1、第10章 光發(fā)射機(jī)與光接收機(jī),10.1 光源 10.2 光發(fā)射機(jī) 10.3 光電檢測器 10.4 光接收機(jī) 10.5 光電集成器件與電路,10.1 光 源,10.1.1 半導(dǎo)體光源的發(fā)光機(jī)理 半導(dǎo)體發(fā)光器件是通過電子在能級(jí)之間的躍遷而發(fā)光的。 在構(gòu)成半導(dǎo)體晶體的原子內(nèi)部各個(gè)電子都占有所規(guī)定的能級(jí)。 如果讓占據(jù)較高能級(jí)Ei的電子躍遷到較低能級(jí)Ej上，就會(huì)以光的形式放出等于能級(jí)差的能量，這時(shí)能級(jí)差Eg和光的振蕩頻率f之間的關(guān)系為,Eg=hf,式中，h為普朗克常數(shù)(h=6.62610-34 Js)。,(10.1),半導(dǎo)體發(fā)光器件由適當(dāng)?shù)腜型材料和N型材料所構(gòu)成，兩種材料的交界區(qū)形成P-N結(jié)，如果在P

2、-N結(jié)上加上正向電壓，則N型區(qū)的電子及P型區(qū)的空穴源源不斷地流向P- N 結(jié)區(qū)。在那里電子與空穴自發(fā)地復(fù)合，復(fù)合時(shí)電子從高能級(jí)的導(dǎo)帶躍遷至低能級(jí)價(jià)帶而產(chǎn)生與躍遷所釋放的能量相等的光子。在這種情況下， 各個(gè)光子在時(shí)間上及方向上都不相同，這種光稱為自發(fā)光, 該發(fā)光器件叫做發(fā)光管。 其發(fā)光機(jī)理如圖 10.1 所示。,圖 10.1 發(fā)光機(jī)理示意圖 (a) 光的自發(fā)發(fā)射； (b) 光的受激發(fā)射,另一種光稱為激光，是利用諧振腔產(chǎn)生振蕩的原理而獲得的。在P-N結(jié)的兩端加工出兩個(gè)平行光潔的反射鏡面。此鏡面垂直于P-N結(jié)的平面，和它的長度方向形成一個(gè)諧振腔。當(dāng)施加正向電壓于P-N結(jié)時(shí)，P-N結(jié)內(nèi)首先發(fā)出自發(fā)光，

3、其中部分光子沿著與反射面垂直的方向前進(jìn)，這一部分光子受反射鏡面的反射，在諧振腔內(nèi)來回反射。 同時(shí)，激光腔內(nèi)的電子與空穴復(fù)合，即激發(fā)電子從導(dǎo)帶躍遷至價(jià)帶而產(chǎn)生新的光子。 部分新產(chǎn)生的光子也同樣在諧振腔內(nèi)來回反射。只要外加的電壓和電流足夠大，那么光子的來回反射將激發(fā)更多的光子，產(chǎn)生正反饋?zhàn)饔茫故芗ぐl(fā)光大為加強(qiáng)，遂產(chǎn)生激光。反射鏡面是半透明的，既可使部分光子反射回腔內(nèi)，也可讓部分光子輻射出去。 這種發(fā)光器件叫做激光器。,光子能量E和波長之間的變換關(guān)系如下：,(10.2),例如, 砷化鎵半導(dǎo)體的帶隙為1.36 eV，則砷化鎵發(fā)光二極管的輻射波長=1.2398/1.36=0.91m。該波長處于近紅外區(qū)

4、，在摻入鋁后可改變波長。因此, 短波長光源采用GaAlAs, 而長波長光源用InGaAsP。目前，光纖通信使用的光源，短波長的有GaAlAs激光器(LD)和GaAlAs發(fā)光二極管(LED)；長波長的有InGaAsP激光器(LD)和InGaAsP發(fā)光二極管(LED)。,10.1.2 光源的分類及特性 在光纖通信系統(tǒng)中，光源的基本功能是將電流形式的電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽埽l(fā)出的光有效地耦合到光纖中。 光源是光纖通信的核心器件，其種類和性能的好壞在很大程度上決定了系統(tǒng)的類型和性能。 光源的種類及特性見表10.1。,表10.1 光源的種類及特性,表10.1 光源的種類及特性,表10.1 光源的種類及特性,

5、表10.2 發(fā)光二極管的類型及特點(diǎn),激光器的模式有縱模和橫模之分。在與激光器諧振腔軸平行方向(即縱向)的電磁場分布(即模式)稱為縱模；在與激光器諧振腔軸垂直方向(即橫向)的電磁場分布(醬模式)稱為橫模?？v模反映了激光器光強(qiáng)隨波長的變化情況即光譜特性，激光器有多縱模和單縱模之分。多縱模激光器輸出的光譜中包含若干個(gè)縱模，縱模在光譜中是一根根離散的線譜，不同縱模上的光能量(即光強(qiáng))分布是不同的，其中有一個(gè)縱模光強(qiáng)最大的稱為主模， 主模旁邊的其它縱模光強(qiáng)都較小的稱為旁模或邊模。單縱模激光器只有一個(gè)縱模能夠正常工作，其它縱模都受到抑制，是實(shí)現(xiàn)單模工作的激光器。橫模反映了激光器輸出光束光強(qiáng)的空間分布，即方

6、向特性的集散程度，直接影響到光源與光纖的耦合效率。,在實(shí)際應(yīng)用中，為了使發(fā)射波長與光纖通信系統(tǒng)的低損耗或低色散波長區(qū)相吻合，光源又按發(fā)射波長分為兩大類，即短波長(0.80.9 m)波段光源和長波長(1.21.7 m)波段光源， 而長波段光源又分為1.3m波長光源和1.55 m波長光源兩種。 按照材料特性光源可分為兩大類，即半導(dǎo)體光源器件和非半導(dǎo)體光源器件。半導(dǎo)體光源器件包括發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器。 短波長半導(dǎo)體光源器件是利用AlGaAs/GaAs材料制成的， 而長波長半導(dǎo)體光源器件則是利用InGaAsP/InP材料制成的。 兩者都是多層外延， 形成雙異質(zhì)結(jié)。,10.1.3 半導(dǎo)體激光器的原理

7、和結(jié)構(gòu),1. P-N結(jié)半導(dǎo)體激光器,P-N結(jié)半導(dǎo)體激光器也叫同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器。 它是結(jié)構(gòu)最簡單的半導(dǎo)體激光器。下面以GaAs激光器為例進(jìn)行討論。 GaAs激光器的結(jié)構(gòu)如圖 10.2 所示，它的核心部分是一個(gè)P-N結(jié)。 P-N結(jié)由P+ GaAs 和N+GaAs構(gòu)成， 激光就是由P - N結(jié)結(jié)區(qū)發(fā)出的， 因此P - N結(jié)也叫作用區(qū)。,圖 10.2 P-N結(jié)半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)簡圖,P-N結(jié)的兩個(gè)端面是按照晶體的天然解理面切開的，相當(dāng)于反射鏡。它們的反射系數(shù)約為0.32，若將表面涂敷可得到很高的反射系數(shù)。這就組成了光學(xué)諧振腔。典型的尺寸為長L=250500 m, 寬W=510 m, 厚d=0.10.2

8、 m。 半導(dǎo)體激光器在正向偏壓下工作， 外加電壓就是電的泵浦源。在正向偏壓的作用下，電子流不斷注入P-N結(jié)，使P-N結(jié)的載流子失去平衡而處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)那些高能級(jí)上的粒子向低能級(jí)躍遷時(shí)就發(fā)出光子。光學(xué)諧振腔起反饋及選頻作用， 光束在這里來回反射而得到增強(qiáng)。當(dāng)滿足振蕩條件時(shí)，就可得到激光。,2. 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器,異質(zhì)結(jié)激光器分單異質(zhì)結(jié)激光器和雙異質(zhì)結(jié)激光器。根據(jù)工作波長的不同，所用的材料也不同。圖10.3 給出了應(yīng)用在=0.840.9m的單異質(zhì)結(jié)激光器與雙異質(zhì)結(jié)激光器結(jié)構(gòu)簡圖。 它們是用GaAs材料與GaAlAs材料制成的。,圖 10.3 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖 (a) 單異質(zhì)

9、結(jié)激光器； (b) 雙異質(zhì)結(jié)激光器,材料Ga1-xAlxAs是指在GaAs材料中摻入AlAs而形成的，叫做砷鎵鋁三元素晶體。下標(biāo)x與1-x是指AlAs與GaAs的比例。若總數(shù)為1，則AlAs占x份，而GaAs占1-x份，P-Ga1-xAlxAs與n-Ga1-xAlxAs各代表P型與N型砷鎵鋁材料。為了簡化，一般常用P-GaAlAs，N-GaAlAs這樣的表示法，只有特殊需要時(shí)才標(biāo)明其x值。這種合成材料的折射率、禁帶寬度、損耗等都與GaAs材料不同，它與GaAs是不同的物質(zhì)。,在半導(dǎo)體激光器件中，異質(zhì)結(jié)起著重要的作用。異質(zhì)結(jié)是由兩種不同的材料構(gòu)成的，在本例中是由GaAs和GaAlAs結(jié)合而成的。

10、根據(jù)形成異質(zhì)結(jié)的兩種材料的導(dǎo)電類型， 異質(zhì)結(jié)又分反型異質(zhì)結(jié)與同型異質(zhì)結(jié)兩種。反型異質(zhì)結(jié)是由導(dǎo)電類型相反的兩種不同材料形成的，例如由N型GaAs與P型GaAlAs或P型GaAs與N型GaAlAs材料構(gòu)成。前一種記為N-P GaAs-GaAlAs，后一種記為P-N GaAs-GaAlAs。同型異質(zhì)結(jié)是由導(dǎo)電類型相同的兩種不同材料形成的，例如由P-GaAs和P-GaAlAs或N-GaAs和N-GaAlAs構(gòu)成， 它們各記為P-P GaAs-GaAlAs和N-N GaAs-GaAlAs。,10.1.4 半導(dǎo)體激光器的特性 1. 伏安特性 半導(dǎo)體激光器通常在正向偏壓下工作。當(dāng)接通電源后，激光器并不立即產(chǎn)

11、生電流，而有一個(gè)導(dǎo)通電壓(一般在1V以下)。當(dāng)外加電壓超過此電壓后，電流隨外加電壓而增大。在閾值(門限值)以上， 半導(dǎo)體激光器的伏安特性可用下式表示：,(10.3),式中，Eg為禁帶能量，取決于材料本征值，由式(10.1)決定。e為電子電荷。Rs為二極管串聯(lián)電阻。,圖10.4所示為GaAlAs激光器的伏安特性曲線。通常要求在閾值附近電壓U2 V, Rs5 ，以防燒壞管子。,圖 10.4 激光器伏安特性曲線,2. 激光器輸出光功率特性,圖 10.5 激光器P-I特性 (a) LD的P-I曲線； (b) LD的P-I曲線扭折現(xiàn)象,1) 微分量子效率d 激光器輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量之比，

12、定義為微分量子效率，即,(10.4),式中，Po/I就是P-I曲線的斜率。室溫下，GaAlAs激光器的d40%50%(非尾纖輸出值)。,2) 功率轉(zhuǎn)換效率p 激光器的輸出光功率與器件消耗電功率之比， 定義為功率轉(zhuǎn)換效率， 即,(10.5),式中，Po是在電流I時(shí)的發(fā)射光功率。器件的功耗取決于串聯(lián)電阻和熱阻，它隨電流增加而增加。通常用于光通信的半導(dǎo)體激光器， 功率轉(zhuǎn)換效率約為5%10%。,在光通信用半導(dǎo)體激光器中，對(duì)微分量子效率不要求過高，否則將產(chǎn)生自脈動(dòng)現(xiàn)象和光反射噪聲。一般尾纖輸出的P-I曲線斜率P/I0.8 mW/10 mA較為適宜。P-I曲線無扭折。 有扭折則出現(xiàn)光的脈動(dòng)現(xiàn)象。要求在閾值

13、附近的熒光輸出功率盡量小(50W)才能保證輸出光功率的消光比(10%)滿足要求。,3. 激光器的光場 激光器發(fā)射的光功率的光場典型情況如圖 10.6 所示。 一個(gè)良好的激光器輸出的光功率分布如圖10.7 中的實(shí)線所示， 它只有一個(gè)光斑， 激射的是0階?；蚍Q為單橫模。一個(gè)具有 1 階模的情況如虛線所示，它具有兩個(gè)光斑。 自發(fā)輻射的光功率分布如點(diǎn)畫線所示。在光纖通信中，為了使光能的大部分耦合到光纖中去， 所以一般要求激光器激射單橫模。 激光器的發(fā)光面積是很小的， 約 120 m。 其發(fā)散角一般為515。,圖 10.6 激光器的光場,圖 10.7 激光器的光功率空間分布,4. 激光器的光譜特性 光源

14、譜線寬度是衡量器件發(fā)光單色性的一個(gè)物理量。激光器發(fā)射光譜的寬度取決于激發(fā)的縱模數(shù)目。觀察半導(dǎo)體激光器的光譜， 可以看到激光器的光譜隨激勵(lì)電流而變化。當(dāng)激勵(lì)電流低于閾值電流時(shí)，發(fā)出的是熒光，這時(shí)的光譜很寬。當(dāng)電流增大到閾值時(shí)，發(fā)射光譜突然變窄，譜線中心強(qiáng)度急劇增加， 這表明出現(xiàn)了激光。由此可知，光譜變窄，單色性加強(qiáng)是半導(dǎo)體激光器達(dá)到閾值時(shí)的一個(gè)特征。因而可通過激光器光譜的測量來確定閾值電流。 短波長GaAlAs激光器的光譜特性如圖10.8(a)所示。它只有一根譜線，稱為單縱模。有些激光器的譜線如圖10.8(b)所示， 它具有幾根譜線，稱為多縱模。 激光器的激射頻率會(huì)隨注入電流微量變動(dòng)， 如圖 1

15、0.9 所示。,圖 10.8 GaAlAs LD的譜線 (a) 單縱模； (b) 多縱模,圖 10.9 激射頻率隨注入電流變動(dòng),5. 激光器的調(diào)制特性(瞬態(tài)特性),圖 10.10 激光器調(diào)制的頻率特性,(1) 張弛振蕩。 典型激光器的脈沖調(diào)制特性如圖 10.11 所示。,圖 10.11 激光器脈沖調(diào)制狀態(tài)下的張弛振蕩,(2) 自脈動(dòng)現(xiàn)象。自脈動(dòng)現(xiàn)象不是所有激光管都有。在P-I曲線有明顯扭折的激光器中， 如圖10.12(a)所示，當(dāng)注入電流達(dá)到某一值時(shí)(通常在P-I曲線發(fā)生扭折的區(qū)域內(nèi))， 輸出光脈沖呈現(xiàn)出如圖10.12(b)所示的持續(xù)的等幅振蕩，這種現(xiàn)象稱為激光器的自脈動(dòng)現(xiàn)象。自脈動(dòng)現(xiàn)象振蕩頻

16、率很高，約 600 MHz， 對(duì)輸出光脈沖起高頻干擾作用， 這是人們所不希望的現(xiàn)象。,圖 10.12 激光器的自脈動(dòng)現(xiàn)象 (a) 激光器P-I曲線的扭折現(xiàn)象；(b) 激光器的自脈動(dòng)現(xiàn)象,(3) 張弛振蕩與自脈動(dòng)現(xiàn)象同時(shí)存在。當(dāng)激光器受激輻射后，先出現(xiàn)一種張弛振蕩過程，緊接著發(fā)生自脈動(dòng)現(xiàn)象，如圖10.13 所示，這種現(xiàn)象并不普遍，一旦發(fā)生會(huì)輻射出兩種波長的光。,圖 10.13 激光器的張弛振蕩、 自脈動(dòng)現(xiàn)象,6. 激光器的溫度特性 半導(dǎo)體激光器閾值電流隨溫度增加而加大。尤其是工作于長波長波段的InGaAsP激光器，閾值電流對(duì)溫度更敏感。 半導(dǎo)體激光器輸出光功率閾值電流曲線受溫度變化影響見圖10.

17、14和圖10.15。,圖 10.14 短波長LD溫度特性,圖10.15 長波長LD溫度特性,7. 激光器的壽命 激光器的壽命可以用閾值電流的增值來估量。通常激光器的閾值隨使用時(shí)間增長而增大。經(jīng)驗(yàn)表明，激光器的閾值增大在50%內(nèi)， 能繼續(xù)工作， 當(dāng)閾值增達(dá) 3 倍時(shí)，激光器將迅速損壞。 目前， 激光器的壽命尚是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。 它對(duì)光纖通信系統(tǒng)的可靠性有決定性作用。,10.1.5 分布反饋 (DFB)激光器 在長距離、大容量光纖通信系統(tǒng)中，需要線寬窄、高速調(diào)制(即動(dòng)態(tài))下仍能在單縱模工作的半導(dǎo)體激光器動(dòng)態(tài)單縱模半導(dǎo)體激光器。目前，最為成功和應(yīng)用最為廣泛的激光器是一種稱為分布反饋(DFB)激光器的器

18、件。這種器件在內(nèi)部有源層上蝕刻有一層皺紋層，形成光柵，利用光柵尖銳的波長選擇特性只允許一種特定的模式能夠傳輸，同時(shí)抑制了其它縱模， 形成了單模工作條件。DFB激光器結(jié)構(gòu)及其光譜特性如圖10.16所示。圖中給出了一個(gè)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)示意圖及其光譜特性。蝕刻的光柵并不在真正的有源層，而在其上方。光柵和諧振腔能夠支持僅有的一個(gè)公共諧振縱模， 其波長由布拉格定律決定， 即,圖10.16 DFB激光器結(jié)構(gòu)及其光譜特性,10.1.6 發(fā)光二極管,1. 輸出光功率特性 發(fā)光二極管的輸出光功率P與電流I的關(guān)系曲線如圖 10.18 所示。當(dāng)注入電流較小時(shí)，發(fā)光二極管的輸出功率曲線基本是線性的。所以LED廣泛用于模擬系

19、統(tǒng)。但電流太大時(shí)，由于PN結(jié)發(fā)熱而出現(xiàn)飽和狀態(tài)。其輸出特性雖比LD好， 但遠(yuǎn)不是完全線性的。因此，當(dāng)傳輸彩色電視圖像信號(hào)時(shí)，其非線性失真引起的微分增益和微分相位失真問題必須考慮。為此，其驅(qū)動(dòng)電路里應(yīng)增加預(yù)失真補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。由于非線性比較差，因此不能在大容量的頻分多路通信中使用。,圖10.17 發(fā)光二極管的光場 （a）面發(fā)光管；（b）邊發(fā)光管,圖 10.18 LED輸出光功率與電流的關(guān)系曲線,圖 10.19 LED的輻射光譜,2. 光譜特性 LED的光譜特性如圖 10.19 所示。 LED的輻射光譜比LD寬很多，如長波長譜寬可達(dá) 100 nm， 短波長LED也有數(shù)十納米。由于光譜寬，光纖材料色散會(huì)引

20、起較大的光脈沖展寬， 限制了傳輸速率和距離。,3. 調(diào)制特性 發(fā)光二極管的調(diào)制特性如圖 10.20 所示。一般LED的最高調(diào)制頻率為2060 MHz。隨驅(qū)動(dòng)電流不同，調(diào)制速率也有所改變，一般在電流密度大時(shí)調(diào)制速率較高。改進(jìn)的LED調(diào)制速率可達(dá) 1 GHz。 4. 溫度特性 溫度對(duì)發(fā)光二極管的光功率影響比半導(dǎo)體激光器要小。例如，邊發(fā)射的短波長管和長波長管，在溫度由20 上升至70 時(shí)，發(fā)射功率分別下降為1/2和1/1.7(在電流一定時(shí))。因此， 對(duì)溫控的要求不像激光器那樣嚴(yán)格。其溫度特性參見圖10.21 及圖 10.22。,圖 10.20 發(fā)光二極管的調(diào)制特性,圖 10.21 短波長LED,圖

21、10.22 長波長LED,10.1.7 半導(dǎo)體光源與光纖的耦合 在光發(fā)射機(jī)中，如何減少半導(dǎo)體光源與光纖耦合的損耗， 從而提高耦合效率是一個(gè)重要的課題。最簡單的耦合方式是直接耦合，即光源與光纖對(duì)接。在半導(dǎo)體光源與小數(shù)值孔徑的光纖對(duì)接時(shí)，可用下列經(jīng)驗(yàn)公式粗略估算耦合效率:,(10.6),式中，c為耦合效率，NA為光纖的數(shù)值孔徑，和分別為光源的垂直光束發(fā)散角和水平光束發(fā)散角。,對(duì)于面發(fā)光二極管，=120，則式(10.6)可簡化為,(10.7),對(duì)于邊發(fā)光二極管，=120，則式(10.6)可簡化為,(10.8),圖 10.23 畫出了發(fā)光二極管和光纖的幾種耦合方法。,圖 10.23 LED與光纖的耦合

22、方法,圖 10.24 半導(dǎo)體激光器與光纖的耦合方法 (a) 直接耦合； (b) 球端光纖耦合； (c) 光纖透鏡耦合； (d) 自聚焦光纖透鏡耦合,10.2 光發(fā)射機(jī),10.2.1 光發(fā)射機(jī)的基本組成及要求 在光纖通信系統(tǒng)中，必須將電信號(hào)經(jīng)過發(fā)射機(jī)變換為光信號(hào)耦合進(jìn)光纖才能傳輸?shù)浇邮斩?。因此，光發(fā)射機(jī)是系統(tǒng)的重要組成部分。光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中的光發(fā)射機(jī)組成框圖如圖 10.25 所示。與模擬系統(tǒng)中的光發(fā)射機(jī)組成相比，除了都有一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路和光源外，它還多了擾碼、線路編碼和控制電路等部分。,圖 10.25 數(shù)字光發(fā)射機(jī)的組成,對(duì)光發(fā)射機(jī)的要求有許多， 但其中最主要的有以下四項(xiàng)指標(biāo)。 (1) 輸出光功率

23、及其穩(wěn)定性。發(fā)射機(jī)的輸出光功率， 實(shí)際上是從其尾巴光纖的出射端測得的光功率，因此應(yīng)稱為出纖光功率。 光功率的單位有時(shí)用絕對(duì)值表示，如W或mW。有時(shí)用相對(duì)值表示， 即相對(duì)于1 mW光功率的分貝數(shù)(1 mW光功率定義為0 dB)， 在工程上主要采用相對(duì)值表示， 即,(10.9),發(fā)射機(jī)輸出光功率的大小，直接影響系統(tǒng)的中繼距離，是進(jìn)行光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不可缺少的一個(gè)原始數(shù)據(jù)。輸出光功率的穩(wěn)定性要求是指當(dāng)環(huán)境溫度變化或器件老化過程中，輸出光功率要保持恒定， 例如穩(wěn)定度為5%10%。,(2) 消光比EXT。 消光比是指發(fā)全“0”碼時(shí)的輸出光功率P0和發(fā)全“1”碼時(shí)的輸出光功率P1之比，即,(10.10)

24、,消光比的大小有兩種意義：一是反映光發(fā)射機(jī)的調(diào)制狀態(tài)，消光比值太大，表明光發(fā)射機(jī)調(diào)制不完善， 電光轉(zhuǎn)換效率低； 二是影響接收機(jī)的接收靈敏度。一部性能完好的數(shù)字光發(fā)射機(jī)， 其消光比的值應(yīng)為EXT110。,(3) 光脈沖的上升時(shí)間tr, 下降時(shí)間tf以及開通延遲時(shí)間td。這些時(shí)間都是為了使光脈沖成為輸入數(shù)字信號(hào)的準(zhǔn)確重現(xiàn)， 即有相適應(yīng)的響應(yīng)速度。 (4) 無張弛振蕩。若加的電信號(hào)脈沖速率較高，則輸出光脈沖可能引起張弛振蕩，這時(shí)必須加以阻尼，以使發(fā)射機(jī)能正常工作。 此外，還有電路難易、電源功耗、成本等指標(biāo)。要達(dá)到較理想的指標(biāo)，就必須適當(dāng)選擇光源器件和驅(qū)動(dòng)電路。,10.2.2 光發(fā)射機(jī)的光調(diào)制技術(shù),1

25、. 光源調(diào)制方式 根據(jù)調(diào)制與光源的關(guān)系，光調(diào)制可分為直接調(diào)制和間接調(diào)制兩大類。直接調(diào)制方法僅適用于半導(dǎo)體光源(LD和LED)，這種方法是把要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)注入LD或LED，從而獲得相應(yīng)的光信號(hào)，所以采用電源調(diào)制方法。直接調(diào)制后的光波電場振幅的平方與調(diào)制信號(hào)成一定比例關(guān)系，是一種光強(qiáng)度調(diào)制(IM)的方法。,間接調(diào)制是利用晶體的電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、聲光效應(yīng)等性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)對(duì)激光幅射的調(diào)制，這種調(diào)制方式既適應(yīng)于半導(dǎo)體激光器，也適應(yīng)于其它類型的激光器。間接調(diào)制最常用的是外調(diào)制的方法，即在激光形成以后加載調(diào)制信號(hào)。其具體方法是在激光器諧振腔外的光路上放置調(diào)制器，在調(diào)制器上加調(diào)制電壓，使調(diào)制器的某些

26、物理特性發(fā)生相應(yīng)的變化，當(dāng)激光通過它時(shí)，得到調(diào)制。對(duì)某些類型的激光器，間接調(diào)制也可以采用內(nèi)調(diào)制的方法，即在激光器的諧振腔內(nèi)放置調(diào)制元件，用調(diào)制信號(hào)控制調(diào)制元件的物理性質(zhì)，將改變諧振腔的參數(shù)，從而改變激光輸出特性以實(shí)現(xiàn)其調(diào)制。,表 10.3 光源的各種調(diào)制方法,2. 光源直接調(diào)制原理 直接調(diào)制技術(shù)具有簡單、經(jīng)濟(jì)、 容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，是光纖通信中最常采用的調(diào)制方式，但只適用于半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管， 這是因?yàn)榘l(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器的輸出光功率(對(duì)激光器來說，是指閾值以上線性部分)基本上與注入電流成正比，而且電流的變化轉(zhuǎn)換為光頻調(diào)制也呈線性，所以可以通過改變注入電流來實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度調(diào)制。,從調(diào)制信號(hào)的

27、形式來說，光調(diào)制又可分為模擬信號(hào)調(diào)制和數(shù)字信號(hào)調(diào)制。模擬信號(hào)調(diào)制是直接用連續(xù)的模擬信號(hào)(如話音、 電視等信號(hào))對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，圖 10.26(a)就是對(duì)發(fā)光二極管進(jìn)行模擬調(diào)制的原理圖。如圖所示，連續(xù)的模擬信號(hào)電流疊加在直流偏置電流上，適當(dāng)?shù)剡x擇直流偏置電流的大小，可以減小光信號(hào)的非線性失真。模擬調(diào)制電路，應(yīng)是電流放大電路， 圖 10.26(b)所示為一個(gè)最簡單的模擬調(diào)制電路圖。,圖 10.26 發(fā)光二極管的模擬調(diào)制 (a) 模擬調(diào)制原理； (b) 簡單的模擬調(diào)制電路,圖 10.27 數(shù)字調(diào)制原理 (a) LED數(shù)字調(diào)制原理； (b) LD數(shù)字調(diào)制原理,1) LED的數(shù)字調(diào)制和驅(qū)動(dòng) 從圖10.2

28、7中可以看到，在LED上要加以小的直流正向偏置(01mA)，其目的是提高LED的響應(yīng)速度。至于調(diào)制電流的幅度Im, 應(yīng)根據(jù)LED的P-I特性來選擇，既要保證有足夠的輸出光脈沖的幅度， 又要考慮LED對(duì)電流的承受能力。,2) LD的數(shù)字調(diào)制和驅(qū)動(dòng) 由于LD是閾值器件，必須在LD上加稍低于閾值電流Ith的偏置電流IB，再疊加調(diào)制電流Im，如圖10.27所示。 偏置電流的大小直接影響激光器的高速調(diào)制性質(zhì)，要兼顧到電光延遲、張弛振蕩、碼型效應(yīng)、結(jié)發(fā)熱效應(yīng)、激光器的消光比、散粒噪聲等各方面情況。一般偏置電流IB取(0.71.0)Ith。調(diào)制電流Im幅度的選擇，應(yīng)根據(jù)LD的P-I特性曲線，既要保證有足夠的

29、輸出光脈沖的幅度，又要考慮光源的負(fù)擔(dān)，還要考慮選擇光源的線性區(qū)域。 對(duì)激光器進(jìn)行高速脈沖調(diào)制時(shí)，調(diào)制電路既要有快的開關(guān)速度，又要保持有良好的電流脈沖波形，此外，光源本身的響應(yīng)速度也要快。數(shù)字調(diào)制電路應(yīng)是電流開關(guān)電路，最常用的是差分電流開關(guān)。目前，直接強(qiáng)度調(diào)制速率可以達(dá)到10 Gb/s。,10.2.3 光發(fā)射機(jī)的控制電路,1) 自動(dòng)溫度控制(ATC) 溫度控制采用微型致冷器、 熱敏元件以及控制電路，方框圖如圖 10.28 所示。熱敏元件監(jiān)測激光器的結(jié)溫，與設(shè)定的基準(zhǔn)溫度比較、 放大后，驅(qū)動(dòng)致冷器的控制電路改變致冷量，從而保持激光器在恒定的溫度下工作。 目前，微型致冷器多采用半導(dǎo)體致冷器，它是利用

30、半導(dǎo)體材料的珀?duì)柼?yīng)制成的。所謂珀?duì)柼?yīng)，是指當(dāng)直流電流通過兩種半導(dǎo)體(P型和N型)組成的電偶時(shí)，可以使一端吸熱而另一端放熱的現(xiàn)象。一對(duì)電偶的致冷量是很小的，根據(jù)用途的不同，可將若干對(duì)電偶串聯(lián)或并聯(lián)，組成溫差電功能器件。其中，微型半導(dǎo)體致冷器的控制溫差可以達(dá)到 3040。,為提高致冷效率和控制精度，激光器的溫度控制常采用內(nèi)制冷的方式。 即將致冷器和熱敏電阻封裝在激光器管殼內(nèi)部， 熱敏電阻直接探測結(jié)區(qū)溫度， 致冷器直接和激光器的熱沉接觸。 這種方式可以控制激光器的結(jié)溫在0.5的范圍之內(nèi)，從而使激光器有較恒定的輸出光功率和發(fā)射波長。但是，溫度控制方式不能控制由于激光器老化而產(chǎn)生的輸出功率的變化

31、。,圖 10.28 溫度控制電路方框圖,2) 自動(dòng)功率控制(APC) 要精確控制激光器的輸出功率，應(yīng)從兩方面著手：一方面要控制激光器的偏置電流，使其自動(dòng)跟蹤閾值的變化，從而使激光器總是偏置在最佳的工作狀態(tài)； 另一方面要控制激光器調(diào)制脈沖電流的幅度，使其自動(dòng)跟蹤微分量子效率的變化， 從而保持輸出光脈沖信號(hào)的幅度恒定。 自動(dòng)功率控制方法有兩種：一是通過光反饋來自動(dòng)調(diào)整偏置電流的自動(dòng)偏置控制法；二是峰值功率/平均功率控制法。 第二種方法不僅可以自動(dòng)控制偏置電流，還可以控制調(diào)制電流的幅度， 因此對(duì)LD輸出光功率有很好的穩(wěn)定作用。,10.3 光 電 檢 測 器,10.3.1 半導(dǎo)體光電檢測器的機(jī)理 1.

32、 半導(dǎo)體的光電效應(yīng) 當(dāng)光電發(fā)射材料受到光的照射時(shí)，要發(fā)射出電子，這種現(xiàn)象稱為該材料的光電效應(yīng)。半導(dǎo)體的光電效應(yīng)主要包括使半導(dǎo)體內(nèi)的電子激發(fā)到真空中的光電子發(fā)射和將半導(dǎo)體內(nèi)被束縛的載流子激發(fā)為自由載流子的內(nèi)光電效應(yīng)。 前者用來制作真空光電倍增管的光陰極，而后者則是諸如光電二極管等半導(dǎo)體光電檢測器件的基礎(chǔ)。,圖 10.29 所示為P-N結(jié)的光電效應(yīng)。,圖 10.29 P-N結(jié)的光電效應(yīng),2. 光電二極管 用作光電檢測的P-N結(jié)常用工作方式是通過外電路對(duì)P-N結(jié)加反向偏壓，如圖 10.30 所示。在這種狀態(tài)下工作的P-N結(jié)器件稱為光電二極管(PD)。當(dāng)外電路接通時(shí)，就會(huì)有光生電流Is流過負(fù)載。入射到

33、P-N結(jié)的光越強(qiáng)，光生電動(dòng)勢就越大。 如果將被調(diào)制的光信號(hào)照射到該連接了外電路的光電二極管的P-N結(jié)上， 它就將被調(diào)制的光信號(hào)還原成帶有原信息的電信號(hào)。 這種光電二極管由于響應(yīng)速度低， 不適用于光纖通信系統(tǒng)。,圖 10.30 光電二極管的工作原理,3. PIN光電二極管 半導(dǎo)體PIN光電二極管示意圖如圖 10.31 所示。,圖 10.31 PIN二極管工作原理,4. 雪崩光電二極管,圖 10.32 所示為APD的工作原理示意圖。,圖 10.32 APD工作原理示意圖,10.3.2 半導(dǎo)體光電檢測器的特性及參數(shù) 1. PIN光電二極管的特性及參數(shù) 1) 截止波長c 對(duì)任何一種材料制作的光電二極管

34、，只可用在某個(gè)波長范圍內(nèi)。 這是因?yàn)楣怆娦?yīng)必須發(fā)生在,的條件下。其中, E是光子能量，Eg是半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。 可見，頻率f Eg/h的光子不能使半導(dǎo)體的電子由價(jià)帶躍遷到禁帶， 因而不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。,(10.11),能量與Eg相對(duì)應(yīng)的光子頻率稱為截止頻率，相應(yīng)的波長稱為截止波長。 因此, 可求出,(10.12),(10.13),截止波長是光電二極管工作波長的上限，只有c的光才能使光電二極管產(chǎn)生光電效應(yīng)。對(duì)Si材料制作的光電二極管， c1.06 m， 對(duì)于Ge材料制作的光電二極管，c 1.6 m。,2) 響應(yīng)度和量子效率 ; 工程上常用響應(yīng)度和量子效率來衡量光電轉(zhuǎn)換效率。 (1) 當(dāng)光照

35、射PIN器件時(shí)，單位入射光功率所產(chǎn)生的光電流， 稱為PIN光電二極管的響應(yīng)度?？杀硎緸?(10.14),式中，Ro為PIN光電二極管的響應(yīng)度，Po為入射光功率，Ipo為產(chǎn)生的光電流，Id為暗電流。,(2) 每一個(gè)光子入射到PIN器件所產(chǎn)生的電子數(shù)，稱為PIN器件的量子效率。它是響應(yīng)度的另一種表達(dá)方式， 即,(10.15),式中，e為電子電荷(=1.60210-19C), h為普朗克常數(shù)(=6.62610-3 Js),f為光頻(單位為Hz), c為光速(=3108 m/s)， 為光波長(單位為m)。,上式可簡化為,(10.16),響應(yīng)度是工作波長的函數(shù)。存在一個(gè)效率最高的波長，稱為峰值波長。,S

36、i =0.85 m時(shí)，Ro=0.65 A/W ; Ge =1.3 m時(shí)， Ro =0.45 A/W ; InGaAs =1.3 m時(shí)， Ro=0.6 A/W,3) 暗電流 光電二極管的另一個(gè)重要參數(shù)是它的暗電流。 暗電流是指無光照時(shí)光電二極管的反向電流。Si材料制作的PIN光電二極管暗電流可小于1 nA(10-9 A)，但Ge光電二極管的暗電流經(jīng)常達(dá)到幾百納安。因此，長波長、 暗電流較小的InGaAs光電二極管得到迅速發(fā)展。 PIN器件的暗電流Id是構(gòu)成器件本身噪聲的主要來源。PIN管的噪聲包括量子噪聲和暗電流噪聲。量子噪聲是由于光子激出的電子數(shù)是隨機(jī)的，因而產(chǎn)生泊松分布的量子噪聲。量子噪聲很

37、小，通?？梢院雎浴０惦娏髟肼晻?huì)影響接收機(jī)性能。,4) 響應(yīng)速度(響應(yīng)時(shí)間) 響應(yīng)速度常用響應(yīng)時(shí)間(上升時(shí)間和下降時(shí)間)來表示。 它是指二極管的電流隨入射光變化的速度， 當(dāng)光強(qiáng)受高速調(diào)制時(shí)， 時(shí)間響應(yīng)是一項(xiàng)重要指標(biāo)。限制光電管時(shí)間響應(yīng)的因素有三個(gè)，即結(jié)電容的影響、 耗盡區(qū)中光生載流子渡越時(shí)間的影響和光生載流子在N區(qū)和P區(qū)的擴(kuò)散時(shí)間影響。 PIN管的典型參數(shù)如表 10.4 所示。,表 10.4 PIN管的典型參數(shù),2. 雪崩光電二極管APD的特性和參數(shù) 1) 倍增因子 光電倍增因子的定義是，倍增的光電流與低偏壓下未發(fā)生倍增的光電流之比。實(shí)際上是電流增益系數(shù)，可用米勒方程表示為,(10.17),圖

38、10.33 APD倍增因子與偏壓關(guān)系,由式(10.17)可知，當(dāng)U趨近于UB時(shí)，并且忽略暗電流，可以求出APD的最大倍增因子為,(10.18),由上式可知，最大倍增因子G與IpR的平方根成反比，與UB的平方根成正比。要獲得較大的G值，除必須減小Ip和R值(R包括負(fù)載電阻和器件本身的內(nèi)阻)外，還要有較大的擊穿電壓UB。目前，Si-APD比較容易達(dá)到上述要求，其G值可達(dá)200 以上，但一般只用到80 左右； Ge-APD和InGaAs-APD的G值一般在 30 以下， 實(shí)際應(yīng)用在 1020 之間。,2) 暗電流 APD的暗電流有Id(初期暗電流)和Imd(倍增后的暗電流)之分，同時(shí)又有表面漏電流和

39、體內(nèi)電流之分。表面漏電流不參加APD的倍增，但體內(nèi)暗電流通過倍增而放大，是APD的噪聲源之一。暗電流是按電壓U=UB時(shí)測量的，Ge-APD的暗電流最大，達(dá)1 A，這是其主要缺點(diǎn)。,3) 倍增噪聲和過剩(附加)噪聲指數(shù) 對(duì)于PIN管而言，其噪聲源主要是“散粒噪聲”。對(duì)于APD而言，其雪崩過程中會(huì)對(duì)初始電流的“散粒噪聲”產(chǎn)生倍增作用，因此，稱為雪崩倍增噪聲。由于雪崩是半導(dǎo)體內(nèi)電子空穴對(duì)的多次反復(fù)撞擊產(chǎn)生的，在雪崩過程中，每一電子空穴對(duì)的電子空穴碰撞的電離是不相同的， 是隨機(jī)的。 這種隨機(jī)的電流起伏增加了倍增過程中產(chǎn)生的附加噪聲成分。,由實(shí)驗(yàn)可得，APD做光檢測器時(shí)，信號(hào)功率是按2的比例增加的，這里

40、G為倍增因子的平均值； 而倍增噪聲是按G2F(G)的比例增加的，其中F(G)為過剩噪聲系數(shù)。F(G) 與G的關(guān)系如圖 10.34 所示。圖中，k為電子和空穴的離化率之比，視APD的制作材料而異，如Si-APD的k值為0.020.03。當(dāng)G值不太大時(shí)，過剩噪聲系數(shù)F(G)可近似表示為,x稱為倍增過剩噪聲指數(shù)，是APD的一個(gè)重要參數(shù)， 在理論計(jì)算接收機(jī)靈敏度時(shí)要用此參數(shù)。x值與制造器件的材料和工藝等因素有關(guān)。Si-APD的x值為0.20.5，Ge-APD的x值為 0.81, InGaAs-APD的x值為 0.60.8。,圖 10.34 與F（G）的關(guān)系,4) 溫度特性 環(huán)境溫度的變化對(duì)APD的特性

41、有很大的影響，尤其對(duì)倍增因子和暗電流更為嚴(yán)重。溫度對(duì)倍增因子的影響是因?yàn)锳PD的擊穿電壓UB對(duì)溫度變化十分敏感，這致使APD的工作不穩(wěn)定。 一般APD的反向工作點(diǎn)靠近(略小于) UB ，如果U不變而UB變化， 將引起G值很大變化，甚至?xí)蛊骷稣５氖褂梅秶?另外，由于半導(dǎo)體內(nèi)的電子和空穴的電離碰撞能力(離化率)是隨溫度升高而降低的，故倍增因子G隨溫度上升而減小。因此， 為了使APD穩(wěn)定工作，在使用時(shí)必須采用工作點(diǎn)溫度補(bǔ)償?shù)瓤刂拼胧?5) 響應(yīng)速度(響應(yīng)時(shí)間) APD的響應(yīng)速度主要由光電轉(zhuǎn)換時(shí)間和結(jié)電容以及外部電路參數(shù)來決定。其中，光電轉(zhuǎn)換時(shí)間主要決定于初始光生載流子運(yùn)動(dòng)到達(dá)雪崩區(qū)和倍增

42、后的載流子運(yùn)動(dòng)到器件的電極的時(shí)間。 為了提高響應(yīng)速度，應(yīng)盡量減小APD的結(jié)電容。 APD的結(jié)電容一般在工作電壓范圍內(nèi)不隨電壓變化。例如, APD的區(qū)厚度為 40 m，則電容將為 0.3 pF。,表 10.5 APD的典型參數(shù),表 10.6 長波長光電檢測器接收性能(靈敏度dBm),10.3.3 光電檢測器與光纖的耦合 在光纖通信系統(tǒng)中使用的光電檢測器件PIN和APD，由于它們的光敏面積比較大(PIN管光敏面的直徑約為12 mm; APD管光敏面的直徑約為 150300 m)， 因此它們和光纖之間的低損耗耦合是比較容易實(shí)現(xiàn)的。從光纖的平端出射的光， 其出射角也是由光纖的數(shù)值孔徑?jīng)Q定的， 如圖 1

43、0.35 所示，=1/sin(n21- n22)。,圖 10.35 接收元件和光纖的出射位置的關(guān)系,在一般光纖通信中，所用光纖(NA=0.14)的=8，只要光纖端面和光敏面靠得足夠近，光纖端面平整垂直，光纖和接收器中間一般不加任何光學(xué)系統(tǒng)就可以使耦合效率達(dá)到85%以上。 在光纖和光敏面之間加上合適的匹配粘著劑，使耦合效率還可再提高一些。 光纖和接收器之間的具體連接裝置如圖 10.36 所示，固定連接時(shí)要進(jìn)行調(diào)節(jié)對(duì)準(zhǔn)，它比光源和光纖之間的耦合容易實(shí)現(xiàn)。 另外，也可以利用光纖與光纖耦合的活動(dòng)連接器來實(shí)現(xiàn)光纖與接收器的耦合，只要把結(jié)構(gòu)稍加改動(dòng)即可。 在連接裝置上， 一邊裝上光纖，而在另一邊不裝光纖而

44、裝一個(gè)PIN或APD管芯使它的位置精確調(diào)節(jié)到中心，引出適當(dāng)?shù)碾姌O，這樣就成為一個(gè)可拆卸的光纖與接收器的耦合接頭， 更換接收器件也很方便。,圖 10.36 光纖與接收器耦合的裝置,10.4 光接收機(jī),10.4.1 光接收機(jī)的基本組成,光接收機(jī)的基本組成包括： (1) 光檢測器件。目前，光纖通信中常用的光電二極管主要有APD和PIN兩種，完成光電轉(zhuǎn)換。 (2) 前置放大和主放大。將電信號(hào)放大到足夠電平輸出給均衡器。 (3) 均衡。將信號(hào)均衡成升余弦波，排除碼間干擾并減小噪聲影響以利判決。 (4) 定時(shí)判決。 把經(jīng)均衡后的波形判決再生為原來的波形。,(5) 定時(shí)提取。 從接收信號(hào)中提取時(shí)鐘。 (6) 解碼與解擾。 發(fā)端編碼和擾碼的逆過程。 (7) AGC。 光纖傳輸系統(tǒng)及光檢測器特性隨時(shí)間和工作條件變化引起輸出變化時(shí)，自動(dòng)增益控制(AGC)電路控制放大器增益， 使輸出維持不變。 (8) 偏壓控制。 APD偏壓達(dá) 50200 V，需用變