特性
描述激光器的纯光学性质。
稳态工作时的激光器光谱由几部分因素共同决定：发射波长范围取决于激光器的自发辐射谱，精细的谱线结构取决于光腔中的纵模分布，波长分量的强弱则与激射时各模式的增益条件密切相关。
4.光束特性
通常用激光器的近场和远场辐射方向图来表征其光束特性，它直接影响到器件与光纤的耦合效率。

2.2 半导体发光二极管
2.2.1 工作原理
发光二极管是非相干光源，它的发射过程主要是光的自发辐射过程。当注入正向电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中复合发光，这就是发光二极管的基本原理。

2.2.2 结构和分类
按光的输出位置不同，发光二极管可分为边发射型和面发射型。

2.2.3 主要性质
（1）发射谱线和发射角：发射谱线较宽，因此，光信号在光纤中传输时材料色散和波导色散比较严重；发散角大，使LED和光纤的耦合效率较低。这些因素对光纤通信是不利的。
（2）响应速度：LED的响应速度比激光器低得多。
（3）热特性：由于发光二极管不是阈值器件，所以输出功率不会像激光器那样随温度发生很大的变化，在实际过程中可以不进行温度控制。
（4）优点：寿命长，可靠性高，调制线路简单，成本低。

2.3 光源的直接调制
2.3.1 光源的两种调制方式：直接调制和间接调制
直接调制和间接调制的本质区别：间接调制光源的发光和调制功能是分离进行的，即在激光形成以后才加载调制信号，二者只有光路的链接和没有电路的相互影响，因此，不会因为调制而影响激光器的工作。
直接调制适用于电流注入型的半导体光源器件。间接调制适用于各种激光器的工作。

2.3.2 光源的直接调制
2.3.2.1 模拟调制和数字调制
从调制信号的类型划分，直接调制方式又分为模拟调制和数字调制。模拟调制是将连续变化的模拟信号（话音，视频等）叠加在直流偏置的工作点上对光源进行调制。
数字调制属于脉冲调制，即调制电流为二进制脉冲形式，利用光功率的有和无状态来传递信息。

2.3.2.2 LD数字调制过程的瞬态分析
1.阶跃响应的瞬态分析。
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2.速率方程组
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3.速率方程组的解
稳态解和瞬态解
稳态解给出激光器内部若干物理量的稳态关系
瞬态解是在注入电流变化的情况下求解速率方程组得到的解
小信号近似下速率方程组的瞬态解为
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4.电光延迟时间
电光延迟过程发生在阈值以下，对应于注入电流对导带底部进行填充，使导带的电子密度达到阈值时的电子密度的时间。

2.3.3 直接调制激光发射机
2.3.3.1 激光器的实用组件
光隔离器，监视光电二极管（PD），尾纤和连接器，LD的驱动电路，热敏电阻，热电制冷器，其他准直激光器输出场的透镜、光纤耦合透镜及固定光纤的支架等。
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2.3.3.2 光发射机的组成
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激光器的调制电路

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两级差分电流开关整形，以改善电流波形，电流开关为双边驱动，不会因为有过多的存储电荷而影响开关速度；为保证差分管特性的一致性，设计时应用了集成差分管对实现调制功能。
激光器的控制电路
为消除温度变化和器件老化带来的影响，给激光器提供稳定的工作环境。目前主要采取自动温度控制和自动功率控制的措施。
自动温度控制
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自动功率控制

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2.4 光源的间接调制
2.4.1 间接调制的类型和特点
根据工作原理的不同，可以利用电光效应、电吸收效应、磁光效应、声光效应等制成不同的光调制器。
电光效应光调制
当把电压加到某些晶体上的时候，可能使晶体的折射率发生变化，结果引起通过该晶体的光波特性发生变化，晶体的这种效应称为电光效应。
磁光效应光调制
磁光效应又称为法拉第电磁偏转效应。当光通过介质传播时，若在垂直光的传播方向上加一强磁场，则光的偏振面发生偏转，其旋转角与介质长度，外磁场强度成正比。
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