光纤通信对半导体发光器件有哪些基本要求

音频信号光纤传输实验

光纤在通讯领域、传感技术及其他信号传输技术中显示了愈来愈广泛的用途，也显示了其愈来愈重要的地位。随之而来的电光转换和光电转换技术、耦合技术、光传输技术等，都是光纤传输技术及器件构成的重要成分。对于不同频率的信号传输和传输的频带宽度，上述各种技术有很大的差异，构成的器件也具有不同的特性。通过实验了解这些特性及其对信息传输的影响，有助于在科研与工程中恰当地使用这一信号传输技术。

一、实验目的

1.熟悉半导体电光/光电器件的基本性能及主要特性的测试方法。

2.了解音频信号光纤传输的结构及选配各主要部件的原则。

二、实验仪器

FD-OFT-A型音频信号光纤传输实验仪实验主机（包括音频信号发生器、光功率计、LED放射器、SPD接收器等）、多模光纤（装于骨架上），半导体收音机，示波器组成

三、实验原理

1. 音频信号光纤传输系统的原理

传输系统由逗光信号发送器地、逗光信号接受器地和逗传输光纤地三部分组成。其原理主要是：先将待传输的音频信号作为源信号供给逗光信号发送器地，从而产生相应的光信号，然后将此光信号经光纤传输后送入逗光信号接受器地，最终解调出原来的音频信号。为了保证系统的传输损耗低，发光器件LED的发光中心波长必须在传输光纤的低损耗窗口之内，使得材料色散较小。低损耗的波长在850nm，1300nm或1600nm附近。本仪器

LED发光中心波长为850nm，光信号接受器的光电检测器峰值响应波长也与此接近。

为了避免或减少波形失真，要求整个传输系统的频带宽度能覆盖被传输信号的频率范围。由于光纤对光信号具有很宽的频带，故在音频范围内，整个系统频带宽度主要决定于发射端的调制信号放大电路和接收端的功放电路的幅频特性。

2. 半导体发光二极管LED的结构和工作原理

光纤通讯系统中对光源器件在发光波长、电光功率、工作寿命、光谱宽度和调制性能等许多方面均有特殊要求，所以不是随便哪种光源器件都能胜任光纤通讯的任务，目前在以上各方面都能较好满足要求的光源器件主要有半导体发光二极管（light emitting diode，缩写LED）和半导体激光器（Laser Diode，缩写LD）。以下主要介绍发光二极管。半导体发光二极管是低速短距离光通信中常用的非相干光源，它是如图

3所示的N-P-P三层结构的半导体器件，中间层通常是由直接带隙的GaAs砷化镓P型半导体材料组成，称为有源层，其带隙宽度较窄，两侧分别由AlGaAs的N型和P型半导体材料组成，与有源层相比，它们都具有较宽的带隙。具有不同带隙宽度的两种半导体单晶之间的结构称为异质结，中，有源层与左侧的N层之间形成的是P-N异质结，而与右侧P

层之间形成的是P-P异质结，所以这种结构又称为N-P-P双异质结构，简称DH结构。

当在N-P-P双异质结两端加上偏压时，就能使N层向有源层注入导电电子，这些导电电子一旦进入有源层后，因受到P-P异质结的的阻挡作用不能再进入右侧P层，它们只能被限制在有源层内与空穴复合，同时释放能量产生光子，发出的光子满足以下关系：

光纤通信是利用光波在光导纤维中传输信息的通信方式（定义）。由于激光具有高方向性、高相干性、高单色性等显著优点，光纤通信中的光波主要是激光，所以又叫做激光-光纤通信。

光纤通讯（Fiber-optic communication）也作光纤通信,是指一种利用光与光纤（optical fiber）传递资讯的一种方式。属于有线通信的一种。光经过调变（modulation）后便能携带资讯。自1980年代起，光纤通讯系统对于电信工业产生了革命性的作用，同时也在数位时代里扮演非常重要的角色。光纤通信具有传输容量大，保密性好等许多优点。光纤通信现在已经成为当今最主要的有线通信方式。将需传送的信息在发送端输入到发送机中，将信息叠加或调制到作为信息信号载体的载波上，然后将已调制的载波通过传输媒质传送到远处的接收端，由接收机解调出原来的信息。

根据信号调制方式的不同，光纤通信可以分为数字光纤通信，模拟光纤通信。光纤通信的产业包括了光纤光缆，光器件，光设备，光通信仪表，光通信集成电路等多个领域。

利用光纤做为通讯之用通常需经过下列几个步骤：

以发射器（transmitter）产生光讯号。

以光纤传递讯号，同时必须确保光讯号在光纤中不会衰减或是严重变形。

以接收器（receiver）接收光讯号，并且转换成电讯号。

光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。

现代的光纤通讯系统多半包括一个发射器，将电讯号转换成光讯号，再透过光纤将光讯号传递。光纤多半埋在地下，连接不同的建筑物。系统中还包括数种光放大器，以及一个光接收器将光讯号转换回电讯号。在光纤通讯系统中传递的多半是数位讯号，来源包括电脑、电话系统，或是有线电视系统。

发射器

在光纤通讯系统中通常作为光源的半导体元件是发光二极管（light-emitting diode, LED）或是雷射二极管（laser diode）。LED与雷射二极管的主要差异在于前者所发出的光为非同调性（noncoherent），而后者则为同调性（coherent）的光。使用半导体作为光源的好处是体积小、发光效率高、可靠度佳，以及可以将波长最佳化，更重要的是半导体光源可以在高频 *** 作下直接调变，非常适合光纤通讯系统的需求。

LED借着电激发光（electroluminescence）的原理发出非同调性的光，频谱通常分散在30纳米至60纳米间。LED另外一项缺点是发光效率差，通常只有输入功率的1%可以转换成光功率，约是100毫瓦特（micro-watt）左右。但是由于LED的成本较低廉，因此常用于低价的应用中。常用于光通讯的LED主要材料是砷化镓或是砷化镓磷（GaAsP），后者的发光波长为1300纳米左右，比砷化镓的810纳米至870纳米更适合用在光纤通讯。由于LED的频谱范围较广，导致色散较为严重，也限制了其传输速率与传输距离的乘积。LED通常用在传输速率10Mb/s至100Mb/s的局域网路（local area network, LAN），传输距离也在数公里之内。目前也有LED内包含了数个量子井（quantum well）的结构，使得LED可以发出不同波长的光，涵盖较宽的频谱，这种LED被广泛应用在区域性的波长分波多工网络中。

半导体雷射的输出功率通常在100微瓦特（mW）左右，而且为同调性质的光源，方向性相对而言较强，通常和单模光纤的耦合效率可达50%。雷射的输出频谱较窄，也有助于增加传输速率以及降低模态色散（model dispersion）。半导体雷射亦可在相当高的 *** 作频率下进行调变，原因是其复合时间（recombination time）非常短。

半导体雷射通常可由输入的电流有无直接调变其开关状态与输出讯号，不过对于某些传输速率非常高或是传输距离很长的应用，雷射光源可能会以连续波（continuous wave）的形式控制，例如使用外接的电吸收光调变器（electroabsorption modulator）或是马赫·任德干涉仪（Mach-Zehnder interferometer）对光讯号加以调变。外接的调变元件可以大幅减少雷射的“啁啾脉冲”（chirp pulse）。啁啾脉冲会使得雷射的谱线宽度变宽，使得光纤内的色散变得严重。

光导纤维

光纤缆线包含一个核心（core），纤壳（cladding）以及外层的保护被覆（protective coating）。核心与折射率（refractive index）较高的纤壳通常用高品质的硅石玻璃（silica glass）制成，但是现在也有使用塑胶作为材质的光纤。又因为光纤的外层有经过紫外线固化后的压克力（acrylate）被覆，可以如铜缆一样埋藏于地下，不需要太多维护费用。然而，如果光纤被弯折的太过剧烈，仍然有折断的危险。而且因为光纤两端连接需要十分精密的校准，所以折断的光纤也难以重新接合。

光放大器

过去光纤通讯的距离限制主要根源于讯号在光纤内的衰减以及讯号变形，而解决的方式是利用光电转换的中继器。这种中继器先将光讯号转回电讯号放大后再转换成较强的光讯号传往下一个中继器，然而这样的系统架构无疑较为复杂，不适用于新一代的波长分波多工技术，同时每隔20公里就需要一个中继器，让整个系统的成本也难以降低。

光放大器的目的即是在不用作光电与电光转换下就直接放大光讯号。光放大器的原理是在一段光纤内掺杂（doping）稀土族元素（rare-earth）如铒（erbium），再以短波长雷射激发（pumping）之。如此便能放大光讯号，取代中继器。

接收器

构成光接收器的主要元件是光侦测器（photodetector），利用光电效应将入射的光讯号转为电讯号。光侦测器通常是半导体为基础的光二极管（photo diode），例如p-n接面二极管、p-i-n二极管，或是雪崩型二极管（avalanche diode）。另外“金属-半导体-金属”（Metal-Semiconductor-Metal, MSM）光侦测器也因为与电路整合性佳，而被应用在光再生器（regenerator）或是波长分波多工器中。

光接收器电路通常使用转阻放大器（transimpedence amplifier, TIA）以及限幅放大器（limiting amplifier）处理由光侦测器转换出的光电流，转阻放大器和限幅放大器可以将光电流转换成振幅较小的电压讯号，再透过后端的比较器（comparator）电路转换成数位讯号。对于高速光纤通讯系统而言，讯号常常相对地衰减较为严重，为了避免接收器电路输出的数位讯号变形超出规格，通常在接收器电路的后级也会加上时脉恢复电路（clock recovery, CDR）以及锁相回路（phase-lock loop, PLL）将讯号做适度处理再输出。

波长分波多工

波长分波多工的实际做法就是将光纤的工作波长分割成多个通道（channel），俾使能在同一条光纤内传输更大量的资料。一个完整的波长分波多工系统分为发射端的波长分波多工器（wavelength division multiplexer）以及在接收端的波长分波解多工器（wavelength division demultiplexer），最常用于波长分波多工系统的元件是阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Gratings, AWG）。而目前市面上已经有商用的波长分波多工器/解多工器，最多可将光纤通讯系统划分成80个通道，也使得资料传输的速率一下子就突破Tb/s的等级。

带宽距离乘积

由于传输距离越远，光纤内的色散现象就越严重，影响讯号品质。因此常用于评估光纤通讯系统的一项指标就是带宽-距离乘积，单位是百万赫兹×公里（MHz×km）。使用这两个值的乘积做为指标的原因是通常这两个值不会同时变好，而必须有所取舍（trade off）。举例而言，一个常见的多模光纤（multi-mode fiber）系统的带宽-距离乘积约是500MHz×km，代表这个系统在一公里内的讯号带宽可以到500MHz，而如果距离缩短至0.5公里时，带宽则可以倍增到1000MHz。 -亚都光纤通信科技

半导体激光器解析

半导体物理学的迅速发展及随之而来的晶体管的发明，使科学家们早在50年代就设想发明半导体激光器，60年代早期，很多小组竞相进行这方面的研究。在理论分析方面，以莫斯科列别捷夫物理研究所的尼古拉·巴索夫的工作最为杰出。在1962年7月召开的固体器件研究国际会议上，美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者克耶斯（Keyes）和奎斯特（Quist）报告了砷化镓材料的光发射现象，这引起通用电气研究实验室工程师哈尔（Hall）的极大兴趣，在会后回家的火车上他写下了有关数据。回到家后，哈尔立即制定了研制半导体激光器的计划，并与其他研究人员一道，经数周奋斗，他们的计划获得成功。像晶体二极管一样，半导体激光器也以材料的p-n结特性为基础，且外观亦与前者类似，因此，半导体激光器常被称为二极管激光器或激光二极管。早期的激光二极管有很多实际限制，例如，只能在77K低温下以微秒脉冲工作，过了8年多时间，才由贝尔实验室和列宁格勒（现在的圣彼得堡）约飞（Ioffe）物理研究所制造出能在室温下工作的连续器件。而足够可靠的半导体激光器则直到70年代中期才出现。半导体激光器体积非常小，最小的只有米粒那样大。工作波长依赖于激光材料，一般为0.6～1.55微米，由于多种应用的需要，更短波长的器件在发展中。据报导，以Ⅱ～Ⅳ价元素的化合物，如ZnSe为工作物质的激光器，低温下已得到0.46微米的输出，而波长0.50～0.51微米的室温连续器件输出功率已达10毫瓦以上。但迄今尚未实现商品化。光纤通信是半导体激光可预见的最重要的应用领域，一方面是世界范围的远距离海底光纤通信，另一方面则是各种地区网。后者包括高速计算机网、航空电子系统、卫生通讯网、高清晰度闭路电视网等。但就目前而言，激光唱机是这类器件的最大市场。其他应用包括高速打印、自由空间光通信、固体激光泵浦源、激光指示，及各种医疗应用等。晶体管利用一种称为半导体的材料的特殊性能。电流由运动的电子承载。普通的金属，如铜是电的好导体，因为它们的电子没有紧密的和原子核相连，很容易被一个正电荷吸引。其它的物体，例如橡胶，是绝缘体 --电的不良导体--因为它们的电子不能自由运动。半导体，正如它们的名字暗示的那样，处于两者之间，它们通常情况下象绝缘体，但是在某种条件下会导电。对半导体的早期研究集中在硅上，但硅本身不能发射激光。1948年贝尔实验室的William Schockley，Walter Brattain 和 John Bardeen 发明的晶体管。这一发明推动了对其它半导体裁的研究发展进程。它也为利用半导体中的发射激光奠定了概念性基础。1952年，德国西门子公司的 Heinrich Welker指出周期表第III和第V列之间的元素合成的半导体对电子装置有潜在的用途。其中之一，砷化镓或GaAs，它在寻找一种有效的通讯激光中扮演了重要角色。对砷化镓（GaAs）的研究涉及到三个方面的研究：高纯度晶体的叠层成长的研究，对缺陷和掺杂剂（对一种纯物质添加杂质，以改变其性能）的研究以及对热化合物稳定性的影响的分析。有了这些研究成果，通用电器，IBM和麻省理工大学林肯实验室的研究小组在1962年研制出砷化镓（GaAs）激光发生器。但是有一个老问题始终悬而未决：过热。使用单一半导体，（通常是GaAs）的激光发生器效率不是很高。它们仍需大量的电来激发激光作用，而在正常的室温下，这些电很快就使它们过热。只有脉冲 *** 作才有可能避免过热（脉冲 *** 作：电路或设备在能源以脉冲方式提供时的工作方式），可是通过这种工作方式不能通讯传输。科学家们尝试了各种方法来驱热一例如把激光发生器放在其它好的热导体材料上，但是都没成功。然后在 1963年，克罗拉多大学的Herbert Kroemer提出了一种不同的的方式--制造一个由半导体"三明治"组成的激光发生器，即把一个薄薄的活跃层嵌在两条材料不同的板之间。把激光作用限制在薄的活跃层里只需要很少的电流，并会使热输出量保吃持在可控范围之内。这样一种激光发生器不是只靠象把奶酪夹在两片面包那样，简单地塞进一个活跃层就能制造出来的。半导体晶体中的原子以点阵的方式排列，由电子组成化学键。要想制造出一个在两个原子之间有必要电子键连接的多层半导体，这个装置必须是由一元半导体单元组成，我们称之为多层晶体。 1967年，贝尔实验室的研究员Morton Panish 和 Izuo Hayashi 提出了用GaAs的修改型--即其中几个铝原子代替一些镓，一种称为"掺杂"的过程-- 来创造一种合适的多层晶体的可能性的建议。这种修改型的化合物，AlGaAs, 的原子间隔和GaAs相差不到1000分之一。研究人员提出，把 AlGaAs种植在GaAs 薄层的任何一边，它都会把所有的激光作用限制在GaAs层内。在他们面前，还要有几年的工作，但是通向"不间断状态" 激光发生器-在室温下仍能持续工作的微型半导体装置-的大门已经敞开了。还有一个障碍：怎样发射跨过长距离的光信号。长波无线电波可以很容易穿透浓雾和大雨，在空气中自由传播，但是短波激光会被空气中的水蒸气和其它颗粒反射回来，以至于不是被分散就是被阻挡住。一个多雾的天气会使激光通讯联络终断，因此光需要一个类似于电话线的导管。

---