第3章 光源和光发射机 激光二极管 发光二极管 光发射机 外调制器
光源可实现从电信号到光信号的转换，是光发射机以及光纤通信系统的核心器件，它的性能直接关系到光纤通信系统的性能和质量指标。本章主要对半导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)这两种光源的工作原理、应用以及相关的调制、驱动和光发射机进行介绍，并给出了它们的技术指标。 采用直接调制有两个缺点：带宽受LD振荡频率限制、啁啾现象。要用外调制解决这些问题。 知识要点： 器件结构 LD、LED发光机理 LD、LED特性 光源与光纤的耦合 电信号对光信号的调制 发射机结构、参数 外调制器工作原理
3.1 激光二极管 3.1.1工作原理 1. 发光机理 制作LD的材料是半导体晶体。晶体中，原子核外的电子运动轨道因相邻原子的共有化运动要发生不同程度的重叠，在如图3.1.1所示，电子已经不属于某个原子所有，它可以更大范围内甚至在整个晶体中运动，也就是说，原来的能级已经转变成能带。对应于最外层能级所组成的能带称为导带，次外层的能带称为价带，它们之间的间隔内没有电子存在，这个区间称为禁带。 图3.1.1 晶体中的能级 原子轨道 导带 禁带 价带 原子能级 共有化态－能带
我们在第1章已经说明了LD是基于受激发射的原理工作的，实际上，半导体激光器所发射出的光波长不是单一值。造成这种现象的原因有两个：一是半导体导带和价带都是由许多能级组成的，它们所具备的能量有微小差别；二是半导体的能带结构受掺杂和晶体缺陷影响较大，使得禁带宽度有微小的变化，所以用（1.1.2b）式计算出的波长是有一定的范围的量。 在光的受激发射过程中必须保持能量和动量的守恒。禁带形状是与动量有关的，依照禁带的形状，可将半导体分成直接带隙和间接带隙两种，如图3.1.2所示。直接带隙材料中，导带最小能级和价带最大能级有相同的动量，电子是垂直跃迁的，发光效率高，见图（a）；间接带隙材料中，要完成电子的跃迁，必须有其它粒子的参与以保持动量守恒，在图（b）中，说明了能量为Ep、动量为kp粒子的参与过程。只有直接带隙半导体材料才能制作发光器件，这类材料有GaAs、AlGaAs、InP和InGaAsP等。 （a） 直接带隙kp电子跃迁导带禁带价带动量（b） 间接带隙Ep 图3.1.2 直接带隙和间接带隙 电子跃迁 导带 禁带 价带 动量 （a） 直接带隙 kp （b） 间接带隙 Ep
不同的半导体材料有着不同的禁带宽度，发射光的波长不同。表3.1为常用半导体材料的禁带宽度（带隙）及发光波长。
电极 出光面 N-GaAs 前端镜面 N-AlGaAs GaAs P-AlGaAs 2. LD结构 激光二极管通常是一个多层条形的结构，见图3.1.3。其中，有源层、限制层和端镜面构成了其结构的基本部分。 图3.1.3 激光二极管结构 （1）有源层和限制层 在图3.1.3中，有源层的材料是P型砷化镓GaAs材料，限制层分别是P型和N型砷化镓铝AlGaAs材料，在它们的界面上分别形成两个PN结，我们把这类由异种半导体相接的结构称为双异质结，图3.1.4（a）画出了双异质结的结构示意图，图（b）是它的能带。 图3.1.4 双异质结的结构 (a) 能 量 电子 空穴 Egp P-(AlGaAs) N-(AlGaAs) P-(GaAs) (b) (c) (d) 折 射 率 光场分布 Egn Eg
当PN结上加正向电压时，电子就会从N型限制层注入到有源层，同样，空穴会从P型限制层注入到有源层，电子和空穴在此区复合。当外加电压增加到有源层的禁带宽度Eg时，激光器就开始振荡，发出激光。因为限制层的禁带宽度Egn、Egp比有源层的Eg要宽，其导带所处的能量要比有源层的导带高，所以就形成了异质势垒，使注入到有源层的电子、空穴不会跑掉，而被封闭在有源区内，实现了载流子的封闭作用。只要外加很小的电流，注入电子和空穴的浓度就增大，从而提高了增益。另一方面，由于限制层的折射率比有源层低，见图（c），所以形成了一个光波导折射率分布，在有源层内电子和空穴复合而辐射的激光，被封闭在有源层内，见图（d）。 （2）端镜面 激光器两端是端镜面，两者是平行的，同时又是非常平坦光亮的，它可以使有源层产生的光部分逸出，因此端镜面和有源层构成了光的容器。另外，有源层里产生的光不断从两端反射，形成光的振荡。随着电流不断注入，光逐渐被放大并趋于稳定的输出状态。。综上所述不难理解，有源层实质上是一个矩形有源光波导，它与端镜面共同构成了具有频率选择的光波振荡器、放大器和光的储存器。
3. LD阈值条件 粒子数反转、光学谐振腔是激光器获得激光的条件，除此之外，产生激光还必须满足阈值条件。 在激光器工作过程中，光在谐振腔内传播，除了增益介质的光放大作用外，还存在工 作物质的吸收、介质不均匀引起的散射、反射镜的非理想性引起的透射及散射等损耗情况，只有光波在谐振腔内往复一次的放大增益大于各种损耗引起的衰减，激光器才能建立起稳定的激光输出。 设增益介质的增益和损耗分别为G和α，谐振腔内光功率随距离z的变化可表示为 （3.1.1） 式中，P(0)为z＝0处的光功率。光束在腔内一个来回时，两次通过增益介质，这时的光增益为 （3.1.2） 式中，L为腔长。设两个镜面的反射系数为rl和r2，建立光振荡的条件为 （3.1.3） 将（3.1.2）式代入（3.1.3）式，可得 也即 （3.1.4） 这就是产生激光的阈值条件。式中第一项是增益介质的损耗，第二项表示通过反射镜的损耗。在半导体激光器中，只有当注入电流满足阈值条件时，才迅速出现激光输出。
光与半导体物质的相互作用可用速率方程来描述，速率方程反映了有源层内光子与电子的相互作用。速率方程为. （3. 1. 5）. （3. 1 光与半导体物质的相互作用可用速率方程来描述，速率方程反映了有源层内光子与电子的相互作用。速率方程为 （3.1.5） （3.1.6） 式中，s和n分别为光子数目和电子数目，D是描述光吸收与辐射相互作用强度的系数，是自发辐射成为激光模式的载流子速率，是光子寿命，d是限制层厚度，J是注入电流密度，q是电子电荷。 （3.1.5）式的物理意义是在单位时间内，总光子数目取决于受激辐射产生光子数目、自发辐射产生光子数目、激光腔损耗造成的的光子损失数目；（3.1.6）式的物理意义是在单位时间内，总电子数目取决于注入载流子数目、自发复合导致导带的电子损失数目、受激辐射导致导带的电子损失数目。 阈值条件也可以这样考虑：在（3.1.5）式中忽略，光子从产生到稳定的过程中，当s值较小时，应有，这样，由（3.1.5）式得。这表明要使s值增加，年n值要大于阈值。可由阈值电流密度来表示，实际上是光子数目时，保持粒子数反转所需的电流密度。由（3.1.6）式，可得 （3.1.7）
激光器达到稳定状态后，导带中的电子数目始终为阈值。当输入电流增加时，值增加，从而导致受激跃迁的电子数增加，受激跃迁到导带而辐射的光子数就越多，也就是说，输入电流越大，输出光功率越高。 稳定状态下，粒子数不再变化，，，将（3.1.7）式代入（3.1.6）式，可得 （3.1.8） 该式表明，辐射的光子数目与实际电流密度与阈值电流密度之差成正比。 4. LD模式 介绍一下激光器纵横的概念。由上面分析知，；在两平面反射镜之间形成了一稳定的振荡，振荡频率可由谐振条件或称驻波条件得到。 在谐振腔中，光波是在两平面反射镜之间往复传输的，只有平面镜间距离是半波长的整数倍时，光波才能得到彼此加强，即 (3.1.9) 式中，λ为光波的波长，n为增益介质的折射率，m=1，2，…。利用，可将上式重写成 （3.1.10） 式中，f为光波的频率，c为光速。显然，激光器中振荡的光频率只能取某些分立值，m的一系列取值对应于沿谐振腔轴向一系列不同的电磁场分布状态，一种分布就是一个激光器的纵模。腔内的纵模很多，例如，某半导体激光器腔长L=300 μm，n=3.5，λ=1.31 u m，则由(3.1.9)式可求出m=1603。只有那些有增益且增益大于损耗的模式才能在激光的输出光谱中存在。若只剩下一个模称为单纵模激光器，否则称为多纵模激光器。相邻两纵模之间的频率之差 (3.1.11)
激光振荡也可以出现在垂直于腔轴线的方向上，这时在激光器出光的端面上出现稳定的光斑，将这种横向的光场分布称为横模。激光器的横模决定了激光光束的空间分布，它直接影响到器件和光纤的耦合效率。
3. 1. 2 LD的性质 1. P-I特性 典型的半导体激光器P－I特性如图3. 1 3.1.2 LD的性质 1. P-I特性 典型的半导体激光器P－I特性如图3.1.5所示。当注入电流小于阈值电流Ith时，器件发出微弱的自发辐射光，是非相干的荧光；当注入电流超过阈值时，器件进入受激发射状态，发出的光是相干激光，光功率输出迅速增加，输出功率与注入电流基本保持线性关系。 阈值电流Ith是激光器的重要参数，该值越小、越稳定，说明激光器的设计和制造工艺越好。短波长激光器，Ith一般在50mA～100mA之间；长波长激光器的Ith一般在20mA～50mA之间，目前较好的激光器阈值电流小于10mA。 激光器的P—I特性对温度很敏感，图3.1.6给出了不同温度下P—I特性的变化情况。由图可见，随着温度的升高，阈值电流增大，发光功率降低。阈值电流与温度的关系可以表示为 （3.1.12） 式中，T为器件的绝对温度，T0为激光器的特征温度，I0为激光器的特征常数。 图3.1.5 激光器P—I曲线 图3.1.6 激光器P—I曲线随温度的变化 为解决半导体激光器温度敏感的问题，可以在驱动电路中进行温度补偿，或是采用制冷器来保持器件的温度稳定．通常将半导体激光器与热敏电阻、半导体制冷器等封装在一起，构成组件。热敏电阻用来检测器件温度，控制制冷器，实现闭环负反馈自动恒温。
2. 光电效率 光电效率是表明电功率转换为光功率的比率。有以下几种表示方法： （1）内量子效率 激光器的发光是靠注入有源层的电子与空穴的复合辐射发光的，但是并非所有的注入电子与空穴都能够产生辐射复合。内量子效率代表有源层内产生光子数与注入的电子—空穴对数之比，即 （3.1.13） （2）外量子效率 激光器的内量子效率可以做得很高，有的甚至可以接近100％，但实际的激光器发射输出的光子数远低于有源层中产生的光子数，这一方面是由于发光区产生的光子被其它部分材料吸收，另一方面由于PN结的波导效应．光子能逸出界面的数目大大减少，所以定义外量子效率即总效率为 （3.1.14） （3）外微分量子效率 外微分量子效率ηD定义为P－I曲线线性范围内的斜率，所以又称为斜率效率。可用下面的关系式来进行计算： （3.1.15） 式中，q、Eg分别表示电子电量和禁带宽度。λ、P和I的单位分别为μm、mW和mA。ηD与激光器的结构参数、工艺水平以温度有关。实际工作中ηD使用较多，也最重要。该值约为15％～20％，对于高性能器件，则可达到30％～40％。
3. 光谱特性 激光器的光谱特性主要由其纵模决定。图3. 1 3. 光谱特性 激光器的光谱特性主要由其纵模决定。图3.1.7（a）和(b)分别为多纵模、单纵模激光器的典型光谱曲线，其中为具有最大辐射功率的纵模峰值所对应的波长，称为峰值波长，典型值是850nm、1310nm和1550nm。Δλ为LD的谱宽，其定义为纵模包络下降到最大值一半时对应的波长宽度，也称半高全宽光谱宽度。单纵模激光器的谱宽度又称为线宽。多纵模激光器光谱特性包络内一般含有3～5个纵模，Δλ值约为3～5nm；较好的单纵模激光器的Δλ值约为0.1nm，甚至更小。ΔλL是一个纵模中光谱辐射功率为其最大值一半的谱线两点间的波长间隔。对于单纵模激光器，定义边模抑制比MSR为主模功率P主与次边模功率P边之比，它是半导体激光器频谱纯度的一种度量。 (3.1.16) （a）多纵模激光器的典型光谱曲线 （b）单纵模激光器的典型光谱曲线 图3.1.7激光器的光谱特性 波长 λ0 相对功率 Δλ
半导体激光器的发光谱线会随着工作条件的变化而发生变化，当注入电流低于阈值电流时，激光器发出的是荧光，光谱较宽；当电流增大到阈值电流时，光谱突然变窄，强度增强，出现激光；当注入电流进一步增大，主模的增益增加，而边模的增益减小，振荡模式减少，最后会出现单纵模，如图3.1.8所示。 谱线也可以用频率为单位来表示，根据频率与波长的关系，可以得到 （3.1.17） 图3.1.8 激光器输出谱线注入电流的变化
4. 调制特性 将电信号加载到激光束上的过程称为调制。激光器输出是否能准确地重现输人信号取决于激光器的内部特性。在数字调制时，需要考虑激光器的瞬态特性，瞬态特性有电光延迟、张弛振荡和持续振荡。 （1）电光延迟 当激光器在进行脉冲调制时，要想提高脉冲速率，首先碰到的一个问题是激光器的电光延迟效应，即输出光脉冲的起点与注入电脉冲的起点之间存在一定的电光延迟时间td，该值为纳秒的量级，如图3.1.9所示。这一效应的存在，不仅会使光脉冲变窄，而且当脉冲电流宽度与电光延迟时间td相当时，甚至还会使脉冲调制完全失效。存在延迟现象，其原因是由于电子和光子密度达到平衡值时都需要一个时间过程。为了提高调制速率，就必须设法减小电光延迟时间td。理论研究结果表明，td与注入电流密度J有如下关系： （3.1.18） 式中τe为电子的寿命，Jth是阈值电流密度。如果加直流预偏置电流Jb，上式则变为 （3.1.19） 显然，当Jb接近或等于Jth时，则td趋于零。所以半导体激光器在较高速率调制时都要加预偏置。电光延迟0注入电流光输出tdt张弛振荡持续振荡 电光延迟 注入电流 光输出 td t 张弛振荡 持续振荡 图3.1.9 激光器的瞬态特性
（2）张弛振荡 当电流脉冲注入激光器以后．输出光脉冲表现出衰减式的振荡，见图3. 1 （2）张弛振荡 当电流脉冲注入激光器以后．输出光脉冲表现出衰减式的振荡，见图3.1.9这种现象称之为张弛振荡。张弛振荡的频率一般在几百MHz～2GHz的量级。它是激光器内部光电相互作用所表现出来的固有特性，增加直流预偏置也可以抑制张弛振荡，而且预偏置越接近阈值，效果越显著。 （3）持续振荡 某些激光器在某些注入电流下发生的一种持续振荡，称之为自脉动现象。实际工作中若遇到这种器件，必须更换。 不论是数字调制还是模拟调制，对于直接强度调制方式，其调制频率都受限于激光器的弛豫振荡频率 （3.1.20） 腔长为300μm的激光器，和大约分别为1ns、2ps，当注入电流是阈值电流的两倍时，弛豫振荡频率为几个GHz。由（3.1.20）式可知，阈值较低的激光器，可以获得较大的带宽。当调制频率超过后，调制效率将大为降低。
5. 噪声 激光器输出光的强度总在随机变化，如果光纤链路上的连接器等器件产生的回射光进入激光器被激活放大，也会引起强度波动，这种波动引起激光器中的强度噪声，它用相对强度噪声来度量： （3.1.21） 式中， 是激光器产生的平均噪声功率，是它发出的平均功率，由于RIN的测量需要一个接收机和两者之间的链路， B则是接收机和链路的带宽。上式中RIN的单位为dB/Hz。 6. 啁啾 单纵模激光器在高速强度调制时，注入有源层的电子密度不断变化，导致折射率的变化，使激光器的输出波长和强度都发生变化，在调制脉冲的上升沿向短波长漂移，在调制脉冲的下降沿向长波长漂移，从而使输出谱线加宽，这种动态谱线加宽现象叫作啁啾。 对单纵模激光器动态调制时，输出光功率P(t)变化所引起的激光频率变化可以近似地表示为 （3.1.22） 其中α是线宽增强因子，χ为与激光器结构有关的常数。（3.1.22）式显示，在光脉冲的前沿，，频率升高，而在光脉冲的后沿，频率下降，光脉冲的频谱展宽了。
啁啾的存在使得光信号的频谱大大展宽，构成对光纤通信性能的一个限制因素，对1 啁啾的存在使得光信号的频谱大大展宽，构成对光纤通信性能的一个限制因素，对1.55的系统，如果传输距离在80~100km，采用普通光纤时码率将被限制在2Gb/s以下，如果采用色散位移光纤，码率可得到一定提高。其他解决频率啁啾问题的方法包括对注入电流脉冲形状的控制、注入锁定、采用耦合腔半导体激光器等等，最直接的办法就是设计出具有较小线宽展宽因子的激光器，如采用量子阱结构设计。最根本的方法是采用外部调制器的外调制法，可以消除调制引起的频率啁啾。
3.1.3 LD的类型 图3.1.3所示结构的激光器称为法布里-珀罗型(F-P)激光器，是最常见的激光器类型。随着技术的进步，作为光纤通信系统的关键部件，激光器的制造工艺有了突飞猛进的提高，新的品种不断出现，使得激光器的性能有了根本的改变，主要的类型有： 1. 分布反馈激光器 F－P激光器存在着多个纵模。因为谱宽较宽，它与光纤的色散作用后，会导致光脉冲产生较大的展宽，从而限制了系统数据的传输速率。而分布反馈激光器是单纵模激光器，其边模抑制比MSR达到了30dB，谱宽达到了50MHz以下，具有非常好的单色性和方向性，由于它没有使用晶体解理面作为反射镜，所以更容易集成化，应用前景十分诱人。 利用分布反馈原理制成的激光器分成两类：一类是分布反馈DFB(Distributed Feedback)激光器，另一类是分布布拉格反射DBR(Distributed Bragg Reflector)激光器。 （1）DBR激光器 图3.1.10表示DBR激光器的结构及其工作原理。DBR激光器在有源层的附近增加了一段分布式布拉格光栅，它起着衍射光栅的作用。反射光经光栅相长干涉，相长干涉的条件是反射光波长等于两倍光栅间距Λ，这种选择性称作自布拉格条件 （3.1.23） 式中，是介质折射率，整数m代表布拉格衍射阶数，m＝1时相长干涉最强。ΛP有源区布拉格光栅N光输出 Λ P 有源区 布拉格光栅 N 光输出 图3.1.10 DBR激光器的结构
（2）DFB激光器 图3.1.11表示DFB激光器的结构。它没有集总反射的谐振腔反射镜，而是靠有源层上的布拉格光栅使有源层的光波产生部分反射，满足布拉格反射条件的特定波长的光会相长干涉，它们是 （3.1.24） 式中， n是有效折射率，L是衍射光栅有效长度，m是整数，λB是布拉格波长。由上式可见，完全对称的器件应该具有两个与λB等距离的模式，但是实际上，由于制造过程或者有意使其不对称，只能产生一个模式。由于上式的第二项比第一项小很多，光的波长非常靠近λB。分布反馈激光器可以通过改变光栅的周期Λ来调整发射波长，目前商用的DFB－LD和DBR－LD在光纤有线电视传输系统中得到了广泛的应用。 Λ P 有源区 布拉格反射器 N 光输出 L 图3.1.11 DFB激光器的结构
2. 量子阱激光器 一般双异质结构激光器的有源层的最佳厚度约为0 2. 量子阱激光器 一般双异质结构激光器的有源层的最佳厚度约为0.15μm，电子的辐射跃迁发生在两个能量之间，但当其有源层厚度减至可以和波尔半径(1～50 nm)相比拟时，半导体的性质将发生根本变化，此时，半导体的能带结构、载流子有效质量、载流子运动性质会出现新的效应——量子效应，相应的势阱称为量子阱，这种结构的激光器称为量子阱激光器。 量子阱结构可以通过改变有源层的厚度来改变发射波长，它大大地降低了阈值电流。采用厚度为5nm～10nm的多个薄层结构有源层可改进单量子阱器件性能．这种激光器称为多量子阱MQW(Multiquantum-Well)激光器，它具有调制性能更好、线宽更窄和效率更高的优点。图3.1.12示出了四个量子阱半导体激光器的示意图和能级图，量子阱之间是限制层。 量子阱激光器具有低阈值电流、可高温工作、谱线宽度窄和调制速度高等优点。例如，当阱数为4时，最高工作温度可达105℃，阱数达到10以后，最高温度有趋于饱和的趋势，当阱数为15时，最高工作温度接近160℃，这种LD无须使用帕尔贴电子致冷器，不需要补偿因温度引起性能变化的自动功率控制，可以延长使用寿命。 有源层 导带 限制层 价带 (a) (b) 图3.1.12多量子阱LD的结构和能级
3. 垂直腔面发射激光器 垂直腔面发射激光器VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)是一种电流和发射光束方向都与芯片表面垂直的激光器。垂直腔结构对于二维应用具有很好的灵活性，与光纤耦合时具有最高的耦合效率。 图3.1.13是VCSEL结构的原理图，它的有源层位于两个限制层之间，并构成双异质结构形。因为采用了隐埋制作技术，注入电流被完全限制在直径为D的圆形有源层。VCSEL的腔长是隐埋双异质结构的纵向长度，一般为5～10μm，而它的谐振腔的两个反射面不再是晶体的解理面，它的一个反射镜设置在P区边，另一个反射镜设置在N区边。 垂直腔面发射激光器的主要优点有：发光效率高，如850nmVCSEL，在10mA的电流驱动时可以获得高达1.5mW输出光功率；阈值电流低，从1mA到1μA，工作电流也仅为5～15mA；可以单纵模方式工作，也可以多纵模方式工作，从而减少了多模光纤应用时的相干和模式噪声，因为VCSEL主要应用于以多模光纤(62.5μm芯径)为传输媒介的局域网(LAN)中；可任意配置高密度二维激光阵列；高的温度稳定性和工作速率；价格低、产量高等。目前在并行数据通信背面板连接、波分复用和宽带传输传感光电子技术等领域得到广泛应用。 有源层 D 输出光 反射镜 限制层 图3.1.13 VCSEL结构的原理图
3.1.4 LD组件及其技术指标 激光器组件是除激光二极管LD芯片外，还配置其他元件和实现LD工作必要的少量电路块的集成器件，其他元件和电路应包括：光隔离器，它的作用是防止LD输出的激光回射，避免引起激光器RIN的增加，它位于LD输出边；监视光电二极管PD，它的作用是监视LD的输出功率变化，它位于 LD背出光面；尾纤和连接器；LD的驱动电路；热敏电阻，其作用是测量组件内的温度；热电致冷器，热电致冷器是一种半导体热电元件，通过改变热电元件的极性达到加热或冷却的目的；自动温控电路ATC，ATC和热敏电阻相接，其作用是保持LD组件内恒定的温度（如250C），以保证激光器参数的稳定性；自动功率控制电路APC等。 表3.2是1.55μm的F－P腔激光器模块的性能参数，这种InGaAsP/InP MQW型激光器内置了隔离器，可用于长距离、高速数据通信系统中。
表中，跟踪误差的定义是 （3.1.25） 式中Pf(T)表示温度为00C或者650C时激光器到光纤的耦合功率。其实，跟踪误差是一种在工作温度范围内保重光从激光器模块耦合人光纤的稳定性的方法，它是由监测光电二极管PD完成的，PD通过检测从激光腔尾部刻面射出的光线来向反馈电路发出信号，以决定是增加还是减少驱动电流以维持输出功率的稳定。 PD暗电流是指没有光照射到PD上时，流过它的电流。该指标反映了光电探测器的精确度。
3.2 发光二极管 光纤通信用的半导体LED发出的是不可见的红外光，而显示所用LED发出的是可见光，如红光、绿光等，但是它们的发光机理基本相同。发光二极管的发射过程主要对应光的自发辐射过程，当注入正向电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中复合发光，所以LED是非相干光源，并且不是阈值器件，它的输出功率基本上与注入电流成正比。 LED的谱宽较宽（30-60nm），辐射角也较大。在低速率的数字通信和较窄带宽的模拟通信系统中，LED是可以选用的最佳光源，与半导体激光器相比，LED的驱动电路较为简单，并且产量高，成本低。
3. 2. 1 LED结构 发光二极管常分为三种类型，它们是面发光二极管、边发光二极管、超辐射发光二极管。 1. 面发光二极管 图3. 2 3.2.1 LED结构 发光二极管常分为三种类型，它们是面发光二极管、边发光二极管、超辐射发光二极管。 1. 面发光二极管 图3.2.1示出了面发光SLED（Surface Emitting）二极管的典型结构。它由N－P—P双异质结构成。这种LED发射面积限定在一个小区域内，该区域的横向尺寸与光纤尺寸相近。利用腐蚀的方法在衬底材料正对有源层的地方腐蚀出一个凹陷的区域，使光纤与光发射面靠近，同时，在凹陷的区域注入环氧树脂，并在光纤末端放置透镜或形成球透镜，以提高光纤的接收效率。面发光二极管输出的功率较大，一般注入100mA电流时，就可达几个毫瓦，但光发散角大，水平和垂直发散角都可达到120°，与光纤的耦合效率低。 图3.2.1 面发光二极管的结构
2. 边发光二极管 图3.2.2示出了边发光ELED（Edge Emitting）二极管的典型结构。 边发光二极管，也采用了双异质结结构。利用SiO2掩模技术，在P面形成垂直于端面的条形接触电极(约40~50μm)，从而限定了有源层的宽度；同时，增加光波导层，进一步提高光的限定能力，把有源区产生的光辐射导向发光面，以提高与光纤的耦合效率。其有源层一端镀高反射膜，另一端镀增透膜，以实现单向出光。在垂直于结平面方向，发散角约为30°，具有比面发光二极管高的输出耦合效率。 图3.2.2 边发光二极管的结构
3. 超辐射发光二极管 超辐射发光二极管SLD（Superluminescent Diodes）是一种介于激光二极管LD和发光二极管LED之间的半导体光源，它的出现和发展是受到光纤陀螺的驱动，对它的要求是有高的功率输出并有宽的光谱宽度。图3.2.3是超辐射发光管的结构示意图。可以看出，它的结构大体上与激光器的结构相似。除了条形金属接触部分没有扩展到二极管芯片整个长度外，其他部分的长度与条形激光器相同。这种结构的目的是使得SLD既有很高的输出功率而又不产生激射振荡，因为要使输出功率增加，最简单办法是增大注入电流，但是，过高的注入电流可能会导致激射振荡。非泵浦的后尾部区域是后向光波的吸收体，仅有前向光波被放大。 目前，超辐射发光二极管在光纤通信中的应用还比较少。 图3.2.3 超辐射发光二极管的结构
除了上面介绍的几种发光二极管外，还有高速发光二极管。对于诸如局域网(LAN)和类似短距离网络系统(如计算机数据线路)应用而言，系统设计者总是希望使用LED，而不愿使用激光二极管LD，其原因是LED除有低成本外，还具有高的温度稳定性、高的可靠性、宽的工作温度范围、低的噪声和简单的控制电路等优点。但是，LED的窄带宽和进入光纤的光功率又限制它在上述短距离、大容量系统中的应用。研究、开发出工作于数百兆比特每秒到数吉比特每秒速率的LED和相应的驱动电路，将会对短距离电话用户环路和局域网数据光纤系统带来极大的方便性和经济性，特别是对即将到来的宽带综合业务数字网络具有更大的吸引力。目前已有直接调制速率可达到300Mb/s以上的高速LED产品问世。
3. 2. 2 LED特性 作为光通信系统中所用的光源，我们所关注的发光二极管的技术指标包括发光效率、光谱特性、P-I特性、调制特性等。 1 3.2.2 LED特性 作为光通信系统中所用的光源，我们所关注的发光二极管的技术指标包括发光效率、光谱特性、P-I特性、调制特性等。 1. 光谱特性 由于LED没有光学谐振腔以选择波长，所以它的光谱是以自发发射为主的光谱，发光谱线较宽。图3.2.4(a)为一典型1.3µm LED的光谱曲线。光谱曲线上发光强度最大时所对应的波长称为发光峰值波长λP，光谱曲线上两个半光强点对应的波长差Δλ称之为LED谱线宽度(简称谱宽)，它是一个与温度T和波长λ有关的量 （3.2.1） 式中，c为光速，h为普朗克常数（h=6.625×10－34J·S）。由上式可见，谱宽随辐射波长λ的增加按λ2增加。一般短波长GaAIAs/GaAs发光二极管的谱线宽度约为10～50 nm，长波长InGaAsP/InP发光二极管的谱线宽度约为50～120nm。 发光二极管的谱线宽度反映了有源层材料的导带与价带内的载流子分布。线宽随有源层掺杂浓度的增加而增加。面发光二极管一般是重掺杂，而边发光二极管为轻掺杂，因此面发光二极管的线宽就较宽。而且，重掺杂时，发射波长还向长波长方向移动。另外，温度的变化会使线宽加宽，载流子的能量分布变化也会引起线宽的变化。 λp 1 波长（μm） 相 对 功 率 λ1 λ2 1.20 1.35 0.5 图3.2.4 发光二极管的光谱曲线
2. P-I特性 发光二极管的P—I特性是指输出的光功率随注入电流的变化关系。为了便于比较起见，图3. 2 2. P-I特性 发光二极管的P—I特性是指输出的光功率随注入电流的变化关系。为了便于比较起见，图3.2.5将各种发光管的注入电流与输出光功率的关系曲线都表示在一个图中。由图可见，面发光器件的功率较大，但在高注入电流时易出观饱和；而边发光器件的功率相对较低，但线性度较好；超辐射器件的P—I特性类似于激光器的曲线，但是没有明显的拐点，即没有阈值电流。一般而言，在同样的注入电流下，面发光二极管的输出光功率要比边发光二极管大2.5～3倍，这是由于边发光二极管受到更多的吸收和界面复合的影响。 100 边发光二极管 P (mW) I (mA) LD 面发光二极管 超辐射发光二极管 200 1 2 3 图3.2.5 发光二极管的P－I特性
在通常应用条件下，LED的工作电流为50～150mA，输出功率为几个毫瓦，但因其与光纤的耦合效率很低，入纤功率要小得多。 温度对发光二极管的P—I特性也有影响，对于面发光二极管，有 （3.2.2） 式中T0是器件的特征温度。当温度升高时，同一电流下的发射功率要降低，但与LD比较起来，发光二极管的温度特性相对较好，在实际应用中，一般可以不加温度控制。 3. 调制特性 在规定的正向偏置工作电流下，对LED进行数字脉冲或模拟信号电流调制，便可实现对输出光功率的调制。LED有两种调制方式，即数字调制和模拟调制，见图3.2.6。 图3.2.6 发光二极管的调制原理图
调制频率或调制带宽是光通信用LED的重要参数之一，它关系到 LED在光通信中的传输速度大小，LED因受到有源层内少数载流子寿命的限制，其调制的最高频率通常只有几十兆赫兹，从而限制了LED在高比特速率系统中的应用，通常LED的应用主要局限在低带宽和局域网上。调制带宽是衡量发光二极管的调制能力，其定义是在保证调制度不变的情况下，当LED输出的交流光功率下降到低频率值的一半时(3dB)的频率就是LED的调制带宽，它可以表示为 （3.2.3） 式中，τ为载流子的寿命。为了提高带宽，希望缩短载流子的寿命，可以通过增大有源层的掺杂浓度和提高注入少子浓度改善带宽性能，但是带宽的增加却会使得LED输出光功率下降。例如面发射GaAIAs发光管最高功率可达15 mW，而3 dB带宽为17 MHz；当最大调制带宽为1.1GHz时，功率降低至0.2 mW。LED的输出功率与调制带宽的乘积是一个常数 （3.2.4）
3.2.3 LED与光纤的耦合 LED与光纤的耦合是发光二极管应用中的一个重要的实际问题。因为发光二极管的输出光束发散性较大，可利用的光功率很小，这会直接影响光纤通信的中继距离。与LD比较起来，LED与光纤的耦合效率要低得多。一般说来，LD与单模光纤的耦合效率可以达到30％～50％，多模光纤可达70％～90％；而LED与单模光纤的耦合效率非常低，只有百分之几甚至更小，提高LED与光纤的耦合效率是一个很重要的现实问题。 耦合效率定义为入纤的光功率与发光管发出的功率之比，影响耦合效率的主要因素是光源的发散角和光纤的数值孔径。发散角大，耦合效率低；数值孔径大，耦合效率高。此外，光源发光面和光纤端面的尺寸、形状及两者之间的距离都会影响到耦合效率。设光源的半径为rS，光纤的纤芯半径为a，则入纤光功率可按下式计算 式中，NA为光纤的数值孔径，Ps为LED发出的光功率，其中（a）、(b)两式适用于阶跃光纤，(c)式适用于渐变光纤。 （3.2.5）式应用的前提条件是LED与光纤之间介质的折射率n与光纤折射率n1完全匹配，否则入纤功率将减少，减少系数是 （3.2.6）
LED与光纤的耦合一般采用两种方法，即直接耦合与透镜耦合。直接耦合是将光纤端 面直接对准光源发光面进行耦合的方法。当光源发光面积大于纤芯面积时，这是一种唯一有效的方法．这种直接耦合的方法结构简单，但耦合效率低。 当光源发光面积小于纤芯面积时，可在光源与光纤之间放置透镜，使更多的发散光线会聚进入光纤来提高耦合效率。图3.2.7所示为面发光二极管与光纤的透镜耦合，其中图3.2.7 (a)中光纤端部做成球透镜，图3.2.7 (b)中采用截头透镜，图3.2.7 (c)采用集成微透镜。 采用这种透镜耦合后，其耦合效率可以达到10%左右。 图3.2.7 面发光二极管与光纤的透镜耦合
对于发散光束非对称的边发光二极管和半导体激光器可以利用圆柱透镜的方法，如图 3. 2 对于发散光束非对称的边发光二极管和半导体激光器可以利用圆柱透镜的方法，如图 3.2.8(a)、(b)所示。或者利用大数值孔径的自聚焦透镜，其耦合效率可以提高到60％，甚至更高。单模光纤和半导体激光器的耦合可以采用如图3.2.8(c)所示自聚焦透镜或者在光纤端面用电弧放电形成半球透镜的方法。 实际上，许多光源供应商提供的光源都附有一小段光纤，即尾纤，以保证连接总是处于最佳功率耦合状态。 图3.2.8 光源与光纤的透镜耦合
表中上升/下降时间是指当输入脉冲驱动电流时，输出光脉冲从最大值的10％~90％/90％~10％的时间来定义的,它与调制带宽成反比。 表3.3 LED技术参数 有源层材料 类型 辐射波长 （nm） 谱宽 耦合功率 (μW) 正向电流 （mA） 上升/下降时间 （ns） AlGaAs ELED 850 35~65 10~80 60~100 2/2~6.5/6.5 GaAs SLED 40 80~140 100 - 35 10~32 6.5/6.5 InGaAsP 1300 110 10~50 3/3 25 10~150 30~100 1.5/2.5 1550 40~70 1000~7500 200~500 0.4/0.4~12/12 表中上升/下降时间是指当输入脉冲驱动电流时，输出光脉冲从最大值的10％~90％/90％~10％的时间来定义的,它与调制带宽成反比。
3.3 光发射机 3.3.1 模拟光发射机 按照光纤通信系统传输的是模拟信号还是数字信号，可以将它分为模拟传输系统和数字传输系统，采用的光发射机分别称为模拟光发射机和数字光发射机。从对激光器的调制来看，两者采取的调制方式分别是模拟调制和数字调制，见第1章图1.2.2。 模拟系统对其中光源的线性度要求较高，所以非线性补偿电路是模拟光发射机中的重要功能部件。图3.3.1为用于有线电视传输系统中的光发射机外形，表3.4是其主要技术指标。 模拟光发射机的指标主要有：载噪比CNR、复合二阶失真CSO和复合三阶差拍CTB，它们反映了光发射机的非线性失真特性，我们将在第6章中进行具体介绍。 光发射机一般通过微处理系统自动调整光功率输出（APC），自动调整制冷电流（ATC）以保证激光器最佳工作环境，自动调制度调整（AMC）功能，输入电平改变时，调制度自动调整到最佳值；调制度的意义也将在第6章中介绍。图3.3.1中前面板LCD可实时显示和监控激光器的光输出功率、工作电流、内部温度、调制度、制冷状态，在后面板上设有RS-232工业接口，便于网络的升级与管理。 图3.3.1 模拟光发射机外形（宇成鹏展科技有限公司提供）
表3.4 模拟光发射机技术指标 类别 测试项目 性能指标 光 特 性 光波长（nm） 1310±20 光功率（mw） 2、4、6、8、10、12、14、16、18、20 CNR(dB) 51 CTB(dBc) －65 CSO(dBc) －60 连接器 FC/APC 射 频 频率范围（MHz） 47—750、47—860 输入阻抗（Ω） 75 控制范围(dB) ±3/±0.3 输入反射损耗(dB) ≥14、 ≥12 输入电平(dBμV) 80±5 带内平坦度(dB) ±0.75、±1
3.3.2 数字光发射机 在第1章中，我们已经了解到光发射机的主要功能部件有驱动电路、自动功率控制电路、温度控制电路等，对于数字光发射机，电形式的数字信号通过输入接口后，必须经过码型变换，将普通的二进制双极性信号转换成适合在光纤中传输的码型信号，然后送至驱动电路，完成这一功能的部件称为线路编码单元，见图3.3.2。 图3.3.2 数字光发射机的组成
（1）线路编码单元 数字光纤传输系统中常采用的码型是5B6B和插入码。 5B6B是将输入的码流分成5比特为一组，然后把每组编成6比特输出。通过这样的方式，可以达到平衡码流、避免码流中出现长连“0”和连“1”码，使码流中的时钟易于提取。5B为一组，共有32个状态；6B为一组，共有64个状态。要在64个状态中选出32个代替5B的状态对应，选择的方法很多，原则是使“0”和“1”的分布比较均匀。表3.5示出了一种编码方案。 输入码字（5B） 输出码字（6B） 模式1 模式2 00000 110010 16 10000 110001 1 00001 110011 100001 17 10001 111001 010001 2 00010 110110 100010 18 10010 111010 010010 3 00011 100011 19 10011 010011 4 00100 110101 100100 20 10100 110100 5 00101 100101 21 10101 010101 6 00110 100110 22 10110 010110 7 00111 100111 000111 23 10111 010111 010100 8 01000 101011 101000 24 11000 111000 011000 9 01001 101001 25 11001 011001 10 01010 101010 26 11010 011010 11 01011 001011 27 11011 011011 001010 12 01100 101100 28 11100 011100 13 01101 101101 000101 29 11101 011101 001001 14 01110 101110 000110 30 11110 011110 001100 15 01111 001110 31 11111 001101
插入码是把输入的二进制原始码流分成m比特一组，然后在每组mB码的末尾插入一个码，根据该插入码的用途，可以分成mB1C、mB1H和mB1P。 mB1C中C码称为补码，它实际上是第m位的补码，如果第m位为“1”，则补码为“0”，反之为“1”。mB1H 中的H称为混合码，它可以用于在线误差检测、区间通信或者是帧同步、公务、数据、监测等信息的传送。mB1P中的P码是奇偶校验码，当m位码内“1”的个数为奇数时，则P码为“1”，反之为“0”。 输入数据的码型变换可以由编码器实现。由于对激光器的驱动必须是串行的数据脉冲，所以编码器的最后输出需将并行数据转换成串行形式。
（2）驱动电路 驱动电路的形式很多，图3.3.2为一种LED驱动电路的原理图。当数字信号为“0”，即uin为低电平时，三极管T截止，LED中没有电流流过，因此不发光；当数字信号为“1”， uin为高电平，三极管T饱和导通，LED中有电流流过，所以发光。可见LED的光输出反映了输入数字信号的变化。TLED+Uccuin 图3.3.3为LD的常用驱动电路。其工作原理如下：T2管的基极加一个固定电压UB，输入数字信号电压uin加在T1管的基极，当uin为高电平“1”时，uin>UB，T1管导通，T2管截止，LD无光输出；依此类推，LD在uin为低电平时将输出光信号。通过控制UB的大小，可使三极管工作在非深度饱和和深度截止状态，从而缩短开关转换时间，实现高速率的调制。 T LED +Ucc uin T1 LD uin UB -UEE T2 图3.3.2 LED驱动电路 图3.3.3 LD驱动电路
目前，数字光发射机的产品常以光发射模块的形式出现，线路编码单元通常不作为光设备的一个组成部分包括在其中，随着现代通信的发展，为了方便使用，将光发射和光接收的功能做在同一块芯片上，称为光收发合一模块。表3.6示出了工作波长为1550nm 、应用于2.5Gb/s SDH STM-16光纤传输系统、最长传输距离120km的光发射模块的技术指标，其中的输出光功率是指在当发射机发送伪随机序列信号时，在它输出端所测得的平均功率；消光比是表示数字信号为“1”时与表示数字信号为“0”时平均光功率之比。 参数 范 围 传输速率（Mb/s） 2488.32 中心波长（nm） 1535～1565 输出光功率（dBm） ≥-4 谱宽（nm，－20dB） < 0.3 边模抑制比 (dB) > 30 消光比(dB) > 8.2 功耗 (W, @25℃) < 4 波长变化 (nm,DWDM特定波长) < 0.16 使用温度(℃) 0～60 电源 (V) ±5.0
3.4 外调制器 3.4.1 外调制器特点和类型 光源采用直接调制方式时，由于带宽受半导体光源的振荡频率的限制和光源啁啾效应的存在，使得这种方式无法应用在2.5Gb/s以上的高速率光纤通信系统中。此时，必须使用外调制器。图3.4.1为外调制光发射机的基本组成。电信号不再是直接加在激光二极管光源上，而是加在外调制器的电极上，从而把来自激光二极管的连续光波转换成为一个随电信号变化的光输出信号。 外调制下的光源是在直流状态下工作，因而避免了激光器的啁啾效应。 激光器 外调制器 驱动器 已调制光信号 未调制光信号 电信号 图3.4.1 外调制光发射机的基本组成
常用的外调制器类型有：马赫－曾特（M-Z）型电光强度调制器；多量子阱电吸收MQW－EA（Electroabsorption）调制器。 1 常用的外调制器类型有：马赫－曾特（M-Z）型电光强度调制器；多量子阱电吸收MQW－EA（Electroabsorption）调制器。 1. M-Z型电光强度调制器 图3.4.2是M-Z型调制器结构示意图。它用铌酸锂晶体LiNbO3制成，其中的光波导是在晶体上用钛扩散技术制作。电信号加到如图所示的电极上，来自激光器的连续波输入到调制器的左端，然后被均匀地分配到两个臂中，经过电信号的调制后从右端输出。 M-Z型电光强度调制器的转移特性可表示为 （3.4.1） 式中，PS是入射光功率，Le是附加损耗，Vπ称作半波电压，它取决于调制器材料和尺寸，V是调制电信号，φb称为配置相位，它取决于波导结构。图3.4.3画出了调制器P—V归一化关系曲线，由图可见，输出光与调制电压在一定范围内呈现线性的关系。 0.5 归一化 功 率 1 V 调制电压 输出光功率 Vπ/2 Vm 图3.4.3 P—V调制曲线 图3.4.2是M-Z型调制器结构
2. 多量子阱电吸收MQW－EA调制器 多量子阱电吸收MQW－EA调制器可将外调制器与激光器DFB集成为一体，体积小，制造成本低，它避免了M-Z型调制器的主要缺点，M-Z型调制器要求较高的调制电压（10V），并且有较大的插入损耗。 该调制器工作过程是这样的：由DFB激光器辐射的连续光波穿过由半导体材料构成的波导管。当不加电压时，因为波导管的截止波长小于入射光的波长，所以DFB激光器发射的光可顺利穿过波导管；当加上调制电压后，波导材料的禁带宽度Eg变小，因而截止波长增大，波导材料开始吸收人射光，也即电场对光的作用等效成一个衰减器。转移特性表示为 （3.4.2） 式中，V是调制电压，α是和调制器的结构有关，对于MQW型，该值在2～4之间，P0为调制电压为零时的输出光功率，V0为常数。 光纤通信系统对调制的要求是：高的调制速率和宽的调制带宽；低的驱动电压；低的插入损耗；高消光比。
3.4.2 外调制器工作原理 外调制器通常是基于晶体的电光、声光、磁光等效应或者晶体对光频的吸收作用工作的。以晶体的电光效应为例，当把电压加到晶体上的时候，将使晶体的折射率发生变化，结果引起通过该晶体的光波特性发生变化，晶体的这种性质称为电光效应。 图3.4.4示出了LiNbO3波导相位调制器的结构，条形波导是通过在x切割的LiNbO衬底上用钛扩散技术制造的宽9、长l cm形成的，调制电场E加在z方向，产生的折射率变化为 (3.4.3 ) 式中，LiNbO3晶体的参数为：。调制电场为调制信号电压，d为电极间的距离。传输光波在波导中产生的相位变化为 （3.4.4） 式中，L为波导长度，称为半波电压 (3.4.5) 由于条形波导的L／d很大，使得半波电压大大下降。对于图（3.4.4）所示的相位波导调制器，调制电极间距8，半波电压仅为0.85V。在相位匹配的行波状态下，调制带宽达5 GHz。 LiNbO晶体端面进行增透处理，单模尾纤用V型槽和UV环氧树脂粘胶。在波长为1550 nm时，光纤—波导—光纤的TE模插入损耗仅1.8dB。 图3.4.4 LiNbO波导相位调制器
因为相位调制信号的解调比较困难，所以在目前的光纤通信系统中，多采用强度调制／直接检测方式。M-Z型电光强度调制器和多量子阱电吸收MQW－EA调制器是目前高速通信系统中的优选器件之一。对于M-Z型调制器，两臂各自的相对相位延迟分别为 （3.4.6） （3.4.7） 两束光在输出端产生干涉，从而可得到如（3.4.1）式的功率关系。
3. 4. 3 外调制器技术指标 外调制器常用的技术指标有： 1. 调制深度 调制深度ηI的定义为. （3. 4 3.4.3 外调制器技术指标 外调制器常用的技术指标有： 1. 调制深度 调制深度ηI的定义为 （3.4.8） 式中，I为调制波光强，I0为不加调制信号时的光强，Im为加最大调制信号时的光强。 2. 调制指数 调制指数ηφ的定义为 （3.4.9） 式中，为导模在外电场作用下产生的折射率增量，d为电极长度。 3. 半波电压 半波电压定义为调制指数为π时的调制电压。 4. 调制带宽 调制带宽定义为 （3.4.10） 式中，R是调制器等效电路中与电容C并联的负载电阻，C是调制器的集总电容，包括电极、连接器和引线电容，但主要由电极电容确定。当R=50Ω,C=2pF时，GHz。 外调制器的技术指标还有最大调制频率、单位带宽驱动功率、插入损耗和消光比等。 M-Z型电光强度调制器的调制深度可达80％，半波电压约3.6V，调制带宽可达17GHZ，功耗35μW/MHz。 表3.7列出了工作速率为10Gb/s LiNbO调制器的技术指标。
表3.7 LiNbO调制器技术指标 参数 范围 单位 光 学 参 数 工作波长 1535～1565 nm 插入损耗 <5 dB 消光比 >12 反射损耗 >-40 射 频 带宽 >8 GHz Vπ@ DC >5.5V 上升/下降时间 <50 ps 偏 置 <8 V 阻抗 >1000 Ω
本章小结 光源LD和LED是光纤通信系统的关键器件。LD基于光的受激辐射机理。LD发光必须满足一定的阈值条件，主要参数有谱宽、P－I特性，根据其光谱的形状，LD有单纵模和多纵模之分，由于LD可以发出单色、定向性好和强度高的相干光，在长途光纤通信系统中得到了广泛的应用。新型的激光器－分布反馈激光器、量子阱激光器和垂直腔面发射激光器也在很多场合得到了普及。 LED基于光的自发辐射机理。主要类型有面发光二极管和边发光二极管。LED的谱宽较宽，在低速率的数字通信和较窄带宽的模拟通信系统中，LED是可以选用的最佳光源。由于LED的辐射角较大，存在着与光纤耦合的问题。 光发射机的主要参数有，在应用中应根据场合合理选用。 外调制器主要用在高速光纤通信系统中，它基于晶体的电光、声光、磁光等效应或者晶体对光频的吸收作用工作。对于电光晶体，晶体的折射率随着调制电压的变化而变化，从而引起通过该晶体的光波特性发生变化。由于激光器工作在直流状态，所以消除了光源啁啾。常用的类型是M-Z型电光强度调制器；多量子阱电吸收MQW－EA调制器。