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1、Fiber-optic Communication Systems Chapter 3: Optical Transmitter 光学调制 ( )cos()E teAt=+ ASKFSKPSKPolSK ASK：Amplitude shift keying FSK: Frequency shift keying PSK: Phase shift keying PolSK: Polarization shift keying FSK由于是对光载波调制，而光载波的频率极高，所以此调制方法仅限于在实验室研究，目前还 很少用于实际通信传输中。 PolSK研究也相对较少，主要原因是偏振态随机性比较强，发
2、射机和接收机复杂度较高。 在高速光通信系统中，应用最广泛的还是ASK调制和PSK调制。 光学调制 Direct modulation：适用于半导体光源，输出光 波电场幅度的平方与调制信号成比例 External modulation：利用晶体的电光、磁光和 声光效应等特性对光信号进行调制，既适用于半 导体光源，也适用于其他类型的光源。 直接调制：Direct modulation pp I 输入电信号输入电信号输入电信号输入电信号 Iin IthIb (b)LD的数字调制原理的数字调制原理的数字调制原理的数字调制原理 输出光信号输出光信号输出光信号输出光信号 I t Iin 输入电信号输入电信
3、号输入电信号输入电信号 （a）LED数字调制原理数字调制原理数字调制原理数字调制原理 LED直接调制：模拟和数字 模拟调制中的非线性，会引起波形失真，引起传输质量下降； 而数字调制中的非线性，只会引起“1”的幅度的改变，可通过改变判决阈值， 使误码率不会增加； LD直接调制：数字 LD驱动电流：偏置电流（直流）和调制电流（交流）两部分 偏置在阈值附近（稍小）：减小光电延时、张驰振荡和码型效应，具备较好的 调制效率； 调制电流：避开非线性区，避免光源负担过重，保持足够的输出消光比； 直接调制 直接调制实现简单、体积小、易整合，但其缺点在于产生的啁 啾（chirp）与调制频率成正比，这直接限制了系
4、统的中继距 离。因而直接调制通常用在2.5Gb/s的场合。 调制曲线易受激光器工作温度影响。 外调制 实现较复杂，需要用到额外的调制器 能实现较高速率的调制，啁啾小 电吸收调制器 Electro-Absorption Modulator （EAM） 相位调制器 Phase modulator （PM） 马赫-曾德调制器 Mach-zehnder Modulator （MZM） 电吸收调制器EAM 基于费郎兹-凯尔德修（Franz-Keldysh）效应和量子约束的斯 塔克（Stark）效应的损耗调制器。 当调制器无偏压使，光束处于通状态，输出功率最大；随着 调制器上偏压的增加，MQW的吸收边界波
5、长向长波长移动， 原光束波长吸收系数变大，调制器变为阻断状态，输出功率 最小。 响应速度快 偏置电压低 易于和光源集成 适用于40Gb/s以下的系统 相位调制器PM 当晶体的折射率与外加电场幅度成线性变化 时，称为线性电光效应，即普克尔 （Pocket）效应。目前，普科尔效应是制作 光调制器应用最广泛的物理效应。在LiNbO3 中，如果电场E加在沿晶体Z轴的方向，则其 折射率改变引起的相位变化关系为： V V = 3 33 3 33 3 33 1 2 2 rz r r nn r E nLVL n r d d V n r L = = = MZM构成 LiNbO3型MZM是由两个LiNbO3相位调
6、制器构成。 输入光波在一个Y分支处被分为功率相等的两束，分别通过两路光波 导（相位调制器）传输。 两束光到达第二个Y分支处的光程差不同，产生了相位差，通过控制 相位差，发生相消或者相涨干涉，对光信号进行调制。 分为单臂驱动和双臂驱动。其中双臂驱动应用的最广泛。 MZM工作原理 上臂相移为 下臂相移为 设输入光电场为Ein，则经过MZM后输出信号为： 11 ( ) tV V = 22 ( ) tV V = 0 ( ) c jt in EtE e = 12 1212 1212 ( ) ( )( )cosexp() 222 ()() ( )cosexp 22 jj in outin in Et Et
7、eeEtj VVVV Etj VV + =+= + = MZM工作原理 1212 ()() ( )( )cosexp 22 outin VVVV EtE tj VV + = 2 12 () ( )( )cos 2 outin VV PtP t V = 02468101214161820 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 voltage(v) optical transmission Vpi minimum transmission quandrature point maximum transmission C B A MZM传输曲线传输曲线传输曲线传输曲线 V2=0时为单驱动时为单驱动
8、时为单驱动时为单驱动 V1-V2 各种调制方法对比 几乎为零几乎为零几乎为零几乎为零很小很小很小很小否否否否可消除啁啾可消除啁啾可消除啁啾可消除啁啾 5dB10dB-插入损耗插入损耗插入损耗插入损耗 20dB10dB低低低低消光比消光比消光比消光比 约约约约4V约约约约2V小小小小驱动电压驱动电压驱动电压驱动电压 不相关不相关不相关不相关相关相关相关相关相关相关相关相关波长相关性波长相关性波长相关性波长相关性 难难难难容易容易容易容易-与与与与LD集成集成集成集成 40Gb/s或以上或以上或以上或以上10Gb/s和和和和40Gb/s小于小于小于小于2.5Gb/s应用场合应用场合应用场合应用场合
9、 复杂复杂复杂复杂一般一般一般一般简单简单简单简单复杂度复杂度复杂度复杂度 MZ干涉干涉干涉干涉电吸收原理电吸收原理电吸收原理电吸收原理直接驱动激光器直接驱动激光器直接驱动激光器直接驱动激光器原理原理原理原理 MZ调制调制调制调制电吸收调制电吸收调制电吸收调制电吸收调制直接调制直接调制直接调制直接调制调制方式调制方式调制方式调制方式 发射机: 驱动和温控电路 发射机的驱动电路。 温度控制 功率控制 放大电路：信号电放大以达到V 发射机：调制格式 幅度调制格式 NRZ：Non-return-to-zero RZ: Return-to-zero CSRZ: Carrier-suppressed R
10、Z 相位调制格式 B(D)PSK: Binary (Differential) phase shift keying NRZ-DPSK, RZ-DPSK, CSRZ-DPSK DQPSK: Differential Quadrature phase shift keying NRZ-DQPSK, RZ-DQPSK, CSRZ-DQPSK 常用调制格式：OOK 时域 频域 常用调制格式：DPSK 时域 频域 各种码型及其特点综合介绍参考文章 P. J. Winzer and R.-J. Essiambre, “Advanced Optical Modulation Formats”, Proce
11、edings of IEEE, vol. 94, no. 5, pp. 952-984, May 2006. Review on Chapter 3 光发射机中的核心是光源和调制部分。 光源：干线中光源要求输出功率高、动态单纵 模；接入网中的光源要求低成本； 调制部分：直接调制，驱动电路；高速外调制， 新型格式； 半导体发光的物理基础：自发辐射和受激发射； 自发辐射是宽谱，无方向选择性；受激发射有频率选择性， 有方向选择性； 粒子数反转情况下，自发辐射和受激发射都会增强，受激发 射会超过受激吸收，自发辐射产生的光子可能会得到增强； 正向偏置的PN结中，费米能级发生分离，分离量与外加偏置 电压有
12、关系，当费米能级分离超过带隙宽度时，形成粒子数 反转区域； 电子空穴复合不一定释放出光子，不释放光子的为非辐射复 合。非辐射复合与温度相关，直接影响光源的量子效率。 半导体材料组分决定禁带宽度，也决定自发辐射的峰值波 长； LED：宽自发发射谱（自发发射）； 外量子效率低，输出功率小； 载流子寿命长，调制速率低； 但是价格便宜，PI线性好, 无谐振腔（对外界反射不敏感），寿 命长，无需制冷； 适合用在短距离低速模拟通信中。 LD工作条件 三要素：工作物质，泵浦源，谐振腔； 某一个模式激射：在自发谱内，满足相位条 件，满足阈值条件； 问题：某一种组分材料决定一个自发辐射峰 值波长，一定会激射吗？
13、 LD结构：输出功率的提高，阈值电流的降低 双异质结中存在禁带宽度的差，可以对载流子起一 定限制作用，折射率差可以对光子起限制作用； 条形激光器是在双异质结基础之上再加一维（侧 向）限制作用，限制注入电流通道或者形成内建折 射率波导； 量子阱激光器是在双异质结和条形激光器基础上， 对有源区中的载流子进一步增加限制作用，垂直于 阱壁方向无自由度，电子空穴对自由度越小，复合 的几率会增加，内量子效率会提高； 量子阱基础之上量子线、量子点激光器的阈值电流 进一步降低。 LD纵模的控制：单纵模 纵模是频率上的概念，横模是空间上的能量分布，但二者有 联系；横模会影响模式折射率，进而影响纵模； DFB激光
14、器和DBR激光器的工作机理。布拉格光栅起一个选择 性反射镜作用，只对布拉格波长有高的反射率，布拉格波长 最容易满足阈值条件，最容易激射起来。 耦合腔激光器是在内谐振腔的基础上再加一个外部谐振腔， 激射的模式必须满足这两个谐振腔的相位条件； 单片集成结构的可调谐激光器基本工作原理: 注入载流子浓度 的改变，会引起折射率的改变，相位条件改变； 垂直腔表面发射激光器纵模间隔很大，会超过自发发射谱宽 度，因而较容易实现单纵模。便于形成激光器阵列。 LD输出特性：静态特性和动态特性 静态特性：PI特性 动态特性：调制特性 啁啾：注入电流突变时引起激光器频率的漂移； 问题：为什么直接调制不能工作在10G以
15、上速率？ 光电延迟，张驰振荡，自脉冲行为，码型效应 LD输出功率大，光谱线宽窄，调制速率高，可用于高速 长距离通信中； 但相对于LED，价格较高，有谐振腔，受反馈光影响严 重，需要制冷，寿命相对较短（百万小时） 外调制和内调制； 外调制：啁啾可控制，可产生多种码型，可实现40G以上速率；但相对成本较 高，偏振相关，插入损耗较大； 内调制：实现方式简单，成本低，但啁啾较大，难以工作在10G以上速率； 外调制器：电场引起折射率的变化（电光晶体）和电场引起吸收边带的变化 （半导体材料）； MZM调制器：比较成熟，在商用系统中广泛采用，啁啾控制，但偏振相关、 插入损耗较大，成本较高，驱动电压较高；EA调制器：存在啁啾，便于集 成，可实现偏振无关，驱动电压低，但工艺不成熟。 NRZ格式：只需一个外调制器，光谱线宽窄，但是无时钟分量，不便于时钟提 取； RZ格式：产生需要两个调制器，有时钟分量，不同占空比会有不同的光谱特 性，目前被广泛研究； 光源的驱动电路 LED的模拟驱动需要非线性补偿，数字驱动主要考虑的是调 制速率的提高。射极耦合驱动电路的分析； LD的驱动电流中存在偏置电流和调制电流两部分，调制电 路部分与LED的数字驱动相同；偏置电路部分实际上是一个 恒流源，电流的大小受反馈光功率大小的控制，从而实现 自动功率控制； LD的自动温度控制主要包括：温度采样和致冷器两部分；
