第05章光源与光发送机课件

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1、1第五章第五章 光源与光发送机光源与光发送机5.1 半导体光源的物理基础半导体光源的物理基础5.2 半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理5.3 光源的工作特性光源的工作特性5.4 光光 发发 送送 机机5.5 驱动电路和辅助电路驱动电路和辅助电路25.1 半导体光源的物理基础半导体光源的物理基础5.1.1 孤孤立立原原子子的的能能级级和和半半导导体体的能带的能带1. 孤立原子的能级孤立原子的能级原原子子是是由由原原子子核核和和围围绕绕原原子子核核旋旋转转的的电电子子构构成成。围围绕绕原原子子核核旋旋转转的的电电子子能能量量不不能能任任意意取取值值，只只能能取取特特定定的的离离散散值值，这这

2、种种现象称为电子能量的量子化。现象称为电子能量的量子化。32. 半导体的能带半导体的能带 在在单单个个原原子子中中，电电子子是是在在原原子子内内部部的的量量子子态运动的。态运动的。 当当大大量量原原子子结结合合成成晶晶体体后后，邻邻近近原原子子中中的的电电子子态态将将发发生生不不同同程程度度的的交交叠叠，原原子子间间的的影影响响将将表表现现出出来来。原原来来围围绕绕一一个个原原子子运运动动的的电电子子，现现在在可可能能转转移移到到邻邻近近原原子子的的同同一一轨轨道道上上去去 ，晶晶体体中中的的电电子子不不再再属属于于个个别别原原子子所所有有，它它们们一一方方面面围围绕绕每每个个原原子子运运动动

3、，同同时时又又要要在在原原子子之之间间做做共有化运动，如图共有化运动，如图5-1所示。所示。 4图图5-1 晶体中电子的运动晶体中电子的运动 gongyh.swf 5在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶体在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶体在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶体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内部电子的共有化运动内部电子的共有化运动内部电子的共有化运动 ，使孤立原子中离散能级变成能带。，使孤立原子中离散能级变成能带。，使孤立原子中离散能级变成能带。，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

4、内部原子有规则地、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，彼此靠得很近，组成有一定宽度的带，成为能带，如图如图5-2所示。所示。 内层电子态之间的交叠小，原子间的影响弱，内层电子态之间的交叠小，原子间的影响弱，分成的能带

5、比较窄；外层电子态之间的交叠大，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。原子间的影响强，分成的能带比较宽。 6图图5-2 晶体中的能带晶体中的能带 nengdai.swf 7 锗、硅和砷化镓锗、硅和砷化镓GaAs 等一些重要的半导体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。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在半导体物理中，通常把这种

6、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，被宽度为和价带之间，被宽度为Eg的禁带所分开，如图的禁带所分开，如图5-3所示。所示。 原子的电离以及电子与空穴的复合发光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。等过程，主要发生在导带和价带之间。8图图5-3 导带和价带导带和价带 jiadai.swf 92. 半导体的能带分布半导体的能带分布 抛物线导带和价带是半导体材料典型的能带结构。价抛物线导带和价带是半导体材料典型的能带

7、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，与空穴的复合发光等过程，主要发生在价带和导带之间，当导带当导带(能级能级E2)被电子占据，价带被电子占据，价带(能级能级E1)是空的，即被是空的，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几率由费密一狄拉克分布给出 式中式中Efc和和Efv是费密能级。是费密能级。 105.1.2 光与物质的相互作用光与物质的相互作用1. 自发辐射自发辐射处处于于高高能

8、能级级的的电电子子状状态态是是不不稳稳定定的的，它它将将自自发发地地从从高高能能级级(在在半半导导体体晶晶体体中中更更多多是是指指导导带带的的一一个个能能级级)运运动动(称称为为跃跃迁迁)到到低低能能级级(在在半半导导体体晶晶体体中中更更多多是是指指价价带带的的一一个个能能级级)与与空空穴穴复复合合，同同时时释释放放出出一一个个光光子子。由由于于不不需需要要外外部部激激励励，所所以以该该过过程程称称为为自自发辐射。发辐射。zffushe.swf 11根根据据能能量量守守恒恒定定律律，自自发发辐辐射射光光子子的的能量为：能量为：h12=E2-E1式式 中中 ： h为为 普普 朗朗 克克 常常 数

9、数 ， 其其 值值 为为6.62610-34Js；12为为光光子子的的频频率率；E2为为高高能级能量；能级能量；E1为低能级能量。为低能级能量。122. 受激辐射受激辐射在在外外来来光光子子的的激激励励下下，电电子子从从高高能能级级跃跃迁迁到到低低能能级级与与空空穴穴复复合合，同同时时释释放放出出一一个个与与外外来来光光子子同同频频、同同相相的的光光子子。由由于于需需要外部激励，所以该过程称为受激辐射。要外部激励，所以该过程称为受激辐射。3. 受激吸收受激吸收在在外外来来光光子子激激励励下下，电电子子吸吸收收外外来来光光子子能能量量而而从从低低能能级级跃跃迁迁到到高高能能级级，变变成成自自由电

10、子。由电子。sjxishou.swf sjfushe.swf 135.1.3 粒子数反转分布状态粒子数反转分布状态1. 粒子数正常分布状态粒子数正常分布状态在在热热平平衡衡状状态态下下，高高能能级级上上的的电电子子数数要少于低能级上电子数。要少于低能级上电子数。142. 粒子数反转分布状态粒子数反转分布状态为为了了使使物物质质发发光光，就就必必须须使使其其内内部部的的自自发发辐辐射射和和/或或受受激激辐辐射射几几率率大大于于受受激激吸吸收收的的几几率率，这这一一点点我我们们已已经经在在介介绍绍光光与与物物质质的相互作用过程中提及过。的相互作用过程中提及过。有有多多种种方方法法可可以以实实现现能

11、能级级之之间间的的粒粒子子数数反反转转分分布布状状态态，这这些些方方法法包包括括光光激激励励方方法、电激励方法等。法、电激励方法等。155.2 半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理5.2.1 PN结的形成及其能带结构结的形成及其能带结构1. PN结的形成结的形成半半导导体体光光源源的的核核心心是是PN结结，将将P型型半半导导体体和和N型半导体相接触就能形成型半导体相接触就能形成PN结。结。 而而P型型半半导导体体和和N型型半半导导体体是是通通过过向向半半导导体体掺掺入入杂杂质质而而制制成成，杂杂质质原原子子与与半半导导体体原原子子相相比比有有过剩的价电子或过少的价电子。过剩的价电子或过少的

12、价电子。16 对对N型型半半导导体体，过过剩剩电电子子占占据据了了未未掺掺杂杂(本本征征)半半导导体体中中空空的的导导带带，占占据据几几率率由由费费密密一一狄狄拉拉克克分布决定。分布决定。 对对本本征征半半导导体体费费密密能能级级位位于于带带隙隙中中间间，价价带带中中所所有有位位置置都都由由电电子子填填充充(黑黑圆圆点点)，而而导导带带中中所所有位置都空着，如图有位置都空着，如图5.3(a)所示。所示。 当杂质浓度增大时，费密能级向导带移动，当杂质浓度增大时，费密能级向导带移动，对重掺杂对重掺杂N型半导体，费密能级位于导带内，这型半导体，费密能级位于导带内，这样的半导体称为兼并型样的半导体称为

13、兼并型N型半导体，如图型半导体，如图5.3(b)所所示。示。17 类似地对类似地对P型半导体，费密能级型半导体，费密能级Efv向向价带移动，并在重掺杂时位于价带内，称价带移动，并在重掺杂时位于价带内，称为兼并型为兼并型P型半导体如图型半导体如图53(c)所示。所示。 在非热平衡状态时，价带中载流子分在非热平衡状态时，价带中载流子分布与兼并型布与兼并型P型半导体的分布相似，而导带型半导体的分布相似，而导带中则与兼并型中则与兼并型N型半导体分布相似，称为型半导体分布相似，称为双兼并型半导体，如图双兼并型半导体，如图5。3(d)所示。所示。 简并型简并型P型半导体，费米能级型半导体，费米能级Ef会进

14、入会进入价带，如图价带，如图5-4(a)所示；所示； 简并型简并型N型半导体，型半导体，费米能级费米能级Ef会进入导带，如图会进入导带，如图5-4(b)所示。所示。18图图53半导体材料载流子分布半导体材料载流子分布(a)本征半导体；本征半导体；(b)兼并型兼并型N型半导体；型半导体；(c)兼并型兼并型P型半导体；型半导体；(d)双兼并型半导双兼并型半导体。体。 19PN结、同质结与异质结结、同质结与异质结 一块单晶半导体中一块单晶半导体中 ，一部分掺有受主杂质，一部分掺有受主杂质是是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时型半导体时 ，P 型半导体和型半

15、导体和N型半导体的型半导体的交界面附近的过渡区称交界面附近的过渡区称PN结。结。PN结有同质结有同质结和异质结两种。结和异质结两种。同质结就是同一种半导体形成的结，包括同质结就是同一种半导体形成的结，包括pn结，结，pp结，结，nn结。结。 异质结就是由禁带宽度不同的两种半导体异质结就是由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的结材料制成的结 ，包括，包括pn结，结，np结，结，pp结，结，nn结。结。 20图图5-4(a) P型型半半导导体体能能带带图图-图图5-4(b) N型型半半导导体体能能带带图图 21 在空间电荷区里，电场的方向由在空间电荷区里，电场的方向由N区指向区指向P区，这个区，这个

16、电场称为电场称为“自建场自建场”。在自建场作用下，载流子将产生。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。衡状态。 当在当在PN结上加正向电压时，外加场的方向正好与自结上加正向电压时，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

17、超过了漂移运动，动态平衡，扩散运动超过了漂移运动，P区空穴将通过区空穴将通过PN结不断流向结不断流向N区，区，N区的电子亦流向区的电子亦流向P区，形成正向电区，形成正向电流，并通过自发发射或受激发射复合和发光。流，并通过自发发射或受激发射复合和发光。 当当PN结加上反向电压时，外电场与自建场相同，电结加上反向电压时，外电场与自建场相同，电子和空穴将背离子和空穴将背离PN结面移动，空间电荷区变宽，区内电结面移动，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，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。结呈现单向导电特性。 22图图57 PN结空间电

18、荷区的形成及载流子导向结空间电荷区的形成及载流子导向 231. PN结的能带结构结的能带结构 以图以图5.8 (a)所示兼并型所示兼并型P型和型和N型半导型半导体形成的体形成的PN结为例进行讨论，图中阴影部结为例进行讨论，图中阴影部分表示主要由电子占据的能带。分表示主要由电子占据的能带。 图图5.8(b)表示热平衡状态下表示热平衡状态下PN结的能带，结的能带，由于一个热平衡系统只能有一个费密能级，由于一个热平衡系统只能有一个费密能级，这要求原在这要求原在P区和区和N区高低不同的费密能级区高低不同的费密能级达到相同的水平。达到相同的水平。24 如果如果N区的能级位置保持不变，则区的能级位置保持不

19、变，则P区的能级区的能级应提高，从而使应提高，从而使PN结的能带发生弯曲。能带是用结的能带发生弯曲。能带是用于描述电子能量的，于描述电子能量的，PN结能带的弯曲正反映空间结能带的弯曲正反映空间电荷区的存在。电荷区的存在。 在空间电荷区中，自建场从在空间电荷区中，自建场从N区指向区指向P区，说区，说明明P区相对区相对N区为负电位，用区为负电位，用-VD表示，称为接触表示，称为接触电位差，或称电位差，或称PN结势垒高度，结势垒高度，P区所有能级的电区所有能级的电子都附加了子都附加了e VD的位能，从而使的位能，从而使P区的能带相对区的能带相对N区提高了区提高了e VD ，同时同时e VD =Efc

20、-Efv。 图中能带倾斜部分直接表明空间电荷区中电图中能带倾斜部分直接表明空间电荷区中电位的变化。位的变化。25图图58 PN结结的能带结构的能带结构(a)由电子占由电子占据的能带；据的能带；(b)热平衡状热平衡状态下态下PN结的结的能带；能带；(c)PN结加上结加上正向电压时正向电压时的能带。的能带。n-p.swf26 图图5.8(c)示出示出PN结上加正向电压时的能带图，结上加正向电压时的能带图，正向电压正向电压V削弱了原来的自建场，使势垒降低。削弱了原来的自建场，使势垒降低。若若N区能带保持不变，则区能带保持不变，则P区的能带下移，下降值区的能带下移，下降值应为应为eV。 一般一般VEg

21、，则由图则由图58(c)可见，可见，PN结里出现了增益区结里出现了增益区(也叫也叫有源区有源区)。 在在Efv和和Efc 之间价带主要由空穴占据，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反转，这个区域对能量满足Eg Eg/h的光通过时的光通过时 ，就可以得到放大。，就可以得到放大。 n-p1.swf 303. PN结半导体激光器发光机理结半导体激光器发光机理 PN结半导体激光器是用结半导体激光器是用PN结作激活区，用半导体天结作激活区，用半导体天然解理面作为反射镜组成光子谐振腔，外加正向偏压作为然解理面作为反射镜组

22、成光子谐振腔，外加正向偏压作为泵浦源。泵浦源。 外加正向偏压将外加正向偏压将N N区的电子、区的电子、P P区的空穴注入到区的空穴注入到PNPN结，实结，实现了粒子数反转分布，即使之成为激活物质（现了粒子数反转分布，即使之成为激活物质（PNPN结为激活结为激活区）。区）。 在激活区，电子空穴对复合发射出光。初始的光场来在激活区，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，射的外界因素， 使之

23、产生受激辐射而发射全同光子。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。在反射系数小于射系数小于1 1的反射镜中输出，这就是经受激辐射放大的光的反射镜中输出，这就是经受激辐射放大的光 。即。即PNPN结半导体激光器产生激光输出的工作原理。结半导体激光器产生激光输出的工作原理。 315.2.2 发光二极管的工作原理发光二极管的工作原理半半导导体体发发光光二二极极管管(Light-emitting Diode，LED)基基

24、本本应应用用GaAlAs和和InGaAsP材材料料，可可以以覆覆盖盖整整个个光光纤纤通通信信系系统统使使用用波波长长 范范 围围 ， 典典 型型 值值 为为 0.85m、 1.31m及及1.55m。32 发光二极管利用正向偏压下的发光二极管利用正向偏压下的PN结结在激活区中载流子的复合发出自发辐射的在激活区中载流子的复合发出自发辐射的光，因此光，因此LED的出射光是一种非相互光，的出射光是一种非相互光，其谱线较宽其谱线较宽(30mm60mm)，辐射角也较，辐射角也较大。大。 在低速率的数字通信和较窄带宽的模在低速率的数字通信和较窄带宽的模拟通信系统中，拟通信系统中，LED是可以选用的最佳光是可

25、以选用的最佳光源，与半导体激光器相比，源，与半导体激光器相比，LED的驱动电的驱动电路较为简单，并且产量高、成本低。路较为简单，并且产量高、成本低。331. 发光二极管的类型结构发光二极管的类型结构按按照照器器件件输输出出光光的的方方式式，可可以以将将发发光光二二极极管管分分为为三三种种类类型型结结构构：表表面面发发光光二二极极管管(SLED) 、边边发发光光二二极极管管(ELED)及及超超辐辐射发光二极管。射发光二极管。 光光纤纤通通信信中中获获得得了了广广泛泛应应用用的的只只有有两两种，即面发光二极管和边发光二极管。种，即面发光二极管和边发光二极管。 SLED的典型结构如图的典型结构如图5

26、9所示。所示。 34图图5.9 SLED的典型结构如所示的典型结构如所示 Led.swf 35双异质结平面条形结构双异质结平面条形结构 这种结构由三层不同类型半导体材料构成，中间层通这种结构由三层不同类型半导体材料构成，中间层通常为厚度为常为厚度为0.10.3m的窄带隙的窄带隙P型半导体，称为有源层，型半导体，称为有源层，作为工作介质，两侧分别为具有较宽带隙的作为工作介质，两侧分别为具有较宽带隙的N型和型和P型半导型半导体，称为限制层。体，称为限制层。 具有不同带隙宽度的两种半导体单晶之间的结构称为具有不同带隙宽度的两种半导体单晶之间的结构称为异质结。有源层与右侧的异质结。有源层与右侧的N层之

27、间形成的是层之间形成的是P-N异质结，异质结，而与左侧的而与左侧的P层之间形成的是层之间形成的是P-P异质结，故这种结构又称异质结，故这种结构又称N-P-P双异质结构，简称双异质结构，简称DH结构。结构。 36ELED ELED 结构图结构图: : 双异质结生长在二极管顶部的双异质结生长在二极管顶部的 nGaAs衬底上，衬底上，PGaAs有源层厚度仅有源层厚度仅lm 2m，与其二边的与其二边的nAlGaAs和和pGaAs构成两个异质结，限制了有源构成两个异质结，限制了有源层中的载流子及光场分布。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，有源层中产生的光发射穿过衬底耦合入

28、光纤，由于衬底材料的光吸收很大，用选择腐蚀的办法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。在靠近有源区。在P P+ +-AlGaAs-AlGaAs侧用侧用SiO2掩膜技术形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区的电流密度约200200A/cmA/cm2 2 。 这种圆形发光面发出的光辐射具有朗伯分布。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为了提高耦合效率，可在发光面与光纤之间形成微透镜

29、，从而使入纤功率提高微透镜，从而使入纤功率提高23倍。倍。 Eled.swf 37图图5.10 ELED 结构图结构图 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。好的方向性，光从有源层的端面输出。 382. 发光二极管的工作原理发光二极管的工作原理LED的的工工作作原原理理可可以以归归纳纳如如下下：当当给给LED外外加加合合适适的的正正向向电电压压时时，Pp结结之之间间的的势势垒垒(相相对对于于空空穴穴)和和Np结结之之间间的的势势垒垒(相相对对于于电电子子)降降低低，大大量量的的空空穴穴和和电电子

30、子分分别别从从P区区扩扩散散到到p区区和和从从N区区扩扩散散到到p区区(由由于于双双异异质质结结构构，p区区中中外外来来的的电电子子和和空空穴穴不不会会分分别别扩扩散散到到P区区和和N区区)，在在有有源源区区形形成成粒粒子子数数反反转转分分布布状状态态，最最终终克克服服受受激激吸吸收收及及其其他衰减而产生自发辐射的光输出。他衰减而产生自发辐射的光输出。395.2.3 激光二极管的工作原理激光二极管的工作原理在在结结构构上上，半半导导体体激激光光二二极极管管(Laser Diode，LD)与与其其他他类类型型的的激激光光器器是是相相同同的的，都都主主要要由由三部分构成：激励源、工作物质及谐振腔。

31、三部分构成：激励源、工作物质及谐振腔。 半半导导体体激激光光器器是是利利用用在在有有源源区区中中受受激激而而发发射射光光的的光光器器件件。只只有有在在工工作作电电流流超超过过闻闻值值电电流流的的情情况况下下，才才会会输输出出激激光光(相相干干光光)，因因而而是是有有阈阈值值的的器件。器件。 401. 激光二极管的类型结构激光二极管的类型结构(1) 常用激光二极管的类型结构常用激光二极管的类型结构LD的结构如图的结构如图511所示。所示。 半半导导体体激激光光器器的的结结构构与与半半导导体体发发光光二二极极管管的的结结构构类类似似。通通常常也也是是由由P层层、N层层和和形形成成双双异异质质结结构

32、构的的有有源源层层构构成成。 和和LED所所不不同同的的是是，在在有有源源层层的的结结构构中中还还具具有有使使光光发发生生振振荡荡的的谐谐振振腔腔。双双异异质质结结半半导导体体激激光光器器粒粒子子数数反反转转分分布布的的形形成成过过程程与与前前面面所所述述LED情况大致相同。情况大致相同。 41图图511 LD的结构的结构 42 半导体激光器发光利用的是受激辐射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，也入射光于激励时同步发射光

33、子的现象，也就是说受激辐射的光子和入射光子，不仅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、方向也相同波长相同而且相位、方向也相同同态同态光子。光子。 这样，由弱的入射光激励而得到了强这样，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。的出射光，起到了光放大作用。 43 但是仅仅有放大功能还不能形成振荡，必须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，称之为谐振腔是由两块互相平行的

34、反射镜构成，称之为法布里一珀罗谐振腔。法布里一珀罗谐振腔。 半导体激光器就是在垂直于半导体激光器就是在垂直于PN结的两个端面，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按晶体的天然解理面切开而形成相当理想的反射镜面。镜面。 光在谐振腔中的两个反射镜面之间往复反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，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。形成输出激光。 激光器模型如激光器模型如Flash所示。所示。 44在在双双异异质质结结构构的的LD中中，通

35、通常常采采用用具具有有横横模模限限制制作作用用的的激激光光二二极极管管结结构构，这这种种激激光光二二极极管管称称为为条条形形激激光光二二极极管管(Stripe Laser Diode，SLD)或窄区激光二极管。或窄区激光二极管。一一种种增增益益波波导导型型激激光光二二极极管管的的类类型型结结构构如如图图5.12所所示示，图图中中虚虚线线之之间间的的部部分分为为电流流经的区域。电流流经的区域。45图图5.12 一种扩散条形激光二极管一种扩散条形激光二极管46一种折射率波导型激光二极管的结构一种折射率波导型激光二极管的结构如图如图5.13所示。所示。图图5.13 拱棱波导条形激光二极管拱棱波导条形

36、激光二极管47(2) 单频激光二极管单频激光二极管一一般般地地，普普通通激激光光二二极极管管只只能能工工作作于于多多纵纵模模状状态态，其其增增益益峰峰值值附附近近的的数数个个模模式式携带着大部分的输出光功率。携带着大部分的输出光功率。 分布反馈机理激光二极管分布反馈机理激光二极管分布反馈机理激光二极管分布反馈机理激光二极管在在分分布布反反馈馈(Distributed Feedback，DFB)机机理理激激光光二二极极管管中中，通通过过谐谐振振腔腔和和具具有有频频率率选选择择反反馈馈功功能能的的光光栅栅共共同同完完成成反反馈馈作用。作用。48 分分布布反反馈馈（DFBDFB）型型激激光光器器是是

37、随随着着集集成成光光学学的的发发展展而而出出现现的的，由由于于其其动动态态单单模模特特性性和和良良好好的的线线性性， 已已在在国国内内外外高高速速率率数数字字光光纤纤通通信信系系统统和和CATVCATV模模拟拟光光纤纤传传输输系系统统中中得得到广泛的应用。到广泛的应用。1、DFB激光器的结构激光器的结构 DFBDFB激激光光器器结结构构上上的的特特点点是是：激激光光振振荡荡不不是是由由反反射射镜镜面面来来提提供供，而而是是由由折折射射率率周周期期性性变变化化的的波波纹纹结结构构（波波纹纹光光栅栅）来来提提供供，即即在在有有源源区区的的一一侧侧刻刻有有波波纹纹光光栅栅，如如图图5-5-1414所

38、示。所示。49图图5-14 DFB激光器结构激光器结构 502、DFB激光器的工作原理激光器的工作原理 DFB DFB激光器的基本工作原理，可以用布拉格激光器的基本工作原理，可以用布拉格（BraggBragg）反射来说明。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，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

39、工作。发光波长的单纵模工作。 如图如图5-155-15所示的布拉格所示的布拉格反射，在与反射方向垂反射，在与反射方向垂直的平面上，各反射波的相位必直的平面上，各反射波的相位必须相同，因此相同，因此布拉布拉格反射波的路程差必格反射波的路程差必须为波波导波波长的整数倍。即的整数倍。即 51图图5-155-15布拉格反射原理布拉格反射原理 52式中式中L L为栅距（光栅周期长度），为栅距（光栅周期长度）， g g为波为波导波长，导波长，0 0为工作波长，为工作波长，n ne e为波导层的有为波导层的有效折射率，效折射率，m m为正整数。由上式可得：为正整数。由上式可得： 此即此即为布拉格反射条件。布

40、拉格反射条件。 DFBDFB激光器的分布反馈是激光器的分布反馈是=/2=/2的布拉格的布拉格反射反射, ,这时有源区的光在栅条间来回振荡。这时有源区的光在栅条间来回振荡。此时的布拉格条件为：此时的布拉格条件为： 53 当光栅的周期长度为当光栅的周期长度为L L时，时， 只有满足只有满足布拉格反射条件波长为布拉格反射条件波长为0 0的光波，才能产的光波，才能产生激光振荡，因而使激光器得到单频输出。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，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。因而在高速调制下仍维持单纵模输出。 DFB DFB激光

41、器的谱线窄，其线宽大约为普激光器的谱线窄，其线宽大约为普通型激光器线宽的通型激光器线宽的1/101/10左右，如图左右，如图5-165-16所所示，从而使色散的影响大为降低，可以实示，从而使色散的影响大为降低，可以实现速率为现速率为Gb/sGb/s的超高速传输。的超高速传输。 54图图5-16 5-16 DFB激光器与普通型激光器比较激光器与普通型激光器比较 55 耦合腔激光二极管耦合腔激光二极管耦合腔激光二极管耦合腔激光二极管模模式式选选择择也也可可以以采采用用耦耦合合腔腔结结构构实实现现，其其基基本本机机理理为为：虽虽然然两两个个谐谐振振腔腔具具有有各各自自不不同同的的振振荡荡纵纵模模，但

42、但是是当当两两个个谐谐振振腔腔放放在在一一起起构构成成耦耦合合腔腔(或或复复合合腔腔)时时，这这时时只只有有两两个个谐谐振振腔腔中中相相同同的的纵纵模模才才能能成成为为耦耦合合腔腔的的振振荡荡纵纵模模，再再加加上上增增益益谱谱的的作作用用，最最终终实现了模式选择功能。实现了模式选择功能。56 在耦合腔半导体激光器中，单纵模工作是通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，如图过将光耦合到外光腔实现的，如图517所示，所示，一部分反射光反馈回激光光腔，因为在外光腔发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生相移，从外光腔的反馈不一

43、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。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，并导致了如图的周期性变化，并导致了如图517所示的损耗所示的损耗曲线，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。

44、模成为主模。 57图图5-17 耦合腔耦合腔中的纵中的纵模选择模选择 58图图518展示了其中的三种种耦合腔方案。展示了其中的三种种耦合腔方案。图图5-18 耦合腔激光器结构示意耦合腔激光器结构示意 (a)外腔激光器；外腔激光器；(b) C3腔激光器；腔激光器；(c)多段多段DBR激光激光器器59 SLM激光器最简单的设计方案是将半导体激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，如图光器发的光耦合到一外光栅，如图5 5- -1818(a)所示。所示。 为了提供强的耦合，可采用增透膜涂层降低为了提供强的耦合，可采用增透膜涂层降低面向光栅的解理面的自然反射率，这种激光器称面向光栅

45、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。为外光腔半导体激光器。 由耦合腔机制选择的由耦合腔机制选择的SLM波长可简单地通过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。演示，若有合适的封装也可能得到应用。 60 C3激光器是耦合腔激光器的集

46、成设计激光器是耦合腔激光器的集成设计方案，所谓方案，所谓C3是解理耦合腔的第一个字母是解理耦合腔的第一个字母的缩写，如图的缩写，如图5-18 (b)所示，这种激光器的所示，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，理，使激光器分为长度大至相等的两部分，并由窄的空气间隙并由窄的空气间隙(宽约宽约1m)分开。分开。 只要间隙不太宽，解理面的反射率只要间隙不太宽，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节注入到作为模式控制器的一个光腔段的电流，

47、就可在约电流，就可在约20nm的调谐范围内调节的调谐范围内调节C3激光器的波长，但调谐并不连续。激光器的波长，但调谐并不连续。 61 采用多节采用多节DFB和和DBR激光器的设计方案，可实激光器的设计方案，可实现稳定性和可调谐性兼备的现稳定性和可调谐性兼备的SLM激光器。激光器。 图图5-18 (c)展示了一个典型激光器结构，它由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。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格段的电流导致折射率n变化，改变布拉格

48、波长。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，注入到相位控制段的电流导致折射率面变化，改变从改变从DBR反馈的相位。通过控制这三段的电流，反馈的相位。通过控制这三段的电流，激光波长能在激光波长能在57nm范围内连续调节。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，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。这种激光器工作稳定，对相干通信系统是很有用的。 62 量子阱激光二极管量子阱激光二极管量子阱激光二极管量子阱激光二极管出出现现较较晚晚的的量量子子阱阱(Quantum Well，QW)激激光光二二极极管管，已已经

49、经在在实实际际系系统统尤尤其其是是相相干干传传输输系系统统和和波波分分复复用用系系统统中中得得到到广广泛泛应用。应用。 波长可调谐单频激光二极管波长可调谐单频激光二极管波长可调谐单频激光二极管波长可调谐单频激光二极管波波长长可可调调谐谐单单频频激激光光二二极极管管是是波波分分复复用用系系统统、相相干干光光通通信信系系统统及及光光交交换换网网络络的的关关键键器器件件，其其主主要要性性能能指指标标包包括括调调谐谐速速度度和波长调谐范围。和波长调谐范围。632. 激光二极管的工作原理激光二极管的工作原理(1) LD的能带结构的能带结构在在结结构构上上，LD与与LED的的主主要要区区别别是是LD有谐振

50、腔，而有谐振腔，而LED没有谐振腔。没有谐振腔。(2) LD的工作原理的工作原理 LD的的工工作作原原理理可可以以归归纳纳如如下下：当当给给LD外外加加适适当当的的正正向向电电压压时时，由由于于有有源源区区粒粒子数的反转分布而首先发生自发辐射现象，子数的反转分布而首先发生自发辐射现象，64那那些些传传播播方方向向与与谐谐振振腔腔高高反反射射率率界界面面垂垂直直的的自自发发辐辐射射光光子子会会在在有有源源层层内内部部边边传传播播、边边发发生生受受激激辐辐射射放放大大(其其余余自自发发辐辐射射光光子子均均被被衰衰减减掉掉)，直直至至传传播播到到高高反反射射率率界界面面又又被被反反射射回回有有源源层

51、层，再再次次向向另另一一个个方方向向传传播播受受激激辐辐射射放放大大。如如此此反反复复，直直到到放放大大作作用用足足以以克克服服有有源源层层和和高高反反射射率率界界面面的的损损耗耗后，就会向高反射率界面外面输出激光。后，就会向高反射率界面外面输出激光。655.3 光源的工作特性光源的工作特性5.3.1 LED的工作特性的工作特性1. P-I特性特性LED的的P-I特特性性如如图图5.19所所示示。就就P-I特特性性曲曲线线整整体体而而言言，由由于于没没有有阈阈值值而而使使LED具具有有非非常常优优良的线性。良的线性。 发发光光率率随随工工作作电电流流增增大大，并并在在大大电电流流时时逐逐渐渐饱

52、饱和和。LED的的工工作作电电流流通通常常为为 50mA-100mA，这这时偏置电压时偏置电压 1.2 V-1.8 V,输出功率约几输出功率约几mW。66图图5.19 LED的的P-I特性特性672. 光谱特性光谱特性LED的的光光谱谱特特性性如如图图5.20所所示示。在在图图中中，0为为LED的的峰峰值值工工作作波波长长(典典型型值值为为0.85m、1.31m和和1.55m)；为为谱谱线线宽宽度度，其其定定义义为为光光强强度度下下降降到到最最大大值值一一半半时时对应的波长宽度。对应的波长宽度。68图图5.20 LED的光谱特性的光谱特性693. 调制特性调制特性在在一一级级近近似似和和平平均

53、均工工作作电电流流不不变变的的条条件件下下，发发光光二二极极管管的的输输出出功功率率与与调调制制信信号号频率的关系为：频率的关系为：式式中中：P (0)是是频频率率为为0时时LED输输出出的的光功率值；光功率值；e是有源区少数载流子的寿命。是有源区少数载流子的寿命。704. 温度特性温度特性温温度度特特性性主主要要影影响响到到LED的的平平均均发发送送光功率、光功率、P-I特性的线性及工作波长。特性的线性及工作波长。 工工作作温温度度升升高高时时， 同同样样工工作作电电流流下下LED的的输输出出功功率率要要下下降降。 例例如如当当温温度度从从20升升高高到到70时时，输输出出功功率率下下降降约

54、约一一半半，相对而言，温度的影响要比相对而言，温度的影响要比LD小。小。715.3.2 LD的工作特性的工作特性1. LD的的P-I特性特性LD的的P-I特特性性如如图图5.21所所示示。就就P-I特特性性曲曲线线整整体体而而言言，由由于于存存在在阈阈值值现现象象，整整体体线线性性不不如如LED。 随随着着激激光光器器注注入入电电流流的的增增加加，其其输输出出光光功功率率增增加加，但但是是不不成成直直线线关关系系，存存在在一一个个阈阈值值Ith，只只有有当当注注入入电电流流大大于于阈阈值值电电流流后后，输输出出光光功功率率才才随随注注入入电电流流增增加加而而增增加加，便便发发射射出出激激光光；

55、当当注注入入电电流流小小于于阈阈值值电电流流，LD发发出出的的是是光光谱谱很很宽宽、相相干干性很差的自发辐射光性很差的自发辐射光 。72图图5.21 LD的的P-I特性特性73从从P-I特特性性还还可可以以引引出出两两个个基基本本参参数数：微微分分量量子子效效率率和和功功率率转转换换效效率率。微微分分量量子子效效率率可可以以定定义义为为输输出出光光子子数数的的增增量量与与注注入入电子数的增量之比，表达式为：电子数的增量之比，表达式为：式式中中：P为为发发送送光光功功率率增增量量，I为为驱驱动动电电流流增增量量。曲曲线线越越陡陡，微微分分量量子子效效率率越越大。大。74功功率率转转换换效效率率定

56、定义义为为输输出出光光功功率率与与消消耗的电功率之比，可以表示为：耗的电功率之比，可以表示为：式式中中：V是是PN结结的的正正向向电电压压；Rs是是LD的的串串联联电电阻阻(包包括括半半导导体体材材料料的的体体电电阻阻和和接接触电阻触电阻)。752. 光谱特性光谱特性LD的的光光谱谱特特性性如如图图5.22所所示示。在在图图中中，0为为LED的的峰峰值值波波长长(典典型型值值为为0.85m、1.31m和和1.55m)；为为谱谱线线宽宽度度，其其定定义义为为纵纵模模包包络络或或主主模模光光强强度度下下降降到到最最大大值值一半时对应的波长宽度。一半时对应的波长宽度。76图图5.22 LD的光谱特性

57、的光谱特性773. 调制特性调制特性在在对对LD进进行行直直接接调调制制时时，激激光光二二极极管管的的输输出出功功率率与与调调制制信信号号频频率率的的关关系系为为：式式中中：P(0)是是频频率率为为0时时LD输输出出的的光光功功率率值值；fr为为LD的的类类共共振振频频率率，是是LD的的阻阻尼尼因因子子。784. 温度特性温度特性P-I的的特特性性随随器器件件的的工工作作温温度度要要发发生生变变化化，当当温温度度升升高高时时，激激光光器器的的特特性性发发生生劣劣化化，阈阈值值电电流也会升高，阈值电流与温度的关系可表示为流也会升高，阈值电流与温度的关系可表示为式式中中，T0称称为为器器件件的的特

58、特征征温温度度，T和和T0都都为为绝绝对对温度表示；温度表示；I0为为T=T0时阈值电流的时阈值电流的1/e 。 79 与与LED比比较较，温温度度主主要要对对LD的的阈阈值值电电流流、输输出出光光功功率率及及峰峰值值工工作作波波长长影影响响较较大大。为为了了降降低低温温度度对对LD的的影影响响，可可以以采采用用两两种种方方法法：选选择择温温度度特特性性优优异异的的新新型型LD，或或通通过过一一个个外外加加的的自自动动温温度度控控制制电电路路，使使LD的的温度特性能够满足系统的要求。温度特性能够满足系统的要求。805.3.3 光光源源的的主主要要技技术术指指标标及及简简易检测易检测1. 光源的

59、主要技术指标光源的主要技术指标几几种种国国产产半半导导体体光光源源的的主主要要技技术术指指标标如表如表5.1所示。所示。81822. 光源器件的简易检测光源器件的简易检测在在没没有有任任何何测测试试仪仪表表或或测测试试手手段段的的情情况况下下，可可以以通通过过PN结结的的测测试试来来初初步步判判断断光光源器件的好坏。源器件的好坏。835.4 光光 发发 送送 机机5.4.1光发射机概述光发射机概述1.光源的发光器件的选用光源的发光器件的选用光光纤纤通通信信系系统统传传输输的的是是光光信信号号， 作作为为光光纤纤通通信信系系统统的的光光源源，便便成成为为重重要要的的器器件件之之一一。它它的的作作

60、用用是是产产生生作作为为光光载载波波的的光光信信号号， 作作为为信信号号传传输输的的载载体体携携带带信信号号在在光光纤纤传传输输线线中中传传送送。由由于于光光纤纤通通信信系系统统的的传传输输媒媒介介是是光光纤纤，因因此此作作为为光光源源的的发发光光器器件件， 应满足以下要求：应满足以下要求： 84体积小，与光纤之间有较高的耦合效率；体积小，与光纤之间有较高的耦合效率；发射的光波波长应位于光纤的三个低损耗窗发射的光波波长应位于光纤的三个低损耗窗口，即口，即0.85m、1.31m和和1.55m波段；波段；可以进行光强度调制；可以进行光强度调制；可靠性高，要求它工作寿命长、工作稳定性可靠性高，要求它

61、工作寿命长、工作稳定性好，具有较高的功率稳定性、波长稳定性和好，具有较高的功率稳定性、波长稳定性和光谱稳定性；光谱稳定性；发射的光功率足够高，以便可以传输较远的发射的光功率足够高，以便可以传输较远的距离；距离；温度稳定性好，即温度变化时，输出光功率温度稳定性好，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。以及波长变化应在允许的范围内。 85 能能够够满满足足以以上上要要求求的的光光源源一一般般为为半半导导体体二二极极管管。目目前前全全光光纤纤激激光光器器作作为为一一种种新新型型的的激激光光器器也也有有望望在在光光纤纤通通信信系系统统中中发发挥挥其其作用。作用。 最最常常用用的的半半导

62、导体体发发光光器器件件是是发发光光二二极极管管(LED)和和激激光光二二极极管管(LD)。前前者者可可用用于于短短距距离离、低低容容量量或或模模拟拟系系统统，其其成成本本低低、可可靠靠性高；后者适用于长距离、高速率的系统。性高；后者适用于长距离、高速率的系统。 在在选选用用时时应应根根据据需需要要综综合合考考虑虑来来决决定定，因因此此它它们们都都有有自自己己的的优优缺缺点点和和特特性性，下下面面就两者的性能作系统的比较。就两者的性能作系统的比较。86 根据根据LED和和LD的性能，在选择光源时应作到技术上合的性能，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。理、经济上合理以及便于应用

63、。 激光二极管激光二极管发光二极管光二极管1输出光功率出光功率较大，几大，几mW一几十一几十mw。输出光功率出光功率较小，一般小，一般仅1mw一一2mW。2带宽大，大，调制速率高，几百制速率高，几百MHz一几十一几十GHz。带宽小，小，调制速率低，几十一制速率低，几十一200MHz。3光束方向性光束方向性强强，发散度小。散度小。方向性差，方向性差，发散度大。散度大。4与光与光纤的耦合效率高，可高达的耦合效率高，可高达80以上。以上。与光与光纤的耦合效率低，的耦合效率低，仅百分之几。百分之几。5光光谱较窄。窄。光光谱较宽。6制造工制造工艺难度大，成本高。度大，成本高。制造工制造工艺难度小，成本低

64、。度小，成本低。7在要求光功率在要求光功率较稳定定时，需要，需要APC和和ATC。可在可在较宽的温度范的温度范围内正常工作。内正常工作。8输出特性曲出特性曲线的的线性度性度较好。好。在大在大电流下易流下易饱和。和。9有模式噪声。有模式噪声。无模式噪声。无模式噪声。10可靠性一般。可靠性一般。可靠性可靠性较好。好。11工作寿命短。工作寿命短。工作寿命工作寿命长。87图图图图5-235-23为波长、通信容量、模式以及通信距离四者之间为波长、通信容量、模式以及通信距离四者之间为波长、通信容量、模式以及通信距离四者之间为波长、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。的

65、定性关系以及光纤通信发展的历程和趋势。的定性关系以及光纤通信发展的历程和趋势。的定性关系以及光纤通信发展的历程和趋势。 图图5-23波长、通信容量、模式以及通信距波长、通信容量、模式以及通信距离四者之间关系图离四者之间关系图 882. 光发射机组成光发射机组成 在光纤通信系统中，由于信息由在光纤通信系统中，由于信息由LED和和LD发出的光波携带，因此光发射机主要发出的光波携带，因此光发射机主要有调制电路和控制电路组成，如图有调制电路和控制电路组成，如图5-24所所示。示。 图图5-24 光发射机框图光发射机框图 89 在数字通信中，输入电路将输入的在数字通信中，输入电路将输入的PCM脉冲脉冲信

66、号变换成信号变换成NRZRZ码后，通过驱动电路调制码后，通过驱动电路调制光源光源(直接调制直接调制)，或送到光调制器调制光源输出，或送到光调制器调制光源输出的连续光波的连续光波(外调制外调制)。 对直接调制，驱动电路需给光源加一直流偏对直接调制，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。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，出的平均光功率和工作温度， 此外，光发射机中此外，光发射机中还有报警电路，用以检测和报警光源的工

67、作状态。还有报警电路，用以检测和报警光源的工作状态。 905.4.2光波的调制光波的调制1. 光调制方式分类光调制方式分类(1) 按照光源与调制信号的关系分类按照光源与调制信号的关系分类根根据据光光源源与与调调制制信信号号的的关关系系，可可以以将将光光源源的的调调制制方方式式分分为为直直接接调调制制方方式式和和外外部部(或或间间接接)调调制方式。制方式。所所谓谓直直接接调调制制方方式式，是是指指直直接接将将调调制制信信号号施加在光源上来完成光源参数的调制过程。施加在光源上来完成光源参数的调制过程。91(2) 按照已调制信号的性质分类按照已调制信号的性质分类根根据据已已调调制制信信号号的的性性质

68、质，可可以以将将光光源源的的调调制制方方式式分分为为模模拟拟调调制制方方式式和和数数字字调调制制方式。方式。 模模拟拟调调制制方方式式是是指指已已调调制制信信号号属属于于模模拟拟信信号号，这这种种调调制制方方式式主主要要包包括括强强度度调调制制(Intensity Modulation，IM)方方式式、振振幅幅调调制制(Amplitude Modulation， AM)方方 式式 、 双双 边边 带带 抑抑 制制 载载 波波(Double Sideband/Suppressing Carrier，DSB/SC)调调制制方方式式、单单边边带带(Single Sideband，SSB)调调制制方方

69、式式及及残残余余边边带带(Vestigial Sideband，VSB)调制方式。调制方式。92数字调制方式是指已调制信号属于数字信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号，这种调制方式主要包括:u幅移键控幅移键控(Amplitude-shifted Keying，ASK)调调制方式制方式;u频移键控频移键控(Frequency-shifted Keying，FSK)调调制方式制方式;u相移键控相移键控(Phase-shifted Keying，PSK)调制方调制方式等。式等。932. 已调制信号表达式已调制信号表达式由由于于其其他他调调制制方方式式应应用用极极少少，因因

70、此此我我们们在在这这里里仅仅仅仅给给出出用用电电场场表表示示的的、常常用用强强度调制方式的已调制信号表达式：度调制方式的已调制信号表达式：式式中中：KT为为与与发发送送光光功功率率有有关关的的正正常常数数；m为为调调制制系系数数(0m1)；x(t)为为归归一一化化幅幅度度的的调调制制信信号号波波形形；c为为光光载载波波角角频频率率，0为初相位。为初相位。945.4.3 光发送机的构成及指标光发送机的构成及指标1. 光发送机构成光发送机构成一一般般地地，光光发发送送机机主主要要由由光光源源、驱驱动动电路及辅助电路等构成。电路及辅助电路等构成。952. 光发送机的主要指标光发送机的主要指标光发送机

71、的指标很多，我们仅从应用光发送机的指标很多，我们仅从应用的角度介绍其主要指标。的角度介绍其主要指标。(1) 平均发送光功率及其稳定度平均发送光功率及其稳定度平均发送光功率又称为平均输出光功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率，通常是指光源尾巴光纤的平均输出光功率。功率。96(2) 消光比消光比消消光光比比定定义义为为最最大大平平均均发发送送光光功功率率与与最最小小平平均均发发送送光光功功率率之之比比，通通常常用用符符号号EX表示：表示：若用相对值表示，则为若用相对值表示，则为975.5 驱动电路和辅助电路驱动电路和辅助电路5.5.1 驱动电路驱动电路1. 对驱

72、动电路的要求对驱动电路的要求一个优良的驱动电路应该满足以下条件：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、稳定的驱动电流；能够提供较大的、稳定的驱动电流；(2) 有有足足够够快快的的响响应应速速度度，最最好好大大于于光光源源的的驱动速度；驱动速度；(3) 保证光源具有稳定的输出特性。保证光源具有稳定的输出特性。982. 驱动电路的工作原理驱动电路的工作原理能能够够满满足足上上述述要要求求的的、最最简简单单的的驱驱动动电路是共发射极驱动电路，如图电路是共发射极驱动电路，如图5.25所示。所示。共共发发射射极极驱驱动动电电路路的的工工作作原原理理如如下下所所述述：当当输输入入数数

73、据据信信号号为为“0”时时，晶晶体体三三极极管管VT处处于于截截止止状状态态，LED中中没没有有电电流流流流过过，因因此此LED不不发发光光；当当输输入入数数据据信信号号为为“1”时时，晶晶体体三三极极管管VT工工作作于于饱饱和和状状态态，LED中有较大的电流流过，所以中有较大的电流流过，所以LED发光。发光。99图图5.25 共射极驱动电路共射极驱动电路1002. LED的驱动电路的驱动电路 在小型模拟或低速、短距离数字光纤在小型模拟或低速、短距离数字光纤通信系统中，可以采用通信系统中，可以采用LED作为系统光源。作为系统光源。但不论那种通信系统，用但不论那种通信系统，用LED作光源时，作光

74、源时，均采用直接强度调制方式，即通过改变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。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下面分别介绍模拟系统及数字系统的驱动电路。驱动电路。 101(1) LED的直接调制原理的直接调制原理 图图5-26为为对对LED进进行行模模拟拟调调制制的的原原理理图图。 连连续续的的模模拟拟信信号号电电流流叠叠加加在在直直流流偏偏置置电电流流上上，适适当当选选择择直直流流偏偏置置的的大大小小，使使静静态态工工作作点点位位于于发发光光管管特特性性曲曲线线线线性性段段的的中中点点，可可以以减减小小光光信信号号的的非非线线性性失失真

75、真。调调制制线线性性的的好好坏坏取取决决于于调调制制深深度度m。设设调调制制电电流流幅幅值为值为I，偏置电流偏置电流 为为IB，则则m=m=I/I/I IB B 102图图5-26 LED模拟调制原理图模拟调制原理图 103 LED的数字调制原理图如图的数字调制原理图如图5-27所示。所示。信号电流为单向二进制数字信号，用单向信号电流为单向二进制数字信号，用单向脉冲电流的脉冲电流的“有有”、“无无”(“1”码和码和“0”码码)控控制发光管的发光与否。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经发光管电流的办法达到调

76、制输出光功率的目的。的目的。 但由于二者功率不同，对驱动与偏置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。电路也不同，下面分别加以讨论。 104图图5-27 LED数字调制原理图数字调制原理图 105(2) (2) LEDLED的模拟驱动电路的模拟驱动电路的模拟驱动电路的模拟驱动电路 在模拟系统中，对驱动电路的要求是提供一在模拟系统中，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，使光源能够输出足够的功率， 并使其输出功率并使其输出功率随输入信号线性变化，随输入信号线性变化， 非线性失真小

77、。产生的非线性失真小。产生的非线性失真必须低于非线性失真必须低于 -30 -30dBdB-50dB-50dB。 但由于但由于LEDLED本身存在非线性失真，在高质量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。要求的信号传输中，还需要线性补偿电路。 LED LED对温度不很敏感，因此驱动电路中一般对温度不很敏感，因此驱动电路中一般不采用复杂的自动功率控制不采用复杂的自动功率控制( (APC)APC)和自动温度控和自动温度控制制( (ATC)ATC)电路，较电路，较LDLD的驱动电路简单得多。的驱动电路简单得多。 106 图图5-285-28为一种简单而又具有高速特性为一种简

78、单而又具有高速特性的共发射极跨导式驱动器。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它将基极电压转变为集电极电流以驱动发光管。动发光管。 晶体管工作在甲类工作状态，调整基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的线性区，并使静态集电极电流即LEDLED的偏的偏置电流置电流IBIBImImm m 。 107图图5-28 5-28 LEDLED模拟驱动电路模拟驱动电路 108(3) (3) LEDLED的数字驱动电路的数字驱动电路的数字驱动电路的数字驱动电路 LED LED的数字驱动电路主

79、要应用于二进制数字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（信号，驱动电路应能提供几十至几百毫安（mAmA）的的“开开”“”“关关”电流。码速不高时，可以不加偏电流。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，置；但在高码速时，需加小量的正向偏置电流，有利于有利于 保持二极管电容上的电荷。保持二极管电容上的电荷。 几种典型的几种典型的LEDLED数字驱动电路见图数字驱动电路见图5-295-29所示。所示。( (a)a)简单的共射极饱和开关电路简单的共射极饱和开关电路 ( (b)b)低阻抗射极低阻抗射极跟随式驱动电路跟随式驱动电路( (c)c)发

80、射极锅台开关式驱动电路发射极锅台开关式驱动电路 ( (d)d)高速高速LEDLED驱动电路。驱动电路。 109图图5-29 5-29 LEDLED数字驱动电路数字驱动电路 110 图图( (a)a)为晶体管共射驱动电路，晶体管用作为晶体管共射驱动电路，晶体管用作饱和开关，提供电流增益饱和开关，提供电流增益，其两端的电压降较其两端的电压降较小，饱和压降小，饱和压降Vcc0.3VVcc0.3V。 图图( (b)b)中的达林顿结构因高电流增益，中的达林顿结构因高电流增益， 降低降低了输出阻抗。这一电路可从具有了输出阻抗。这一电路可从具有180180pFpF的电容的的电容的发光管上得到发光管上得到2.

81、52.5nsns的光上升时间，可传输的光上升时间，可传输100100MbMbs s 的数字信号。的数字信号。 但由于发射极输出的负载不但由于发射极输出的负载不是纯电阻，是纯电阻， 可能使电路发生振荡。可能使电路发生振荡。R Rl lC Cl l并联串接并联串接于发射极电路，组成发射极跟随电路，提供电压于发射极电路，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，阶跃，以补偿驱动电流开始时， 对发光管电容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。可工作在高码速情况下。 111 图图( (c)c)为发射极耦合开关式

82、驱动电路，可传为发射极耦合开关式驱动电路，可传输输300300MbMbs s以上的数字信号。以上的数字信号。 晶体管晶体管TlTl和和T2T2是是发射极耦合式开关，发射极耦合式开关，T3T3为恒流源。发光管的驱动为恒流源。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，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，所以开关速输入端过激励时；仍没有达到饱和，所以开关速率更高。率更高。 图图( (d)d)为高速为高速LEDLED驱动电路，当驱动电路，当LEDLED为面发光为面发

83、光管时，可传输管时，可传输2 2GbGbs s以上的数字信号。该电路的以上的数字信号。该电路的脉冲前后沿为脉冲前后沿为0.350.35nsns，预偏置为预偏置为1515mAmA，电流峰值电流峰值为为100100mWmW。 112图图5-30 5-30 TTLTTL开关式驱动电路开关式驱动电路 1131. LD的驱动电路的驱动电路(1) LD的直接调制原理的直接调制原理 由于由于LDLD通常用于高速系统，且是阈值通常用于高速系统，且是阈值器件，它的温度稳定性较差，与器件，它的温度稳定性较差，与LEDLED相比，相比，其调制问题要复杂的多，驱动条件的选择、其调制问题要复杂的多，驱动条件的选择、调制

84、电路的形式和工艺，调制电路的形式和工艺， 都对调制性能至都对调制性能至关重要。关重要。 图图5-31为对为对LD进行模拟调制的原理图。进行模拟调制的原理图。 图图5-32为对为对LD进行数字调制的原理图。进行数字调制的原理图。114图图5-31 LD模拟调制原理图模拟调制原理图 115图图5-32 LD数字调制原理图数字调制原理图116(2)(2)偏置电流和调制电流的选择偏置电流和调制电流的选择偏置电流和调制电流的选择偏置电流和调制电流的选择 采用直接调制方式时，偏置电流的选择直接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。选择直流预偏置电影响激光器的高速调制性质。选择直流

85、预偏置电流应考虑以下几个方面：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，大减小电光延迟时间， 同时使张弛振荡得到一定同时使张弛振荡得到一定程度的抑制。程度的抑制。 图图5-335-33为为LD无偏置和有偏置时脉冲瞬态波无偏置和有偏置时脉冲瞬态波形和光谱。由图中可以看出，由于形和光谱。由图中可以看出，由于 LD 加了足够加了足够的预偏置电流，调制电流脉冲幅度较小，预偏置的预偏置电流，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；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

86、，也大大提高了调制速率。另外，电光延迟的减小，也大大提高了调制速率。117图图5-33 LD无偏置和有偏置时脉冲瞬态波形和光谱无偏置和有偏置时脉冲瞬态波形和光谱118激光器产生张弛振荡和自脉冲现象激光器产生张弛振荡和自脉冲现象 机理机理:张弛振荡与激光器有源区的电子自发复合张弛振荡与激光器有源区的电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命以及注入电流初始偏差寿命和谐振腔内光子寿命以及注入电流初始偏差有关有关.自脉冲现象是激光器内部不均匀增益或不均匀自脉冲现象是激光器内部不均匀增益或不均匀吸收产生的，往往和激光器的吸收产生的，往往和激光器的P-I曲线的非线性有曲线的非线性有关关危害危害:张弛振荡限制调制

87、速率张弛振荡限制调制速率,自脉冲现象严重自脉冲现象严重影响激光器的高速调治特性影响激光器的高速调治特性.消除方法消除方法:张弛振荡张弛振荡-增加注入电流增加注入电流,自脉冲现象自脉冲现象-在选择激光器时应特别注意在选择激光器时应特别注意.119 (2)当激光器偏置在阈值附近时，当激光器偏置在阈值附近时， 较小较小的调制脉冲电流即能得到足够功率的输出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。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，是指激光器在全光比恶化。所谓消光比，是指激光器在全“l”

88、码时发送的光功率码时发送的光功率(P1)与全与全“0”码码时发射的光功率时发射的光功率(Po)之比，用之比，用dB表示为：表示为：EXP=10lgPEXP=10lgP1 1/P/P0 0120码型效应码型效应产生产生:在在2个连接出现的个连接出现的1码中码中,第一个第一个脉冲到来前有较长的连脉冲到来前有较长的连0码码,由于电光由于电光延迟时间长和光脉冲上升时间的影响延迟时间长和光脉冲上升时间的影响,脉脉冲变小冲变小;第二个脉冲到来时第二个脉冲到来时,由于第一个脉由于第一个脉冲的电子复合尚未完全消失冲的电子复合尚未完全消失,有源区电子有源区电子密度较高密度较高,因此电光延迟时间短因此电光延迟时间

89、短,脉冲较大脉冲较大. 危害危害:使使“0”码过后的第一个码过后的第一个“1”码的脉码的脉冲宽度变窄冲宽度变窄,幅度变小幅度变小,严重时单个严重时单个“1”码码丢失丢失 方法方法:用适当的用适当的过调制过调制补偿法补偿法121 光源的消光比将直接影响接收机的灵敏度，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，消光比一般为了不使接收机的灵敏度明显下降，消光比一般应大于应大于10dB，如果激光器的偏置电流如果激光器的偏置电流IB过大，势过大，势必会使消光比恶化，降低接收机的灵敏度。通常必会使消光比恶化，降低接收机的灵敏度。通常取取IB (0.850.9)Ith。驱动脉冲电

90、流的峰驱动脉冲电流的峰-峰值峰值Im一般取一般取Im十十IB (1.21.3) Ith ，以避免结发热和以避免结发热和码型效应。码型效应。 结发热效应表现在阈值和输出光功率随结温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，调制电流化，瞬态时，调制电流Im的出现也会使结温在阈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。和输出光功率发生波动。122 在电流脉冲持续时间内，结温将随时在电流脉冲持续时间内，结温将随时间间t的增加而增

91、加，而输出光功率却随时间的增加而增加，而输出光功率却随时间增加而减小；当电流脉冲过后，情况正好增加而减小；当电流脉冲过后，情况正好相反，结温随相反，结温随t减小，输出的光功率却随减小，输出的光功率却随t增增加，最后达到偏置电流的稳定值。因此，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，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。的发热效应，光脉冲将出现调制失真。 实验证明实验证明，当偏流逼近阈值，并适当，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选择调制

92、电流幅度，对减小结发热效应是有利的。有利的。123 (4)实验证明，异质结激光器的散粒噪声在阈实验证明，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，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。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、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

93、激光器的电阻较小，因此激光器的的大小。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。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，又要曲线，既要有足够的输出光脉冲功率，又要 考虑考虑到光源的负担。到光源的负担。 考虑到某些激光器在某些区域有考虑到某些激光器在某些区域有自脉动现象发生，自脉动现象发生，Im的选择应避开这些区域。的选择应避开这些区域。124(3)(3)激光器的直接调制电路激光器的直接调制电路激光器的直接调制电路激光器的直接调制电路 激光器的直接调制电路有许多种，但概括起激光器的直接

94、调制电路有许多种，但概括起来有两类：来有两类： 一类是单管集电极驱动电路，另一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。是射极耦合开关电路。 图图5-34为单管集电极驱动电路原理图。半导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。以用集电极电流驱动光源。 图中图中DT为驱动管，当电信号加在为驱动管，当电信号加在DT基极时，基极时，即可驱动集电极电路中的激光器，使之输出的光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，功率随信号的变化而变化， DT工作在开关状态。工作在

95、开关状态。 图图5-35为射极耦合光发送驱动电路。为射极耦合光发送驱动电路。125 图图5-34 单管集电极驱动电路原理图单管集电极驱动电路原理图126图图5-35 射极耦合光发送驱动电路射极耦合光发送驱动电路127 图中晶体管图中晶体管BG2BG2和和BG3BG3为发射极耦合对，组成非饱和为发射极耦合对，组成非饱和电流选择开关。电流选择开关。 当当BG2BG2基极电位高于基极电位高于BG3BG3基极电位时，基极电位时，BG2BG2导通，恒导通，恒流源的驱动电流流源的驱动电流ImIm全部流过全部流过BG2BG2， 故流过故流过LDLD的电流为零。的电流为零。 反之，反之， 当当BG2BG2基极

96、电位低于基极电位低于BG3BG3基极电位时，基极电位时，BG3BG3导导通，所有驱动电流都通过通，所有驱动电流都通过LDLD。 电流开关的转换过程由输入数字信号转换成电流开关的转换过程由输入数字信号转换成ECLECL电电平来控制，平来控制，ECLECL电平电平“l”l”码时，输出为码时，输出为-1.8-1.8V V，“0” “0” 码时，输出为码时，输出为 十十0.80.8V V，经过经过BGlBGl和和D1D1电平移动后加到电平移动后加到BG2BG2基极，而基极，而BG3BG3基极电平固定在基极电平固定在 -2.6 -2.6V V，它由温度补偿它由温度补偿的参考电平的参考电平VbbVbb经经

97、BG4BG4和和D2D2电平移动得到。电平移动得到。VbbVbb-1.31 V-1.31 V是是“l”l”码和码和“0”“0”码电平的中间值。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，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。就能起到快速开关作用，同时恒流源可使开关噪声很小。 1285.5.2 辅助电路辅助电路在在使使用用中中，LD结结温温的的变变化化以以及及老老化化都都会会使使Ith增增大大，量量子子效效率率下下降降，从从而而导导致致输输出光脉冲的幅度发生变化。出光脉冲的幅度发生变化。 为为了了保保证证激激光光器器

98、有有稳稳定定的的输输出出光光功功率率，需需要要有有各各种种辅辅助助电电路路，例例如如功功率率控控制制电电路路、温温控控电电路路、限限流流保保护护电电路路和和各各种种告告警警电电路路等。等。1291. 自动功率控制电路自动功率控制电路(1) 自动功率控制电路的分类自动功率控制电路的分类能能够够完完成成自自动动功功率率控控制制功功能能的的电电路路很很多多，主主要要包包括括普普通通电电参参数数控控制制电电路路和和光光电电反馈控制电路。反馈控制电路。在在光光发发送送机机中中，光光电电反反馈馈控控制制电电路路应应用最多。用最多。130(2) (2) 自动功率控制电路的工作原理自动功率控制电路的工作原理自

99、动功率控制电路的工作原理自动功率控制电路的工作原理光光功功率率自自动动控控制制有有许许多多方方法法，一一是是自自动动跟跟踪踪偏偏置置电电流流，使使LD偏偏置置在在最最佳佳状状态态；二二是是峰峰值值功功率率和和平平均均功功率率的自动控制；三是的自动控制；三是P-I曲线效率控制法等。曲线效率控制法等。 但但最最简简单单的的办办法法是是通通过过直直接接检检测测光光功功率率控控制制偏偏置置电电流流，用用这这种种办办法法即即可可收收到到良良好好的的效效果果。该该办办法法是是利利用用激激光光器器组组件件中中的的PIN光光电电二二极极管管，监监测测激激光光器器背背向向输输出出光光功功率率的的大大小小， 若若

100、功功率率小小于于某某一一额额定定值值时时，通通过过反反馈馈电电路路后后驱驱动动电电流流增增加加，并并达达到到额额定定输输出出功功率率值值。反反之之，若若光光功功率率大大于于某某一一额额定定值值，则则使使驱驱动动电电流流减减小小，以以保保证证激激光光器器输出功率基本上恒定不变。输出功率基本上恒定不变。131图图5.36所所示示是是一一个个典典型型LD自自动动功功率率控控制制电电路路，其其自自动动功功率率控控制制电电路路的的工工作作原原理理如如下下所所述述：当当由由于于温温度度原原因因使使LD输输出出光光功功率率降降低低时时，流流过过PD(通通常常为为PINPD)的的电电流流减减小小，A1放放大大

101、器器反反向向输输入入端端电电位位增增大大，A1放放大大器器输输出出端端电电位位降降低低(即即A2放大器反向输入端电位降低放大器反向输入端电位降低)。 图图5-37为为美美国国亚亚特特兰兰大大光光通通信信系系统统中中光光发发射射机机的的APC电电路路， 作作为为LD输输出出光光功功率率自自动动控控制制的的实际例子。实际例子。132图图5.36 典型的典型的APC电路电路133 图图5-37 LD的偏置反馈的偏置反馈APC电路电路134 图图5-37的电路是通过控制的电路是通过控制LD偏置电流大小来保持输出光偏置电流大小来保持输出光脉冲幅度的恒定。脉冲幅度的恒定。 在运放的输入端，再生信号由输入信

102、号再生处理后得到，在运放的输入端，再生信号由输入信号再生处理后得到， 它固定在它固定在0V-lV间。间。 LD组件中组件中PIN管接收管接收LD的背面输出光，它受到与正面输的背面输出光，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输出光功输出光功率。率。 该该PIN产生的信号与直流参考比较后送到放大器的同相端，产生的信号与直流参考比较后送到放大器的同相端，直流参考通过调节直流参考通过调节Rl控制预偏置电流控制预偏置电流IB。 调节调节R2使再生信号使再生信号与与PIN输出取得平衡，使输出取得平衡，使IB保持恒定。保持恒定。 当输出光

103、功率产生变化时，平衡破坏，反馈偏置电路将自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。使输出功率恢复到原来的值，电路又恢复平衡状态。 图中图中R3Cl构成构成LD的慢启动网络，的慢启动网络， 当刚开启电源或有突发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的电冲击时，由于电路的时间常数很大(l ms)，IB只能慢慢只能慢慢增大。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，保护缓慢增大，保护LD免受冲击。免受冲击。1352. 自动温度控制电路自动温

104、度控制电路从从前前面面的的内内容容可可以以知知道道，LD的的输输出出特特性性与与温温度度有有着着密密切切的的关关系系。为为了了保保证证光光发发送送机机具具有有稳稳定定的的输输出出特特性性，对对LD的的温温度度特特性性进进行行控控制制是是非非常常必必要要的的，而而且且对对LD的的温温度控制也是保护度控制也是保护LD的一项关键措施。的一项关键措施。136温温度度变变化化引引起起LD输输出出光光功功率率的的变变化化，虽虽然然可可以以通通过过APC电电路路进进行行调调节节，使使输输出出光光功功率率恢恢复复正正常常值值。但但是是，如如果果环环境境温温度度升升高高较较多多，经经APC调调节节后后，IB增增

105、大大较较多多，则则LD的的结结温温因因此此也也升升高高很很多多，致致使使Ith继继续续增增大大，造造成成恶恶性性循循环环，从从而而影影响响了了LD的使用寿命。的使用寿命。 因因此此，为为保保证证激激光光器器长长期期稳稳定定工工作作，必必须须采采用用自自动动温温度度控控制制电电路路(ATC)使使激激光光器器的的工工作作温温度度始始终终保保持持在在20度度左左右右。LD的的温温度度控控制制由由微微型型制制冷冷器器、热敏元件及控制电路组成，如图热敏元件及控制电路组成，如图5-38所示。所示。137图图5-38 LD的温度控制电路的温度控制电路 138 微制冷器多采用半导体制冷器。它是微制冷器多采用半

106、导体制冷器。它是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。当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，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象称为珀尔帖效应。微型半导体制冷器的温差可以达到温差可以达到3040。139 制冷方式分为内制冷和外制冷两种。目前实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，形成一个完整的在一起，形成一个完整的LD组件，其内部结构组件，其内部结构如图如图5-3

107、9所示，它将所示，它将LD芯片、半导体制冷器和具芯片、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。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的密封盒紧密接触，通过控制电路给外加制冷器加直流，加直流， 达到控制达

108、到控制LD周围环境温度的目的。周围环境温度的目的。 通通常内制冷较外制冷方式更直接、有效。常内制冷较外制冷方式更直接、有效。140图图5-39 LD组件内部结构组件内部结构 141 不论内制冷还是外制冷半导体制冷器都是非不论内制冷还是外制冷半导体制冷器都是非常重要的。图常重要的。图5-40为半导体制冷器的结构示意图。为半导体制冷器的结构示意图。图中图中(a)为单个热电偶的结构简图，为单个热电偶的结构简图，(b)为热电偶为热电偶组件，它是由多个热电偶按电学上串联、热学上组件，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。并联的方式组成的。 单个热电偶是由单个热电偶是由P型和型和N型掺杂的

109、半导体组成，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，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，这就是一个热电将产生电流，从而输出电功率，这就是一个热电偶器件。偶器件。142 将热电偶与直流电源相连，如图将热电偶与直流电源相连，如图(a)所示，所示，直流电流通过热电偶将产生珀尔帖效应，在它的直流

110、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。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，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。程中，可根据所需的温差，选择不同的热电偶堆。143图图

111、5-40 半导体制冷器的结构示意图半导体制冷器的结构示意图 1443.激光器的保护及告警电路激光器的保护及告警电路 光源是光发送电路的核心，它价格昂贵又较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。号，以便于工作人员维护。 光源的过流保护电路光源的过流保护电路 无光告警电路无光告警电路 寿命告警电路寿命告警电路 145 光源的过

112、流保护电路光源的过流保护电路 了使光源不致了使光源不致因通过大电流而损坏，一般需对光源进行因通过大电流而损坏，一般需对光源进行过流保护。图过流保护。图5-41所示是激光器的过流保所示是激光器的过流保护电路，图中护电路，图中T3为激光器提供偏流为激光器提供偏流IB。保保护电路由晶体管护电路由晶体管T4、电阻电阻Rl组成。组成。 正常情况下，电阻正常情况下，电阻R1上的电压小于上的电压小于T4的导通降压，因而的导通降压，因而T4截止，保护电路不工截止，保护电路不工作。当偏流作。当偏流IB过大，过大， 致使致使R1上的压降上的压降V R1剧增并超过剧增并超过T4的导通压降时，的导通压降时， T4饱和

113、导通，饱和导通，使使Vce40，从而导致从而导致T3截止，保护了激光截止，保护了激光器不致因偏流器不致因偏流IB过大而被损坏。过大而被损坏。 146图图5-41 光源的过流保护光源的过流保护 147 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。当当LDLD发光正常时，发光正常时，PINPIN管检测到的光电流经管检测到的光电流经A A1 1放大放大后送入后送入A A2 2的同相端

114、。这时，的同相端。这时， V Vf f V VD D ，因此因此A A2 2输出输出高电平，高电平， 致使无光告警指示灯致使无光告警指示灯LEDLED不亮。不亮。当当LDLD不发光时，不发光时，PINPIN管检测不到光信号，因而管检测不到光信号，因而V Vf f V VD D ， A A2 2输出低电平，输出低电平， 使无光告警灯发出红色告使无光告警灯发出红色告警显示。警显示。另一路高电平为正常、低电平为告警的无光告警信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。号则被送入监控系统处理。 148图图5-42 无光告警电路原理图无光告警电路原理图 149 寿命告警电路寿命

115、告警电路 随着使用时间的增随着使用时间的增长，长，LD阈值电流也将逐渐增大。当阈值电阈值电流也将逐渐增大。当阈值电流增大到开始使用时的流增大到开始使用时的1.5倍时，就认为激倍时，就认为激光器的寿命终止。光器的寿命终止。 由于由于IBIth， 所以寿命告警电路通常所以寿命告警电路通常采用监测偏流采用监测偏流IB的值来判断激光器寿命是的值来判断激光器寿命是否终止。也就是说，当否终止。也就是说，当IB1.5Itho(Itho为为LD开始启用时的阈值电流开始启用时的阈值电流)时，寿命告警电时，寿命告警电路就发出告警指示。路就发出告警指示。 150 图图5-43所示为寿命告警电路原理图。所示为寿命告警

116、电路原理图。图中图中T3为激光器提供偏流为激光器提供偏流IB，T4、R1组成组成过流保护电路。由于过流保护电路。由于VlIBRl，所以调整所以调整电位器电位器W使使V21.5IthoR1。当激光器工作当激光器工作正常时，正常时， IB1.5Itho，则则VlV2，Al输出高输出高电平，寿命告警灯电平，寿命告警灯 不亮。不亮。 如果如果IB1.5Itho，则激光器寿命终止，则激光器寿命终止，这时这时VlV2， Al输出低电平，寿命告警灯输出低电平，寿命告警灯发黄色告警显示。发黄色告警显示。 同样有一路高电平正常、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。低电平告警的寿命告警信号送到监控系统。 151图图5-43 寿命告警电路原理图寿命告警电路原理图