光纤通信系统光源综述

光纤通信系统光源综述摘要：光源是光纤传输系统中的重要器件。它的作用是将电数字脉冲信号转换为光数字脉冲信号并将此信号送入光纤线路进行传送。目前，光纤通信系统中普遍采用的两大类光源是激光器（LD）和发光管（LED）。在这类光源具备尺寸小，耦合效率高，响应速度快，波长和尺寸与光纤适配，并且可在高速条件下直接调制等有点。在高速率、远距离传输系统中，均采用光谱宽度很窄的分布反馈式激光器（DFB）和量子阱激光器（MQW）。在采用多模光纤的数据网络中，现在使用了新型的垂直腔面发射激光器（VCSEL）。关键词：光纤通信、光源、LD、LED光纤通信系统光源综述1光纤通信系统光源的特点1.1光纤通信对光源性能的基本要求（1）发光波长与光纤的低衰减窗口相符。石英光纤的衰减波长特性上有三个低衰耗的“窗口”，即850nm附近、1300nm附近和1550nm附近。因此，光源的发光波长应与这三个低衰减窗口相符。AlGaAs/GaAs激光二极管和发光二极管可以工作在850nm左右，InGaAsP/InP激光二极管和发光二极管可以覆盖1300nm和1550nm两个窗口。（2）足够的光输出功率。在室温下能长时间连续工作的光源，必须按光通信系统设计的要求，能提供足够的光输出功率。以单模光源为例，目前激光而激光能提供500uW到2mW的输出光功率，发光二极管可输出10uW左右的输出光功率。为了适应中等距离（例如10-25km）传输要求，有的厂家研制了输出光功率为100-300uW左右的小功率激光器。（3）可靠性高、寿命长。光纤通信系统一旦割接进网，就必须连续工作，不允许中断，因此要求光源必须可靠性高、寿命长，初期激光二极管的寿命只有几分钟，是无法实用的。现在的激光二极管寿命已达百万小时以上，这对多中继的长途系统来说是非常必要的。例如北京到武汉约1000km，若平均50km设一个中继站，单系统运行，则全程不少于40只激光二极管，若每只二极管的平均寿命为100万小时，则从概率统计的角度，每2.5万小时（相当于2.8年）就可能出现一次故障。（4）温度稳定性好。光源的工作波长和输出光功率，都与温度有关，温度变化会使光通信系统工作不稳定甚至中断，因此希望光源有较好的温度特性。目前较好的激光二极管已经不再需要用致冷器和ATC电路来保持工作温度恒定，只需有较好的散热器即可稳定工作。（5）光谱宽度窄。由于光纤有色散特性，使较高速率信号的传输距离受到一定限制。若光源谱线窄，则在同样条件下的无中继传输距离就长。例如，单模155Mb/s系统要求无再生传输全程总色散为300ps/nm，当采用普通单模光纤工作在1550nm窗口时，是一个色散限制系统，这时光纤色散约为18-20ps（kmnm）。如果光源谱宽为1nm，只传输17km左右；若光源谱宽为0.2时，传输距离可大80多km。目前较好的激光二极管谱宽已可做到小于0.1nm。（6）调制特性好。光源调制特性要好，即有较高的调制效率和较高的调制频率，以满足大容量高速率光纤通信系统的需要。（7）与光纤的耦合效率高。光源发出的光最终要耦合进光纤才能进行传输，因此希望光源与光纤有较好的耦合效率，使入纤功率大，中继间距加大。目前一般激光二极管的耦合效率为20%30%，较高水平的耦合效率可超过50%。（8）尺寸小、重量轻。通信用光源必须尺寸小、重量轻，便于安装使用，利于减小设备的重量与体积。1.2一般光源的类型与应用特点目前光纤通信使用的光源均为半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）。半导体光源最突出的优点是其工作波长可以对准光纤的低损耗、低色散窗口，此外它们还具有体积小、功耗低、易于实现内调制等特点，因而特别适用于光纤通信。半导体光源也存在非常突出的缺点，包括输出功率小、热稳定性差、远场发散角大。所谓远场发射角大，是指半导体光源发出的激光功率不够集中，因而有相当一部分光功率不能耦合进光纤，这一部分丢失的光功率就是“入纤损耗”的主要机理。半导体光源的输出功率小和入纤损耗大，对于光通信应用的主要影响是限制了通信的无再生距离。半导体光源的热稳定性差，因而对端机的环境温度有严格要求。目前国内使用的LD有：双异质结（DH）激光器、掩埋条形（HL）激光器、分布反馈（DFB）激光器和多量子阱（MQW）激光器。输出功率大、阈值电流低、热稳定性好的量子阱（QW）激光器已完全达到商用水平。发光二极管亦分为边发光、面发光和超辐射三种结构。GaAs-GaAlAs系列用于中心波长为850nm的短波长光源，InP-InGaAsP系列则为1310nm、1550nm的长波长光源材料。光源的工作波长只取决于其材料的组成，与结构无关。同一波长的LD和LED采用相同组分的有源层，它们的区别在于结构和工作原理不同。表1-1列出了半导体光源性能指标的大致量级。从表中可以看出LD的输出功率大，入纤耦合效率高，但稳定性较差，而LED的输出功率小，耦合损耗也较大，但稳定性好，一般长途干线使用LD作为光源，短距离的本地网发送机选用LED。表1-1半导体光源的典型特性LDLED工作波长1330nm，1550nm1100nm-1600nm输出功率5-10mW1mW入纤损耗3-5dB1.5-20dB线 宽小于2nm100nm调制带宽10GHz以上30MHz寿 命105小时107小时用 途长距离、大容量短距离、小容量2半导体光源的工作原理2.1 发光二极管的工作原理半导体发光二极管（LED）基本应用GaAlAs和InGaAsP材料，可以覆盖整个光纤通信系统使用波长范围，典型值为0.85um、1.31um及1.55um。在PN结构上，使用最多的是双异质结构（DH）。2.1.1 发光二极管的类型结构按照器件输出光的方式，可以将发光二极管分为三种类型结构：表面发光二极管、边发光二极管及超辐射发光二极管。三种发光二极管的结构分别如图2-1、图2-2所示。图中，P表示较大禁带宽度（带隙）的空穴型半导体材料，其中的导电机理主要决定于空穴；p表示较小禁带宽度的空穴型半导体材料，其中的导电机理也主要决定于空穴；N表示较大禁带宽度的电子型半导体材料，其中的导电机理主要决定于电子。这里的双异质结构是指禁带宽度较大的P型和N型限制层与禁带宽度较小的p型有源层之间使用了不同的物理材料。尾纤P型限制层 P型限制层 尾纤P型有源层 P型有源层N型限制层 N型限制层图2-1 表面发光二极管的结构 图2-2 边发光二极管和超辐射发光二极管的结构三种发光二极管的输出光方式是不同的：表面发光二极管输出的光束方向垂直于有源层；边发光二极管和超辐射发光二极管是沿着有源层发光的。2.1.2 发光二极管的工作原理由于在结构上发光二极管没有谐振腔，因此它不存在阈值问题。当给LED外加合适的正向电压时，Pp结之间的势垒（相对于空穴）和Np结之间的势垒（相对于电子）降低，大量的空穴和电子分别从P区扩散到p区和从N区扩散到p区（由于双异质结构，p区中外来的电子和空穴不会分别扩散到P区和N区），在有源区形成粒子数反转分布状态，最终克服受激吸收及其他衰减而产生自发辐射的光输出。2.2 激光二极管的工作原理在结构上，半导体激光二极管（LD）与其他类型的激光器是相同的，都主要由三部分构成：激励源、工作物质及谐振腔。激励源的主要作用是使工作物质形成粒子数反转分布状态，为受激放大提供条件。有多种激励方式，半导体LD采用电激励方式。工作物质的主要作用是提供合适的能带结构，以便LD能够在要求的波长发光。与LED比较，谐振腔是LD独有的，其主要作用是提供正反馈功能。大部分半导体LD使用材料与LED相同，覆盖了整个光纤通信系统使用波长范围。在PN结构上，使用最多的是与LED相同的双异质结构（DH）。2.2.1 激光二极管的类型结构（1）常用激光二极管的类型结构。在双异质结构的LD中，通常采用具有横模限制作用的激光二极管结构，这种激光二极管称为条形激光二极管（SLD）或窄区激光二极管。条形激光二极管又可以分为增益波导型激光二极管和折射率波导型激光二极管两种。增益波导型激光二极管是利用增益区的宽度来限制横模的，而增益区宽度又取决于电流经过的区域宽度：条形有源区有电流流过，因此该区域具有光增益；而条形有源区外没有电流流过，所以该区域没有光增益。最终，将辐射光横模限制在条形有源区内部。折射率波导型激光二极管通过局部折射率较大的选择（类似于光纤波导的作用），而使该局部对光横模具有限制作用。（2）单频激光二极管。一般地，普通激光二极管只能工作于多纵模状态，其增益峰值附近的数个模式携带着大部分的输出光功率。这主要是因为普通激光二极管的反馈对所有纵模都是一样的，所以纵模选择性只能借助于增益谱来完成。由于纵模选择性较差，因此影响了光纤通信系统的传输速率的提高。一种改善纵模选择性的方法是采用不同频率的选择反馈机理，即谐振腔对不同频率具有不同的损耗。为了实现频率选择反馈，目前常常使用分布反馈和耦合腔机理。根据这些机理制成的激光二极管，主要应用于高速率、波分复用及相干光纤通信等系统中。还有一些改善LD特性的、非常有用的激光二极管，如垂直腔激光二极管和量子阱激光二极管等。2.2.2 激光二极管的工作原理（1）LD的能带结构。在结构上，LD与LED的主要区别是LD有谐振腔，而LED没有。这也就决定了LD具有受激辐射的特征。（2）LD的工作原理。当给LD外加适当的正向电压时，由于有源区粒子数的反转分布而首先发生自发辐射现象，那些传播方向与谐振腔高反射率界面垂直的自发辐射光子会在有源层内部边传播、边发生受激辐射放大（其余自发辐射光子均被衰减掉），直至传播到高反射率界面又被反射回有源层，再次向另一个方向传播受激辐射放大。如此反复，知道放大作用足以克服有源层和高反射率界面的损耗后，就会向高反射率界面外面输出激光。高反射率界面 高反射率界面P型限制层 P型有源层N型限制层图2-3 DFB激光二极管结构在图中，两个高反射率界面构成一个谐振腔。谐振腔除了完成正反馈作用外，还具有部分或完全进行激光频率、相位、方向选择功能。3光源的工作特性3.1 LED的工作特性3.1.1 P-I特性LED的P-I特性如图3-1所示。就P-I特性曲线整体而言，由于没有阈值而使LED具有非常优良的线性。因此，LED在模拟光纤通信系统中有着广泛的应用。图中曲线表示表面发光二极管的P-I特性；曲线表示边发光二极管的P-I特性；曲线表示超辐射发光二极管的P-I特性。在P-I特性上，表面发光二极管与边发光二极管类似，而超辐射发光二极管更接近于激光二极管。一般来说，LED的发射光功率比LD要小，这是LED应用于短距离系统和其具有长工作寿命的重要原因。P （相对单位） I（相对单位）图3-1 LED的P-I特性图3-2 LED的光谱特性3.1.2 光谱特性LED的光谱特性如图3-2所示。在图中，P为LED的峰值工作波长；为谱线宽度，其定义为光强度下降到最大值一半时对应的波长宽度。谱线宽度对系统性能有很大的影响，越大，与波长相关的色散就越大，系统所能传输的信号速率也就越低。在短波长范围，的典型值为25-40nm，在长波长1.31m波段，的典型值为50-100nm。3.1.3 温度特性温度特性影响到LED的平均发送光功率、P-I特性的线性及工作波长。当温度增加时，LED的平均发送光功率就会下降。工作温度的增大还会使LED线性工作区域变窄，从而增加了光发送电路的噪声，导致系统性能的降低。随着温度的增加，还会使峰值工作波长向长波方向漂移，导致系统附加衰减增大。实际上，LED的工作状态对温度的依赖性要远远小于LD，因此，在实际应用中LED光发送机中不需要特殊的自动温度控制电路，这有利于电路设计的简化及系统可靠性的提高。3.2 LD工作特性3.2.1 LD的P-I特性LD的P-I特性如图3-3所示，就P-I特性曲线整体而言，由于存在阈值现象，整体线性不如LED。但是，由于LD常常在阈值以上使用，所以也有着可以接受的线性度。图中，Ith是LD的阈值电流，其定义为自发辐射区曲线与受激辐射区曲线之间的拐点对应的电流值。Ith越大，意味着发送同样平均光功率时LD中流过的总电流就越大。而总的工作电流越大，LD的工作寿命必然越小。图3-3 LD的P-I特性图3-4 LD的光谱特性3.2.2 光谱特性LD的光谱特性如图3-4所示。在图中， 0为LD的峰值波长，为谱线宽度，其定义为纵模包络或主模光强度下降到最大值一半时对应的波长宽度。一般要求多纵模激光二极管光谱特性包络内含有3-5个纵模，即值约为3-5nm，较好的单纵模激光二极管的值约为0.1nm，甚至更小。像对LED的要求一样，越小越好。由于激光二极管谐振腔的频率选择作用，LD的谱线宽度要比LED小得多，这是LD应用于长距离、大容量系统的一个基本原因。3.2.3 温度特性与LED比较，温度主要对LD的阈值电流、输出光功率及峰值工作波长影响较大。为了降低温度对LD的影响，可以采用两种方法：选择温度特性优异的新型LD，或通过一个外加的自动温度控制电路，使LD的温度特性能够满足系统的要求。由于温度过高会损坏LD的晶体发光面，因此，在光发送机中设置自动温度控制电路是保护LD的一项措施。4. 光源的主要技术指标及简易检测表4-1 国产半导体光源的典型指标参数1.31m LED1.5