1
第五章 光源与光发送机
5.1 半导体光源的物理基础
5.2 半导体光源的工作原理
5.3 光源的工作特性
5.4 光 发 送 机
5.5 驱动电路和辅助电路
2
5.1 半导体光源的物理基础
5.1.1 孤立原子的能级和半导体的能带
1.
原子是由原子核和围绕原子核旋转的电子构成 。 围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值,只能取特定的离散值,这种现象称为电子能量的量子化 。
3
2.
在单个原子中,电子是在原子内部的量子态运动的 。
当大量原子结合成晶体后,邻近原子中的电子态将发生不同程度的交叠,原子间的影响将表现出来 。 原来围绕一个原子运动的电子,
现在可能转移到邻近原子的同一轨道上去,晶体中的电子不再属于个别原子所有,它们一方面围绕每个原子运动,同时又要在原子之间做共有化运动,如图 5-1所示 。
4
图 5-1 晶体中电子的运动
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5
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。
晶体的主要特征是它们的内部原子有规则地、
周期性地排列着。做共有化运动电子受到周期性地排列着的原子的作用，它们的势能具有晶格的周期性。因此，晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同而分裂若干组。每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带，成为能带，
如图 5-2所示。
内层电子态之间的交叠小，原子间的影响弱，
分成的能带比较窄；外层电子态之间的交叠大，
原子间的影响强，分成的能带比较宽。
6
图 5-2 晶体中的能带
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7
锗、硅和砷化镓 GaAs 等一些重要的半导体材料，都是典型的共价晶体。在共价晶体中，每个原子最外层的电子和邻近原子形成共价键，整个晶体就是通过这些共价键把原子联系起来。
在半导体物理中，通常把这种形成共价键的价电子所占据的能带称为价带，而把价带上面邻近空带（自由电子占据的能带）称为导带。导带和价带之间，被宽度为 Eg的禁带所分开，如图 5-
3所示。 原子的电离以及电子与空穴的复合发光等过程，主要发生在导带和价带之间。
8
图 5-3 导带和价带
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9
2.
抛物线导带和价带是半导体材料典型的能带结构。价带和导带是我们最感兴趣的两个能带，原子的电离和电子与空穴的复合发光等过程，主要发生在价带和导带之间，
当导带 (能级 E2)被电子占据，价带 (能级 E1)是空的，即被空穴占据时才能发生自发发射。电子在导带和价带的占据几率由费密一狄拉克分布给出式中 Efc和 Efv是费密能级。
1
11
1
22
]}/)e x p [ (1{)(
]}/)e x p [ (1{)(
kTEEEf
kTEEEf
fvv
fcc
10
5.1.2
1.
处于高能级的电子状态是不稳定的,
它将自发地从高能级 (在半导体晶体中更多是指导带的一个能级 )运动 (称为跃迁 )到低能级 (在半导体晶体中更多是指价带的一个能级 )与空穴复合,同时释放出一个光子 。
由于不需要外部激励,所以该过程称为自发辐射 。
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11
根据能量守恒定律,自发辐射光子的
hν12=E2-E1
式中,h 为 普 朗 克 常 数,其值为
6.626× 10-34J·s； ν12为光子的频率； E2为高能级能量； E1为低能级能量 。
12
2.
在外来光子的激励下,电子从高能级跃迁到低能级与空穴复合,同时释放出一个与外来光子同频,同相的光子 。 由于需要外部激励,所以该过程称为受激辐射 。
3.
在外来光子激励下,电子吸收外来光子能量而从低能级跃迁到高能级,变成自由电子 。
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13
5.1.3
1.
在热平衡状态下,高能级上的电子数要少于低能级上电子数 。
14
2.
为了使物质发光,就必须使其内部的自发辐射和 /或受激辐射几率大于受激吸收的几率,这一点我们已经在介绍光与物质的相互作用过程中提及过 。
有多种方法可以实现能级之间的粒子数反转分布状态,这些方法包括光激励方法,电激励方法等 。
15
5.2 半导体光源的工作原理
5.2.1 PN结的形成及其能带结构
1,PN
半导体光源的核心是 PN结,将 P型半导体和 N型半导体相接触就能形成 PN结 。
而 P型半导体和 N型半导体是通过向半导体掺入杂质而制成,杂质原子与半导体原子相比有过剩的价电子或过少的价电子 。
16
对 N型半导体,过剩电子占据了未掺杂 (本征 )
半导体中空的导带,占据几率由费密一狄拉克分布决定 。
对本征半导体费密能级位于带隙中间,价带中所有位置都由电子填充 (黑圆点 ),而导带中所有位置都空着,如图 5.3(a)所示 。
当杂质浓度增大时，费密能级向导带移动，
对重掺杂 N型半导体，费密能级位于导带内，这样的半导体称为兼并型 N型半导体，如图 5.3(b)所示。
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类似地对 P型半导体，费密能级 Efv向价带移动，并在重掺杂时位于价带内，称为兼并型 P型半导体．如图 5,3(c)所示。
在非热平衡状态时，价带中载流子分布与兼并型 P型半导体的分布相似，而导带中则与兼并型 N型半导体分布相似，称为双兼并型半导体，如图 5。 3(d)所示。
简并型 P型半导体，费米能级 Ef会进入价带，如图 5-4(a)所示； 简并型 N型半导体，
费米能级 Ef会进入导带，如图 5-4(b)所示。
18
图 5,3半导体材料载流子分布
(a)本征半导体； (b)兼并型 N型半导体； (c)兼并型 P型半导体； (d)双兼并型半导体。
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图 5-4(a) P型半导体能带图 ------图 5-4(b) N型半导体能带图
20
在空间电荷区里，电场的方向由 N区指向 P区，这个电场称为,自建场,。在自建场作用下，载流子将产生漂移运动，漂移运动的方向正好与扩散运动相反，开始时扩散运动占优势，但随着自建场的加强，漂移运动也不断加强，最后漂移运动完全抵消了扩散运动，达到平衡状态。
当在 PN结上加正向电压时，外加场的方向正好与自建场的方向相反，削弱了自建场的作用，打破了原来的动态平衡，扩散运动超过了漂移运动,P区空穴将通过
PN结不断流向 N区,N区的电子亦流向 P区，形成正向电流，并通过自发发射或受激发射复合和发光。
当 PN结加上反向电压时，外电场与自建场相同，电子和空穴将背离 PN结面移动，空间电荷区变宽，区内电子和空穴都很少，变成高阻层，因而反向电流很小,PN
结呈现单向导电特性。
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图 5,7 PN结空间电荷区的形成及载流子导向
22
1,PN
以图 5.8 (a)所示兼并型 P型和 N型半导体形成的 PN结为例进行讨论，图中阴影部分表示主要由电子占据的能带。
图 5.8(b)表示热平衡状态下 PN结的能带，
由于一个热平衡系统只能有一个费密能级，
这要求原在 P区和 N区高低不同的费密能级达到相同的水平。
23
如果 N区的能级位置保持不变，则 P区的能级应提高，从而使 PN结的能带发生弯曲。能带是用于描述电子能量的,PN结能带的弯曲正反映空间电荷区的存在。
在空间电荷区中，自建场从 N区指向 P区，
说明 P区相对 N区为负电位，用 -VD表示，称为接触电位差，或称 PN结势垒高度,P区所有能级的电子都附加了 e VD的位能，从而使 P区的能带相对 N区提高了 e VD,同时 e VD =Efc-Efv。
图中能带倾斜部分直接表明空间电荷区中电位的变化。
24
图 5,8 PN结的能带结构
(a)由电子占据的能带；
(b)热平衡状态下 PN结的能带；
(c)PN结加上正向电压时的能带。
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25
图 5.8(c)示出 PN结上加正向电压时的能带图，
正向电压 V削弱了原来的自建场，使势垒降低。
若 N区能带保持不变，则 P区的能带下移，下降值应为 eV。
一般 V< VD,在这种非热平衡状态下，费密能级也发生分离，正向电压破坏了原来的平衡，
引起每个区域中的多数载流子流向对方,P区和
N区内的少数载流子比平衡时增加了，这些增多的少数载流子称为“非平衡载流子”，其统计分布仍可用费密分布描述，但这时的费密能级应为准费密能级，我们用准费密能级 Efc描述电子的统计分布，用准费密能级 Efv描述空穴的统计分布，
并有关系式,Efc-Efv =e0V。
26
对于 P区，空穴是多数载流子 Efv,变化很小，基本上与平衡态下的费密能级差不多。
进入 N区，空穴是少数载流子,Efv在 N
区是倾斜的，表明空穴分布不均匀,而处于向 N区扩散的运动中，并在扩散过程中不断与
N区的电子复合而减小，直至非平衡载流子完全复合完为止。
在离开 PN结一个扩散长度后，载流子浓度又回复到原来的平衡状态,Efv与 Efc重合，
变成统一的费密能级。
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当正向电压 (或注入电流 )加大到某一值后，准费密能级 Efv与 Efc的能量间隔大于禁带宽度，即 eV>Eg,则由图 5,8(c)可见，
PN结里出现了增益区 (也叫 有源区 )。
在 Efv和 Efc 之间价带主要由空穴占据，
而导带主要由电子占据，即实现了粒子数反转，这个区域对能量满足 Eg<υ <eV的光子有放大作用，半导体光发射就发生在这个区域。
28
这也就是说,
1.当 PN结加上正向偏压时，外加电压的电场方向正好和内建场的方向相反，因而削弱了内建电场，破坏了热平衡时统一的费米能级，在 P区和 N区各自形成了准费米能级。
2.这时，导带上费米能级以下充满了电子，价带上费米能级以上没有电子，因此，
形成了粒子数反转分布，成为激活区，称为半导体激光器的作用区或有源区。当频率 f满足 F>Eg/h的光通过时,就可以得到放大。
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29
3,PN
PN结半导体激光器是用 PN结作激活区，用半导体天然解理面作为反射镜组成光子谐振腔，外加正向偏压作为泵浦源。
外加正向偏压将 N区的电子,P区的空穴注入到 PN结，实现了粒子数反转分布，即使之成为激活物质（ PN结为激活区）。
在激活区，电子空穴对复合发射出光。初始的光场来源于导带和价带的自发辐射，方向杂乱无章，其中偏离轴向的光子很快逸出腔外，沿轴向运动的光子就成为受激辐射的外界因素,使之产生受激辐射而发射全同光子。
这些光子通过反射镜往返反射不断通过激活物质，使受激辐射过程如雪崩般地加剧，从而使光得到放大。在反射系数小于 1的反射镜中输出，这就是经受激辐射放大的光 。即 PN结半导体激光器产生激光输出的工作原理。
30
5.2.2 发光二极管的工作原理半 导 体发 光 二极 管 ( Light-emitting
Diode,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。
31
发光二极管利用正向偏压下的 PN结在激活区中载流子的复合发出自发辐射的光，因此 LED的出射光是一种非相互光，
其谱线较宽 (30mm～ 60mm),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。
32
1.
按照器件输出光的方式,可以将发光二极管分为三种类型结构：表面发光二极管 (SLED),边发光二极管 (ELED)及超辐射发光二极管 。
光纤通信中获得了广泛应用的只有两种,即面发光二极管和边发光二极管 。
SLED的典型结构如图 5—9所示 。
33
图 5.9 SLED的典型结构如所示
Led.swf
34
ELED 结构图,
双异质结生长在二极管顶部的 nGaAs衬底上，
PGaAs有源层厚度仅 lμm ～ 2μm,与其二边的
nAlGaAs和 pGaAs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部位形成一个凹坑，使光纤能直接靠近有源区。在 P+--AlGaAs侧用 SiO2掩膜技术形成一个圆形的接触电极，从而限定了有源层中源区的电流密度约 200A/cm2 。
这种圆形发光面发出的光辐射具有朗伯分布。
为了提高耦合效率，可在发光面与光纤之间形成微透镜，从而使入纤功率提高 2—3倍。
Eled.swf
35
图 5.10 ELED 结构图这种结构的目的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。
36
2.
LED的工作原理可以归纳如下：当给
LED外加合适的正向电压时,Pp结之间的势垒 (相对于空穴 )和 Np结之间的势垒 (相对于电子 )降低,大量的空穴和电子分别从 P
区扩散到 p区和从 N区扩散到 p区 (由于双异质结构,p区中外来的电子和空穴不会分别扩散到 P区和 N区 ),在有源区形成粒子数反转分布状态,最终克服受激吸收及其他衰减而产生自发辐射的光输出 。
37
5.2.3 激光二极管的工作原理在结构上,半导体激光二极管 (Laser Diode，
LD)与其他类型的激光器是相同的,都主要由三部分构成：激励源,工作物质及谐振腔 。
半导体激光器是利用在有源区中受激而发射光的光器件 。 只有在工作电流超过闻值电流的情况下,才会输出激光 (相干光 ),因而是有阈值的器件 。
38
1.
(1)
LD的结构如图 5—11所示 。
半导体激光器的结构与半导体发光二极管的结构类似 。 通常也是由 P层,N层和形成双异质结构的有源层构成 。 和 LED所不同的是,在有源层的结构中还具有使光发生振荡的谐振腔 。 双异质结半导体激光器粒子数反转分布的形成过程与前面所述
LED情况大致相同 。
39
图 5—11 LD的结构
40
半导体激光器发光利用的是受激辐射原理。受激辐射发光现象是：处于粒子数反转分布状态的大多数电子，在受到外来入射光于激励时同步发射光子的现象，也就是说受激辐射的光子和入射光子，不仅波长相同而且相位、方向也相同 ——同态光子 。
这样，由弱的入射光激励而得到了强的出射光，起到了光放大作用。
41
但是仅仅有放大功能还不能形成振荡，必须要有正反馈才行。为了实现光的放大反馈，需要采用使光来回反射的光学谐振腔。最基本的光学谐振腔是由两块互相平行的反射镜构成，称之为法布里一珀罗谐振腔。
半导体激光器就是在垂直于 PN结的两个端面，按晶体的天然解理面切开而形成相当理想的反射镜面。 光在谐振腔中的两个反射镜面之间往复反射。其中一个是全反射镜面，另一个是部分反射镜面，这样谐振腔内的光能由该镜面透射出来，形成输出激光。
激光器模型如 Flash所示。
42
在双异质结构的 LD中,通常采用具有横模限制作用的激光二极管结构,这种激光二极管称为条形激光二极管 (Stripe
Laser Diode,SLD)或窄区激光二极管 。
一种增益波导型激光二极管的类型结构如图 5.12所示,图中虚线之间的部分为电流流经的区域 。
43
图 5.12 一种扩散条形激光二极管
44
一种折射率波导型激光二极管的结构如图 5.13所示。
图 5.13 拱棱波导条形激光二极管
45
(2)
一般地,普通激光二极管只能工作于多纵模状态,其增益峰值附近的数个模式携带着大部分的输出光功率 。
①
在分布反馈 (Distributed Feedback，
DFB)机理激光二极管中,通过谐振腔和具有频率选择反馈功能的光栅共同完成反馈作用 。
46
分布反馈 （ DFB） 型激光器是随着集成光学的发展而出现的,由于其动态单模特性和良好的线性,已在国内外高速率数字光纤通信系统和 CATV模拟光纤传输系统中得到广泛的应用 。
1,DFB激光器的结构
DFB激光器结构上的特点是：激光振荡不是由反射镜面来提供,而是由折射率周期性变化的波纹结构 （ 波纹光栅 ） 来提供,
即在有源区的一侧刻有波纹光栅,如图 5-
14所示 。
47
图 5-14 DFB激光器结构
48
2,DFB激光器的工作原理
DFB激光器的基本工作原理，可以用布拉格
（ Bragg） 反射来说明。
波纹光栅是由于材料折射率的周期性变化而形成，它为受激辐射产生的光子提供周期性的反射点，
在一定的条件下，所有的反射光同相叠加，产生激光振荡，使激光器具有极强的波长选择性，实现了发光波长的单纵模工作。
如图 5-15所示的布拉格 反射，在与反射方向垂直的平面上，各反射波的相位必须相同，因此 布拉格反射波的路程差必须为波导波长的整数倍。即
49
图 5-15布拉格反射原理
50
式中 L为栅距（光栅周期长度）,λ g为波导波长,λ 0为工作波长,ne为波导层的有效折射率,m为正整数。由上式可得：
此即为布拉格反射条件。
DFB激光器的分布反馈是 θ =π/2的布拉格反射,这时有源区的光在栅条间来回振荡。
此时的布拉格条件为：
51
当光栅的周期长度为 L时,只有满足布拉格反射条件波长为 λ 0的光波，才能产生激光振荡，因而使激光器得到单频输出。
由于分布馈激光器是由光栅来选择单纵模，
因而在高速调制下仍维持单纵模输出。
DFB激光器的谱线窄，其线宽大约为普通型激光器线宽的 1/10左右，如图 5-16所示，从而使色散的影响大为降低，可以实现速率为 Gb/s的超高速传输。
52
图 5-16 DFB激光器与普通型激光器比较
53
② 耦合腔激光二极管模式选择也可以采用耦合腔结构实现,
其基本机理为：虽然两个谐振腔具有各自不同的振荡纵模,但是当两个谐振腔放在一起构成耦合腔 (或复合腔 )时,这时只有两个谐振腔中相同的纵模才能成为耦合腔的振荡纵模,再加上增益谱的作用,最终实现了模式选择功能 。
54
在耦合腔半导体激光器中，单纵模工作是通过将光耦合到外光腔实现的，如图 5,17所示，
一部分反射光反馈回激光光腔，因为在外光腔发生相移，从外光腔的反馈不一定与激光器光腔内的光场同相，仅当那些波长几乎与一个外光腔纵模的波长一致的激光模式才能发生同相反馈。
实际上，面对外光腔的激光器的端面的有效折射率变成与波长相关，外腔引入的相位使端反射镜的有效反射率随波长变化，导致激光腔损耗的周期性变化，并导致了如图 5,17所示的损耗曲线，最靠近增益峰值并具有最低光腔损耗的纵模成为主模。
55
图 5-17
耦合腔中的纵模选择
56图 5,18展示了其中的三种种耦合腔方案。
图 5-18 耦合腔激光器结构示意
(a)外腔激光器； (b) C3腔激光器； (c)多段 DBR激光器
57
SLM激光器最简单的设计方案是将半导体激光器发的光耦合到一外光栅，如图 5-18(a)所示。
为了提供强的耦合，可采用增透膜涂层降低面向光栅的解理面的自然反射率，这种激光器称为外光腔半导体激光器。
由耦合腔机制选择的 SLM波长可简单地通过旋转光栅在宽范围调谐，可用于相干通信系统中作为波长可调谐光源。从实用观点看，图 5-18(a)
所示的激光器的缺点是无法集成，光发送机要求的机械稳定性差，然而这种激光器已用于实验室演示，若有合适的封装也可能得到应用。
58
C3激光器是耦合腔激光器的集成设计方案，所谓 C3是解理耦合腔的第一个字母的缩写，如图 5-18 (b)所示，这种激光器的制造是通过将一常规多模激光器在中间解理，使激光器分为长度大至相等的两部分，
并由窄的空气间隙 (宽约 1μ m)分开。
只要间隙不太宽，解理面的反射率
(≈ 30％ )允许两段间有足够的耦合，通过调节注入到作为模式控制器的一个光腔段的电流，就可在约 20nm的调谐范围内调节
C3激光器的波长，但调谐并不连续。
59
采用多节 DFB和 DBR激光器的设计方案，可实现稳定性和可调谐性兼备的 SLM激光器。
图 5-18 (c)展示了一个典型激光器结构，它由三段组成，分别为有源段，相位控制段和布拉格段。
可通过注入不同大小的电流分别偏置，注入到布拉格段的电流导致折射率 n变化，改变布拉格波长。
注入到相位控制段的电流导致折射率面变化，
改变从 DBR反馈的相位。通过控制这三段的电流，
激光波长能在 5～ 7nm范围内连续调节。
由于它的波长由在布拉格段的内建光栅决定，
这种激光器工作稳定，对相干通信系统是很有用的。
60
③ 量子阱激光二极管出现较晚的量子阱 (Quantum Well，
QW)激光二极管,已经在实际系统尤其是相干传输系统和波分复用系统中得到广泛应用 。
④ 波长可调谐单频激光二极管波长可调谐单频激光二极管是波分复用系统,相干光通信系统及光交换网络的关键器件,其主要性能指标包括调谐速度和波长调谐范围 。
61
2.
(1) LD
在结构上,LD与 LED的主要区别是
LD有谐振腔,而 LED没有谐振腔 。
(2) LD
LD的工作原理可以归纳如下：当给
LD外加适当的正向电压时,由于有源区粒子数的反转分布而首先发生自发辐射现象,
62
那些传播方向与谐振腔高反射率界面垂直的自发辐射光子会在有源层内部边传播,边发生受激辐射放大 (其余自发辐射光子均被衰减掉 ),直至传播到高反射率界面又被反射回有源层,再次向另一个方向传播受激辐射放大 。 如此反复,直到放大作用足以克服有源层和高反射率界面的损耗后,就会向高反射率界面外面输出激光 。
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5.3 光源的工作特性
5.3.1 LED
1,P-I
LED的 P-I特性如图 5.19所示 。 就 P-I特性曲线整体而言,由于没有阈值而使 LED具有非常优良的线性 。
发光率随工作电流增大,并在大电流时逐渐饱和 。 LED的工作电流通常为 50mA-100mA,这时偏置电压 1.2 V-1.8 V,输出功率约几 mW。
64
图 5.19 LED的 P-I特性
65
2.
LED的光谱特性如图 5.20所示 。 在图中,λ0为 LED的峰值工作波长 (典型值为
0.85μm,1.31μm和 1.55μm)； Δλ为谱线宽度,其定义为光强度下降到最大值一半时对应的波长宽度 。
66
图 5.20 LED的光谱特性
67
3.
在一级近似和平均工作电流不变的条件下,发光二极管的输出功率与调制信号式中,P (0)是频率为 0时 LED输出的光功率值； τe是有源区少数载流子的寿命 。
68
4.
温度特性主要影响到 LED的平均发送光功率,P-I特性的线性及工作波长 。
工作温度升高时,同样工作电流下
LED的输出功率要下降 。 例如当温度从
20℃ 升高到 70℃ 时,输出功率下降约一半,
相对而言,温度的影响要比 LD小 。
69
5.3.2 LD
1,LD的 P-I
LD的 P-I特性如图 5.21所示 。 就 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。
随着激光器注入电流的增加,其输出光功率增加,但是不成直线关系,存在一个阈值 Ith,只有当注入电流大于阈值电流后,输出光功率才随注入电流增加而增加,便发射出激光；当注入电流小于阈值电流,LD发出的是光谱很宽,相干性很差的自发辐射光 。
70
图 5.21 LD的 P-I特性
71
从 P-I特性还可以引出两个基本参数：
微分量子效率和功率转换效率 。 微分量子效率可以定义为输出光子数的增量与注入电子数的增量之比,表达式为：
式中,ΔP为发送光功率增量,ΔI为驱动电流增量 。 曲线越陡,微分量子效率越大 。
72
功率转换效率定义为输出光功率与消耗的电功率之比,
式中,V是 PN结的正向电压； Rs是 LD
的串联电阻 (包括半导体材料的体电阻和接触电阻 )。
73
2.
LD的光谱特性如图 5.22所示 。 在图中,
λ0为 LED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 。
74
图 5.22 LD的光谱特性
75
3.
在对 LD进行直接调制时,激光二极管的输出功率与调制信号频率的关系为：
式中,P(0)是频率为 0时 LD输出的光功率值； fr为 LD的类共振频率,ζ是 LD的阻尼因子 。
76
4.
P-I的特性随器件的工作温度要发生变化,
当温度升高时,激光器的特性发生劣化,阈值电流也会升高,阈值电流与温度的关系可表示为式中,T0称为器件的特征温度,T和 T0都为绝对温度表示； I0为 T=T0时阈值电流的 1/e。
77
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 。
为了降低温度对 LD的影响,可以采用两种方法：选择温度特性优异的新型 LD,或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 。
78
5.3.3 光源的主要技术指标及
1.
几种国产半导体光源的主要技术指标如表 5.1所示 。
79
80
2.
在没有任何测试仪表或测试手段的情况下,可以通过 PN结的测试来初步判断光源器件的好坏 。
81
5.4 光 发 送 机
5.4.1
1.
光纤通信系统传输的是光信号,作为光纤通信系统的光源,便成为重要的器件之一 。 它的作用是产生作为光载波的光信号,作为信号传输的载体携带信号在光纤传输线中传送 。 由于光纤通信系统的传输媒介是光纤,因此作为光源的发光器件,
应满足以下要求：
82
① 体积小，与光纤之间有较高的耦合效率；
② 发射的光波波长应位于光纤的三个低损耗窗口，即 0.85μm,1.31μm和 1.55μm波段；
③ 可以进行光强度调制；
④ 可靠性高，要求它工作寿命长、工作稳定性好，具有较高的功率稳定性、波长稳定性和光谱稳定性；
⑤ 发射的光功率足够高，以便可以传输较远的距离；
⑥ 温度稳定性好，即温度变化时，输出光功率以及波长变化应在允许的范围内。
83
能够满足以上要求的光源一般为半导体二极管 。 目前全光纤激光器作为一种新型的激光器也有望在光纤通信系统中发挥其作用 。
最常用的半导体发光器件是发光二极管
(LED)和激光二极管 (LD)。 前者可用于短距离,低容量或模拟系统,其成本低,可靠性高；后者适用于长距离,高速率的系统 。
在选用时应根据需要综合考虑来决定,
因此它们都有自己的优缺点和特性,下面就两者的性能作系统的比较 。
84
根据 LED和 LD的性能，在选择光源时应作到技术上合理、经济上合理以及便于应用。
激光二极管 发光二极管
1 输出光功率较大，几 mW一几十 mw。 输出光功率较小，一般仅 1mw一 2mW。
2 带宽大，调制速率高，几百 MHz一几十
GHz。
带宽小，调制速率低，几十一 200MHz。
3 光束方向性强，发散度小。 方向性差，发散度大。
4 与光纤的耦合效率高，可高达 80％以上。 与光纤的耦合效率低，仅百分之几。
5 光谱较窄。 光谱较宽。
6 制造工艺难度大，成本高。 制造工艺难度小，成本低。
7 在要求光功率较稳定时，需要 APC和 ATC。 可在较宽的温度范围内正常工作。
8 输出特性曲线的线性度较好。 在大电流下易饱和。
9 有模式噪声。 无模式噪声。
10 可靠性一般。 可靠性较好。
11 工作寿命短。 工作寿命长。
85图 5-23为波长、通信容量、模式以及通信距离四者之间的定性关系以及光纤通信发展的历程和趋势。
图 5-23波长、通信容量、模式以及通信距离四者之间关系图
86
2.
在光纤通信系统中，由于信息由 LED
和 LD发出的光波携带，因此光发射机主要有调制电路和控制电路组成，如图 5-24所示。
图 5-24 光发射机框图
87
在数字通信中，输入电路将输入的 PCM脉冲信号变换成 NRZ／ RZ码后，通过驱动电路调制光源 (直接调制 )，或送到光调制器调制光源输出的连续光波 (外调制 )。
对直接调制，驱动电路需给光源加一直流偏置；而外调制方式中光源的驱动为恒定电流，以保证光源输出连续光波。
自动偏置和自动温度控制电路是为了稳定输出的平均光功率和工作温度,此外，光发射机中还有报警电路，用以检测和报警光源的工作状态。
88
5.4.2
1.
(1) 按照光源与调制信号的关系分类根据光源与调制信号的关系,可以将光源的调制方式分为直接调制方式和外部 (或间接 )调制方式 。
所谓直接调制方式,是指直接将调制信号施加在光源上来完成光源参数的调制过程 。
89
(2)
根据已调制信号的性质,可以将光源的调制方式分为模拟调制方式和数字调制方式 。
模拟调制方式是指已调制信号属于模拟信号,
这 种 调 制 方 式 主 要 包 括 强 度 调 制 ( Intensity
Modulation,IM) 方式,振幅调制 ( Amplitude
Modulation,AM) 方式,双 边 带 抑 制 载 波
(Double Sideband/Suppressing Carrier,DSB/SC)
调制方式,单边带 (Single Sideband,SSB)调制方式及残余边带 (Vestigial Sideband,VSB)调制方式 。
90
数字调制方式是指已调制信号属于数字信号，这种调制方式主要包括,
幅移键控 (Amplitude-shifted Keying,ASK)调制方式 ;
频移键控 (Frequency-shifted Keying,FSK)调制方式 ;
相移键控 (Phase-shifted Keying,PSK)调制方
91
2.
由于其他调制方式应用极少,因此我们在这里仅仅给出用电场表示的,常用强度调制方式的已调制信号表达式：
式中,KT为与发送光功率有关的正常数； m为调制系数 (0＜ m≤1)； x(t)为归一化幅度的调制信号波形； ωc为光载波角频率,
φ0为初相位 。
92
5.4.3 光发送机的构成及指标
1.
一般地,光发送机主要由光源,驱动电路及辅助电路等构成 。
93
2,
光发送机的指标很多，我们仅从应用
(1)
平均发送光功率又称为平均输出光功率，通常是指光源尾巴光纤的平均输出光功率。
94
(2)
消光比定义为最大平均发送光功率与最小平均发送光功率之比,通常用符号 EX
表示：
若用相对值表示,
95
5.5 驱动电路和辅助电路
5.5.1
1.
一个优良的驱动电路应该满足以下条件：
(1) 能够提供较大的,
(2) 有足够快的响应速度,最好大于光源的
(3) 保证光源具有稳定的输出特性 。
96
2.
能够满足上述要求的,最简单的驱动电路是共发射极驱动电路,如图 5.25所示 。
共发射极驱动电路的工作原理如下所述：当输入数据信号为,0” 时,晶体三极管 VT处于截止状态,LED中没有电流流过,
因此 LED不发光；当输入数据信号为,1”
时,晶体三极管 VT工作于饱和状态,LED
中有较大的电流流过,所以 LED发光 。
97
图 5.25 共射极驱动电路
98
2,LED
在小型模拟或低速、短距离数字光纤通信系统中，可以采用 LED作为系统光源。
但不论那种通信系统，用 LED作光源时，
均采用直接强度调制方式，即通过改变
LED的注入电流调制输出光功率。
下面分别介绍模拟系统及数字系统的驱动电路。
99
(1) LED
图 5-26为对 LED进行模拟调制的原理图 。
连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上,适当选择直流偏置的大小,使静态工作点位于发光管特性曲线线性段的中点,
可以减小光信号的非线性失真 。 调制线性的好坏取决于调制深度 m。 设调制电流幅值为 ΔI,偏置电流 为 IB,则
m=Δ I/IB
100
图 5-26 LED模拟调制原理图
101
LED的数字调制原理图如图 5-27所示。
信号电流为单向二进制数字信号，用单向脉冲电流的,有,,,无,(,1” 码和,0”
码 )控制发光管的发光与否。
模拟系统或数字系统都是通过控制流经发光管电流的办法达到调制输出光功率的目的。
但由于二者功率不同，对驱动与偏置电路也不同，下面分别加以讨论。
102
图 5-27 LED数字调制原理图
103
(2) LED
在模拟系统中，对驱动电路的要求是提供一定的工作点偏置电流及足够的信号驱动电流，以使光源能够输出足够的功率,并使其输出功率随输入信号线性变化,非线性失真小。产生的非线性失真必须低于 -30dB～ -50dB。
但由于 LED本身存在非线性失真，在高质量要求的信号传输中，还需要线性补偿电路。
LED对温度不很敏感，因此驱动电路中一般不采用复杂的自动功率控制 (APC)和自动温度控制 (ATC)电路，较 LD的驱动电路简单得多。
104
图 5-28为一种简单而又具有高速特性的共发射极跨导式驱动器。
它将基极电压转变为集电极电流以驱动发光管。
晶体管工作在甲类工作状态，调整基极偏置，使晶体管和发光管都偏置在各自的线性区，并使静态集电极电流即 LED的偏置电流 IB＝ Im／ m 。
105
图 5-28 LED模拟驱动电路
106
(3) LED
LED的数字驱动电路主要应用于二进制数字信号，驱动电路应能提供几十至几百毫安（ mA）
的,开,,关,电流。码速不高时，可以不加偏置；但在高码速时，需加小量的正向偏置电流，
有利于 保持二极管电容上的电荷。
几种典型的 LED数字驱动电路见图 5-29所示。
(a)简单的共射极饱和开关电路 (b)低阻抗射极跟随式驱动电路 (c)发射极锅台开关式驱动电路
(d)高速 LED驱动电路。
107
图 5-29 LED数字驱动电路
108
图 (a)为晶体管共射驱动电路，晶体管用作饱和开关，提供电流增益 β,其两端的电压降较小，饱和压降 Vcc≈0.3V 。
图 (b)中的达林顿结构因高电流增益,降低了输出阻抗。这一电路可从具有 180pF的电容的发光管上得到 2.5ns的光上升时间，可传输 100Mb
／ s 的数字信号。 但由于发射极输出的负载不是纯电阻,可能使电路发生振荡。 RlCl并联串接于发射极电路，组成发射极跟随电路，提供电压阶跃，以补偿驱动电流开始时,对发光管电容充电所造成的光驱动电流的下降，从而使驱动器可工作在高码速情况下。
109
图 (c)为发射极耦合开关式驱动电路，可传输 300Mb／ s以上的数字信号。 晶体管 Tl和 T2是发射极耦合式开关,T3为恒流源。发光管的驱动电流由恒流源决定。这种电路类似线性差分放大器，实际作开关用。由于它超越了线性范围工作，
输入端过激励时；仍没有达到饱和，所以开关速率更高。
图 (d)为高速 LED驱动电路，当 LED为面发光管时，可传输 2Gb／ s以上的数字信号。该电路的脉冲前后沿为 0.35ns,预偏置为 15mA,电流峰值为 100mW。
110
图 5-30 TTL开关式驱动电路
111
1,LD的驱动电路
(1) LD
由于 LD通常用于高速系统，且是阈值器件，它的温度稳定性较差，与 LED相比，
其调制问题要复杂的多，驱动条件的选择、
调制电路的形式和工艺,都对调制性能至关重要。
图 5-31为对 LD进行模拟调制的原理图。
图 5-32为对 LD进行数字调制的原理图。
112
图 5-31 LD模拟调制原理图
113
图 5-32 LD数字调制原理图
114
(2)
采用直接调制方式时，偏置电流的选择直接影响激光器的高速调制性质。选择直流预偏置电流应考虑以下几个方面：
(1)加大直流偏置电流使其逼近阈值，可以大大减小电光延迟时间,同时使张弛振荡得到一定程度的抑制。
图 5-33为 LD无偏置和有偏置时脉冲瞬态波形和光谱。由图中可以看出，由于 LD 加了足够的预偏置电流，调制电流脉冲幅度较小，预偏置后张弛振荡大大减弱，谱线减少，光谱宽度变窄；
另外，电光延迟的减小，也大大提高了调制速率。
115
图 5-33 LD无偏置和有偏置时脉冲瞬态波形和光谱
116
(2)当激光器偏置在阈值附近时,较小的调制脉冲电流即能得到足够功率的输出光脉冲，从而可以大大减小码型效应。
(3)加大直流偏置电流会使激光器的消光比恶化。所谓消光比，是指激光器在全
,l”码时发送的光功率 (P1)与全,0”码时发射的光功率 (Po)之比，用 dB表示为：
EXP=10lgP1/P0
117
光源的消光比将直接影响接收机的灵敏度，
为了不使接收机的灵敏度明显下降，消光比一般应大于 10dB,如果激光器的偏置电流 IB过大，势必会使消光比恶化，降低接收机的灵敏度。通常取 IB ＝ (0.85～ 0.9)Ith。 驱动脉冲电流的峰 -峰值 Im
一般取 Im十 IB ＝ (1.2～ 1.3) Ith,以避免结发热和码型效应。
结发热效应表现在阈值和输出光功率随结温的变化。稳态时，体现在其输出特性随温度的变化，瞬态时，调制电流 Im的出现也会使结温在阈值时发生一定波动。这种波动也将引起阈值电流和输出光功率发生波动。
118
在电流脉冲持续时间内，结温将随时间 t的增加而增加，而输出光功率却随时间增加而减小；当电流脉冲过后，情况正好相反，结温随 t减小，输出的光功率却随 t
增加，最后达到偏置电流的稳定值。因此，
如果同一连续的脉冲电流去调制激光器，
而且脉冲电流的宽度足够宽，那么由于结的发热效应，光脉冲将出现调制失真。
实验证明,当偏流逼近阈值，并适当选择调制电流幅度，对减小结发热效应是有利的。
119
(4)实验证明，异质结激光器的散粒噪声在阈值处出现最大值，如激光器正好偏置在阈值上，
散粒噪声的影响较严重。
因此，偏置电流的选择，要兼顾电光延迟、
张弛振荡、码型效应、激光器的消光比以及散粒噪声等各方面情况，根据器件特别是激光器的具体性能和系统的具体要求，适当的选择偏置电流的大小。由于激光器的电阻较小，因此激光器的偏置电路应是高阻恒流源。
调制电流幅度的选择，应根据激光器的特性曲线，既要有足够的输出光脉冲功率，又要 考虑到光源的负担。 考虑到某些激光器在某些区域有自脉动现象发生,Im的选择应避开这些区域。
120
(3)
激光器的直接调制电路有许多种，但概括起来有两类,一类是单管集电极驱动电路，另一类是射极耦合开关电路。
图 5-34为单管集电极驱动电路原理图。半导体三极管的输出特性在放大区表现为恒流源，可以用集电极电流驱动光源。
图中 DT为驱动管，当电信号加在 DT基极时，
即可驱动集电极电路中的激光器，使之输出的光功率随信号的变化而变化,DT工作在开关状态。
图 5-35为射极耦合光发送驱动电路。
121
图 5-34 单管集电极驱动电路原理图
122
图 5-35 射极耦合光发送驱动电路
123
图中晶体管 BG2和 BG3为发射极耦合对，组成非饱和电流选择开关。
当 BG2基极电位高于 BG3基极电位时,BG2导通，恒流源的驱动电流 Im全部流过 BG2,故流过 LD的电流为零。
反之,当 BG2基极电位低于 BG3基极电位时,BG3导通，所有驱动电流都通过 LD。
电流开关的转换过程由输入数字信号转换成 ECL电平来控制,ECL电平,l”码时，输出为 -1.8V,“0” 码时，
输出为 十 0.8V,经过 BGl和 D1电平移动后加到 BG2基极，
而 BG3基极电平固定在 -2.6V,它由温度补偿的参考电平 Vbb经 BG4和 D2电平移动得到。 Vbb＝ -1.31 V是,l”码和,0” 码电平的中间值。
选择适当的输入电压，使晶体管不驱动到饱和状态，
就能起到快速开关作用，同时恒流源可使开关噪声很小。
124
5.5.2
在使用中,LD结温的变化以及老化都会使 Ith增大,量子效率下降,从而导致输出光脉冲的幅度发生变化 。
为了保证激光器有稳定的输出光功率,
需要有各种辅助电路,例如功率控制电路,
温控电路,限流保护电路和各种告警电路等 。
125
1,自动功率控制电路
(1)
能够完成自动功率控制功能的电路很多,主要包括普通电参数控制电路和光电反馈控制电路 。
在光发送机中,光电反馈控制电路应用最多 。
126
(2)
光功率自动控制有许多方法,一是自动跟踪偏置电流,使 LD偏置在最佳状态；二是峰值功率和平均功率的自动控制；三是 P-I曲线效率控制法等 。
但最简单的办法是通过直接检测光功率控制偏置电流,用这种办法即可收到良好的效果 。 该办法是利用激光器组件中的 PIN光电二极管,监测激光器背向输出光功率的大小,若功率小于某一额定值时,通过反馈电路后驱动电流增加,并达到额定输出功率值 。 反之,若光功率大于某一额定值,则使驱动电流减小,以保证激光器输出功率基本上恒定不变 。
127
图 5.36所示是一个典型 LD自动功率控制电路,其自动功率控制电路的工作原理如下所述：
当由于温度原因使 LD输出光功率降低时,流过
PD(通常为 PINPD)的电流减小,A1放大器反向输入端电位增大,A1放大器输出端电位降低 (即 A2
放大器反向输入端电位降低 )。
图 5-37为美国亚特兰大光通信系统中光发射机的 APC电路,作为 LD输出光功率自动控制的实际例子 。
128
图 5.36 典型的 APC电路
129
图 5-37 LD的偏置反馈 APC电路
130
图 5-37的电路是通过控制 LD偏置电流大小来保持输出光脉冲幅度的恒定。
在运放的输入端，再生信号由输入信号再生处理后得到，
它固定在 0V～ -lV间。
LD组件中 PIN管接收 LD的背面输出光，它受到与正面输出光同样的温度及老化影响，从而可用来反馈控制 LD输出光功率。
该 PIN产生的信号与直流参考比较后送到放大器的同相端，
直流参考通过调节 Rl控制预偏置电流 IB。 调节 R2使再生信号与 PIN输出取得平衡，使 IB保持恒定。
当输出光功率产生变化时，平衡破坏，反馈偏置电路将自动调整 IB,使输出功率恢复到原来的值，电路又恢复平衡状态。
图中 R3Cl构成 LD的慢启动网络,当刚开启电源或有突发的电冲击时，由于电路的时间常数很大 (～ l ms),IB只能慢慢增大。这时，前面的控制电路首先进入稳定控制状态，然后 IB
缓慢增大，保护 LD免受冲击。
131
2.
从前面的内容可以知道,LD的输出特性与温度有着密切的关系 。 为了保证光发送机具有稳定的输出特性,对 LD的温度特性进行控制是非常必要的,而且对 LD的温度控制也是保护 LD的一项关键措施 。
132
温度变化引起 LD输出光功率的变化,虽然可以通过 APC电路进行调节,使输出光功率恢复正常值 。 但是,如果环境温度升高较多,经 APC
调节后,IB增大较多,则 LD的结温因此也升高很多,致使 Ith继续增大,造成恶性循环,从而影响了 LD的使用寿命 。
因此,为保证激光器长期稳定工作,必须采用自动温度控制电路 (ATC)使激光器的工作温度始终保持在 20度左右 。 LD的温度控制由微型制冷器,
热敏元件及控制电路组成,如图 5-38所示 。
133
图 5-38 LD的温度控制电路
134
微制冷器多采用半导体制冷器。它是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。当直流电流通过两种半导体组成的电偶时，
出现一端吸热另一端放热的现象，这种现象称为珀尔帖效应。微型半导体制冷器的温差可以达到 30℃ ～ 40℃ 。
135
制冷方式分为内制冷和外制冷两种。目前实际商用的半导体激光器总是和其他一些部件封装在一起，形成一个完整的 LD组件，其内部结构如图 5-39所示，它将 LD芯片、半导体制冷器和具有负温度系数的热敏电阻等封装在一个体积很小的密封盒内，控制电路放在盒外，这属于内制冷方式。内制冷方式不仅结构紧凑，控制效率也很高，使激光器有较恒定的输出光功率和发射波长。
外制冷方式是将外加半导体制冷器与山组件的密封盒紧密接触，通过控制电路给外加制冷器加直流,达到控制 LD周围环境温度的目的。 通常内制冷较外制冷方式更直接、有效。
136
图 5-39 LD组件内部结构
137
不论内制冷还是外制冷半导体制冷器都是非常重要的。图 5-40为半导体制冷器的结构示意图。
图中 (a)为单个热电偶的结构简图,(b)为热电偶组件，它是由多个热电偶按电学上串联、热学上并联的方式组成的。
单个热电偶是由 P型和 N型掺杂的半导体组成，它被焊接在铜连接片上，并用陶瓷面板将铜连接片与外表面电绝缘。当未接外电路时，跨越它两端形成的温度差使它的两端产生一与温度差成比例的电位差。此时将其与外电路的负载连接起来，将产生电流，从而输出电功率，这就是一个热电偶器件。
138
将热电偶与直流电源相连，如图 (a)所示，直流电流通过热电偶将产生珀尔帖效应，在它的一端吸收热量，与之相连的物体将被冷却；另一端排放热量，将散热器与之接触，该热电偶起到制冷器的作用。如果改变直流电流的方向，制冷器的吸热、散热端将互换。
由于热电偶堆是由多个热电偶串联起来的，
热电偶的个数越多，制冷量越大，在实际使用过程中，可根据所需的温差，选择不同的热电偶堆。
139
图 5-40 半导体制冷器的结构示意图
140
3.
光源是光发送电路的核心，它价格昂贵又较容易损坏。因此在光发送电路中必须设有保持电路，以防止意外的损坏。另外，当光发送电路出现故障时，告警电路应发出相应的声、光告警信号，以便于工作人员维护。
①光源的过流保护电路
②无光告警电路
③寿命告警电路
141
①光源的过流保护电路 了使光源不致因通过大电流而损坏，一般需对光源进行过流保护。图 5-41所示是激光器的过流保护电路，图中 T3为激光器提供偏流 IB。 保护电路由晶体管 T4,电阻 Rl组成。
正常情况下，电阻 R1上的电压小于 T4
的导通降压，因而 T4截止，保护电路不工作。当偏流 IB过大,致使 R1上的压降 V R1
剧增并超过 T4的导通压降时,T4饱和导通，
使 Vce4≈ 0,从而导致 T3截止，保护了激光器不致因偏流 IB过大而被损坏。
142
图 5-41 光源的过流保护
143
②无光告警电路 当光发送机电路出现故障，
或输入信号中断、或激光器损坏时，都可能使
LD长时间不发光。这时，无光告警电路都应动作，发出相应的声光告警信号。
图 5-42所示为无光告警原理图。 图中 A2的反向端为直流参考电压 VD,其同相端则为代表
LD输出光功率平均值的 Vf。 当 LD发光正常时，
PIN管检测到的光电流经 A1放大后送入 A2的同相端。这时,Vf＞ VD,因此 A2输出高电平,致使无光告警指示灯 LED不亮。当 LD不发光时,PIN
管检测不到光信号，因而 Vf＜ VD,A2输出低电平,使无光告警灯发出红色告警显示。另一路高电平为正常、低电平为告警的无光告警信号则被送入监控系统处理。
144
图 5-42 无光告警电路原理图
145
③寿命告警电路 随着使用时间的增长,LD阈值电流也将逐渐增大。当阈值电流增大到开始使用时的 1.5倍时，就认为激光器的寿命终止。
由于 IB≈ Ith,所以寿命告警电路通常采用监测偏流 IB的值来判断激光器寿命是否终止。也就是说，当 IB＞ 1.5Itho(Itho为
LD开始启用时的阈值电流 )时，寿命告警电路就发出告警指示。
146
图 5-43所示为寿命告警电路原理图。
图中 T3为激光器提供偏流 IB,T4,R1组成过流保护电路。由于 Vl≈ IBRl,所以调整电位器 W使 V2＝ 1.5IthoR1。 当激光器工作正常时,IB＜ 1.5Itho,则 Vl＜ V2,A1
输出高电平，寿命告警灯 不亮。
如果 IB＞ 1.5Itho,则激光器寿命终止，
这时 Vl＞ V2,A1输出低电平，寿命告警灯发黄色告警显示。 同样有一路高电平正常、低电平告警的寿命告警信号送到监控系统。
147
图 5-43 寿命告警电路原理图
第五章 光源与光发送机
5.1 半导体光源的物理基础
5.2 半导体光源的工作原理
5.3 光源的工作特性
5.4 光 发 送 机
5.5 驱动电路和辅助电路
2
5.1 半导体光源的物理基础
5.1.1 孤立原子的能级和半导体的能带
1.
原子是由原子核和围绕原子核旋转的电子构成 。 围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值,只能取特定的离散值,这种现象称为电子能量的量子化 。
3
2.
在单个原子中,电子是在原子内部的量子态运动的 。
当大量原子结合成晶体后,邻近原子中的电子态将发生不同程度的交叠,原子间的影响将表现出来 。 原来围绕一个原子运动的电子,
现在可能转移到邻近原子的同一轨道上去,晶体中的电子不再属于个别原子所有,它们一方面围绕每个原子运动,同时又要在原子之间做共有化运动,如图 5-1所示 。
4
图 5-1 晶体中电子的运动
gongyh.swf
5
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。
晶体的主要特征是它们的内部原子有规则地、
周期性地排列着。做共有化运动电子受到周期性地排列着的原子的作用，它们的势能具有晶格的周期性。因此，晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同而分裂若干组。每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带，成为能带，
如图 5-2所示。
内层电子态之间的交叠小，原子间的影响弱，
分成的能带比较窄；外层电子态之间的交叠大，
原子间的影响强，分成的能带比较宽。
6
图 5-2 晶体中的能带
nengdai.swf
7
锗、硅和砷化镓 GaAs 等一些重要的半导体材料，都是典型的共价晶体。在共价晶体中，每个原子最外层的电子和邻近原子形成共价键，整个晶体就是通过这些共价键把原子联系起来。
在半导体物理中，通常把这种形成共价键的价电子所占据的能带称为价带，而把价带上面邻近空带（自由电子占据的能带）称为导带。导带和价带之间，被宽度为 Eg的禁带所分开，如图 5-
3所示。 原子的电离以及电子与空穴的复合发光等过程，主要发生在导带和价带之间。
8
图 5-3 导带和价带
jiadai.swf
9
2.
抛物线导带和价带是半导体材料典型的能带结构。价带和导带是我们最感兴趣的两个能带，原子的电离和电子与空穴的复合发光等过程，主要发生在价带和导带之间，
当导带 (能级 E2)被电子占据，价带 (能级 E1)是空的，即被空穴占据时才能发生自发发射。电子在导带和价带的占据几率由费密一狄拉克分布给出式中 Efc和 Efv是费密能级。
1
11
1
22
]}/)e x p [ (1{)(
]}/)e x p [ (1{)(
kTEEEf
kTEEEf
fvv
fcc
10
5.1.2
1.
处于高能级的电子状态是不稳定的,
它将自发地从高能级 (在半导体晶体中更多是指导带的一个能级 )运动 (称为跃迁 )到低能级 (在半导体晶体中更多是指价带的一个能级 )与空穴复合,同时释放出一个光子 。
由于不需要外部激励,所以该过程称为自发辐射 。
zffushe.swf
11
根据能量守恒定律,自发辐射光子的
hν12=E2-E1
式中,h 为 普 朗 克 常 数,其值为
6.626× 10-34J·s； ν12为光子的频率； E2为高能级能量； E1为低能级能量 。
12
2.
在外来光子的激励下,电子从高能级跃迁到低能级与空穴复合,同时释放出一个与外来光子同频,同相的光子 。 由于需要外部激励,所以该过程称为受激辐射 。
3.
在外来光子激励下,电子吸收外来光子能量而从低能级跃迁到高能级,变成自由电子 。
sjxishou.swf
sjfushe.swf
13
5.1.3
1.
在热平衡状态下,高能级上的电子数要少于低能级上电子数 。
14
2.
为了使物质发光,就必须使其内部的自发辐射和 /或受激辐射几率大于受激吸收的几率,这一点我们已经在介绍光与物质的相互作用过程中提及过 。
有多种方法可以实现能级之间的粒子数反转分布状态,这些方法包括光激励方法,电激励方法等 。
15
5.2 半导体光源的工作原理
5.2.1 PN结的形成及其能带结构
1,PN
半导体光源的核心是 PN结,将 P型半导体和 N型半导体相接触就能形成 PN结 。
而 P型半导体和 N型半导体是通过向半导体掺入杂质而制成,杂质原子与半导体原子相比有过剩的价电子或过少的价电子 。
16
对 N型半导体,过剩电子占据了未掺杂 (本征 )
半导体中空的导带,占据几率由费密一狄拉克分布决定 。
对本征半导体费密能级位于带隙中间,价带中所有位置都由电子填充 (黑圆点 ),而导带中所有位置都空着,如图 5.3(a)所示 。
当杂质浓度增大时，费密能级向导带移动，
对重掺杂 N型半导体，费密能级位于导带内，这样的半导体称为兼并型 N型半导体，如图 5.3(b)所示。
17
类似地对 P型半导体，费密能级 Efv向价带移动，并在重掺杂时位于价带内，称为兼并型 P型半导体．如图 5,3(c)所示。
在非热平衡状态时，价带中载流子分布与兼并型 P型半导体的分布相似，而导带中则与兼并型 N型半导体分布相似，称为双兼并型半导体，如图 5。 3(d)所示。
简并型 P型半导体，费米能级 Ef会进入价带，如图 5-4(a)所示； 简并型 N型半导体，
费米能级 Ef会进入导带，如图 5-4(b)所示。
18
图 5,3半导体材料载流子分布
(a)本征半导体； (b)兼并型 N型半导体； (c)兼并型 P型半导体； (d)双兼并型半导体。
19
图 5-4(a) P型半导体能带图 ------图 5-4(b) N型半导体能带图
20
在空间电荷区里，电场的方向由 N区指向 P区，这个电场称为,自建场,。在自建场作用下，载流子将产生漂移运动，漂移运动的方向正好与扩散运动相反，开始时扩散运动占优势，但随着自建场的加强，漂移运动也不断加强，最后漂移运动完全抵消了扩散运动，达到平衡状态。
当在 PN结上加正向电压时，外加场的方向正好与自建场的方向相反，削弱了自建场的作用，打破了原来的动态平衡，扩散运动超过了漂移运动,P区空穴将通过
PN结不断流向 N区,N区的电子亦流向 P区，形成正向电流，并通过自发发射或受激发射复合和发光。
当 PN结加上反向电压时，外电场与自建场相同，电子和空穴将背离 PN结面移动，空间电荷区变宽，区内电子和空穴都很少，变成高阻层，因而反向电流很小,PN
结呈现单向导电特性。
21
图 5,7 PN结空间电荷区的形成及载流子导向
22
1,PN
以图 5.8 (a)所示兼并型 P型和 N型半导体形成的 PN结为例进行讨论，图中阴影部分表示主要由电子占据的能带。
图 5.8(b)表示热平衡状态下 PN结的能带，
由于一个热平衡系统只能有一个费密能级，
这要求原在 P区和 N区高低不同的费密能级达到相同的水平。
23
如果 N区的能级位置保持不变，则 P区的能级应提高，从而使 PN结的能带发生弯曲。能带是用于描述电子能量的,PN结能带的弯曲正反映空间电荷区的存在。
在空间电荷区中，自建场从 N区指向 P区，
说明 P区相对 N区为负电位，用 -VD表示，称为接触电位差，或称 PN结势垒高度,P区所有能级的电子都附加了 e VD的位能，从而使 P区的能带相对 N区提高了 e VD,同时 e VD =Efc-Efv。
图中能带倾斜部分直接表明空间电荷区中电位的变化。
24
图 5,8 PN结的能带结构
(a)由电子占据的能带；
(b)热平衡状态下 PN结的能带；
(c)PN结加上正向电压时的能带。
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25
图 5.8(c)示出 PN结上加正向电压时的能带图，
正向电压 V削弱了原来的自建场，使势垒降低。
若 N区能带保持不变，则 P区的能带下移，下降值应为 eV。
一般 V< VD,在这种非热平衡状态下，费密能级也发生分离，正向电压破坏了原来的平衡，
引起每个区域中的多数载流子流向对方,P区和
N区内的少数载流子比平衡时增加了，这些增多的少数载流子称为“非平衡载流子”，其统计分布仍可用费密分布描述，但这时的费密能级应为准费密能级，我们用准费密能级 Efc描述电子的统计分布，用准费密能级 Efv描述空穴的统计分布，
并有关系式,Efc-Efv =e0V。
26
对于 P区，空穴是多数载流子 Efv,变化很小，基本上与平衡态下的费密能级差不多。
进入 N区，空穴是少数载流子,Efv在 N
区是倾斜的，表明空穴分布不均匀,而处于向 N区扩散的运动中，并在扩散过程中不断与
N区的电子复合而减小，直至非平衡载流子完全复合完为止。
在离开 PN结一个扩散长度后，载流子浓度又回复到原来的平衡状态,Efv与 Efc重合，
变成统一的费密能级。
27
当正向电压 (或注入电流 )加大到某一值后，准费密能级 Efv与 Efc的能量间隔大于禁带宽度，即 eV>Eg,则由图 5,8(c)可见，
PN结里出现了增益区 (也叫 有源区 )。
在 Efv和 Efc 之间价带主要由空穴占据，
而导带主要由电子占据，即实现了粒子数反转，这个区域对能量满足 Eg<υ <eV的光子有放大作用，半导体光发射就发生在这个区域。
28
这也就是说,
1.当 PN结加上正向偏压时，外加电压的电场方向正好和内建场的方向相反，因而削弱了内建电场，破坏了热平衡时统一的费米能级，在 P区和 N区各自形成了准费米能级。
2.这时，导带上费米能级以下充满了电子，价带上费米能级以上没有电子，因此，
形成了粒子数反转分布，成为激活区，称为半导体激光器的作用区或有源区。当频率 f满足 F>Eg/h的光通过时,就可以得到放大。
n-p1.swf
29
3,PN
PN结半导体激光器是用 PN结作激活区，用半导体天然解理面作为反射镜组成光子谐振腔，外加正向偏压作为泵浦源。
外加正向偏压将 N区的电子,P区的空穴注入到 PN结，实现了粒子数反转分布，即使之成为激活物质（ PN结为激活区）。
在激活区，电子空穴对复合发射出光。初始的光场来源于导带和价带的自发辐射，方向杂乱无章，其中偏离轴向的光子很快逸出腔外，沿轴向运动的光子就成为受激辐射的外界因素,使之产生受激辐射而发射全同光子。
这些光子通过反射镜往返反射不断通过激活物质，使受激辐射过程如雪崩般地加剧，从而使光得到放大。在反射系数小于 1的反射镜中输出，这就是经受激辐射放大的光 。即 PN结半导体激光器产生激光输出的工作原理。
30
5.2.2 发光二极管的工作原理半 导 体发 光 二极 管 ( Light-emitting
Diode,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。
31
发光二极管利用正向偏压下的 PN结在激活区中载流子的复合发出自发辐射的光，因此 LED的出射光是一种非相互光，
其谱线较宽 (30mm～ 60mm),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。
32
1.
按照器件输出光的方式,可以将发光二极管分为三种类型结构：表面发光二极管 (SLED),边发光二极管 (ELED)及超辐射发光二极管 。
光纤通信中获得了广泛应用的只有两种,即面发光二极管和边发光二极管 。
SLED的典型结构如图 5—9所示 。
33
图 5.9 SLED的典型结构如所示
Led.swf
34
ELED 结构图,
双异质结生长在二极管顶部的 nGaAs衬底上，
PGaAs有源层厚度仅 lμm ～ 2μm,与其二边的
nAlGaAs和 pGaAs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部位形成一个凹坑，使光纤能直接靠近有源区。在 P+--AlGaAs侧用 SiO2掩膜技术形成一个圆形的接触电极，从而限定了有源层中源区的电流密度约 200A/cm2 。
这种圆形发光面发出的光辐射具有朗伯分布。
为了提高耦合效率，可在发光面与光纤之间形成微透镜，从而使入纤功率提高 2—3倍。
Eled.swf
35
图 5.10 ELED 结构图这种结构的目的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。
36
2.
LED的工作原理可以归纳如下：当给
LED外加合适的正向电压时,Pp结之间的势垒 (相对于空穴 )和 Np结之间的势垒 (相对于电子 )降低,大量的空穴和电子分别从 P
区扩散到 p区和从 N区扩散到 p区 (由于双异质结构,p区中外来的电子和空穴不会分别扩散到 P区和 N区 ),在有源区形成粒子数反转分布状态,最终克服受激吸收及其他衰减而产生自发辐射的光输出 。
37
5.2.3 激光二极管的工作原理在结构上,半导体激光二极管 (Laser Diode，
LD)与其他类型的激光器是相同的,都主要由三部分构成：激励源,工作物质及谐振腔 。
半导体激光器是利用在有源区中受激而发射光的光器件 。 只有在工作电流超过闻值电流的情况下,才会输出激光 (相干光 ),因而是有阈值的器件 。
38
1.
(1)
LD的结构如图 5—11所示 。
半导体激光器的结构与半导体发光二极管的结构类似 。 通常也是由 P层,N层和形成双异质结构的有源层构成 。 和 LED所不同的是,在有源层的结构中还具有使光发生振荡的谐振腔 。 双异质结半导体激光器粒子数反转分布的形成过程与前面所述
LED情况大致相同 。
39
图 5—11 LD的结构
40
半导体激光器发光利用的是受激辐射原理。受激辐射发光现象是：处于粒子数反转分布状态的大多数电子，在受到外来入射光于激励时同步发射光子的现象，也就是说受激辐射的光子和入射光子，不仅波长相同而且相位、方向也相同 ——同态光子 。
这样，由弱的入射光激励而得到了强的出射光，起到了光放大作用。
41
但是仅仅有放大功能还不能形成振荡，必须要有正反馈才行。为了实现光的放大反馈，需要采用使光来回反射的光学谐振腔。最基本的光学谐振腔是由两块互相平行的反射镜构成，称之为法布里一珀罗谐振腔。
半导体激光器就是在垂直于 PN结的两个端面，按晶体的天然解理面切开而形成相当理想的反射镜面。 光在谐振腔中的两个反射镜面之间往复反射。其中一个是全反射镜面，另一个是部分反射镜面，这样谐振腔内的光能由该镜面透射出来，形成输出激光。
激光器模型如 Flash所示。
42
在双异质结构的 LD中,通常采用具有横模限制作用的激光二极管结构,这种激光二极管称为条形激光二极管 (Stripe
Laser Diode,SLD)或窄区激光二极管 。
一种增益波导型激光二极管的类型结构如图 5.12所示,图中虚线之间的部分为电流流经的区域 。
43
图 5.12 一种扩散条形激光二极管
44
一种折射率波导型激光二极管的结构如图 5.13所示。
图 5.13 拱棱波导条形激光二极管
45
(2)
一般地,普通激光二极管只能工作于多纵模状态,其增益峰值附近的数个模式携带着大部分的输出光功率 。
①
在分布反馈 (Distributed Feedback，
DFB)机理激光二极管中,通过谐振腔和具有频率选择反馈功能的光栅共同完成反馈作用 。
46
分布反馈 （ DFB） 型激光器是随着集成光学的发展而出现的,由于其动态单模特性和良好的线性,已在国内外高速率数字光纤通信系统和 CATV模拟光纤传输系统中得到广泛的应用 。
1,DFB激光器的结构
DFB激光器结构上的特点是：激光振荡不是由反射镜面来提供,而是由折射率周期性变化的波纹结构 （ 波纹光栅 ） 来提供,
即在有源区的一侧刻有波纹光栅,如图 5-
14所示 。
47
图 5-14 DFB激光器结构
48
2,DFB激光器的工作原理
DFB激光器的基本工作原理，可以用布拉格
（ Bragg） 反射来说明。
波纹光栅是由于材料折射率的周期性变化而形成，它为受激辐射产生的光子提供周期性的反射点，
在一定的条件下，所有的反射光同相叠加，产生激光振荡，使激光器具有极强的波长选择性，实现了发光波长的单纵模工作。
如图 5-15所示的布拉格 反射，在与反射方向垂直的平面上，各反射波的相位必须相同，因此 布拉格反射波的路程差必须为波导波长的整数倍。即
49
图 5-15布拉格反射原理
50
式中 L为栅距（光栅周期长度）,λ g为波导波长,λ 0为工作波长,ne为波导层的有效折射率,m为正整数。由上式可得：
此即为布拉格反射条件。
DFB激光器的分布反馈是 θ =π/2的布拉格反射,这时有源区的光在栅条间来回振荡。
此时的布拉格条件为：
51
当光栅的周期长度为 L时,只有满足布拉格反射条件波长为 λ 0的光波，才能产生激光振荡，因而使激光器得到单频输出。
由于分布馈激光器是由光栅来选择单纵模，
因而在高速调制下仍维持单纵模输出。
DFB激光器的谱线窄，其线宽大约为普通型激光器线宽的 1/10左右，如图 5-16所示，从而使色散的影响大为降低，可以实现速率为 Gb/s的超高速传输。
52
图 5-16 DFB激光器与普通型激光器比较
53
② 耦合腔激光二极管模式选择也可以采用耦合腔结构实现,
其基本机理为：虽然两个谐振腔具有各自不同的振荡纵模,但是当两个谐振腔放在一起构成耦合腔 (或复合腔 )时,这时只有两个谐振腔中相同的纵模才能成为耦合腔的振荡纵模,再加上增益谱的作用,最终实现了模式选择功能 。
54
在耦合腔半导体激光器中，单纵模工作是通过将光耦合到外光腔实现的，如图 5,17所示，
一部分反射光反馈回激光光腔，因为在外光腔发生相移，从外光腔的反馈不一定与激光器光腔内的光场同相，仅当那些波长几乎与一个外光腔纵模的波长一致的激光模式才能发生同相反馈。
实际上，面对外光腔的激光器的端面的有效折射率变成与波长相关，外腔引入的相位使端反射镜的有效反射率随波长变化，导致激光腔损耗的周期性变化，并导致了如图 5,17所示的损耗曲线，最靠近增益峰值并具有最低光腔损耗的纵模成为主模。
55
图 5-17
耦合腔中的纵模选择
56图 5,18展示了其中的三种种耦合腔方案。
图 5-18 耦合腔激光器结构示意
(a)外腔激光器； (b) C3腔激光器； (c)多段 DBR激光器
57
SLM激光器最简单的设计方案是将半导体激光器发的光耦合到一外光栅，如图 5-18(a)所示。
为了提供强的耦合，可采用增透膜涂层降低面向光栅的解理面的自然反射率，这种激光器称为外光腔半导体激光器。
由耦合腔机制选择的 SLM波长可简单地通过旋转光栅在宽范围调谐，可用于相干通信系统中作为波长可调谐光源。从实用观点看，图 5-18(a)
所示的激光器的缺点是无法集成，光发送机要求的机械稳定性差，然而这种激光器已用于实验室演示，若有合适的封装也可能得到应用。
58
C3激光器是耦合腔激光器的集成设计方案，所谓 C3是解理耦合腔的第一个字母的缩写，如图 5-18 (b)所示，这种激光器的制造是通过将一常规多模激光器在中间解理，使激光器分为长度大至相等的两部分，
并由窄的空气间隙 (宽约 1μ m)分开。
只要间隙不太宽，解理面的反射率
(≈ 30％ )允许两段间有足够的耦合，通过调节注入到作为模式控制器的一个光腔段的电流，就可在约 20nm的调谐范围内调节
C3激光器的波长，但调谐并不连续。
59
采用多节 DFB和 DBR激光器的设计方案，可实现稳定性和可调谐性兼备的 SLM激光器。
图 5-18 (c)展示了一个典型激光器结构，它由三段组成，分别为有源段，相位控制段和布拉格段。
可通过注入不同大小的电流分别偏置，注入到布拉格段的电流导致折射率 n变化，改变布拉格波长。
注入到相位控制段的电流导致折射率面变化，
改变从 DBR反馈的相位。通过控制这三段的电流，
激光波长能在 5～ 7nm范围内连续调节。
由于它的波长由在布拉格段的内建光栅决定，
这种激光器工作稳定，对相干通信系统是很有用的。
60
③ 量子阱激光二极管出现较晚的量子阱 (Quantum Well，
QW)激光二极管,已经在实际系统尤其是相干传输系统和波分复用系统中得到广泛应用 。
④ 波长可调谐单频激光二极管波长可调谐单频激光二极管是波分复用系统,相干光通信系统及光交换网络的关键器件,其主要性能指标包括调谐速度和波长调谐范围 。
61
2.
(1) LD
在结构上,LD与 LED的主要区别是
LD有谐振腔,而 LED没有谐振腔 。
(2) LD
LD的工作原理可以归纳如下：当给
LD外加适当的正向电压时,由于有源区粒子数的反转分布而首先发生自发辐射现象,
62
那些传播方向与谐振腔高反射率界面垂直的自发辐射光子会在有源层内部边传播,边发生受激辐射放大 (其余自发辐射光子均被衰减掉 ),直至传播到高反射率界面又被反射回有源层,再次向另一个方向传播受激辐射放大 。 如此反复,直到放大作用足以克服有源层和高反射率界面的损耗后,就会向高反射率界面外面输出激光 。
63
5.3 光源的工作特性
5.3.1 LED
1,P-I
LED的 P-I特性如图 5.19所示 。 就 P-I特性曲线整体而言,由于没有阈值而使 LED具有非常优良的线性 。
发光率随工作电流增大,并在大电流时逐渐饱和 。 LED的工作电流通常为 50mA-100mA,这时偏置电压 1.2 V-1.8 V,输出功率约几 mW。
64
图 5.19 LED的 P-I特性
65
2.
LED的光谱特性如图 5.20所示 。 在图中,λ0为 LED的峰值工作波长 (典型值为
0.85μm,1.31μm和 1.55μm)； Δλ为谱线宽度,其定义为光强度下降到最大值一半时对应的波长宽度 。
66
图 5.20 LED的光谱特性
67
3.
在一级近似和平均工作电流不变的条件下,发光二极管的输出功率与调制信号式中,P (0)是频率为 0时 LED输出的光功率值； τe是有源区少数载流子的寿命 。
68
4.
温度特性主要影响到 LED的平均发送光功率,P-I特性的线性及工作波长 。
工作温度升高时,同样工作电流下
LED的输出功率要下降 。 例如当温度从
20℃ 升高到 70℃ 时,输出功率下降约一半,
相对而言,温度的影响要比 LD小 。
69
5.3.2 LD
1,LD的 P-I
LD的 P-I特性如图 5.21所示 。 就 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。
随着激光器注入电流的增加,其输出光功率增加,但是不成直线关系,存在一个阈值 Ith,只有当注入电流大于阈值电流后,输出光功率才随注入电流增加而增加,便发射出激光；当注入电流小于阈值电流,LD发出的是光谱很宽,相干性很差的自发辐射光 。
70
图 5.21 LD的 P-I特性
71
从 P-I特性还可以引出两个基本参数：
微分量子效率和功率转换效率 。 微分量子效率可以定义为输出光子数的增量与注入电子数的增量之比,表达式为：
式中,ΔP为发送光功率增量,ΔI为驱动电流增量 。 曲线越陡,微分量子效率越大 。
72
功率转换效率定义为输出光功率与消耗的电功率之比,
式中,V是 PN结的正向电压； Rs是 LD
的串联电阻 (包括半导体材料的体电阻和接触电阻 )。
73
2.
LD的光谱特性如图 5.22所示 。 在图中,
λ0为 LED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 。
74
图 5.22 LD的光谱特性
75
3.
在对 LD进行直接调制时,激光二极管的输出功率与调制信号频率的关系为：
式中,P(0)是频率为 0时 LD输出的光功率值； fr为 LD的类共振频率,ζ是 LD的阻尼因子 。
76
4.
P-I的特性随器件的工作温度要发生变化,
当温度升高时,激光器的特性发生劣化,阈值电流也会升高,阈值电流与温度的关系可表示为式中,T0称为器件的特征温度,T和 T0都为绝对温度表示； I0为 T=T0时阈值电流的 1/e。
77
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 。
为了降低温度对 LD的影响,可以采用两种方法：选择温度特性优异的新型 LD,或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 。
78
5.3.3 光源的主要技术指标及
1.
几种国产半导体光源的主要技术指标如表 5.1所示 。
79
80
2.
在没有任何测试仪表或测试手段的情况下,可以通过 PN结的测试来初步判断光源器件的好坏 。
81
5.4 光 发 送 机
5.4.1
1.
光纤通信系统传输的是光信号,作为光纤通信系统的光源,便成为重要的器件之一 。 它的作用是产生作为光载波的光信号,作为信号传输的载体携带信号在光纤传输线中传送 。 由于光纤通信系统的传输媒介是光纤,因此作为光源的发光器件,
应满足以下要求：
82
① 体积小，与光纤之间有较高的耦合效率；
② 发射的光波波长应位于光纤的三个低损耗窗口，即 0.85μm,1.31μm和 1.55μm波段；
③ 可以进行光强度调制；
④ 可靠性高，要求它工作寿命长、工作稳定性好，具有较高的功率稳定性、波长稳定性和光谱稳定性；
⑤ 发射的光功率足够高，以便可以传输较远的距离；
⑥ 温度稳定性好，即温度变化时，输出光功率以及波长变化应在允许的范围内。
83
能够满足以上要求的光源一般为半导体二极管 。 目前全光纤激光器作为一种新型的激光器也有望在光纤通信系统中发挥其作用 。
最常用的半导体发光器件是发光二极管
(LED)和激光二极管 (LD)。 前者可用于短距离,低容量或模拟系统,其成本低,可靠性高；后者适用于长距离,高速率的系统 。
在选用时应根据需要综合考虑来决定,
因此它们都有自己的优缺点和特性,下面就两者的性能作系统的比较 。
84
根据 LED和 LD的性能，在选择光源时应作到技术上合理、经济上合理以及便于应用。
激光二极管 发光二极管
1 输出光功率较大，几 mW一几十 mw。 输出光功率较小，一般仅 1mw一 2mW。
2 带宽大，调制速率高，几百 MHz一几十
GHz。
带宽小，调制速率低，几十一 200MHz。
3 光束方向性强，发散度小。 方向性差，发散度大。
4 与光纤的耦合效率高，可高达 80％以上。 与光纤的耦合效率低，仅百分之几。
5 光谱较窄。 光谱较宽。
6 制造工艺难度大，成本高。 制造工艺难度小，成本低。
7 在要求光功率较稳定时，需要 APC和 ATC。 可在较宽的温度范围内正常工作。
8 输出特性曲线的线性度较好。 在大电流下易饱和。
9 有模式噪声。 无模式噪声。
10 可靠性一般。 可靠性较好。
11 工作寿命短。 工作寿命长。
85图 5-23为波长、通信容量、模式以及通信距离四者之间的定性关系以及光纤通信发展的历程和趋势。
图 5-23波长、通信容量、模式以及通信距离四者之间关系图
86
2.
在光纤通信系统中，由于信息由 LED
和 LD发出的光波携带，因此光发射机主要有调制电路和控制电路组成，如图 5-24所示。
图 5-24 光发射机框图
87
在数字通信中，输入电路将输入的 PCM脉冲信号变换成 NRZ／ RZ码后，通过驱动电路调制光源 (直接调制 )，或送到光调制器调制光源输出的连续光波 (外调制 )。
对直接调制，驱动电路需给光源加一直流偏置；而外调制方式中光源的驱动为恒定电流，以保证光源输出连续光波。
自动偏置和自动温度控制电路是为了稳定输出的平均光功率和工作温度,此外，光发射机中还有报警电路，用以检测和报警光源的工作状态。
88
5.4.2
1.
(1) 按照光源与调制信号的关系分类根据光源与调制信号的关系,可以将光源的调制方式分为直接调制方式和外部 (或间接 )调制方式 。
所谓直接调制方式,是指直接将调制信号施加在光源上来完成光源参数的调制过程 。
89
(2)
根据已调制信号的性质,可以将光源的调制方式分为模拟调制方式和数字调制方式 。
模拟调制方式是指已调制信号属于模拟信号,
这 种 调 制 方 式 主 要 包 括 强 度 调 制 ( Intensity
Modulation,IM) 方式,振幅调制 ( Amplitude
Modulation,AM) 方式,双 边 带 抑 制 载 波
(Double Sideband/Suppressing Carrier,DSB/SC)
调制方式,单边带 (Single Sideband,SSB)调制方式及残余边带 (Vestigial Sideband,VSB)调制方式 。
90
数字调制方式是指已调制信号属于数字信号，这种调制方式主要包括,
幅移键控 (Amplitude-shifted Keying,ASK)调制方式 ;
频移键控 (Frequency-shifted Keying,FSK)调制方式 ;
相移键控 (Phase-shifted Keying,PSK)调制方
91
2.
由于其他调制方式应用极少,因此我们在这里仅仅给出用电场表示的,常用强度调制方式的已调制信号表达式：
式中,KT为与发送光功率有关的正常数； m为调制系数 (0＜ m≤1)； x(t)为归一化幅度的调制信号波形； ωc为光载波角频率,
φ0为初相位 。
92
5.4.3 光发送机的构成及指标
1.
一般地,光发送机主要由光源,驱动电路及辅助电路等构成 。
93
2,
光发送机的指标很多，我们仅从应用
(1)
平均发送光功率又称为平均输出光功率，通常是指光源尾巴光纤的平均输出光功率。
94
(2)
消光比定义为最大平均发送光功率与最小平均发送光功率之比,通常用符号 EX
表示：
若用相对值表示,
95
5.5 驱动电路和辅助电路
5.5.1
1.
一个优良的驱动电路应该满足以下条件：
(1) 能够提供较大的,
(2) 有足够快的响应速度,最好大于光源的
(3) 保证光源具有稳定的输出特性 。
96
2.
能够满足上述要求的,最简单的驱动电路是共发射极驱动电路,如图 5.25所示 。
共发射极驱动电路的工作原理如下所述：当输入数据信号为,0” 时,晶体三极管 VT处于截止状态,LED中没有电流流过,
因此 LED不发光；当输入数据信号为,1”
时,晶体三极管 VT工作于饱和状态,LED
中有较大的电流流过,所以 LED发光 。
97
图 5.25 共射极驱动电路
98
2,LED
在小型模拟或低速、短距离数字光纤通信系统中，可以采用 LED作为系统光源。
但不论那种通信系统，用 LED作光源时，
均采用直接强度调制方式，即通过改变
LED的注入电流调制输出光功率。
下面分别介绍模拟系统及数字系统的驱动电路。
99
(1) LED
图 5-26为对 LED进行模拟调制的原理图 。
连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上,适当选择直流偏置的大小,使静态工作点位于发光管特性曲线线性段的中点,
可以减小光信号的非线性失真 。 调制线性的好坏取决于调制深度 m。 设调制电流幅值为 ΔI,偏置电流 为 IB,则
m=Δ I/IB
100
图 5-26 LED模拟调制原理图
101
LED的数字调制原理图如图 5-27所示。
信号电流为单向二进制数字信号，用单向脉冲电流的,有,,,无,(,1” 码和,0”
码 )控制发光管的发光与否。
模拟系统或数字系统都是通过控制流经发光管电流的办法达到调制输出光功率的目的。
但由于二者功率不同，对驱动与偏置电路也不同，下面分别加以讨论。
102
图 5-27 LED数字调制原理图
103
(2) LED
在模拟系统中，对驱动电路的要求是提供一定的工作点偏置电流及足够的信号驱动电流，以使光源能够输出足够的功率,并使其输出功率随输入信号线性变化,非线性失真小。产生的非线性失真必须低于 -30dB～ -50dB。
但由于 LED本身存在非线性失真，在高质量要求的信号传输中，还需要线性补偿电路。
LED对温度不很敏感，因此驱动电路中一般不采用复杂的自动功率控制 (APC)和自动温度控制 (ATC)电路，较 LD的驱动电路简单得多。
104
图 5-28为一种简单而又具有高速特性的共发射极跨导式驱动器。
它将基极电压转变为集电极电流以驱动发光管。
晶体管工作在甲类工作状态，调整基极偏置，使晶体管和发光管都偏置在各自的线性区，并使静态集电极电流即 LED的偏置电流 IB＝ Im／ m 。
105
图 5-28 LED模拟驱动电路
106
(3) LED
LED的数字驱动电路主要应用于二进制数字信号，驱动电路应能提供几十至几百毫安（ mA）
的,开,,关,电流。码速不高时，可以不加偏置；但在高码速时，需加小量的正向偏置电流，
有利于 保持二极管电容上的电荷。
几种典型的 LED数字驱动电路见图 5-29所示。
(a)简单的共射极饱和开关电路 (b)低阻抗射极跟随式驱动电路 (c)发射极锅台开关式驱动电路
(d)高速 LED驱动电路。
107
图 5-29 LED数字驱动电路
108
图 (a)为晶体管共射驱动电路，晶体管用作饱和开关，提供电流增益 β,其两端的电压降较小，饱和压降 Vcc≈0.3V 。
图 (b)中的达林顿结构因高电流增益,降低了输出阻抗。这一电路可从具有 180pF的电容的发光管上得到 2.5ns的光上升时间，可传输 100Mb
／ s 的数字信号。 但由于发射极输出的负载不是纯电阻,可能使电路发生振荡。 RlCl并联串接于发射极电路，组成发射极跟随电路，提供电压阶跃，以补偿驱动电流开始时,对发光管电容充电所造成的光驱动电流的下降，从而使驱动器可工作在高码速情况下。
109
图 (c)为发射极耦合开关式驱动电路，可传输 300Mb／ s以上的数字信号。 晶体管 Tl和 T2是发射极耦合式开关,T3为恒流源。发光管的驱动电流由恒流源决定。这种电路类似线性差分放大器，实际作开关用。由于它超越了线性范围工作，
输入端过激励时；仍没有达到饱和，所以开关速率更高。
图 (d)为高速 LED驱动电路，当 LED为面发光管时，可传输 2Gb／ s以上的数字信号。该电路的脉冲前后沿为 0.35ns,预偏置为 15mA,电流峰值为 100mW。
110
图 5-30 TTL开关式驱动电路
111
1,LD的驱动电路
(1) LD
由于 LD通常用于高速系统，且是阈值器件，它的温度稳定性较差，与 LED相比，
其调制问题要复杂的多，驱动条件的选择、
调制电路的形式和工艺,都对调制性能至关重要。
图 5-31为对 LD进行模拟调制的原理图。
图 5-32为对 LD进行数字调制的原理图。
112
图 5-31 LD模拟调制原理图
113
图 5-32 LD数字调制原理图
114
(2)
采用直接调制方式时，偏置电流的选择直接影响激光器的高速调制性质。选择直流预偏置电流应考虑以下几个方面：
(1)加大直流偏置电流使其逼近阈值，可以大大减小电光延迟时间,同时使张弛振荡得到一定程度的抑制。
图 5-33为 LD无偏置和有偏置时脉冲瞬态波形和光谱。由图中可以看出，由于 LD 加了足够的预偏置电流，调制电流脉冲幅度较小，预偏置后张弛振荡大大减弱，谱线减少，光谱宽度变窄；
另外，电光延迟的减小，也大大提高了调制速率。
115
图 5-33 LD无偏置和有偏置时脉冲瞬态波形和光谱
116
(2)当激光器偏置在阈值附近时,较小的调制脉冲电流即能得到足够功率的输出光脉冲，从而可以大大减小码型效应。
(3)加大直流偏置电流会使激光器的消光比恶化。所谓消光比，是指激光器在全
,l”码时发送的光功率 (P1)与全,0”码时发射的光功率 (Po)之比，用 dB表示为：
EXP=10lgP1/P0
117
光源的消光比将直接影响接收机的灵敏度，
为了不使接收机的灵敏度明显下降，消光比一般应大于 10dB,如果激光器的偏置电流 IB过大，势必会使消光比恶化，降低接收机的灵敏度。通常取 IB ＝ (0.85～ 0.9)Ith。 驱动脉冲电流的峰 -峰值 Im
一般取 Im十 IB ＝ (1.2～ 1.3) Ith,以避免结发热和码型效应。
结发热效应表现在阈值和输出光功率随结温的变化。稳态时，体现在其输出特性随温度的变化，瞬态时，调制电流 Im的出现也会使结温在阈值时发生一定波动。这种波动也将引起阈值电流和输出光功率发生波动。
118
在电流脉冲持续时间内，结温将随时间 t的增加而增加，而输出光功率却随时间增加而减小；当电流脉冲过后，情况正好相反，结温随 t减小，输出的光功率却随 t
增加，最后达到偏置电流的稳定值。因此，
如果同一连续的脉冲电流去调制激光器，
而且脉冲电流的宽度足够宽，那么由于结的发热效应，光脉冲将出现调制失真。
实验证明,当偏流逼近阈值，并适当选择调制电流幅度，对减小结发热效应是有利的。
119
(4)实验证明，异质结激光器的散粒噪声在阈值处出现最大值，如激光器正好偏置在阈值上，
散粒噪声的影响较严重。
因此，偏置电流的选择，要兼顾电光延迟、
张弛振荡、码型效应、激光器的消光比以及散粒噪声等各方面情况，根据器件特别是激光器的具体性能和系统的具体要求，适当的选择偏置电流的大小。由于激光器的电阻较小，因此激光器的偏置电路应是高阻恒流源。
调制电流幅度的选择，应根据激光器的特性曲线，既要有足够的输出光脉冲功率，又要 考虑到光源的负担。 考虑到某些激光器在某些区域有自脉动现象发生,Im的选择应避开这些区域。
120
(3)
激光器的直接调制电路有许多种，但概括起来有两类,一类是单管集电极驱动电路，另一类是射极耦合开关电路。
图 5-34为单管集电极驱动电路原理图。半导体三极管的输出特性在放大区表现为恒流源，可以用集电极电流驱动光源。
图中 DT为驱动管，当电信号加在 DT基极时，
即可驱动集电极电路中的激光器，使之输出的光功率随信号的变化而变化,DT工作在开关状态。
图 5-35为射极耦合光发送驱动电路。
121
图 5-34 单管集电极驱动电路原理图
122
图 5-35 射极耦合光发送驱动电路
123
图中晶体管 BG2和 BG3为发射极耦合对，组成非饱和电流选择开关。
当 BG2基极电位高于 BG3基极电位时,BG2导通，恒流源的驱动电流 Im全部流过 BG2,故流过 LD的电流为零。
反之,当 BG2基极电位低于 BG3基极电位时,BG3导通，所有驱动电流都通过 LD。
电流开关的转换过程由输入数字信号转换成 ECL电平来控制,ECL电平,l”码时，输出为 -1.8V,“0” 码时，
输出为 十 0.8V,经过 BGl和 D1电平移动后加到 BG2基极，
而 BG3基极电平固定在 -2.6V,它由温度补偿的参考电平 Vbb经 BG4和 D2电平移动得到。 Vbb＝ -1.31 V是,l”码和,0” 码电平的中间值。
选择适当的输入电压，使晶体管不驱动到饱和状态，
就能起到快速开关作用，同时恒流源可使开关噪声很小。
124
5.5.2
在使用中,LD结温的变化以及老化都会使 Ith增大,量子效率下降,从而导致输出光脉冲的幅度发生变化 。
为了保证激光器有稳定的输出光功率,
需要有各种辅助电路,例如功率控制电路,
温控电路,限流保护电路和各种告警电路等 。
125
1,自动功率控制电路
(1)
能够完成自动功率控制功能的电路很多,主要包括普通电参数控制电路和光电反馈控制电路 。
在光发送机中,光电反馈控制电路应用最多 。
126
(2)
光功率自动控制有许多方法,一是自动跟踪偏置电流,使 LD偏置在最佳状态；二是峰值功率和平均功率的自动控制；三是 P-I曲线效率控制法等 。
但最简单的办法是通过直接检测光功率控制偏置电流,用这种办法即可收到良好的效果 。 该办法是利用激光器组件中的 PIN光电二极管,监测激光器背向输出光功率的大小,若功率小于某一额定值时,通过反馈电路后驱动电流增加,并达到额定输出功率值 。 反之,若光功率大于某一额定值,则使驱动电流减小,以保证激光器输出功率基本上恒定不变 。
127
图 5.36所示是一个典型 LD自动功率控制电路,其自动功率控制电路的工作原理如下所述：
当由于温度原因使 LD输出光功率降低时,流过
PD(通常为 PINPD)的电流减小,A1放大器反向输入端电位增大,A1放大器输出端电位降低 (即 A2
放大器反向输入端电位降低 )。
图 5-37为美国亚特兰大光通信系统中光发射机的 APC电路,作为 LD输出光功率自动控制的实际例子 。
128
图 5.36 典型的 APC电路
129
图 5-37 LD的偏置反馈 APC电路
130
图 5-37的电路是通过控制 LD偏置电流大小来保持输出光脉冲幅度的恒定。
在运放的输入端，再生信号由输入信号再生处理后得到，
它固定在 0V～ -lV间。
LD组件中 PIN管接收 LD的背面输出光，它受到与正面输出光同样的温度及老化影响，从而可用来反馈控制 LD输出光功率。
该 PIN产生的信号与直流参考比较后送到放大器的同相端，
直流参考通过调节 Rl控制预偏置电流 IB。 调节 R2使再生信号与 PIN输出取得平衡，使 IB保持恒定。
当输出光功率产生变化时，平衡破坏，反馈偏置电路将自动调整 IB,使输出功率恢复到原来的值，电路又恢复平衡状态。
图中 R3Cl构成 LD的慢启动网络,当刚开启电源或有突发的电冲击时，由于电路的时间常数很大 (～ l ms),IB只能慢慢增大。这时，前面的控制电路首先进入稳定控制状态，然后 IB
缓慢增大，保护 LD免受冲击。
131
2.
从前面的内容可以知道,LD的输出特性与温度有着密切的关系 。 为了保证光发送机具有稳定的输出特性,对 LD的温度特性进行控制是非常必要的,而且对 LD的温度控制也是保护 LD的一项关键措施 。
132
温度变化引起 LD输出光功率的变化,虽然可以通过 APC电路进行调节,使输出光功率恢复正常值 。 但是,如果环境温度升高较多,经 APC
调节后,IB增大较多,则 LD的结温因此也升高很多,致使 Ith继续增大,造成恶性循环,从而影响了 LD的使用寿命 。
因此,为保证激光器长期稳定工作,必须采用自动温度控制电路 (ATC)使激光器的工作温度始终保持在 20度左右 。 LD的温度控制由微型制冷器,
热敏元件及控制电路组成,如图 5-38所示 。
133
图 5-38 LD的温度控制电路
134
微制冷器多采用半导体制冷器。它是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。当直流电流通过两种半导体组成的电偶时，
出现一端吸热另一端放热的现象，这种现象称为珀尔帖效应。微型半导体制冷器的温差可以达到 30℃ ～ 40℃ 。
135
制冷方式分为内制冷和外制冷两种。目前实际商用的半导体激光器总是和其他一些部件封装在一起，形成一个完整的 LD组件，其内部结构如图 5-39所示，它将 LD芯片、半导体制冷器和具有负温度系数的热敏电阻等封装在一个体积很小的密封盒内，控制电路放在盒外，这属于内制冷方式。内制冷方式不仅结构紧凑，控制效率也很高，使激光器有较恒定的输出光功率和发射波长。
外制冷方式是将外加半导体制冷器与山组件的密封盒紧密接触，通过控制电路给外加制冷器加直流,达到控制 LD周围环境温度的目的。 通常内制冷较外制冷方式更直接、有效。
136
图 5-39 LD组件内部结构
137
不论内制冷还是外制冷半导体制冷器都是非常重要的。图 5-40为半导体制冷器的结构示意图。
图中 (a)为单个热电偶的结构简图,(b)为热电偶组件，它是由多个热电偶按电学上串联、热学上并联的方式组成的。
单个热电偶是由 P型和 N型掺杂的半导体组成，它被焊接在铜连接片上，并用陶瓷面板将铜连接片与外表面电绝缘。当未接外电路时，跨越它两端形成的温度差使它的两端产生一与温度差成比例的电位差。此时将其与外电路的负载连接起来，将产生电流，从而输出电功率，这就是一个热电偶器件。
138
将热电偶与直流电源相连，如图 (a)所示，直流电流通过热电偶将产生珀尔帖效应，在它的一端吸收热量，与之相连的物体将被冷却；另一端排放热量，将散热器与之接触，该热电偶起到制冷器的作用。如果改变直流电流的方向，制冷器的吸热、散热端将互换。
由于热电偶堆是由多个热电偶串联起来的，
热电偶的个数越多，制冷量越大，在实际使用过程中，可根据所需的温差，选择不同的热电偶堆。
139
图 5-40 半导体制冷器的结构示意图
140
3.
光源是光发送电路的核心，它价格昂贵又较容易损坏。因此在光发送电路中必须设有保持电路，以防止意外的损坏。另外，当光发送电路出现故障时，告警电路应发出相应的声、光告警信号，以便于工作人员维护。
①光源的过流保护电路
②无光告警电路
③寿命告警电路
141
①光源的过流保护电路 了使光源不致因通过大电流而损坏，一般需对光源进行过流保护。图 5-41所示是激光器的过流保护电路，图中 T3为激光器提供偏流 IB。 保护电路由晶体管 T4,电阻 Rl组成。
正常情况下，电阻 R1上的电压小于 T4
的导通降压，因而 T4截止，保护电路不工作。当偏流 IB过大,致使 R1上的压降 V R1
剧增并超过 T4的导通压降时,T4饱和导通，
使 Vce4≈ 0,从而导致 T3截止，保护了激光器不致因偏流 IB过大而被损坏。
142
图 5-41 光源的过流保护
143
②无光告警电路 当光发送机电路出现故障，
或输入信号中断、或激光器损坏时，都可能使
LD长时间不发光。这时，无光告警电路都应动作，发出相应的声光告警信号。
图 5-42所示为无光告警原理图。 图中 A2的反向端为直流参考电压 VD,其同相端则为代表
LD输出光功率平均值的 Vf。 当 LD发光正常时，
PIN管检测到的光电流经 A1放大后送入 A2的同相端。这时,Vf＞ VD,因此 A2输出高电平,致使无光告警指示灯 LED不亮。当 LD不发光时,PIN
管检测不到光信号，因而 Vf＜ VD,A2输出低电平,使无光告警灯发出红色告警显示。另一路高电平为正常、低电平为告警的无光告警信号则被送入监控系统处理。
144
图 5-42 无光告警电路原理图
145
③寿命告警电路 随着使用时间的增长,LD阈值电流也将逐渐增大。当阈值电流增大到开始使用时的 1.5倍时，就认为激光器的寿命终止。
由于 IB≈ Ith,所以寿命告警电路通常采用监测偏流 IB的值来判断激光器寿命是否终止。也就是说，当 IB＞ 1.5Itho(Itho为
LD开始启用时的阈值电流 )时，寿命告警电路就发出告警指示。
146
图 5-43所示为寿命告警电路原理图。
图中 T3为激光器提供偏流 IB,T4,R1组成过流保护电路。由于 Vl≈ IBRl,所以调整电位器 W使 V2＝ 1.5IthoR1。 当激光器工作正常时,IB＜ 1.5Itho,则 Vl＜ V2,A1
输出高电平，寿命告警灯 不亮。
如果 IB＞ 1.5Itho,则激光器寿命终止，
这时 Vl＞ V2,A1输出低电平，寿命告警灯发黄色告警显示。 同样有一路高电平正常、低电平告警的寿命告警信号送到监控系统。
147
图 5-43 寿命告警电路原理图
