光发射机与光接收机.ppt
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光发射机与光接收机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 2．．LD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 ①① 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），称为非相干光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 ②② 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、偏振都与外来光子相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同），称为相干光激光二极管输出的就是这种相干光 ③③ 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而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 第10章 光发射机与光接收机 （4）电激励 其作用是使半导体其作用是使半导体PNPN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，形成粒子数反转状态，成为光放大的媒质。
粒子数反转状态，成为光放大的媒质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 3．LD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，称为同结，称为同质结质结LDLD 例如：砷化镓（例如：砷化镓（GaAsGaAs）同质结）同质结LDLDGaAs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0.85μm InGaAsP/InP双异质结LD，发光波长为1.31μm或1.55μm，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=6.626×10-34 J·s) (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λ之间的变换关系如下： (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λ=1.2398/1.36=0.91μm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(0.8~0.9 μm)波段光源和长波长(1.2~1.7 μm)波段光源， 而长波段光源又分为1.3μm波长光源和1.55 μm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 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光学谐振腔典型的尺寸为长L=250~500 μm, 宽W=5~10 μm, 厚d=0.1~0.2 μm 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λ=0.84~0.9μm的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 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GaAs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GaAlAs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： (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U<2 V, Rs<5 Ω，以防烧坏管子 图 10.4 激光器伏安特性曲线 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 第10章 光发射机与光接收机 1) 微分量子效率ηd 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 (10.4) 式中，ΔPo/ΔI就是P-I曲线的斜率。
室温下，GaAlAs激光器的ηd≈40%~50% 第10章 光发射机与光接收机 2) 功率转换效率ηp 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 (10.5) 式中，Po是在电流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ΔP/ΔI≈0.8 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(<50μW)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 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 1×20 μm 其发散角一般为±5°~±15° 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 第10章 光发射机与光接收机 4. 激光器的光谱特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 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 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 第10章 光发射机与光接收机 (1) 张弛振荡张弛振荡 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 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 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 第10章 光发射机与光接收机 图10.15 长波长LD温度特性 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 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 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 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 第10章 光发射机与光接收机 图 10.19 LED的辐射光谱 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20~60 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 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 第10章 光发射机与光接收机 图 10.22 长波长LED 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: (10.6) 式中，ηc为耦合效率，NA为光纤的数值孔径，θ⊥和θ∥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，θ⊥=θ∥=120°，则式(10.6)可简化为 (10.7) 对于边发光二极管，θ∥=120°，则式(10.6)可简化为 (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 第10章 光发射机与光接收机 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 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 10.25 数字光发射机的组成 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μW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： (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 (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EXT≤1∶10。
第10章 光发射机与光接收机 (3) 光脉冲的上升时间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 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 第10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 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(0~1mA)，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(0.7~1.0)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，微型半导体致冷器的控制温差可以达到 30℃~40℃ 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 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 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 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 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 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 PIN二极管工作原理 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 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λc 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 的条件下其中, E是光子能量，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 (10.12) (10.13) 截止波长是光电二极管工作波长的上限，只有λ<λc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， λc≈1.06 μm， 对于Ge材料制作的光电二极管，λc ≈1.6 μm 第10章 光发射机与光接收机 2) 响应度和量子效率 ; 工程上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 (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 (10.15) 式中，e为电子电荷(=1.602×10-19C), h为普朗克常数(=6.626×10-3 J·s),f为光频(单位为Hz), c为光速(=3×108 m/s)， λ为光波长(单位为μm) 第10章 光发射机与光接收机 上式可简化为 (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 λ=0.85 μm时，Ro=0.65 μA/μW ;Ge λ=1.3 μm时， Ro =0.45 μA/μW ;InGaAs λ=1.3 μm时， Ro=0.6 μA/μW 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 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 (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 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 (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InGaAs-APD的G值一般在 30 以下， 实际应用在 10~20 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 μA，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
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0.02~0.03当〈G〉值不太大时，过剩噪声系数F(G)可近似表示为 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0.2~0.5，Ge-APD的x值为 0.8~1, InGaAs-APD的x值为 0.6~0.8 第10章 光发射机与光接收机 图 10.34
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的结电容一般在工作电压范围内不随电压变化例如, APD的π区厚度为 40 μm，则电容将为 0.3 pF 第10章 光发射机与光接收机 表表 10.5 APD的典型参数的典型参数 第10章 光发射机与光接收机 表表 10.6 长波长光电检测器接收性能长波长光电检测器接收性能(灵敏度灵敏度dBm) 第10章 光发射机与光接收机 10.3.3 光电检测器与光纤的耦合光电检测器与光纤的耦合 在光纤通信系统中使用的光电检测器件PIN和APD，由于它们的光敏面积比较大(PIN管光敏面的直径约为1~2 mm; APD管光敏面的直径约为 150~300 μm)， 因此它们和光纤之间的低损耗耦合是比较容易实现的从光纤的平端出射的光， 其出射角θ也是由光纤的数值孔径决定的， 如图 10.35 所示，θ=1/sin(n21- n22)。
第10章 光发射机与光接收机 图 10.35 接收元件和光纤的出射位置的关系 第10章 光发射机与光接收机 在一般光纤通信中，所用光纤(NA=0.14)的θ=8°，只要光纤端面和光敏面靠得足够近，光纤端面平整垂直，光纤和接收器中间一般不加任何光学系统就可以使耦合效率达到85%以上 在光纤和光敏面之间加上合适的匹配粘着剂，使耦合效率还可再提高一些 光纤和接收器之间的具体连接装置如图 10.36 所示，固定连接时要进行调节对准，它比光源和光纤之间的耦合容易实现 另外，也可以利用光纤与光纤耦合的活动连接器来实现光纤与接收器的耦合，只要把结构稍加改动即可 在连接装置上， 一边装上光纤，而在另一边不装光纤而装一个PIN或APD管芯使它的位置精确调节到中心，引出适当的电极，这样就成为一个可拆卸的光纤与接收器的耦合接头， 更换接收器件也很方便 第10章 光发射机与光接收机 图 10.36 光纤与接收器耦合的装置 第10章 光发射机与光接收机 10.4 光接收机光接收机 10.4.1 光接收机的基本组成光接收机的基本组成 光接收机的基本组成包括： (1) (1) 光光检检测测器器件件。
目前，光纤通信中常用的光电二极管主要有APD和PIN两种，完成光电转换 (2) (2) 前前置置放放大大和和主主放放大大将电信号放大到足够电平输出给均衡器 (3) (3) 均均衡衡将信号均衡成升余弦波，排除码间干扰并减小噪声影响以利判决 (4) (4) 定时判决定时判决 把经均衡后的波形判决再生为原来的波形 第10章 光发射机与光接收机 (5) (5) 定时提取定时提取 从接收信号中提取时钟 (6) (6) 解码与解扰解码与解扰 发端编码和扰码的逆过程 (7) (7) AGCAGC 光纤传输系统及光检测器特性随时间和工作条件变化引起输出变化时，自动增益控制(AGC)电路控制放大器增益， 使输出维持不变 (8) (8) 偏偏压压控控制制 APD偏压达 50~200 V，需用变换器将低压变成高压 PIN管需偏压 10~20 V， 可不需偏压控制电路 第10章 光发射机与光接收机 图 10.37 数字光接收机方框图 第10章 光发射机与光接收机 前置放大器主要有以下三种类型：(1)(1)低阻型前置放大器。
低阻型前置放大器 1.(2) 高阻型前置放大器高阻型前置放大器 2.(3) 互互( (跨跨) )阻型前置放大器阻型前置放大器 第10章 光发射机与光接收机 图 10.38 光接收机的前置放大电路(a) 双极型； (b) FET； (c) 互阻型 第10章 光发射机与光接收机 10.4.2 光接收机的主要指标光接收机的主要指标 1. 光接收机的灵敏度光接收机的灵敏度 数字光接收机的接收灵敏度是指在保证一定误码率的前提下需要的最低接收光功率通常，以Pr表示光接收机的灵敏度 它用相对值dBm表示，即相对于1 mW光功率的分贝数， 有 (10.19) Pr值或Pmin值越小，光接收的灵敏度越高光接收机的接收灵敏度高，不仅说明质量好， 而且也说明中继通信距离长 第10章 光发射机与光接收机 影影响响光光接接收收机机灵灵敏敏度度的的主主要要因因素素是是噪噪声声 光光纤纤通通信信系系统统的的噪声主要有下面三种：噪声主要有下面三种： (1) 光电检测器噪声 它包括光散粒噪声、 暗电流噪声和倍增噪声(PIN管中没有倍增噪声)。
(2) 电子放大器噪声 (3) 光源谱线的随机性与单模光纤色散互相作用形成的模分配噪声 第10章 光发射机与光接收机 2. 光接收机的动态范围光接收机的动态范围 在保证系统一定误码率的前提下，光接收机能够接收最小光功率Pmin和最大光功率Pmax的能力，便是光接收机的动态范围 光接收机的动态范围也是用相对值表示的，单位为dB， 它的数学表达式为 (10.20) 之所以要求光接收机有一个动态范围，是因为光接收机的输入光信号不是固定不变的，为了保证系统能够正常工作，光接收机必须具备适应输入信号在一定范围内变化的能力好的光接收机应有较宽的动态范围 第10章 光发射机与光接收机 10.5 光电集成器件与电路光电集成器件与电路 电子技术中的集成电路是用半导体微电子工艺把许许多多的电子器件制作在一个管芯上，成为大规模集成电路或超大规模的集成电路的而光电集成器件是把电子器件、光电器件和光波导器件集成在一起的器件其中，电子器件包括半导体Si电子器件、 GaAs高速电子器件以及未来发展的InP电子器件，光电器件包括半导体激光器(GaAs或InP)、 光检测器和半导体光放大器，光波导器件包括光路连线和各种光器件(例如，光衰减器、光分波器、 光合波器、光耦合器、光隔离器、光开关、光环行器、光极化器、 滤光器、光调制器以及其它光逻辑器件)。
第10章 光发射机与光接收机 光电集成器件具有微型化、 集成化、 工作速率高、 可靠性高和成本低等优点 光电集成导致了一批新功能器件的产生， 例如具有波长选择性的光开关、光波长变换器、 全光路由器、 光功率自动均衡器、 色散自动调整补偿器等等与电子集成电路类似， 光电集成电路(OEIC)是将电子器件和光电器件集成制作在一个衬底上形成的单片集成电路， 它充分利用微电子和光电子的集成技术，大规模生产的重复性好， 具有更多的功能、 更低的功耗和更低的价格OEIC的主要发展方向有三个， 即改进光器件的性能、 改进电器件的性能和创造新的性能(例如， 光计算、 光交换、 光信号处理及非线性光交互等等) 第10章 光发射机与光接收机 光子集成电路(PIC)是将光电器件与光波导器件集成制作在一个衬底上形成的单片集成电路将多个同类器件集成在一个芯片上构成阵列光集成器件也属于光子集成电路的一个特例 光子电子集成电路(PEIC)是将电子器件、 光电子器件和光波导光子器件综合集成的集成系统， 它与OEIC和PIC的重要区别是集成了各种功能的光学器件 第10章 光发射机与光接收机 目前， OEIC的发射机及接收机已有产品用于10 Gb/s的系统中， PIC也已有MQW DFB LD+EA的产品，用于2.5 Gb/s和10 Gb/s的系统中。
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