（电力电子与电力传动专业论文）光模块电路系统的研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n t so fc o m m u n i c a t i o ni n d u s t r y f i b e rc o m m u n i c a t i o nh a s b c w o n l et h ei n d i s p e n s a b l en e r v o u ss y s t e mo f t o d a y si n f o r m a t i o ns o c i e t y p h o t o e l e c t r i cd e v i c e sa n do p t i c a lm o d u l e sw h i c hc a l lc o n v e r te l e c t r i c i t yi n t ol i g h t a n da l s oc o n v e r tl i g h ti n t oe l e c t r i c i t va l et h ep i v o t a lp a r t si nt h eo v t i c a lc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s t h e ys e e m e d a si f ah e a r tt ot h eo p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m 砸st h e s i sb e g i n sw i t h 也er e s e a r c ho fw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i co fo p t i c a la c t i v e d e v i c e s t h e ns u m m a r i z e sc o m p r e h e n s i v e l yt h ew o r k i n gp r i n c i p l e m a k e u p p a c k a g e h i g h s p e e dd i g i t a ls i g n a lw i r i n go fo p f i c a lt r a n s c e i v e r sa n da l s oe x p l o r et h ea c t u a l i t y a n dd e v e l o p m e n to fv a r i o u so p t i c a lm o d u l e s i tp u t se m p h a s i so nt h ei n o u ts t r u c t u r e a n dh i g h s p e e dm o d u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i cf o rl dd r i v e rc i r c u i t s t h et r a n s m i s s i o nl i n e s t h e o r yi no p t i c a lm o d u l eh i g hs p e e dc i r c u l t si sa l s oi n l r o d u c e dd e t a i l e d l yi nt h i st h e s i s i nt h i ss t u d y t h ec h a r a c t e r i s t i co f p h o t oa c t i v ed e v i c e sa n dt h et e c 虹o l o g yo f o p 6 e a l t r a n s c e l v e tm o d u l e sa r cd i s c u s s e dt h o r o u g h l y b a s e do nl r a n s m i s s i o nl i n e st h e o r y t h e o p t i c a lm o d u l e ss c h e m a t i cc i r c u i td i a g r a ma n dp c bd i a g r a ma l eg i v e n 1 1 1 em o d u l e s c a l l g e th i g hq u a l i t y b u tl o wp r i c ea n da n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t yb e t t e r t h e yc o n s t i t u t ea s e r i e so f p r o d u c t sa n da r ea p p l i e di nd i f f e r e n tf i e l d s k e y w o r d s o p t i c a ld e v i c e o p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l e b i d im o d u l e t r a n s m i s s i o nl i n e s 讯i l 亡工孽失秀 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 独立进行研究工作所取 得的研究成果 除文中已经标明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和集体 均已在文中以明确方 式标明 本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 i 咩日期 j 一7 年岁月 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采 用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 学位论文作者签名 j l 军 日期 蜂岁月f 7 日 指导教师签名 研蜘 日期 j 母j 月移日l 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章引言 基本的光纤通信系统最基本的光纤通信系统由数据源 光发送端 光学信道 和光接受端组成 其中数据源包括所有的信号源 它们是语音 图象 数据等业 务经过信源编码所得到的信号 光发送端和调制器则负责将信号转变成适合于在 光纤信源编码所得到的信号 先后用过的光波窗1 2 有o 8 5 n m 1 3 1 n m 和1 5 5 a m 光学信道包括最基本的光纤 还有中继放大器e d f a 等 而光学接收端则接收光 信号 并从中提取信息 然后转变成电信号 最后得到对应的语音 图象 数据 等信息 1 1 数字光纤通信系统的介绍以及光模块的组成 光纤传输系统是数字信号的理想通道 与模拟通道相比较 熟悉通信有很多优 点 灵敏度高 传输质量好 因此 大容量长距离的光纤通信系统大多采用数字 传输方式 在光纤通信系统中 光纤中传输的是二进制光脉冲 0 码和 1 码 它由 二进制数字信号对光源进行通断调制面产生 而数字信号是对连续变化的模拟信 号进行抽样量化和编码产生的 称为p c m p u l s ec o d e m o d u l a t i o n 即脉冲编码调 制 这种电的数字信号称为数字基带信号 由p c m 电端机产生 抽样是指从原始的时间和幅度连续的模拟信号中离散地抽取一部分样值 变 换成时间和幅度都是离散的数字信号的过程 抽样所得的信号幅度是无限多的 让这些幅度无限多的连续样值信号通过一 个量化器 四舍五入 使这些幅度变为有限的m 种 m 为整数 这就是量化 由于在量化的过程中幅度取了整数 所以量化后的信号和抽样信号之间有一个差 值 称为量化误差 使接收端的信号与原信号问有一定的误差 这种误差表心为 接收噪声 称为量化噪声 码位数m 越多 分级就越细 误差越小 量化噪声也 就越小 编码是指按照一定的规则将抽样所得到的m 种信号用一组二进制或者其他进 制的数来表示 每种信号都可以由n 个二迸制数来表示 m 和n 满足m 2 n 1 例如如果量化后的幅值有8 种 则编码时每个幅值都需要用3 个二进制的序列来 表示 需要注意的是j 此处的编码仅指信源编码 这和后面提到的信道编码是有 所区别的 湖北工业大学硕士学位论文 现以话音为例来说明这个抽样 量化和编码过程 我们知道话音的频率范围 是3 0 0 3 4 0 0 h z 在抽样的时候 要遵循所谓的奈奎斯特抽样率 实际中按8 0 0 0 h z 的速率进行抽样 为了保证通话的质量 在长途干线话路中采用的是8 位码 即 2 5 6 个码组 这样量化值有2 5 6 种 每个量化值都需要用8 位二迸制码编码 那 么每一个话路的话音信号速率为8 8 6 4 k b p s 1 1 1 光发射端 光纤系统中的光发送器将来自c m o s 系统器件的电子位流转换为光数据流 它 包括一个光源和 个驱动器 一个含时钟合成的复用器 取决于系统规格和发送位 速率 可选 下面分而论之 1 光源 石英系光纤衰减有三个低损窗口 波长为8 0 0 n m 到9 0 0 n m 为短波长窗口 另外 两个低损光学窗口为1 0 0 0 n m 到1 4 0 0 h m 的第二光学窗口 1 5 0 0 r t r a 到1 8 0 0 h m 的第三光 学窗口 它们可提供更高的信号质量 低色散 和更低的单位光纤长度衰减 现有的多种光源都可用于今天的光传输系统 例如发光二极管 l e d 常常被 用于低成本 短距离局域网连接 然而它的诸多缺点使之无法用于电信系统的发 送器 如l e d 的宽频谱使多种光学模式共存 且不能工作在第二和第三光学窗口等 不同于l e d 光学调制激光发送器是一种具有高频谱纯度的光源 长波长激光器是 超远距离或r 蹴传输系统的首选 在此情况下 高性能是首要条件 而价格不是主 要考虑 对于大多数电信干线中的光学链路 各种各样的直接调制半导体激光二 极管可为近 中 远程传输提供最优的性价比 2 激光驱动器 所有用于直接调制的半导体激光二极管普遍需要一个直流偏置电流 来设定 工作点和信号调制电流 直流偏置和调制电流的大小取决于激光二极管的特性 不同类型 不同批号的器件都各不相同 激光驱动器应当具有足够的偏置和调制 电流范围 以使激光二极管有足够宽的选择范围 为了补偿激光器的时间和温度漂移 激光驱动器必须保持最初设定的直流工 作点 实现这种补偿的最好方法是引入自动功率控制 a p c 为检测实际激光功率 一只光敏二极管将激光强度转换为一个与之成正比的电流信号并将其反馈到激光 驱动器 和一个预定的固定值相比较 根据比较结果 相应增加或减小直流偏置 使激光器功率保持稳定 通常 a p c 还包括告警功能 当激光二极管由于老化或其它原因无法再维持预 定光功率时 发出告警信号 和工作点一样 光信号强度同样受激光二极管特性 2 湖北工业大学硕士学位论文 的时漂和温漂的影响 为保持稳定的光信号 幅度 有必要对时间和温度造成 的特性变差进行补偿 这个问题可以通过增加一些外部电路 或采用集成自动调 制控制 a m c 得以解决 除此基本功能外 系统必须能够在不影响数据输入的情况 下通过禁止驱动器来中断激光器的发送 增加一个触发器或锁存器 使数据流经 过再定时后再送入激光驱动器输出级 这样可以改善抖动性 3 复用器 复接是有效利用光纤带宽资源的一种方式 复用器居于激光驱动器和低速 例0 s 系统器件之间 将并行数据转换为串行位流送入激光驱动器 复用器的转换 比率取决于发送器的位速率和c 1 0 s 系统接口的速度 再定时和合路功能所需的传 送时钟需要进行合成 这个时钟合成器可以和复用器集成为一体 通常还配有一 个p l l 合成器的任务是以尽可能低的抖动传送数据 1 1 2 光接收端 光接收器由光电检测器 光放大器和时钟及数据恢复电路组成 光接收器检 测来自光纤的光信号并将其转换为电信号 在恢复出数据和时钟波形前还要对其 进行放大 根据位流速率和后续q 髑系统的处理能力 有时还需恢复时钟并进行 数据整形 提供串行或并行位流 下面概述如下 1 光电检 钡 器 p i n 光电检测器或a p d 雪崩光敏管将接收到的光信号转换为电流信号 p i n 二极 管相对价格较低 井与电子器件工作于同一电压 但对于给定的光功率它所产生 的电子数要比a p d 少 a p d 提供更高的接收灵敏度 允许更远的传送距离 但这个 优点被a p d 的特殊偏置要求所抵消 其偏置电路必须提供3 0 v 至i o o v 范围内 与a p d 类型有关 的反向偏置电压 同时 a p d 噪声较大 价格很贵 并要求冷却 所以 目前光检测器多用p i n 2 光放大器 光电检测器将检出电流送到一个互阻放大器 h a 先将电流转换为电压 转 换后的单端电压接着被t i a 放大并转换为差分信号 一般情况下 以满足高性能接 收器的要求 t i a 既能承受高过载 又具有高输入灵敏度 即大动态范围 为了提供高输入灵敏度 以便适应来自于老化的或远距离 或二者兼之 发送 器的微弱光信号 t i a 的噪声必须降至最低 另一方面 高的过载承受能力是为了 避免由于强光信号引起的失真造成误码 此外t i a 的最大可用增益依赖于下作频 率 为保证稳定工作和必要的频宽 增益仅能在一个狭窄的范围内进行优化选择 3 湖北工业大学硕士学位论文 这种限制可能会造成低功率光信号产生的输出电压不能满足进一步处理的要求 为了对t i a 的l m v 至2 m y 范围内的小信号电压进行放大 t i a 单元还要接后续放大器 多数情况下是一个限幅放大器 l a 顾名思义 限幅放大器提供一个固定摆幅的 输出电压 最大值与输入信号强度无关 有时还带一个失效指示器 l o p 当输入 信号掉落到用户定义的门限以下时发出告警 用一个带有滞回的比较器作为l o p 指 示 当信号电平接近门限时能够保证无抖动操作 3 时钟及数据恢复电路 接收单元中紧跟在限幅放大器之后的一个关键器件是时钟及数据恢复电路 c d r c d r 完成定时和幅度甄别 产生一个定时和幅度恢复后的数据流 首先从 接收信号中恢复的是时钟 实现时钟恢复功能的方式很多 如外部s h w 滤波 外部 参考时钟等 但只有完全集成方案既省力又廉价 对于时钟恢复电路的挑战在于满足1 1 1 j t 推荐的抖动规范要求 抖动是指位跳 变 0 到 1 4 或反之 没有发生在严格的位置 这种效应可通过 眼图 显示 出来 它是由多个伪随机序列重叠而产生的图形 利用 套模 测量眼框开度 可用来衡量数据流的质量 如图1 1 所示 i t u t 推荐规范对于抖动的误差 传递和 插入进行了限制 图1 1 表现数据质量的眼图 c d r 通常具有失锁 l o l 告警 可用于监视p l l 是否锁定于接收数据流 c d r 的 再生数据流和恢复时钟常常被送到 个解复用器 转换比率取决于数据位速率和 c m o s 系统器件的接口容量 速度 解复用器需耍具有c m o s 兼容接口 为了实现串 行数据流与不同解复用器输出的位定向 解复用器一般具有位同步能力 4 湖北工业大学硕士学位论文 1 2 光模块研究现状 通信网干线传输容量的不断扩大及速率的不断提高使得光纤通信成为现代信 息网络的主要传输手段 在现在的光通信网络中 如广域网 w a n 城域网 i a n 局域网 l a n 所需要的作为核心光电子器件之一的光收发模块的种类越来越多 要 求越来越高 复杂程度也以惊人的速度发展 光收发模块的急剧增加导致了多样 性 需要不断发展相关技术满足这样应用要求 下面就其发展方向进行分析 发展的方向之一 小型化 光收发模块作为光纤接入网的核心器件推动了干线光传输系统向低成本方向 发展 使得光网络的配置更加完备合理 光收发模块由光电子器件 功能电路和 光接口等结构件组成 光电子器件包括光发射端和光接收端两部分 发射部分包 括l e d v c s e l f pl d d f bl d 等几种光源 接收部分包括p i n 型和a p d 型两种光探 测器 目前的光通信时常竞争越来越激烈 通信设备要求的体积越来越小 接口版 包含的接口密度越来越高 传统的激光器和探铡器分离的光收发模块与光接收模 块 已经很难适应现代通信设备的要求 为了适应通信设备对光器件的要求 光 模块正向高度集成的小封装发展 高度集成的光电模块使用户无须处理高速模拟 光电信号 缩短研发和生周期 减少元器件采购种类 减少生产成本 因此也越 来越受到设备制造商的青睐 目前光收发模块中的光电器件的封装由较大尺寸的双列直插形式为主发展为 以同轴封装形式为主 光接口等结构件从s t f c 发展n s c 及更小尺寸的l c m t r j 型连接口形式 相应的光收发模块的封装形式也从金属封装发展到塑料封装 由 单接口的分离模块发展到单排9 脚 1 x g 双排9 脚 2 x 9 以及今后的双排1 0 脚 和双排2 0 脚的收发一体模块讲 s f f s m a l lf o r mf a c t o r 小封装光模块采用了先 进的精密光学及电路集成工艺 尺寸只有普通双工s c 1 x 9 型光收发模块的一半 在同样的空间可以增加一倍的光端口数 可以增加线路端口密度 降低每端口的 系统成本嘲 又由于s f f j 封装模块采用了与铜线网络类似的i 盯一r j 接口 大小与常 见的电脑网络铜线接口相同 有利于现有以铜缆为主的网络设备过渡到更高速率 的光纤网络以满足网络宽带需求的急速增长 小封装光收发模块以其外观封装体积小的优势 使网络设备的光钎接口数目 增加了一倍 单端口速率达到吉比特量级 能够满足i n t e r n 盯时代网络带宽需求 的快速增长 可以说小封装光收发模块技术代表了新一代光通信器件发展趋势 是下一带高速网络的基石 湖北工业大学硕士学位论文 国外各大光模块供应商已生产了各种用于不同速率和距离的小封装光模块 国内一些光模块供应商也开始研发和生产各速率s f f d 封装光模块 发展方向之二 低成本 低功耗 通信设备的体积越来越小 接口板包含的接口密度越来越高 要求光电器件 向低成本 低功耗的方向发展 目前光器件一般均采用混合集成工艺和气密封装工艺 下一步的发展将是非 气密的封装 需要依靠无源光耦合 非x 斗z 方向的调整 等技术进一步提高自动 化生产程度 降低成本 随着光收发模块市场需求的迅速增长 功能电路部分专 用集成电路的供应商也逐渐增多 供应商在规模化 系统化方面的积极投资使得 此类i c 的性能越来越完善 成本也越来越低 从而缩短了光收发模块的开发周期 降低了成本 尤其是处理高速 小信号 高增益的前置放大器采用的是g a a s 工艺 和技术 s i g e 技术的发展 使得这类芯片的成品率及制造成本得到了很好的控制 同时进一步降低了功耗 另外采用非制冷激光器也进一步降低了光模块的制造成 本 目前的小封装光模块也都采用了低电压3 3 v 供电 保证了端口的增加不会提 高系统的功耗 发展的方向之三 高速率 人们对信息量越来越多 对信息传递速率要求越来越快 作为现代信息交换 处理和传输主要支柱的光通信网 一直不断向超高频 超高速和超大容量发展 传输速率越高 容量越大 传送每个信息的成本就越来越小 长途大容量方面当 前的热点是1 2 5 6 b i t s l o g b i t s 据e l e c t r o n i c a s t 最新的市场研究 1 2 5 g b i t s 数据通信收发模块的全球总消费量将从2 0 0 1 年的1 5 7 亿美圆增长到2 0 1 0 年的9 0 亿 美圆 2 0 0 2 年早期使用1 2 5 g b i t s 数据通信收发器的数量不到1 0 万个 但到2 0 0 3 年 1 2 5 g b i t s 数据通信收发模块增加到2 0 0 万个 在接下来的几年内又有了了猛 烈的增长 2 0 0 5 年达到7 0 0 万个 在整个消费领域 继l2 5 g i g a b i t 光纤通道后 1 2 5 g i g a b i t 以太网将会有强烈的影响 目前s d h 单通道光纤系统正向更高速率的冲击 高速系统和器件方面 很多公 司今天推出了2 5 g b i t s 系统 2 5 g b i t s 方面目前的重点产品技术是 大功率波 长可调 固定激光器 2 5 g 调制器 i n pe a l f l i n b 0 3 e m p o l y m e re 伽 高速电 路 i n p g e s i 材科 波长锁定器 底色散滤波器 动态均衡器 喇曼放大器 低色散开关 2 5 g b i t s p d p i n a p d 可调色散补偿器组件 t 卜d c m 前向纠 误 f e e 等 从现阶段电路技术来说 速率再高 引起的信号损耗 功率耗散 电磁辐射 干扰 和阻抗匹配等问题难以解决 即使解决 则要花费非常大的代价 6 湖北工业大学硕士学位论文 发展的方向之四 远距离 光收发模块的另一个发展方向是远距离 如今的光网络铺设具体越来越远 这要求远程收发器来与之匹配 典型的远程收发器信号在未经放大的条件下至少 能传输1 0 0 公里 其目的主要是省掉昂贵的光放大器 降低光通讯的成本 基于传 输距离上的考虑 很多远程收发器都选择了1 5 5 0 n m 涮t 段 波长范围约为1 5 3 0 耻到 1 5 6 5 n m 作为工作波段 因为光波在该范围内传输损耗最小 而且可用的光放大 器都是工作在该波段 发展的方向之五 热插拔 此外 熟插拔也是模块的一个发展方向 未来的光模块必须支持热插拔 即 无需切断电源 模块即可以与设备连接或断开 由于光模块是热插拔式的 网络 管理人员无需关闭网络就可升级和扩展系统 对在线用户不会造成什么影响 热 插拔性也简化了总的维护工作 并使得最终用户能够更好地管理他们的收发模块 同时 由于这种热交换性能 该模块可使网络管理人员能够根据网络升级要求 对收发成本 链路距离以及所有的网络拓扑进行总体规划 而无需对系统板进行 全部替换 支持这热插拔的光模块目前有g b i c 和s f p s m a l lf o r mp l u g g a b l e 由 于s f p 与s f f 的外型大小差不多 它可以直接插在电路板上 在封装上较省空间与 时间 且应用面相当广 因此 其未来发展很值得期待 1 3 本文研究的主要内容及所做的工作 本文研究的对象是针对传输和接入的光收发一体模块 随着光纤通信的不断 发展 特别是半导体工艺的成熟 如量子阱 金属有机物化学气相沉积 m o c v d 外延生长等技术的工业产业化使得曾经十分昂贵的光电子器件如激光二极管 l d 光探测器 p i n 等价格不断下降 伴随着光纤光缆价格的下滑 光纤到户 f t t h 已离我们越来越近 本文研究的主要内容及所做的工作有 1 光模块器件的理论分析 包括激光器特性 光探测器p i n 特性的定量分析 2 详细分析了激光器驱动结构 并应用分立元件开发出一组p e c l 廉价的设计 方案 其性能与国内同类i c 驱动的模块媲美 而性价比优势明显 具有重要的应 用价值 3 根据不同的管壳及器件结构 用元器件成功研制了l x 9 封装的系列光收发模 块 4 深入研究了传输线理论 对信号进行完整性分析 并用于解决高密度 多 7 湖北工业大学硕士学位论文 层高速电路的p c b 板布线设计的问题 5 针对国内的光纤收发器市场 设计了光纤收发器方案 满足市场需要 8 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章光模块中的有源和无源器件 光模块中的器件分为有源器件和无源器件两种类型 有源器件主要包括各种 类型的激光器 光探测器 无源器件主要是光连接器和测量用的光分路器和衰减 器 光器件是光模块中的关键部件 其性能的好坏将直接影响光模块的质量 2 1 半导体激光器原理及其特性 1 工作原理 激光器的振荡条件 l d 可以看作是一种基于受激光发射的光学振荡器 1 要使激光器形成光振荡 产生相干的 受激光输出 必须满足两个条件 即粒子数反转条件和阀值条件 存 在激活物质并具有净增益 同时 良好的频率单一的振荡输出还需要在振荡器内 部具有某中选频机制 不失一般性 以如图2 1 所示的f p 腔半导体激光器来说明 激光器的振荡条件 l d 一般采用直接带隙的材料 其价带的最高点与导带的最低 点对应同一波数 从而产生动量守恒的所谓竖直跃迁 电子和空穴的复合总是发 出光子 禁带的宽度决定了l d 的辐射波长 即 pm h c e g e v 1 2 4 e g e v 短波长 8 5 0 咖 用g a a i h s 和g a a s 的异质结 长波长 1 3 1 0 m n 1 5 5 0 r n 用i n g a l a s p 和 h i p 的异质结 外加正电压可以实现粒子数反转 其选频机制是由晶体的天然解理 面作为反射面形成的f p 光学谐振腔 设两腔面上有相同的功率反射系数r 或场反 射系数r 且有相同的反射相移角b 设e z 和e o z 分别为光场的正向和反 向波的振幅 为波的传播常数 单位长度增益介质内光子的吸收损耗为 c m 4 则腔面上的边界条件为 4 r e l e x p j e f 1 e h 三 懿p 印三 2 i 剐尹 o c p 力 q o 2 2 两腔面上场的振幅是彼此相关的 占p 工 占卜 o e x p g a j l 2 2 3 呻 o e t l e x p g a l 2 2 4 式中 g 为增益系数 联立上述方程求解 得光场的非零解 r 2 e x p 2 g a l 一2 j p l a 1 2 5 此式即为激光器振荡的阀值条件 可进一步分为振幅阀值条件 9 湖北工业大学硕士学位论文 g 一口 q 圭l n 去 2 6 及相位阀值条件或驻波条件 2 n l m a 2 7 式中 m 为正整数 表示在腔内振荡的模式数 纵模间隔为 f c 2 n l 由于半导体激活材料的增益谱很宽 在i o t i i z 量级 因此f p 腔l d 输出有多个纵 模存在 为多模激光器 理想情况下 由于模式竞争效应 只有靠近增益谱峰侧 的纵模可以起振 称为主模 其它模式由于增益小于主模 不能达到阐值面被抑 制掉旧 如图2 2 所示 只有一个纵模工作的激光器称为单纵模激光器 但实际上 在峰值增益附近的几个纵模的增益差很小 因此常常是多个纵模发生振荡 要获 得良好的动态单纵模特性 需要来用其它的选频机制 改变激活区的增益损耗分 布 如b ib 激光器中采用了布拉格光栅 下面讨论通信中常用的单纵模激光器的基 本特性 遣入惦 p 激箍 r o 聃 曩 舳 嘶泰 瑚 囊事 图2 1 激光器的原理结构示意图图2 2 中l d 增益和损耗示意图 理想情况 2 稳态特性 半导体激光器的大多数工作特性均可以用电光耦合速率方程求得 速率方程 确立了激活区中光子和载流子之间的相互作用 其严格推导是从麦克斯韦方程组 为出发点 并结合半导体材料的量子力学过程而求得的嗍 考虑到各种引起载流子 数和光子数变化的物理现象后 可以很直观地写出速率方程 对于单纵模工作的 半导体激光器 其速率方程有如下的形式 坐 上一盟一傩 2 8 a r t g yt 虿d s 傩 冬一i s 2 9 g f o s g g 一 r 2 一l o 其中 s 和n 分别是有源区内的光子数和载流子浓度 q 是电子电荷 t 和 分别表 1 0 湖北工业大学硕士学住论文 示载流子和光子的寿命 v 是有源区体积 是自发辐射引起的进入激射模式光 子浓度的增加 它远小于总的自发发射速率 这是因为自发辐射在各个方向在宽 颓谱范围内 3 0 4 0 舢 均可以发生 其中只有很小一部分沿着腔体轴线方向传播并 以激光频率发射 g 是受激发射的净增益 g 是光场限制因子 g i 它代表有源区中 光导模能量与导模总能量之比 乓是群速度 g 是激射模式频率的光增益 g 为 微分净增益系数 r 是透明载流子浓度 式 2 8 右边的三项表示了在激活区内载流子产生和消亡的速率 式 2 9 右 边的三项分别表示了了光子数的增加和减少率 稳态时 注入电流为恒定值 d n d t o d s d t 0 有速率方 程为 i n g s 0 2 一1 1 q v g s 如一旦 o 2 1 2 a p i 特性 半导体激光器的p i 特性是指它的输出光功率p 随注入电流的变化关系 可以 由速率方程 2 1 1 2 1 2 求出p i 特性 一般进入激射模式的自发辐射光子很少 即如可以忽略 于是速率方程进一步简化为 一i 一丝一岱 0 2 1 3 q v g 一二 s 0 2 1 4 1 p 当注入电流在阀值以下时 g o 1 s 0 由式 2 1 3 得载流子浓度n i q v 当注入电流达到阀值时 g f s i 由 2 1 0 式 有 g 0 g 心一坼 f l 2 一1 5 式中 虬为阀值载流子浓度 有 心 r 索 2 1 6 从而 阀值电流 厶 警 警 毒 湖北工业大学硕士学位论文 当注入电流大于阀值时 光子浓度s 随注入电流i 线性增加 有 s 萼u 一厶 2 1 8 9 7 式中 吼为激光器内量子效率 见后面 输出的光功率与光子数线性相关 激光器一个端面的输出光功率可表示为 吃c o 矽 s 矿 2 1 9 其中 一i n o r 光腔端面损耗 匕是能量为h f 的光子从光腔的两端逸出的 速率 系数1 2 源于假设了光腔的两端面反射率相等 因而 两端输出的光功率相 同 所以总的输出光功率是只的两倍 考虑到光子寿命与激光器光腔损耗的关系式 可1 k q 可由 2 1 8 2 1 9 式得到 笔 j 冬u 一厶 2 2 0 z g q 输出 功军 p 庄入慌 图2 3 半导体激光器的典型p i 特性曲线 由上式可求出半导体激光器的p i 特性曲线 如图2 3 所示为一半导体激光器 的典型p i 特性曲线 随着激光器注入电流的增加 其输出光功率增加 但并不是 呈线性关系 当注入电流大于阀值电流后 输出光功率与注入电流成正比 且输 出光功率随注入电流的增加而急剧增加 b 温度特性 半导体激光器是一个对温度很敏感的器件 它的输出功率随温度变化很大 这主要是因为半导体激光器的阀值电流对温度有很灵敏的依赖关系 由图2 3 可以 看到激光路的阀值电流随温度升高而明显增大 在高温时 激光器的特性会劣化 湖北工业大学硕士学位论文 通常 阀值电流与温度的关系可表示为 厶 2 2 t 式中 r 为器件的绝对温度 瓦为半导体激光器的特征温度 厶为常数 它是t t o 时阀值电流的i e 它与激光器所使用的材料及结构有关 表征了半导体激光器的 阀值电流对温度的敏感特性 t o 越大 器件的温度特性越好 对于i n g a a s p 半导体 激光器 不的典型值为5 0 7 0 k 而对于c a a s 激光器 r o 1 2 0 k 由于i n g a a s p 半导体 激光器对温度的敏感特性 因此在使用时必须对其温度进行控制 一般i n g a a s p 半 导体激光器的最高工作温度不要超过8 5 c 另外 随着温度的上升 激光器材料的 折射率和带隙会发生变化 导致光谐振腔尺寸增大 带隙变窄 使得半导体激光 器输出光的峰值波长随温度升高而向长波长方向漂移 对于i n g a a s p 半导体激光 器 变化率为0 4 0 5 n m 左右 对于g a a s 激光器为0 2 n m 左右 由于半导体 激光器的温度特性 实用化的半导体激光器组件通常封装有半导体制冷器 用于 对激光器的温度进行控制 稳定输出光功率和峰值波长 特别是用于d v d n i 系统的 光源 满足g 6 9 2 建议 必须采取波长稳定措施 如 温度反馈控制 稳定每个激光 器的物出光波长 c ld 的效率 半导体激光器是把电功率直接转换为光功率的器件 其电光转换效率常用功 率效率和量子效率来衡量 它们的定义分别为 1 功率效率 鬻鬻黼嚣 熹 c z 2 z 1 激光器消耗的光功率 2 其中 尸为总输出光功率 v 为激光器的结电压 j 为注入电流 r 为激光器的串 联内阻 包括半导体材料体电阻和电极接触电阻 因此良好的欧姆接触 减小接触 电阻 是提高功率效率的关键 2 内量子效率 研 高蓊蓑鬻鬈 2 1 激活区每秒注入的电子一空穴对数 由于注入激活区电子一空穴对非辐射复合的存在 内量子效率总是小于1 因此 一般有研 7 0 3 外量子效率 打 堂些墨墨型叁壁箜堂王塑 p h f 旦 1 4 激活区每秒注入的电子一空穴对数 i qi 湖北工业大学硕士学位论文 l 由于注入电流小于激光器阀值电流时 p 很小 而注入电流大于激光器阀值 电流时 输出光功率直线上升 所以外量子效率是非线性函数 用它来描述激光 器的特性就不太方便 因此 入们通常用激光器的外微分量子效率来表示激光器 电光转换效率 4 外 微分量子效率 勃 器 z s 其中 只是对应阀值电流的光功率输出 因为在阀值以上 p 因此上式可写 为 黑 点咭q 2 2 6 2 石初2 i 五万 可 外微分量子效率对应p i 特性曲线中阀值以上的线性部分的斜率 又称为斜率效 率 可以用它直观地比较不同激光器之阀效率上的差别 由 2 2 6 和 2 2 0 可以求得 上血一 2 2 7 q 可见 要得到高的微分量子效率 内量子效率要尽可能提高 即尽量减少在 流子的非辐射损耗 一般微分量子效率可高达5 0 以上 d 光谱特性 半导体的光谱特性主要由激光器的纵模决定 描述半导体激光器光谱特性的 参数主要有峰值波长 中心波长 光谱辐射带宽 半高全宽度 光谱线宽 边模 抑制比s m s r 等 这里仅讨论一下人们最感兴趣的参数一激光器的线宽 对于单纵 模半导体激光器 以频率表示 其线宽公式为 矽 v 8 2 h f n p z g i a 一l f i r 2 2 8 4 石只 其中 矗功率 珞为群速度 为自发辐射因子 对于半导体激光器约等于 2 6 孱为线宽扩展因子 它与激光器所用材料的复数电极化率有关 通常 恁 5 4 6 2 来自实验数据 由于半导体激光器的特殊能带结构 其受激辐射是 发生在导带和价带之间 因而其输出光不是单频的 有一定宽度 从 2 2 8 可以 看出 可与r 成反比 这种反比关系在昂 l o m w 1 0 d b m 是适用的 即 2 2 8 式适 用于低功率 1 0 w 以上时 激光器的线宽饱和在l i o 枷 z 左右 通常 量子阱结构的d f b 激光器比掩埋式异质结d f b 激光器的线宽小得多 因为量 湖北工业大学硕士学位论文 子井激光器的屈比较小 直接观察半导体激光器的光谱特性可以确定激光器的阀值电流 当注入电流 低于阀值时 激光器发出的是荧光 这时光谱很宽 当电流增大到问值时 光谱 突然变窄 谱线中心强度急剧增加 因此 光谱变窄 单色性加强是半导体激光 器达到阀值时的一个特征 窄线宽半导体激光器对光纤通信系统来说是十分重要的 高速 g b i t s 通信系 统的容量与光源的线宽有如下关系 对于传输速率在1 g b i t 以上的通信系统 如 2 5 g b i t s 1 0g b i t s 均可以认为是色散限制系统 即色散限制传输距离小于 损耗限制传输距离 于是有 近似估计式 c b l s a d l 吻 l 或者c b l 1 d i 猷 去 2 2 9 其中 c 是系统传输容量 丑是系统传输速率 上是最大传输距离 d 是光纤的 色散系数 d r 是光源的均方根谱宽 a 是光源的波长范围 谱宽 可见 高速光 通信系统传输容量与激光器线宽呈反比 3 动态特性 调制特性 半导体激光器不同于其它激光器的重要特点使它具有直接调制的能力 下面 讨论激光器的调制特性 a 瞬态过程 在t 0 时刻在半导体激光器上加上一个大于阀值的阶跃电流脉冲 出现的张驰 振荡现象 在t 时间内 n n m 光子密度s z o 速率方程为 一a n 土一生 2 3 0 d t q vt 其中 t 为电光延迟时间 t 为开启时间 n 为阀值载流子浓度 利用初始条件n 0 0 可求得 等 1 p t f 2 3 1 g y 当t t d 时 n n m 可以得到 t d t i n 2 3 2 一 曲 可见r 延迟时间与注入电流有关 越大 t 越小 延迟时间t 对于高速脉冲 调倒会产生重要影响 是高速调制的一个重要指标 有效地减小电光延迟时间的 湖北工业大学硕士学位论文 方法是给激光器加合适的偏置电流 设所加偏置电流为厶 脉冲电流幅值为 则t d 为 t d t 瓯赢 2 3 3 当五 毛时 t o 一般取偏置电流略小于阀值电流 在达到稳态之前 半导体激光器输出呈现的阻尼式周期张弛振荡 是由非线 性激光器系统中本征谐振造成的 对半导体激光器的速率方程作小信号分析可以 得到张驰振拓的角频率 和张驰振荡衰减速率l 的表达式 q r g g 咒一 r f 2 4 2 2 3 4 f r 妻 r s r 2 3 5 其中 b 拿 s g s o 2 3 6 l d n t 1 g n s o 2 3 7 式中 最为在偏置电流厶下的稳态光子密度 p 为非线性增益系数 它使光子浓 度增加时g 有一个微小的减少 其典型值为1 0 f s 和r 分别是光子和载流子的 小信号衰减速率 张驰振荡的速率和衰减速率决定了半导体激光器的动态响应特 性 b 调制响应 调制响应特性是半导体激光器的一个重要特性 它决定了可以调制到半导体 激光器上的最高信号频率 假设注入电流为 f 厶 0 p t 2 3 8 式中 l 为调制电流 p t 为调制电流脉冲的形状 为了准确地描述实际情 况 需对速率方程进行两点修正 1 g 应包含随光子密度s 增加而下降的饱和效 应 即 g g i 一 1 e s 2 3 9 此式在占g 3 5 d b 线宽窄 温度特性好 调制特性好 s m s r 仍在3 0 d b 以上 它是高速光通信系统的 理想光源 尤其是d f b 激光器具有低的阀值电流和小的波长温度系数 o 0 8 n m 而f p 腔激光器为 0 4 r i m 通过控制温度可以实现对波长的微调 2 2 探测器特性分析 光探测器 p h o t o d e t e c t o r 又称为光检测器或光检波器 按其作用原理又分 为热器件和光子器件两大类 前者吸收光子使器件升温 达到探知入射光能的大 小 后者则将入射光转换为电流或电压 是以光于一电子的量子转换形式完成光的 检测目的 热器件对入射波长无选择性 能在很宽的范围内对光波作均匀响应 但光纤 通信系统均采用光谱很窄的单色光源 要求所采用的检测器具有波长选择性 因 此系统的检测器都是采用光子器件 光子器件又有两种类型 光电导型和光电二极 管型 两者的差别是 对给定的偏置点 光电导型检测器的电阻随光通量大小的 变化而变化 而光电二极管型总是工作在反偏状态 其微分电阻不随光通量变化 在光纤通信系统的接收机中 一般都采用光电二极管型光探测器 光电二极管型光探测器主要利用半导体结区 p n 结或金属一半导体结 的光电 压 光电导 电吸收和雪崩效应 入射光射入探测结区时 导波光束引起电子从 价带受激辐射到导带 产生光生载流子 电子和空穴 而p n 结或肖基特势垒将这 些光生载流子收集起来 最后表现为光电压或光电流 由于受激吸收跃迁的速率 与入射光的强度成正比 所以每单位时间内产生的光生载流子数目与入射光波的 强度成正比 于是 通过测量光电压或光电流便可探测到光波强度所携带的信息 目前光纤通信中用的比较多的光探测器有p i n 光电二极管和雪崩光电二极管 a p d 本次设计所采用的探测器土要为p i n 光电二极管 1 9 湖北工业大学硕士学住论文 2 2 1p i n 光电二极管及其主要特性 p i n 光电二极管是利用p n 结区收集光生载流子的光电探测器 其工作原理如下 器件由p 区 n 区和把这两个区域隔开的n 掺杂很轻的本征区 i 组成 形成p 卜n 构 形 当半导体p n 结区处于热平衡状态时 p 区一侧出现一层负电荷 而在n 区一侧 出现正电荷 构成载流子的阻挡层或耗尽区w 由此形成的势垒称之为p n 结内建电 压 其电场方向e i 由n 区指向p 区 如果半导体的p n 结受到光照 且光能量大于或等于半导体材料的带隙能量时 光子会释放它的能量 并把电子由价带激发到导带而产生光生载流子 即电子和 空穴 凡是能扩散到p n 结电场范田内的载流子都会参加定向运动 空穴和电子在 结电场作用下分别流向p 区和n 区 于是 在p 区和n 区分别出现附加的空穴和电子 并分别积累正电荷和负电荷 在无偏压和负载电阻时 p 区和n 区两端出现一个电 动势 称之为光生电压 当器件处于反向偏置时 电源在p 一结中形成的电场e 与内结电场e 同方向 合成结电场e j e e i 使耗尽区w 显著的展宽 再加上本征区 i 具有极高的电阻 值 己接近绝缘体 耗尽区便在整个i 区内延伸 这使得入射光能在较宽的范围内 激发出载流子 产生载流子的机会增多了 因而提高了器件响应度 另外反偏使 光生电流中漂移分量占支配地位 从而也大大提高响应速度 p i n 光电二极管具有如下主要特性 1 量子效率和光谱特性 光电转换效率用量子效率j 7 或响应度p 表示 量子效率 7 7 定义为一次光生电子一空穴对和入射光子数的比值 叩 笺蔫铲 搿 鲁等 t t 栌 确磊犷2 枥2 芎言 皑q 鲫 响应度是是器件在外部电路中呈现的宏观灵敏特性 其定义为一次光生电流 和 入射光功率昂的比值 p 鲁 等 彳 2 4 5 叼 式中 矽为光子能量 e 为电子电荷 量子效率和响应度取决于材料的特性和器件的结构 假设器件表面反射率为 零 p 层和n 层对量子效率的贡献可以忽略 在工作电压下 i 层全部耗尽 那么p i n 光电二极管的量子效率可以近似表示为 7 l e x p 卜口 丑 国 2 4 6 湖北工业大学硕士学位论文 式中 口 五 和 分别为i 层的吸收系数和厚度 由式 2 4 6 可以看出 当口 旯 i 时 7 趋近于i 所以要提高量子效率刁 i 层的厚度要足够大 量子效率的光谱特性取决于半导体材料的吸收光谱口 a 它与材料的禁带宽 度成反比 2 响应时间和频率特性 光电二极管对高速调制光信号的响应能力用脉冲响应 时间r 或截止频率正 带宽b 表示 对于数字脉冲调制信号 把光生电流脉冲前 沿由最大幅度的1 0 0 o 上升至t j 9 0 或后沿由9 0 9 6 降到1 0 9 6 的时间 分别定义为脉冲上升 时间0 和脉冲下降时间f 当光电二极管具有单 b c f 司常数 时 其脉冲前沿和脉 冲后沿相同 且接近指数函数e x p f 和c x p r 由此得到脉冲相应时间 f f f 2 2 q 2 4 7 对于