1、第第9 9章章 光纖通信技術光纖通信技術 光纖通信技術是光纖應用技術的一個重要應用方向，它是以光纖技術、激光技術和光電集成技術為基礎而發展起來的。光纖通信是以光纖作為傳輸媒介、光波為載頻的一種先進的通信手段。即利用近紅外區域波長1000nm左右的光波作為信息的載波信號，把電話、電視、數據等電信號調制到光載波上，再通過光纖傳輸信息的一種通信方式。光纖通信具有許多獨特的優點，所以光纖一經問世，就以科技史上罕見的速度迅速發展而成為有效的通信手段。本章主要介紹了光纖通信的特點、分類和光纖通信系統的基本組成，以及光纖通信網絡和光通信的新技術。9.2 9.2 光源與光發送機光源與光發送機 光發送機的作用是

2、將電信號轉變成光信號，并有效地把光信號送入傳輸光纖。其關鍵器件是光源，主要功能是產生光載波，完成電信號到光信號的轉換。目前光纖通信廣泛使用的光源主要有半導體激光二極管（LD）和發光二極（LED），有些場合也使用固體激光器。本節首先介紹半導體光源的工作原理、基本結構和主要特性，然后進一步介紹光發送機各組成部件的工作機理。9.2.19.2.1光纖通信對光源器件的要求光纖通信對光源器件的要求 光纖通信對光源器件的要求是： 光源器件發射光波長與使用光纖的傳輸窗口波長一致，一般應位于光纖的三個低衰耗窗口，即0.85m、l.31m和1.55m附近。 可以進行光強度調制，線性好，帶寬大；發射光功率足夠高，以

3、便可以傳輸較遠的距離。光源器件一定要能在室溫下連續工作，而且其入纖光功率足夠大，最少也應有數百微瓦，甚至達到1mW（0dBm）以上。 溫度穩定性好，即溫度變化時，輸出光功率以及波長變化應在允許的范圍內。光源器件的輸出特性如發光波長與發射光功率大小等，一般來講隨溫度變化而變化，尤其是在較高溫度下其性能容易劣化。 發光譜寬窄，以降低光纖色散的影響。光源器件發射出來的光的譜線寬度應該越窄越好。因為若其譜線過寬，會增大光纖的色散，減小了光纖的傳輸容量與傳輸距離（色散受限制時）。例如對于長距離、大容量的光纖通信系統，其光源的譜線寬度應該小于2nm，甚至到亞納米級。 可靠性高，要求它工作壽命長，工作穩定性

4、好，具有較高的功率穩定性、波長穩定性和光譜穩定性；光纖通信要求其光源器件長期連續工作，因此光源器件的工作壽命越長越好。目前工作壽命近百萬小時（約100年）的半導體激光器已經商用化。 體積小、質量輕、與光纖之間有較高的耦合效率。光源器件要安裝在光發送機或光中繼器內，為使這些設備小型化，光源器件必須體積小、質量輕。由于光纖的幾何尺寸極小（單模光纖的芯徑不足1m） ,所以要求光源器件要具有與光纖較高的耦合效率。 能夠滿足以上要求的光源一般為半導體發光器，另外全光纖激光器作為一種新型的激光器也有望在光纖通信系統中發揮其作用。目前，光纖通信中最常用的半導體發光器件是LED和LD。前者可用于短距離、低容量

5、或模擬系統，其成本低，可靠性高；后者適用于長距離、高速率的系統。 9.2.29.2.2發光二極管（發光二極管（LEDLED）1.LED1.LED的發光機理與結構的發光機理與結構 LED的核心部分是由P型和N型半導體結合構成的PN結，為正向工作器件。一般的PN結由同一種半導體材料構成，P區、N區具有相同的帶隙和接近相同的折射率，這種PN結稱為同質結。在同質結中，光發射在結的兩邊都可以發生，因此，發光不集中，強度低，需要較大的注入電流。器件工作時發熱非常嚴重，必須在低溫環境下工作，不可能在室溫下連續工作。為了克服同質結的缺點，需要加強結區的光波導作用及對載流子的限定作用，這時可以采用異質結結構。所

6、謂異質結，就是由帶隙及折射率都不同的兩種半導體材料構成的PN結。異質結可分為單異質結（SH）和雙異質結（DH）。異質結是利用不同折射率的材料來對光波進行限制，利用不同帶隙的材料對載流子進行限制，如圖9.2所示。LED是由P型半導體形成的P層和N型半導體形成的N層，以及在中間由異質結構成的有源層組成。有源層是發光的區域，其厚度為0.10.2m。 形成發光條件的過程參見圖9.2。由雙異質結構成LED的能帶狀態，使P層和有源層以及N層的能量差（即帶隙）變大。這個能量差就是所謂的異質結勢壘。在正向偏壓作用下，N區的電子將向正方向擴散進入有源層，P區的空穴也將向負方向擴散進入有源層。進入有源層的電子和空

7、穴，由于異質結勢壘作用而被封閉在有源層內，形成粒子數反轉分布。封閉在有源層內并形成粒子數反轉分布的電子，經躍遷與空穴 復合時，電子從高能級范圍的導帶躍遷到低能級范圍的價帶，并釋放出能量約等于禁帶寬度Eg（導帶與價帶之差）的光子，即發出熒光。這種復合的自發輻射光通過外加正向偏置形成的注入電流，源源不斷地向有源層提供電子和空穴得以維持。 LED由于利用正向偏壓下的PN結在有源層內載流子的復合發出自發輻射的光，所以LED的出射光是一種非相干光，其譜線較寬(3060nm) ，輻射角也較大。在低速率的數字通信和較窄帶寬的模擬通信系統中，LED是可以選用的最佳光源，與LD相比，LED的驅動電路較為簡單，并

8、且產量高、成本低。LED主要有五種結構類型，但在光纖通信中獲得了廣泛應用的只有兩種，即面發光二極管（SLED）和邊發光二極管（ELED）。 SLED的結構如圖9.3所示，由n-p-p雙異質結構成。雙異質結生長在LED頂部的nGaAs襯底上，pGaAs有源層厚度僅12m,與其兩邊的nA1GaAs和pA1GaAs構成兩個異質結，限制了有源層中的載流子及光場分布。這種LED有源層發射面限定在一個小區域內，該區域的橫向尺寸與光纖尺寸相近。有源層中產生的光發射穿過襯底耦合入光纖，由于襯底材料的光吸收很大，可利用腐蝕的方法在襯底材料正對有源區部位腐蝕出一個凹坑，使光纖能直接靠近有源區。另外，在p+GaAs

9、一側用Si02掩模技術形成一個圓形的接觸電極，從而限定了有源層中源區的電流密度約200A/cm2。這種圓形發光面發出的光輻射具有朗伯分布。 SLED輸出的功率較大，一般注入100mA電流時，就可達幾個毫瓦，但光發散角大，水平和垂直發散角都可達到120，與光纖的耦合效率低。為了提高耦合效率，圖圖9.3 SLED9.3 SLED的結構的結構可在發光面與光纖之間凹陷的區域注入環氧樹脂，并在光纖末端放置微透鏡或形成球透鏡，從而使入纖功率提高23倍。圖圖9.4 ELED9.4 ELED的結構的結構 ELED的結構圖如圖9.4所示。這種結構的目的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

10、的端面輸出。ELED利用Si02掩模技術，在P面形成垂直于端面的條形接觸電極（4050m），從而限定了有源區的寬度；同時，增加光波導層，進一步提高光的限定能力，把有源區產生的光輻射導向發光面，提高與光纖的耦合效率。另外，ELED有源區一端鍍高反射膜，另一端鍍增透膜，以實現單向出光。這種 LED在垂直于結平面方向，發散角約為30，具有比SLED高的輸出耦合效率。2.LED2.LED的主要特性的主要特性(1)光功率注入電流(P-I)特性 LED的輸出光功率P與注入電流I的關系，即P-I特性，如圖9.5所示。LED為非閾值器件，其發光率隨工作電流增大而增大，當注入電流較小時，線性度非常好；但當注入電

11、流比較大時，由于PN結的發熱，發光效率降低，并在大電流時出現逐漸飽和現象。在同樣的注入電流下，SLED的輸出功率要比ELED大2.53倍，這是由于ELED受到更多的吸收和界面復合的影響。 在通常應用條件下，LED的工作電流通常為50150mA，偏置電壓1.21.8V，輸出功率約幾毫瓦，但因其與光纖的耦合效率很低，入纖功率要小很多。 溫度對LED的P-I特性也有影響，如圖9.5所示，當工作溫度升高時，同一電流下的發射功率要降低，如當溫度從20升高到70時，輸出功率下降約一半。但相對LD而言，LED的溫度特性較好，在實際應用中，一般可以不加溫度控制。 (2)發光波長與光譜特性 LED發射的光子的能

12、量、波長取決于半導體材料的帶隙Eg，以電子伏特（eV）表示，發射波長為)()(240. 1gmeVE（9.1） 例如，對于GaAs,Eg1.22eV，用它制作的LED的發射波長就為0.87m。不同的半導體材料、不同的材料成分有不同的禁帶寬度Eg ，可以發射不同波長的光。LED的工作原理基于半導體的自發輻射，并且LED沒有諧振腔實現對波長的選擇，因此發光譜線較寬。由于半導體材料的導帶和價帶都由許多不同的能級組成，如圖9.6（a）所示。大多數的載流子復合發生在平均帶隙上，但也有一些復合發生在最低及最高能級之間。因此，LED的發射波長在其中心值附近占據較大的范圍。如把光強下降一半時的兩點間波長范圍定

13、義為輸出譜線寬度（半功率點全寬FWHP），即光源的線寬，如圖9.6（b）所示。在室溫下，短波長LED的線寬為2520nm，長波長LED的線寬則可達75100nm。LED的譜線寬度反映了有源區材料的導帶與價帶內的載流子分布。圖圖9.6 9.6 導體的價帶能級間的光發射及線寬導體的價帶能級間的光發射及線寬圖圖9.7 LED9.7 LED的譜線特性的譜線特性 LED的線寬與許多因素有關。線寬隨有源層摻雜濃度的增加而增加，如圖9.7（a）所示。通常SLED為重摻雜，ELED為輕摻雜，因此ELED的線寬稍窄。載流子在高溫下有更寬的能量分布，因此，大電流時隨結溫升高而線寬加大，同時峰值波長向長波移動，移動

14、速度為0.20.3nm/（短波長器件）或0.30.5nm/（長波長器件），如圖9.7（b）所示。由于LED的線寬大，使光纖色散加重，從而限制了傳輸距離和速率。(3)調制特性 從LED的P-I特性可見，改變LED的注入電流就可以改變其輸出光功率，如圖9.8所示。這種直接改變光源注入電流實現調制的方式稱為直接調制或內調制（IM）。在數字調制時，可由電流源直接控制LED的通斷；在模擬調制時，則先要將LED直流偏置IB。圖圖9.8 LED9.8 LED的調制原理圖的調制原理圖 LED的調制特性主要包括線性和帶寬兩個參量。從LED的PI特性可知，當注入小電流時，其線性相當好，但當注入電流較大時，會逐漸出

15、現飽和現象，使模擬調制信號產生失真。因此，即使對于線性要求較高的模擬傳輸來說，LED工作在線性區時也是非常合適的光源。但若是對線性要求特別高（如廣播電視傳輸）時，則需要利用線性補償電路進行線性補償。圖圖9.9 LED9.9 LED的頻率響應的頻率響應 LED調制特性的另一個重要參量是調制帶寬。在調制頻率較低時，輸出交流功率正比于調制電流；但隨著調制頻率的提高，交流功率會下降。圖9.9為LED的頻率響應，圖中顯示出少數載流子的壽命和截止頻率fc的關系。對有源區為低摻雜濃度的LED，適當增加工作電流可以縮短載流子壽命，提高截止頻率。3.LED3.LED的特點的特點 LED是光纖通信中應用非常廣泛的

16、光源器件之一，因為它具有以下優點： 線性度好。LED發光功率的大小基本上與其中的工作電流成正比關系，也就是說LED具有良好的線性度。 溫度特性好。相對于LD而言，LED的溫度特性比較好，在溫度變化100的范圍內，其發光功率的降低不會超過50%，因此在使用時一般不需要加溫控措施。 價格低、壽命長、使用簡單。LED是一種非閾值器件，所以使用時不需要進行預偏置，也不存在閾值電流隨溫度及工作時間而變化的問題，故其使用非常簡單。此外，與LD相比它價格低廉，工作壽命也較長。據報道工作壽命近千萬小時（107）的LED已經問世。同樣，LED也存在以下缺點： 由于LED的發光機理是自發輻射發光，所發出的光不是相

17、干光而是熒光，所以其譜線較寬，一般在30100nm范圍，故難以用于大容量的光纖通信之中。 LED和光纖的耦合效率比較低，一般僅有1%2%,最多不超過10%。光源器件與光纖之間的耦合效率，與光源發光的輻射圖形、光源出光面積與纖芯面積之比以及兩者之間的對準程度、距離等因索有關。4.LED4.LED的應用范圍的應用范圍 由于LED譜線較寬、與光纖耦合效率較低，所以難以用于大容量長距離的光纖通信。但因其使用簡單，價格低廉，工作壽命長等優點，它廣泛地應用在較小容量，較短距離的光纖通信之中；而且由于其線性度甚佳，所以也常用于對線性變要求較高的模擬光纖通信之中。9.2.39.2.3半導體激光器（半導體激光器

18、（LDLD）1.1.半導體激光器的工作原理與結構半導體激光器的工作原理與結構 半導體激光器即激光二極管（LD）是利用在有源區中受激輻射而發射光的光器件。LD產生激光輸出的三個基本條件：粒子數反轉分布、提供光反饋和滿足激光振蕩的閾值條件。 為了產生受激輻射，必須建立粒子非平衡分布，使高能級的粒子數大于低能級的粒子數，產生粒子數反轉分布。使受激輻射大于受激吸收、處于粒子數反轉狀態，可采用電或光的泵浦。 在有源區內，開始少數載流子的自發輻射產生光子。一部分光子一旦產生，就穿出有源區，得不到放大；而另一 部分光子可能在有源區內傳播，并引起其他電子空穴對的受激輻射，產激輻射，產生更多的性能相同的光子，得

19、到放大。為了得到激光，必須將激活物質置于光學諧振腔中，如圖9.10所示。通過腔兩端的反射，向光子提供正反饋。光信號每通過一次增益介質就得到一次放大。這種光學結構稱為法布里一珀羅諧振腔，簡稱F-P諧振腔。圖圖9.10 FP 9.10 FP 諧振腔諧振腔 由于在諧振腔中，光波是在兩塊反射鏡之間往復傳輸，這時只有在滿足特定相位關系的光波才能得到彼此加強，即相位條件，對應光波頻率為nLmcfm2（9.2）式中，fm為光波的頻率；n為工作介質的折射率；c為光速；m=1,2,。由（9.2）式可以看出，激光器中振蕩光頻率只能取某些分立值，一系列不同的m取值對應于沿諧振腔軸向一系列不同的電磁場分布狀態（駐波）

20、，通常把這種沿諧振腔的軸線方向（縱向）形成的駐波叫做縱模。一般半導體激光器的m值為2000左右。相鄰兩縱模之間的頻率之差：nLcf2（9.3）稱為縱模間隔，它與諧振腔長及工作物質有關。LD中激光振蕩也可以出現在垂直于腔軸線的方向，這是平面波偏離軸向傳輸時產生的橫向電磁場分布，稱為橫模。 在注入電流的作用下，有源區的受激輻射不斷增強，稱為增益。在F-P腔中，每次通過增益介質時的增益盡管很小，但經過多次振蕩后，增益變得足夠大。LD工作過程中，光在諧振腔內傳播，除了增益介質的光放大作用外，還存在工作物質的吸收、介質不均勻引起的散射，反射鏡的非理想性引起的透射及散射等損耗情況，所以也就只有光波在諧振腔

21、內往復一次的放大增益大于各種損耗引起的衰減，激光器才能建立起穩定的激光輸出。因此LD是閾值器件，只有在工作電流超過閾值電流的條件下，才會輸出激光。圖圖9.11 LD9.11 LD的結構的結構 LD的結構如圖9.11所示。其結構與LED的結構類似，通常也是由P層、N層和形成雙異質結構的有源層構成。和LED所不同的是，為了實現光的放大反饋，用半導體工藝技術在垂直于PN結有源層的兩個端面加工出兩個相互平行的反射鏡面，這兩個反射鏡面與原來的兩個結里面（晶體的天然晶面）構成了諧振腔結構。當在雙異質結LD兩端加上正偏置電壓時，像LED一樣在PN結區域內形成粒子數反轉分布，產生電子與空穴的復合而釋放光子。只

22、要外加正偏置電流足夠大，光子的往復運動就會激射出更多的、與之頻率相同的光子，即發生振蕩現象，從而發出激光。 2.LD2.LD主要特性主要特性 （1） PI特性 LD的PI曲線如圖9.12所示。從圖9.12可以看出，隨著激光器注入電流I的增加，其輸出光功率P增加，但不是成直線關系，存在一個閾值電流Ith。當注入電流小于閾值電流時，激光器發出微弱的自發輻射光，類似于LED的發光情況，LD發出的是光譜很寬、相干性很差的自發輻射光。只有當注入電流大于閾值電流后，激光器進入受激輻射狀態發射出激光，輸出光功率才隨注入電流增加而迅速增加且與注入電流基本保持線性關系。 （2）溫度特性 LD的P-I特性對溫度很

23、敏感，圖9.13給出了不同溫度下P-I特性的變化情況。LD的P-I特性隨器件的工作溫度要發生變化，當溫度升高時，LD的P-I特性發生變化，閾值電流也會升高，閾值電流與溫度T的關系可表示為)exp()(00thTTITI（9.4）式中，T0為器件的特征溫度，T、 T0為熱力學溫度；I0為TT0時閾值電流的1/e。圖圖9.12 LD9.12 LD的的P-IP-I曲線曲線圖圖9.13 LD9.13 LD的的PIPI曲線隨溫度的變化曲線隨溫度的變化 為解決LD溫度敏感的問題，可以在驅動電路中進行溫度補償，或是采用制冷器來保持器件的溫度穩定。通常將LD與熱敏電阻、半導體制冷器等封裝在一起，構成組件。熱敏

24、電阻用來檢測器件溫度，控制制冷器，實現閉環負反饋自動恒溫。 （3）發射波長與光譜特性 LD的發光原理是位于高能級（E2）的電子躍遷到低能級時釋放出多余的能量而轉換為輻射發光。輻射光的光量子能量等于E2-E1，光的頻率與該能量差成正比，即）（eVEEEhg12（9.5）式中，是光的頻率，h是普朗克常數，則光波長由上式得m1024. 161212EEEEhc（9.6） FP-LD通常工作在多縱模狀態，輸出多縱模激光，光譜較寬（24nm），如圖9.14（a）所示。然而光纖長距離、大容量的傳輸過程中，多縱模的存在將使光纖中的色散增加。這種多縱模LD可以工作在1.31m波長上，速率高達2Gb/s的第二代

25、光纖通信系統，但不能工作在1.55m波長的第三代光纖通信系統，除非采用色散位移光纖，或設計出單縱模工作的LD，單縱模LD中除了一個主模外，其他縱模都被抑制，同時主模的譜線寬度非常窄，通常小于1nm，如圖9.12（b）所示。圖圖9.14 LD9.14 LD的多模（的多模（a a）和單模（）和單模（b b）輸出譜）輸出譜 （4）發光效率 LD的光功率輸出可表示為式中，I為注入電流；i為內量子效率，測試表明，室溫下其值為0.60.7；d為微分外量子效率，定義為閾值以上光子輸出速率增量與注入電子增量之比，顯然與各種損耗有關。d可通過PI特性的斜率P/I來計算:thdi0IIehP（9.7）IPEeeI

26、hPgd（9.8）式中，Eg為帶隙能量，為工作波長。通常LD每個端面的d的值為0.150.25，高質量的LD則可達0.300.40,但在使用上也不是d越大越好。在高注入電流時（如I5Ith），d T；而低注入時則T要下降。另外，LD的轉換效率為輸出光功率與輸入電功率之比，通常約為10%，這在激光器中效率是高的。 （5）調制特性 與LED調制不同的是，LD由于存在閾值電流，在實際的調制電路中，為提高響應速度和不產生失真，需要進行直流偏置處理。圖9.15為LD的直接調制的原理圖。在高速調制情況下，LD會出現許多復雜動態性質，如出現電光延遲、弛豫振蕩、自脈動和碼型效應等現象。這些特性會對系統傳輸速率

27、和通信質量帶來影響。thdT1II（9.9）當注入電流I在閾值電流Ith以上時，LD的輸出功率與注入電流近似成線性，其總效率T（外量子效率）可表示為圖圖9.15 LD9.15 LD的直接調制原理圖的直接調制原理圖 LD在信號電流直接調制下，除了輸出強度發生變化外，其譜特性也會發生變化，如圖9.16所示。在閾值附近，輸出較寬，隨著電流的增大，模式選擇性增大，相鄰模得到抑制。這時，總的強度不變，但模間相對強度在改變。這種模間分配效應在直接調制下最明顯，使長距離光纖系統中因光纖色散而在接收機內產生強度脈動，使誤碼率增大。圖圖9.16 GaAs9.16 GaAsLD LD 直直流流 （6）噪聲特性 L

28、D的輸出總伴隨有噪聲分量，表現為強度、相位和頻率的隨機波動，即使在恒定的電流偏置下，這些波動亦總是存在。LD的噪聲源于自發輻射，每個自發輻射光子向由受激輻射建立的相干光場疊加一個相位隨機變化的小的場分量，從而以隨機的方式擾動了相干光場的振幅和相位，由于LD的自發輻射速率較大，因而隨機擾動的速率很高，結果輻射光強度和波動速率亦很高。強度的波動導致激光器的調制脈沖輸出信噪比降低。而相位波動導致在連續工作時有限譜線，在脈沖工作時導致LD輸出譜線的展寬。圖圖9.17 9.17 單縱模單縱模LDLD的增益和損耗分布的增益和損耗分布3. 單縱模LD 單縱模工作的LD的設計思想基于縱模的損耗差，即不同的縱模

29、具有不同的損耗，使某一縱模的損耗最小（凈增益最大）而達到振蕩條件。圖9.17給出了這種LD的增益和損耗分布，具有最小損耗的縱模首先達到閾值條件而成為振蕩主模，其他模式由于具有較大的損耗而基本上被抑制掉。 單縱模LD的性能通常由邊模抑制比（MSR）來表征，其定義為smmmPPMSR （9.10）式中，Pmm為主模的功率，Psm為最大的邊模(次模)的功率。對于一個較好的單縱模LD,MSR大于30dB。 分布反饋LD是一種可以產生動態控制的單縱模激光器，這種結構的LD又可分為分布反饋LD（DFB-LD，光柵沿著整個有源層）和分布布拉格反射LD（DBR-LD，其光柵位于有源層的兩端）。在對光具有放大作

30、用的有源層附近，表面刻有波紋狀衍射光柵，以形成光的反饋，構成一只對波長敏感的諧振腔。這種分布反饋結構像是分布著多個光學諧振腔，根據衍射光柵的周期性結構（波紋狀的間距），使LD具有極強的波長選擇性，實現了發光波長的單縱模工作。 DFB-LD的線寬大約為DBR-LD的線寬的1/10（約0.5nm），如圖9.18所示，從而使波長色散的影響大為降低，可以實現速率為數Gb/s的超高速傳輸。圖圖9.18 9.18 分布反饋分布反饋LDLD4. LD的特點（1）LD的優點 LD所發出的光的譜線十分狹窄，有15nm。從而大大降低了光纖系統的色散，增大了光纖的傳輸帶寬。故LD可適用于大容量的光纖通信。 LD所發

31、出的光的方向一致性好，發散角小，與光纖的耦合效率較高。一般用直接耦合方式就可達20%以上，如果采用適當的耦合措施可達90%。由于耦合效率高，入纖光功率大，故LD適用于長距離的光纖通信。 LD是一個閾值器件，在實際使用時必須對之進行預偏置。對LD進行預偏置可以減少由于建立和閾值電流相對應的載流子密度所出現的時延，提高LD的調制速率，使LD適用于大容量光纖通信。 （2）LD的缺點 和LED相比，LD的溫度特性較差，主要表現在其閾值電流隨溫度的上升而增加。當溫度從20上升到50時，LD的閾值電流會增加12倍，這樣會給使用帶來許多不便。在一般情況下LD要加溫度控制和制冷措施。為了獲得好的高頻調制性能，驅動電