光纤通信发射机本科毕业论文.docx

本科毕业设计论文摘 要 直接调制光发射机能完成对电信号的处理，其功能是把电脉冲信号变成光脉冲信号。本文先介绍了光纤通信的发展背景，光纤相对于传统铜导线的优越性，以及光纤通信未来的发展。在第二章中对光纤通信中的光源进行了介绍，其中包括LED发光二极管与LD半导体激光器，详细说明了结构、发光机理、P-I特性、光谱特性、调制特性等工作特性。简单介绍LD组件，并说明它在现代已大规模商用化，是目前的主流应用形式。在后一章中对LED和LD光发射机进行详细设计，首先设计了LED光发射电路，然后深入研究更为复杂的LD激光器调制电路，在对其进行了简单介绍后，说明了自动温度控制电路和自动功率控制电路在LD调制电路中的重要性，然后再对这两种电路进行了设计。下一章中，首先对Multisim这一应用广泛的电子仿真软件进行介绍，并在Multisim 13中对上面所有电路进行仿真，获得各个电路中相关元器件的参数，并给出仿真结果。最后，再学习Altium Designer印制电路板软件的使用，并对LD组件及外围电路进行印制电路板的制作。关键词：LED光发射机，LD光发射机，LD组件，自动温度控制电路，自动功率控制电路 ABSTRACT Directly modulated optical transmitter is to accomplish the processing of the electrical signal, and its function is to transform the electrical pulse signals into the optical pulse signal. This paper first describes the development of optical fiber communication background, superiority of the fiber with respect to the conventional copper wires and future development of optical fiber communication. In the second chapter, it introduces the sources of the optical fiber communication, including light-emitting diodes(LED) and laser diode(LD). It details the operating characteristics as the structure and luminescence mechanism, PI characteristics, spectral characteristics and modulation characteristics. Then this article briefly introduces the LD component, indicating that it has a large-scale commercialization in modern times and is the mainstream application form. In the next chapter, it detailed designs LED and LD optical transmitter. First, the light-emitting LED circuit was designed. Then it deep studys more complex laser modulation circuit. After a brief introduction, it introduces the importance of automatic temperature control circuit and the automatic power control circuit of the LD modulation circuit. Then it designs these two circuits. In the next chapter, it firstly introduces the application of a wide range of electronic Multisim simulation software, then simulates all the circuit in Multisim 13,accessing to related components parameters in various circuit and giving simulation results. Finally, learn how to use Altium Designer software for printed circuit boards, then make printed circuit board for LD components and peripheral circuits.矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。KEY WORDS：LD optical transmitter, LD components, automatic temperature control circuit, automatic power control circuit聞創沟燴鐺險爱氇谴净。目 录摘 要1残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。ABSTRACT2酽锕极額閉镇桧猪訣锥。目录3彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。第一章 绪论5謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。1.1光纤通信系统5厦礴恳蹒骈時盡继價骚。1.2光纤通信应用现状和发展前景6茕桢广鳓鯡选块网羈泪。1.3本文研究的主要内容6鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。第二章 光源器件的介绍7籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。2.1半导体发光二极管（LED）7預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。2.1.1 LED的结构8渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。2.1.2 发光二极管(LED)的工作特性9铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。2.2半导体激光器(LD)11擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。2.2.1粒子数反转与光增益11贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。2.2.2光学谐振腔与激光器的阈值条件13坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。2.2.3激光器的结构15蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。2.2.4 半导体激光器的特性16買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。2.3 LD激光器组件18綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。第三章 光发射机的设计19驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。3.1 LED光发射机的设计19猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。3.2 LD光发射机的设计21锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。3.2.1 LD组件21構氽頑黉碩饨荠龈话骛。3.2.2光源驱动电路的设计22輒峄陽檉簖疖網儂號泶。3.2.3自动温度控制电路（ATC）24尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。3.2.4自动功率控制电路（APC）25识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。第四章 光发射机的仿真27凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。4.1 仿真软件NI Multisim的介绍27恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。4.2 LED光发射机的仿真27鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。4.3 LD主驱动电路的仿真30硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。4.4 LD自动温度控制电路的仿真32阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。4.5 LD自动功率控制电路的仿真33氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。第五章 LD光发射机电路的PCB板制作36釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。5.1 印制电路板制作软件Altium Designer的介绍36怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。5.2 LD组件电路PCB板的制作36谚辞調担鈧谄动禪泻類。参考文献39嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。致 谢40熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。毕业设计小结41鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。第一章 绪 论1.1光纤通信系统通信科学的发展历史悠久，从香农的信息论到21世纪的最新现代通信理论，通信经过了长足的发展。这其中包括了传统的有线和无线电通信和新兴的光通信。广义的光通信指的是一切运用光波作为载体而传送信息的所有通信方式的总称，而不管传输所使用的介质是什么。光通信也可以分为利用大气进行通信的无线光通信和利用石英光纤或塑料光纤进行通信的有线光通信。自高锟博士1966年那篇光频率介质纤维表面波导的论文发表过后，有线光通信的发展举世瞩目。在人类社会进入21世纪的同时，也步入了一个前所未有的信息时代，随着通信业的发展，光纤大显身手，成为了现在有线通信网的最佳媒介1。纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。与电缆通信等其他通信方式相比，光纤通信有着无可比拟的优越性。（1） 光纤的使用可以大大扩展通信的容量。因为光纤通信是以激光作为运载信息的工具，激光是波长较短的可见光波，它的波长只有无线电波中波长最短的微波的十万分之一。而波长越短，可同时传输的信息容量就越大。如果一条微波线路能通十万路电话，激光则可同时传输一百亿路电话。颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。（2） 损耗低，可以长距离传输。实用的光纤均石英系光纤，要减小损耗，主要靠提高玻璃纤维的纯度。目前制成的二氧化硅纯度极高，损耗极低，在光波长L=1.55mm附近，衰减有最低点，可低至0.3dB/km，接近理论极限值。同时，由于损耗低，中继距离可以很长，在通信线路中可减少中继站数量，降低成本且提高了通信质量。濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。（3） 线径细，重量轻且易铺设。光纤直径只有0.1mm左右，制成光缆后直径较细，重量轻，铺设线缆时，空间利用率高。銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。（4） 光纤通信传输信号不向外辐射，保密性好。它传输的信息密闭在光纤中，不像无线通信那样，将携带的信息电磁波散步在空间中，因而窃听是很不容易的。挤貼綬电麥结鈺贖哓类。（5） 光纤通信抗干扰性很强。抗腐蚀，抗电磁感应能力强。光纤是玻璃制成的，不易腐蚀并且绝缘性好，可以在强电场环境下工作，不受电磁场和其他噪声的干扰。赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。（6） 成本低，无资源枯竭问题。光纤的主要原料是石英，节省金属铜和铅，有降低成本的潜在能力，不存在资源枯竭问题。塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。另外，制造光纤的原材料石英来源丰富，制成光缆后直径较细，随处可取；光纤良好的柔韧性也为线路施工提供了方便。这种种的优势，使得光纤通信成为通信史上发展最快的一门通信技术2。裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。1.2光纤通信应用现状和发展前景光纤通信技术在中国的应用面试广泛的，除了在电信网中的应用外，光纤通信技术还成功地应用于广播电视网，移动通信，计算机网络中。微电子技术，光电子技术和计算机技术的飞速发展，为光通信技术的发展创造了非常好的条件，使得光通信也得以快速的发展。光通信在高速、大容量方面和宽带、综合、低成本接入方面都在迅速发展。仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。目前光纤通信的整体水平仍处于初级阶段，光纤通信的巨大潜力还没有完全开发出来。Internet应用的飞速增长对电信骨干网带宽提出了越来越高的需求，为满足需求的增长，人们可以铺设更多的光纤，或靠提高单路光纤的信息运载量，用户除了打电话，还需要传送数据、看电视、网上办公、网上教育等多媒体功能，对通信速度和容量的要求也相应增加，因此，大力开发光纤通信的容量是世界必然的趋势。光纤通信必将引起一场通信技术的革命。绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。随着光子集成、光电子集成技术的发展，器件与系统之间的界限正在模糊化，将大量的光子器件、光电子器件和电子器件集成在一个很小的芯片上，现已一步步变成了可能3。骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。1.3本文研究的主要内容光纤通信系统中一个主要的构成部分就是光端机，而光端机又包括了光发射机和光接收机。本文只涉及光通信中的一小部分，即光发射机的设计。瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。光发射机是光纤通信系统中重要的组成部分之一，其功能是将电脉冲信号变换成光脉冲信号，进行电/光转换，以送入光纤中进行长距离传输。光源发出的光可以看做是载波，通过调制，使其载荷信息。调制主要有直接调制和间接调制，其中最常用的调制方式是直接强度调制，它使发光器件的光强直接随着要传输的信号变化。这是一种最简单的调制方法，设备简单，需要传输带宽小，对光源的调制带宽和光纤的色散特性要求低。本文主要讨论的是直接调制光发射机的设计。其主要包括LED发光二极管和LD激光器的调制。它是利用调制信号控制通过LED或LD的电流，进而控制发光器件的输出光强度。在LD激光器调制中，LD激光器一般是做成一个组件的形式，其中包括了LD发光器，致冷器，LD驱动电路，背光检测，热敏电阻，尾纤等。因为LD激光器一般都都温度很敏感，其阈值电流也会随温度变化，所以LD组件中必须有自动温度控制电路，即热敏电阻和致冷器组成的稳定温度的电路。又因为必须使光发射机稳定工作，激光器必须设计自动功率控制电路，以保持输出的光功率不变。鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。第二章 光源器件的介绍光源器件是光纤通信设备的核心，它的作用是把电信号转换成光信号。光纤通信中常用的光源器件有半导体激光二极管（LD，或称半导体激光器）和半导体发光二极管（LED）两种。由于光纤通信系统中的传输媒介是光纤，因此，作为光源的发光器件，应满足以下基本要求：栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。1.体积小，发光面积应与光纤芯径的尺寸相匹配，而且光源和光纤之间应有较高的 耦合效率。2. 发射的光波波长应适合光纤的两个低损耗波段，即短波长 0.80.9um和波长 1.21.6um。辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。3.可以直接进行光强度调制，而且与调制器的连接应该是很方便的。4.可靠性高，工作寿命长，稳定性好，互换性好。 5.发射的光功率应足够大，并且响应速度要快。 6.温度特性要好。当温度变化时，其输出光功率及工作波长的变化在允许的范围内。7.能够在室温下连续工作、输出功率满足光纤通信系统的要求; 8.谱线宽度可以做的较窄，以减少光纤中的色散的影响4。此外，它们还具有体积小、重量轻、使用寿命长、与光纤耦合效率高、调制简便等一系列优点，所以广泛应用于公用通信、有线电视图像传输、计算机、空航、航天、船舰内的通信控制、电力及铁道通信交通控制信号、核电站通信、油田、炼油厂、矿井等区域内的通信。峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。在光纤通信中，占主要地位的是半导体激光二极管，它主要用于长距离和大容量（高码速）的光纤通信系统中，其次是发光二极管，可用于短距离、低容量系统或者用于模拟系统。詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。下面分别介绍这两种最常用的光纤通信光源。2.1半导体发光二极管（LED）发光二极管LED(Light Emitting Diode)利用正相电压下的pn结在激活区中载流子的复合而发生自发辐射的光，因此LED的出射光是一种非相干光。其谱线较宽（3060），辐射角较大。由于电子空穴队的复合也可以不产生光子，既无辐射复合过程，故LED的内量子效率就不可能达到100%。制作LED时应尽可能的提高它的内转换效率或内量子效率，设法减少晶体的缺陷和杂质，应提高它的调制速率，而且应使LED能很好的散热，这是因为每升高100，LED的输出功率就下降23。最后，在制作LED时应使它有合适的几何形状，使其发出的光能有效的耦合进光纤。则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。2.1.1 LED的结构LED可以按照其发光面与PN结的结平面平行或垂直而分为面发光二极管和边发光二极管。其工作特性包括P-I特性、光谱特性和调制特性等。胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。图2-1为面发光二极管（Surface Emitters）,它采用双异质结结构，p-GaAs为有源层，其厚度仅为12nm，有源层两边的n-GaAlAs和p-GaAlAs为限制层，其作用是把光能有效的限制在有源层内，以提高能量转换效率和发光强度。在面发光二极管中，发光面被限制在一个与光纤平行的尺寸上，在器件的衬底上腐蚀一个小孔，然后用环氧将插入小孔的光纤加以固定，已接收发射出来的光，光纤与LED的耦合效率决定于光纤的数值孔径、光纤与LED的距离等因素，将光出射的表面做成球状，光纤端面制成球状以及在LED于光纤之间使用透镜，都可以增加耦合输出效率。鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。图2-1 双异结面发光二极管边发光二极管（Edge Emitters）如图2-2所示，其核心部分仍是双异质结芯片，n-GaAlAs为有源层，上下限制层为n-GaAlAs和p-GaAlAs。有源区的长度约为100150。其一端镀金属膜，另一端镀增透膜，以实现单膜出光。由于边发光二极管间pn结平面上的波导结构，其光辐射的图形与面发光二极管不同，在面发光二极管中，每一方向的辐射角（半极大值全角）为120左右，而在边发光二极管中，在垂直于结平面的方向上辐射角只有30左右，所以边发光二极管与光纤的耦合具有更高的效率。边发光二极管的调制带宽通常比面发光二极管高，因为在相同的注入电流下，边发光二极管具有较小的载流子寿命5。稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。图2-2 边发光二极管2.1.2 发光二极管(LED)的工作特性LDE的工作特性包括P-I特性、光谱特性和调制特性等。（1） P-I特性LED的P-I特性是指输出功率随输入电流的变化关系。图2-3为一典型LED在不同温度下的P-I曲线，从图中可以看出，发光二极管没有阈值电流，随着工作电流的增加，输出光功率近似成线性增加。但是当工作电流增大到一定程度时，曲线呈饱和趋势，这是因为在较大的输入电流下pn结的温度升高，非辐射复合速率增加，使内量子效率下降而形成对输出功率的影响，所以在使用发光二极管时，应注意可利用的线性范围。陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。工作温度升高时， 同样工作电流下LED的输出功率要下降。例如当温度从20升高到70时，输出功率下降约一半，相对而言，温度的影响要比LD小。沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。图2-3 典型LED的P-I特性（2） 光谱特性 LED的出射光是自发辐射光，因此其光谱较宽，它的谱宽是随着发射波长平方增加而增加的。发射波长在1.3的InGaAsPLED的谱宽比发射波长在0.851.3的GaAsLED宽约1.7倍，图2-4给出了GaAsLED和InGaAsPLED的典型光谱特性。由于LED的谱宽较大，采用LED作为光源的光纤通信系统受光纤色散影响较大，码率和传输距离的乘积被限制在一个较小的值以下，所以LED主要适合于码率为10Mb/s左右、传输距离在几公里以下的光纤局域网络系统。钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。图2-4 GaAs和InGaAsP LED的典型光谱（3）光束空间分布特性 与激光器相比，发光二极管发出光的发散角较大，与光纤的耦合效率也较低。因此，发光二极管一般应用于短距离光纤通信系统中。另外，发光二极管的寿命从理论上来看要比激光器高出两个数量级，但实际应用中，达不到这个数值，一般二极管的寿命可达3*10小时以上。懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。（4）调制特性用电流信号调制发光二极管时，调制信号的码率将受到LED特性的限制，当注入电流较低时，调制带宽受LED结电容的限制，而在较高偏置电流时，带宽由注入有源区的载流子寿命决定，对InGaAsPLED来说，的典型值在25ns，相应的调制带宽在50140MHz的范围，由于边发光二极管比面发光二极管具有较小的载流子寿命，因此，边发光二极管的调制特性优于面发光二极管。謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。综上所述，虽然发光二极管的输出光功率较低、谱线较宽，但由于发光二极管使用简单，寿命长等优点，它在低速率、短距离的数字光纤通信系统和模拟光纤通信系统中还是得到广泛的应用6。呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。2.2半导体激光器(LD)在高码率、长距离的光纤通信系统中，必须使用半导体激光器作为光源。半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的激光器，由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。常用工作物质有砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。 半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。半导体激光器是利用在有源区中受激而发射光的光器件。只有在工作电流超过阈值电流的情况下，才会输出激光(相干光)，因而是有阈值的器件。它应该包括放大部分、振荡回路与反馈系统。半导体激光器有如下三个组成部分：莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。1）产生激光的工作物质（激活物质），也就是处于粒子数反转分布状态的工作物质，它是产生激光的必要条件。 2）能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源（泵浦源）：使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，称为泵浦源。物质在泵浦源的作用下，使粒子数从低能级跃迁到高能级，使得在这种情况下受激辐射大于受激吸收，从而有光的放大作用。这时的工作物质已被激活，成为激活物质或增益物质。 麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。3）有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。 激活物质只能使光放大，只有把激活物置于光学谐振腔中，以提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。2.2.1粒子数反转与光增益对于处于泵浦条件下的原子系统，当满足粒子数反转条件时即将会产生占优势的（超过受激吸收）受激辐射。在半导体激光器中，这个条件是通过向p型和n型限制层重掺杂是费米能级间隔在pn结正向偏置下超过带隙实现的。当有源层载流子浓度超过一定值（称为透明值），就实现了粒子数反转，由此在有源区产生了光增益，在半导体内传播的输入信号将得到放大，放大倍数为exp(gz)，g为增益系数。風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。增益的产生表明有源区发生的受激辐射速率超过了受激吸收速率，因而有关系g(-)。图2-5展示了不同注入（泵浦）载流子浓度N时计算所得1.3InGaAs有源层的光增益曲线。由图2-5（a）可见，当时，由于尚未达到离子数反转条件，材料吸收占优势，g1.5*时，几乎随线性变化，当N2*时，超过了300cm。可见一但实现粒子数反转，光增益将迅速增大。正是有这么高的增益，所以能制造尺寸小于1mm的半导体激光器。灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。图2-5 1.3InGaAsP有源层光增益系数g与注入载流子浓度N的关系（a）作为光子能量函数的增益系数 （b）增益系数随N的变化从图2-5（b）数值计算结果可知，近乎随N 线性增大，因而峰值增益可近似表示为=，表示截流子浓度的透明值，称为增益横截面，亦成为微分增益系数。对InGaAs激光器，N和的典型值分别在11.5*和23*范围内。大部分半导体激光器工作于100的高增益区，所以的近似计算公式是合理的。铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。增益横截面或增益微分系数对激光器性能的影响很大，高的意味着为得到同样增益，可在较低的载流子浓度，即较低注入电流实现，所以在LD的设计中应设法提高。量子阱半导体激光器的有源层厚度很薄，其典型值约10nm为，导致电子空穴对好像备限制在量子阱中，这样导致了能带能量电子化为了次能带，使结合态密度称为梯级状结构，态密度的这种变更改变了自发辐射和受激辐射速率，增益的线性近似仍能在有限范围内满足，但的有效值比厚度为0.1标准设计的有源层增大了两倍。有时用厚510nm的多个有源层提高器件性能，这种激光器称为多量子阱(MQW)激光器，这种激光器中，由于降低了载流子导致折射率变化，因而具有更窄的线宽和更优良的调制特性7。攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。2.2.2光学谐振腔与激光器的阈值条件激光器是一种光学振荡器，为使得激光器稳定工作，粒子数反转产生光收益式必要条件，另一个重要条件必须提供光的反馈，将光放大器转换为振荡器。如图2-6所示，大部分激光器的反馈用将增益介质放入一个光学谐振腔或简称光腔内来提供，光腔由两块反射镜来组成，一般称为法布里珀罗腔或FP腔。在半导体激光器中，两端的解理面即起反射镜的作用，不必外加反射镜。反射镜的反射率为。式中式增益介质的折射率，其典型值为3.5，因而解理面的发射率为30%。趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。图2-6 半导体激光器的基本结构与光学谐振腔设一振幅为，频率为，波数为k=n/c的平面波，在长度为L，功率增益系数为g的光腔中往返一次后，其幅度增大exp(g/2)(2L)倍，相位变化为2kL，考虑到激光器内的各种吸收和散射损耗及端面投射输出，其幅度变化为（）（-L），为端面反射率，为腔内总损耗率。在稳定工作时，平面波在腔内往返一次应保持不变，于是可得 夹覡闾辁駁档驀迁锬減。 （2-1） 式中，i为相位关系。令等式两边振幅和相位相等，则得 （2-2） （2-3）式中，k=2n/c；m为整数；为非全反射端面引起的射透损耗（输出），代表包含这两项的光腔总损耗。式(2-2)和式(2-3)完整的表述了激光器稳定工作的两个条件幅值和相位条件，前者规定增益和电流最低值，后者规定激光器振荡频率v必为=mc/2nL中的一个频率。这些频率对应于纵向模式，并与光腔长度L有关。若忽略n与频率的关系，各纵模的频率间隔=c/2nL是常数。当考虑材料色散时，=c/2L为群折射率，=n+(dn/d)，典型值L=200400，=100200GHz。视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。受激辐射的增益谱特性是由有源区增益介质的能级决定的，而在半导体激光器重则是由带隙决定的，因此增益谱分布有一定宽度，并非单色的，如图2-7(a)所示。偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。图2-7 半导体激光器的模式增益谱（a）增益谱分布； （b）腔膜分布； （c）工作模式的决定光腔(FP)中满足谐振条件的纵横是均匀分布的，间隔为=c/2nL，如图2-7 (b)所示。通常这些模式都能同时获得增益，最靠近增益峰的模式为主导模式。理想条件下，其他模式的增益不应达到阈值，即期增益应低于光纤总损耗，因为其增益比损耗低，如图2-7 (c)所示。实际中增益差别甚小()或其他模式增益亦大于腔体损耗，因此主模临近激光器的输出普特特性较宽，典型值为0.50.4nm，用于光波系统时受到光浅色散的限制，其比特率距离积（BL）限制在10(Gb/s)km以下。但是它技术成熟，价格便宜，已经在565/622Mb/s速率低于此速率的光波系统普遍采用，将LD设计在单纵模式工作能进一步提高BL积。这个问题将在下节讨论8。緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。2.2.3激光器的结构最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚）、P型和N型限制层构成。有源层夹在P型和N型限制层中间，由此产生的PN异质结通过欧姆接触正向偏置，电流在覆盖整个激光器芯片宽度（100）的较大面积注入，图2-8所示。这样的激光器面积大，其产生的激光以面积接近的椭圆斑点从两端解理面辐射，而在垂直与结平面的方向受双异质结的限制，斑点尺寸较小（1），而且有源层折射率比限制层高（n0.3），起平面光波到的作用，并承载一定数量的模式，成为横模。由于实际有源层很薄（），因而实际上只承载单个横模。但是在平行于结平面的侧向并无光限制结构，沿着激光器的整个宽度上都存在光辐射，损耗太大，阈值电流较高，这是大面积激光器的主要缺点。为解决侧面光辐射和光限制问题，下面介绍两种实际激光器的结构：增益导引半导体激光器的结构和折射率导引半导体激光器。騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。图2-8 大面积激光器2.2.4 半导体激光器的特性（1）发射波长。 有源区中导带电子和价带空穴复合时所发射的光子能量近似等于禁带宽度，因此半导体材料的禁带宽度决定了激光器的发射波长，即疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。 （2-4)式中，h卫普朗克常数，f为光子频率，由于光波长，于是式（2-4）可表示为 （2-5）式中，C为真空中光速。光通信中用的半导体材料，在短波长段（0.85），采用GaAlA和GaAs材料构成异质结结构；在长波长波段（1.3和1.55），采用InGaAsP和InP材料s构成异质结构。镞锊过润启婭澗骆讕瀘。（2）阈值性质。 对于半导体激光器，只有注入电流达到一定值后，才能既实现粒子束反转分布，又满足谐振腔里光振荡的阈值条件，发射出谱线尖锐、模式明确的激光光束。所以半导体激光器是一个阈值器件，其功率-电流（P-I）特性曲线如图2-9所示。从图中可见：LD的P-I特性曲线中存在一个阈值电流Ith，它是激光器开始激射的注入电流；当注入电流小于阈值电流即IIth时，LD开始发射激光，而且其激光器随之如电流的增大而增加。常用单模激光器的阈值电流Ith50mA。榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。图2-9 半导体激光器的P-I曲线半导体激光器的阈值电流对温度的变化十分敏感，如图2-10所示。当温度升高时，LD的阈值电流将随之增大，反之则减小。阈值电流Ith与温度T的关系可用下式表示：邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。Ith=I0eT/T0 (2-6)式中，I0是温度是的阈值T=T0电流；T0是阈值电流的温度敏感参数，在AlGaAs激光器中，T0 =120150K；在InGaAsP激光器中，T0 =5070K。嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。图2-10 激光器阈值电流随温度的变化（3）激光器的效率。 激光器的电光转化效率通常用外微分量子效率衡量，其定义为： (2-7)式中，为外微分量子效率，为光功率输出增量，为注入电流的增量，/实际上就是P-I曲线中的斜率。e为电子电荷，hf为光子能量。显然，P-I特性曲线斜率越大，外微分量子效率越大，说明激光器电光转化效率越高9。该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。2.3 LD激光器组件与LED相比，LD的调制问题要复杂的多，尤其是在高速调制系统中，驱动条件的选择、调制电路的形式和工艺，都对调制性能至关重要。由于半导体激光器对温度的变化是很敏感的，稳定激光器的输出光信号是必须研究的问题。温度变化和器件的老化会给激光器带来很多的不稳定性。主要表现为激光器的阈值电流随温度呈指数规律变化，并随器件的老化而增加，从而使输出光功率发生很大的变化。另外，线路中出现的长连0和长连1也会影响定时信号的提取，长连1还会增加光源的负担，减少光源的寿命。劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。因为以上的这些应用过程中出现的问题，人们应用自动温度控制电路（ATC）和自动功率控制电路（APC）来解决它们。又为了实现大规模制造和商用化的方便，人们制作了集成LD和上述所有部件的集成电路，形成一个完整的LD组件。LD组件加上外围电路，能实现ATC和APC的所有功能，使用起来十分方便。关于LD组件的具体介绍，将在下一章中描述。臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。第三章 光发射机的设计一般来说，调制技术可以分为直接调制与间接调制。直接调制适用于半导体光源，它将要传送的信号转变成电信号注入光源，获得相应的光信号输出，输出光波电场幅值的平方与调制信号成正比，是一种光强度调制（IM）。直接调制具有简单、经济、容易实现等优点，是光纤通信中最常采用的调制方式，这种方式适用于半导体激光器和发光二极管，因为发光二极管和半导体激光器的输出光功率（对激光器来说是指阈值以上线性部分）基本上与输入电流成正比，而且电流的变化转换为光强调制也呈线性，所以可以通过改变注入电流来实现光强度调制。间接调制是利用晶体的电光、磁光和声光效应等性质对光幅进行调制，既适用于半导体光源，也适用于其他类型的光源。间接调制最常用的是外调制的方法，既在光辐射产生后再加载调制信号，其具体方法是在激光器输出端外的光路上放置光调制器，在调制器上加调制电压，通过调制器的光束得到调制。本文只介绍直接调制。鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。从调制信号的形式来说，光调制又可以分为模拟调制与数字调制。模拟信号调制是直接用连续的模拟信号对光源进行调制，连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上。在光纤通信中，现在常用的是数字调制。数字调制主要指PCM编码调制，即将连续变化的模拟信号通过取样、量化和编码，转换成一组二进制脉冲代码，即用矩形脉冲的有、无（“1”码和“0”码）来表示信号。穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。3.1 LED光发射机的设计LED光发射机的数字驱动电路比较简单，只需要简单地开启和关闭LED。处于关闭状态时，LED几乎不发光，因为可以产生较高的消光比；处于导通状态时，要求驱动电流的幅值与输入信号值无关。这样即使相邻的输入脉冲信号有一定变化，也可以使所有的输出脉冲有完全相同的功率。隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。为了满足上述要求，可以提出如下图3-1的2种电路。图3-1 （a） (b)对a图，其实是一个串联型电路，开关断开不允许电路通过，则关闭LED；而开关闭合则产生电流 (3-1)其中，Vd是二极管正向压降，电阻R和外电压决定了二极管的电流。一个理想开关（闭合时，其电阻值可以忽略，从而其电压降可以忽略）不会影响电流幅度。图3-1（b）图所示的并联开关调制器的工作原理与串联电流类似。闭合旁路开关电流到地，使LED关闭；断开开关使电流通过LED，从而使其导通。浹繢腻叢着駕骠構砀湊。在实际使用中，常用晶体管提供开关机制。图3-2是一个用晶体管实现的串联开关调制器。图3-2当基极电流为零时，可以看出，T截止，集电极电流很小，经过LED的电流因此极小，LED几乎不发光；当基极电流很大时，T导通，并处于饱和状态。Uce很小，因此集电极电流很大，LED发光。导通时的电流为鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。 (2-2)其中，0.3是导通时的饱和压降Uce，Vd是LED的正向导通压降。电容C可以用来提高电路的开关速度，这种调制器的工作频率可以达到10MHz以上10。惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。LED电路的仿真结果将在下一章中详细描述。3.2 LD光发射机的设计相比LED，LD半导体激光器的调制给电路设计人员带来了更多的难题。其设计问题更加复杂，尤其是在高速调制系统中，驱动条件的选择、调制电路的形式和工艺，都对调制性能至关重要。其主要问题来源有：贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。1、LD有比LED大的多的阈值电流。2、阈值电流会随使用年限而改变。3、阈值电流会随温度变化而改变。上述种种问题，导致了LD光发射电路要比LED复杂的多。3.2.1 LD组件因为LD激光器调制的复杂性，人们发明了激光器组件这样一种实用化器件。它将各个关键元件如热敏电阻，致冷器，LD激光器，光电二极管PD等元件封装在一个芯片中，并在外部接上引脚和尾纤（用以输出光信号），其外部引脚如图3-9所示，引脚说明如表3-1所示，使用起来十分方便14。嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。表3-1 LD组件引脚说明图管脚接线1致冷器（+）5接地7光电二极管（+）8光电二极管（-）9LD（-）10LD（+）11热敏电阻12热敏电阻14致冷器（-）其余不接图3-9如表3-1和图3-9所示，在1脚与14脚之间，致冷器位于LD组件内部，外接电路直接接在1脚与14脚，电流从1脚流入，14脚流出。同样这样接的还有7、8两脚，光电二极管位于这两脚之间，电流从7脚流入，8脚流出。LD则位于9、10两脚内部，热敏电阻位于11、12脚内部。在LD组件内部，热敏电阻直接接触LD温度，通过外围电路控制致冷器，致冷器接触LD使LD降温，形成自动温度控制电路。同样，光电二极管直接接收LD的背光光源，从而形成一个闭环的自动功率控制电路。薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。这样的一个实用化LD组件，是一个标准的14脚芯片，直接插入外围电路现成的PCB板就可以立即从尾纤发光，大大简化了LD光发射机的使用。后几章将详细描述外围电路的设计。齡践砚语蜗铸转絹攤濼。3.2.2光源驱动电路的设计数字LD调制系统通常工作在稍低于阈值状态的工作点。图3-3显示的是正好工作在阈值电流Ith时的调制曲线。其中阈值电流Ith大约为50mA。绅薮疮颧訝标販繯轅赛。图3-3要设计一个数字LD光发射机调制电路，就必须先设置好预偏置电流。其中最常用的是差分电流开关电路。在对激光器进行高速调制时，调制电路既要有快的开关速度，又要保持有良好的电流脉冲波形。普通的LD调制电路用一级射极耦合跟随器LD驱动电路就可完成，如图3-4饪箩狞屬诺釙诬苧径凛。图3-4电流源和由T1与T2组成的差分开关电路提供了恒定的偏置电流，此即为流经LD的静态电流。在T2管的基极上施加直流参考电压Ub，T2的集电极电压取决于LD的正向电压，数字信号Ui从T1基极输入。当信号为“1”码时。，T1基极电位比Ub高而比T2抢先导通，T2截止，LD发光；反之，当信号为“0码”时，T1基极电位比Ub低，T2抢先导通，T1截止，LD不发光。T1和T1轮流截止导通，光强也随之变化，达到了光强度调制的目的。这种电路用到了恒流源，电流噪声小，但功耗较大，电路比较简单，动态范围也小11。烴毙潜籬賢擔視蠶贲粵。上述电路实际是一个最基本的LD调制电路，不带有任何反馈调节机制，当温度变化或者器件老化等因素发生时，电路会越来越不稳定，最终无法工作。因此，反馈调节电路就是必不可少的了。由于半导体激光器对温度的变化极其敏感，稳定激光器的输出光信号是必须研究的问题。温度的变化和器件的老化给激光器带来的不稳定性主要表现为：鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键。1)激光器的阈值电流会随温度呈指数规律变化，并随器件的老化而增加，从而使输出光功率发生很大的变化。不设法稳定其输出光功率，难以实用化。撷伪氢鱧轍幂聹諛詼庞。2）随着温度的升高和器件的老化，在相同的电流激励下，激光器的输出光信号会发生变化。3)随着温度的升高，半导体激光器的发射光波长的峰值位置向长波方向移动，从而使输出光信号频率降低，影响激光器的使用。踪飯梦掺钓貞绫賁发蘄。控制电路的作用就是消除温度变化和器件老化的影响，稳定输出光信号。目前最常用的方法就是（1）自动温度控制（ATC）；（2）自动功率控制（APC）12。婭鑠机职銦夾簣軒蚀骞。3.2.3自动温度控制电路（ATC）通常温度控制采用微型致冷器、热敏元件及控制电路组成，其方框图如图3-6所示。热敏电阻监视激光器的结温，与设定的基准温度比较、放大后，驱动致冷器控制电路，改变制冷量，以保持激光器在恒温下工作。微型致冷器件多采用半导体致冷器，它利用半导体材料的波耳贞效应制成。所谓波耳帧效应是指当直流电流通过两种半导体(P型和N型)组成的电偶时，利用其一端吸热而另一端放热的效应。一对电偶的制冷量很小，可根据用途不同，将若干对电偶串联或并联，组成温差功能器，其中微型半导体致冷器的控制温差可达3040 C。譽諶掺铒锭试监鄺儕泻。图3-6为提高致冷效率和控制精度，激光器的温度控制常采用内致冷的方式，即：将致冷器和热敏电阻封装在激光器组件管壳内部，热敏电阻直接探测结区温度，致冷器直接和激光器的热沉接触。这种方式可以控制激光器的结温在0.5的范围之内，从而使激光器有较恒定的输出光功率和发射波长。俦聹执償閏号燴鈿膽賾。图3-7图3-7是我们常使用的温控（致冷）电路。热敏电阻Rt接在电桥的一个臂上，通过调整滑动变阻器，在临界的温度下，电桥的状态应处于刚好使致冷器没有电流通过，但温度升高时，致冷器开始工作。热敏电阻具有负温度系数，电桥状态的变化自动控制制冷量的大小，以维持激光器的结温不高于设定的温度。缜電怅淺靓蠐浅錒鵬凜。温控电路的控制精度，与外围电路的设计和激光器的封装技术有关，一个高质量的封装，应能使热敏电阻能准确反映结温，同时致冷器与pn结应有良好的热传导。骥擯帜褸饜兗椏長绛粤。3.2.4自动功率控制电路（APC）上述自动温度控制电路能很好地解决由于温度变化引起的激光器输出不稳定的问题，但是，这个电路却不能控制由于激光器老化等原因而引起的输出功率的变化。癱噴导閽骋艳捣靨骢鍵。由于由于激光器的阈值电流会随温度和器件的老化而变化，因此必须采取附加控制措施，通常可以从两方面进行控制：第一，控制激光器的偏置电流，使其自动跟踪阈值的变化，从而使激光器总是偏置在最佳工作状态；第二，控制激光器调制脉冲电流幅度，从而保持输出光脉冲信号的幅度不变。鑣鸽夺圆鯢齙慫餞離龐。然而，一般来说，为了降低成本，简化控制电路，也可以直接探测激光器发射的平均光功率，控制偏置电流，从而维持输出光功率恒定。这张平均控制法在国内外被广泛采用。榄阈团皱鹏緦寿驏頦蕴。图3-8图3-8是一个基本的APC电路。图中PD接收来自图3-5中LD的光，Ib即与图3-5中Ib相连。它采用平均光功率控制电路，光电二极管作背光检测探测激光器的后向光，和参考电平比较及放大后控制激光器的偏置电流，以维护输出光功率恒定。为了防止在某些时间间隔中较长的连“0”或连“1”出现而导致控制电路误判，将传输的信号序列再送入运算放大器异名端，这样就使检测到的光信号要与电信号进行比较，从而保持不论传输怎样的随机序列，控制电路都能正常工作。这样，该电路就可以保证在输入信号为“1 ”码时激光器发出强度恒定的“1 ”码而当输入信号为“0 ”码时激光器工作在阈值附近13。逊输吴贝义鲽國鳩犹騸。第四章 光发射机的仿真4.1 仿真软件NI Multisim的介绍Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的