【正文】 通信指的是一切運(yùn)用光波作為載體而傳送信息的所有通信方式的總稱，而不管傳輸所使用的介質(zhì)是什么。自高錕博士 1966年那篇《光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》的論文發(fā)表過(guò)后，有線光通信的發(fā)展舉世矚目。 與電纜通信等其他通信方式相比，光纖通信有著無(wú)可比擬的優(yōu)越性。因?yàn)楣饫w通信是以激光作為運(yùn)載信息的工具，激光是波長(zhǎng)較短的可見(jiàn)光波，它的波長(zhǎng)只有無(wú)線電波中波長(zhǎng)最短的微波的十萬(wàn)分之一。如果一條微波線路能通十萬(wàn)路電話，激光則可同時(shí)傳輸一百億路電話。實(shí)用的光纖均石英系光纖，要減小損耗，主要靠提高玻璃纖維的純度。同時(shí)，由于損耗低，中繼距離可以很長(zhǎng)，在通信線路中可減少中繼站數(shù)量，降低成本且提高了通信質(zhì)量。光纖直徑只有 左右，制成光纜后直徑較細(xì)，重量輕，鋪設(shè)線纜時(shí)，空間利用率高。它傳輸?shù)男畔⒚荛]在光纖中，不像無(wú)線通信那樣，將攜帶的信息電磁波散步在空間中，因而竊聽(tīng)是很不容易的。抗腐蝕，抗電磁感應(yīng)能力強(qiáng)。 （ 6） 成本低，無(wú)資源枯竭 問(wèn)題。 另外，制造光纖的原材料石英來(lái)源豐富，制成光纜后直徑較細(xì)，隨處可??；光纖良好的柔韌性也為線路施工提供了方便。 光纖通信應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景 光纖通信技術(shù)在中國(guó)的應(yīng)用面試廣泛的，除了在電信網(wǎng)中的應(yīng)用外，光纖通信技術(shù)還成功地應(yīng)用于廣播電視網(wǎng)，移動(dòng)通信，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中。光通信在高速、大容量方面和寬帶、綜合、低成本接入方面都在迅速發(fā)展。 Inter 應(yīng)用的飛速增長(zhǎng)對(duì)電信骨干網(wǎng)帶寬提出了越來(lái)越高的需求，為滿足需求的增長(zhǎng)，人們可以鋪設(shè)更多的光纖，或靠提高單路光纖的信息運(yùn)載量，用戶除了打電話，還需要傳送數(shù)據(jù)、看電視、網(wǎng)上辦公、網(wǎng)上教育等多媒體功能，對(duì)通信速度和容量的要求也相應(yīng)增加，因此，大力開(kāi)發(fā)光纖通信的容量是世界必然的趨勢(shì)。 隨著光子集成、光電子集成技術(shù)的發(fā)展，器件與系統(tǒng)之間的界限正在模糊化，將大量的光子器件、光電子器件和電子器件集成在一個(gè)很小的芯片上，現(xiàn)已一步步變成了可能 [3]。本文只涉及光通信中的一小部分，即光發(fā) 射機(jī)的設(shè)計(jì)。光源發(fā)出的光可以看做是載波，通過(guò)調(diào)制，使其載荷信息。這是一種最簡(jiǎn)單的調(diào)制方法，設(shè)備簡(jiǎn)單，需要傳輸帶寬小，對(duì)光源的調(diào)制帶寬和光纖的色散特性要求低。其主要包括 LED 發(fā)光二極管和 LD 激光器的調(diào)制。在 LD 激光器調(diào)制中， LD 激光器一般是做成一個(gè)組件的形式，其中包括了 LD 發(fā)光器，致冷器，LD 驅(qū)動(dòng)電路，背光檢測(cè)，熱敏電阻，尾纖等。又因?yàn)楸仨毷构獍l(fā)射機(jī)穩(wěn)定工作，激光器必須設(shè)計(jì)自動(dòng)功率控制電路，以保持輸出的光功率不變。光纖通信中常用的光源器件有半導(dǎo)體激光二極管（ LD，或稱半導(dǎo)體激光器）和半導(dǎo)體發(fā)光二極管（ LED）兩種。 2. 發(fā)射的光波波長(zhǎng)應(yīng)適合光纖的兩個(gè)低損耗波段，即短波長(zhǎng) ~ 和波長(zhǎng) ~。 ，工作壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性好，互換性好。 。 、輸出功率滿足光纖通信系統(tǒng)的要求 。 此外，它們還具有體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)、與光纖耦合效率高、調(diào)制簡(jiǎn)便等一系列優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)用于公用通信、有線電視圖像傳輸、計(jì)算機(jī)、空航、航天、船艦內(nèi)的通信控制、電力及鐵道通信交通控制信號(hào)、核電站通信、油田、煉油廠、礦井等區(qū)域內(nèi)的通信。 下面分別介紹這兩種最常用的光纖通信光源。其譜線較寬（ 30~60），輻射角較大。制作 LED 時(shí)應(yīng)盡可能的提高它的內(nèi)轉(zhuǎn)換效率或內(nèi)量子效率，設(shè)法減少晶體的缺陷和雜質(zhì)，應(yīng)提高它的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 調(diào)制速率，而且應(yīng)使 LED 能很好的散熱，這是因?yàn)槊可?100， LED 的輸出功率就下降 2~3。 LED 的結(jié)構(gòu) LED可以按照其發(fā)光面與 PN結(jié)的結(jié)平面平行或垂直而分為面發(fā)光二極管和邊發(fā)光二極管。 圖 21 為面發(fā)光二極管（ Surface Emitters） ,它采用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)， pGaAs為有源層，其厚度僅為 1~2nm，有源層兩邊的 nGaAlAs 和 pGaAlAs 為限制層，其作用是把光能有效的限制在有源層內(nèi)，以提高能量轉(zhuǎn)換效率和發(fā)光強(qiáng)度。 圖 21 雙異結(jié)面發(fā)光二極管 邊發(fā)光二極管（ Edge Emitters）如圖 22 所示，其核心部分仍是雙異質(zhì)結(jié)芯片， nGaAlAs 為有源層，上下限制層為 nGaAlAs 和 pGaAlAs。其一端鍍金屬膜，另一端鍍?cè)鐾改?，以?shí)現(xiàn)單膜出光。邊發(fā)光二極管的調(diào)制帶寬通常比面發(fā)光二極管高，因?yàn)樵谙嗤淖⑷腚娏飨?，邊發(fā)光二極管具有較小的載流子壽命 [5]。 （ 1） PI 特性 LED 的 PI 特性是指輸出功率隨輸入電流的變化關(guān)系。但是當(dāng)工作電流增大到一定程度時(shí)，曲線呈飽和趨勢(shì)，這是因?yàn)樵谳^大的輸入電流下 pn結(jié)的溫度升高，非輻射復(fù)合速率增加，使內(nèi)量子效率 int? 下降而形成對(duì)輸出功率的影響，所以在使用發(fā)光二極管時(shí)，應(yīng)注意可利用的線性范圍。例如當(dāng)溫度從20℃ 升高到 70℃ 時(shí)，輸出功率下降約一半，相對(duì)而言，溫度的影響要比 LD 小。發(fā)射波長(zhǎng)在 m? 的 InGaAsPLED 的譜寬比發(fā)射波長(zhǎng)在~ m? 的 GaAsLED 寬約 倍，圖 24 給出了 GaAsLED 和 InGaAsPLED的典型光譜特性。 圖 24 GaAs 和 InGaAsP LED 的典型光譜 （ 3）光束空間分布特性 與激光器相比，發(fā)光二極管發(fā)出光的發(fā)散角較 大，與光纖的耦合效率也較低。另外，發(fā)光二極管的壽命從理論上來(lái)看要比激光器高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，但實(shí)際應(yīng)用中，達(dá)不到這個(gè)數(shù)值，一般二極管的壽命可達(dá) 3*105 小時(shí)以上。 綜上所述，雖然發(fā)光二極管的輸出光功率較低、譜線較寬，但由于發(fā)光二極管使用簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，它在低速率、短距離的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)和模擬光本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 11 纖通信系統(tǒng)中還是得到廣泛的應(yīng)用 [6]。 半導(dǎo)體激光器是用半導(dǎo)體材料作為工作物 質(zhì)的激光器，由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)上的 差異，不同種類產(chǎn)生激光的具體過(guò)程比較特殊。激勵(lì)方式有電注入、電子束激勵(lì)和光泵浦三種形式。同質(zhì)結(jié)激光器和單異質(zhì)結(jié)激光器在室溫時(shí)多為脈沖器件，而雙異質(zhì)結(jié)激光器室溫時(shí)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作。只有在工作電流超過(guò)閾值電流的情況下，才會(huì)輸出激光 (相干光 )，因而是有閾值的器件。半導(dǎo)體激光器有如下三個(gè)組成部分： 1）產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)（激活物質(zhì)），也就是處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的工作物質(zhì)，它是產(chǎn)生激光的必要條件。物質(zhì)在泵浦源的作用下，使粒子數(shù)從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，使得在這種情況下受激輻射大于受激吸收，從而有光的放大作用。 3）有能夠完成頻率選擇及反饋?zhàn)饔?的光學(xué)諧振腔。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與光增益 對(duì)于處于泵浦條件下的原子系統(tǒng)，當(dāng)滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件時(shí)即將會(huì)產(chǎn)生占優(yōu)勢(shì)的（超過(guò)受激吸收）受激輻射。當(dāng)有源層載流子濃度超過(guò)一定值（稱為透明值），就實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，由此在有源區(qū)產(chǎn)生了光增益，在半導(dǎo)體內(nèi)傳播的輸入信號(hào)將得到放大，放大倍數(shù)為 exp(gz)， g為增益系數(shù)。圖 25 展示了不同注入（泵浦）載流子濃度 N 時(shí)計(jì)算所得 m? InGaAs 有源層的光增益曲線。當(dāng) N 增加時(shí)， g 隨本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 著 N 增加，在一段光譜區(qū)內(nèi)變?yōu)檎担逯?Pg 向高光子能量方向移動(dòng)。可見(jiàn)一但實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，光增益將迅速增大。 圖 25 m? InGaAsP 有源層光增益系數(shù) g與注入載流子濃度 N 的關(guān)系 （ a）作為光子能量函數(shù)的增益系數(shù) （ b）增益系數(shù)隨 N 的變化 從圖 25（ b）數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知， Pg 近乎隨 N 線性增大，因而峰值增益可近似表示為 Pg = )( Tg NN ?? ， TN 表示截流子濃度的透明值， g? 稱為增益橫截面，亦成為微分增益系數(shù)。大部分半導(dǎo)體激光器工作于 Pg 〉100 1?cm 的高增益區(qū)，所以 Pg 的近似計(jì)算公式是合理的。量子阱半導(dǎo)體 激光器的有源層厚度很薄，其典型值約 10nm為，導(dǎo)致電子 —空穴對(duì)好像備限制在量子阱中，這樣導(dǎo)致了能帶能量電子化為了本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 13 次能帶，使結(jié)合態(tài)密度 CV? 稱為梯級(jí)狀結(jié)構(gòu)，態(tài)密度的這種變更改變了自發(fā)輻射和受激輻射速率，增益的線性近似仍能在有限范圍內(nèi)滿足，但 g? 的有效值比厚度為 m? 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的有源層增大了兩倍。 光學(xué)諧振腔與激光器的閾值條件 激光器是一種光學(xué)振蕩器，為使得激光器穩(wěn)定工作，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生光收益式必要條件，另一個(gè)重要條件必須提供光的反饋，將光放大器轉(zhuǎn)換為振蕩器。在半導(dǎo)體激光器中，兩端的解理面即起反射鏡的作用，不必外加反射鏡。式中式增益介質(zhì)的折射率，其典型值為 ，因而解理面的發(fā)射率為 30%。在穩(wěn)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 定工作時(shí)，平面波在腔內(nèi)往返一次應(yīng)保持不變，于是可得 0int2/1210 )2e x p ()e x p ())(e x p ( EikLLaRRgLE ?? （ 21） 式中， i 為相位關(guān)系。式 (22)和式 (23)完整的表述了激光器穩(wěn)定工作的兩個(gè)條件 ——幅值和相位條件，前者規(guī)定增益和電流最低值，后者規(guī)定激光器振蕩頻率 v 必為 m? =mc/2nL 中的一個(gè)頻率。若忽略 n 與頻率的關(guān)系，各縱模的頻率間隔 L?? =c/2nL 是常 數(shù)。 受激輻射的增益譜特性是由有源區(qū)增益介質(zhì)的能級(jí)決定的，而在半導(dǎo)體激光器重則是由帶隙決定的，因此增益譜分布有一定寬度，并非單色的，如圖 27(a)所示。通常這些模式都能同時(shí)獲得增益，最靠近增益峰的模式為主導(dǎo)模式。實(shí)際中增益差別甚小 ( 110 ?? cm. )或其他模式增益亦大于腔體損耗，因此主模臨近激光器的輸出普特特性較寬，典型值為~，用于光波系統(tǒng)時(shí)受到光淺色散的限制，其比特率 —距離積（ BL）限制在 10(Gb/s)km 以下。這個(gè)問(wèn)題將在下節(jié)討論 [8]。有源層夾在 P 型和 N 型限制層中間，由此產(chǎn)生的 PN 異質(zhì)結(jié)通過(guò)歐姆接觸正向偏置，電流在覆蓋整個(gè)激光器芯片寬度（ ? 100 m? ）的較大面積注入， 圖 28所示。由于實(shí)際有源層很薄（ m?? ），因而實(shí)際上只承載單個(gè)橫模。為解決側(cè)面光輻射和 光限制問(wèn)題，下面介紹兩種實(shí)際激光器的結(jié)構(gòu)：增益導(dǎo)引半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)和折射率導(dǎo)引半導(dǎo)體激光器。 有源區(qū)中導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴復(fù)合時(shí)所發(fā)射的光子能量近似等于禁帶寬度 gE ，因此半導(dǎo)體材料的禁帶寬度決定了激光器的發(fā)射波長(zhǎng)，即 gEhf? （ 24) 式中， h 衛(wèi)普朗克常數(shù)， f 為光子頻率，由于光波長(zhǎng) fC/?? ，于是式（ 24）可表示為 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 17 gEhC?? （ 25） 式中， C 為真空中光速。 （ 2）閾值性質(zhì)。所以半導(dǎo)體激光器是一個(gè)閾值器件，其功率 電流（ PI）特性曲線如圖 29 所示。常用單模激光器的閾值電流 Ith≈ 50mA。當(dāng)溫度升高時(shí)， LD 的閾值電流將隨之增大，反之則減小。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 18 圖 210 激光器閾值電流隨溫度的變化 （ 3）激光器的效率。 e 為電子電荷， hf 為光子能量。 LD 激光器組件 與 LED 相比， LD 的調(diào)制問(wèn)題要復(fù)雜的多，尤其是在高速調(diào)制系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)條件的選擇、調(diào)制電路的形式和工藝，都對(duì)調(diào)制性能至關(guān)重要。溫度變化和器件的老化會(huì)給激光器帶來(lái)很多的不穩(wěn)定性。另外，線路中出現(xiàn)的長(zhǎng)連 0 和長(zhǎng)連 1 也會(huì)影響定時(shí)信號(hào)的提取，長(zhǎng)連 1還會(huì)增加光源的負(fù)擔(dān)，減少光源的壽命。又為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制造和商用化的方便，人們制作了集成 LD 和上述所有部件的集成電路，形成一個(gè)完整的 LD 組件。關(guān)于 LD 組件的具體介紹，將在下一章中描述。直接調(diào)制適用于半導(dǎo)體光源，它將要傳送的信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)注入光源，獲得相應(yīng)的光信號(hào)輸出，輸出光波電場(chǎng)幅值的平方與調(diào)制信號(hào)成正比，是一種光強(qiáng)度調(diào)制（ IM）。間接調(diào)制是利用晶體的電光、磁光和聲光效應(yīng)等性質(zhì)對(duì)光幅進(jìn)行調(diào)制，既適用于半導(dǎo)體光源，也適用于其他類型的光源。本文只介紹直接調(diào)制。模擬信號(hào)調(diào)制是直接用連續(xù)的模擬信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，連續(xù)的模擬信號(hào)電流疊加在直流偏置電流上。數(shù)字調(diào)制主要指 PCM 編碼調(diào)制，即將連續(xù)變化的模擬信號(hào)通過(guò)取樣、量化和編碼，轉(zhuǎn)換成一組二進(jìn)制脈沖代碼，即用矩形脈沖的有、無(wú)（ “1”碼和 “0”碼）來(lái)表示信號(hào)。處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)， LED 幾乎不 發(fā)光，因?yàn)榭梢援a(chǎn)生較高的消光比；處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，要求驅(qū)動(dòng)電流的幅值與輸入信號(hào)值無(wú)關(guān)。 為了滿足上述要求，可以提出如下圖 31 的 2 種電路。一個(gè)理想開(kāi)關(guān)（閉合時(shí)，其電阻值可以忽略，從而其電壓降可以忽略）不會(huì)影響電流幅度。閉合旁路開(kāi)關(guān)電流到地，使 LED 關(guān)閉；斷開(kāi)開(kāi)關(guān)使電流通過(guò) LED，從而使其導(dǎo)通。圖 32 是一個(gè)用晶體管實(shí)現(xiàn)的串聯(lián)開(kāi)關(guān)調(diào)制器。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 21 Uce 很小，因此集電極電流很大， LED 發(fā)光。電容 C可以用來(lái)提高電路的開(kāi)關(guān)速度，這種調(diào)制器的工作頻率可以達(dá)到 10MHz 以上 [10]。 LD 光發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì) 相比 LED， LD 半導(dǎo)體激光器的調(diào)制給電路設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了更多的難題。其主要問(wèn)題來(lái)源有： LD 有比 LED 大的多的閾值電流。