光纤通信技术—2.pptx
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1、第第9 9章章 光纤通信技术光纤通信技术 光纤通信技术是光纤应用技术的一个重要应用方向,它是以光纤技术、激光技术和光电集成技术为基础而发展起来的。光纤通信是以光纤作为传输媒介、光波为载频的一种先进的通信手段。即利用近红外区域波长1000nm左右的光波作为信息的载波信号,把电话、电视、数据等电信号调制到光载波上,再通过光纤传输信息的一种通信方式。光纤通信具有许多独特的优点,所以光纤一经问世,就以科技史上罕见的速度迅速发展而成为有效的通信手段。本章主要介绍了光纤通信的特点、分类和光纤通信系统的基本组成,以及光纤通信网络和光通信的新技术。9.2 9.2 光源与光发送机光源与光发送机 光发送机的作用是
2、将电信号转变成光信号,并有效地把光信号送入传输光纤。其关键器件是光源,主要功能是产生光载波,完成电信号到光信号的转换。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极管(LD)和发光二极(LED),有些场合也使用固体激光器。本节首先介绍半导体光源的工作原理、基本结构和主要特性,然后进一步介绍光发送机各组成部件的工作机理。9.2.19.2.1光纤通信对光源器件的要求光纤通信对光源器件的要求 光纤通信对光源器件的要求是:光源器件发射光波长与使用光纤的传输窗口波长一致,一般应位于光纤的三个低衰耗窗口,即0.85m、l.31m和1.55m附近。可以进行光强度调制,线性好,带宽大;发射光功率足够高,以便可
3、以传输较远的距离。光源器件一定要能在室温下连续工作,而且其入纤光功率足够大,最少也应有数百微瓦,甚至达到1mW(0dBm)以上。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。光源器件的输出特性如发光波长与发射光功率大小等,一般来讲随温度变化而变化,尤其是在较高温度下其性能容易劣化。发光谱宽窄,以降低光纤色散的影响。光源器件发射出来的光的谱线宽度应该越窄越好。因为若其谱线过宽,会增大光纤的色散,减小了光纤的传输容量与传输距离(色散受限制时)。例如对于长距离、大容量的光纤通信系统,其光源的谱线宽度应该小于2nm,甚至到亚纳米级。可靠性高,要求它工作寿命长,工作稳定性好,具有较
4、高的功率稳定性、波长稳定性和光谱稳定性;光纤通信要求其光源器件长期连续工作,因此光源器件的工作寿命越长越好。目前工作寿命近百万小时(约100年)的半导体激光器已经商用化。体积小、质量轻、与光纤之间有较高的耦合效率。光源器件要安装在光发送机或光中继器内,为使这些设备小型化,光源器件必须体积小、质量轻。由于光纤的几何尺寸极小(单模光纤的芯径不足1m),所以要求光源器件要具有与光纤较高的耦合效率。能够满足以上要求的光源一般为半导体发光器,另外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。目前,光纤通信中最常用的半导体发光器件是LED和LD。前者可用于短距离、低容量或模拟系统,其成
5、本低,可靠性高;后者适用于长距离、高速率的系统。9.2.29.2.2发光二极管(发光二极管(LEDLED)1.LED1.LED的发光机理与结构的发光机理与结构 LED的核心部分是由P型和N型半导体结合构成的PN结,为正向工作器件。一般的PN结由同一种半导体材料构成,P区、N区具有相同的带隙和接近相同的折射率,这种PN结称为同质结。在同质结中,光发射在结的两边都可以发生,因此,发光不集中,强度低,需要较大的注入电流。器件工作时发热非常严重,必须在低温环境下工作,不可能在室温下连续工作。为了克服同质结的缺点,需要加强结区的光波导作用及对载流子的限定作用,这时可以采用异质结结构。所谓异质结,就是由带
6、隙及折射率都不同的两种半导体材料构成的PN结。异质结可分为单异质结(SH)和双异质结(DH)。异质结是利用不同折射率的材料来对光波进行限制,利用不同带隙的材料对载流子进行限制,如图9.2所示。LED是由P型半导体形成的P层和N型半导体形成的N层,以及在中间由异质结构成的有源层组成。有源层是发光的区域,其厚度为0.10.2m。形成发光条件的过程参见图9.2。由双异质结构成LED的能带状态,使P层和有源层以及N层的能量差(即带隙)变大。这个能量差就是所谓的异质结势垒。在正向偏压作用下,N区的电子将向正方向扩散进入有源层,P区的空穴也将向负方向扩散进入有源层。进入有源层的电子和空穴,由于异质结势垒作
7、用而被封闭在有源层内,形成粒子数反转分布。封闭在有源层内并形成粒子数反转分布的电子,经跃迁与空穴 复合时,电子从高能级范围的导带跃迁到低能级范围的价带,并释放出能量约等于禁带宽度Eg(导带与价带之差)的光子,即发出荧光。这种复合的自发辐射光通过外加正向偏置形成的注入电流,源源不断地向有源层提供电子和空穴得以维持。LED由于利用正向偏压下的PN结在有源层内载流子的复合发出自发辐射的光,所以LED的出射光是一种非相干光,其谱线较宽(3060nm),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LD相比,LED的驱动电路较为简单,并且产量高、成本低。LED
8、主要有五种结构类型,但在光纤通信中获得了广泛应用的只有两种,即面发光二极管(SLED)和边发光二极管(ELED)。SLED的结构如图9.3所示,由n-p-p双异质结构成。双异质结生长在LED顶部的nGaAs衬底上,pGaAs有源层厚度仅12m,与其两边的nA1GaAs和pA1GaAs构成两个异质结,限制了有源层中的载流子及光场分布。这种LED有源层发射面限定在一个小区域内,该区域的横向尺寸与光纤尺寸相近。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,可利用腐蚀的方法在衬底材料正对有源区部位腐蚀出一个凹坑,使光纤能直接靠近有源区。另外,在p+GaAs一侧用Si02掩模技术形成
9、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。SLED输出的功率较大,一般注入100mA电流时,就可达几个毫瓦,但光发散角大,水平和垂直发散角都可达到120,与光纤的耦合效率低。为了提高耦合效率,图图9.3 SLED9.3 SLED的结构的结构可在发光面与光纤之间凹陷的区域注入环氧树脂,并在光纤末端放置微透镜或形成球透镜,从而使入纤功率提高23倍。图图9.4 ELED9.4 ELED的结构的结构 ELED的结构图如图9.4所示。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。ELED利用Si
10、02掩模技术,在P面形成垂直于端面的条形接触电极(4050m),从而限定了有源区的宽度;同时,增加光波导层,进一步提高光的限定能力,把有源区产生的光辐射导向发光面,提高与光纤的耦合效率。另外,ELED有源区一端镀高反射膜,另一端镀增透膜,以实现单向出光。这种 LED在垂直于结平面方向,发散角约为30,具有比SLED高的输出耦合效率。2.LED2.LED的主要特性的主要特性(1)光功率注入电流(P-I)特性 LED的输出光功率P与注入电流I的关系,即P-I特性,如图9.5所示。LED为非阈值器件,其发光率随工作电流增大而增大,当注入电流较小时,线性度非常好;但当注入电流比较大时,由于PN结的发热
11、,发光效率降低,并在大电流时出现逐渐饱和现象。在同样的注入电流下,SLED的输出功率要比ELED大2.53倍,这是由于ELED受到更多的吸收和界面复合的影响。在通常应用条件下,LED的工作电流通常为50150mA,偏置电压1.21.8V,输出功率约几毫瓦,但因其与光纤的耦合效率很低,入纤功率要小很多。温度对LED的P-I特性也有影响,如图9.5所示,当工作温度升高时,同一电流下的发射功率要降低,如当温度从20升高到70时,输出功率下降约一半。但相对LD而言,LED的温度特性较好,在实际应用中,一般可以不加温度控制。(2)发光波长与光谱特性 LED发射的光子的能量、波长取决于半导体材料的带隙Eg
12、,以电子伏特(eV)表示,发射波长为(9.1)例如,对于GaAs,Eg1.22eV,用它制作的LED的发射波长就为0.87m。不同的半导体材料、不同的材料成分有不同的禁带宽度Eg,可以发射不同波长的光。LED的工作原理基于半导体的自发辐射,并且LED没有谐振腔实现对波长的选择,因此发光谱线较宽。由于半导体材料的导带和价带都由许多不同的能级组成,如图9.6(a)所示。大多数的载流子复合发生在平均带隙上,但也有一些复合发生在最低及最高能级之间。因此,LED的发射波长在其中心值附近占据较大的范围。如把光强下降一半时的两点间波长范围定义为输出谱线宽度(半功率点全宽FWHP),即光源的线宽,如图9.6(
13、b)所示。在室温下,短波长LED的线宽为2520nm,长波长LED的线宽则可达75100nm。LED的谱线宽度反映了有源区材料的导带与价带内的载流子分布。图图9.6 9.6 导体的价带能级间的光发射及线宽导体的价带能级间的光发射及线宽图图9.7 LED9.7 LED的谱线特性的谱线特性 LED的线宽与许多因素有关。线宽随有源层掺杂浓度的增加而增加,如图9.7(a)所示。通常SLED为重掺杂,ELED为轻掺杂,因此ELED的线宽稍窄。载流子在高温下有更宽的能量分布,因此,大电流时随结温升高而线宽加大,同时峰值波长向长波移动,移动速度为0.20.3nm/(短波长器件)或0.30.5nm/(长波长器
14、件),如图9.7(b)所示。由于LED的线宽大,使光纤色散加重,从而限制了传输距离和速率。(3)调制特性 从LED的P-I特性可见,改变LED的注入电流就可以改变其输出光功率,如图9.8所示。这种直接改变光源注入电流实现调制的方式称为直接调制或内调制(IM)。在数字调制时,可由电流源直接控制LED的通断;在模拟调制时,则先要将LED直流偏置IB。图图9.8 LED9.8 LED的调制原理图的调制原理图 LED的调制特性主要包括线性和带宽两个参量。从LED的PI特性可知,当注入小电流时,其线性相当好,但当注入电流较大时,会逐渐出现饱和现象,使模拟调制信号产生失真。因此,即使对于线性要求较高的模拟
15、传输来说,LED工作在线性区时也是非常合适的光源。但若是对线性要求特别高(如广播电视传输)时,则需要利用线性补偿电路进行线性补偿。图图9.9 LED9.9 LED的频率响应的频率响应 LED调制特性的另一个重要参量是调制带宽。在调制频率较低时,输出交流功率正比于调制电流;但随着调制频率的提高,交流功率会下降。图9.9为LED的频率响应,图中显示出少数载流子的寿命和截止频率fc的关系。对有源区为低掺杂浓度的LED,适当增加工作电流可以缩短载流子寿命,提高截止频率。3.LED3.LED的特点的特点 LED是光纤通信中应用非常广泛的光源器件之一,因为它具有以下优点:线性度好。LED发光功率的大小基本
16、上与其中的工作电流成正比关系,也就是说LED具有良好的线性度。温度特性好。相对于LD而言,LED的温度特性比较好,在温度变化100的范围内,其发光功率的降低不会超过50%,因此在使用时一般不需要加温控措施。价格低、寿命长、使用简单。LED是一种非阈值器件,所以使用时不需要进行预偏置,也不存在阈值电流随温度及工作时间而变化的问题,故其使用非常简单。此外,与LD相比它价格低廉,工作寿命也较长。据报道工作寿命近千万小时(107)的LED已经问世。同样,LED也存在以下缺点:由于LED的发光机理是自发辐射发光,所发出的光不是相干光而是荧光,所以其谱线较宽,一般在30100nm范围,故难以用于大容量的光
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