第3章 光发射和光接收

1、第3章 光发射和光接收 第3章 光发射和光接收 n3.1光源与光发射机光源与光发射机 n3.2 光电检测器和光接收机光电检测器和光接收机 3.1光源与光发射机 n光纤通信对光源的要求 光纤中传输的光是由光源产生的。 （1）发射波长要求和光纤的传输窗口一致。 （2）适当的功率与高的耦合效率。 （3）调制容易、线性好、带宽大。 （4）窄的光谱宽度。 （5）可靠连续工作。 目前，在光纤通信系统中所用的光源主要是 半导体激光器和半导体发光二极管。 3.1光源与光发射机 n半导体激光器（LD）及其特性 1.激光器的组成原理激光器的组成原理 结构组成：由工作物质、激励能源和谐振腔三 个基本部分组成的 工作

2、物质（增益介质）:是产生光辐射的物质， 它具备产生所需光辐射的能级结构. 光与物质的相互作用：受激吸收、自发辐射和 受激辐射 3.1光源与光发射机 n半导体激光器（LD）及其特性 1.激光器的组成原理激光器的组成原理 光与物质的相互作用：受激吸收、自发辐射和 受激辐射 自发辐射光 hv=E2-E1 E2 E1 E2 E1 (a) 自发辐射 入射光 hv=E2-E1 E2 E1 E2 E1 (b) 受激吸收 入射光 hv=E2-E1 E2 E1 E2 E1 (c) 受激辐射 受激辐射光hv=E2-E1 入射光hv=E2 -E1 3.1光源与光发射机 n半导体激光器（LD）及其特性 1.激光器的组

3、成原理激光器的组成原理 激励能源：即泵浦源是使增益介质的粒子数发 生反转分布的能源。在物质中电子通常尽可能 占据低能级，换句话说就是低能级的电子数目 大于高能级上的电子数目，这种状态称为粒子 数的正常分布。正常分布时，高能级上的电子 较少，难以实现光辐射。因此，只有通过外部 能源将物质中的电子从低能级激励到高能级使 高能级的电子数目比低能级上的电子数目多， 即实现粒子数反转，才能实现光辐射。 3.1光源与光发射机 n半导体激光器（LD）及其特性 1.激光器的组成原理激光器的组成原理 光学谐振腔：光学谐振腔对光辐射的方向和频 率进行选择。具备工作物质和泵浦源就具备光 辐射的条件，但要使辐射的光是

4、激光，还必须 有光学谐振腔。光学谐振腔通过光的干涉作用 实现对光波长的选择，增益介质对选择的波长 的光进行放大，从而输出频谱窄、方向性强的 激光 3.1光源与光发射机 n半导体激光器（LD）及其特性 1.激光器的组成原理激光器的组成原理 纵模：谐振腔的这种频率（波长）选择作用， 使激光器的输出波长（频率）呈现一系列分立 值，把这些波长（频率）称为纵模，它是由谐 振腔的谐振（干涉）作用决定的，即光在谐振 腔振荡一周，其光程为半波长的偶数倍： 22 2 nLq 2nL q 3.1光源与光发射机 n半导体激光器（LD）及其特性 1.激光器的组成原理激光器的组成原理 阈值条件：要建立起自激振荡，光在谐

5、振腔内 传输一周由增益介质引起的功率放大应大于由 各种原因造成的功率损失 P(2L) P(0) P(2L) = P(0) e(G-i) 2L R1R2 21 1 ln 2 1 RRL G i 3.1光源与光发射机 n半导体激光器（LD）及其特性 2.半导体激光器的基本结构半导体激光器的基本结构 半导体激光器的基本构成： 半导体激光器的工作物质：PN结结区 半导体材料的能带：导带、价带和中间的禁带 禁带宽度：用Eg表示。 导带与价带之间的电子跃迁：辐射出的光子的 能量不小于Eg c hhvEg c g hc E 3.1光源与光发射机 n半导体激光器（LD）及其特性 2.半导体激光器的基本结构半导

6、体激光器的基本结构 半导体激光器的工作物质：PN结结区 半导体材料的能带：导带、价带和中间的禁带 禁带宽度：用Eg表示。 导带与价带之间的电子跃迁：辐射出的光子的 能量不小于Eg c hhvEg c g hc E 3.1光源与光发射机 n半导体激光器（LD）及其特性 2.半导体激光器的基本结构半导体激光器的基本结构 泵浦源：电源。当给PN结加正向电压时，PN结 的结区可以实现粒子数反转分布，具备了实现 光放大的条件 谐振腔：由PN结的两个自然解理面形成的。半 导体材料的自然解理面是光滑的平面，是天然 的镜面，两个自然解理面构成光学谐振腔 3.1光源与光发射机 n半导体激光器（LD）及其特性 2

7、.半导体激光器的基本结构半导体激光器的基本结构 当PN结加正向电压时，PN结区实现粒子数反转， 此时发生光辐射，并在传输过程中，一边损耗，一 边放大。当放大大于损耗时，在光学谐振腔的多次 反射进行频率选择后，可以对特定的光频率建立起 稳定的振荡，并输出稳定的光功率。放大消耗的反 转粒子数由泵浦源电源来补给。当电源补给不足时， 损耗大于放大，振荡难以建立，不能形成稳定的激 光输出，输出的是没有经过频率选择的透射光。 3.1光源与光发射机 n半导体激光器（LD）及其特性 2.半导体激光器的基本结构半导体激光器的基本结构 同质结：结区外的半导体材料是同种半导体材料 异质结：结区和结区外材料不是同一种

8、材料。 单异质结：N区与结区半导体 材料相同，而结区和P区的半 导体材料是不同的 双异质结：结区与P区和N区 的半导体材料均不相同。 3.1光源与光发射机 n半导体激光器（LD）及其特性 3.半导体激光器的基本特性半导体激光器的基本特性 半导体激光器的P-I特性：反映了半导体激光器的电 光转化效率 当注入电流大于阈值电流后， 输出光功率随注入电流增加 而快速增加，发射出的是激 光；当注入电流小于阈值电 流，半导体激光器发出的是 光谱很宽、相干性很差的自发辐射光 3.1光源与光发射机 n半导体激光器（LD）及其特性 3.半导体激光器的基本特性半导体激光器的基本特性 半导体激光器的光谱特性： 半导

9、体激光器IIth时，输出的是激光。 随着注入电流的增大，模式竞争，功率集中在几个 主要的纵模上，注入电流越大，光功率主要集中， 纵模数量越少，边模抑制比SMSR（Side-Mode Suppression Ratio）会越大。 3.1光源与光发射机 n半导体激光器（LD）及其特性 3.半导体激光器的基本特性半导体激光器的基本特性 边模抑制比SMSR：最大的纵模（主纵模）的峰值功 率与次最大的纵模（边模）的峰值功率之比的分贝 数 中心波长：光谱中的主纵模 的峰值功率处对应的波长 谱宽与线宽：整个谱的半高 全宽；主纵模的半高全宽。 3.1光源与光发射机 n半导体激光器（LD）及其特性 3.半导体激

10、光器的基本特性半导体激光器的基本特性 温度特性：对P-I特性的影响；对光谱的影响 3.1光源与光发射机 n半导体激光器（LD）及其特性 3.半导体激光器的基本特性半导体激光器的基本特性 调制特性：半导体激光器内调制是用调制信号控 制注入电流来实现光功率随调制信号变化而变化 的目的 电光延迟：若要传输的信号频率 很高时，半导体激光器输出的光 信号则可能跟不上电信号的变化， 一是光信号相对于电信号有明显 的延迟。 3.1光源与光发射机 n半导体激光器（LD）及其特性 3.半导体激光器的基本特性半导体激光器的基本特性 张弛振荡：光信号与电信号的变化规律不同，即 发生失真，光信号出现振荡。 3.1光源

11、与光发射机 n半导体激光器（LD）及其特性 3.半导体激光器的基本特性半导体激光器的基本特性 码型效应：对数字信号而言，当电光延迟时间与 电调制速率对应的码元持续时间相近时，会使 “0”码后的第一个“1”码脉冲宽度变窄，幅 度变小，严重时使单个“1”码丢失，这种现象 即“码型效应”。 3.1光源与光发射机 n半导体激光器（LD）及其特性 3.半导体激光器的基本特性半导体激光器的基本特性 调制带宽：调制带宽大小与张弛振荡频率有关 ，可近似表示为 R f 2 3 3dB 3.1光源与光发射机 n半导体发光二极管（LED）及其特性 1.半导体发光二极管的基本结构半导体发光二极管的基本结构 半导体发光

12、二极管由工作物质、泵浦源构成。 工作物质：PN结结区的半导体材料。 泵浦源：电源。 当给PN结加正向电压时，PN结的结区可以实现 粒子数反转分布，具备了实现光放大的条件。从 构成原理上讲，半导体激光器和半导体发光二极 管的区别在于光学谐振腔 3.1光源与光发射机 n半导体发光二极管（LED）及其特性 1.半导体发光二极管的基本结构半导体发光二极管的基本结构 半导体发光二极管的工作原理：当PN结加正向 电压时，此时发生光辐射，并在传输过程中，一 边损耗，一边放大。损耗包括内部损耗和端面透 射损耗，放大则会消耗反转的粒子数。放大消耗 的反转粒子数由泵浦源电源来补给。由于没有光 学谐振腔，建立不起稳

13、定的自激振荡，也就是边 辐射边输出，输出的光是没有经过频率选择的透 射光，同时也不能形成有效的受激辐射，发生光 辐射主要是自发辐射。 3.1光源与光发射机 n半导体发光二极管（LED）及其特性 1.半导体发光二极管的基本结构半导体发光二极管的基本结构 半导体发光二极管结构图 面发光二极管：发光面与PN结的结平面平行 边发光二极管：发光面与PN结的结平面垂直 3.1光源与光发射机 n半导体发光二极管（LED）及其特性 2.半导体发光二极管的基本特性半导体发光二极管的基本特性 半导体发光二极管的P-I特性 特点：没有阈值、线性好，温度特性好。 3.1光源与光发射机 n半导体发光二极管（LED）及其

14、特性 2.半导体发光二极管的基本特性半导体发光二极管的基本特性 半导体发光二级管的光谱特性 3.1光源与光发射机 n半导体发光二极管（LED）及其特性 2.半导体发光二极管的基本特性半导体发光二极管的基本特性 半导体发光二级管的调制特性 半导体发光二级管的带宽与结区载流子寿命 有关。LED的光功率3dB调制带宽f3dB与载流 子寿命c的关系为 c f 2 3 3dB 3.1光源与光发射机 n光发射机及其性能参数 1.光调制原理光调制原理 讨论数字信号直接强度调制的调制原理 3.1光源与光发射机 n光发射机及其性能参数 2.光发射机的组成原理光发射机的组成原理 组成框图及各部分的作用： 光源完成

15、电光转换 调制电路是完成把电信号以适当的方式加载在光 源上的作用。 控制电路。APC完成对发射机的发送光功率的自 动控制，对各种因素（除信号自身原因外）造成 的发送光功率变化进行调整，使发送光功率保持 稳定。ATC是完成对光源温度的自动控制，确保 光源工作温度保持恒定。 3.1光源与光发射机 n光发射机及其性能参数 2.光发射机的组成原理光发射机的组成原理 驱动电路：由三部分组成： T1和T2管组成电流开关， A点和B点互为反相信号， 即A为高电平时B为低电平，B为高电平时A为低电 平，三极管T1和T2是轮流截止和导通的，避免了 载流子恢复时间的影响，因而可工作于更高的速 率；恒流源提供T1和

16、T2管导通时的电流，可以保 持总电源电流不变，所以电源电流噪声小；LD的 偏置电流由T3管提供。 3.1光源与光发射机 n光发射机及其性能参数 2.光发射机的组成原理光发射机的组成原理 自动功率控制电路（APC）： 由PIN、运放和T3管组成。 D节点电流方程： 12f RRPINR IIII 1 2 1 2 f A R r e f R C R f V I R V I R V I R 3.1光源与光发射机 n光发射机及其性能参数 2.光发射机的组成原理光发射机的组成原理 自动功率控制电路（APC）： 当LD输出功率减小时，PIN探测电流会减小，那么 VC增加，T3集电极电流会增加，从而使LD输

17、出 功率增加，实现LD输出功率稳定 12 () ref A CfPIN V V VRI RR 3.1光源与光发射机 n光发射机及其性能参数 2.光发射机的组成原理光发射机的组成原理 自动温度控制电路（ATC）： 由桥电路、运放、VT管和半 导体制冷器组成。 桥电路：由R1、R2、R3和热敏电阻Rt组成，运算 放大器A的两端与桥的两对端相接 3.1光源与光发射机 n光发射机及其性能参数 2.光发射机的组成原理光发射机的组成原理 根据设定控制温度，选择或 调节桥臂电阻使桥达到平衡， 此时桥的两端a、b两点电位 相同，运算放大器A输出为零，串接在三极管VT发 射极的制冷器（TEC）没有电流流过。 3

18、.1光源与光发射机 n光发射机及其性能参数 2.光发射机的组成原理光发射机的组成原理 当温度高于设定控制温度时， 负温度系数的热敏电阻阻值 下降，电桥平破坏，b点电位 低于a点电位，运算放大器A的输出端电位上升，即 VT基极电位升高，流过TEC电流增大，制冷端温 度降低，热沉和半导体激光器温度也随之降低，从 而形成温度负反馈，达到温度稳定。 3.1光源与光发射机 n光发射机及其性能参数 3.光发射机性能参数光发射机性能参数 （1）平均发送光功率 光发射机的平均发送光功率是指当光发射机输出 “0”、“1”等概率的光信号时，光发射机输出的光 信号功率的平均值。若光发射机输出全“1”信号时 的光功率

19、为P(1)，而光发射机输出全“0”信号时的 光功率为P(0)，则平均发送光功率P 单位用毫瓦（mW）、微瓦（W） (1)(0) 2 PP P 3.1光源与光发射机 n光发射机及其性能参数 3.光发射机性能参数光发射机性能参数 （1）平均发送光功率 分贝毫（dBm）的定义是相对于1毫瓦的分贝数 ，用公式表示为 )( 1 )( lg10)( mW mWP dBmP 3.1光源与光发射机 n光发射机及其性能参数 3.光发射机性能参数光发射机性能参数 （2）消光比 反映光发射机光“1”和光“0”区分度的参数，其定义 为光发射机输出全“0”信号时的光功率为P(0)与光 发射机输出全“1”信号时的光功率为

20、P(1)的比值的 分贝数，用公式表示为 注意功率单位 (0) 10lg( ) (1) P EXTdB P 3.2 光电检测器和光接收机 n光纤通信对光电检测器的要求 （1）在系统工作波长上对一定的入射光功率能）在系统工作波长上对一定的入射光功率能 输出尽可能大的光电流。输出尽可能大的光电流。 （2）具有较快的光电响应速度，以用于高速光）具有较快的光电响应速度，以用于高速光 纤通信系统。纤通信系统。 （3）具有良好的线性度，以确保光电转换过程）具有良好的线性度，以确保光电转换过程 中的信号失真尽可能小。中的信号失真尽可能小。 （4）引入的噪声尽可能的小，以便获得较高的）引入的噪声尽可能的小，以便

21、获得较高的 信噪比，有利于信号复原。信噪比，有利于信号复原。 （5）具有较小的体积和较长的工作寿命等。）具有较小的体积和较长的工作寿命等。 3.2 光电检测器和光接收机 n光电检测器类型 1.光电检测器功能和类型光电检测器功能和类型 光电检测器的功能：将光信号转换为电信号。输 入到光电检测器的信号是光信号，由光电检测器 输出的是光电流。 完成光电转换功能的器件：光电阴极管、光敏电阻 、光电三极管、光电池和光电二极管等。光纤通 信用光电检测器主要有PIN光电二极管和APD光 电二极管。 3.2 光电检测器和光接收机 n光电检测器类型 2.PIN光电二极管光电二极管 PIN光电二极管是在高掺杂浓度

22、的P型和N型两层 半导体材料之间加入一层掺杂浓度极低的本征半 导体材料（称为I层）而形成的PN结结型器件。P 层和N层较薄，I层很宽，在P层外表面中心区域 有一镀增透膜的光敏面，输入光是通过光敏面进 入P层和I层而被吸收的。 3.2 光电检测器和光接收机 n光电检测器类型 2.PIN光电二极管光电二极管 光电二极管是在反向偏压下使用的，图给出了反 向偏压下的场分布。电场主要分布在本征层，光 被吸收也主要是在本征层，形成的光生载流子在 电场作用下运动形成光电流，减小了载流子的渡 越时间，从而提高了器件的响应速度。同时，光 在电场区域被吸收，可以降低载流子的复合几率 ，有利于提高响应度。 3.2

23、光电检测器和光接收机 n光电检测器类型 3.APD雪崩光电二极管雪崩光电二极管 光电检测器在一定输入光功率下获得的光电流 越大则性能越优越。对PIN光电二极管而言，即 使是光电转换效率达到1，一个光子最多只能转 换为一对电子空穴对。如果一个光子最终能转 换为更多对的电子空穴对，那无疑会获得更大 的光生电流，APD雪崩光电二极管就有这种作用 ，和PIN光电二极管相比，APD光电二极管相当 于具有电流增益。 3.2 光电检测器和光接收机 n光电检测器性能参数 1.响应度和量子效率响应度和量子效率 响应度是表征光电检测器光电转换能力的参 数，用R表示，其定义为 量子效率也可表征光电检测器的光电转换能

24、力，用 表示，其定义为 P in I R P 单位时间内入射光子数 载流子对数单位时间内产生的光生 3.2 光电检测器和光接收机 n光电检测器性能参数 1.响应度和量子效率响应度和量子效率 量子效率和响应度都是用来表征光电检测器 的光电转换能力的，二者的关系为 R e hc R e hv hvP eI in P / / 3.2 光电检测器和光接收机 n光电检测器性能参数 2.响应速度响应速度 响应速度是指它的光电转换速度，它由载流子的 渡越时间决定。影响渡越时间的因素包括： （1）从光入射到产生光生载流子的时间； （2）光生载流子在零电场区的扩散时间； （3）光生载流子在电场区的漂移时间。 3

25、.2 光电检测器和光接收机 n光电检测器性能参数 2.响应速度响应速度 响应速度是指它的光电转换速度，它由载流子的 渡越时间决定。影响渡越时间的因素包括： （1）从光入射到产生光生载流子的时间； （2）光生载流子在零电场区的扩散时间； （3）光生载流子在电场区的漂移时间。 3.2 光电检测器和光接收机 n光电检测器性能参数 2.响应速度响应速度 渡越时间越短，响应速度就越快，因此，缩短渡 越时间首先要减小光电检测器的厚度，特别是零 电场区的厚度；其次是增加载流子的渡越速度。 光电检测器在反向偏压时，其电场区的比例增加 ，对载流子加速的电场也在增强，有利于减小渡 越时间。因此，光电检测器通常都在

26、反偏下工作 。 3.2 光电检测器和光接收机 n光电检测器性能参数 3.APD的倍增系数的倍增系数 APD的倍增系数M定义为 式中，IP为培增后的光电流，I0为倍增前的光电流 ，又称一次电流。对PIN而言，由于没有电流增 益，所以可以看做倍增系数为1 0 P I M I 3.2 光电检测器和光接收机 n光电检测器性能参数 4.暗电流暗电流 暗电流是没有信号光照射时光电检测器的输出的 光电流，它包括体内暗电流和表面暗电流。 对于APD，体内暗电流会受到倍增作用，而表面暗 电流不会经历倍增过程。 3.2 光电检测器和光接收机 n光电检测器性能参数 5.光电检测器的噪声光电检测器的噪声 （1）PIN

27、的噪声 PIN的噪声包括有量子噪声和暗电流噪声，其总 均方噪声电流可以表示为 = 2e (Ip+Id) B Ip为平均光电流，Id为暗电流平均值，B为带宽 3.2 光电检测器和光接收机 n光电检测器性能参数 5.光电检测器的噪声光电检测器的噪声 （2）APD的噪声 APD的噪声包括量子噪声、暗电流噪声和倍增噪 声。APD的倍增系数具有随机性，倍增系数是一个 统计平均的概念（应该表示为）。APD的倍增 噪声就是由于倍增系数的这种随机性而产生的。 在不考虑暗电流噪声时APD倍增噪声的功率密度 可表示为 = 2e I0 2+x B I0为倍增前的光电流，x称为APD的附加噪声指数， 其值一般在0.3

28、1的范围之内。 3.2 光电检测器和光接收机 n光电检测器性能参数 5.光电检测器的噪声光电检测器的噪声 （2）APD的噪声 若考虑暗电流噪声，则APD的总均方噪声电流 可表示为 = 2e Ids + (I0 + Idb) 2+x B Ids和Idb分别为表面暗电流和体内暗电流。 对PIN而言，=1，式（3.28）退化为（3.26）。 3.2 光电检测器和光接收机 n光接收机的组成原理和性能 1.光接收机组成原理光接收机组成原理 （1）基本功能 微弱信号的检测。 从包含各种干扰的信号中恢复出原始数据。能 够检测出微弱信号是远远不够的，还必须能够从带 有各种干扰的微弱信号中恢复出原始数据，才能实

29、 现传输的目的。原始数据可以是数字信号，也可以 是模拟信号，相应的接收机就是数字接收机和模拟 接收机。 3.2 光电检测器和光接收机 n光接收机的组成原理和性能 1.光接收机组成原理光接收机组成原理 （2）解调方式 解调就是把调制在光波上的信号提取出来。最简 单的检测方式就是直接功率检测，通过光电二极管 直接将接收的信号恢复成基本调制信号。 3.2 光电检测器和光接收机 n光接收机的组成原理和性能 1.光接收机组成原理光接收机组成原理 光接收机的结构框图如图3.15所示，包括光电检 测与前置放大、自动增益控制（AGC）与均衡、 判决再生电路等。主要包括光电检测器、前置放大 器、主放大器、均衡器

30、、自动增益控制(AGC)电路 、时钟提取电路以及取样判决器 光 检 测 器 偏 压 控 制 前 置 放 大 器 AGC 电 路 均 衡 器判 决 器 时 钟 提 取 再 生 码 流 主 放 大 器 光 信 号 3.2 光电检测器和光接收机 n光接收机的组成原理和性能 1.光接收机组成原理光接收机组成原理 由光电检测器和前置放大器组成光接收机的前端 部分，其主要功能是完成光电转换和低噪声放大信 号到合适的程度。光电检测器（APD或PIN）完成 光电转换功能，通常处于反向偏置，由偏压控制电 路控制。光电检测器可以看成一个电流源和其结电 容Cd并联，等效电路如图3.16所示，RL为负载电 阻。 3.2 光电检测器和光接收机 n光接收机的组成原理和性能 1.光接收机组成原理光接收机组成原理 高阻抗前端与跨阻抗前端：