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有源光器件专题-光收发器件


光纤通信系统中的 光接收与光发送器件
2001-06

主要内容
光纤通信系统对光接收发送器件的需求 光接收器件基本原理 光接收器件发展趋势 光发送器件基本原理 光发送器件发展趋势

光纤通信系统中 光接收发送器件的应用

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)

光接收器件

光纤通信系统的光接收机
光电 变换 前置 放大 主放 大器 均衡 滤波 判 决 器 译 码 器
输出

AGC电路

时钟恢复

光通信系统对光接收器件的要求
更长的工作波长,更高的波长响应度 更快的响应速度 更小的噪声 更好的温度特性 更小的体积 更长的寿命

光接收器件基本原理
光电效应 接收机组件

光电效应
? 光电流 Ip = R ? Pin ? 量子效率的波长特性 eη R= hυ ? 光电效应前提 h υ > E g ,即 λ < λ c = hc / E g
光功率

V0

P
耗尽区

N

不同材料的接收器件响应度

PIN光电二极管 PIN光电二极管
V0

P

I
耗尽区

N

I: 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

PIN的结构 PIN的结构

APD光电二极管 APD光电二极管
V0

+ P

I
耗尽区 吸收

P N+

增益

利用“雪崩”效应倍增= g
1? (

1 V ? I pR VB

)n

APD的结构 APD的结构

PIN的主要指标 PIN的主要指标
光电转换效率/响应度 暗电流 响应速度(带宽)

APD的主要指标 APD的主要指标
光电转换效率 暗电流 雪崩倍增噪声(APD) 雪崩倍增因子M(APD) 响应速度(增益带宽积)

光接收器件组件 PIN/FET及 PIN/FET及APD/FET

光接收器件组件中的 前置放大器

AR H (? ) = 1 + j?RC 电压放大器

?A RF H (? ) = ( ) A + 1 1 + j?C RF A +1 互阻放大器

互阻放大器的优点
放大器增益受限于反馈电阻,容易实现 放大器带宽宽,无须额外的均衡电路, 从而提高动态范围 较低的噪声指数

光接收器件组件的主要指标
接收机灵敏度 接收机的光口反射

接收机灵敏度
定义:BER达到特定指标(1e-12)时,要 求的最小输入光功率 量子极限灵敏度

影响接收机灵敏度的因素影响接收机灵敏度的因素-噪声
接收器件噪声
– 量子噪声 – APD器件的雪崩噪声

前置放大器件的噪声
– 偏置电阻的热噪声 – 放大电路的噪声

影响接收机灵敏度的因素影响接收机灵敏度的因素-带宽
高频响应
– 2.5Gb/s信号,要求达到~1.8GHz – 10Gb/s信号,要求达到~8GHz

低频响应
– 2.5Gb/s信号,要求达到~300kHz – 10Gb/s信号,要求达到~100kHz

低频响应直接影响允许的长0及长1码个 数

接收器件的响应速度(1 接收器件的响应速度(1) 封装电容及电阻

PIN

放大器

Cd--分布电容 Gd--分布电阻

Rs—接触电阻 Rb—偏置电阻

接收器件的响应速度(2 接收器件的响应速度(2) transit time
零场区光生载流子的扩散时间 耗尽区光生载流子的漂移时间 雪崩倍增建立时间

接收器件的响应速度(3) 接收器件的响应速度(3) RF接头 RF接头

2.5Gb/s APD/FET

10Gb/s PIN/FET

APD的温度特征 APD的温度特征
温度升高,Vb增大,M下降 dVb/dT~ 0.1V/oC 温度升高,噪声电平提高

光发送器件

光纤通信系统的光发射机
APC 电路
电信号 光输出

调制电路

激光器 制冷器

温控电路

性能检测

光通信系统对光发送器件的要求
更长的工作波长 更稳定的波长特征+更灵活的波长特征 更稳定的波长特征 更灵活的波长特征 更快的响应速度 更小的RIN噪声及线宽 更高的集成度 更长的寿命

光发送器件基本原理

半导体发光原理
自建场

P

N

P

n

N

空间电荷区

PN结 N
Ef

有源区

eV0

P

折射率

n1-n2 eV
光强

PN结能带结构

半导体激光器
发光三要素: 谐振腔 增益物质 激励

DFB激光器原理 DFB激光器原理
DFB Laser AR AR
Corrugated Grating ?g Loss

Fabry-Perot Laser

λ λ0

Loss

λ λ0

?g

Gain

Gain

Wavelength Single Frequency (a) 图 2-1

Wavelength Multi-mode (b)

[

1 ? ? + ( g0 + jδ ) + ]RF ( z, t ) = ? jKRB ( z, t ) ?z vg ?t

DFB激光器的耦合波方程 DFB激光器的耦合波方程 ----分析激光器的静态特征 ----分析激光器的静态特征

? 1 ? [ + ( g0 + jδ ) + ]RF ( z, t ) = ? jKRB ( z, t ) ?z vg ?t ? I (t ) 1 2 2 N ( z, t ) = ? [ AN ( z, t ) + BN 2 ( z, t ) + CN 3 ( z, t )] ? g ( z, t )( RF + RB ) ?t eV vg z = 0 : RF (0, t ) = ρl RB (0, t ) z = L : RB ( L, t ) = ρ r RF ( L, t )

温度对DFB激光器的影响 温度对DFB激光器的影响
阈值电流变大 阈值波长 向长波长方向移动

图 2.3.1-B λ/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

注入电流时激光器的空间载流 子及光子浓度分布

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 λ/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

注入电流对激光器的影响
注入电流增加使得激光器的输出光功率 变大 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 注入电流增加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 综合以上:连续注入电流时 ~0.01nm/mA

外光路反馈的影响
DFB激光器外光路的反馈等价于激光器端面反 射率的变化

外光路的反馈
引起的激光器的波长变化量与相位有关 引起的激光器的波长最大变化与反射率有关 在动态调制时引入额外的chirp

DFB激光器的速率方程 DFB激光器的速率方程 ----分析激光器的动态特征 ----分析激光器的动态特征

DFB激光器的直接调制性能 DFB激光器的直接调制性能

张弛振荡不可避免 啁啾系数较大:~0.7

直接调制DFB激光器的啁啾 直接调制DFB激光器的啁啾
定义
传输距离 80km

E = I ? e jΦ ( I ) ? e j? 0t
dE (t ) Im( E (t ) ) dt αm = = ?I dE (t ) * 1 /(2 I ) Re( E (t ) ) ?t dt
*

?Φ ?t

60km

-0.7

啁啾因子

正啁啾与色散的影响类似,导致脉冲展宽,缩 短传输距离

啁啾缩短传输距离
随着脉冲在光纤中传输,脉冲的宽度被展宽 无啁啾光源的传输距离:

B 2 * L * D ≤ 105 (Gb / s ) 2 * km * ( ps / nm / km)
理想无啁啾光源传输距离: 2.5Gb/s:G.652光纤传输1000km(17000ps/nm) 10Gb/s: G.652光纤传输60km(1000ps/nm) 直接调制激光器的传输距离: 2.5Gb/s: G.652光纤传输<180km(3200ps/nm)

外调制技术
电吸收外调制器 Mach-Zehnder外调制器
– LiNbO3外调制器 – III-V外调制器

电吸收外调制器

物理效应 Franz-Kledish Stark Shift Wannier-Stark

调制器结构 条型 多量子阱 超晶格

Henry系数 基本上为正 可以达到负 可以达到负

开态时吸收率 大 小 很小

消光比 小 大 小

集成电吸收外调制/ 集成电吸收外调制/激光器

集成电吸收外调制/ 集成电吸收外调制/激光器 传输性能

发送端眼图

传输8X80km后眼图 传输8X80km后眼图

Mach-Zehnder外调制器 Mach-Zehnder外调制器
微波电极

Ui Ein Pin
光波导 微波电极 微波电极

E1 Eout Pout

E2

αm =

? β 2 ( t ) + ?β 1 ( t ) π ? c tan( (V2 (t ) ? V1 (t )) ?β 2 ( t ) ? ?β 1 ( t ) 2Vπ

啁啾系数容易控制,可以为0,也可以为负

LiNbO3外调制器 LiNbO3外调制器

集成III集成III-V外调制/激光器

DWDM激光器的要求 DWDM激光器的要求 -波长稳定
波长稳定技术
– 温度反馈控制技术 – 波长反馈控制技术
MQW-DFB 激光器 外调制器 2.5Gbit/s 光输出信号 温度-波长控制 温度 波长控制 /监控电路 监控电路 2.5Gbit/s 驱动器 2.5Gbit/s 电输入信号

外部波长反馈输入

设置输入/监控输出 设置输入 监控输出

激光器波长的长时间漂移:0.1~0.2nm 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

波长锁定技术原理 -采用Fabry-Perot标准具 -采用Fabry-Perot标准具

OXC激光器的要求 OXC激光器的要求 -波长可调
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

可调波长激光器
– – – –

多段DFB DBR VSECL 外腔激光器

多段DFB激光器 多段DFB激光器

DBR激光器 DBR激光器

可调EML激光器 可调EML激光器

VCSEL原理 VCSEL原理

可调波长的VCSEL 可调波长的VCSEL

外腔激光器

各种可调激光器的性能对比
激光器类型 DFB DBR 优点 波长稳定性 生产工艺成熟 快速调节时间 宽调节范围 线宽窄(O/P) ,模式 稳定、易于耦合、低 功率消耗 大输出光功率,窄线 宽,低 RIN,连续调 节,宽调节范围 缺点 输出光功率低 有限的调节范围 低输出光功率,线宽 宽,不可连续调节, 波长稳定性差 输出光功率低, 目 前 产 品 多 在 850/1310nm 切换时间慢,对振动 敏感 应用场合 波长备份、窄调节应 用 Access 、 Metro 、 OADM Metro、Access

VCSEL

Micro-ECL

长 距 离 、 Metro 、 OADM

光发送器件的其它应用
EDFA泵浦激光器980nm/1480nm Raman放大器

光发送器件的安全性要求

谢谢


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