光纖通信之LD電源

1、光纖通信一光源之（LD）激光二極管光纖通信系統(tǒng)中，目前均采用半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）和激光二 極管（LD）作為光源，這類光源具有尺寸小，與光纖耦合效率高， 響應(yīng)速度快，波長和尺寸與光纖適配，可在高速條件下直接調(diào)制等特 點。光纖通信系統(tǒng)對光源的要求主要有：（1）:光源發(fā)射的峰值波長，應(yīng)在光纖低損耗窗口之內(nèi)（2）:易于調(diào)制，響應(yīng)速度快，帶寬大，以利于高速，大容量數(shù)字信號 的傳輸（3）：單色性和方向性好，輸出譜窄，以減少光纖的材料色散，提高 光源和光纖的耦合效率（4）：輻射角小，與光纖的耦合效率高（5）有足夠高的，穩(wěn)定的輸出光功率，以滿足系統(tǒng)對光中繼段距離 的要求（6）：電一光轉(zhuǎn)換效率高，驅(qū)動功率

2、低，耗電省，可靠性高（7）：光強(qiáng)對驅(qū)動電流的線性要好，以保證有足夠多的模擬調(diào)制信道（8）：體積小，重量輕，安裝方便，性價比高下面介紹其中的（LD）激光二極管激光二極管本質(zhì)上是一個半導(dǎo)體二極管，按照PN結(jié)材料是否相同， 可以把激光二極管分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)（SH）、雙異質(zhì)結(jié)（DH） 和量子阱（QW）激光二極管。量子阱激光二極管具有閾值電流低， 輸出功率高的優(yōu)點，是目前市場應(yīng)用的主流產(chǎn)品。同激光器相比，激 光二極管具有效率高、體積小、壽命長的優(yōu)點，但其輸出功率?。ㄒ?般小于2mW），線性差、單色性不太好，使其在有線電視系統(tǒng)中的應(yīng) 用受到很大限制，不能傳輸多頻道，高性能模擬信號。在雙向光接收 機(jī)的回

3、傳模塊中，上行發(fā)射一般都采用量子阱激光二極管作為光源。半導(dǎo)體激光二極管的基本結(jié)構(gòu)：垂直于PN結(jié)面的一對平行平面構(gòu)成法布里一一珀羅諧振腔，它 們可以是半導(dǎo)體品體的解理面，也可以是經(jīng)過拋光的平面。其余兩側(cè) 面則相對粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。半導(dǎo)體中的光發(fā)射通常起因于載流子的復(fù)合。當(dāng)半導(dǎo)體的PN結(jié) 加有正向電壓時，會削弱PN結(jié)勢壘，迫使電子從N區(qū)經(jīng)PN結(jié)注入 P區(qū)，空穴從P區(qū)經(jīng)過PN結(jié)注入N區(qū)，這些注入PN結(jié)附近的非平 衡電子和空穴將會發(fā)生復(fù)合，從而發(fā)射出波長為入的光子，其公式如 下：入=hc/Eg （1）式中：h普朗克常數(shù)；c一光速；Eg一半導(dǎo)體的禁帶寬度。上述由于電子與空穴的自發(fā)

4、復(fù)合而發(fā)光的現(xiàn)象稱為自發(fā)輻射。當(dāng) 自發(fā)輻射所產(chǎn)生的光子通過半導(dǎo)體時，一旦經(jīng)過已發(fā)射的電子一空穴 對附近，就能激勵二者復(fù)合，產(chǎn)生新光子，這種光子誘使已激發(fā)的載 流子復(fù)合而發(fā)出新光子現(xiàn)象稱為受激輻射。如果注入電流足夠大，則 會形成和熱平衡狀態(tài)相反的載流子分布，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)有源層內(nèi) 的載流子在大量反轉(zhuǎn)情況下，少量自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子由于諧振腔兩 端面往復(fù)反射而產(chǎn)生感應(yīng)輻射，造成選頻諧振正反饋，或者說對某一 頻率具有增益。當(dāng)增益大于吸收損耗時，就可從PN結(jié)發(fā)出具有良好 譜線的相干光激光，這就是激光二極管的簡單原理。種類：1法布里-珀羅激光器法布里-珀羅激光器(FP-LD )是最常見、最普通的半導(dǎo)體激

5、光器，它最 大的特點是激光器的諧振腔由半導(dǎo)體材料的兩個解理面構(gòu)成。目前光 纖通信上采用的FP-LD的制作技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，普遍采用雙異質(zhì) 結(jié)多量子阱有源層、載流子與光分別限制的結(jié)構(gòu)。2分布反饋半導(dǎo)體激光器普通結(jié)構(gòu)的分布反饋半導(dǎo)體激光器(DFB-LD)，在高速調(diào)制狀態(tài)下 會發(fā)生多模工作現(xiàn)象，從而限制了傳輸速率。因此，設(shè)計和制作在高 速調(diào)制下仍能保持單縱模工作的激光器是十分重要的，這類激光器統(tǒng) 稱為動態(tài)單模(DSM)半導(dǎo)體激光器。實現(xiàn)動態(tài)單縱模工作的最有效的 方法之一，就是在半導(dǎo)體激光器內(nèi)部建立一個布拉格光柵，依靠光柵 的選頻原理來實現(xiàn)縱模選擇。分布反饋半導(dǎo)體激光器的特點在于光柵 分布在整個諧振腔

6、中，光波在反饋的同時獲得增益。因為DFB-LD的 諧振腔具有明顯的波長選擇性，從而決定了它們的單色性優(yōu)于一般的FP-LDo在DFB-LD中存在兩種基本的反饋方式，一種是折射率周期性變化 引起的布拉格反射，即折射率耦合(Index-Coupling)，另一種為增益周 期性變化引起的分布反饋，即增益耦合(Gain-Coupling) o 與依靠兩個 反射端面來形成諧振腔的FP-LD相比，DFB-LD可能激射的波長所對 應(yīng)的諧振腔損耗是不同的，也就是說DFB-LD的諧振腔本身具有選擇 模式的能力。在端面反射為零的理想情況下，理論分析指出2：折 射率耦合DFB-LD在與布拉格波長相對稱的位置上存在兩個

7、諧振腔 損耗相同且最低的模式，而增益耦合DFB-LD恰好在布拉格波長上存 在著一個諧振腔損耗最低的模式。也就是說，折射率耦合DFB-LD原 理上是雙模激射的，而增益耦合DFB-LD是單模激射的。3 DFB-LD/電吸收型調(diào)制器集成光源用于進(jìn)行集成光源制作的外調(diào)制器結(jié)構(gòu)主要分為兩類：干涉型和電 吸收型，分別以基于多量子阱材料電光效應(yīng)的Mach-Zehdner調(diào)制器 和利用量子限制Stark效應(yīng)的電吸收(EA)型調(diào)制器為代表。干涉型調(diào) 制器雖然具有對工作波長不敏感、啁啾可調(diào)的特性，但由于存在制作 困難、器件尺寸較大等缺點，目前還難以推廣使用。而電吸收型調(diào)制 器因為具有驅(qū)動電壓低、器件尺寸小、啁啾可

8、控、制作工藝簡單等優(yōu) 點，被廣泛地應(yīng)用于單片集成光源的制作。現(xiàn)在，DFB-LD/EA調(diào)制 器集成光源已經(jīng)成為干線光纖通信的首選光源。由于干線光纖通信繼續(xù)向高速、大容量的方向發(fā)展，40 Gbit/s或更 高速率的DFB-LD/EA調(diào)制器集成光源就成為目前的研究熱點。5波長可選擇光源由于密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對集成光源提出了 新的要求，具有波長可調(diào)諧或者波長可選擇特性的集成光源成為新的 研究熱點。波長可調(diào)諧是指激光器波長在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。目前 波長調(diào)諧主要基于布拉格反射光柵，通常通過改變溫度、注入電流等 方法，改變光柵的有效折射率，從而改變光柵的布拉格波長o DFB-LD 雖

9、然單模特性穩(wěn)定，但是波長調(diào)諧的范圍較小，一般在2nm左右。 目前技術(shù)比較成熟的波長可調(diào)諧激光器主要基于分布布拉格反射器 半導(dǎo)體激光器(DBR-LD)。和DFB-LD相似，DBR-LD也是通過內(nèi)含 布拉格光柵來實現(xiàn)光的反饋的。不過在DBR-LD中，光柵區(qū)僅在激 光器諧振腔的兩側(cè)或一側(cè)，增益區(qū)沒有光柵，光柵只相當(dāng)于一個反射 率隨波長變化的反射鏡。其中，三電極 DBR-LD是最典型的基于 DBR-LD的單模波長可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，其原理性結(jié)構(gòu)如圖3o 3 個電極分別對DBR-LD的增益區(qū)、相移區(qū)和選模光柵注入電流，其 中增益區(qū)提供增益，光柵區(qū)選擇縱模，而相移區(qū)用來調(diào)節(jié)相位，使得 激光器的諧振波長和光

10、柵的布拉格波長一致。通過調(diào)節(jié)3個電極的注 入電流，其調(diào)諧范圍可以達(dá)到10 nm左右。另外采用特殊的光柵結(jié)構(gòu)， 如超結(jié)構(gòu)光柵(SSG)，DBR-LD的波長調(diào)諧范圍可以達(dá)到103 nm。6垂直腔面發(fā)射激光器以上所說的各種激光器都是邊發(fā)射激光器，激光從激光器的側(cè)面輸 出，只能進(jìn)行一維集成，很難制作二維集成器件。但是，光數(shù)據(jù)傳輸 的發(fā)展需要能夠二維集成的器件，而垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL) 是一個很好的選擇。與邊發(fā)射激光器最大的不同點是，它的出射光垂 直于器件的外延表面，即平行于外延生長的方向。對于光通信來說，這些光源都具有各自的特點，適用于光纖通信的 不同領(lǐng)域，可以說是光纖通信的基礎(chǔ)器件，是推動光纖通信發(fā)展的基 本要素。全球光通信發(fā)展要求開發(fā)大量的、各個層次要求的光電子基 礎(chǔ)器件，未來的市場前景非常廣闊。中國對光電子