光纤通信之LD电源

1、光纤通信一光源之（LD）激光二极管光纤通信系统中，目前均采用半导体发光二极管（LED）和激光二 极管（LD）作为光源，这类光源具有尺寸小，与光纤耦合效率高， 响应速度快，波长和尺寸与光纤适配，可在高速条件下直接调制等特 点。光纤通信系统对光源的要求主要有：（1）:光源发射的峰值波长，应在光纤低损耗窗口之内（2）:易于调制，响应速度快，带宽大，以利于高速，大容量数字信号 的传输（3）：单色性和方向性好，输出谱窄，以减少光纤的材料色散，提高 光源和光纤的耦合效率（4）：辐射角小，与光纤的耦合效率高（5）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（6）：电一光转换效率高，驱动功率

2、低，耗电省，可靠性高（7）：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（8）：体积小，重量轻，安装方便，性价比高下面介绍其中的（LD）激光二极管激光二极管本质上是一个半导体二极管，按照PN结材料是否相同， 可以把激光二极管分为同质结、单异质结（SH）、双异质结（DH） 和量子阱（QW）激光二极管。量子阱激光二极管具有阈值电流低， 输出功率高的优点，是目前市场应用的主流产品。同激光器相比，激 光二极管具有效率高、体积小、寿命长的优点，但其输出功率小（一 般小于2mW），线性差、单色性不太好，使其在有线电视系统中的应 用受到很大限制，不能传输多频道，高性能模拟信号。在双向光接收 机的回

3、传模块中，上行发射一般都采用量子阱激光二极管作为光源。半导体激光二极管的基本结构：垂直于PN结面的一对平行平面构成法布里一一珀罗谐振腔，它 们可以是半导体品体的解理面，也可以是经过抛光的平面。其余两侧 面则相对粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。当半导体的PN结 加有正向电压时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经PN结注入 P区，空穴从P区经过PN结注入N区，这些注入PN结附近的非平 衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为入的光子，其公式如 下：入=hc/Eg （1）式中：h普朗克常数；c一光速；Eg一半导体的禁带宽度。上述由于电子与空穴的自发

4、复合而发光的现象称为自发辐射。当 自发辐射所产生的光子通过半导体时，一旦经过已发射的电子一空穴 对附近，就能激励二者复合，产生新光子，这种光子诱使已激发的载 流子复合而发出新光子现象称为受激辐射。如果注入电流足够大，则 会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。当有源层内 的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两 端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一 频率具有增益。当增益大于吸收损耗时，就可从PN结发出具有良好 谱线的相干光激光，这就是激光二极管的简单原理。种类：1法布里-珀罗激光器法布里-珀罗激光器(FP-LD )是最常见、最普通的半导体激

5、光器，它最 大的特点是激光器的谐振腔由半导体材料的两个解理面构成。目前光 纤通信上采用的FP-LD的制作技术已经相当成熟，普遍采用双异质 结多量子阱有源层、载流子与光分别限制的结构。2分布反馈半导体激光器普通结构的分布反馈半导体激光器(DFB-LD)，在高速调制状态下 会发生多模工作现象，从而限制了传输速率。因此，设计和制作在高 速调制下仍能保持单纵模工作的激光器是十分重要的，这类激光器统 称为动态单模(DSM)半导体激光器。实现动态单纵模工作的最有效的 方法之一，就是在半导体激光器内部建立一个布拉格光栅，依靠光栅 的选频原理来实现纵模选择。分布反馈半导体激光器的特点在于光栅 分布在整个谐振腔

6、中，光波在反馈的同时获得增益。因为DFB-LD的 谐振腔具有明显的波长选择性，从而决定了它们的单色性优于一般的FP-LDo在DFB-LD中存在两种基本的反馈方式，一种是折射率周期性变化 引起的布拉格反射，即折射率耦合(Index-Coupling)，另一种为增益周 期性变化引起的分布反馈，即增益耦合(Gain-Coupling) o 与依靠两个 反射端面来形成谐振腔的FP-LD相比，DFB-LD可能激射的波长所对 应的谐振腔损耗是不同的，也就是说DFB-LD的谐振腔本身具有选择 模式的能力。在端面反射为零的理想情况下，理论分析指出2：折 射率耦合DFB-LD在与布拉格波长相对称的位置上存在两个

7、谐振腔 损耗相同且最低的模式，而增益耦合DFB-LD恰好在布拉格波长上存 在着一个谐振腔损耗最低的模式。也就是说，折射率耦合DFB-LD原 理上是双模激射的，而增益耦合DFB-LD是单模激射的。3 DFB-LD/电吸收型调制器集成光源用于进行集成光源制作的外调制器结构主要分为两类：干涉型和电 吸收型，分别以基于多量子阱材料电光效应的Mach-Zehdner调制器 和利用量子限制Stark效应的电吸收(EA)型调制器为代表。干涉型调 制器虽然具有对工作波长不敏感、啁啾可调的特性，但由于存在制作 困难、器件尺寸较大等缺点，目前还难以推广使用。而电吸收型调制 器因为具有驱动电压低、器件尺寸小、啁啾可

8、控、制作工艺简单等优 点，被广泛地应用于单片集成光源的制作。现在，DFB-LD/EA调制 器集成光源已经成为干线光纤通信的首选光源。由于干线光纤通信继续向高速、大容量的方向发展，40 Gbit/s或更 高速率的DFB-LD/EA调制器集成光源就成为目前的研究热点。5波长可选择光源由于密集波分复用(DWDM)技术的迅猛发展，对集成光源提出了 新的要求，具有波长可调谐或者波长可选择特性的集成光源成为新的 研究热点。波长可调谐是指激光器波长在一定范围内连续可调。目前 波长调谐主要基于布拉格反射光栅，通常通过改变温度、注入电流等 方法，改变光栅的有效折射率，从而改变光栅的布拉格波长o DFB-LD 虽

9、然单模特性稳定，但是波长调谐的范围较小，一般在2nm左右。 目前技术比较成熟的波长可调谐激光器主要基于分布布拉格反射器 半导体激光器(DBR-LD)。和DFB-LD相似，DBR-LD也是通过内含 布拉格光栅来实现光的反馈的。不过在DBR-LD中，光栅区仅在激 光器谐振腔的两侧或一侧，增益区没有光栅，光栅只相当于一个反射 率随波长变化的反射镜。其中，三电极 DBR-LD是最典型的基于 DBR-LD的单模波长可调谐半导体激光器，其原理性结构如图3o 3 个电极分别对DBR-LD的增益区、相移区和选模光栅注入电流，其 中增益区提供增益，光栅区选择纵模，而相移区用来调节相位，使得 激光器的谐振波长和光

10、栅的布拉格波长一致。通过调节3个电极的注 入电流，其调谐范围可以达到10 nm左右。另外采用特殊的光栅结构， 如超结构光栅(SSG)，DBR-LD的波长调谐范围可以达到103 nm。6垂直腔面发射激光器以上所说的各种激光器都是边发射激光器，激光从激光器的侧面输 出，只能进行一维集成，很难制作二维集成器件。但是，光数据传输 的发展需要能够二维集成的器件，而垂直腔面发射激光器(VCSEL) 是一个很好的选择。与边发射激光器最大的不同点是，它的出射光垂 直于器件的外延表面，即平行于外延生长的方向。对于光通信来说，这些光源都具有各自的特点，适用于光纤通信的 不同领域，可以说是光纤通信的基础器件，是推动光纤通信发展的基 本要素。全球光通信发展要求开发大量的、各个层次要求的光电子基 础器件，未来的市场前景非常广阔。中国对光电子