《光纤通信用光电子器件和组件》北京邮电.docx

现代通信技术应川， 光纤通信用 光电寻器件和组件 黄章勇编苫 M时&芬 现代通信技术应用丛书 EifW 呂tt 碗带岐域厲础"「馴 貝■务 盧域无fix 6 5室帝用光山加件和组件＞ a* maz^r a fiu^ 6 中区気子孕会倍二£电—辛11#小I* ft i »»l* ♦ kHM.Ftefsn«ff<JF».先金 «HN^NQAMffX «tfB I 損*■ AU睥q 4JH0T■孑群*/ *<t:ll- iw-*« KHtJrCi I t【)呷Hg遇信技术》 K»PRSft«> J 844 *«. «• (ftff«EI *«■«< sfln^ckffBrt9) i^iwwwrft • «»*»(? •a nuXii. !4h»tK9lvM« "mV «i ♦ 象女十>3 —『It ♦ fcft. 20W»!nit$fJli -M3- itIIftfl 1*. ISBN 7-5635-O5O7-S/TN .228 定价：38.00元 光纤通信用 光电子器件和组件 黄章勇编著 A0952289 北京邮电大学出版社 •北京・ 内容提要 本书是一部专门介绍光钎通信席光电子器件的专业技术书，共\3瓦该书较全面地弁绍了光纤通 信用光发射器件(包括LED和LD及其组件徵块)、光接收器件(包括PIN和APD及其组件彼块)、光 调制器、光开关以及光放大器的基本工作原理、器件结构、器件组装、器件特性参数，并貫点介绍DWDM 和光纤用户接入网应用的光电子器件;还较详尽介绍了确保光纤通信用光龟子器件可靠性的語件考核 标准以及使用光电子器件的注意事项。 本书既展示了作者多年的工作积累，也参考了国内外近几年的最新技术资料，可供从事光纤通信(包 括光电子器件研究和生产、光斜通信系统设计和制造、光电子器件和光纤通信系统销售、可靠性研究和管 理等)的单位和工程技术人员使用和參考•也可供通信专业、光电子技术专业大专院校师生使用和参考。 图书在版编目(CIP)数据 光纤通信用光电子器件和组件馈章勇编著.一北京，北京邮龟大学出版杜.2(KH .7 ISBN 7-5635-Q507-5 I .光... D.黄... m .①光缆通信一光电器件②光缆通信一电子元件 N.TN929.11 中国版本图书馆CIP数据核字(2001)第031509号 书 名:光纤通信用光电子器件和组件 作 看：黄章勇编著 壹任命繹：时友芬 出版发行：北京邮电大学出版社 附 址： 社 tit：北京市海淀区西土城路10号(100876) 电话010-62282185(发行部)/0062283578(FAX) E-mail: pubish@ S 绪：各地新华书店 印 刷：北京忠信诚胶印厂印刷 开 本：787 mm XI 092 mm 1/16 印 册21.5 字 «： 504千字 印 數：1—8000册 版 次：2001年7月 定 价！ 38.00元 ISBN 7-5635-0507-5/TN-228 前 言 光歼理佑已成为 班 今會,电社会不可 缺少的神娃系说，其女展知*力线洩冇 ®J5t, 倶是，对于光好通代系晚的校，Q 无（整）件 光宅子整件 尚汶有— 部奧Jfc的、系統的、可供实用的技术资 料，BP或次这方面的技术资料也JI枣星 的、不究会的、缺乏实用的.急册一部 臭贴近实 用性的次关光 奸通AT用光电子 件的枚木赏料。本书的京*JI为北电 子器件研究和生产者、光奸通1T系携设 计此制址*以及通信系航用户了解 光好皿It用光电子矗件。本书校仝西地 檢地了北好通信用的主長光电子尊件的 据本工作原斑、尊冲结构、俎塩拭术、 *件特恤鼻数以及各村光电子尊件的观 状和发展。 本书的特点岌具次实用性.书中大 亀地分Jg了句•供实用化的光电子俎件和供块.并枚许佃介绍b Bellcore推荐和已被*认的光七子器卄的常用金数以及这整参教 的忠义此测试方法.岡时对尚不兜全统一的可•»恤會校标*作了 校全面介妈。此外.本书込从实用九度分脩应用和鋒作光电子胳 件的48尖问飕。 作*希里通过本书对光开通1»,特别是光•手嚣件的应用和 发展有吊折助。由亍作*水平次限，书中肯定》次许#遗*和槍1* 之处.敬请诀*批评指正。 * * I 二OOO斗十月 2 •一 1 光纤通信与光电子器件 1.1光纤通信系统简介 光纤通信主要是指利用激光作为信息的栽波信号并通过光导纤维来传递值息的通信 系统。光纤通信是人类通信史上一重大突破,现今的光纤通信已成为信息社会的神经系 统，其主要优点是； •光波频率很高，光纤传输频带很宽，故传输容量很大,理论上可通上亿门话路或上 万套电视，可进行图像、数据、传真、控制、打印等多种业务； •不受电磁干扰，保密性好，且不怕雷击，可利用高压电缆架空敷设，用于国防、铁 路、防爆等； •耐高温、高压，抗腐蚀,不受潮，工作十分可靠； •光纤材料来源丰富，可节约大量有色金属（如铜、铝），且直径小、重量轻、可挠 性好。 光纤通信经过短短30年，得到了飞速的发展，已从第一代0.85 多模光纤系统，第 二代1.3 pm多模光纤系统过渡到第三代1.3呻单模光纤实用系统，第四代L55卩m单 模光纤系统现已广泛地投入使用。由于光电子器件、光纤技术以及系统技术的不断改善 和更新，长距、高速、超高速、超大容量和超长距离的光纤通信系统乃至全光光纤通信系统 已从实验室逐步进入工程实施阶段。 一个光纤通信系统通常由发射电端机、发射光端机、接收光端机、接收电端机以及连 接发射和接收光端机的光纤（缆）线路组成，图1・1示出光纤通信系统简单模型。若是长 距光纤通值系统.为补偿因光纤（筮）传输的损耗，在光纤线路上还配置光放大器,最具吸 引力的光放大器是与传输光纤相匹配的光纤放大器，例如应用于1-55皿光纤系统的掺 铝光纤放大器（EDFA）和应用于1.3 fxm光纤系统的掺错光纤放大器（PDFA）。为了在单 根光纤上实现大容量传输，在光纤线路上还配置了波分复用器/解复用器（WDM/DE. MUX）、1 x N星形耦合器和矩阵光开关等。为了实现光器件（包括光有源器件和光无源 —1 — 光纤通信用光电子器件和组件 图q实际的咒外逋伤糸统略的 器件）与光纤线路间的连接还使用大址的光连接器 光纤、地 无端机 ]―Q— 北源 电端机 发， 图i・i简化的光纤通信系统模型 图1-2示出包括终端用户设备的实际光纤通信系统图.从图中可以清晰地r解光纤 通情与光电子器件之间的关系以及光电子器件在光纤通信系统中的作用和地位、 1.2光发射机 光发射机是由将带有信息的电信号转换成光信号的转换装置和将光信号送入光纤的 传输装置组成，图1・3是光发射机的主要部件示意图。光发射组件是光发射机的主要部 件,而光源（包括半导体光发射二极管和激光二极管）是核心。光纤通信用光源必须满足 如下原则； •光源的激射波长必须在传输光纤的低损耗窗口波段：0.85 pn（通常称作短波长波 段）、1.31 pm和1.55 |im波段（通常将L31回和L55回称为长波长波段）； •光源的发射功率要大； ・调制特性和发光/消光（响应速度）特性要好； •可靠性要高，寿命要长； —2 — I光纤通信与光电子器件 杷殳射机 图1-3光发射机示意图 •光源必须轻巧，适应振动、温度、湿度等环 境变化； •能批量生产，价格便宜。 满足上述原则的光源是半导体光源，因而半 导体光源具有以下优点： (1) 其发光的光谱范围能与石英光纤的各个 低损耗、低色散窗口对应C例如，以GaAs为衬底 的GaAlAs/GaAs光源的中心发射波长正好位于 0.85 Rm,以InP为衬底的InGaAJVInP光源的中 心发射波长可分别位于1-31 gm和1.55 pm。同 时,短距光纤通信系统大多选用0-85 Pm波长光 源，而长距光纤通信系统选用1.31卩m波长或者1.55坤波长光源。 (2) 半导体光源，特别是半导体激光二极管不仅具有较髙的发射场率而且还与光纤 间有较高的耦合效率。 (3) 调制十分的简单，在中、低调制速度时，半导体光源可以进行直接调制，无须外部 的光调制器。 (4) 可靠性极高，现在的发光二极管的寿命可达1护小时以上,激光二极管的寿命可 达IO,小时以上。 (5) 体积特别的小，并可与电子线路进行混合集成或单片集成,构成光电子集成的光 发射机• 除光源外，光发射机还有与之匹配的直流偏覺驱动电路、阻抗匹配电路、防止光从光 纤返回的光隔离器以及监视光源发射功率的监视光电二极管、自动功率控制电路和使光 源恒温工作的温控系统等。 1.3光调制器 在光纤通信系统要求较高速率时，半导体光源的调制特性满足不了要求，必须使用外 部调制器。目前，在光纤通信系统使用的外调制器通常是從酸锂(LiNbCR电•光调制器, 它釆用了一个集成光学的Mach-Zehnder(缩写为M・Z)构形,实现对光信号的强度调制， 因此，称这种外调制器为M・Z强度调制器，图1Y是使用光调制器的典型电路示意图。 如图所示，数字电信号不再是直接加在激光二极管光源上，而是把数字电信号加在 LiNbO^调制器的电极上,通过电•光调制器的M・Z构形把来自激光二极管的单偏振连续 数字电僖号 图卜4使用外调制器的光信号调制 3 光纤通信用光电子器件和组件 波(CW)光转换成为一个随时间变化的光输出信号。 光纤通信系统对调制的要求是: •髙的调制速率和宽的调制带宽 •低的驱动电压 •高消光比 •低的插入损耗 1.4光纤(缆) 光纤(缆)是光纤通信系统光波传输的媒体c光纤由高折射率的纤芯和低折射率的包 层和塑套构成，如图1・5所示。按制作光纤的材料不同分为石英(Si(b)光纤、多组分玻璃 光纤、全塑料光纤和掺杂光纤。按折射率分布可分为阶跃折射率(SI)光纤和渐变折射率 (GI)光纤。按传播光波模式可分为单模(SM)光纤和多模(MM)光纤。阶跃折射率光纤 适于小容量短距离系统，渐变折射率光纤适于中容量中距离系统，单模光纤适合于大容量 长距离系统。 图1・5光纤的结构 光缆由多根光纤构成，依据纤芯数量不同，光缆有双芯、4芯、8芯、12芯、18芯、24 芯、32芯等种类。 1.5光放大器 当光波在光纤中传输一定距离之后，由于光纤的损耗致使光功率减弱，要使光波继续 向前传播，必须对光波进行放大,较早的办法是使用光■电•光的放大方式,即使用两次光 电转换过食放大光信号.这种方式的光放大不仅装置复杂、成本高，而且带来不利的后 果。近年研究开发出的稀土掺杂的光纤放大器使在线光放大技术发生了一场革命C根据 放大光信号波段，光纤放大器有四种类型。它们分别是工作于1.55卩m波段的掺M(Er) 光纤放大器、工作于L31呻波段的掺错(Pr)光纤放大器(PDFA)、工作于L4Q阳波段 的掺镭(Tm)光纤放大器(TDFA)和可望工作于1.27-1.67 /‘m全光波段的拉曼光纤放 大器(RFA)。常将EDFA划分为C波段(153。〜1 570 nm)和L波段(1 580~1 610nm)。 目前EDFA仍是最成熟的放大器，它被光纤传输系统大量釆用，光纤放大器的基本原理 是利用稀土掺杂的光纤，在半导体激光器的泵浦下，发生能级跃迁而实现光的直接放大。 对EDFA来说,1 480 nm和980 nm波长的半导体激光器是它的泵浦光源。 —# 一 I光纤通倍与光电子器件 光纤放大器的主要要求是: •高的增益 •低的噪声系数 •高的输出光功率 •低的非线性失真 1.6光接收机 光接收机和光发射机一样，也是光纤通信系统的核心部件c光接收机由光电探测器 和放大、处理电路两个主要部分组成，图1・6示出了光接收机的主要组成部分。 光接收机 图1・6光接收机主要组成部分 光电探测器的主要功能是检测出已被 信息调制过的光信号并将它转换成电信 号，它相当于电通信系统中的检波c用于 光纤通信的光电探测器主要有两种，一种 是PIN光电二极管(PIN-PD),另一种是 雪崩光电二极管(APD).光纤通信用光电 探测器的主要要求是： -高的灵敏度 •低的噪声 •快的响应速度 •足够的带宽 •对温度变化不敏感 •尺寸小并能与光纤匹配 •价格合理,寿命长 在光接收机中，由于光电探测器的输出电信号通常比较小，必须经放大才能使用。放 大和处理电路的作用是将微弱的电信号放大并作适当处理。在光接收机中，最常使用的 放大器是GaAs场效应晶体管(FET),称之为FET放大器。在光接收机中为了知道光输 入功率和光输入损耗情况，还设置光输岀监视和告警电路. 1.7光无源器件 在光纤通信系统中还包括大量不可缺少的光无源器件,它们分别是： L光耦合器 光稲合器常用丁需要传输的光分路/光合路以及光耦合,按结构形式可分为熔接型、 研磨型和集成光路型。在光纤系统中多采用MN星形耦合器。 2. 光編离器 光隔离器是在光通路中防止光反射回光源■即只允许光单向传输的无源器件。常用 —5 — 光纤通信用光电子器件和组件 的光隔离器主要由起偏器、检偏器和旋光器、部分组成n起偏器与检偏器的透光轴成 45°角，旋光器使通过的光发生45°的旋转。例如，当垂直偏振光入射时，由于该光与起偏 器透光轴方向一致，所以全部通过。经旋光器后，其光轴旋转45°亀，恰好与检偏器透光 轴一致而获得低损耗传输。如果有反射光出现且反向进入隔离器的只是与检偏器光轴一 致的那…部分光，这一部分光经过旋光器被旋转45°,变成水平线偏振光,正好与起偏器 透光轴垂直，所以光隔离器能够阻止反射光的通过。图1"是隔离器的工作原理图。按 结构分光隔离器有三类,即块型、光纤型和波导型。 图卜7光隔离器的工作原理图 光隔离器的主要技术指标是； •低的插入损耗（对正向入射光） •大的隔离度（对反向反射光） 3. 光寰减器 光衰减器是对光功率进行预定量衰减的器件，分为可变光衰减器和固定光衰减器两 种。前者主要用于调节光线路电平,后者主要用于电平过高的光纤通信线路。图1-8示 出光纤通信用的光可变衰减器°如图所示,光纤输入的光经自聚焦透镜变成平行光束，平 行光束经衰减片送到自聚焦透镜并耦合到输出光纤c衰减片通常是表面蒸镀了金属吸收 膜的玻璃基片，为减小反射光，衰减片与光轴可以倾斜放置。光衰诚器的主要技术要求 是： •高的衰减精度 •好的衰减重复性 •低的原始擂损 图光可变衰减器示意图 4. 光纤连接器 光纤连接器是光纤系统最基本的无源器件，它起着各种设备和部件与光纤之间的连 接作用。有FC型、PC型和SC型。光连接器的主要技术要求是； •低的插入损耗 —6 — •好的重复性 •好的互换性 •低的反射损耗 •长的寿命 5. 波分宴用器/解饅用器 随着信息暈的不断扩大，必须提高光纤的传输比特(bit)率。早期系统是采用电子时 分复用技术,即在发送方面，把低比特速率的电信号用时分复用逐级合成为高速率的电信 号，然后以强度调制激光二极管;在接收方面，由光电探测器稔出电信号，再分路。目前的 光纤通信系统是采用光波分复用(WDM)技术,它可将两个或两个以上的光通道合成在一 条光纤中传输。目前复用上百个信道的密集WDM技术已被系统大童釆用。 光波分复用器/解复用器是-•种将多路光信号合成或分开的光无源器件。目前采用 的大多为薄膜滤波器型光波分复用器/解复用器,集成光学波分复用器/解复用器已成为 未来系统的首选器件，特别是阵列波导光栅(AWG)和布喇格(Bragg)光栅型的波分复用/ 解复用器件具有巨大的应用潜力。 6. 光开关 光开关是光纤通信系统不可缺少的器件，它不仅可用于光源备份的光路切换,还可用 于逻辑、数字光通值系统中的光路选择和光交换。光开关分为机械式和非机械式两类° 机械式光开关是采用移动(机电式)光纤或反射镜的方法来转换光路、其优点是插入损耗 小、串扰低,缺点是磨损大、速度慢、功耗大、寿命短”非机械式光开关正好克服机械式光 开关的缺点，可分为三大类型:电光开关、磁光开关和集成光路光开关.电光开关是通过 对电介质施加电场使其折射率分布发生改变，从而导致偏振光反射特性改变，实现光的开 关，其速率可达尸级。磁光开关是利用某些旋磁材料在外加磁场作用下产生旋光性，使 这些材料的光偏振面发生旋转而实现光开关，其开关速率比电光开关高，且重复性好、寿 命长、工作稳定。集成光路光开关是利用集成光学Mach-Zehnder干涉仪(MZI)的热光效 应和电光效应实现光开关,是未来光纤通信系统最有希望的光开关。 7. 光料合器 光耦合器是将光信号进行分路或合路、插入、分配的一种器件。按器件结构分，大体 可分为四类,即微光元件型、光纤成形型、光纤对接耦合型和平面波导型。微光元件耦合 器大多采用自聚焦透镜,利用人的自聚焦透镜，把聚焦光线变成平行光线的特点而实 现两束光线的耦合。光纤成形型耦合器最典型形式是星形耦合器，它可以是由两根以上 (最多可达100多根)的光纤局部加热熔合而成，这种光耦合器在制作上比较方便，价格比 较便宜，光纤和元件为一整体，可以耐受机械振动和温度变化。光纤对接型耦合器是利用 玻璃加工技术,把光纤端磨抛成楔形，将两根光纤的楔形斜面对接胶粘后,再与另一根光 纤的端而粘接。平面波导型耦合器是利用平面薄膜光刻匸艺制作的，其一致性好，插入损 耗小、分光比精度也高。 2 发光二极管和发光二极管组件 光纤通信用的发光二极管（LED）通常是采用以GaAs为衬底的GaAs或AlGaAs和 InP为衬底的InGaAs或InGaA^P材料制成。用AlGaAs/GaAs制作的LED其峰值发射 波长在0.8-0.95卩m范围内，用mGaAsP/InP制作的LED其峰值发射波长为1.3叩】 和1.55呻。光纤通信用的LED一般为高功率LED,其结构形式有正面（正面发光型）和 侧面（侧面发光型）LED。作为光纤通信的LED多采用侧面型LED,因为侧面发射光的 LED有与激光二极管相似的构形，可提供与光纤耦合的高耦合效率、较宽带宽和较窄的 光谱线宽。 2-1发光二极管结构和基本工作原理 2AA LED结构 图2T分别示出了 AlGaAs/GaAs LED和InGaAsP/InP LED的结构截面图。要使 LED发光,有源层的半导体材料必须是直接带隙材料，越过带隙的电子和空穴能够直接 复合而发射出光子。为了使器件有好的光和载流子限制，大多采用双异质结（DH）结构° P电极（+） 端面 /P电极（十） 端面 / p-GaAs—* / p-lnGaAs *- / p-GaAlAs / p-InP ■ W光 W光 InGaAsP有源层 n-AIGaAs 阡XXXXXXXX l — n kxxxxxxxxxx n・GaA5衬底 n-lnPit 底 、^极（-） 、n电极（） (a) AlGaAs/GaAs边发射LED (b) InGaAsP.'InPj^发财LED 图2-1边发射LED结构截面图 —# — 2发光二极管和发光二极管组件 图2・2 GaAs和GsP晶体的能带结构示意图 2.1.2 LED的基本工作原理 LED是一种直接注入电流的光发射器件，是半导体晶体内部受激电子从高能级回复 到低能级时，发射出光子的结果.这就是通常所说的自发发射跃迁。为了说明LED的发 光过程，首先从半导体材料的能带结构说起。由原子构成晶体时，电子不再是属于某个原 子，而在整个晶体内作“共有化运动”，这就导致原子能级分裂成能带。不允许存在能量状 态区域称为带隙,带隙宽度用电子伏特QV)表示。带隙下方与价电子对应的低能量区称 为价带，其上方高能景区称为导带，导带底的电子能量比价带顶的电于能量高，其值等于 带隙宽度Eg(简称带隙的能量丄 不同半导体材料有不同的能带结构， 图2-2分别示岀了 GaAs和GaP能带结构 示意图，图中只画出典型的导带底和价带 项，横坐标单位是波矢量,用符号k表示， 自由电子波矢量为的值与能景E的关系 是； E = /?2 .冒々执 (2-1) 式中，协是电子质量3是普朗克常数 (A=6,626X1O_34J'S)D 因此,半导体晶体中，电子能量同样能 用波矢量来描述。人们用繁复的理论计算 了一些实际半导体的能量E和波矢量&的 曲线。从图2・2中可看见,GaAs晶体的价 带顶和导带底处于同~ k值处，称这种半 导体为直接跃迁半导体或直接带隙半导 体;而GaP晶体的价带顶和导带底不在同一 k值处,称这种半导体为间接带隙半导体。 用£蝕表示直接带隙型半导体的带隙宽度，用E©表示间接带隙型半导体的带隙宽度。 当LED的PN结加上正向偏压，注入的少数载流子和多数载流子(即电子和空穴)复 合而发光。值得注意的是，对于大量处于高能级的粒子各自分别自发发射一列一列角频 率为v = Eg/h的光波，但各列光波之间没有固定的相位关系，可以有不同的傭振方向，并 且每个粒子所发射的光沿所有可能的方向传播,这个过程称之为自发发射。其发射波长 A可用下式来表7K: 久二峰理 (2-2) GaAs的Eg= 1.435 eV,故可用它来制作0.85呻 波长的红外LED。InGaAsP的 Eg = 0.75~1.35 eV,对应的发射波长为1.65〜0.92俱n,考虑到光纤的低损耗窗口，In. GaAsP LED的发射波长选为1・3削和1.55呻。 2发光二极曾和发光二极管组件 2.2发光二极管特性及测试方法 2.2.1 LED光谱特性及测试方法 由于LED没有光学谐振腔选择波长，所以它的光谱是以自发发射为主的光谱，图2・3 示出了 1 300 nm LED的典型光谱曲线°发光光谱曲线上发光强度最大时所对应的波长 为发光峰值波长心，光谱曲线上两个半光强点"和人2所对应的波长差△/!称之为LED 谱线宽度（简称谱宽），其典型值* 30 -40 nm之间，孔和心 的测试方框图如图2W所 示,当被测器件的正向工作电流达到规定值时，旋转单色仪波鼓.使指示器达到最大值，读 出波长峰值，此即为该器件的发光峰值波长桶。再旋转单色仪波鼓《朝相反方向各转一 次），使指示器读数为最大值的一半时，读出两个等于最大值-半的数值，两者之差即为光 谐线宽△/U实际上，现在可用光谱仪直接显示在显示屏上，并可自动打印出光谱 曲线。 /「TOOmA I 220 1 260 1 300 1 340 i 580 波晩nm) 图2・3 1 300 nin LED光谱曲线 图2-4 LED的七和q测试万椎图 从图2・3可以看到，当器件工作温度升高时，光谱曲线随之向右移动，从A,的变化可 以求出LED的波长温度系数 2.2.2 LED伏安特性及测试方法 LED通常都具有如图2・5所示的较好的伏安特性。当LED管芯通过的正向电流为 规定值时，正、负极之间所产生的电压降，即为正向压降（以Vf表示，单•位为V）,由于正向电阻比较小，故Vf一般都较低，图2・6示出了 Vf的测试原理图. 图2-5 LED的伏安特性曲线 图2・6 LED的正向压降测试原理图 当LED两端加规定反向电压时，通过LED的电流称之为反向电流（以上表示），其 测试原理图如图2-7所示°测试时，调节稳压电源，使直流龟压表的电压为规定值，此时 流过与被测LED串联的电流表值为所测的反向电流。 LED的结电容Co是指在零偏压下LED的电容值，其测试原理图如图2-8所示。测 量时，调节零位,并调节振荡器的频率至规定的频率，接人被测LED,在指示器上显示出 来的读数即为LED的结电容。 图2・7 LED的反向电流测试原理图 图2・8 LED的结电容测试原理图 2.2.3 LED的电光转换特性及测试方法 电光转换特性是LED的光输出功率与注入电流的关系曲线，即P-I曲线，因为是自 发发射光,所以,曲线的线性范围较大，如图2・9所示。LED的输出光功率是LED重 要参数之一，分为直流输出功率已和脉冲输出功率c所谓宣流输出光功率是指在规定正 向直流工作电流下,LED所发射出的光功率，图2・3是测试原理图。测试时，把LED和 接收器置于同一暗盒中,使发光面和接收面互相平行且尽量靠近。调节恒流源，使其正向 电流奸为规定值，指示器上的读数即为被测LED的直流输出光功率。所谓脉冲输出光 正向电7和mA） ffl2-9 LED的PI曲线 11 光纤通信用光电子器件和组件 功率是指在规定幅度、频率和占空比的矩形脉冲电流作用下,LED发光面所发射出的光 功率°测试时，把LED和接收器置于同一暗盒中，使发光面和接收面互相平行且靠近° 调节脉冲源,使其峰值电流川为规定值时，指示器上的读数即为被测LED的脉冲输出光 功率值，图2-11是测试原理图，图中Rl为取样电阻。脉冲峰值输出光功率和平均输出 光功率的关系为： (2-3) 图2T0直流械出光功率测试原理图 式中,Pp为脉冲峰值输出光功率,Fz为脉冲平均输出光功率,Dr为脉冲波形占空比。 图脉冲输出光功率的测试原理图 2.2.4 LED的辐射强度空间分布和半值角0s 辐射强度空间分布是指LED在规定的正向工作电流下垂直和平行于PN结方向强 度随空间角的分布图，它的分布影响到与光纤之间的耦合效率。测试时，把LED置于预 定位置上，调节恒流源，使工作电流Jf为规定值，从±90°转动发光器件，读取不同角 度下指示器上的辐射强度值，然后在极坐标或直角坐标上分别作出相应点的角度与辐射 强度关系图，即为辐射强度空间分布图。在分布图上读取半强度值点相应的角度dx和 但，则半值角（&s）丄二區丄丄1,3* 〃二丨。2〃-饥〃 I，其中（4G丄为垂直于PN结 方向的半值角为平行于PN结方向的半值角。图2T2示出了半值角的测试原理 图，图中丄为LED发光面与接收器光敏面之间的距离,0。2为主光轴。调节时丄ED 的岀光面和接收器的光敏面应垂直于主光轴0{0^L与接收器光敏面直径之比至少应 图2-12 LED半值角的测试原理图 # 2发光二极管和发光二极管组件 为 10：1。 2.2.5 LED的调制特性 当在规定的直流正向工作电流下，对LED进行数宇脉冲或模拟信号电流调制，便可 实现对输出光功率的调制。LEI）有两种调制方式，即数字调制和模拟调制，图2T3示出 这两种调制方式。调制频率或调制带宽是光通信用LED的重要参数之一,它关系到 LED在光通信中的传输速度大小,LED因受到有源区内少数载流子寿命的限制，其调制 的最高频率通常只有几十兆赫兹，从而限制了 LED在高比特速率系统中的应用，但是，通 过合理设计和优化的驱动电路,LED也有可能用于高速光纤通信系统。调制带宽是衝匮 LED的调制能力，其定义是在保证调制度不变的情况下，当LEI）输出的交流光功率下降 到某一低频参考频率值的一半时（-3 <1B）的频率就是LED的调制帯宽，图2・14示出了 调制带宽的测试原理图。图中L为频扼线圈，C为隔直流电容,Rc为负载匹配电阻。测 试时，调节恒流源，使电流表读数为规定值,从选定的低频点开始，调节信号源输出，把输 出的正弦调制光对准探测器光敏区，改变信号源频率，并保证调制度不变，当指示器上指 示的光功率下降至选定的低频参考频率值的-3 dB时，信号源的频率即为光的带宽。测 试要求是:选择Rc使LED回路与信号源输出阻抗匹配;光电探测器（包括输出回路）的 频率响应比被测LED至少高5倍;指示器应能对光功率或电功率的交流成份相对值进行 直接指示. 輝 图2“3 LED的调制 2.2,6 LED光输出的温度依赖性 用输出光功率温度系数％表示输出光功率随温度的变化率关系: g = -AP/AT (2-4) 13 2费光二极管和发光二极管组件 光纤通唐用光电孑器件初组冲 怛溢源 图2-14调制带宽测试原理图 式中,M为输出光功率的改变tt;AT为温度改变童。 图2・15示出LED的输出光功率随温度变化的曲线。 图2・15 LED光输出的温度依赖性 2.3高速发光二极管 对于诸如局域网(LAN)和类似短距离网络系统(如计算机数据线路)应用而言，系统 设计者总是希望使用LED,而不愿使用激光二极管(LD),其原因是LED除有低成本外, 还具有高的温度稳定性、高的可某性、宽的工作温度范围、低的噪声和简单的控制电路等 优点。但是,LED的小带宽和进入光纤的光功率又限制它在上述短距、大容景系统中的 应用。如能研究、开发出工作于数百兆比特每秒到数击比特每秒速率的LED和相应的驱 动电路，将会对短矩电话用户环路和局域网数据光纤系统带来极大的方便性和经济性，特 别是対即将到来的宽带综合业务数字网络(ISDN)具有更大的吸引力。 早期的高速传输线路多使用浙变折射率(GI)多模光纤，随着电话用户环路和局域网 数据线路的大量使用，单模光纤将取代GI多模光纤。尽管短距局域网对进入单模光纤 的光功率没有提出苛刻的要求,但由于LED固有的低禍合效率，所以在选择LED类型上 偏爱垂直于结平面的边发射LED。 对光纤传输系统来说，要求LED有高的输出光功率和宽的调制带宽。对高速系统而 言,宽的调制带宽又是第一需要.要想获得大于300 MHz的带宽，必须增加二极管有源 区中的复合（辐射和非辐射）速率,减少少子寿命是提高LED带宽的有效途径。 2.3.1高速LED设计制作准则 要想获得高速LED,必须遵守如下准则； 1- 高的注入电流和小的有源区面积 对一个LED来说，它的3dB光学带宽丄可表示为 儿=关，而 Zr = 2,2r （2-5） 式中，r为有源区内的载流子寿命;4是10%到90%光脉冲幅度之间的上升时间° 计算表明，要想获福1 ns的少子寿命,至少要300 mA左右的驱动电流c上或截止频 率除与有源区中的载流子寿命有关外，还与LED相关的空间电荷电容有关，小的空间电 荷电容是通过将有源发射区限制到小的面积实现的。为此，高速LED的有源区厚度必须 控制在零点几个微米（pm）下，最小的有源区厚度可做到0.1 pm以下，然而，小面积有源 区的高注入电平必将导致有源区的高载流子密度，结果抽牲消光比和遭致较高的器件工 作温度，这一切都将导致接收机比特误码率（BER）的恶化，但通过最佳驱动电路设计，有 望得到改善° 2- 有源区的重挣杂 低注入电平时，载流子的寿命主要受到有源区本底或掺杂浓度的控制，面且有源区的 恵掺杂也有利于90%到10%光脉冲幅度间的下降时间为的减少。在1018/cm3浓度以 上，知，左随有源区内掺杂浓度增加而下降。但是，重Zn掺杂会使PN结移向InP缓冲 层，致使输出功率减少和响应速度变慢。解决办法是缩短晶体生长时间以减少Zn对InP 缓冲层的污染，折衷办法是把PN结的位移控制在一定范围内。最好的办法是用Mg替 代Zn掺杂，因为Mg不仅可允许实现高的掺杂浓度,而且对PN结位移不产生任何影响， 使用这种办法在20 mA调制电流幅度下可获得1 GHz以上的3 dB带宽。 实验表明，高掺杂和小尺寸内的高注入电流可能会带来LED的可靠性问题，因此要 特别注意。 3. 利用双分子提含效质 对于轻掺杂浓度（lOLcrr?）的LED,通过利用窄有源区带■带跃迁的双分子复合效应 也可获得高的调制带宽，因为双分子复合效应可以增加辐射复合速率。 4. 减少LED的寄生 对于高速LED来说，芯片和管壳的寄生参暈严重影响LED的频率响应特性。因此， 在芯片设计时要尽量地减少电容层寄生参数Cs（如釆用较厚的介质膜层）;在管壳设计时 必须将管壳引线的寄生参量Lp，G和Rp降至最低（如采用同轴结构管壳并尽量缩短引 线长度）。 # 2发光二极管和发光二极管组件 2.3.2高速LED驱动电路 LED驱动电路的最佳设计对改善短距高速光纤通信的消光比和调制速度至关重要, 使用带有专门均衡电路的驱动电路，就是市售的LEIX不是专门设计用于高速应用LED) 也可实现高速传输。 图246是带有均衡电路的常规高速LED的驱动电路图，整个驱动电路由一个GaAs 场效应晶体管(FET)放大器和一个均衡电路组成。均衡电路由与LED串联的RC并联 电路组成，通常R值选择在几十欧姆范围,C值选择在几个皮法(pF)至20皮法范围。为 了实现高调制速率的快速关闭，采用如图所示的低阻抗驱动器，它可提供快速的分级电压 源、充电空间电荷电容和扩散电容。这种带有均衡电路(RC高通滤波器)还可实现上冲 和下冲的脉冲成形技术，并提高高频成份的响应。此外，以C点通滤波器还为LED芯片 和管壳提供预充电(其目的是使启动的延迟降至最低)。 图2・16高速LED的驱动龟路 一个完整的高速LED驱动电路，除基本的驱动电路功能外，还霎加上相容的输入逻 辑电平和器件保护功能的电路，图2-17就是一个具有这些功能的高速LED驱动。该电 图2・17完整的高速LED驱动电路 路由一个电平移动器、一个GaAs MESFET电流开关、一个高速均街器和一个有源偏置控 制龟路组成. 该电路需要两个龟源：V乎和V烫电平移动器的作用是下移ECL输入电平(从 -0.8 VT移到-1・8 V)以开关晶体管逻辑电平(从-5.2 V到-6.2 V)。电平移动器由 一个串联连接的GaAs肖特基二极管和一个电阻•晶体管电流匹配网络组成。图中Q］起 着值定电流变换器的作用，保持在“开”和“关”状态时有一个接近恒定的电流通过LED, 使相关的电压瞬变过程的感应和开关延迟降至最低.电流开关由三个具有低夹断电压(1 V)和70 mA上的精密匹配的并联GaAs MESFET组成。由R^C^R2和Q组成的高 速补偿网络不仅提高了高频响应,并提供LED驱动器的脉冲成形c有源偏置电路由Li， R3•&和Q组成，而且Q的栅控电路与Qy漏极相连。当LED关断时，由于在小、 討的低线性的开态龟阻,使来自电流源的大部偏置电流通过当LED接通时,Q可 迅速地关闭，电感Li将强大的偏置电流从Q切换到LED,造成高电流消隐脉冲电平偏 置状态。当LED关断时,Qy被关闭，允许Q的栅电压迅速地通过放龟，恢复 Q的低阻抗状态，于是LED通过Q迅速放电并恢复到“关闭”状态。上面所述的“开” “关”瞬时程序由Qy和Q的栅电容差自然完成。 使用这样的驱动电路驱动LED,可获得几百皮秒(ps)的2丿门(最高为350 ps),这表 明这样的驱动电路能够工作于高达2 Gb/s速率，表2T列出由Fujitsu公司提供的1・3 印n LED高速单模光纤传输的实验结果,实验的LED的有源区而积为0.15卩mX8 pm, 重Zn掺杂的浓度为1 x 10l9/cm\平均单模光纤的耦合功率为- 24 dBm(在100 mA工 作电流下)。 S2 1 Fujitsu»供的高速LED数据 Bit 速事 Mb/s 600 2000 2 000 光纤长度(km) 9.8 1.9 9.8 LED洁出功率(dBm) -12.5 -10.7 -10.7 光纤输入功辜(dBm) -24 -22.2 -22.2 光纤#1耗(dR) 3.5 0.7 3.5 接收机灵敏度(dBm) -31.5