通信工程傳輸與接入光通信器件

1.4 光通信器件

1.4.1 光源

光源與光檢測器是光纖通信系統(tǒng)的主要器件。光源用在光發(fā)送機(jī)中，主要功能是產(chǎn)生光載波完成電信號到光信號的轉(zhuǎn)換（E/O）。光檢測器用在接收機(jī)中，主要功能是完成光信號到電信號的轉(zhuǎn)換（O/E）。

光纖通信最簡單的光源有半導(dǎo)體發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器。

1.半導(dǎo)體發(fā)光二極管

半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）是一前向偏置的PN結(jié)，注入的少數(shù)載流子（P型半導(dǎo)體的電子或N型半導(dǎo)體的空穴）通過自發(fā)輻射過程進(jìn)行復(fù)合，產(chǎn)生激光。光纖通信中使用較多的是面發(fā)光二極管（SLED）和邊發(fā)光二極管（ELED）。

圖1-8所示為SLED的典型結(jié)構(gòu)。雙異質(zhì)結(jié)生長在二極管頂部的N-GaAs襯底匕P-GaAs有源層厚度僅1?2nm,與其兩邊的N-GaAlAs和P-GaAlAs構(gòu)成兩個異質(zhì)結(jié)，限制了有源層中的載流子及光場分布。有源層中產(chǎn)生的光發(fā)射穿過襯底耦合入光纖，由于襯底材料的光吸收很大，用選擇腐蝕的辦法在正對有源區(qū)的部位形成一個凹坑，使光纖能直接靠近有源區(qū)。在P+-GaAs一側(cè)用Si02掩膜技術(shù)形成一個形的接觸電極，從而限定了有源層中有源區(qū)的面積，其大小與光纖纖芯面積相當(dāng)。

這種圓形發(fā)光面發(fā)出的光輻射具有朗伯分布。SLED與光纖的直接耦合效率很低，為了提高耦合效率，可在發(fā)光面與光纖之間形成微透鏡，提高入纖功率。

圖1-9所示為ELED的結(jié)構(gòu)圖。采用這種結(jié)構(gòu)是為了降低有源層中的光吸收，并使光束有更好的方向性，光從有源層的端面輸出。由于有源層很薄，產(chǎn)生的光場擴(kuò)展進(jìn)入約束層中。由于Ala4Gao.6As的帶隙比Ala丨Gao.9As大，吸收損耗低，使光在傳播方向上的自吸收大大降低了。結(jié)構(gòu)中的光導(dǎo)層可減少光束的發(fā)散，有利于將發(fā)光功率有效地耦合入光纖中。與輸出端相反的一端進(jìn)行反射鍍膜，可進(jìn)一步提高光輸出功率。

LED是一種非闡值器件，其發(fā)光功率隨工作電流的增加而增大，并在大電流時逐漸飽和。LED的輸出光功率P與電流/的關(guān)系（即/>-/特性）如圖1-10所示。當(dāng)工作溫度提高時，同樣工作電流下LED的輸出功率要下降。相對而言，溫度的影響要比LD小。

LED的工作基于半導(dǎo)體的自發(fā)發(fā)射，因此LED譜線寬度較寬，調(diào)制效率低。但LED使用壽命長，成本低，適用于短距離、小容量、低造價的傳輸系統(tǒng)。

　　2.半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器（LD）的機(jī)理主要利用了受激輻射。圖1-11所示為半導(dǎo)體光放大器（SOA）的框圖。SOA實(shí)際上是一個PN結(jié)，中間的耗盡層實(shí)際上充當(dāng)了有源區(qū)，當(dāng)光通過有源區(qū)時由于受激輻射而得到了放大。由于放大器的增益是波長的函數(shù)，因而放大器有源區(qū)的兩端面上鍍冇防反射涂層（AR），減少放大器的帶內(nèi)增益波動，對于激光器沒有AR.

實(shí)際中很少使用簡單的PN結(jié)，而是在PN結(jié)之間有一很薄的半導(dǎo)體材料，它與PN結(jié)的半導(dǎo)體材料相異，這種結(jié)構(gòu)稱為異質(zhì)結(jié)。中間一層半導(dǎo)體形成了一個有源區(qū)，它與P型或N型半導(dǎo)體材料相比，其禁帶寬度較小，而折射率較高。小的禁帶寬度有利于將注入到有源區(qū)的少數(shù)載流子限制在有源區(qū)內(nèi)，高的折射率使這種結(jié)構(gòu)構(gòu)成了一個電介質(zhì)波導(dǎo)，在放大時有利于將光限制在有源區(qū)。

　　LD是一閾值器件，其P-I特性如圖1-12所示。

LD的工作狀態(tài)隨注入電流的不同而不同。當(dāng)注入電流較小時，激活區(qū)不能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，自發(fā)發(fā)射占主導(dǎo)地位，激光器發(fā)射的是熒光。隨著注入電流的增加，激活區(qū)里實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，受激輻射占主導(dǎo)地位。但當(dāng)注入電流小于閾值電流時，諧振腔內(nèi)的增益還不足以克服損耗，不能在腔內(nèi)建立起振蕩。只有當(dāng)注入電流大于閾值電流時，才能產(chǎn)生功率較強(qiáng)的激光。

LD在高溫環(huán)境下工作會影響它的壽命，在高溫下LD的發(fā)射波長也會產(chǎn)生變化，以至影響數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的正常工作，所以在光發(fā)送機(jī)電路中需要對LD的溫度進(jìn)行控制，一般采用兩種方法來進(jìn)行溫度控制：一種是環(huán)境溫度控制法；另一種是對LD進(jìn)行自動溫度控制（ATC）。

LD的輸出光功率是隨著注入電流的不同而改變的，注入電流常用毫安（mA）來表示，光功率的單位為亳瓦（mW），但實(shí)際工程應(yīng)用中常用分貝（dBm）來表示。其定義為

LD穩(wěn)定的輸出功率對光發(fā)送機(jī)來說非常重要，一般通過APC來實(shí)現(xiàn)光功率的穩(wěn)定輸出。LD通過受激輻射產(chǎn)生激光，雖然價格較LED貴，但在高速率的PDH和SDH設(shè)備h得到廣泛使用，主要原因有：

（1）LD的發(fā)光波長適合在光纖的低損耗窗口傳輸；

（2）通過電流注入發(fā)光從而可以方便地進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制（IM）；

（3）與光纖的耦合效率高：

（4）響應(yīng)速度快、光束的相干性好，適合于高速率、大容量的光纖通信系統(tǒng)；

（5）半導(dǎo)體激光器實(shí)際上是一個PN結(jié)，因而可采用半導(dǎo)體集成技術(shù)批量生產(chǎn)。

為了形成穩(wěn)定而較強(qiáng)的激光輸出，LD常被制成諧振腔形式，由于諧振腔的作用，使得波長具有選擇性（滿足“腔長”是半波長整數(shù)倍條件，頻率間隔為c/（2nL）tL為腔長，n為折射率）。如果激光器同時有多個模式振蕩就稱為多模激光器（MLM），由于光纖中存在色散，因而光源的譜寬應(yīng)盡可能的窄，希望激光器僅僅工作在單縱模，這樣的激光器稱為單縱模激光器（SLM）。SLM可以在激光器中利用濾波器原理來選擇所需的波長同時對不需要的波長提供損耗，邊模抑制比（SSR）是SLM的一個重要參數(shù)，它決定了相對于主模其他縱模被抑制程度，典型的SSR的值為30dB.圖1-13所示為MLM和SLM的光譜。

腔內(nèi)構(gòu)成的激光器。F-P腔激光器一般用在短距離的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中。

（1）分布反饋（DFB）激光器：采用周期性波導(dǎo)，通過合理設(shè)計(jì)器件，可以形成單個縱模輸出，通過改變其變化周期就可以得到不同的工作波長。DFB激光器的制作工藝比F-P腔激光器的制作工藝簡單，雖然價格較貴，但在高速光纖通信系統(tǒng)應(yīng)用非常普遍。

（2）垂直腔面發(fā)光激光器（VCSEL）：若使腔長特別短則縱模間隔就很大，可以使增益譜內(nèi)只有一個波長從而獲得單縱模。多用于陣列波導(dǎo)。

（3）鎖模激光器：常用作產(chǎn)生超短（脈沖寬度很窄）光脈沖。

（4）量子阱（QW）激光器：是一種窄帶隙有源區(qū)夾在寬帶隙半導(dǎo)體材料中間或交替重疊生長的激光器，QW激光器的主要特點(diǎn)是閾值電流低、線寬變窄、動態(tài)單縱模特性好。

（5）多波長激光器陣列：多個激光器集成在一起，多用在DWDM系統(tǒng)中。

4.激光器組件

通信中使用的激光器常常是激光器組件，所謂組件是將激光器與其他光器件如光電二極管、光隔離器、光纖等和電子器件如FEC電致冷器等封裝在一起作為一個光機(jī)電的有機(jī)結(jié)合整體，以使激光器在寬的溫度范圍長時間穩(wěn)定工作（如光功率恒定、光波長不漂移）。常用激光器組件一般包括以下的獨(dú)立部分。

（1）激光器（如DFB激光器、量子阱激光器）。

（2）PIN光電二極管，用來監(jiān)測其輸出光功率以使光功率穩(wěn)定。

（3）TEC致冷器、散熱器，用來將激光器的工作溫度控制在一定的范圍。

（4）激光器與X光纖的耦合部分，以便將光很好地耦合到光纖，這一段光纖常稱為尾纖。

（5）光隔離器（ISO），以防止反射光進(jìn)入激光器影響激光器的性能。

（6）光濾波器，如F-P濾波器、布拉格濾波器，用來選擇合適的光譜，用于DWDM系統(tǒng)。

（7）調(diào)制器，如電吸收MQW外調(diào)制器，用于高速率的系統(tǒng)。

（8）半導(dǎo)體光放大器（SOA），用來提升發(fā)送光功率。

激光器組件主要的性能指標(biāo)有：光功率（dBm）、光波長、工作的比特率（Gbit/s）等，還有如溫度范闈、電源供電、物理尺寸、光功率的安全保護(hù)等。

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