通信工程传输与接入光通信器件

1.4 光通信器件

1.4.1 光源

光源与光检测器是光纤通信系统的主要器件。光源用在光发送机中，主要功能是产生光载波完成电信号到光信号的转换（E/O）。光检测器用在接收机中，主要功能是完成光信号到电信号的转换（O/E）。

光纤通信最简单的光源有半导体发光二极管和半导体激光器。

1.半导体发光二极管

半导体发光二极管（LED）是一前向偏置的PN结，注入的少数载流子（P型半导体的电子或N型半导体的空穴）通过自发辐射过程进行复合，产生激光。光纤通信中使用较多的是面发光二极管（SLED）和边发光二极管（ELED）。

图1-8所示为SLED的典型结构。双异质结生长在二极管顶部的N-GaAs衬底匕P-GaAs有源层厚度仅1?2nm,与其两边的N-GaAlAs和P-GaAlAs构成两个异质结，限制了有源层中的载流子及光场分布。有源层中产生的光发射穿过衬底耦合入光纤，由于衬底材料的光吸收很大，用选择腐蚀的办法在正对有源区的部位形成一个凹坑，使光纤能直接靠近有源区。在P+-GaAs一侧用Si02掩膜技术形成一个形的接触电极，从而限定了有源层中有源区的面积，其大小与光纤纤芯面积相当。

这种圆形发光面发出的光辐射具有朗伯分布。SLED与光纤的直接耦合效率很低，为了提高耦合效率，可在发光面与光纤之间形成微透镜，提高入纤功率。

图1-9所示为ELED的结构图。采用这种结构是为了降低有源层中的光吸收，并使光束有更好的方向性，光从有源层的端面输出。由于有源层很薄，产生的光场扩展进入约束层中。由于Ala4Gao.6As的带隙比Ala丨Gao.9As大，吸收损耗低，使光在传播方向上的自吸收大大降低了。结构中的光导层可减少光束的发散，有利于将发光功率有效地耦合入光纤中。与输出端相反的一端进行反射镀膜，可进一步提高光输出功率。

LED是一种非阐值器件，其发光功率随工作电流的增加而增大，并在大电流时逐渐饱和。LED的输出光功率P与电流/的关系（即/>-/特性）如图1-10所示。当工作温度提高时，同样工作电流下LED的输出功率要下降。相对而言，温度的影响要比LD小。

LED的工作基于半导体的自发发射，因此LED谱线宽度较宽，调制效率低。但LED使用寿命长，成本低，适用于短距离、小容量、低造价的传输系统。

　　2.半导体激光器

半导体激光器（LD）的机理主要利用了受激辐射。图1-11所示为半导体光放大器（SOA）的框图。SOA实际上是一个PN结，中间的耗尽层实际上充当了有源区，当光通过有源区时由于受激辐射而得到了放大。由于放大器的增益是波长的函数，因而放大器有源区的两端面上镀冇防反射涂层（AR），减少放大器的带内增益波动，对于激光器没有AR.

实际中很少使用简单的PN结，而是在PN结之间有一很薄的半导体材料，它与PN结的半导体材料相异，这种结构称为异质结。中间一层半导体形成了一个有源区，它与P型或N型半导体材料相比，其禁带宽度较小，而折射率较高。小的禁带宽度有利于将注入到有源区的少数载流子限制在有源区内，高的折射率使这种结构构成了一个电介质波导，在放大时有利于将光限制在有源区。

　　LD是一阈值器件，其P-I特性如图1-12所示。

LD的工作状态随注入电流的不同而不同。当注入电流较小时，激活区不能实现粒子数反转，自发发射占主导地位，激光器发射的是荧光。随着注入电流的增加，激活区里实现了粒子数反转，受激辐射占主导地位。但当注入电流小于阈值电流时，谐振腔内的增益还不足以克服损耗，不能在腔内建立起振荡。只有当注入电流大于阈值电流时，才能产生功率较强的激光。

LD在高温环境下工作会影响它的寿命，在高温下LD的发射波长也会产生变化，以至影响数字光纤通信系统的正常工作，所以在光发送机电路中需要对LD的温度进行控制，一般采用两种方法来进行温度控制：一种是环境温度控制法；另一种是对LD进行自动温度控制（ATC）。

LD的输出光功率是随着注入电流的不同而改变的，注入电流常用毫安（mA）来表示，光功率的单位为亳瓦（mW），但实际工程应用中常用分贝（dBm）来表示。其定义为

LD稳定的输出功率对光发送机来说非常重要，一般通过APC来实现光功率的稳定输出。LD通过受激辐射产生激光，虽然价格较LED贵，但在高速率的PDH和SDH设备h得到广泛使用，主要原因有：

（1）LD的发光波长适合在光纤的低损耗窗口传输；

（2）通过电流注入发光从而可以方便地进行强度调制（IM）；

（3）与光纤的耦合效率高：

（4）响应速度快、光束的相干性好，适合于高速率、大容量的光纤通信系统；

（5）半导体激光器实际上是一个PN结，因而可采用半导体集成技术批量生产。

为了形成稳定而较强的激光输出，LD常被制成谐振腔形式，由于谐振腔的作用，使得波长具有选择性（满足“腔长”是半波长整数倍条件，频率间隔为c/（2nL）tL为腔长，n为折射率）。如果激光器同时有多个模式振荡就称为多模激光器（MLM），由于光纤中存在色散，因而光源的谱宽应尽可能的窄，希望激光器仅仅工作在单纵模，这样的激光器称为单纵模激光器（SLM）。SLM可以在激光器中利用滤波器原理来选择所需的波长同时对不需要的波长提供损耗，边模抑制比（SSR）是SLM的一个重要参数，它决定了相对于主模其他纵模被抑制程度，典型的SSR的值为30dB.图1-13所示为MLM和SLM的光谱。

腔内构成的激光器。F-P腔激光器一般用在短距离的数字光纤通信系统中。

（1）分布反馈（DFB）激光器：采用周期性波导，通过合理设计器件，可以形成单个纵模输出，通过改变其变化周期就可以得到不同的工作波长。DFB激光器的制作工艺比F-P腔激光器的制作工艺简单，虽然价格较贵，但在高速光纤通信系统应用非常普遍。

（2）垂直腔面发光激光器（VCSEL）：若使腔长特别短则纵模间隔就很大，可以使增益谱内只有一个波长从而获得单纵模。多用于阵列波导。

（3）锁模激光器：常用作产生超短（脉冲宽度很窄）光脉冲。

（4）量子阱（QW）激光器：是一种窄带隙有源区夹在宽带隙半导体材料中间或交替重叠生长的激光器，QW激光器的主要特点是阈值电流低、线宽变窄、动态单纵模特性好。

（5）多波长激光器阵列：多个激光器集成在一起，多用在DWDM系统中。

4.激光器组件

通信中使用的激光器常常是激光器组件，所谓组件是将激光器与其他光器件如光电二极管、光隔离器、光纤等和电子器件如FEC电致冷器等封装在一起作为一个光机电的有机结合整体，以使激光器在宽的温度范围长时间稳定工作（如光功率恒定、光波长不漂移）。常用激光器组件一般包括以下的独立部分。

（1）激光器（如DFB激光器、量子阱激光器）。

（2）PIN光电二极管，用来监测其输出光功率以使光功率稳定。

（3）TEC致冷器、散热器，用来将激光器的工作温度控制在一定的范围。

（4）激光器与X光纤的耦合部分，以便将光很好地耦合到光纤，这一段光纤常称为尾纤。

（5）光隔离器（ISO），以防止反射光进入激光器影响激光器的性能。

（6）光滤波器，如F-P滤波器、布拉格滤波器，用来选择合适的光谱，用于DWDM系统。

（7）调制器，如电吸收MQW外调制器，用于高速率的系统。

（8）半导体光放大器（SOA），用来提升发送光功率。

激光器组件主要的性能指标有：光功率（dBm）、光波长、工作的比特率（Gbit/s）等，还有如温度范闱、电源供电、物理尺寸、光功率的安全保护等。

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