有源光器件专题-光收发器件课件.ppt

1、2001-06l光纤通信系统对光接收发送器件的需求l光接收器件基本原理l光接收器件发展趋势l光发送器件基本原理l光发送器件发展趋势终端设备（光发送机）终端设备（光发送机）终端设备（光接收机）终端设备（光接收机）光电变换前置放大主放大器均衡滤波判决器译码器时钟恢复AGC电路输出l更长的工作波长，更高的波长响应度l更快的响应速度l更小的噪声l更好的温度特性l更小的体积l更长的寿命l光电效应l接收机组件PNV0耗尽区光功率gcginEhcEhheRPRIp/，即光电效应前提量子效率的波长特性光电流lI:增加的一层重搀杂的N层，用于增大耗尽区的宽度，提高量子效率PNV0耗尽区Il利用“雪崩”效应倍增P

2、NV0耗尽区I+吸收增益PnBpVRIVg)(11l光电转换效率/响应度l暗电流l响应速度(带宽)l光电转换效率l暗电流l雪崩倍增噪声（APD）l雪崩倍增因子M（APD）l响应速度（增益带宽积）电压放大器RCjARH1)(互阻放大器11)1()(ARCjRAAHFFl放大器增益受限于反馈电阻，容易实现l放大器带宽宽，无须额外的均衡电路，从而提高动态范围l较低的噪声指数l接收机灵敏度l接收机的光口反射l定义：BER达到特定指标(1e-12)时，要求的最小输入光功率l量子极限灵敏度l接收器件噪声量子噪声APD器件的雪崩噪声l前置放大器件的噪声偏置电阻的热噪声放大电路的噪声l高频响应2.5Gb/s信

3、号，要求达到1.8GHz10Gb/s信号，要求达到8GHzl低频响应2.5Gb/s信号，要求达到300kHz10Gb/s信号，要求达到100kHzl低频响应直接影响允许的长0及长1码个数 PIN 放大器 Cd-分布电容 Rs接触电阻 Gd-分布电阻 Rb偏置电阻l零场区光生载流子的扩散时间l耗尽区光生载流子的漂移时间l雪崩倍增建立时间10Gb/s PIN/FET2.5Gb/s APD/FETl温度升高，Vb增大，M下降dVb/dT 0.1V/oCl温度升高，噪声电平提高调制电路激光器制冷器温控电路APC 电路性能检测电信号光输出l更长的工作波长l更稳定的波长特征更稳定的波长特征+更灵活的波长特

4、征更灵活的波长特征l更快的响应速度l更小的RIN噪声及线宽l更高的集成度l更长的寿命PN结PN结能带结构空间电荷区自建场PNEfeV0eVPNNPn有源区n1-n2折射率光强发光三要素：l谐振腔l增益物质l激励 Gain GainggWavelengthSingle Frequency(a)WavelengthMulti-mode(b)DFB LaserFabry-Perot LaserARARCorrugatedGrating00LossLoss图 2-1),(),(:),0(),0(:0)(,(1),(),(),()(),(),(),(1)(),(),(1)(223200tLRtLRLzt

5、RtRzRRtzgvtzCNtzBNtzANeVtItzNttzjKRtzRtvjgztzjKRtzRtvjgzFrBBlFBFgBFgBFgl阈值电流变大l阈值波长向长波长方向移动图 2.3.1-B/4 DFB 激光器的阈值波长及阈值电流与有源区的温度的关系图 2.3.6-A 常规 DFB 激光器的注入电流对激光器的有源区的载流子浓度及光子浓度分布的影响图 2.3.6-A /4 DFB 激光器的注入电流对激光器的有源区的载流子浓度及光子浓度分布的影响l注入电流增加使得激光器的输出光功率变大l注入电流增加使得激光器的有源区空间载流子浓度变大,导致波长向短波长方移动:脉冲注入电流 l注入电流增加

6、使得激光器的有源区的温度升高,导致波长向短波长方移动l综合以上:连续注入电流时 0.01nm/mAlDFB激光器外光路的反馈等价于激光器端面反射率的变化l外光路的反馈l引起的激光器的波长变化量与相位有关l引起的激光器的波长最大变化与反射率有关l在动态调制时引入额外的chirpl张弛振荡不可避免l啁啾系数较大:0.7l定义l正啁啾与色散的影响类似，导致脉冲展宽，缩短传输距离tjIjeeIE0)()()(Re()()(Im()2/(1*dttdEtEdttdEtEtIItm 啁啾因子 传输距离 60km 80km-0.7 l随着脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽l无啁啾光源的传输距离：l理想无啁啾

7、光源传输距离：2.5Gb/s：G.652光纤传输1000km(17000ps/nm)10Gb/s：G.652光纤传输60km(1000ps/nm)l直接调制激光器的传输距离：2.5Gb/s：G.652光纤传输180km(3200ps/nm)/(*)/(10*252kmnmpskmsGbDLBl电吸收外调制器lMach-Zehnder外调制器LiNbO3外调制器III-V外调制器物理效应 调制器结构 Henry系数 开态时吸收率 消光比 Franz-Kledish 条型 基本上为正 大 小 Stark Shift 多量子阱 可以达到负 小 大 Wannier-Stark 超晶格 可以达到负 很小

8、 小 l啁啾系数容易控制，可以为，也可以为负微波电极微波电极微波电极UiEinPinEoutPoutE1E2光波导)()(2tan()()()()(121212tVtVVcttttml波长稳定技术温度反馈控制技术波长反馈控制技术l激光器波长的长时间漂移：0.10.2nml采用无源器件进行波长锁定，可以有效防止波长随着时间的漂移，波长漂移5GHz 2.5Gbit/s 驱动器驱动器 温度温度-波长控制波长控制/监控电路监控电路 MQW-DFB 激光器激光器 外调制器外调制器 设置输入设置输入/监控输出监控输出 2.5Gbit/s 电输入信号电输入信号 2.5Gbit/s 光输出信号光输出信号 外部

9、波长反馈输入外部波长反馈输入 l传统的DFB激光器的波长调节利用温度调节0.1nm/OC范围有限l可调波长激光器多段DFBDBRVSECL外腔激光器激光器类型 优点 缺点 应用场合 DFB 波长稳定性 生产工艺成熟 输出光功率低 有限的调节范围 波长备份、窄调节应用 DBR 快速调节时间 宽调节范围 低输出光功率，线宽宽，不可连续调节，波长稳定性差 Access、Metro、OADM VCSEL 线宽窄（O/P），模式稳定、易于耦合、低功率消耗 输出光功率低，目 前 产 品 多 在850/1310nm Metro、Access Micro-ECL 大输出光功率，窄线宽，低 RIN，连续调节，宽调节范围 切换时间慢，对振动敏感 长 距 离、Metro、OADM lEDFA泵浦激光器980nm/1480nmlRaman放大器谢谢