【正文】 數(shù)規(guī)律變化，并隨器件的老化而增加，從而使輸出光功率發(fā)生很大的變化。由于半導(dǎo)體激光器對(duì)溫度的變化是很敏感的，穩(wěn)定激光器的輸出光信號(hào)是必須研究的問(wèn)題。顯然，PI 特性曲線斜率越大，外微分量子效率越大，說(shuō)明激光器電光轉(zhuǎn)化效率越高 [9]。 激光器的電光轉(zhuǎn)化效率通常用外微分量子效率衡量，其定義為： ?P? hfeIPeI hfP ?????? // (27) 式中， P? 為外微分量子效率， P? 為光功率輸出增量， I? 為注入電流的增量， P? / I? 實(shí)際上就是 PI 曲線中的斜率。閾值電流 Ith與溫度 T 的關(guān)系可用下式表示： Ith=I0eT/T0 (26) 式中， I0 是溫度是的閾值 T=T0 電流； T0 是閾值電流的溫度敏感參數(shù)，在AlGaAs 激光器中， T0 =120~150K；在 InGaAsP 激光器中， T0 =50~70K。 圖 29 半導(dǎo)體激光器的 PI 曲線 半導(dǎo)體激光器的閾值電流對(duì)溫度的變化十分敏感，如圖 210 所示。從圖中可見(jiàn)： LD 的 PI 特性曲線中存在一個(gè)閾值電流 Ith，它是激光器開(kāi)始激射的注入電流；當(dāng)注入電流小于閾值電流即 IIth時(shí)， LD 發(fā)射普通的熒光，其譜線較寬，功率很??；而當(dāng)注入電流大于閾值電流即 IIth 時(shí)，LD 開(kāi)始發(fā)射激光，而且其激光器隨之如電流的增大而增加。 對(duì)于半導(dǎo)體激光器，只有注入電流達(dá)到一定值后，才能既實(shí)現(xiàn)粒子束反轉(zhuǎn)分布，又滿足諧振腔里光振蕩的閾值條件，發(fā)射出譜線尖銳、模式明確的激光光束。 光通信中用的半導(dǎo)體材料，在短波長(zhǎng)段（ m? ），采用 GaAlA 和 GaAs材料構(gòu)成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)；在長(zhǎng)波長(zhǎng)波段（ m? 和 m? ），采用 InGaAsP 和 InP材料 s 構(gòu)成異質(zhì)結(jié)構(gòu)。 圖 28 大面積激光器 半導(dǎo)體激光器的特性 （ 1）發(fā)射波長(zhǎng)。但是在平行于結(jié)平面的側(cè)向并無(wú)光限制結(jié)構(gòu)，沿著激光器的整個(gè)寬度上都存在光輻射，損耗太大，閾值電流較高，這是大面積激光器的主要缺點(diǎn)。這樣的激光器面積大，其產(chǎn)生的激光以面積接近 2100*1 m? 的橢圓斑點(diǎn)從兩端解理面輻射，而在垂直與結(jié)平面的方向受雙異質(zhì)結(jié)的限制，斑點(diǎn)尺寸較小（ ? 1 m? ），而且有源層折射率比限制層高（ ? n? ），起平面光波到的作用，并承載一定數(shù)量的模式，成為橫模。 激光器的結(jié)構(gòu) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 最簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體激光器由一個(gè)薄有源層（ m?? 厚）、 P 型和 N 型限制層構(gòu)成。但是它技術(shù)成熟，價(jià)格便宜，已經(jīng)在 565/622Mb/s 速率低于此速率的光波系統(tǒng)普遍采用，將 LD 設(shè)計(jì)在單縱模式工作能進(jìn)一步提高 BL積。理想條件下，其他模式的增益不應(yīng)達(dá)到閾值，即期增益應(yīng)低于光纖總 損耗，因?yàn)槠湓鲆姹葥p耗低，如圖 27 (c)所示。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 15 圖 27 半導(dǎo)體激光器的模式增益譜 （ a）增益譜分布； （ b）腔膜分布； （ c）工作模式的決定 光腔 (FP)中滿足諧振條件的縱橫是均勻分布的，間隔為 L?? =c/2nL，如圖 27 (b)所示。當(dāng)考慮材料色散時(shí)， L?? =c/2 gn L 為群折射率，gn =n+? (dn/d? )，典型值 L=200~400 m? ， L?? =100~200GHz。這些頻率對(duì)應(yīng)于縱向模式，并與光腔長(zhǎng)度 L 有關(guān)。令等式兩邊振幅和相位相等，則得 cmirRRLg ???? ????? int21int )1ln (21 （ 22） nLmcmkL m 2/或22 ??? ??? （ 23） 式中， k=2? n? /c； m 為整數(shù)； )1ln(21 21int RRL??為非全反射端面引起的射透損耗（輸出）， c? 代表包含這兩項(xiàng)的光腔總損耗。 圖 26 半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)與光學(xué)諧振腔 設(shè)一振幅為 0E ，頻率為 ? ，波數(shù)為 k=n? /c 的平面波，在長(zhǎng)度為 L，功率增益系數(shù)為 g 的光腔中往返一次后，其幅度增大 exp[(g/2)(2L)]倍，相位變化為2kL，考慮到激光器內(nèi)的各種吸收和散射損耗及端面投射輸出，其幅度變化為（ 1R 2R ） exp/21 （ inta L）， 1R ， 2R 為端面反射率， inta 為腔內(nèi)總損耗率。反射鏡的反射率為 211)( ??? nnRm 。如圖 26 所示，大部分激光器的反饋用將增益介質(zhì)放入一個(gè)光學(xué)諧振腔或簡(jiǎn)稱光腔內(nèi)來(lái)提供，光腔由兩塊反射鏡來(lái)組成，一般稱為法布里 —珀羅腔或 FP 腔。有時(shí)用厚 5~10nm 的多個(gè)有源層提高器件性能，這種激光器稱為多量子阱 (MQW)激光器，這種激光器中，由于降低了載流子導(dǎo)致折射率變化，因而具有更窄的線寬和更優(yōu)良的調(diào)制特性 [7]。 增益橫截面或增益微分系數(shù)對(duì)激光器性能的影響很大，高的 g? 意味著為得到同樣增益，可在較低的載流子濃度，即較低注入電流實(shí)現(xiàn)，所以在 LD 的設(shè)計(jì)中應(yīng)設(shè)法提高 g? 。對(duì) InGaAs 激光器， N T 和 g? 的典型值分別在1~* 31810 ?cm 和 2~3* 21610 cm? 范圍內(nèi)。正是有這么高的增益，所以能制造尺寸小于 1mm 的半導(dǎo)體激光器。圖 25（ b）展示了隨 N 的變化，當(dāng) N* 31810 ?cm 時(shí)， Pg 幾乎 隨線性變化，當(dāng)N2* 31810 ?cm 時(shí)， Pg 超過(guò)了 300cm1? 。由圖 25（ a）可見(jiàn)，當(dāng) 318101 ?? cmN *時(shí)，由于尚未達(dá)到離子數(shù)反轉(zhuǎn)條件，材料吸收占優(yōu)勢(shì)， g0。 增益的產(chǎn)生表明有源區(qū)發(fā)生的受激輻射速率 stR 超過(guò)了受激吸收速率 abR ，因而有關(guān)系 g? ( stR abR )。在半導(dǎo)體激光器中，這個(gè)條件是通過(guò)向 p 型和n 型限制層重?fù)诫s是費(fèi) 米 能級(jí)間隔在 pn 結(jié)正向偏置下超過(guò)帶隙實(shí)現(xiàn)的。 激活物質(zhì)只能使光放大，只有把激活物置于光學(xué)諧振腔中，以提供必要的反饋及對(duì)光的頻率和方向進(jìn)行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。這時(shí)的工作物質(zhì)已被激活，成為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)。 2）能夠使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的激勵(lì)源（泵浦源）：使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵(lì)源，稱為泵浦源。它應(yīng)該包括放大部分、振蕩回路與反饋系統(tǒng)。 半導(dǎo)體激光器是利用在有源區(qū)中受激而發(fā)射光的光器件。 半導(dǎo)體激光器件，可分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)等幾種。常用工作物質(zhì)有砷化鎵 (GaAs)、硫化鎘(CdS） 、磷化銦 (InP)、硫化鋅 (ZnS)等。 半導(dǎo)體激光器 (LD) 在高碼率、長(zhǎng)距離的光纖通信系統(tǒng)中，必須使用半導(dǎo)體激光器作為光源。 （ 4）調(diào)制特性 用電流信號(hào)調(diào)制發(fā)光二極管時(shí)，調(diào)制信號(hào)的碼率將受到 LED 特性的限制，當(dāng)注入電流較低時(shí)，調(diào)制帶寬受 LED 結(jié)電容的限制，而在較高偏置電流時(shí)，帶寬由注入有源區(qū)的載流子壽命 ? 決定，對(duì) InGaAsPLED來(lái)說(shuō)， ? 的典型值在 2~5ns，相應(yīng)的調(diào)制帶寬在 50~140MHz 的范圍，由于邊發(fā)光二極管比面發(fā)光二極管具有較小的載流子壽命，因此，邊發(fā)光二極管的調(diào)制特性優(yōu)于面發(fā)光二極管。因此，發(fā)光二極管一般應(yīng)用于短距離光纖通信系統(tǒng)中。由于 LED 的譜寬較大，采用 LED 作為光源的光纖通信系統(tǒng)受光纖色散影響較大，碼率和傳輸距離的乘積被限制在一個(gè)較小的值以下，所以LED 主要適合于碼率為 10Mb/s 左右、傳輸距離在幾公里以下的光纖局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 圖 23 典型 LED 的 PI 特性 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 （ 2） 光譜特性 LED 的出射光是自發(fā)輻射光，因此其光譜較寬，它的譜寬是隨著發(fā)射波長(zhǎng)平方增加而增加的。 工作溫度升高時(shí)， 同樣工作電流下 LED 的輸出功率要下降。 圖 23 為一典型 LED 在不同溫度下的 PI 曲線，從圖中可以看出，發(fā)光二極管沒(méi)有閾值電流，隨著工作電流的增加，輸出光功率近似成線性增加。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 9 圖 22 邊發(fā)光二極管 發(fā)光二極管 (LED)的工作特性 LDE 的工作特性包括 PI 特性、光譜特性和調(diào)制特性等。由于邊發(fā)光二極管間 pn 結(jié)平面上的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其光輻射的圖形與面發(fā)光二極管不同，在面發(fā)光二極管中，每一方向的輻射角（半極大值全角）為 120 左右，而在邊發(fā)光二極管中，在垂直于結(jié)平面的方向上輻射角只有 30 左右，所以邊發(fā)光二極管與光纖的耦合具有更高的效率。有源區(qū)的長(zhǎng)度約為 100~150。在面發(fā)光二極管中，發(fā)光面被限制在一個(gè)與光纖平行的尺寸上，在器件的襯底上腐蝕一個(gè)小孔，然后用環(huán)氧將插入小孔的光纖加以固定，已接收發(fā)射出來(lái)的光，光纖與 LED 的耦合效率決定于光纖的數(shù)值孔徑、光纖與 LED 的距離等因素，將光出射的表面做成球狀，光纖端面制成球狀以及在 LED 于光纖之間使用透鏡，都可以增加耦合輸出效率。其工作特性包括 PI 特性、光譜特性和調(diào)制特性等。最后，在制作 LED 時(shí)應(yīng)使它有合適的幾何形狀，使其發(fā)出的光能有效的耦合進(jìn)光纖。由于電子空穴隊(duì)的復(fù)合也可以不產(chǎn)生光子，既無(wú)輻射復(fù)合過(guò)程，故 LED 的內(nèi)量子效率就不可能達(dá)到 100%。 半導(dǎo)體發(fā) 光二極管（ LED） 發(fā)光二極管 LED(Light Emitting Diode)利用正相電壓下的 pn結(jié)在激活區(qū)中載流子的復(fù)合而發(fā)生自發(fā)輻射的光，因此 LED 的出射光是一種非相干光。 在光纖通信中，占主要地位的是半導(dǎo)體激光二極管，它主要用于長(zhǎng)距離和大容量（高碼速）的光纖通信系統(tǒng)中，其次是發(fā)光二極管，可用于短距離、低容量系統(tǒng)或者用于模擬系統(tǒng)。 線寬度可以做的較窄，以減少光纖中的色散的影響 [4]。當(dāng)溫度變化時(shí)，其輸出光功率及工作波長(zhǎng)的變化在允許的范圍內(nèi)。 ，并且響應(yīng)速度要快。 ，而且與調(diào)制器的連接應(yīng)該是很方便的。由于光纖通信系統(tǒng)中的傳輸媒介是光纖，因此，作為光源的發(fā)光器件，應(yīng)滿足以下基本要求： ，發(fā)光面積應(yīng)與光纖芯徑的尺寸相匹配，而且光源和光纖之間應(yīng)有較高的 耦合效率。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 7 第二章 光源器件的介紹 光源器件是光纖通信設(shè)備的核心，它的作用是把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)。因?yàn)?LD 激光器一般都都溫度很敏感，其閾 值電流也會(huì)隨溫度變化，所以 LD 組件中必須有自動(dòng)溫度控制電路，即熱敏電阻和致冷器組成的穩(wěn)定溫度的電路。它是利用調(diào)制信號(hào)控制通過(guò) LED 或 LD 的電流，進(jìn)而控制發(fā)光器件的輸出光強(qiáng)度。本文主要討論的是直接調(diào)制光發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)。調(diào)制主要有直接調(diào) 制和間接調(diào)制，其中最常用的調(diào)制方式是直接強(qiáng)度調(diào)制，它使發(fā)光器件的光強(qiáng)直接隨著要傳輸?shù)男盘?hào)變化。 光發(fā)射機(jī)是光纖通信系統(tǒng)中重要的組成部分之一，其功能是將電脈沖信號(hào)變換成光脈沖信號(hào)，進(jìn)行電 /光轉(zhuǎn)換，以送入光纖中進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸。 本文研究的主要內(nèi)容 光纖通信系統(tǒng)中一個(gè)主要的構(gòu)成部分就是光端機(jī)，而光端機(jī)又包括了光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)。光纖通信必將引起一場(chǎng)通信技術(shù)的革命。 目前光纖通信的整體水平仍處于初級(jí)階段，光纖通信的巨大潛力還沒(méi)有完全開(kāi)發(fā)出來(lái)。微電子技術(shù)，光電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，為光通信技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了非常好的條件，使得光 通信也得以快速的發(fā)展。這種種的優(yōu)勢(shì)，使得光纖通信成為本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 通信史上發(fā)展最快的一門通信技術(shù) [2]。光纖的主要原料是石英，節(jié)省金屬銅和鉛，有降低成本的潛在能力，不存在資源枯竭問(wèn)題。光纖是玻璃制成的，不易腐蝕并且絕緣性好，可以在強(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境下工作，不受電磁場(chǎng)和其他噪聲的干擾。 （ 5） 光纖通信抗干擾性很強(qiáng)。 （ 4） 光纖通信傳輸信號(hào)不向外輻射，保密性好。 （ 3） 線徑細(xì)，重量輕且易鋪設(shè)。目前制成的二氧化硅純度極高，損耗極低，在光波長(zhǎng) L= 附近，衰減有最低點(diǎn)，可低至 ，接近 理論極限值。 （ 2） 損耗低，可以長(zhǎng)距離傳輸。而波長(zhǎng)越短，可同時(shí)傳輸?shù)男畔⑷萘烤驮酱蟆? （ 1） 光纖的使用可以大大擴(kuò)展通信的容量。在人類社會(huì)進(jìn)入 21 世紀(jì)的同時(shí)，也步入了一個(gè)前所未有的信息時(shí)代，隨著通信業(yè)的發(fā)展，光纖大顯身手，成為了現(xiàn)在有線通信網(wǎng)的最佳媒 介 [1]。光通信也可以分為利用大氣進(jìn)行通信的無(wú)線光通信和利用石英光纖或塑料光纖進(jìn)行通信的有線光通信。這其中包括了傳統(tǒng)的有線和無(wú)線電通信和新興的光通信。最后 ，再學(xué)習(xí) Altium Designer印制電路 板軟件的使用， 并對(duì) LD組件及外圍電路 進(jìn)行印制電路板的 制作 。在后一章中對(duì) LED和 LD光發(fā)射機(jī)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，首先設(shè)計(jì)了 LED光發(fā)射電路，然后深入研究更為復(fù)雜的 LD激光器調(diào)制電路，在對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹后，說(shuō)明了自動(dòng)溫度控制電路和自動(dòng)功率控制電路在 LD調(diào)制電路中的重要性，然后再對(duì)這兩種電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在第二章中對(duì)光纖通信中的光源進(jìn)行了介紹，其中包括 LED發(fā)光二極管與 LD半導(dǎo)體激光器，詳細(xì)說(shuō)明了結(jié)構(gòu)、發(fā)光機(jī)理、 PI特性、光譜特性、調(diào)制特性等工作特性。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 1 摘 要 直接調(diào)制光發(fā)射機(jī)能完成對(duì)電信號(hào)的處理，其功能是把電脈沖信號(hào)變成光脈沖信號(hào)。本文先介紹了光纖通信的發(fā)展背景，光纖相對(duì)于傳統(tǒng)銅導(dǎo)線的優(yōu)越性，以及光纖通信未來(lái)的發(fā)展。簡(jiǎn)單介紹 LD組件，并說(shuō)