图2-1光发射机原理框图激光器的射频特性与器件的偏置电流关系很大。光发射机中激光器的光输出功率必须非常稳定，否则必然会影响传输网络的稳定性。温度控制电路可以将激光器的工作温度控制在℃范围内，使光发射机的输出光功率在较大的温度范围内保持稳定。......
2023-06-19
光发射机的原理和性能分析
【摘要】：光发射机的主要作用是将电端机送来的电信号变换为光信号，并耦合进光纤中进行传输。图9.9半导体激光器结构图发射波长构成半导体激光器的材料决定了激光器的发射波长。图9.10为一半导体激光器的典型P-I 特性曲线。图9.17发光二极管的结构由于发光二极管与半导体激光器在发光机理和结构上存在差异，使得它们在主要性能上存在明显差异。
光发射机的主要作用是将电端机送来的电信号变换为光信号，并耦合进光纤中进行传输。光发射机中的光源和光调制器是整个系统的核心器件，它的性能直接关系到光纤通信系统的性能和质量指标。光纤通信系统对于光源的要求可以概括为：
①光源的发射波长应该与光纤的低损耗窗口一致，即850 nm、1 310 nm 和1 550 nm 三个低损耗窗口；
②光源有足够高的、稳定的输出光功率，以满足系统中继距离的要求，一般数十微瓦至几毫瓦为宜；
③光源的光谱线宽要窄，即单色性好，以减小光纤色散对信号传输质量的影响；
④调制方法简单，可以实现高速直接调制；
⑤电光转换效率要高；
⑥能够室温连续工作；
⑦体积小、重量轻、寿命长，工作稳定可靠。
目前，满足上述要求的光源器件是半导体激光器（LD）和半导体发光二极管（LED），它们在不同的光纤通信系统中用作光发射机的光源。
在某些情况下，光源的直接调制不能满足使用的需求，必须采用外调制的方法，两种常用的光调制器是电吸收调制器和LiNb O3Mach-Zehnder（MZ）调制器。
1.半导体激光器
半导体光源的核心是PN 结，它由高掺杂浓度的P 型半导体材料和N 型半导体材料组成，其结构如图9.9所示。当把电流信号加载到它的两个电极上时，器件会输出光信号，这样激光器就可以实现将电信号转换成相应的光信号。半导体激光器工作的物理机制是受激辐射，它的主要特性如下。
图9.9 半导体激光器结构图
（1）发射波长
构成半导体激光器的材料决定了激光器的发射波长。光纤通信系统中有850 nm 波段的短波长、1 310 nm 波段和1 550 nm 波段三个不同波段的半导体激光器。
（2）P-I 特性
半导体激光器的P-I 特性是指它的输出功率P 随注入电流I 的变化关系。图9.10为一半导体激光器的典型P-I 特性曲线。随着激光器注入电流的增加，其输出光功率增加，但不是呈线性关系。当注入电流低于阈值时，输出功率很小，此时输出光为荧光；当注入电流大于阈值电流后，输出光功率随注入电流的增加而急剧增加，此时输出的光是激光。
图9.10 半导体激光器的典型P-I 特性曲线
（3）温度特性
半导体激光器是对温度敏感的器件，它的输出光功率随温度而变化。图9.11为一激光器的P-I 特性随温度变化的情况。随着温度的升高，器件的阈值电流增大，输出光功率降低，而且输出光的峰值波长会向长波长方向漂移。因此实用化的半导体激光器必须对温度加以控制。
图9.11 激光器的P-I 特性随温度变化的情况
（4）模式特性
光纤通信系统要求半导体激光器工作于基横模和单侧模，以提高与光纤的耦合效率。为减小光纤带来的色散，要求激光器单纵模工作，特别是在高速调制下的单纵模运转。
（5）光谱特性
半导体激光器的光谱特性主要是由激光器的纵模决定。
激光器的光谱会随着注入电流而发生变化。当注入电流低于阈值电流时，半导体激光器发出的是荧光，光谱很宽，如图9.12（a）所示。当电流增大到阈值电流时，光谱突然变窄，光谱中心强度急剧增加，出现了激光，如图9.12（b）所示。对于单纵模半导体激光器，由于只有一个纵模，其谱线更窄，如图9.12（c）所示。
图9.12 半导体激光器的输出光谱
（6）激光器的调制特性
半导体激光器具有较窄光谱宽度，使得它可以在高速调制下工作，如大于40 Gbit/s的速率。半导体激光器能实现的直接调制带宽可以到25 GHz。
2.光纤通信系统中常用的半导体激光器类型
（1）法布里-珀罗腔（FP）半导体激光器
法布里-珀罗腔半导体激光器是最常见、最普通的半导体激光器，它最大的特点是激光器的谐振腔由半导体材料的两个解理面构成。器件的输出光由多个纵模构成，器件的结构示意图和输出光谱如图9.13所示，这类半导体激光器也称作多纵模半导体激光器。由于光纤色散的存在，不同的纵模在光纤中的传输速度不同，限制了系统的传输速率，对于1 550 nm 工作波长，系统的比特率距离积小于10 Gbit/s·km。
图9.13 法布里-珀罗腔半导体激光器的结构和输出光谱
（2）分布反馈（DFB）半导体激光器
DFB激光器的结构如图9.14所示。它是在有源区或邻近波导层上刻蚀所需的周期波纹光栅而构成的。DFB激光器的激光振荡由光栅形成的光耦合来提供，其基本原理是布拉格反射原理。DFB激光器具有动态单纵模特性好、光谱线宽窄、波长稳定性好、线性度好等优势，是高速光纤通信系统的理想光源，器件可以实现1 550 nm 波段的2.5 Gbit/s及以上速率的直调。
图9.14 DFB半导体激光器的结构和输出光谱
（3）多段DFB半导体激光器
多段DFB半导体激光器同样具有DFB 半导体激光器的窄线宽、可以实现高速调制的优点，同时又可以实现大范围的光波长调谐。图9.15给出了一个八段DFB 半导体激光器的结构和输出光谱。这类器件可以应用于波分复用（WDM）中，以减少系统使用的激光器的数目，典型的器件可以实现35～40 nm 的连续可调谐。
图9.15 八段DFB半导体激光器的结构和输出光谱
（4）垂直腔面发射（VCSEL）半导体激光器
垂直腔面发射半导体激光器的结构如图9.16所示，它是垂直表面出光的激光器。它的谐振腔由位于有源区的上下两侧的反射镜构成。它可以实现更高功率输出，适合应用在并行光传输以及并行光互连等领域；它成本较低，在宽带以太网、高速数据通信网中得到了大量的应用。
图9.16 垂直腔面发射半导体激光器的结构
3.发光二极管
发光二极管（LED）是非相干光源，它的基本工作原理是自发辐射。发光二极管与半导体激光器在材料、异质结构上没有很大差别。二者在结构上的主要差别是：发光二极管没有光学谐振腔，不能形成激光。发光二极管的发光仅限于自发辐射，发出的是荧光，是非相干光。根据发光二极管的发光面与PN 结的结平面平行或垂直而分为面发光二极管和边发光二极管。它们的结构如图9.17所示。
图9.17 发光二极管的结构
由于发光二极管与半导体激光器在发光机理和结构上存在差异，使得它们在主要性能上存在明显差异。发光二极管的主要特性如下。
（1）P-I 特性
发光二极管的P-I 特性曲线如图9.18所示。发光二极管不存在阈值，输出光功率与注入电流之间呈线性关系，且线性范围较大。当注入电流较大时，由于PN 结的发热，发光效率降低，出现饱和现象。从图中可以看出，在相同注入电流下，面发光二极管的发射功率比边发光二极管大。
图9.18 发光二极管的P-I 特性曲线
（2）光谱特性
由于发光二极管输出的是自发辐射光，并且没有光学谐振腔，所以输出光谱要比半导体激光器宽得多，一般有50～70 nm。图9.19给出了发光二极管的输出光谱曲线。
图9.19 发光二极管的光谱曲线
（3）温度特性
与半导体激光器相比，发光二极管的温度特性是很好的，如图9.20所示。由于发光二极管的输出光功率随温度变化不大，在实际使用中可以不加温度控制。
图9.20 发光二极管的温度特性
（4）远场特性
远场特性是距离器件输出端面一定距离的光束在空间上的分布。发光二极管输出光的发散角较半导体激光器大，因此它与光纤耦合的效率很低，使得出纤光功率很低。
（5）调制特性
发光二极管的调制带宽在几十至几百兆赫兹的范围。
与半导体激光器相比，发光二极管的突出优点是寿命长、可靠性高、调制电路简单、成本低，所以它在一些传输速率不太高、传输距离不太长的系统中得到了广泛的应用。
4.光调制器
光源的调制分为直接调制（也称作内调制）和间接调制（也称作外调制）两种。直接调制就是将调制信号直接作用加载到光源的驱动电流上，从而使输出光随电信号变化而实现的。由于它是在光源内部进行的，因此又称为内调制。高速发射机常用间接调制的方法，即在激光形成以后加载调制信号。其具体方法是在激光器谐振腔外的光路上放置调制器，在调制器上加调制信号，使调制器的某些物理特性发生相应的变化，当激光通过它时，得到调制。
目前光通信中实用的调制器主要有两种：一种是M-Z（Mach-Zehnder）波导调制器，另一种是电吸收（EA）调制器。
M-Z调制器用电光材料制作，如用LiNbO3材料制作的M-Z调制器就是一种常用的电光调制器，其基本结构如图9.21所示。输入光信号在第一个3 dB耦合器处被分成相等的两束，分别进入两波导传输。波导是用电光材料制成的，其折射率随外部施加的电压大小而变化，从而导致两路光信号到达第二个耦合器时相位延迟不同。若两束光的光程差是波长的整数倍，两束光相干加强；若两束光的光程差是波长的1/2，两束光相干抵消，调制器输出很小。因此，只要控制外加电压，就能对光束进行调制。
图9.21 M-Z调制器结构示意图
EA 调制器是一种损耗调制器，EA 调制器的基本原理是：改变调制器上的偏压，使器件的吸收边界波长发生变化，进而改变光束的通断，实现调制。当调制器无偏压时，光束处于通状态，输出功率最大；随着调制器上的偏压增加，调制器的吸收边移向长波长，原光束波长处吸收系数变大，调制器成为断状态，输出功率最小。
EA 调制器容易与半导体激光器集成在一起，形成体积小、结构紧凑的单片集成器件，而且需要的驱动电压也较低。但它的频率啁啾比M-Z调制器要大，不适合传输距离特别长的高速率海缆系统。
5.光发射机
在光纤通信系统中，要将电端机送来的电信号转变为光信号，即进行E/O 变换，并送入光纤线路进行传输。
（1）光发射机的组成
光源的调制分为直接调制（也称作内调制）和间接调制（也称作外调制）两种，因此，光发射机可以分为直接调制和外调制方案两类，如图9.22所示。
在直接调制光发射机中，信号经过复用和编码后，通过调制电路将电信号转变为调制电流，以实现对光源的强度调制。
半导体激光器是对温度敏感的器件，它的输出光功率和输出光谱的中心波长随着温度发生变化。因此为了稳定输出功率和波长，光发送机往往加有控制电路，控制电路包括自动功率控制（APC）电路和自动温度控制（ATC）电路。
图9.22（b）是采用外调制方案的光发射机原理图，信号经过复用和编码后，通过外调制器可以对连续光进行光强度、相位或者偏振态进行调制。在高速DWDM 系统和相干检测系统中，必须采用外调制的方案。
图9.22 光发射机原理图
（2）光发射机的主要指标
光发送机的主要指标有平均发送光功率、消光比及光谱特性。
1）平均发送光功率
光发送机的平均发送光功率是在正常条件下，光发送机发送光源尾纤输出的平均光功率。平均发送光功率指标应根据整个系统的经济性、稳定性、可维护性以及光纤线路的长短等因素全面考虑，并不是越大越好。
2）消光比
消光比为全“1”码时的平均发送光功率与全“0”码时的平均发送光功率之比。可用下式表示：
消光比直接影响光接收机的灵敏度，从提高接收机灵敏度的角度考虑，希望消光比尽可能大，消光比一般应大于10 dB。
3）光谱特性
对于高速光纤通信系统，光源的光谱特性为制约系统性能的至关重要的参数指标，它影响了系统的色散性能，需要仔细考虑。
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