第九章 光纤通信技术—2

1、第第9 9章章 光纤通信技术光纤通信技术 光纤通信技术是光纤应用技术的一个重要应用方向 ，它是以光纤技术、激光技术和光电集成技术为基础而 发展起来的。光纤通信是以光纤作为传输媒介、光波为 载频的一种先进的通信手段。即利用近红外区域波长 1000nm左右的光波作为信息的载波信号，把电话、电视 、数据等电信号调制到光载波上，再通过光纤传输信息 的一种通信方式。光纤通信具有许多独特的优点，所以 光纤一经问世，就以科技史上罕见的速度迅速发展而成 为有效的通信手段。本章主要介绍了光纤通信的特点、 分类和光纤通信系统的基本组成，以及光纤通信网络和 光通信的新技术。 9.2 9.2 光源与光发送机光源与光发

2、送机 光发送机的作用是将电信号转变成光信号，并有效地把 光信号送入传输光纤。其关键器件是光源，主要功能是产生 光载波，完成电信号到光信号的转换。目前光纤通信广泛使 用的光源主要有半导体激光二极管（LD）和发光二极 （LED），有些场合也使用固体激光器。本节首先介绍半导 体光源的工作原理、基本结构和主要特性，然后进一步介绍 光发送机各组成部件的工作机理。 9.2.19.2.1光纤通信对光源器件的要求光纤通信对光源器件的要求 光纤通信对光源器件的要求是： 光源器件发射光波长与使用光纤的传输窗口波长一致， 一般应位于光纤的三个低衰耗窗口，即0.85m、l.31m和 1.55m附近。 可以进行光强度调

3、制，线性好，带宽大；发射光功率 足够高，以便可以传输较远的距离。光源器件一定要能在室 温下连续工作，而且其入纤光功率足够大，最少也应有数百 微瓦，甚至达到1mW（0dBm）以上。 温度稳定性好，即温度变化时，输出光功率以及波长 变化应在允许的范围内。光源器件的输出特性如发光波长与 发射光功率大小等，一般来讲随温度变化而变化，尤其是在 较高温度下其性能容易劣化。 发光谱宽窄，以降低光纤色散的影响。光源器件发射 出来的光的谱线宽度应该越窄越好。因为若其谱线过宽，会 增大光纤的色散，减小了光纤的传输容量与传输距离（色散 受限制时）。例如对于长距离、大容量的光纤通信系统，其 光源的谱线宽度应该小于2n

4、m，甚至到亚纳米级。 可靠性高，要求它工作寿命长，工作稳定性好，具有 较高的功率稳定性、波长稳定性和光谱稳定性；光纤通信要 求其光源器件长期连续工作，因此光源器件的工作寿命越长 越好。目前工作寿命近百万小时（约100年）的半导体激光器 已经商用化。 体积小、质量轻、与光纤之间有较高的耦合效率。光源 器件要安装在光发送机或光中继器内，为使这些设备小型化， 光源器件必须体积小、质量轻。由于光纤的几何尺寸极小（单 模光纤的芯径不足1m） ,所以要求光源器件要具有与光纤较 高的耦合效率。 能够满足以上要求的光源一般为半导体发光器，另外全光 纤激光器作为一种新型的激光器也有望在光纤通信系统中发挥 其作用

5、。目前，光纤通信中最常用的半导体发光器件是LED和 LD。前者可用于短距离、低容量或模拟系统，其成本低，可靠 性高；后者适用于长距离、高速率的系统。 9.2.29.2.2发光二极管（发光二极管（LEDLED） 1.LED1.LED的发光机理与结构的发光机理与结构 LED的核心部分是由P型和N型半导体结合构成的PN结，为 正向工作器件。一般的PN结由同一种半导体材料构成，P区、 N区具有相同的带隙和接近相同的折射率，这种PN结称为同质 结。在同质结中，光发射在结的两边都可以发生，因此，发 光不集中，强度低，需要较大的注入电流。器件工作时发热 非常严重，必须在低温环境下工作，不可能在室温下连续工

6、作。为了克服同质结的缺点，需要加强结区的光波导作用及 对载流子的限定作用，这时可以采用异质结结构。所谓异质 结，就是由带隙及折射率都不同的两种半导体材料构成的PN 结。异质结可分为单异质结（SH）和双异质结（DH）。异质 结是利用不同折射率的材料来对光波进行限制，利用不同带 隙的材料对载流子进行限制，如图9.2所示。LED是由P型半 导体形成的P层和N型半导体形成的N层，以及在中间由异质 结构成的有源层组成。有源层是发光的区域，其厚度为 0.10.2m。 形成发光条件的过程参见图9.2。由双异质结构成LED的 能带状态，使P层和有源层以及N层的能量差（即带隙）变大。 这个能量差就是所谓的异质结

7、势垒。在正向偏压作用下，N 区的电子将向正方向扩散进入有源层，P区的空穴也将向负 方向扩散进入有源层。进入有源层的电子和空穴，由于异质 结势垒作用而被封闭在有源层内，形成粒子数反转分布。封 闭在有源层内并形成粒子数反转分布的电子，经跃迁与空穴 复合时，电子从高能级范围的导带跃迁到低能级范围的价带， 并释放出能量约等于禁带宽度Eg（导带与价带之差）的光子， 即发出荧光。这种复合的自发辐射光通过外加正向偏置形成的 注入电流，源源不断地向有源层提供电子和空穴得以维持。 LED由于利用正向偏压下的PN结在有源层内载流子的复合 发出自发辐射的光，所以LED的出射光是一种非相干光，其谱 线较宽(3060n

8、m) ，辐射角也较大。在低速率的数字通信和较 窄带宽的模拟通信系统中，LED是可以选用的最佳光源，与LD 相比，LED的驱动电路较为简单，并且产量高、成本低。LED主 要有五种结构类型，但在光纤通信中获得了广泛应用的只有两 种，即面发光二极管（SLED）和边发光二极管（ELED）。 SLED的结构如图9.3所示，由n-p-p双异质结构成。双异 质结生长在LED顶部的nGaAs衬底上，pGaAs有源层厚度仅 12m,与其两边的nA1GaAs和pA1GaAs构成两个异质结，限制 了有源层中的载流子及光场分布。这种LED有源层发射面限定 在一个小区域内，该区域的横向尺寸与光纤尺寸相近。有源 层中产生

9、的光发射穿过衬底耦合入光纤，由于衬底材料的光 吸收很大，可利用腐蚀的方法在衬底材料正对有源区部位腐 蚀出一个凹坑，使光纤能直接靠近有源区。另外，在p+GaAs一 侧用Si02掩模技术形成一个圆形的接触电极，从而限定了有源 层中源区的电流密度约200A/cm2。这种圆形发光面发出的光辐 射具有朗伯分布。 SLED输出的功率较大，一般注入100mA电 流时，就可达几个毫瓦，但光发散角大，水平和垂直发散角 都可达到120，与光纤的耦合效率低。为了提高耦合效率， 图图9.3 SLED9.3 SLED的结构的结构 可在发光面与光纤之间凹陷的区域注入环氧树脂，并在光纤末 端放置微透镜或形成球透镜，从而使入

10、纤功率提高23倍。 图图9.4 ELED9.4 ELED的结构的结构 ELED的结构图如图9.4所示。这种结构的目的是为了降低 有源层中的光吸收并使光束有更好的方向性，光从有源层的 端面输出。ELED利用Si02掩模技术，在P面形成垂直于端面的 条形接触电极（4050m），从而限定了有源区的宽度；同 时，增加光波导层，进一步提高光的限定能力，把有源区产 生的光辐射导向发光面，提高与光纤的耦合效率。另外， ELED有源区一端镀高反射膜，另一端镀增透膜，以实现单向 出光。这种 LED在垂直于结平面方向，发散角约为30，具 有比SLED高的输出耦合效率。 2.LED2.LED的主要特性的主要特性 (

11、1)光功率注入电流(P-I)特性 LED的输出光功率P与注入电流I的关系，即P-I特性，如 图9.5所示。LED为非阈值器件，其发光率随工作电流增大而 增大，当注入电流较小时，线性度非常好；但当注入电流比 较大时，由于PN结的发热，发光效率降低，并在大电流时出 现逐渐饱和现象。在同样的注入电流下，SLED的输出功率要 比ELED大2.53倍，这是由于ELED受到更多的吸收和界面复合 的影响。 在通常应用条件下，LED的工作电流通常为50150mA，偏 置电压1.21.8V，输出功率约几毫瓦，但因其与光纤的耦合 效率很低，入纤功率要小很多。 温度对LED的P-I特性也有影响，如图9.5所示，当工

12、作温 度升高时，同一电流下的发射功率要降低，如当温度从20 升高到70时，输出功率下降约一半。但相对LD而言，LED的 温度特性较好，在实际应用中，一般可以不加温度控制。 (2)发光波长与光谱特性 LED发射的光子的能量、波长取决于半导体材料的带隙Eg， 以电子伏特（eV）表示，发射波长为 )( )( 240. 1 g m eVE （9.1） 例如，对于GaAs,Eg1.22eV，用它制作的LED的发射波 长就为0.87m。不同的半导体材料、不同的材料成分有 不同的禁带宽度Eg ，可以发射不同波长的光。LED的工作原 理基于半导体的自发辐射，并且LED没有谐振腔实现对波长 的选择，因此发光谱线

13、较宽。由于半导体材料的导带和价带 都由许多不同的能级组成，如图9.6（a）所示。大多数的载 流子复合发生在平均带隙上，但也有一些复合发生在最低及 最高能级之间。因此，LED的发射波长在其中心值附近占据 较大的范围。如把光强下降一半时的两点间波长范围定义为 输出谱线宽度（半功率点全宽FWHP），即光源的线宽， 如图9.6（b）所示。在室温下，短波长LED的线宽为2520nm， 长波长LED的线宽则可达75100nm。LED的谱线宽度反映了有 源区材料的导带与价带内的载流子分布。 图图9.6 9.6 导体的价带能级间的光发射及线宽导体的价带能级间的光发射及线宽 图图9.7 LED9.7 LED的谱

14、线特性的谱线特性 LED的线宽与许多因素有关。线宽随有源层掺杂浓度的增 加而增加，如图9.7（a）所示。通常SLED为重掺杂，ELED为 轻掺杂，因此ELED的线宽稍窄。载流子在高温下有更宽的能 量分布，因此，大电流时随结温升高而线宽加大，同时峰值 波长向长波移动，移动速度为0.20.3nm/（短波长器件） 或0.30.5nm/（长波长器件），如图9.7（b）所示。由于 LED的线宽大，使光纤色散加重，从而限制了传输距离和速率。 (3)调制特性 从LED的P-I特性可见，改变LED的注入电流就可以改变其 输出光功率，如图9.8所示。这种直接改变光源注入电流实现 调制的方式称为直接调制或内调制（

15、IM）。在数字调制时， 可由电流源直接控制LED的通断；在模拟调制时，则先要将 LED直流偏置IB。 图图9.8 LED9.8 LED的调制原理图的调制原理图 LED的调制特性主要包括线性和带宽两个参量。从LED的 PI特性可知，当注入小电流时，其线性相当好，但当注入 电流较大时，会逐渐出现饱和现象，使模拟调制信号产生失 真。因此，即使对于线性要求较高的模拟传输来说，LED工 作在线性区时也是非常合适的光源。但若是对线性要求特别 高（如广播电视传输）时，则需要利用线性补偿电路进行线 性补偿。 图图9.9 LED9.9 LED的频率响应的频率响应 LED调制特性的另一个重要参量是调制带宽。在调制

16、频 率较低时，输出交流功率正比于调制电流；但随着调制频 率的提高，交流功率会下降。图9.9为LED的频率响应，图 中显示出少数载流子的寿命和截止频率fc的关系。对有源 区为低掺杂浓度的LED，适当增加工作电流可以缩短载流子 寿命，提高截止频率。 3.LED3.LED的特点的特点 LED是光纤通信中应用非常广泛的光源器件之一，因为 它具有以下优点： 线性度好。LED发光功率的大小基本上与其中的工作 电流成正比关系，也就是说LED具有良好的线性度。 温度特性好。相对于LD而言，LED的温度特性比较好， 在温度变化100的范围内，其发光功率的降低不会超过50%， 因此在使用时一般不需要加温控措施。

17、价格低、寿命长、使用简单。LED是一种非阈值器件， 所以使用时不需要进行预偏置，也不存在阈值电流随温度及 工作时间而变化的问题，故其使用非常简单。此外，与LD相 比它价格低廉，工作寿命也较长。据报道工作寿命近千万小 时（107）的LED已经问世。 同样，LED也存在以下缺点： 由于LED的发光机理是自发辐射发光，所发出的光不是 相干光而是荧光，所以其谱线较宽，一般在30100nm范围， 故难以用于大容量的光纤通信之中。 LED和光纤的耦合效率比较低，一般仅有1%2%,最多不超 过10%。光源器件与光纤之间的耦合效率，与光源发光的辐射图 形、光源出光面积与纤芯面积之比以及两者之间的对准程度、 距

18、离等因索有关。 4.LED4.LED的应用范围的应用范围 由于LED谱线较宽、与光纤耦合效率较低，所以难以用于大 容量长距离的光纤通信。但因其使用简单，价格低廉，工作寿 命长等优点，它广泛地应用在较小容量，较短距离的光纤通信 之中；而且由于其线性度甚佳，所以也常用于对线性变要求较 高的模拟光纤通信之中。 9.2.39.2.3半导体激光器（半导体激光器（LDLD） 1.1.半导体激光器的工作原理与结构半导体激光器的工作原理与结构 半导体激光器即激光二极管（LD）是利用在有源区中受 激辐射而发射光的光器件。LD产生激光输出的三个基本条件： 粒子数反转分布、提供光反馈和满足激光振荡的阈值条件。 为了

19、产生受激辐射，必须建立粒子非平衡分布，使高 能级的粒子数大于低能级的粒子数，产生粒子数反转分布。 使受激辐射大于受激吸收、处于粒子数反转状态，可采用电 或光的泵浦。 在有源区内，开始少数载流子的自发辐射产生光子。 一部分光子一旦产生，就穿出有源区，得不到放大；而另一 部分光子可能在有源区内传播，并引起其他电子空穴对的 受激辐射，产激辐射，产生更多的性能相同的光子，得到放 大。为了得到激光，必须将激活物质置于光学谐振腔中，如 图9.10所示。通过腔两端的反射，向光子提供正反馈。光信 号每通过一次增益介质就得到一次放大。这种光学结构称为 法布里一珀罗谐振腔，简称F-P谐振腔。 图图9.10 FP

20、9.10 FP 谐振腔谐振腔 由于在谐振腔中，光波是在两块反射镜之间往复传输， 这时只有在满足特定相位关系的光波才能得到彼此加强，即 相位条件，对应光波频率为 nL mc fm 2 （9.2） 式中，fm为光波的频率；n为工作介质的折射率；c为光速； m=1,2,。由（9.2）式可以看出，激光器中振荡光频率只 能取某些分立值，一系列不同的m取值对应于沿谐振腔轴向 一系列不同的电磁场分布状态（驻波），通常把这种沿谐振 腔的轴线方向（纵向）形成的驻波叫做纵模。一般半导体激 光器的m值为2000左右。相邻两纵模之间的频率之差： nL c f 2 （9.3） 称为纵模间隔，它与谐振腔长及工作物质有关。

21、LD中激光振 荡也可以出现在垂直于腔轴线的方向，这是平面波偏离轴向 传输时产生的横向电磁场分布，称为横模。 在注入电流的作用下，有源区的受激辐射不断增强， 称为增益。在F-P腔中，每次通过增益介质时的增益尽管很小， 但经过多次振荡后，增益变得足够大。LD工作过程中，光在 谐振腔内传播，除了增益介质的光放大作用外，还存在工作 物质的吸收、介质不均匀引起的散射，反射镜的非理想性引 起的透射及散射等损耗情况，所以也就只有光波在谐振腔内 往复一次的放大增益大于各种损耗引起的衰减，激光器才能 建立起稳定的激光输出。因此LD是阈值器件，只有在工作电 流超过阈值电流的条件下，才会输出激光。 图图9.11 L

22、D9.11 LD的结构的结构 LD的结构如图9.11所示。其结构与LED的结构类似，通常 也是由P层、N层和形成双异质结构的有源层构成。和LED所不 同的是，为了实现光的放大反馈，用半导体工艺技术在垂直 于PN结有源层的两个端面加工出两个相互平行的反射镜面， 这两个反射镜面与原来的两个结里面（晶体的天然晶面）构 成了谐振腔结构。当在双异质结LD两端加上正偏置电压时， 像LED一样在PN结区域内形成粒子数反转分布，产生电子与空 穴的复合而释放光子。只要外加正偏置电流足够大，光子的 往复运动就会激射出更多的、与之频率相同的光子，即发生 振荡现象，从而发出激光。 2.LD2.LD主要特性主要特性 （

23、1） PI特性 LD的PI曲线如图9.12所示。从图9.12可以看出，随着 激光器注入电流I的增加，其输出光功率P增加，但不是成直 线关系，存在一个阈值电流Ith。当注入电流小于阈值电流时， 激光器发出微弱的自发辐射光，类似于LED的发光情况， LD发出的是光谱很宽、相干性很差的自发辐射光。只有当 注入电流大于阈值电流后，激光器进入受激辐射状态发射 出激光，输出光功率才随注入电流增加而迅速增加且与注 入电流基本保持线性关系。 （2）温度特性 LD的P-I特性对温度很敏感，图9.13给出了不同温度下 P-I特性的变化情况。LD的P-I特性随器件的工作温度要发 生变化，当温度升高时，LD的P-I特

24、性发生变化，阈值电流 也会升高，阈值电流与温度T的关系可表示为 )exp()( 0 0th T T ITI（9.4） 式中，T0为器件的特征温度，T、 T0为热力学温度；I0为T T0时阈值电流的1/e。 图图9.12 LD9.12 LD的的P-IP-I曲线曲线图图9.13 LD9.13 LD的的PIPI曲线随温度的变化曲线随温度的变化 为解决LD温度敏感的问题，可以在驱动电路中进行温度补偿， 或是采用制冷器来保持器件的温度稳定。通常将LD与热敏电阻、 半导体制冷器等封装在一起，构成组件。热敏电阻用来检测器件 温度，控制制冷器，实现闭环负反馈自动恒温。 （3）发射波长与光谱特性 LD的发光原理

25、是位于高能级（E2）的电子跃迁到低能级时释 放出多余的能量而转换为辐射发光。辐射光的光量子能量等于 E2-E1，光的频率与该能量差成正比，即 ）（eVEEEh g 12 （9.5） 式中，是光的频率，h是普朗克常数，则光波长由上式得 m10 24. 1 6 1212 EEEE hc （9.6） FP-LD通常工作在多纵模状态，输出多纵模激光，光谱较 宽（24nm），如图9.14（a）所示。然而光纤长距离、大容 量的传输过程中，多纵模的存在将使光纤中的色散增加。这 种多纵模LD可以工作在1.31m波长上，速率高达2Gb/s的第 二代光纤通信系统，但不能工作在1.55m波长的第三代光纤 通信系统，

26、除非采用色散位移光纤，或设计出单纵模工作的 LD，单纵模LD中除了一个主模外，其他纵模都被抑制，同时 主模的谱线宽度非常窄，通常小于1nm，如图9.12（b）所示。 图图9.14 LD9.14 LD的多模（的多模（a a）和单模（）和单模（b b）输出谱）输出谱 （4）发光效率 LD的光功率输出可表示为 式中，I为注入电流；i为内量子效率，测试表明，室温下 其值为0.60.7；d为微分外量子效率，定义为阈值以上光 子输出速率增量与注入电子增量之比，显然与各种损耗有关。 d可通过PI特性的斜率P/I来计算: thdi0 II e h P （9.7） I P E e eI hP g d（9.8）

27、式中，Eg为带隙能量，为工作波长。通常LD每个端面的d 的值为0.150.25，高质量的LD则可达0.300.40,但在使用 上也不是d越大越好。 在高注入电流时（如I5Ith），d T；而低注入时则T 要下降。另外，LD的转换效率为输出光功率与输入电功率之 比，通常约为10%，这在激光器中效率是高的。 （5）调制特性 与LED调制不同的是，LD由于存在阈值电流，在实际的调 制电路中，为提高响应速度和不产生失真，需要进行直流偏 置处理。图9.15为LD的直接调制的原理图。在高速调制情况 下，LD会出现许多复杂动态性质，如出现电光延迟、弛豫振 荡、自脉动和码型效应等现象。这些特性会对系统传输速率

28、 和通信质量带来影响。 th dT 1 I I （9.9） 当注入电流I在阈值电流Ith以上时，LD的输出功率与注入电 流近似成线性，其总效率T（外量子效率）可表示为 图图9.15 LD9.15 LD的直接调制原理图的直接调制原理图 LD在信号电流直接调制 下，除了输出强度发生变化 外，其谱特性也会发生变化， 如图9.16所示。在阈值附近， 输出较宽，随着电流的增大， 模式选择性增大，相邻模得 到抑制。这时，总的强度不 变，但模间相对强度在改变。 这种模间分配效应在直接调 制下最明显，使长距离光纤 系统中因光纤色散而在接收 机内产生强度脉动，使误码 率增大。 图图9.16 GaAs9.16 G

29、aAsLD LD 直直 流流 （6）噪声特性 LD的输出总伴随有噪声分量，表现为强度、相位和频率 的随机波动，即使在恒定的电流偏置下，这些波动亦总是存 在。LD的噪声源于自发辐射，每个自发辐射光子向由受激辐 射建立的相干光场叠加一个相位随机变化的小的场分量，从 而以随机的方式扰动了相干光场的振幅和相位，由于LD的自 发辐射速率较大，因而随机扰动的速率很高，结果辐射光强 度和波动速率亦很高。强度的波动导致激光器的调制脉冲输 出信噪比降低。而相位波动导致在连续工作时有限谱线，在 脉冲工作时导致LD输出谱线的展宽。 图图9.17 9.17 单纵模单纵模LDLD的增益和损耗分布的增益和损耗分布 3.

30、单纵模LD 单纵模工作的LD的设计 思想基于纵模的损耗差，即 不同的纵模具有不同的损耗， 使某一纵模的损耗最小（净 增益最大）而达到振荡条件。 图9.17给出了这种LD的增益 和损耗分布，具有最小损耗 的纵模首先达到阈值条件而 成为振荡主模，其他模式由 于具有较大的损耗而基本上 被抑制掉。 单纵模LD的性能通常由边模抑制比（MSR）来表征，其定 义为 smmm PPMSR （9.10） 式中，Pmm为主模的功率，Psm为最大的边模(次模)的功率。对 于一个较好的单纵模LD,MSR大于30dB。 分布反馈LD是一种可以产生动态控制的单纵模激光器， 这种结构的LD又可分为分布反馈LD（DFB-LD

31、，光栅沿着整个 有源层）和分布布拉格反射LD（DBR-LD，其光栅位于有源层 的两端）。在对光具有放大作用的有源层附近，表面刻有波 纹状衍射光栅，以形成光的反馈，构成一只对波长敏感的谐 振腔。这种分布反馈结构像是分布着多个光学谐振腔，根据 衍射光栅的周期性结构（波纹状的间距），使LD具有极强的 波长选择性，实现了发光波长的单纵模工作。 DFB-LD的线宽大约为DBR-LD的线宽的1/10（约0.5nm）， 如图9.18所示，从而使波长色散的影响大为降低，可以实现 速率为数Gb/s的超高速传输。 图图9.18 9.18 分布反馈分布反馈LDLD 4. LD的特点 （1）LD的优点 LD所发出的光

32、的谱线十分狭窄，有15nm。从而大大降低 了光纤系统的色散，增大了光纤的传输带宽。故LD可适用于大 容量的光纤通信。 LD所发出的光的方向一致性好，发散角小，与光纤的耦 合效率较高。一般用直接耦合方式就可达20%以上，如果采用适 当的耦合措施可达90%。由于耦合效率高，入纤光功率大，故LD 适用于长距离的光纤通信。 LD是一个阈值器件，在实际使用时必须对之进行预偏置。 对LD进行预偏置可以减少由于建立和阈值电流相对应的载流子 密度所出现的时延，提高LD的调制速率，使LD适用于大容量光 纤通信。 （2）LD的缺点 和LED相比，LD的温度特性较差，主要表现在其阈值电 流随温度的上升而增加。当温度从20上升到50时，LD的阈 值电流会增加12倍，这样会给使用带来许多不便。在一般情 况下LD要加温度控制和制冷措施。为了获得好的高频调制性能， 驱动电路安装在靠