光源和光发射机

1 半导体激光器

1.1 激光的基础知识

能级跃迁分类和性质

光增益区形成
- PN 结粒子数反转分布：N2>N1（高能级电子密度 N2；低能级电子密度 N1；
  - N2>N1：光的放大。
  - N1<N2：光的吸收。
- 正向电流进行泵浦。
- 价带有空穴占据；导带由电子占据。
- 光子能量： $E_{g} < h v < e_{0} V$ .

1.2 激光激射条件

基本条件
- 光放大：有源区内传声足够多的离子数反转分布。
- 激光产生：光学谐振机制，在有源区内建立起稳定的激光振荡。
一般条件
- 工作物质（GaAs，InGaAsP）。
- 泵浦源
- 光学谐振腔

发射波长

$λ = \frac{h c}{E_{d i r}} = \frac{1.24}{E_{g} (e v)} (u m)$

1.3 结构理论

有源区
- 同质结，Ith 高，高温下不能连续工作。
- 单异质结 SH
- 双异质结 DH

光反馈装置

光波导的两个实现技术：增益引导、折射率引导

1.4 典型分类

分类

1.5 模式概念

横模：沿着谐振腔传播方向上的驻波振荡特性。
- 水平横模：平行 PN 结方向。
- 垂直横模：垂直 PN 结方向。
纵模：谐振腔横截面上的场型分布。性质如下：
- 随注入电流变化，电流增加，纵模数下降。
- 结温上升，中心波长上升。
- 调制电流变化导致动态谱线展宽。

1.6 基本性质

1.6.1 伏安特性

纯电学性质，本质 PN 结，类似于普通二极管。

1.6.2 PI 特性

阈值电流
- PI 图形分析
  - 注入电流小 —— 荧光——自发辐射。
  - 注入电流大，但小于 Ith——强荧光（超辐射态）。
  - 注入电流大于 Ith——激光：输出功率大，谱线尖锐——受激辐射。
- Ith 求解方法
  - 双斜率法
  - 反向延长法
  - 二阶求导法
功率线性度
光输出饱和度
特征温度—— $T ↑, η_{D} ↓, I_{t h} ↑, P_{e x} ↓, λ ↑$ ，Ith 小号， $λ$ 为中心波长。

激光器效率（换能效率）

功率效率： $η_{p} = \frac{激光器发射光功率}{激光器消耗光功率} = \frac{P_{e x}}{V_{j} I + I^{2} R_{s}} = \frac{P_{e x}}{P_{i n}}$
量子效率
- 内量子效率： $η_{i} = \frac{辐射复合速率 ⊥}{⌊ 非辐射复合速率 ⌋ + ⌊ 辐射复合速率 ⌋} = \frac{R_{r}}{R_{n r} + R_{r}}$ .
- 外量子效率： $η_{e x} = \frac{激光器每秒发射光子数}{激光器每秒注入“电子 - 空穴对”数} = \frac{P_{e x} / h υ}{I / e_{0}}$ .
- 外微分量子效率，PI 特性曲线斜率： $η_{D} = \frac{\frac{P_{e x} - P_{t h}}{h v}}{\frac{I - I_{t h}}{e_{0}}} = \frac{\frac{P_{e x}}{h v}}{\frac{I - I_{t h}}{e_{0}}} (P_{e x} >> P_{t h})$

1.6.3 光谱特性（描述纯光学性质）

峰值波长：光谱内强度最大的光波长。
中心波长：50% 最大幅线段中值。
谱宽和线宽
边模抑制比：用于单纵模
模式跳跃

2 LD&LED

3 半导体发光二极管

3.1 工作原理

自发辐射
非相干光源
无谐振腔，不一定需要粒子数反转。
PI 曲线没有阈值，P 与 I 成正比。

3.2 结构分类

双异质结构
- 边发射双异质结构
- 面发射双异质结构

3.3 主要性质

发射光谱宽，发射角大——色散增加 $\to$ 中继距离 & 通信容量下降。
响应速度低——不适用高速率系统。
热特性 T 升高，P下降——没有激光器严重，可以不温控。
优点
- 寿命长，可靠性高
- 调制电路简单，成本低

半导体发光二极管常用于速率不高，传输系统不长的系统。

4 光源的调制

4.1 直接调制

4.1.1 分类

LED（简单）
- 模拟调制
- 数字调制
LD
- 模拟调制——PI曲线不理想导致波形畸变。
- 数字调制
  - 特征
    - 调制啁啾更明显
    - PI 曲线不理想不影响波形
  - 瞬态分析
    - 电光延迟——码型效应
    - 张弛振荡——调制速率
    - 自脉动

4.1.2 实用组件

激光器
- 光隔离器：防止 LD 输出的激光反射，实现光的单向传输。
- 监视光电二极管 PD：监视 LD 输出功率变化。
- 尾纤 & 连接器
光发射机

光发射机

偏置电流 I0 选择
- 增大 I0 使其逼近阈值
  - 减小电光延迟时间
  - 提高频谱利用率和通信容量
  - 一定程度抑制张弛振荡
  - 此时较小的调制电流就能获得大的输出光脉冲，减小码型效应。
- 超过阈值电流一点
  - I0 上升意味着消光比恶化
  - 消光比： $E X T = \frac{P_{全 1}}{P_{全 0}} = 10 \lg \frac{P_{全 1}}{P_{全 0}} (d B)$
- 避开阈值处的峰值——散粒噪声在阈值处常有很陡的峰值。
调制电流 $I_{m}$ 选择
- 保证光脉冲到一定幅度，满足对输出功率的要求。
- 不能过大，否则会损坏期间，增加分线性效应。
- 尽量避开自脉动区域。
- $I_{0}$ 和 $I_{0} + I_{m}$ 相差不大，减小码型效应。
调制电路
- 好的开关速率
- 好的电流脉冲波形
控制电路
- 自动温度控制 ATC - 温度
- 自动功率 APC - 器件老化
  - 控制偏执电流。
  - 控制激光器调制脉冲电流幅度。

直接调制简单、经济、容易实现，动态谱线展宽、色散增加。

5 间接调制

5.1 特点

间接调制啁啾小、色散小。

5.2 原理

电光效应
- 普科尔：线性 $n E$
- 克尔：非线性 $n E^{2}$
磁光效应
电吸收效应：在外加电场作用下半导体材料吸收边带向长波长移动（红移）。
声光效应

声光效应

6 光源调制格式

6.1 分类

传统强度调制 IM
- 易实现、简单、价格低。
- 色散和非线性严重。
- 频谱效率低。
新型高阶、矢量调制
- 改善系统对色度色散的容限。
- 抑制非线性光学效应。
- 提高频谱效率和接收机灵敏度。

6.2 光调制格式类型

直接——幅移键控 OOK（ASK），强度调制
- 噪声性能不佳
- 高阶很少用到
间接
- 相移键控 PSK ，相位调制
  - 抗噪声能力比 OOK 好。
- 正交幅度调制 QAM 幅度和相位调制。

6.3 高速长距系统常用调制格式

载波抑制归零码 CSRZ
- 降低色散，频谱效率高。
- 降低峰值功率，非线性光学效应容限好。
差分相移键控 DPSK
- 相同误码率，光信噪比下降 3dB。
- 相同功率，码元峰值功率比 OOK 小 3dB。
- 相同条件，非线性效应应小于 OOK。