光发射机与光接收机

1、第10章 光发射机与光接收机 第10章 光发射机与光接收机 10.1 光源光源 10.2 光发射机光发射机 10.3 光电检测器光电检测器 10.4 光接收机光接收机 10.5 光电集成器件与电路光电集成器件与电路 第10章 光发射机与光接收机 10.1 光源光源 光源的作用光源的作用把要传输的电信号转换成光信号发射去。 一、对光源的基本要求一、对光源的基本要求 (1)发射的光功率应足够大，而且稳定度要高 (2)调制方法简单 (3)光源发光峰值波长应与光纤低损耗窗口相匹配 (4)光源与光纤之间应有较高的耦合效率 (5)光源发光谱线宽度要窄，即单色性要好 (6)可靠性要高，必须保证系统能24h连

2、续运转 (7)光源应该是低功率驱动低电压、低电流)，而且电光转 换效率要高 第10章 光发射机与光接收机 能满足上述基本要求的光源是半导体光源。能满足上述基本要求的光源是半导体光源。 半导体激光器(LD) 中、长距离 最常用的光源 大容量(高码速)系统 半导体发光二极管(LED)。 短距离、低容量系统 模拟系统。 第10章 光发射机与光接收机 10.1.1 激光二极管（LD） 1 1基本结构基本结构 激光二极管的基本结构框图 第10章 光发射机与光接收机 2LD的工作原理的工作原理 （1）半导体材料的能级结构 半导体材料中的电子处于分立能级上，高能级称为导带，低能级称为价 带，高、低能级之间称

3、为禁带。则禁带宽度 Eg=Ec-Ev 在热平衡状态下，价带能级上的电子总数目NV远多于导带能级上的电子总数 目NC，即NVNC。 半导体材料电子能级示意图 第10章 光发射机与光接收机 （2）半导体材料中电子能态的变化 自发辐射自发辐射 发出的光子彼此不相干（即传播方向、相位和偏振不同），称为非相干发出的光子彼此不相干（即传播方向、相位和偏振不同），称为非相干 光。光。 受激辐射受激辐射 发出的光子彼此相干（即其传播方向、频率、相位、偏振都与外来光子发出的光子彼此相干（即其传播方向、频率、相位、偏振都与外来光子 相同），称为相干光。激光二极管输出的就是这种相干光。相同），称为相干光。激光二极管

4、输出的就是这种相干光。 受激吸收受激吸收 在外来入射光的作用下，处在低能级上的电子可以吸收入射光子的能量在外来入射光的作用下，处在低能级上的电子可以吸收入射光子的能量 而跃迁到高能级上而跃迁到高能级上 。 第10章 光发射机与光接收机 在热平衡状态下，半导体材料中同时存在以上三 种物理过程，其中自发辐射的概率远大于受激辐射的概 率，并且受激辐射的概率与导带上的电子总数NC成正 比，受激吸收的概率与价带上的电子总数NV成正比。 所以，若要受激辐射占有主导地位，就必须使导带上的 电子总数NC 远大于价带上的电子总数NV ，这称为粒 子数反转状态。 第10章 光发射机与光接收机 （3）PN结的能带和

5、电子分布 在热平衡状态下，能量为E的能级被一个电子占据的概率遵循 费米（Fermi）分布，即 在通常室温下，本征半导体、N型半导体和P型半导体都是大 多数电子占据低能级位置，没有形成粒子数反转分布，不能对光产 生放大作用。 fB 1 ( ) 1exp()/ P E EEk T 第10章 光发射机与光接收机 （4）电激励 结产生一个增益区，使其中的导带电子数远大于价 带电子数，形成 （5）光学谐振腔 前、后镜面之间夹有处于粒子数反转状态的PN结半导体材料，构成了光 学谐振腔。 其作用是使轴向（垂直于镜面方向）运动的光子在腔内来回多次反射形 成光振荡，并激励已处于粒子数反转的半导体材料，不断地产生

6、受激辐射， 使放出的光子数目雪崩式地增加。 第10章 光发射机与光接收机 3LD的类型结构 （1）同质结LD 由同一种半导体材料经不同掺杂构成单层由同一种半导体材料经不同掺杂构成单层PNPN结，称为同质结结，称为同质结 LDLD。 例如：砷化镓（例如：砷化镓（GaAsGaAs）同质结）同质结LDLD。 GaAs同质结LD结构示意图 第10章 光发射机与光接收机 （2）异质结LD 由不同的半导体材料经掺杂构成单层PN结或多层PN结。前者称为单异质 结LD，后者称为多异质结LD。 例如：GaAlAs/GaAs单异质结LD，发光波长为0.85m。 InGaAsP/InP双异质结LD，发光波长为1.3

7、1m或1.55m，损耗 小。 异质结LD结构示意图 第10章 光发射机与光接收机 半导体光源的发光机理半导体光源的发光机理 半导体发光器件是通过电子在能级之间的跃迁而发光的。 在构成半导体晶体的原子内部各个电子都占有所规定的能级。 如果让占据较高能级Ei的电子跃迁到较低能级Ej上，就会 以光的形式放出等于能级差的能量，这时能级差Eg和光的振荡 频率f之间的关系为 Eg=hf 式中，h为普朗克常数(h=6.62610-34 Js)。 (10.1) 第10章 光发射机与光接收机 半导体发光器件由适当的P型材料和N型材料所构成，两种材 料的交界区形成P-N结，如果在P-N结上加上正向电压，则N型区

8、的电子及P型区的空穴源源不断地流向P- N 结区。在那里电子与 空穴自发地复合，复合时电子从高能级的导带跃迁至低能级价带 而产生与跃迁所释放的能量相等的光子。 在这种情况下， 各个光子在时间上及方向上都不相同，这种 光称为自发光, 该发光器件叫做发光管。 其发光机理如图 10.1 所示。 第10章 光发射机与光接收机 图 10.1 发光机理示意图 (a) 光的自发发射； (b) 光的受激发射 第10章 光发射机与光接收机 另一种光称为激光，是利用谐振腔产生振荡的原理而获得 的。在P-N结的两端加工出两个平行光洁的反射镜面。此镜面 垂直于P-N结的平面，和它的长度方向形成一个谐振腔。当施 加正向

9、电压于P-N结时，P-N结内首先发出自发光，其中部分光 子沿着与反射面垂直的方向前进，这一部分光子受反射镜面的 反射，在谐振腔内来回反射。 同时，激光腔内的电子与空穴复 合，即激发电子从导带跃迁至价带而产生新的光子。 部分新产 生的光子也同样在谐振腔内来回反射。只要外加的电压和电流 足够大，那么光子的来回反射将激发更多的光子，产生正反馈 作用，使受激发光大为加强，遂产生激光。反射镜面是半透明 的，既可使部分光子反射回腔内，也可让部分光子辐射出去。 这种发光器件叫做激光器。 第10章 光发射机与光接收机 第10章 光发射机与光接收机 光子能量E和波长之间的变换关系如下： m 2398. 1 )e

10、V( E (10.2) 例如, 砷化镓半导体的带隙为1.36 eV，则砷化镓发光二极 管的辐射波长=1.2398/1.36=0.91m。该波长处于近红外区， 在掺入铝后可改变波长。因此, 短波长光源采用GaAlAs, 而长 波长光源用InGaAsP。目前，光纤通信使用的光源，短波长的 有GaAlAs激光器(LD)和GaAlAs发光二极管(LED)；长波长的 有InGaAsP激光器(LD)和InGaAsP发光二极管(LED)。 第10章 光发射机与光接收机 10.1.2 光源的分类及特性光源的分类及特性 在光纤通信系统中，光源的基本功能是将电流形式的电能 转变为光能，并将发出的光有效地耦合到光纤

11、中。 光源是光纤 通信的核心器件，其种类和性能的好坏在很大程度上决定了系 统的类型和性能。 光源的种类及特性见表10.1。 第10章 光发射机与光接收机 表表10.1 光源的种类及特性光源的种类及特性 第10章 光发射机与光接收机 表表10.1 光源的种类及特性光源的种类及特性 第10章 光发射机与光接收机 表表10.1 光源的种类及特性光源的种类及特性 第10章 光发射机与光接收机 表表10.2 发光二极管的类型及特点发光二极管的类型及特点 第10章 光发射机与光接收机 激光器的模式有纵模和横模之分。在与激光器谐振腔轴平 行方向(即纵向)的电磁场分布(即模式)称为纵模；在与激光器谐 振腔轴垂

12、直方向(即横向)的电磁场分布(酱模式)称为横模。纵模 反映了激光器光强随波长的变化情况即光谱特性，激光器有多 纵模和单纵模之分。多纵模激光器输出的光谱中包含若干个纵 模，纵模在光谱中是一根根离散的线谱，不同纵模上的光能量 (即光强)分布是不同的，其中有一个纵模光强最大的称为主模， 主模旁边的其它纵模光强都较小的称为旁模或边模。单纵模激 光器只有一个纵模能够正常工作，其它纵模都受到抑制，是实 现单模工作的激光器。横模反映了激光器输出光束光强的空间 分布，即方向特性的集散程度，直接影响到光源与光纤的耦合 效率。 第10章 光发射机与光接收机 在实际应用中，为了使发射波长与光纤通信系统的低损耗 或低

13、色散波长区相吻合，光源又按发射波长分为两大类，即短 波长(0.80.9 m)波段光源和长波长(1.21.7 m)波段光源， 而 长波段光源又分为1.3m波长光源和1.55 m波长光源两种。 按照材料特性光源可分为两大类，即半导体光源器件和非 半导体光源器件。半导体光源器件包括发光二极管和半导体激 光器。 短波长半导体光源器件是利用AlGaAs/GaAs材料制成的， 而长波长半导体光源器件则是利用InGaAsP/InP材料制成的。 两者都是多层外延， 形成双异质结。 第10章 光发射机与光接收机 10.1.3 半导体激光器的原理和结构半导体激光器的原理和结构 1. P-N结半导体激光器结半导体激

14、光器 P-N结半导体激光器也叫同质结半导体激光器。 它是结构 最简单的半导体激光器。下面以GaAs激光器为例进行讨论。 GaAs激光器的结构如图 10.2 所示，它的核心部分是一个P-N结。 P-N结由P+ GaAs 和N+GaAs构成， 激光就是由P - N结结区发出 的， 因此P - N结也叫作用区。 第10章 光发射机与光接收机 图 10.2 P-N结半导体激光器结构简图 W L d P GaAs N GaAs P-N结 第10章 光发射机与光接收机 P-N结的两个端面是按照晶体的天然解理面切开的，相当 于反射镜。它们的反射系数约为0.32，若将表面涂敷可得到很 高的反射系数。这就组成了

15、光学谐振腔。典型的尺寸为长 L=250500 m, 宽W=510 m, 厚d=0.10.2 m。 半导体激光器在正向偏压下工作， 外加电压就是电的泵浦 源。在正向偏压的作用下，电子流不断注入P-N结，使P-N结的 载流子失去平衡而处于粒子数反转状态。当那些高能级上的粒 子向低能级跃迁时就发出光子。光学谐振腔起反馈及选频作用， 光束在这里来回反射而得到增强。当满足振荡条件时，就可得 到激光。 第10章 光发射机与光接收机 2. 异质结半导体激光器异质结半导体激光器 异质结激光器分单异质结激光器和双异质结激光器。根据 工作波长的不同，所用的材料也不同。图10.3 给出了应用在= 0.840.9m的

16、单异质结激光器与双异质结激光器结构简图。 它们是用GaAs材料与GaAlAs材料制成的。 第10章 光发射机与光接收机 图 10.3 异质结半导体激光器的结构示意图 (a) 单异质结激光器； (b) 双异质结激光器 N-GaAs P-GaAs P-Ga 1 x AlxAs 作 用 区 作 用 区 N-GaAs N-Ga 1 xAlxAs P-GaAs P-Ga 1 x AlxAs (a)(b) 第10章 光发射机与光接收机 材料Ga1-xAlxAs是指在GaAs材料中掺入AlAs而形成的，叫 做砷镓铝三元素晶体。下标x与1-x是指AlAs与GaAs的比例。若 总数为1，则AlAs占x份，而Ga

17、As占1-x份，P-Ga1-xAlxAs与n-Ga1- xAlxAs各代表P型与N型砷镓铝材料。为了简化，一般常用P- GaAlAs，N-GaAlAs这样的表示法，只有特殊需要时才标明其 x值。这种合成材料的折射率、禁带宽度、损耗等都与GaAs材 料不同，它与GaAs是不同的物质。 第10章 光发射机与光接收机 在半导体激光器件中，异质结起着重要的作用。异质结是 由两种不同的材料构成的，在本例中是由GaAs和GaAlAs结合 而成的。根据形成异质结的两种材料的导电类型， 异质结又分 反型异质结与同型异质结两种。反型异质结是由导电类型相反 的两种不同材料形成的，例如由N型GaAs与P型GaAlA

18、s或P型 GaAs与N型GaAlAs材料构成。前一种记为N-P GaAs-GaAlAs， 后一种记为P-N GaAs-GaAlAs。同型异质结是由导电类型相同 的两种不同材料形成的，例如由P-GaAs和P-GaAlAs或N-GaAs 和N-GaAlAs构成， 它们各记为P-P GaAs-GaAlAs和N-N GaAs- GaAlAs。 第10章 光发射机与光接收机 10.1.4 半导体激光器的特性半导体激光器的特性 1. 伏安特性伏安特性 半导体激光器通常在正向偏压下工作。当接通电源后，激 光器并不立即产生电流，而有一个导通电压(一般在1V以下)。 当外加电压超过此电压后，电流随外加电压而增大

19、。在阈值(门 限值)以上， 半导体激光器的伏安特性可用下式表示： s IRe E U g (10.3) 式中，Eg为禁带能量，取决于材料本征值，由Eg=hf决定。e为 电子电荷。Rs为二极管串联电阻。 第10章 光发射机与光接收机 图10.4所示为GaAlAs激光器的伏安特性曲线。通常要求在阈 值附近电压U2 V, Rs5 ，以防烧坏管子。 图 10.4 激光器伏安特性曲线 100 50 0 12 U / V I / mA 第10章 光发射机与光接收机 2. 激光器输出光功率特性激光器输出光功率特性 图 10.5 激光器P-I特性 (a) LD的P-I曲线； (b) LD的P-I曲线扭折现象

20、输出光功率 自激辐射 受激辐射 阈值 (a) 10 mW 光功率 0 100200 (b) 电流 / mA电流 第10章 光发射机与光接收机 1) 微分量子效率d 激光器输出光子数的增量与注入电子数的增量之比，定义 为微分量子效率，即 I P hf e eI hfP oo d / / (10.4) 式中，Po/I就是P-I曲线的斜率。室温下，GaAlAs激光器的 d40%50%。 第10章 光发射机与光接收机 2) 功率转换效率p 激光器的输出光功率与器件消耗电功率之比， 定义为功率 转换效率， 即 IVRI P eIERI P s o gs o 22 p / (10.5) 式中，Po是在电流

21、I时的发射光功率。器件的功耗取决于串联 电阻和热阻，它随电流增加而增加。通常用于光通信的半导 体激光器， 功率转换效率约为5%10%。 第10章 光发射机与光接收机 在光通信用半导体激光器中，对微分量子效率不要求过 高，否则将产生自脉动现象和光反射噪声。一般尾纤输出的 P-I曲线斜率P/I0.8 mW/10 mA较为适宜。P-I曲线无扭折。 有扭折则出现光的脉动现象。要求在阈值附近的荧光输出功率 尽量小(50W)才能保证输出光功率的消光比(10%)满足要 求。 第10章 光发射机与光接收机 图 10.6 激光器的光场 LD 5 15 3. 激光器的光场激光器的光场 激光器发射的光功率的光场典型

22、情况如图 10.6 所示。 第10章 光发射机与光接收机 l 一个良好的激光器输出的光功率分布如图10.7 中的实 线所示， 它只有一个光斑， 激射的是0阶模或称为单横模。 l 一个具有 1 阶模的情况如虚线所示，它具有两个光斑。 l 自发辐射的光功率分布如点画线所示。在光纤通信中， 为了使光能的大部分耦合到光纤中去， 所以一般要求激光器 激射单横模。 激光器的发光面积是很小的， 约 120 m。 其发散 角一般为515。 第10章 光发射机与光接收机 图 10.7 激光器的光功率空间分布 功率 0阶模 自发辐射 1阶模 10 m10 m 0 第10章 光发射机与光接收机 4. 激光器的光谱特

23、性激光器的光谱特性 光源谱线宽度是衡量器件发光单色性的一个物理量。激光 器发射光谱的宽度取决于激发的纵模数目。观察半导体激光器 的光谱， 可以看到激光器的光谱随激励电流而变化。当激励电 流低于阈值电流时，发出的是荧光，这时的光谱很宽。当电流 增大到阈值时，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加， 这表明出现了激光。由此可知，光谱变窄，单色性加强是半导 体激光器达到阈值时的一个特征。因而可通过激光器光谱的测 量来确定阈值电流。 短波长GaAlAs激光器的光谱特性如图10.8(a)所示。它只有 一根谱线，称为单纵模。有些激光器的谱线如图10.8(b)所示， 它具有几根谱线，称为多纵模。 激光器的激

24、射频率会随注入电 流微量变动， 如图 10.9 所示。 第10章 光发射机与光接收机 图 10.8 GaAlAs LD的谱线 (a) 单纵模； (b) 多纵模 10 3 m 10 3 m (a)(b) 第10章 光发射机与光接收机 图 10.9 激射频率随注入电流变动 180 mA 173 mA 170 mA 164.5 mA 0.8520 m0.8530 m 第10章 光发射机与光接收机 5. 激光器的调制特性激光器的调制特性(瞬态特性瞬态特性) 图 10.10 激光器调制的频率特性 10005000 1 2 调制频率 / MHz 输出 / mW 第10章 光发射机与光接收机 (1) 张弛振

25、荡张弛振荡。 典型激光器的脉冲调制特性如图 10.11 所示。 图 10.11 激光器脉冲调制状态下的张弛振荡 LD 偏流 LD 光 光 偏流接近阈值时 频谱稳定 5103 m 相对强度 I I 第10章 光发射机与光接收机 (2) 自脉动现象自脉动现象。 自脉动现象不是所有激光管都有。在P-I曲线有明显扭折的 激光器中， 如图10.12(a)所示，当注入电流达到某一值时(通常 在P-I曲线发生扭折的区域内)， 输出光脉冲呈现出如图10.12(b) 所示的持续的等幅振荡，这种现象称为激光器的自脉动现象。 自脉动现象振荡频率很高，约 600 MHz， 对输出光脉冲起高频 干扰作用， 这是人们所不

26、希望的现象。 第10章 光发射机与光接收机 图 10.12 激光器的自脉动现象 (a) 激光器P-I曲线的扭折现象；(b) 激光器的自脉动现象 Ith 自脉 动区 (a)(b) 第10章 光发射机与光接收机 (3) 张弛振荡与自脉动现象同时存在张弛振荡与自脉动现象同时存在。 当激光器受激辐射后，先出现一种张弛振荡过程，紧接着 发生自脉动现象，如图10.13 所示，这种现象并不普遍，一旦 发生会辐射出两种波长的光。 第10章 光发射机与光接收机 图 10.13 激光器的张弛振荡、 自脉动现象 第10章 光发射机与光接收机 6. 激光器的温度特性激光器的温度特性 半导体激光器阈值电流随温度增加而加

27、大。尤其是工作于 长波长波段的InGaAsP激光器，阈值电流对温度更敏感。 半导体激光器输出光功率阈值电流曲线受温度变化影响 见图10.14和图10.15。 第10章 光发射机与光接收机 图 10.14 短波长LD温度特性 50100150 0 2 4 6 8 10 I / mA P / mW 60 C 40C 0 C 第10章 光发射机与光接收机 图10.15 长波长LD温度特性 60 C 40 C 20 C 80604020 0 2 4 6 8 10 I / mA P / mW 第10章 光发射机与光接收机 7. 激光器的寿命激光器的寿命 激光器的寿命可以用阈值电流的增值来估量。通常激光

28、器的阈值随使用时间增长而增大。经验表明，激光器的阈值 增大在50%内， 能继续工作， 当阈值增达 3 倍时，激光器将 迅速损坏。 目前， 激光器的寿命尚是一个薄弱环节。 它对光纤通信 系统的可靠性有决定性作用。 第10章 光发射机与光接收机 半导体激光器最大的缺点是: 激光性能受温度影响大，光束的发散角较大(一般 在几度到20度之间)，所以在方向性、单色性和相干性 等方面较差. 但随着科学技术的迅速发展，半导体激光器的研究 正向纵深方向推进，半导体激光器的性能在不断地提高. 目前半导体激光器的功率可以达到很高的水平，而且光 束质量也有了很大的提高.以半导体激光器为核心的半 导体光电子技术在21

29、世纪的信息社会中将取得更大的进 展，发挥更大的作用. 第10章 光发射机与光接收机 10.1.5 分布反馈分布反馈 (DFB)激光器激光器 在长距离、大容量光纤通信系统中，需要线宽窄、高速调 制(即动态)下仍能在单纵模工作的半导体激光器动态单纵 模半导体激光器。目前，最为成功和应用最为广泛的激光器是 一种称为分布反馈(DFB)激光器的器件。这种器件在内部有源 层上蚀刻有一层皱纹层，形成光栅，利用光栅尖锐的波长选择 特性只允许一种特定的模式能够传输，同时抑制了其它纵模， 形成了单模工作条件。DFB激光器结构及其光谱特性如图10.16 所示。图中给出了一个内部的结构示意图及其光谱特性。蚀刻 的光栅

30、并不在真正的有源层，而在其上方。光栅和谐振腔能够 支持仅有的一个公共谐振纵模， 其波长由布拉格定律决定， 即 K nd2 第10章 光发射机与光接收机 图10.16 DFB激光器结构及其光谱特性 (b) 15651540 50 40 30 20 10 / nm 0 相对强度 光栅 输出 有源层 d P N (a) 第10章 光发射机与光接收机 10.1.6 发光二极管发光二极管 1. 输出光功率特性输出光功率特性 发光二极管的输出光功率P与电流I的关系曲线如图 10.18 所示。当注入电流较小时，发光二极管的输出功率曲线基本是 线性的。所以LED广泛用于模拟系统。 但电流太大时，由于PN结发热

31、而出现饱和状态。其输出特 性虽比LD好， 但远不是完全线性的。因此，当传输彩色电视 图像信号时，其非线性失真问题必须考虑。为此，其驱动电路 里应增加预失真补偿网络。由于非线性比较差，因此不能在大 容量的频分多路通信中使用。 第10章 光发射机与光接收机 LED I LED (a)(b) 图10.17 发光二极管的光场 （a）面发光管；（b）边发光管 第10章 光发射机与光接收机 图 10.18 LED输出光功率与电流的关系曲线 5 10 0 100200300400500I / mA P / mW 面发光管 边发光管 第10章 光发射机与光接收机 图 10.19 LED的辐射光谱 / m 40

32、010 4 m 0 0.5 1 光强 / m 第10章 光发射机与光接收机 2. 光谱特性光谱特性 LED的光谱特性如图 10.19 所示。 LED的辐射光谱比LD宽很多，如长波长谱宽可达 100 nm， 短波长LED也有数十纳米。由于光谱宽，光纤材料色散会引 起较大的光脉冲展宽， 限制了传输速率和距离。 第10章 光发射机与光接收机 3. 调制特性调制特性 发光二极管的调制特性如图 10.20 所示。一般LED的最高 调制频率为2060 MHz。随驱动电流不同，调制速率也有所改 变，一般在电流密度大时调制速率较高。改进的LED调制速率 可达 1 GHz。 4. 温度特性温度特性 温度对发光二

33、极管的光功率影响比半导体激光器要小。例 如，边发射的短波长管和长波长管，在温度由20 上升至70 时，发射功率分别下降为1/2和1/1.7(在电流一定时)。因此， 对温控的要求不像激光器那样严格。其温度特性参见图10.21 及图 10.22。 第10章 光发射机与光接收机 注入电流密度 0.3 kA/cm 2 0.6 kA/cm 2 1.8 kA/cm 2 1.4 kA/cm 2 300100102 5 4 3 2 1 调制频率/ MHz 输出/ dB 图 10.20 发光二极管的调制特性 第10章 光发射机与光接收机 图 10.21 短波长LED 100200300 0 0.2 0.4 0.

34、6 0.8 1.0 1.2 70 C 60 C 50 C 40 C 30 C 20 C 10 C I / mA P / mW 0.85 m 第10章 光发射机与光接收机 图 10.22 长波长LED 300200100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 I / mA P / mW 1.23 m 0 C10 C20 C30 C40 C50 C60 C70 C 第10章 光发射机与光接收机 10.1.7 半导体光源与光纤的耦合半导体光源与光纤的耦合 在光发射机中，如何减少半导体光源与光纤耦合的损耗， 从而提高耦合效率是一个重要的课题。最简单的耦合方式是直 接耦合，即光源与光纤对接。在半导

35、体光源与小数值孔径的光 纤对接时，可用下列经验公式粗略估算耦合效率: / 2 c 120 )NA( (10.6) 式中，c为耦合效率，NA为光纤的数值孔径，和分别为光 源的垂直光束发散角和水平光束发散角。 第10章 光发射机与光接收机 对于面发光二极管，=120，则式(10.6)可简化为 2 c )NA( (10.7) 对于边发光二极管，=120，则式(10.6)可简化为 120 )NA( 2 c (10.8) 图 10.23 画出了发光二极管和光纤的几种耦合方法。 第10章 光发射机与光接收机 图 10.23 LED与光纤的耦合方法 (a)(b)(c)(d)(e) 第10章 光发射机与光接收

36、机 图 10.24 半导体激光器与光纤的耦合方法 (a) 直接耦合； (b) 球端光纤耦合； (c) 光纤透镜耦合； (d) 自聚焦光纤透镜耦合 光纤 激光器 激光器 光纤 激光器 激光器 光纤透镜 光纤 自聚焦 光纤透镜 光纤 (b)(d) (a)(c) 第10章 光发射机与光接收机 10.2 光发射机光发射机 10.2.1 光发射机的基本组成及要求光发射机的基本组成及要求 在光纤通信系统中，必须将电信号经过发射机变换为光信 号耦合进光纤才能传输到接收端。因此，光发射机是系统的重 要组成部分。 光纤数字通信系统中的光发射机组成框图如图 10.25 所示。 第10章 光发射机与光接收机 图 1

37、0.25 数字光发射机的组成 电 端 机 接 口 扰 码 线 路 编 码 驱 动 电 路 光 源 控制电路 PCM 光发射机 连接器 光纤 第10章 光发射机与光接收机 对光发射机的要求主要的有以下四项指标。 (1) 输出光功率及其稳定性。发射机的输出光功率， 实际 上是从其尾光纤的出射端测得的光功率，因此应称为出纤光功 率。 光功率的单位为W或mW。在工程用相对值表示， 即相 对于1 mW光功率的分贝数(1 mW光功率定义为0 dB)，即： dBm )mW( 1 )mW( lg10 T P P (10.9) 发射机输出光功率的大小，直接影响系统的中继距离，是 进行光纤通信系统设计时不可缺少的

38、一个原始数据。输出光功 率的稳定性要求是指当环境温度变化或器件老化过程中，输出 光功率要保持恒定， 例如稳定度为5%10%。 第10章 光发射机与光接收机 (2) 消光比EXT。 消光比是指发全“0”码时的输出光功率 P0和发全“1”码时的输出光功率P1之比，即 1 0 1 0 P P EXT 时平均功率全 时平均功率全 (10.10) 消光比的大小有两种意义： 一是反映光发射机的调制状态，消光比值太大，表明光发射 机调制不完善， 电光转换效率低； 二是影响接收机的接收灵敏度。 一部性能完好的数字光发射机， 其消光比的值应为 EXT1 10。 第10章 光发射机与光接收机 (3) 光脉冲的上升

39、时间tr, 下降时间tf以及开通延迟时间td。这 些时间都是为了使光脉冲成为输入数字信号的准确重现， 即有 相适应的响应速度。 (4) 无张弛振荡。若加的电信号脉冲速率较高，则输出光脉 冲可能引起张弛振荡，这时必须加以阻尼，以使发射机能正常 工作。 此外，还有电路难易、电源功耗、成本等指标。要达到较 理想的指标，就必须适当选择光源器件和驱动电路。 第10章 光发射机与光接收机 10.2.2 光发射机的光调制技术光发射机的光调制技术 1. 光源调制方式光源调制方式 根据调制与光源的关系，光调制可分为直接调制和间接调 制两大类。 直接调制方法仅适用于半导体光源(LD和LED)，这种方法 是把要传送

40、的信息转变为电流信号注入LD或LED，从而获得相 应的光信号，所以采用电源调制方法。直接调制后的光波电场 振幅的平方与调制信号成一定比例关系，是一种光强度调制(IM) 的方法。 第10章 光发射机与光接收机 间接调制是利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应等 性质来实现对激光幅射的调制，这种调制方式既适应于半导体 激光器，也适应于其它类型的激光器。间接调制最常用的是外 调制的方法，即在激光形成以后加载调制信号。其具体方法是 在激光器谐振腔外的光路上放置调制器，在调制器上加调制电 压，使调制器的某些物理特性发生相应的变化，当激光通过它 时，得到调制。对某些类型的激光器，间接调制也可以采用内 调制

41、的方法，即在激光器的谐振腔内放置调制元件，用调制信 号控制调制元件的物理性质，将改变谐振腔的参数，从而改变 激光输出特性以实现其调制。 第10章 光发射机与光接收机 表表 10.3 光源的各种调制方法光源的各种调制方法 第10章 光发射机与光接收机 2. 光源直接调制原理光源直接调制原理 直接调制技术具有简单、经济、 容易实现等优点，是光 纤通信中最常采用的调制方式，但只适用于半导体激光器和 发光二极管， 这是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)基本上与注入电 流成正比，而且电流的变化转换为光频调制也呈线性，所以 可以通过改变注入电流来实现光强度调制

42、。 第10章 光发射机与光接收机 从调制信号的形式来说，光调制又可分为模拟信号调制和 数字信号调制。模拟信号调制是直接用连续的模拟信号(如话音、 电视等信号)对光源进行调制，图 10.26(a)就是对发光二极管进 行模拟调制的原理图。如图所示，连续的模拟信号电流叠加在 直流偏置电流上，适当地选择直流偏置电流的大小，可以减小 光信号的非线性失真。模拟调制电路，应是电流放大电路， 图 10.26(b)所示为一个最简单的模拟调制电路图。 第10章 光发射机与光接收机 图 10.26 发光二极管的模拟调制 (a) 模拟调制原理； (b) 简单的模拟调制电路 P IB LED (a)(b) O I 第1

43、0章 光发射机与光接收机 图 10.27 数字调制原理 (a) LED数字调制原理； (b) LD数字调制原理 P O I (a) P O IB I Im (b) 第10章 光发射机与光接收机 1) LED的数字调制和驱动 从图10.27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的响应速度。至于调制电流的幅 度Im, 应根据LED的P-I特性来选择，既要保证有足够的输出光脉 冲的幅度， 又要考虑LED对电流的承受能力。 第10章 光发射机与光接收机 2) LD的数字调制和驱动 由于LD是阈值器件，必须在LD上加稍低于阈值电流Ith的偏 置电流IB，再叠加调制

44、电流Im，如图10.27所示。 偏置电流的大 小直接影响激光器的高速调制性质，要兼顾到电光延迟、张弛 振荡、码型效应、结发热效应、激光器的消光比、散粒噪声等 各方面情况。一般偏置电流IB取(0.71.0)Ith。调制电流Im幅度的 选择，应根据LD的P-I特性曲线，既要保证有足够的输出光脉冲 的幅度，又要考虑光源的负担，还要考虑选择光源的线性区域。 对激光器进行高速脉冲调制时，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，此外，光源本身的响 应速度也要快。数字调制电路应是电流开关电路，最常用的是 差分电流开关。目前，直接强度调制速率可以达到10 Gb/s。 第10章 光发射机与光

45、接收机 10.2.3 光发射机的控制电路光发射机的控制电路 1) 自动温度控制(ATC) 温度控制采用微型致冷器、 热敏元件以及控制电路，方框 图如图 10.28 所示。热敏元件监测激光器的结温，与设定的基 准温度比较、 放大后，驱动致冷器的控制电路改变致冷量，从 而保持激光器在恒定的温度下工作。 目前，微型致冷器多采用半导体致冷器，它是利用半导体 材料的珀尔帖效应制成的。所谓珀尔帖效应，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，可以使一端吸热而 另一端放热的现象。一对电偶的致冷量是很小的，根据用途的 不同，可将若干对电偶串联或并联，组成温差电功能器件。其 中，微型半导体致冷器

46、的控制温差可以达到 3040。 第10章 光发射机与光接收机 为提高致冷效率和控制精度，激光器的温度控制常采用内 制冷的方式。 即将致冷器和热敏电阻封装在激光器管壳内部， 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。但是，温度控制方 式不能控制由于激光器老化而产生的输出功率的变化。 第10章 光发射机与光接收机 图 10.28 温度控制电路方框图 激光器 致冷器 热敏电阻控制电路 热 导 第10章 光发射机与光接收机 2) 自动功率控制(APC) 要精确控制激光器的输出功率，应从两方面

47、着手：一方面 要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的工作状态； 另一方面要控制激光器调 制脉冲电流的幅度，使其自动跟踪微分量子效率的变化， 从而 保持输出光脉冲信号的幅度恒定。 自动功率控制方法有两种：一是通过光反馈来自动调整偏 置电流的自动偏置控制法；二是峰值功率/平均功率控制法。 第二种方法不仅可以自动控制偏置电流，还可以控制调制电流 的幅度， 因此对LD输出光功率有很好的稳定作用。 第10章 光发射机与光接收机 10.3 光光 电电 检检 测测 器器 10.3.1 半导体光电检测器的机理半导体光电检测器的机理 1. 半导体的光电效应半导体的光电效应

48、 当材料受到光的照射时，发射出电子的现象，称为材料的 光电效应。 半导体的光电效应主要包括使半导体内的电子激发到真空 中的光电子发射和将半导体内被束缚的载流子激发为自由载流 子的内光电效应。 前者用来制作真空光电倍增管的光阴极，而 后者则是诸如光电二极管等半导体光电检测器件的基础。 第10章 光发射机与光接收机 图 10.29 所示为P-N结的光电效应。 图 10.29 P-N结的光电效应 P 扩散区自建电场 扩散区 N 耗尽区 吸收区 禁带 价带 导带 光子 第10章 光发射机与光接收机 2. 光电二极管光电二极管 用作光电检测的P-N结常用工作方式是通过外电路对P-N 结加反向偏压，如图

49、10.30 所示。在这种状态下工作的P-N结 器件称为光电二极管(PD)。当外电路接通时，就会有光生电流 Is流过负载。入射到P-N结的光越强，光生电动势就越大。 如 果将被调制的光信号照射到该连接了外电路的光电二极管的P- N结上， 它就将被调制的光信号还原成带有原信息的电信号。 这种光电二极管由于响应速度低， 不适用于光纤通信系统。 第10章 光发射机与光接收机 图 10.30 光电二极管的工作原理 PN Is 负载 扩散区 吸收区 耗尽区 E电场 入射光 第10章 光发射机与光接收机 3. PIN光电二极管光电二极管 半导体PIN光电二极管示意图如图 10.31 所示。 图 10.31

50、PIN二极管工作原理 PIN 入射光 Is 负载 电场 E 扩散区耗尽 区 吸收区 第10章 光发射机与光接收机 4. 雪崩光电二极管雪崩光电二极管 图 10.32 所示为APD的工作原理示意图。 图 10.32 APD工作原理示意图 N PP 负载 入射光 电场 E 雪崩区 耗尽区 漂移区 第10章 光发射机与光接收机 10.3.2 半导体光电检测器的特性及参数半导体光电检测器的特性及参数 1. PIN光电二极管的特性及参数光电二极管的特性及参数 1) 截止波长c 对任何一种材料制作的光电二极管，只可用在某个波长范 围内。 这是因为光电效应必须发生在 g EhfE 的条件下。其中, E是光子

51、能量，Eg是半导体材料的禁带宽度。 可见，频率f Eg/h的光子不能使半导体的电子由价带跃迁到禁 带， 因而不能产生光电效应。 (10.11) 第10章 光发射机与光接收机 能量与Eg相对应的光子频率称为截止频率，相应的波长称 为截止波长。 因此, 可求出 )eV( 24. 1 )m( gg c c EE hc h E f g (10.12) (10.13) 截止波长是光电二极管工作波长的上限，只有c的光才 能使光电二极管产生光电效应。对Si材料制作的光电二极管， c1.06 m， 对于Ge材料制作的光电二极管，c 1.6 m。 第10章 光发射机与光接收机 2) 响应度和量子效率 ; 工程上

52、常用响应度和量子效率来衡量光电转换效率。光电转换效率。 (1) 当光照射PIN器件时，单位入射光功率所产生的光电流， 称为PIN光电二极管的响应度。可表示为 o dpo o P II R (10.14) 式中，Ro为PIN光电二极管的响应度，Po为入射光功率，Ipo为 产生的光电流，Id为暗电流。 第10章 光发射机与光接收机 (2) 每一个光子入射到PIN器件所产生的电子数，称为PIN器 件的量子效率。它是响应度的另一种表达方式， 即 o o dpo / / )( R e hf hc P eII (10.15) 式中，e为电子电荷(=1.60210 - 1 9 C), h为普朗克常数 (=6

53、.62610-3 Js),f为光频(单位为Hz), c为光速(=3108 m/s)， 为光波长(单位为m)。 第10章 光发射机与光接收机 上式可简化为 805. 0 e o hc R(10.16) 响应度是工作波长的函数。存在一个效率最高的波长，称为峰值 波长。 Si =0.85 m时，Ro=0.65 A/W ; Ge =1.3 m时， Ro =0.45 A/W ; InGaAs =1.3 m时， Ro=0.6 A/W 第10章 光发射机与光接收机 3) 暗电流 光电二极管的另一个重要参数是它的暗电流。 暗电流是指 无光照时光电二极管的反向电流。Si材料制作的PIN光电二极管 暗电流可小于1

54、 nA(10-9 A)，但Ge光电二极管的暗电流经常达到 几百纳安。因此，长波长、 暗电流较小的InGaAs光电二极管得 到迅速发展。 PIN器件的暗电流Id是构成器件本身噪声的主要来源。PIN 管的噪声包括量子噪声和暗电流噪声。量子噪声是由于光子激 出的电子数是随机的，因而产生泊松分布的量子噪声。量子噪 声很小，通常可以忽略。暗电流噪声会影响接收机性能。 第10章 光发射机与光接收机 4) 响应速度(响应时间) 响应速度常用响应时间(上升时间和下降时间)来表示。 它是指二极管的电流随入射光变化的速度， 当光强受高速调 制时， 时间响应是一项重要指标。限制光电管时间响应的因 素有三个，即结电容

55、的影响、 耗尽区中光生载流子渡越时间 的影响和光生载流子在N区和P区的扩散时间影响。 PIN管的典型参数如表 10.4 所示。 第10章 光发射机与光接收机 表表 10.4 PIN管的典型参数管的典型参数 第10章 光发射机与光接收机 2. 雪崩光电二极管雪崩光电二极管APD的特性和参数的特性和参数 1) 倍增因子 光电倍增因子的定义是，倍增的光电流与低偏压下未发生 倍增的光电流之比。实际上是电流增益系数，可用米勒方程表 示为 n B dp md U IRU II II G 1 1 (10.17) 第10章 光发射机与光接收机 图 10.33 APD倍增因子与偏压关系 100200300400

56、 偏压 u/ V 1 2 5 10 20 50 200 500 1000 倍增因子 0.825 m C0C23 C43 C67 动态范围 第10章 光发射机与光接收机 由式(10.17)可知，当U趋近于UB时，并且忽略暗电流，可 以求出APD的最大倍增因子为 RnI U G p B max (10.18) 由上式可知，最大倍增因子G与IpR的平方根成反比，与UB的平 方根成正比。要获得较大的G值，除必须减小Ip和R值(R包括负 载电阻和器件本身的内阻)外，还要有较大的击穿电压UB。目 前，Si-APD比较容易达到上述要求，其G值可达200 以上，但 一般只用到80 左右； Ge-APD和InG

57、aAs-APD的G值一般在 30 以下， 实际应用在 1020 之间。 第10章 光发射机与光接收机 2) 暗电流 APD的暗电流有Id(初期暗电流)和Imd(倍增后的暗电流)之 分，同时又有表面漏电流和体内电流之分。表面漏电流不参 加APD的倍增，但体内暗电流通过倍增而放大，是APD的噪 声源之一。暗电流是按电压U=UB时测量的，Ge-APD的暗电 流最大，达1 A，这是其主要缺点。 第10章 光发射机与光接收机 3) 倍增噪声和过剩(附加)噪声指数 对于PIN管而言，其噪声源主要是“散粒噪声”。对于 APD而言，其雪崩过程中会对初始电流的“散粒噪声”产生倍 增作用，因此，称为雪崩倍增噪声。

58、由于雪崩是半导体内电 子空穴对的多次反复撞击产生的，在雪崩过程中，每一电 子空穴对的电子空穴碰撞的电离是不相同的， 是随机的。 这种随机的电流起伏增加了倍增过程中产生的附加噪声成分。 第10章 光发射机与光接收机 由实验可得，APD做光检测器时，信号功率是按2的比 例增加的，这里G为倍增因子的平均值； 而倍增噪声是按 G2F(G)的比例增加的，其中F(G)为过剩噪声系数。F(G) 与 G的关系如图 10.34 所示。图中，k为电子和空穴的离化率 之比，视APD的制作材料而异，如Si-APD的k值为0.020.03。 当G值不太大时，过剩噪声系数F(G)可近似表示为 ) 10()(xGGF x

59、x称为倍增过剩噪声指数，是APD的一个重要参数， 在理论计 算接收机灵敏度时要用此参数。x值与制造器件的材料和工艺等 因素有关。Si-APD的x值为0.20.5，Ge-APD的x值为 0.81, InGaAs-APD的x值为 0.60.8。 第10章 光发射机与光接收机 图 10.34 与F（G）的关系 10 2 101 10 G F(G) k0.05 k0.01 k0.005 第10章 光发射机与光接收机 4) 温度特性 环境温度的变化对APD的特性有很大的影响，尤其对倍增 因子和暗电流更为严重。温度对倍增因子的影响是因为APD的 击穿电压UB对温度变化十分敏感，这致使APD的工作不稳定。

60、一般APD的反向工作点靠近(略小于) UB ，如果U不变而UB变化， 将引起G值很大变化，甚至会使器件超出正常的使用范围。 另 外，由于半导体内的电子和空穴的电离碰撞能力(离化率)是随 温度升高而降低的，故倍增因子G随温度上升而减小。因此， 为了使APD稳定工作，在使用时必须采用工作点温度补偿等控 制措施。 第10章 光发射机与光接收机 5) 响应速度(响应时间) APD的响应速度主要由光电转换时间和结电容以及外部 电路参数来决定。其中，光电转换时间主要决定于初始光生 载流子运动到达雪崩区和倍增后的载流子运动到器件的电极 的时间。 为了提高响应速度，应尽量减小APD的结电容。 APD的结电容一