第4章光通信器件bak

第4章光通信器件光通信光源（LD和LED）光放大器光检测器PD光无源器件光发射机：4.1半导体激光器在光纤通信中，将携带信息的电信号转变为光信号是由光发射机来完成的。光发射机主要是由光源及其驱动电路以及一些辅助控制电路组成。光源实现从电信号到光信号的转换，是光发射机及其光纤系统中的核心器件，它的性能直接关系到光纤通信系统的性能和指标。光纤通信系统中对光源的一般要求有：峰值波长，应在光纤低损耗窗口之内;功率：足够高且稳定，以满足系统对光中继段距离的要求;电光转换效率：高，驱动功率低，寿命长，可靠性高;单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高光源和光纤的耦合效率；光纤通信系统中对光源的一般要求有：易于调制，响应速度快，以利于高速率、大容量数字信号的传输;强度噪声要小，以提高模拟调制系统的信噪比;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。光纤通信中最常用的光源是:

半导体激光器（LD）

发光二极管（LED）

LD尤其是单纵模（或单频）LD，在高速率、大容量的数字光纤系统中得到广泛应用； 近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是多信道WDM光纤通信系统的关键器件1.晶体能带在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶体内部电子的共有化运动，使孤立原子中离散能级变成能带。半导体内部自由运动的电子(简称自由电子)所填充的能带称为导带；价电子所填充的能带称为价带；导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带，其宽度称为禁带宽度，用Eg表示，单位为电子伏特(eV)。4.1.1半导体激光器原理半导体的能带结构2.费米能级费米能级：电子在能级E上的分布满足费米-狄拉克分布，能级E被电子占据的几率为： 式中Ef是费米能级的能量。对于本征半导体，费米能级处在价带导带中间；对于N型半导体，费米能级向导带移动，甚至可以进入导带；对于P型半导体，费米能级向价带移动，甚至可以进入价带。3.PN结的能带4.1.2激光器的基本组成

一个激光器必须满足三个基本条件（三个基本组成部分）：工作物质：需要合适的工作介质，合适的能级分布；泵浦源：实现工作物质粒子数反转分布的激励能源；光学谐振腔：可以进行方向和频率的选择。以上三个条件称为激光器的三要素。1）起振条件-阈值条件：由于光在谐振腔传播时会有各种各样的能量损失，而只有光的增益能超过这些损失时光波才能被放大，从而在腔内振荡起来。也就是说激光器必须满足某个条件才能起振，这个条件即是阈值条件。2）稳定振荡条件-相位条件：光波是在谐振腔内往复传输的，只有满足特定的相位关系的光波才能得到彼此加强，这种条件称为相位条件。 以上两个条件称为激光产生的充分条件。4.1.3半导体激光器的机理三要素工作介质：二元化合物（GaAs）、三元化合物（GaAlAs）和四元化合物（GaInAsP）等。谐振腔：有解理面组成（F-P腔）；泵浦源：电流激励、电子束激励、光激励等。多为电流激励。光学谐振腔镀有反射镜面的光学谐振腔只有在特定的频率内能够储存能量，这种谐振腔就叫做法布里-珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器。早期的LD谐振腔靠两个解理面镀膜实现，也有其他类型的谐振腔，如DFB激光器。它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。当谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，就保持振荡，形成和腔体端面平行的等相面驻波。在谐振腔里建立稳定振荡的条件在半导体激光器里，由两个起反射镜作用的晶体解理面构成的法布里珀罗谐振腔，它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。当受激发射使腔体得到的放大增益等于腔体损耗时（阈值条件），并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时（相干条件），就保持振荡，形成等相面和腔体端面平行的驻波，然后穿透谐振腔的两个端面，输出谱线很窄的相干光束。相位条件阈值条件形成稳定激光振荡的条件：增益=腔体损耗LD的工作原理半导体激光器的输出模式横模：在X-Y平面内可以形成稳定分布的场；横模特性决定光场的空间特性。纵模：在Z方向可以形成稳定分布的场；决定频谱特性。LD横模：决定光场的空间特性近场图案远场光斑SW30o10o横模光场：半导体激光器的增益频谱相当宽（约10THz），在F-P谐振腔内同时存在着许多纵模，但只有接近增益峰的纵模变成主模。在理想条件下，其它纵模不应该达到阈值，因为它们的增益总是比主模小。实际上，增益差相当小，主模两边相邻的一、二个模与主模一起携带着激光器的大部分功率。这种激光器就称作多模半导体激光器。发射主模纵模增益频率gthg()w损耗增益w()w频率增益gw0法布里-珀罗LD通常发射多个纵模的光纵模：（1）LD的P-I特性4、LD的工作特性（1）LD的P-I特性

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。（2）LD的光谱特性波长/nm-40-20402000.60.200.40.81.0相对光强波长/nm-0.4-0.20.40.200.60.200.40.81.0相对光强0.02nm(2~5)nm波长/nm-40-200.60.200.40.81.040200-6060相对光强l0GaAlAs:(30~50)nmInGaAsP:(60~120)nmDl1/2l0l0(a)

LED的光谱特性(b)多模LD的光谱特性(c)单模LD的光谱特性

（2）光谱特性

LD的光谱特性如图所示。λ0为LD的峰值波长(典型值为0.85μm、1.31μm和1.55μm)；Δλ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。（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。

根本原因：温度的变化会引起禁带宽度的变化和折射率的变化。

从而引起上述物理量的变化。温度对输出功率的影响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。（4）调制特性-模拟（4）调制特性-数字

半导体激光器是光纤通信的理想光源，但在高速脉冲调制下，其瞬态特性仍会出现许多复杂现象，如常见的电光延迟、张弛振荡和自脉动现象。这些特性严重限制系统传输速率和通信质量，因此在电路的设计时要给予充分考虑。（4）调制特性电光延迟和张弛振荡现象

半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光脉冲瞬态响应波形如图所示。输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，称为电光延迟时间td，其数量级一般为ns。

张弛振荡和电光延迟的后果是限制调制速率。

当最高调制频率接近张弛振荡频率时，波形失真严重，会使光接收机在抽样判决时增加误码率，因此实际使用的最高调制频率应低于张弛振荡频率。当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡，称为张弛振荡，其振荡频率一般为0.5-2GHz。这些特性与激光器有源区的电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命以及注入电流初始偏差量有关。码型效应

当电光延迟时间td与数字调制的码元持续时间T/2为相同数量级时，会使“0”码过后的第一个“1码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个“１”码丢失，这种现象称为“码型效应”。12电脉冲光脉冲2ns5ns2ns（a)、(b)码型效应波形；（c）改善后波形(a)(b)(c)自脉动现象

某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，当注入电流达到某个范围时，输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡，这种现象称为自脉动现象。自脉动频率可达2GHz，严重影响LD的高速调制特性。电脉冲光脉冲自脉动现象是激光器内部不均匀增益或不均匀吸收产生的，往往和LD的P-I曲线的非线性有关,自脉动发生的区域和P-I曲线扭折区域相对应。普通LD-同轴封装5、激光器的封装LD外形图4.3半导体发光二极管与激光二极管LD结构内视图光纤密封窗口准直镜制冷器激光器芯片光电管包装外壳热敏电阻非对称准直透镜光隔离器同质结半导体激光器异质结半导体激光器量子阱激光器分布反馈激光器(DFB)垂直腔表面发射激光器(VCSEL)各种结构的半导体激光器不同结构的LD同质结构只有一个简单P-N结，且P区和N区都是同一物质的半导体激光器。该激光器阈值电流密度太大，工作时发热非常严重，只能在低温环境、脉冲状态下工作。为了提高激光器的功率和效率，降低同质结激光器的阈值电流，人们研究出了异质结的半导体激光器。1、同质结构LD2、异质结半导体激光器为了提高LD的功率和效率，降低同质结LD的阈值电流，人们研究出了异质结LD所谓“异质结”，就是由两种不同材料（例如GaAs

和GaAlAs

）构成的P-N结。在双异质结构中，有三种材料，有源区被禁带宽度大、折射率较低的介质材料包围。这种结构形成了一个像光纤波导的折射率分布，限制了光波向外围的泄漏，使阈值电流降低，发热现象减轻，可在室温状态下连续工作。异质结半导体激光器结构同质结、双异质结LD能级图及光子密度分布的比较3、量子阱激光器除双异质结LD对载流子进行限制外，还有另外一种完全不同的对载流子限制的方式。这就是对电子或空穴允许占据能量状态的限制，这种激光器叫做量子阱激光器。它具有阈值低，线宽窄，微分增益高，以及对温度不敏感，调制速度快和增益曲线容易控制等许多优点。量子阱(QW)LD量子阱LD示意图4、分布反馈激光器(DFB)DFB激光器是单纵模(SLM)LD，即频谱特性只有一个纵模（谱线）的LD。SLMLD与法布里-珀罗LD相比，它的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗。这是通过改进结构设计，使DFBLD内部具有一个对波长有选择性的衍射光栅，从而使只有满足布拉格波长条件的光波才能建立起振荡。SLMLD与F-PLD相比，它的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗。增益和损耗曲线增益曲线首先和模式具有最小损耗的曲线接触的模开始起振，并且变成主模。其它相邻模式由于其损耗较大，不能达到阈值，因而也不会从自发辐射中建立起振荡。DFBLD的分类分布反馈激光器

DFB:DistributedFeedBack分布布拉格反射激光器

DBR:DistributedBraggReflector布拉格Bragg（1890~1971）澳大利亚出生的英国物理学家，25岁时发明了有名的布拉格方程，获得了诺贝尔奖DFBLD的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗。这是通过改进结构设计，使DFBLD内部具有一个对波长有选择性的衍射光栅，从而使只有满足布拉格波长条件的光波才能建立起振荡。DFBLD结构及其原理DBRLD结构及其原理DBR激光器除有源区外，还在紧靠其右側增加了一段分布式布拉格反射器，它起着衍射光栅的作用。DBR激光器的输出是反射光相长干涉的结果。只有当波长等于两倍光栅间距时，反射波才相互加强，发生相长干涉。例如当部分反射波A和B具有路程差2时，它们才发生相长干涉。5、垂直腔表面发射激光器垂直腔表面发射激光器（VCSEL,VerticalCavitySurfaceEmittingLaser）光发射方向与腔体垂直，而不是像普通激光器那样，与腔体平行。这种激光器的光腔轴线与注入电流方向相同。VCSEL激光器示意图VCSEL激光器工作原理多层电介质镜工作原理所有从前后相挨的两个界面上反射的波都具有相长干涉的特性，经过几层这样的反射后，透射光强度将很小，而反射系数将达到1。2n入射光反射光透射光AB1n2n>1nC12121n2n透射光4/2l4/1l(a)对反射光相长干涉的原理1550330770lol(nm)反射系数0(b)反射系数与波长的关系有源层很薄，所以阈值电流很小，仅为0.1mA左右，工作电流也仅为几个mA。器件体积小，降低了时间参数，适用于高速调制系统。不需要解理面切割就能工作，制造简单，成本低。因为腔体高度小，可以实现单纵模输出。腔体直径只有几个微米，属于微型激光器，可以做成激光器列阵，在光互连与光计算技术中会有广泛的应用。VCSEL激光器阵列半导体发光二极管与激光二极管半导体发光二极管(Light-emittingDiode，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0.85μm、1.31μm及1.55μm。通过电子在能带之间的跃迁，发出频谱宽度在几百nm以下的光。在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出。这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。4.2半导体发光二极管(LED)在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带；如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出；这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。1、LED发光原理4.2.2LED工作特性光谱特性。发光二极管发射的是自发辐射光，没有谐振腔对波长的选择，谱线较宽。(2)LED的P-I特性43210501001500℃25℃70℃电流/mA输出功率/mWP-I特性指输出的光功率随注入电流的变化关系注入电流较小时，线性度好；注入电流较大时，发光效率变低，甚至出现饱和。(3)LED的温度特性800900–40°C25°C85°C01740Relative

spectral

output

power840880Wavelength

(nm)The

output

spectrum

from

AlGaAs

LED.

Valuesnormalized

to

peak

emission

at

25°C.Optoelectronics(PrenticeHall)LED的温度特性相对较好，一般不需要加温度控制，但不同温度下，LED的光谱和P-I特性呈现不同的特性。光纤的耦合是指把光源的光功率最大限度的输送到光纤中去。直接耦合：方法简单，效率较低。透镜耦合：可以根据光源做不同的结构，以提高耦合效率。

影响耦合效率的主要因素主要是光源的发散角和光纤的数值孔径。(4)LED与光纤的耦合LED与光纤的耦合光纤连接器电接口驱动电路光源组件光检测器组件放大电路电接口电信号输入光发送机中继器光纤跳线光纤连接器光缆总线盒光缆线路盒光缆线路盒光纤跳线光缆终端盒光接收机电信号输出光纤光缆4.3光放大器光-电-光转换中继器结构l1l2lN...光纤l1l2lN光解复用...O/EADME/O光复用l1l2lN...l1l2lN...光纤光电中继全光中继光放大器的结构工作介质泵浦光源输入信号输出信号工作介质从泵浦源吸收足够的能量，使工作介质处在增益状态；当有信号光入射时，由于受激辐射，信号光将得到放大；只要泵浦的能量足够强，信号光就可以得到连续放大，工作介质起到能量传递的作用。放大器分类

不同类型的工作介质，泵浦方式也不同，形成的光放大的性能也不同。目前从工作介质上分类，较成熟的放大器有：掺稀土元素光纤放大器工作介质是掺稀土光纤，泵浦源为半导体激光器；最常用的是掺铒光纤放大器（EDFA）。非线性光学光纤放大器工作介质是常规光纤，泵浦源为高功率激光器，利用非线性效应对光进行放大。典型代表是SRS（受激拉曼）光纤放大器。半导体光放大器工作介质是半导体材料，以注入电流作为泵浦源。代表有F-P型光放大器等。三种不同类型的放大器性能比较使用铒离子作为增益介质的光纤放大器，称为掺铒光纤放大器(Erbium-DopedFiberAmplifier

)。这些离子在光纤制造过程中被掺入光纤芯中，使用泵浦光直接对光信号放大，提供光增益。虽然掺杂光纤放大器早在1964年就有研究，但是直到1985年才首次研制成功掺铒光纤。1988年低损耗掺铒光纤技术已相当成熟，其性能相当优良，已可以提供实际使用。放大器的特性，如工作波长、带宽由掺杂介质所决定。掺铒光纤放大器因为工作波长在靠近光纤损耗最小的1.55m波长区，它比其它光放大器更引人注意。4.3.3掺铒光纤放大器（EDFA）基本组成各部分作用

掺铒光纤(EDF)和高功率泵浦光源是关键器件，EDF的增益取决于Er3+的浓度、光纤长度和直径以及泵浦光功率等多种因素，通常由实验获得最佳增益。把泵浦光与信号光耦合在一起的波分复用器和置于两端防止光反射的光隔离器也是不可缺少的。对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命。前向泵浦结构后向泵浦结构双向泵浦结构单级放大中常用的三种泵浦结构常用结构前向泵浦：信号光与泵浦光以同一方向进入掺饵光纤，在掺铒光纤的输入端泵浦光较强，其增益系数大，信号一进入光纤即得到较强的放大。但由于吸收泵浦光将沿光纤长度而衰减，使在一定的光纤长度上达到增益饱和而使噪声增加。前向泵浦的优点是结构简单、噪声性能较好。后向泵浦：信号光与泵浦光从两个不同的方向进入掺饵光纤。优点是：当光信号放大到很强时，泵浦光也强，不易达到饱和，有较高的输出功率。双向泵浦：为了使增益光纤中的增益介质得到充分激励，使用双泵浦源，两个泵浦源从两个相反方向进入掺饵光纤。这种方式结合了同向泵浦和反向泵浦的优点，从而使增益在光纤中也均匀分布，这种配置具有更高的输出功率，且放大特性与信号传输方向无关。多级光纤放大器结构——提高泵浦光的利用率EDFA的工作原理--掺铒光纤与泵浦选择稀土元素包括15种元素，在元素周期表中位于第五行。目前比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有Er3+(铒)

、Nd3+(钕)、Pr3+(镨)

、Tm3+(铥)

、Yb3+(镱)

。掺铒(Er3+)光纤在1.55m波长具有很高的增益，正对应低损耗第三通信窗口，由于其潜在的应用价值，掺铒(Er3+)光纤激光器发展十分迅速。掺镨光纤放大器工作在1.31μm波段。铒离子能级图掺铒光纤吸收谱可以作为掺铒光纤泵浦源的波段有：510nm、630nm、800nm、980nm、1480nm目前常用的泵浦源为980nm和1480nmEnergyoftheEr3+ionintheglassfiberE101.54eV1.27eV0.80eVE2E3E31550nm1550nmInOut980nmNon-radiativedecayPump980nm泵浦光放大特性掺铒光纤后的输出信号由图可见，能量从泵浦光转换成信号光的效率很高，因此EDFA很适合作功率放大器。泵浦光功率转换为输出信号光功率的效率为92.6%，60mW功率泵浦时，吸收效率为88%。输出信号功率与泵浦功率的关系：EDFA的特性EDFA增益特性EDFA的增益与铒离子浓度、掺铒光纤长度、芯经和泵浦功率有关。增益G定义为输出光功率与输入信号光功率之比的分贝数：理想的放大器，不管输入功率多大，光信号都能按同一比例放大，实际的放大器并非如此，如下图，会出现增益饱和现象。EDFA的特性增益频谱3dB谱宽定义为Gsmax-3dB对应的两个波长之差。增益平坦性：不同信号放大增益平坦性也不同，通过上图可以看出大信号增益时平坦性较好。EDFA的特性0-1010302040增益02468102015105mL=(mW)泵浦功率(dB)小信号增益和泵浦功率的关系对于给定的放大器长度L，放大器增益最初随泵浦功率按指数函数增加，但是当泵浦功率超过一定值后，增益的增加就减小EDFA的特性对于给定的泵浦功率，放大器的最大增益对应一个最佳光纤长度，并且当超过这个最佳值后很快降低。其原因是铒光纤的剩余部分没有被泵浦，反而吸收了已放大的信号。因此，选择合适的光纤长度与泵浦功率在放大器的设计中非常重要。小信号增益和光纤长度的关系EDFA的特性3、EDFA的噪声指数EDFA的特性EDFA泵浦功率对噪声指数的影响该图表示泵浦功率对放大器噪声指数影响的模拟结果。数值计算表明，强泵浦功率的高增益放大器可以得到接近3dB的噪声指数。噪声指数就像放大器增益一样，与放大器长度和泵浦功率有关。EDFA的特性掺铒光纤放大器的优点(1)

工作波长：恰好落在光纤通信的最佳波长区(1500nm)；(2)因为EDFA的主体也是一段光纤，它与线路光纤的耦合损耗很小，甚至可达到0.1dB;(3)噪声指数低，增益高，饱和输出功率大；(4)频带宽，在1550nm窗口有20-40nm带宽，可进行多信道传输，便于扩大传输容量，从而节省成本费用;(5)所需泵浦功率较低(数十毫瓦)，泵浦效率却相当高；(6)在多信道应用中可进行无串话传输；(7)放大器中只有低速电子装置和几个无源器件，结构简单，可靠性高，体积小；(8)EDFA需要的工作电流比光-电-光再生器的小，因此可大大减小远供电流，从而降低了对海缆的电阻和绝缘性能的要求。EDFA的应用

原则上讲只要需要光放大的地方都可以用EDFA，在实际的光纤链路当中，EDFA主要用于一下几个方面：作为线路中继器作为接收机前置放大器作为光发射机的后置放大作为光无源器件的补偿放大器

EDFA只能工作在1530-1564nm之间的C波段，为了满足全波光纤工作窗口宽的需要，科学家们在寻求一种能够与全波光纤工作窗口相匹配的光放大器，光纤喇曼放大器刚好可以满足这种要求。4.3.4光纤喇曼放大器（SRA）受激拉曼散射SRS

物理机制：

分子间的相对运动导致分子电偶极矩随时间的周期性调制，这些分子振动调制信号光后产生了新的光频，除此之外还将放大新产生的光。这个现象称为拉曼散射。 拉曼散射有普通拉曼散射和受激拉曼散射两种。普通拉曼散射过程属于自发散射过程，产生的散射光十分微弱；但是当强激光输入到非线性介质中后，一定条件下，散射光具有激光的特性，这就是受激拉曼散射（SRS），SRS过程可以看作是物质分子对光子的散射过程，或者说光子与分子谐振子相互作用的过程。

散射光称为斯托克斯(Stokes)光。另一种情况如右图所示，产生反斯托克斯光。其过程如下图所示：当激光束进入介质后，光子被介质吸收，使介质分子由E1跃迁到E3，由于E3态不稳定，它很快跃迁到较低的亚稳态E2上，并发射一个散射光子，角频率为ws，然后弛豫回到基态E1，并产生一个光学声子，这个非弹性过程前后的能量是守恒的，满足：

SRS特性 受激拉曼散射的光较强，它具有高强度，高方向性，具有阈值特性，通过介质时还将获得增益。 在室温下，大部分新产生的频率都处于光载波的低频区，对于二氧化硅玻璃，新峰值频率比光载频低13THz。换言之，当信号波长为1.55μm时，将在1.65μm处产生新的波长。泵浦波长为1.0um时光纤的拉曼增益谱 可以采用前向泵浦,也可以采用后向泵浦，因后向泵浦减小了泵浦光和信号光相互作用的长度，从而也就减小了泵浦噪声对信号的影响，所以通常采用后向泵浦。光纤分布式喇曼放大器（DRA）结构--后向泵浦DRA工作原理增益介质：系统传输光纤。工作原理：基于非线性光学效应。如果一个弱信号光与一个强泵浦光同时在一根光纤中传输，强泵浦光产生拉曼效应，弱信号光处在拉曼增益曲线内；则弱信号光会得到放大，获得喇曼增益。泵浦功率为200mW时，最大增益值为7.78dB泵浦功率为100mW时，最大增益值为