第3章 光发射和光接收

1、第3章 光发射和光接收第3章 光发射和光接收n3.1光源与光发射机光源与光发射机n3.2 光电检测器和光接收机光电检测器和光接收机3.1光源与光发射机n光纤通信对光源的要求 光纤中传输的光是由光源产生的。 （1）发射波长要求和光纤的传输窗口一致。 （2）适当的功率与高的耦合效率。 （3）调制容易、线性好、带宽大。 （4）窄的光谱宽度。 （5）可靠连续工作。 目前，在光纤通信系统中所用的光源主要是半导体激光器和半导体发光二极管。3.1光源与光发射机n半导体激光器（LD）及其特性1.激光器的组成原理激光器的组成原理结构组成：由工作物质、激励能源和谐振腔三个基本部分组成的工作物质（增益介质）:是产生

2、光辐射的物质，它具备产生所需光辐射的能级结构.光与物质的相互作用：受激吸收、自发辐射和受激辐射3.1光源与光发射机n半导体激光器（LD）及其特性1.激光器的组成原理激光器的组成原理光与物质的相互作用：受激吸收、自发辐射和受激辐射自发辐射光hv=E2-E1E2E1E2E1(a) 自发辐射入射光hv=E2-E1E2E1E2E1(b) 受激吸收入射光hv=E2-E1E2E1E2E1(c) 受激辐射受激辐射光hv=E2-E1入射光hv=E2-E13.1光源与光发射机n半导体激光器（LD）及其特性1.激光器的组成原理激光器的组成原理激励能源：即泵浦源是使增益介质的粒子数发生反转分布的能源。在物质中电子通

3、常尽可能占据低能级，换句话说就是低能级的电子数目大于高能级上的电子数目，这种状态称为粒子数的正常分布。正常分布时，高能级上的电子较少，难以实现光辐射。因此，只有通过外部能源将物质中的电子从低能级激励到高能级使高能级的电子数目比低能级上的电子数目多，即实现粒子数反转，才能实现光辐射。3.1光源与光发射机n半导体激光器（LD）及其特性1.激光器的组成原理激光器的组成原理光学谐振腔：光学谐振腔对光辐射的方向和频率进行选择。具备工作物质和泵浦源就具备光辐射的条件，但要使辐射的光是激光，还必须有光学谐振腔。光学谐振腔通过光的干涉作用实现对光波长的选择，增益介质对选择的波长的光进行放大，从而输出频谱窄、方

4、向性强的激光3.1光源与光发射机n半导体激光器（LD）及其特性1.激光器的组成原理激光器的组成原理纵模：谐振腔的这种频率（波长）选择作用，使激光器的输出波长（频率）呈现一系列分立值，把这些波长（频率）称为纵模，它是由谐振腔的谐振（干涉）作用决定的，即光在谐振腔振荡一周，其光程为半波长的偶数倍：222nLq2nLq3.1光源与光发射机n半导体激光器（LD）及其特性1.激光器的组成原理激光器的组成原理阈值条件：要建立起自激振荡，光在谐振腔内传输一周由增益介质引起的功率放大应大于由各种原因造成的功率损失 P(2L) P(0) P(2L) = P(0) e(G-i) 2L R1R2 211ln21RR

5、LGi3.1光源与光发射机n半导体激光器（LD）及其特性2.半导体激光器的基本结构半导体激光器的基本结构半导体激光器的基本构成：半导体激光器的工作物质：PN结结区半导体材料的能带：导带、价带和中间的禁带禁带宽度：用Eg表示。导带与价带之间的电子跃迁：辐射出的光子的能量不小于EgchhvEgcghcE3.1光源与光发射机n半导体激光器（LD）及其特性2.半导体激光器的基本结构半导体激光器的基本结构半导体激光器的工作物质：PN结结区半导体材料的能带：导带、价带和中间的禁带禁带宽度：用Eg表示。导带与价带之间的电子跃迁：辐射出的光子的能量不小于EgchhvEgcghcE3.1光源与光发射机n半导体激

6、光器（LD）及其特性2.半导体激光器的基本结构半导体激光器的基本结构泵浦源：电源。当给PN结加正向电压时，PN结的结区可以实现粒子数反转分布，具备了实现光放大的条件谐振腔：由PN结的两个自然解理面形成的。半导体材料的自然解理面是光滑的平面，是天然的镜面，两个自然解理面构成光学谐振腔3.1光源与光发射机n半导体激光器（LD）及其特性2.半导体激光器的基本结构半导体激光器的基本结构当PN结加正向电压时，PN结区实现粒子数反转，此时发生光辐射，并在传输过程中，一边损耗，一边放大。当放大大于损耗时，在光学谐振腔的多次反射进行频率选择后，可以对特定的光频率建立起稳定的振荡，并输出稳定的光功率。放大消耗的

7、反转粒子数由泵浦源电源来补给。当电源补给不足时，损耗大于放大，振荡难以建立，不能形成稳定的激光输出，输出的是没有经过频率选择的透射光。3.1光源与光发射机n半导体激光器（LD）及其特性2.半导体激光器的基本结构半导体激光器的基本结构同质结：结区外的半导体材料是同种半导体材料异质结：结区和结区外材料不是同一种材料。单异质结：N区与结区半导体材料相同，而结区和P区的半导体材料是不同的双异质结：结区与P区和N区的半导体材料均不相同。3.1光源与光发射机n半导体激光器（LD）及其特性3.半导体激光器的基本特性半导体激光器的基本特性半导体激光器的P-I特性：反映了半导体激光器的电光转化效率当注入电流大于

8、阈值电流后，输出光功率随注入电流增加而快速增加，发射出的是激光；当注入电流小于阈值电流，半导体激光器发出的是光谱很宽、相干性很差的自发辐射光3.1光源与光发射机n半导体激光器（LD）及其特性3.半导体激光器的基本特性半导体激光器的基本特性半导体激光器的光谱特性： 半导体激光器IIth时，输出的是激光。随着注入电流的增大，模式竞争，功率集中在几个主要的纵模上，注入电流越大，光功率主要集中，纵模数量越少，边模抑制比SMSR（Side-Mode Suppression Ratio）会越大。3.1光源与光发射机n半导体激光器（LD）及其特性3.半导体激光器的基本特性半导体激光器的基本特性边模抑制比SM

9、SR：最大的纵模（主纵模）的峰值功率与次最大的纵模（边模）的峰值功率之比的分贝数中心波长：光谱中的主纵模的峰值功率处对应的波长谱宽与线宽：整个谱的半高全宽；主纵模的半高全宽。3.1光源与光发射机n半导体激光器（LD）及其特性3.半导体激光器的基本特性半导体激光器的基本特性温度特性：对P-I特性的影响；对光谱的影响3.1光源与光发射机n半导体激光器（LD）及其特性3.半导体激光器的基本特性半导体激光器的基本特性调制特性：半导体激光器内调制是用调制信号控制注入电流来实现光功率随调制信号变化而变化的目的电光延迟：若要传输的信号频率很高时，半导体激光器输出的光信号则可能跟不上电信号的变化，一是光信号相

10、对于电信号有明显的延迟。3.1光源与光发射机n半导体激光器（LD）及其特性3.半导体激光器的基本特性半导体激光器的基本特性张弛振荡：光信号与电信号的变化规律不同，即发生失真，光信号出现振荡。3.1光源与光发射机n半导体激光器（LD）及其特性3.半导体激光器的基本特性半导体激光器的基本特性码型效应：对数字信号而言，当电光延迟时间与电调制速率对应的码元持续时间相近时，会使“0”码后的第一个“1”码脉冲宽度变窄，幅度变小，严重时使单个“1”码丢失，这种现象即“码型效应”。3.1光源与光发射机n半导体激光器（LD）及其特性3.半导体激光器的基本特性半导体激光器的基本特性 调制带宽：调制带宽大小与张弛振

11、荡频率有关，可近似表示为Rf233dB3.1光源与光发射机n半导体发光二极管（LED）及其特性1.半导体发光二极管的基本结构半导体发光二极管的基本结构 半导体发光二极管由工作物质、泵浦源构成。工作物质：PN结结区的半导体材料。 泵浦源：电源。 当给PN结加正向电压时，PN结的结区可以实现粒子数反转分布，具备了实现光放大的条件。从构成原理上讲，半导体激光器和半导体发光二极管的区别在于光学谐振腔3.1光源与光发射机n半导体发光二极管（LED）及其特性1.半导体发光二极管的基本结构半导体发光二极管的基本结构 半导体发光二极管的工作原理：当PN结加正向电压时，此时发生光辐射，并在传输过程中，一边损耗，

12、一边放大。损耗包括内部损耗和端面透射损耗，放大则会消耗反转的粒子数。放大消耗的反转粒子数由泵浦源电源来补给。由于没有光学谐振腔，建立不起稳定的自激振荡，也就是边辐射边输出，输出的光是没有经过频率选择的透射光，同时也不能形成有效的受激辐射，发生光辐射主要是自发辐射。3.1光源与光发射机n半导体发光二极管（LED）及其特性1.半导体发光二极管的基本结构半导体发光二极管的基本结构 半导体发光二极管结构图面发光二极管：发光面与PN结的结平面平行边发光二极管：发光面与PN结的结平面垂直3.1光源与光发射机n半导体发光二极管（LED）及其特性2.半导体发光二极管的基本特性半导体发光二极管的基本特性 半导体

13、发光二极管的P-I特性特点：没有阈值、线性好，温度特性好。 3.1光源与光发射机n半导体发光二极管（LED）及其特性2.半导体发光二极管的基本特性半导体发光二极管的基本特性 半导体发光二级管的光谱特性 3.1光源与光发射机n半导体发光二极管（LED）及其特性2.半导体发光二极管的基本特性半导体发光二极管的基本特性 半导体发光二级管的调制特性 半导体发光二级管的带宽与结区载流子寿命有关。LED的光功率3dB调制带宽f3dB与载流子寿命c的关系为 cf233dB3.1光源与光发射机n光发射机及其性能参数1.光调制原理光调制原理 讨论数字信号直接强度调制的调制原理 3.1光源与光发射机n光发射机及其

14、性能参数2.光发射机的组成原理光发射机的组成原理组成框图及各部分的作用：光源完成电光转换调制电路是完成把电信号以适当的方式加载在光源上的作用。控制电路。APC完成对发射机的发送光功率的自动控制，对各种因素（除信号自身原因外）造成的发送光功率变化进行调整，使发送光功率保持稳定。ATC是完成对光源温度的自动控制，确保光源工作温度保持恒定。 3.1光源与光发射机n光发射机及其性能参数2.光发射机的组成原理光发射机的组成原理驱动电路：由三部分组成： T1和T2管组成电流开关， A点和B点互为反相信号， 即A为高电平时B为低电平，B为高电平时A为低电平，三极管T1和T2是轮流截止和导通的，避免了载流子恢

15、复时间的影响，因而可工作于更高的速率；恒流源提供T1和T2管导通时的电流，可以保持总电源电流不变，所以电源电流噪声小；LD的偏置电流由T3管提供。3.1光源与光发射机n光发射机及其性能参数2.光发射机的组成原理光发射机的组成原理自动功率控制电路（APC）： 由PIN、运放和T3管组成。 D节点电流方程：12fRRPINRIIII1212fARr e fRCRfVIRVIRVIR3.1光源与光发射机n光发射机及其性能参数2.光发射机的组成原理光发射机的组成原理自动功率控制电路（APC）：当LD输出功率减小时，PIN探测电流会减小，那么VC增加，T3集电极电流会增加，从而使LD输出功率增加，实现L

16、D输出功率稳定 12()refACfPINVVVRIRR3.1光源与光发射机n光发射机及其性能参数2.光发射机的组成原理光发射机的组成原理自动温度控制电路（ATC）：由桥电路、运放、VT管和半导体制冷器组成。桥电路：由R1、R2、R3和热敏电阻Rt组成，运算放大器A的两端与桥的两对端相接 3.1光源与光发射机n光发射机及其性能参数2.光发射机的组成原理光发射机的组成原理根据设定控制温度，选择或调节桥臂电阻使桥达到平衡，此时桥的两端a、b两点电位相同，运算放大器A输出为零，串接在三极管VT发射极的制冷器（TEC）没有电流流过。 3.1光源与光发射机n光发射机及其性能参数2.光发射机的组成原理光发

17、射机的组成原理当温度高于设定控制温度时，负温度系数的热敏电阻阻值下降，电桥平破坏，b点电位低于a点电位，运算放大器A的输出端电位上升，即VT基极电位升高，流过TEC电流增大，制冷端温度降低，热沉和半导体激光器温度也随之降低，从而形成温度负反馈，达到温度稳定。 3.1光源与光发射机n光发射机及其性能参数3.光发射机性能参数光发射机性能参数（1）平均发送光功率 光发射机的平均发送光功率是指当光发射机输出“0”、“1”等概率的光信号时，光发射机输出的光信号功率的平均值。若光发射机输出全“1”信号时的光功率为P(1)，而光发射机输出全“0”信号时的光功率为P(0)，则平均发送光功率P 单位用毫瓦（mW

18、）、微瓦（W）(1)(0)2PPP3.1光源与光发射机n光发射机及其性能参数3.光发射机性能参数光发射机性能参数（1）平均发送光功率 分贝毫（dBm）的定义是相对于1毫瓦的分贝数，用公式表示为 )( 1)(lg10)(mWmWPdBmP3.1光源与光发射机n光发射机及其性能参数3.光发射机性能参数光发射机性能参数（2）消光比反映光发射机光“1”和光“0”区分度的参数，其定义为光发射机输出全“0”信号时的光功率为P(0)与光发射机输出全“1”信号时的光功率为P(1)的比值的分贝数，用公式表示为 注意功率单位 (0)10lg( )(1)PEXTdBP3.2 光电检测器和光接收机n光纤通信对光电检测

19、器的要求 （1）在系统工作波长上对一定的入射光功率能）在系统工作波长上对一定的入射光功率能输出尽可能大的光电流。输出尽可能大的光电流。 （2）具有较快的光电响应速度，以用于高速光）具有较快的光电响应速度，以用于高速光纤通信系统。纤通信系统。 （3）具有良好的线性度，以确保光电转换过程）具有良好的线性度，以确保光电转换过程中的信号失真尽可能小。中的信号失真尽可能小。 （4）引入的噪声尽可能的小，以便获得较高的）引入的噪声尽可能的小，以便获得较高的信噪比，有利于信号复原。信噪比，有利于信号复原。 （5）具有较小的体积和较长的工作寿命等。）具有较小的体积和较长的工作寿命等。3.2 光电检测器和光接收

20、机n光电检测器类型 1.光电检测器功能和类型光电检测器功能和类型 光电检测器的功能：将光信号转换为电信号。输入到光电检测器的信号是光信号，由光电检测器输出的是光电流。完成光电转换功能的器件：光电阴极管、光敏电阻、光电三极管、光电池和光电二极管等。光纤通信用光电检测器主要有PIN光电二极管和APD光电二极管。3.2 光电检测器和光接收机n光电检测器类型 2.PIN光电二极管光电二极管 PIN光电二极管是在高掺杂浓度的P型和N型两层半导体材料之间加入一层掺杂浓度极低的本征半导体材料（称为I层）而形成的PN结结型器件。P层和N层较薄，I层很宽，在P层外表面中心区域有一镀增透膜的光敏面，输入光是通过光

21、敏面进入P层和I层而被吸收的。3.2 光电检测器和光接收机n光电检测器类型 2.PIN光电二极管光电二极管 光电二极管是在反向偏压下使用的，图给出了反向偏压下的场分布。电场主要分布在本征层，光被吸收也主要是在本征层，形成的光生载流子在电场作用下运动形成光电流，减小了载流子的渡越时间，从而提高了器件的响应速度。同时，光在电场区域被吸收，可以降低载流子的复合几率，有利于提高响应度。3.2 光电检测器和光接收机n光电检测器类型 3.APD雪崩光电二极管雪崩光电二极管 光电检测器在一定输入光功率下获得的光电流越大则性能越优越。对PIN光电二极管而言，即使是光电转换效率达到1，一个光子最多只能转换为一对

22、电子空穴对。如果一个光子最终能转换为更多对的电子空穴对，那无疑会获得更大的光生电流，APD雪崩光电二极管就有这种作用，和PIN光电二极管相比，APD光电二极管相当于具有电流增益。3.2 光电检测器和光接收机n光电检测器性能参数 1.响应度和量子效率响应度和量子效率 响应度是表征光电检测器光电转换能力的参数，用R表示，其定义为量子效率也可表征光电检测器的光电转换能力，用表示，其定义为PinIRP单位时间内入射光子数载流子对数单位时间内产生的光生3.2 光电检测器和光接收机n光电检测器性能参数 1.响应度和量子效率响应度和量子效率 量子效率和响应度都是用来表征光电检测器的光电转换能力的，二者的关系

23、为RehcRehvhvPeIinP/3.2 光电检测器和光接收机n光电检测器性能参数 2.响应速度响应速度 响应速度是指它的光电转换速度，它由载流子的渡越时间决定。影响渡越时间的因素包括： （1）从光入射到产生光生载流子的时间； （2）光生载流子在零电场区的扩散时间； （3）光生载流子在电场区的漂移时间。3.2 光电检测器和光接收机n光电检测器性能参数 2.响应速度响应速度 响应速度是指它的光电转换速度，它由载流子的渡越时间决定。影响渡越时间的因素包括： （1）从光入射到产生光生载流子的时间； （2）光生载流子在零电场区的扩散时间； （3）光生载流子在电场区的漂移时间。3.2 光电检测器和光接

24、收机n光电检测器性能参数 2.响应速度响应速度 渡越时间越短，响应速度就越快，因此，缩短渡越时间首先要减小光电检测器的厚度，特别是零电场区的厚度；其次是增加载流子的渡越速度。光电检测器在反向偏压时，其电场区的比例增加，对载流子加速的电场也在增强，有利于减小渡越时间。因此，光电检测器通常都在反偏下工作。3.2 光电检测器和光接收机n光电检测器性能参数 3.APD的倍增系数的倍增系数 APD的倍增系数M定义为式中，IP为培增后的光电流，I0为倍增前的光电流，又称一次电流。对PIN而言，由于没有电流增益，所以可以看做倍增系数为10PIMI3.2 光电检测器和光接收机n光电检测器性能参数 4.暗电流暗

25、电流 暗电流是没有信号光照射时光电检测器的输出的光电流，它包括体内暗电流和表面暗电流。对于APD，体内暗电流会受到倍增作用，而表面暗电流不会经历倍增过程。3.2 光电检测器和光接收机n光电检测器性能参数 5.光电检测器的噪声光电检测器的噪声 （1）PIN的噪声 PIN的噪声包括有量子噪声和暗电流噪声，其总均方噪声电流可以表示为 = 2e (Ip+Id) B Ip为平均光电流，Id为暗电流平均值，B为带宽3.2 光电检测器和光接收机n光电检测器性能参数 5.光电检测器的噪声光电检测器的噪声 （2）APD的噪声 APD的噪声包括量子噪声、暗电流噪声和倍增噪声。APD的倍增系数具有随机性，倍增系数是

26、一个统计平均的概念（应该表示为）。APD的倍增噪声就是由于倍增系数的这种随机性而产生的。 在不考虑暗电流噪声时APD倍增噪声的功率密度可表示为 = 2e I0 2+x B I0为倍增前的光电流，x称为APD的附加噪声指数，其值一般在0.31的范围之内。3.2 光电检测器和光接收机n光电检测器性能参数 5.光电检测器的噪声光电检测器的噪声 （2）APD的噪声 若考虑暗电流噪声，则APD的总均方噪声电流可表示为 = 2e Ids + (I0 + Idb) 2+x B Ids和Idb分别为表面暗电流和体内暗电流。对PIN而言，=1，式（3.28）退化为（3.26）。3.2 光电检测器和光接收机n光接

27、收机的组成原理和性能 1.光接收机组成原理光接收机组成原理 （1）基本功能 微弱信号的检测。 从包含各种干扰的信号中恢复出原始数据。能够检测出微弱信号是远远不够的，还必须能够从带有各种干扰的微弱信号中恢复出原始数据，才能实现传输的目的。原始数据可以是数字信号，也可以是模拟信号，相应的接收机就是数字接收机和模拟接收机。3.2 光电检测器和光接收机n光接收机的组成原理和性能 1.光接收机组成原理光接收机组成原理 （2）解调方式 解调就是把调制在光波上的信号提取出来。最简单的检测方式就是直接功率检测，通过光电二极管直接将接收的信号恢复成基本调制信号。3.2 光电检测器和光接收机n光接收机的组成原理和

28、性能 1.光接收机组成原理光接收机组成原理 光接收机的结构框图如图3.15所示，包括光电检测与前置放大、自动增益控制（AGC）与均衡、判决再生电路等。主要包括光电检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、自动增益控制(AGC)电路、时钟提取电路以及取样判决器光 检 测 器偏 压 控 制前 置 放 大 器AGC电 路均 衡 器判 决 器时 钟提 取再 生 码 流主 放 大 器光 信 号3.2 光电检测器和光接收机n光接收机的组成原理和性能 1.光接收机组成原理光接收机组成原理 由光电检测器和前置放大器组成光接收机的前端部分，其主要功能是完成光电转换和低噪声放大信号到合适的程度。光电检测器（APD或PIN）完成光电转换功能，通常处于反向偏置，由偏压控制电路控制。光电检测器可以看成一个电流源和其结电容Cd并联，等效电路如图3.16所示，RL为负载电阻。3.2 光电检测器和光接收机n光接收机的组成原理和性能 1.光接收机组成原理光接收机组成原理 高阻抗前端与跨阻抗前端：总输入电容CT，包括Cd和前置放大