第4章 光发射和接收

1、光纤通信简明教程原 荣1第第4章章 光发射和接收光发射和接收4.1 激光器激光器和光发射机和光发射机发光机理发光机理、LD激光发射的条件、激光发射的条件、半导体激光器、波长可调半导体激光器、半导体激光器、波长可调半导体激光器、高速光发射机高速光发射机4.2 光探测器和光接收机光探测器和光接收机光探测原理、光探测原理、PIN光敏探测器、光敏探测器、雪崩光敏二极管（雪崩光敏二极管（APD）、）、波导光敏探测器、光接收机工作原理和性波导光敏探测器、光接收机工作原理和性能、相干光接收机能、相干光接收机光纤通信简明教程原 荣24.1 激光器和光发射机激光器和光发射机 在光纤通信中，将电信号转变为光信号在

2、光纤通信中，将电信号转变为光信号是由光发射机来完成的。是由光发射机来完成的。 光发射机的关键器件是光源：光发射机的关键器件是光源：LEDLD光纤通信简明教程原 荣3图图4.1.1 各种光源比较各种光源比较 光是一种电磁波，太阳光和电灯光可以看作是波长在可见光光是一种电磁波，太阳光和电灯光可以看作是波长在可见光范围内的电磁波的混合体。与此相反，光纤通信使用的激光范围内的电磁波的混合体。与此相反，光纤通信使用的激光器发出的光则是单色光，具有极窄的光谱宽度。器发出的光则是单色光，具有极窄的光谱宽度。 现在所讲的激光器发出的光，其空间相干性都非常好，可认现在所讲的激光器发出的光，其空间相干性都非常好，

3、可认为是近似于从点光源发出的光，如图为是近似于从点光源发出的光，如图4.1.1c所示。由于非相干所示。由于非相干光是不同方向的波面的叠加，所以散发到各个方向的光不能光是不同方向的波面的叠加，所以散发到各个方向的光不能聚焦成一点，而是成了光源的实象。聚焦成一点，而是成了光源的实象。光纤通信简明教程原 荣4光纤通信对光源的要求光纤通信对光源的要求 光源发射的峰值波长，应在光纤低损耗窗口之内光源发射的峰值波长，应在光纤低损耗窗口之内; 有足够高的、稳定的输出光功率，以满足系统对光中有足够高的、稳定的输出光功率，以满足系统对光中继段距离的要求继段距离的要求; 电光转换效率高，驱动功率低，寿命长，可靠性

4、高电光转换效率高，驱动功率低，寿命长，可靠性高; 单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高光单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高光源和光纤的耦合效率；源和光纤的耦合效率； 易于调制，响应速度快，以利于高速率、大容量数字易于调制，响应速度快，以利于高速率、大容量数字信号的传输信号的传输; 强度噪声要小，以提高模拟调制系统的信噪比强度噪声要小，以提高模拟调制系统的信噪比; 光强对驱动电流的线性要好，以保证有足够多的模拟光强对驱动电流的线性要好，以保证有足够多的模拟调制信道。调制信道。光纤通信简明教程原 荣5最常用的光源最常用的光源 光纤通信中最常用的光源是光纤通信中最常用的光源是:半导

5、体激光器（半导体激光器（LD）发光二极管（发光二极管（LED） 尤其是单纵模（或单频）尤其是单纵模（或单频）LD，在高速率、，在高速率、大容量的数字光纤系统中得到广泛应用；大容量的数字光纤系统中得到广泛应用； 近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是多近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是多信道信道WDM光纤通信系统的关键器件，越来光纤通信系统的关键器件，越来越受到人们的关注。越受到人们的关注。光纤通信简明教程原 荣6常用的调制方法常用的调制方法 直接调制直接调制注入调制电流实现光波强度调制注入调制电流实现光波强度调制 外调制外调制通过外腔调制器对光的强度、相位或频通过外腔调制器对光的强度、相位或频率进

6、行调制率进行调制光纤通信简明教程原 荣7模模拟拟信信号号对对 LD 直直接接调调制制P激激光光器器输输出出功功率率IthI输输入入电电信信号号曲曲线线IP-IbPb输输出出光光信信号号驱驱动动电电流流tt光纤通信简明教程原 荣8模拟模拟直接直接调制调制光发光发射机射机 注入调制电流实现光强度调制。响应速度注入调制电流实现光强度调制。响应速度快、输出波形好的调制电路和线性好的快、输出波形好的调制电路和线性好的LD注入电流注入电流-光强曲线是获得好的光调制波光强曲线是获得好的光调制波形的前提条件。形的前提条件。 输入输入电信号电信号光源光源控制控制 输出 输出光信号光信号驱动驱动电路电路LEDLE

7、D或LD或LD(a)直接调制(a)直接调制光纤通信简明教程原 荣9数字直接强度调制数字直接强度调制 信号经复用和编码后，通过调制器对光源进行光强度调制。信号经复用和编码后，通过调制器对光源进行光强度调制。发送光的一部分反馈到光源的输出功率稳定电路，即光功发送光的一部分反馈到光源的输出功率稳定电路，即光功率控制（率控制（AGC）电路。因为输出光功率与温度有关，一般）电路。因为输出光功率与温度有关，一般还加有自动温度控制（还加有自动温度控制（ATC）电路。）电路。信号输入复用编码调制光源耦合器控制光纤 输出光信号光纤通信简明教程原 荣10光外腔调制发射机框图光外腔调制发射机框图光源发出的连续光信号

8、，送入外调制器，信息信号经复用、编光源发出的连续光信号，送入外调制器，信息信号经复用、编码后通过外调制器对连续光的强度、相位或偏振进行调制。码后通过外调制器对连续光的强度、相位或偏振进行调制。尽管大多数情况均采用直接调制光载波的调制方式，但是在高尽管大多数情况均采用直接调制光载波的调制方式，但是在高速率速率DWDM系统和相干检测系统中必须采用光的外调制。系统和相干检测系统中必须采用光的外调制。编码编码外调外调制器制器光源光源 输出 输出光信号光信号驱动驱动输入输入电信号电信号LD(b)外调制(b)外调制光纤通信简明教程原 荣11外调制示意图外调制示意图外调外调制器制器放大器放大器 电信号电信号

9、调制光调制光电调制信号电调制信号调制后的光波调制后的光波LDLD 输出LD 输出连续光波连续光波光纤通信简明教程原 荣124.1.1 发光机理发光机理 我们知道，白炽灯是把被加热钨原子的一部分我们知道，白炽灯是把被加热钨原子的一部分热激励能转变成光能，发出宽度为热激励能转变成光能，发出宽度为1 000 nm 以以上的白色连续光谱。上的白色连续光谱。 发光二极管（发光二极管（LED）却是通过电子在能带之间）却是通过电子在能带之间的跃迁，发出频谱宽度在几百的跃迁，发出频谱宽度在几百 nm 以下的光。以下的光。 在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。如

10、果占据高能带（导带）的电子跃迁到能带。如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出。这时发出的光，其波能量）以光的形式放出。这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。长基本上由能带差所决定。光纤通信简明教程原 荣13 在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带；在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带； 如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出；就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出； 这时

11、发出的光，其波长基本上由能带差所决定。这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。图图4.1.3 半导半导体发体发光原光原理理EcEvEg能能量量E空穴空穴电子电子导带费米能级导带费米能级价带费米能级价带费米能级光子光子eVhvEFnEFp状态密度状态密度vcgEEE hvE vc hcEE 1 2398.（ m） 光纤通信简明教程原 荣14半导体发光机理半导体发光机理 EcEvEg能能量量E空穴空穴电子电子导带费米能级导带费米能级价带费米能级价带费米能级光子光子eVhvEFnEFp状态密度状态密度vcgEEE hvE vc hcEE 1 2398.（ m） 光纤通信简明教程原 荣15图图 4.

12、1.4 受激发受激发射导致射导致光放大光放大和振荡和振荡 发光过程，除自发辐射外，还有受能量发光过程，除自发辐射外，还有受能量等于能级差的光所激发而发出与之同频等于能级差的光所激发而发出与之同频率、同相位的光，即受激发射，如图率、同相位的光，即受激发射，如图4.1.4所示。所示。 光纤通信简明教程原 荣164.1.2 LD激光发射的条件激光发射的条件图图4.1.5 半导体激光器（半导体激光器（LD）a）LD相当于法布里相当于法布里 珀罗（珀罗（F-P）谐振腔）谐振腔 b）初始光场在谐振腔体内移动）初始光场在谐振腔体内移动 x获得增益获得增益 g光纤通信简明教程原 荣17LD的结构的结构就是一个

13、法布里就是一个法布里 珀罗谐振腔珀罗谐振腔 在在3.1.3节中，我们已讨论了法布里节中，我们已讨论了法布里-珀罗谐振珀罗谐振腔的构成和工作原理。半导体激光器的结构就腔的构成和工作原理。半导体激光器的结构就是一个法布里是一个法布里 珀罗谐振腔，如图珀罗谐振腔，如图4.1.5所示。所示。 激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时，激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时，高能带中的电子密度增加，这些电子自发地由高能带中的电子密度增加，这些电子自发地由高能带跃迁到低能带发出光子，形成激光器中高能带跃迁到低能带发出光子，形成激光器中初始的光场。初始的光场。 在这些光场作用下，受激发射和受激吸收过程在这

14、些光场作用下，受激发射和受激吸收过程同时发生，受激发射和受激吸收发生的概率相同时发生，受激发射和受激吸收发生的概率相同。同。 光纤通信简明教程原 荣18受激发射和受激吸收受激发射和受激吸收 用用Nc和和Nv分别表示高、低能带上的电子密度。当分别表示高、低能带上的电子密度。当Nc Nv时，受激吸收过程大于受激发射，增益系时，受激吸收过程大于受激发射，增益系数数g 0，只能出现普通的荧光，光子被吸收的多，只能出现普通的荧光，光子被吸收的多，发射的少，光场减弱。发射的少，光场减弱。 若注入电流增加到一定值后，使若注入电流增加到一定值后，使Nc Nv ，增益，增益系数系数g 0，受激发射占主导地位，光

15、场迅速增强，受激发射占主导地位，光场迅速增强，此时的此时的PN结区成为对光场有放大作用的区域结区成为对光场有放大作用的区域（称为有源区），从而形成受激发射，如图（称为有源区），从而形成受激发射，如图4.1.4和图和图4.1.7所示。所示。 光纤通信简明教程原 荣19图图4.1.4 受激发射导致光受激发射导致光放大和振荡放大和振荡电子能量光放大相互作用光反馈光反射镜反射镜输出光光放大(a)(b)光纤通信简明教程原 荣20LD发射激光的发射激光的首要条件首要条件-粒子数反转粒子数反转若注入电流增加到一定值后若注入电流增加到一定值后，使使vcNN ，受激发射占主导地位受激发射占主导地位，光场迅速增强

16、光场迅速增强，此时的此时的 P-N 结区成为对光场有放大作用的区域结区成为对光场有放大作用的区域(称为有源称为有源区区)，从而形成激光发射。从而形成激光发射。半导体材料在通常状态下半导体材料在通常状态下，总是总是vcNN ，因此称因此称vcNN 的状态为粒子数反转。的状态为粒子数反转。使有源区产使有源区产生足够多的粒子数反转生足够多的粒子数反转，这是使半导体激光器发这是使半导体激光器发射激光的首要条件。射激光的首要条件。光纤通信简明教程原 荣21LR1R2反反射射波波相相互互干干涉涉M1M2反反射射镜镜反反射射镜镜ABab 另一个条件是半导体激光器中另一个条件是半导体激光器中必须存在光学谐振腔

17、，并在谐必须存在光学谐振腔，并在谐振腔里建立起稳定的振荡。振腔里建立起稳定的振荡。 有源区里实现了粒子数反转后，有源区里实现了粒子数反转后，受激发射占据了主导地位，但受激发射占据了主导地位，但是，激光器初始的光场来源于是，激光器初始的光场来源于导带和价带的自发辐射，频谱导带和价带的自发辐射，频谱较宽，方向也杂乱无章。较宽，方向也杂乱无章。 为了得到单色性和方向性好的为了得到单色性和方向性好的激光输出，必须构成光学谐振激光输出，必须构成光学谐振腔。腔。LD 发射激光的发射激光的第二个条件第二个条件-光学谐振腔光学谐振腔光纤通信简明教程原 荣22法布里法布里-珀罗珀罗（Fabry-Perot）光学

18、谐振器光学谐振器 镀有反射镜面的光学谐振腔只有在特定的频率内镀有反射镜面的光学谐振腔只有在特定的频率内能够储存能量，这种谐振腔就叫做法布里能够储存能量，这种谐振腔就叫做法布里-珀罗珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器。）光学谐振器。 它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。当谐振它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。当谐振腔内的前向光波腔内的前向光波A和后向光波和后向光波B发生相干时，就发生相干时，就保持振荡，形成和腔体端面平行的等相面驻波。保持振荡，形成和腔体端面平行的等相面驻波。此时的增益就是激光器的此时的增益就是激光器的阈值增益阈值增益，达到该增益，达到该增益所要求的注入电流称作所要求的注

19、入电流称作阈值电流阈值电流。LR1R2反反射射波波相相互互干干涉涉M1M2反反射射镜镜反反射射镜镜ABab光纤通信简明教程原 荣23光在谐振腔里建立稳定振荡的条件光在谐振腔里建立稳定振荡的条件与电谐振一样，光也有谐振。要使光在谐振腔里建立与电谐振一样，光也有谐振。要使光在谐振腔里建立起稳定的振荡，必须满足一定的相位条件和阈值条件。起稳定的振荡，必须满足一定的相位条件和阈值条件。 相位条件相位条件-使谐振腔内的前向和后向光波发使谐振腔内的前向和后向光波发生相干；生相干； 阈值条件阈值条件-使腔内获得的光功率正好与腔内使腔内获得的光功率正好与腔内损耗相抵消。损耗相抵消。 只有谐振腔里的光增益和损耗

20、值保持相等，只有谐振腔里的光增益和损耗值保持相等，并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，才能在谐振腔的两个端面输出谱线很窄的相才能在谐振腔的两个端面输出谱线很窄的相干光束。干光束。光纤通信简明教程原 荣24发发射射主主模模纵纵模模增增益益频频率率gthg( ) 损损耗耗增增益益 ( ( ) ) 图4.1.6 激光器起振的阈值条件激光器起振的阈值条件受激发射使受激发射使腔体得到的腔体得到的增益增益 = 腔体腔体损耗损耗光纤通信简明教程原 荣25由图可见，只有当泵浦电流达到阈值时，高、低能带上的电子密度由图可见，只有当泵浦电流达到阈值时，高、低能带上的电子

21、密度差差)(vcNN 才达到阈值才达到阈值thvc)(NN ，此时就产生稳定的连续输出相干，此时就产生稳定的连续输出相干光。当泵浦超过阈值时，光。当泵浦超过阈值时，)(vcNN 仍然维持仍然维持thvc)(NN ，因为，因为thg必须必须保持不变，所以多余的泵浦能量转变成受激发射，使输出功率增加。保持不变，所以多余的泵浦能量转变成受激发射，使输出功率增加。图图4.1.7 激光器激光器起振阈起振阈值条件值条件的简化的简化描述描述NcNv_NcNv_()thNcNv_PoP阈值阈值粒子数粒子数翻转翻转光光输输出出功功率率阈值电流阈值电流光输出光输出功率功率高、低高、低能带上能带上的电子的电子密度差

22、密度差泵浦电流泵浦电流 I光纤通信简明教程原 荣26小小 结结-光在谐振腔里建立稳定振荡的条件光在谐振腔里建立稳定振荡的条件 在半导体激光器里，由两个起反射镜作用在半导体激光器里，由两个起反射镜作用的晶体解理面构成的法布里的晶体解理面构成的法布里 珀罗谐振腔，珀罗谐振腔，它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。 当受激发射使腔体得到的放大增益等于腔当受激发射使腔体得到的放大增益等于腔体损耗时（体损耗时（阈值条件阈值条件），并且谐振腔内的），并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时（前向和后向光波发生相干时（相干条件相干条件），），就保持振荡，形成等相面和腔体端面平

23、行就保持振荡，形成等相面和腔体端面平行的驻波，然后穿透谐振腔的两个端面，输的驻波，然后穿透谐振腔的两个端面，输出谱线很窄的相干光束。出谱线很窄的相干光束。光纤通信简明教程原 荣274.1.3 半导体激光器半导体激光器 在光纤通信网络中，最常用的激光器是分布反在光纤通信网络中，最常用的激光器是分布反馈（馈（DFB）激光器，它是一种单纵模（）激光器，它是一种单纵模（SLM）或单频半导体激光器，单频激光器是指半导体或单频半导体激光器，单频激光器是指半导体激光器的频谱特性只有一个纵模（谱线）的激激光器的频谱特性只有一个纵模（谱线）的激光器，它可以工作在光纤最小损耗窗口（光器，它可以工作在光纤最小损耗窗

24、口（1.55 m）的光纤系统中。）的光纤系统中。 在解释在解释DFB激光器工作原理的过程中，离不开激光器工作原理的过程中，离不开3.1.4节已介绍过的光的衍射现象。除小孔衍射节已介绍过的光的衍射现象。除小孔衍射和裂缝衍射外，事实上，任何物质折射率的周和裂缝衍射外，事实上，任何物质折射率的周期性变化，都可以作为衍射光栅。期性变化，都可以作为衍射光栅。光纤通信简明教程原 荣28图图4.1.8 三种不同的光栅三种不同的光栅a) 传输光栅传输光栅 b) 反射光栅反射光栅 c) 阶梯面反射光栅阶梯面反射光栅入射光波和衍射光波在光栅两侧的是传输光栅，如图入射光波和衍射光波在光栅两侧的是传输光栅，如图4.1

25、.10a所示；同所示；同在光栅一侧的是反射光栅，如图在光栅一侧的是反射光栅，如图4.1.10b所示。光栅是由周期性变化的反射所示。光栅是由周期性变化的反射表面构成的，这可通过在金属薄膜上刻蚀平行的凹槽得到。没有刻蚀表面表面构成的，这可通过在金属薄膜上刻蚀平行的凹槽得到。没有刻蚀表面的反射可作为同步的二次光源，它们发射的光波沿一定的方向干涉就产生的反射可作为同步的二次光源，它们发射的光波沿一定的方向干涉就产生零阶、一阶和二阶等衍射光波。零阶、一阶和二阶等衍射光波。光纤通信简明教程原 荣29分布反馈激光器分布反馈激光器(DFB) DFB激光器是单纵模激光器是单纵模(SLM) LD，即频谱特性只有一

26、个，即频谱特性只有一个纵模（谱线）的纵模（谱线）的 LD。 SLM LD与法布里与法布里-珀罗珀罗 LD 相比，它的谐振腔损耗与模相比，它的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗。式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗。 这是通过改进结构设计，使这是通过改进结构设计，使DFB LD 内部具有一个对波内部具有一个对波长有选择性的衍射光栅，从而使只有满足布拉格波长条长有选择性的衍射光栅，从而使只有满足布拉格波长条件的光波才能建立起振荡。件的光波才能建立起振荡。 图图4.1.10表示这种激光器的增益和损耗曲线。由图可见，表示这种激光器的增益和损耗曲线。由图可见，增益曲线首先和模式具有最小损

27、耗的曲线接触的模开始增益曲线首先和模式具有最小损耗的曲线接触的模开始起振，并且变成主模。其它相邻模式由于其损耗较大，起振，并且变成主模。其它相邻模式由于其损耗较大，不能达到阈值，因而也不会从自发辐射中建立起振荡。不能达到阈值，因而也不会从自发辐射中建立起振荡。光纤通信简明教程原 荣30 LD与法布里与法布里-珀罗珀罗 LD 相比，它的谐振腔损耗与相比，它的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗图图4.1.10 单纵模单纵模 DFB 半导体激光器半导体激光器增益和损耗曲线增益和损耗曲线发射发射主模主模纵模纵模频率频率gth 增益增益g( ) 损耗

28、损耗 B增益增益DFBDFB普通LD普通LD 增益曲线增益曲线首先和模首先和模式具有最式具有最小损耗的小损耗的曲线接触曲线接触的模开始的模开始起振，并起振，并且变成主且变成主模。模。光纤通信简明教程原 荣31PN有有源源区区激激话话区区波波纹纹电电介介质质光光栅栅分分布布式式布布拉拉格格反反射射器器光光输输出出入入射射光光反反射射光光AB mnB 2 （a a）D DB BR R激激光光器器的的结结构构( (b b) )部部分分反反射射波波A A和和B B具具有有路路程程差差 2 2 时时才才发发生生相相长长干干涉涉 图图4.1.9 DBR LD 结构及其原理结构及其原理DBR激光器除有源区外

29、，还在紧靠其右側增加了一段分布式布拉格激光器除有源区外，还在紧靠其右側增加了一段分布式布拉格反射器，它起着衍射光栅的作用。反射器，它起着衍射光栅的作用。DBR激光器的输出是反射光相长干涉的结果。只有当波长等于两倍激光器的输出是反射光相长干涉的结果。只有当波长等于两倍光栅间距光栅间距 时，反射波才相互加强，发生相长干涉。例如当部分反时，反射波才相互加强，发生相长干涉。例如当部分反射波射波 A 和和 B 具有路程差具有路程差 2 时，它们才发生相长干涉。时，它们才发生相长干涉。光纤通信简明教程原 荣32 只有当波长为只有当波长为 2 时，反射时，反射波才相互加强，发生相长干涉波才相互加强，发生相长

30、干涉 光纤通信简明教程原 荣33例例4.1.1 DFB激光器激光器光纤通信简明教程原 荣34普通LD光纤通信简明教程原 荣35LD 外形图光纤通信简明教程原 荣364.1.4 波长可调半导体激光器波长可调半导体激光器 波长可调激光器是波长可调激光器是WDM、分组交换和光分、分组交换和光分插复用网络重构的最重要器件。插复用网络重构的最重要器件。 使用它，可有效使用波长资源，减少设备使用它，可有效使用波长资源，减少设备费用。费用。 波长可调激光器主要有集成阵列波导光栅波长可调激光器主要有集成阵列波导光栅(AWG)型、耦合腔波导型、衍射光栅型、耦合腔波导型、衍射光栅PIC型型三种。三种。光纤通信简明

31、教程原 荣37图图4.1.11 集成衍射光栅波长可调激光器集成衍射光栅波长可调激光器 图图4.1.11 阵列阵列SOA集成光栅腔集成光栅腔体波长可调激光器体波长可调激光器 阵列半导阵列半导体光放大体光放大器器(SOA)集成光栅集成光栅腔体激光腔体激光器器 其发射波其发射波长可以精长可以精确设置在确设置在指定位置指定位置 Oi9 SOA个PNP0LNL0SOA泵浦电流光纤通信简明教程原 荣38阵列阵列SOA集成光栅腔体集成光栅腔体波长可调激光器波长可调激光器 有源条的外部界面和光栅共同构成了谐振腔的反射边界。右有源条的外部界面和光栅共同构成了谐振腔的反射边界。右边的光栅由凹面反射界面组成，以便聚

32、焦衍射返回的光到有边的光栅由凹面反射界面组成，以便聚焦衍射返回的光到有源条的内部端面上。这些条是直接位于波导芯上部的多量子源条的内部端面上。这些条是直接位于波导芯上部的多量子阱（阱（MQW）有源区。）有源区。 右边的平板右边的平板衍射光栅和衍射光栅和左边双异质左边双异质结有源波导结有源波导条（条（SOA）之间构成了之间构成了该激光器的该激光器的主体。主体。 Oi9 SOA个PNP0LNL0SOA泵浦电流光纤通信简明教程原 荣39图图4.1.11 阵列阵列SOA集成光栅腔体集成光栅腔体波长可调激光器波长可调激光器 (b) 一个一个SOA的典的典型发型发射光射光谱谱 151015151520403

33、02010/dB相对功率/nm波长光纤通信简明教程原 荣40 （c）波长波长和有和有源条源条位置位置的关的关系系 /nm波长149015001510152015300246810有源条位置图图4.1.11 阵列阵列SOA集成光栅腔体波集成光栅腔体波长可调激光器长可调激光器 光纤通信简明教程原 荣41阵列阵列SOA光栅腔体波长可调激光器波长与光栅腔体波长可调激光器波长与路径差有关（即与路径差有关（即与SOA位置有关）位置有关）光纤通信简明教程原 荣424.1.5 高速光发射机高速光发射机 这里介绍单芯片这里介绍单芯片40个信道的个信道的40 40 Gb/s WDM光发射机。光发射机。光纤通信简明

34、教程原 荣43图图4.1.12 40 40 Gb/s 多信道发送机多信道发送机每信道每信道40 Gb/s ，有，有40个信道；个信道；每个发送信道包含一个具有后向功率监控的调谐每个发送信道包含一个具有后向功率监控的调谐DFB激激光器，一个电吸收调制器光器，一个电吸收调制器 (EAM)，一个功率平坦元件，一个功率平坦元件（PEE）和前向功率监控器。）和前向功率监控器。PEE用来用来均衡每个均衡每个信道的输信道的输出功率出功率阵列波导阵列波导光栅光栅(AWG)用用来复用来复用40个不同波个不同波长信道。长信道。 电输入直流偏置控制光输出信道40 Gb/s404040 Gb/s功率监控EAM调制调谐

35、DFB功率监控功率均衡AWG信道复用1402140140.光纤通信简明教程原 荣44(c) 40个信道的L-I-V曲线 由图可由图可见，激见，激光器的光器的输出功输出功率随所率随所加的偏加的偏置电流置电流线性增线性增加。加。 02040608000.40.81.21.62.02.42.8输出功率电压电流 /mA/V光纤通信简明教程原 荣45(d) 40个信道归一化频谱曲线个信道归一化频谱曲线 1.5501.5551.5601.5656050403020100归一化输出功率波长/dBm光纤通信简明教程原 荣46 (e) 40个信道的光频安排个信道的光频安排 信道间信道间距是距是50 GHz; 设

36、计制设计制造的造的40信道的信道的AWG满足这满足这种要求种要求 05 10 15 20 25 30 35 40191.5192.0192.5193.0193.5194.0频率信道数/THz光纤通信简明教程原 荣4710 10 Gb/s多信多信道发道发送机送机模块模块 光纤通信简明教程原 荣484.2 光探测器和光接收机光探测器和光接收机 4.2.1 光探测原理光探测原理 4.2.2 PIN光电探测器光电探测器 4.2.3 雪崩光敏探测器（雪崩光敏探测器（APD） 4.2.4 波导光敏探测器（波导光敏探测器（WG-PD） 4.2.5 光接收机工作原理和性能光接收机工作原理和性能 相干光接收机相

37、干光接收机光纤通信简明教程原 荣49光探测器光探测器光纤通信简明教程原 荣50 43Gb/s DQPSK双平衡接收机双平衡接收机光纤通信简明教程原 荣51前前 言言 发射机发射的光信号经光纤传输后，不仅幅度发射机发射的光信号经光纤传输后，不仅幅度衰减了，而且脉冲波形也展宽或畸变了衰减了，而且脉冲波形也展宽或畸变了。 光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光信号，并放大、整形、再生成原输入信号。信号，并放大、整形、再生成原输入信号。 它的主要器件是利用光电效应把光信号转变为它的主要器件是利用光电效应把光信号转变为电信号的光电检测器。电信号的光电检测器。 对

38、光电检测器的要求是灵敏度高、响应快、噪对光电检测器的要求是灵敏度高、响应快、噪声小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面应声小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面应与光纤芯径匹配。与光纤芯径匹配。 用半导体材料制成的光电检测器正好满足这些用半导体材料制成的光电检测器正好满足这些要求。要求。光纤通信简明教程原 荣524.2.1 光探测原理光探测原理 光敏探测过程的基本机理是光吸收，受激光敏探测过程的基本机理是光吸收，受激吸收产生一个电子空穴对吸收产生一个电子空穴对; 在在 PN 结施加反向电压的情况下，受激吸结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子收过程生成的电子 空穴对，在电场的作空穴对，在电

39、场的作用下，在外电路形成光生电流。用下，在外电路形成光生电流。 当入射功率变化时，光生电流也随之线性当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。变化，从而把光信号转变成电流信号。光纤通信简明教程原 荣53 假如入射光子的能量超过禁带能量假如入射光子的能量超过禁带能量 Eg，耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个电子空穴对，发生受激吸收。电子空穴对，发生受激吸收。光探测原理光探测原理-受激吸收受激吸收Ec c吸收光子后吸收光子后产生电子产生电子Ev光子光子h 输入输入(输出电流)(输出电流)光纤通信简明教程原 荣54在在 PN 结施加反向电

40、压的情况下，受激吸收过程生成的电子结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子 空穴空穴对在电场的作用下对在电场的作用下, 分别离开耗尽区，电子向分别离开耗尽区，电子向 N 区漂移，空穴向区漂移，空穴向 P 区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开 N 区进入区进入正电极。从而在外电路形成光生电流。正电极。从而在外电路形成光生电流。当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。变成电流信号。图图4.2.1 PN结光电检测原理说明结光电检测原理说明入射光入射光

41、hvEgSiO2P+h+e-+ERIpVoutW抗反射膜抗反射膜电极电极电电极极耗尽区耗尽区Pin空穴空穴h+e-电子电子负载电阻负载电阻RIp光生电流光生电流输出电压输出电压L LL LN(a) 反向偏置的反向偏置的 PN 结结, ,当光入射时,光生电子当光入射时,光生电子空穴对分别向N区和P空穴对分别向N区和P区漂移，在外电路产区漂移，在外电路产生光生电流生光生电流W= = m几几光纤通信简明教程原 荣55光电检测器响应度光电检测器响应度光纤通信简明教程原 荣56响应带宽响应带宽100001.00.511010010000/MHz频率3dB带宽HFPPLF光纤通信简明教程原 荣57光电二极

42、管响应带宽定义光电二极管响应带宽定义光发光发射机射机LD光纤光纤t光接光接收机收机PD 频率为 的频率为 的正弦电信号正弦电信号f调制频率调制频率 f正弦信号正弦信号 f=(a)传输模拟信号的光纤线路(a)传输模拟信号的光纤线路0ff3dB el频率频率Phig f/Plow f1.00.5电带宽电带宽(b)光电二极管(b)光电二极管 响应带宽 响应带宽光纤通信简明教程原 荣58探测器的频率响应带宽探测器的频率响应带宽 100001.00.511010010000/MHz频率3dB带宽HFPPLF光纤通信简明教程原 荣594.2.2 PIN光电二极管光电二极管1. 工作原理工作原理简单的简单的

43、 PN 结光电二极管具有两个主结光电二极管具有两个主要的缺点。要的缺点。 首先，它的结电容或耗尽区电容较大，首先，它的结电容或耗尽区电容较大，RC 时间常数较大，不利于高频调制。时间常数较大，不利于高频调制。 其次，它的耗尽层宽度最大也只有几微其次，它的耗尽层宽度最大也只有几微米，此时长波长的穿透深度比耗尽层宽米，此时长波长的穿透深度比耗尽层宽度度 W 还大，所以大多数光子没有被耗尽还大，所以大多数光子没有被耗尽层吸收，因此长波长的量子效率很低。层吸收，因此长波长的量子效率很低。光纤通信简明教程原 荣60为了克服为了克服 PN 管存在的问题，人们采用管存在的问题，人们采用 PIN 光电二极管光

44、电二极管PIN 二极管与二极管与 PN 二极管的主要区别是，在二极管的主要区别是，在 P 和和 N 层之间加入了层之间加入了一个一个 I 层，作为耗尽层。层，作为耗尽层。I 层的宽度较宽，约有（层的宽度较宽，约有（5 50） m，可吸收绝大多数光子，使光生电流增加。可吸收绝大多数光子，使光生电流增加。图图4.2.2 PIN光电二极管光电二极管入射光入射光hvEgSiO2P+h+e-+EIpVout抗反射膜抗反射膜电极电极电电极极耗尽区耗尽区Pin输出输出电压电压RL反向偏置的反向偏置的 PIN,因耗尽区较宽,因耗尽区较宽,可以吸收绝大多数可以吸收绝大多数光生电子和空穴对,光生电子和空穴对,使量

45、子效率提高使量子效率提高I-SiWN+Vr-RLCdIpVout空穴空穴h+e-电子电子负载电阻负载电阻RIp光生电流光生电流L LW= = m550EVr/WCdPIN管分布电容PIN管分布电容光纤通信简明教程原 荣614.2.3 雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD） 雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD）是利用雪崩倍增效应）是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器。使光电流得到倍增的高灵敏度探测器。 APD的结构设计，使它能承受高的反向偏压，的结构设计，使它能承受高的反向偏压，从而在从而在 PN 结内部形成一个高电场区。结内部形成一个高电场区。 APD能提供内部增益能提供内

46、部增益 工作速度高工作速度高已广泛应用于光通信系统中已广泛应用于光通信系统中光纤通信简明教程原 荣62光生的电子光生的电子 空穴对经过高电场区时被加速。从而获得足够的能空穴对经过高电场区时被加速。从而获得足够的能量，它们在高速运动中与量，它们在高速运动中与 P 区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离，从而产生新的电子子电离，从而产生新的电子 空穴对。这种通过碰撞电离产生的空穴对。这种通过碰撞电离产生的电子电子 空穴对，称为二次电子空穴对，称为二次电子 空穴对。空穴对。新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时

47、又被加速，又可能碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。APD工工作作原原理理光纤通信简明教程原 荣63平均雪崩增益平均雪崩增益光纤通信简明教程原 荣64光电混装模块照片光电混装模块照片 光纤通信简明教程原 荣65吸收层(c) WG-PD入射光吸收层PIN(a) PIN-PD4.2.4 波导光电探测器（波导光电探测器（WG-PD）按光的入射方式，探测器可以分为按光的入射方式，探测器可以分为: 面入射光电探测器面入射光电探测器 (a) , 如一般的如一般

48、的PIN, 响应速度慢；响应速度慢； 边耦合光电探测器边耦合光电探测器 (c) ，如，如UTC-PD/TW-PD, 效应速度快。效应速度快。光纤通信简明教程原 荣6643 Gb/s DPSK平衡光平衡光接收机接收机光纤通信简明教程原 荣67100 GHz 波导光电探测器波导光电探测器光纤通信简明教程原 荣68 在面入射光电探测在面入射光电探测器中，光从正面或器中，光从正面或背面入射到探测器背面入射到探测器的光吸收层中，产的光吸收层中，产生电子空穴对，并生电子空穴对，并激发价带电子跃迁激发价带电子跃迁到导带，产生光电到导带，产生光电流，如图流，如图4.2.4(a)和和(b)。 所以，在面入射光所

49、以，在面入射光电探测器中，光行电探测器中，光行进方向与载流子的进方向与载流子的渡越方向平行，如渡越方向平行，如一般的一般的PIN探测器。探测器。 PIN的响应速度受到的响应速度受到PN结结RC数值、数值、I 吸收层厚度和载流吸收层厚度和载流子渡越时间等的限制。子渡越时间等的限制。 最高光响应速率小于最高光响应速率小于20 Gb/s。 为此提出了高速光电探测器为此提出了高速光电探测器解决方案解决方案边耦合光电探测边耦合光电探测器。器。 入射光吸收层PIN(a) PIN-PD面入射面入射光电探光电探测器测器光纤通信简明教程原 荣69 在（侧）边耦合在（侧）边耦合光电探测器中，光电探测器中，光行进方

50、向与载光行进方向与载流子的渡越方向流子的渡越方向互相垂直；互相垂直； 很好地解决了吸很好地解决了吸收效率和电学带收效率和电学带宽之间对吸收区宽之间对吸收区厚度要求的矛盾。厚度要求的矛盾。 边耦合探测器比面入射探测边耦合探测器比面入射探测器可以获得更高的器可以获得更高的3 dB响应响应带宽。带宽。 边耦合探测器分：边耦合探测器分： 波导型探测器（波导型探测器（WG-PD） 行波型探测器（行波型探测器（TW-PD ）。）。 边入射边入射光电探光电探测器测器吸收层(c) WG-PD光纤通信简明教程原 荣70波导探测器波导探测器 (WD-PD) 波导探测器正好解除波导探测器正好解除了了PIN探测器的内

51、量探测器的内量子效率和响应速度之子效率和响应速度之间的制约关系间的制约关系; 极大地改善了其性能，极大地改善了其性能，在一定程度上满足了在一定程度上满足了光通信对高性能探测光通信对高性能探测器的要求器的要求 面入射光电探测器的固面入射光电探测器的固有弱点是量子效率和响有弱点是量子效率和响应速度相互制约；应速度相互制约； 一方面可以采用减小其一方面可以采用减小其结面积来提高它的响应结面积来提高它的响应速度，但是这会降低器速度，但是这会降低器件的耦合效率。件的耦合效率。 另一方面也可以采用减另一方面也可以采用减小本征层（吸收层）的小本征层（吸收层）的厚度来提高器件的响应厚度来提高器件的响应速度。但

52、是这会减小光速度。但是这会减小光吸收长度，降低内量子吸收长度，降低内量子效率，因此这些参数需效率，因此这些参数需折衷考虑。折衷考虑。吸收层(c) WG-PD光纤通信简明教程原 荣71波导探测器波导探测器 光垂直于电流方向入射到光垂直于电流方向入射到探测器的光波导中，然后探测器的光波导中，然后在波导中传播，传播过程在波导中传播，传播过程中光不断被吸收，光强逐中光不断被吸收，光强逐渐减弱，同时激发价带电渐减弱，同时激发价带电子跃迁到导带，产生光生子跃迁到导带，产生光生电子空穴对，实现了对光电子空穴对，实现了对光信号的探测。信号的探测。 WG-PD的光吸收是沿波导的光吸收是沿波导方向进行的，其光吸收

53、长方向进行的，其光吸收长度远大于传统型光电探测度远大于传统型光电探测器。器。WG-PD的吸收长度是的吸收长度是探测器波导的长度，一般探测器波导的长度，一般可大于可大于10 m，而传统型探，而传统型探测器的吸收长度是测器的吸收长度是InGaAs本征层的厚度，仅为本征层的厚度，仅为1 m。所以所以WG-PD结构的内量子结构的内量子效率高于传统型结构效率高于传统型结构PD的。的。 另外，另外，WG-PD还很容易与还很容易与其他器件集成。其他器件集成。 但是，和面入射探测器相但是，和面入射探测器相比，比，WD-PD的光耦合面积的光耦合面积非常小，导致光耦合效率非常小，导致光耦合效率较低，同时也增加了和

54、光较低，同时也增加了和光纤耦合的难度。可采用斜纤耦合的难度。可采用斜边入射分支波导结构克服。边入射分支波导结构克服。吸收层(c) WG-PD光纤通信简明教程原 荣72图图4.2.5 分支波导探测器分支波导探测器(Tapered WG-PD) 光进入折射率为光进入折射率为n1的单模波导，当传输到的单模波导，当传输到n2光匹配层的下光匹配层的下面时，由于面时，由于n2n1，所以光向多模波导匹配层偏转（见，所以光向多模波导匹配层偏转（见2.2.2节）节）; 又因又因 n3n2，所以光就进入，所以光就进入PD的吸收层，转入光生电子的吸收层，转入光生电子的过程。的过程。吸收层(e) Tapered WD

55、-PD单模波导(多模波导)光匹配层n1n2n3n1n2n3PD 长吸收区L单模波导光经过光匹配层进入 吸收层PD(f)折射率光纤通信简明教程原 荣73分支波导探测器各层折射率的这分支波导探测器各层折射率的这种安排正好和渐变多模光纤的折种安排正好和渐变多模光纤的折射率结构相反（见图射率结构相反（见图2.2.4），）， 渐变多模光纤是把入射光局限在纤芯渐变多模光纤是把入射光局限在纤芯内传输，很容易理解，分支波导探测内传输，很容易理解，分支波导探测器就应该把光从入射波导中扩散出去。器就应该把光从入射波导中扩散出去。在这种波导结构中，永远不会发生全在这种波导结构中，永远不会发生全反射现象。反射现象。光

56、纤通信简明教程原 荣74图图4.2.6 边入射平面折射波导边入射平面折射波导RF UTC-PD光入射到斜面上产生折射，改变方向后到达吸收光敏区。耦合面积非光入射到斜面上产生折射，改变方向后到达吸收光敏区。耦合面积非常大，垂直方向和水平方向的耦合长度分别达到了常大，垂直方向和水平方向的耦合长度分别达到了9.5 m和和47 m，即，即使在没有偏压的情况下，外部量子效率也达到了使在没有偏压的情况下，外部量子效率也达到了91 %。在在0.5 V偏压下，它的响应度达到了偏压下，它的响应度达到了0.96 A/W。RF-PD和和WG-PD相比，前者的耦合面积要远大于后者，外量子效率也相比，前者的耦合面积要远

57、大于后者，外量子效率也要比后者高。要比后者高。从结构图中可以看出，器件的另外一个显著特征是光在斜面上折射后从结构图中可以看出，器件的另外一个显著特征是光在斜面上折射后斜入射到光吸收区，增大了光吸收长度和光吸收面积，提高了内量子斜入射到光吸收区，增大了光吸收长度和光吸收面积，提高了内量子效率，同时分散光吸收可以增大探测器的饱和光电流。效率，同时分散光吸收可以增大探测器的饱和光电流。 角度刻面入射光吸收层InGaAs电极P电极NInP收集层 折射光光纤通信简明教程原 荣75行波探测器（行波探测器（TW-PD）行波探测器是在波导探测器的基行波探测器是在波导探测器的基础上发展起来的，它的响应不受础上发

58、展起来的，它的响应不受与有源面积有关的与有源面积有关的RC常数的限制；常数的限制； 响应主要由光的吸收响应主要由光的吸收系数以及光的群速度系数以及光的群速度和电的相速度不匹配和电的相速度不匹配决定。决定。 这种器件的长度远大这种器件的长度远大于吸收长度，但它的于吸收长度，但它的带宽基本与器件长度带宽基本与器件长度无关，所以具有更大无关，所以具有更大的响应带宽积。的响应带宽积。光纤通信简明教程原 荣76 串行光馈送串行光馈送TW-PD能克服能克服TW-PD高速和高速和大饱和光电流相互之间的制约。大饱和光电流相互之间的制约。(g) (VMP TW-PD)串行光反馈速度匹配周期分布式行波探测器吸收层

59、吸收层吸收层图图4.2.5b 光串行馈送速度匹配周期光串行馈送速度匹配周期分布式行波探测器（分布式行波探测器（VMP TW-PD）光纤通信简明教程原 荣77表表5.2.1 光探测器性能比较光探测器性能比较光纤通信简明教程原 荣784.2.5 光接收机工作原理和性能光接收机工作原理和性能 接收机的设计很大程度上取决于发射机接收机的设计很大程度上取决于发射机使用的调制方式，特别是与传输信号的使用的调制方式，特别是与传输信号的种类，即模拟或数字信号有关。种类，即模拟或数字信号有关。 因为大多数光波系统使用数字调制方式，因为大多数光波系统使用数字调制方式，所以在本章中，我们集中讨论数字光接所以在本章中

60、，我们集中讨论数字光接收机。收机。光纤通信简明教程原 荣79图图4.2.7 数字光接收机原理组成图数字光接收机原理组成图均衡均衡滤波滤波信号光信号光光探光探测器测器电压电压供给供给光电变换和前放光电变换和前放前放前放主放主放自动增自动增益控制益控制线性放大线性放大判决判决电路电路时钟时钟恢复恢复数据恢复数据恢复数据数据输出输出光纤通信简明教程原 荣80信信号号光光光光探探测测器器电电压压供供给给光光电电变变换换和和前前放放前前放放光电转换和光电转换和前置放大前置放大 前置放大器在减弱或防止电磁干扰和抑制噪声方前置放大器在减弱或防止电磁干扰和抑制噪声方面起着特别重要的作用，所以精心设计前置放大面