光电课程设计_光学仿真

概述：一、光源

在光纤通信系统中，光源器件可实现从电信号到光信号的转换，是光发射机以及光纤通信系统的核心器件，它的性能直接关系到光纤通信系统的性能和质量指标。光纤通信系统要求光源具有合适的发射波长，处在光纤的低损耗窗口之中；有足够大的输出功率，从而有较长的传输距离；有较窄的发光谱线，可以减少光纤的色散对信号传输质量的影响；易于与光纤耦合，确保更多的光功率进入光纤；易于调制，响应速度要快，调制失真小，带宽大；在室温下能连续工作，可靠性高，寿命至少在10万小时以上。下面简单介绍已广泛应用的两类半导体光源：半导体发光二极管（LED ）和半导体激光二极管（LD ）。

1 发光二极管（LED ）

发光二极管（LED ）是低速、短距离光波通信系统中常用的光源。其寿命很长，受温度影响较小，输出光功率与注入电流的线性关系较好，价格也比较便宜。驱动电路简单，不存在模式噪声等问 题。

发光二极管结构简单，是一个正向偏置的PN 同质结，电子-空穴对在耗尽区辐射复合发光，称为电致发光。发出的部分光耦合进入光纤供传输使用。LED 所发出的光是非相干光，具有较宽的谱宽（30～60nm ）和较大的发射角（≈100°）。

自发辐射产生的功率是由正向偏置电压产生的注入电流提供的，当注入电流为I ，在稳态时，电子-空穴对通过辐射和非辐射复合，其复合率等于载流子注入率I/q ，其中发射电子的复合率决定于内量子效率ηint ，光子产生率为(I ηint/q)，因此LED 内产生的光功率为

()int int /P w q η= (2.

1) 式中，ω 为光量子能量。假定所有发射的光子能量近似相等，并设从LED 逸出的功率占内部产生功率的份额为ηext ，则LED 的

发射功率为 ()int int /e ext ext P P w q I ηηη== (2.

2)

ηext 亦称为外量子效率。由上式可知，LED

发射功率P 和注入电流I 成正比。 发光二极管LED 是光纤通信中的常用光源，它的发光仅仅是自发辐射，属于非相干光源，其输出光发射角较大，但LED 线性度好，调制时动态范围大，信号失真小，也就是P-I 曲线线性好，其P-I 特性曲线如图2.1所示。

图2.1 发光二极管的P —I 特性曲线

15 10 5 0 0 200 400 电流(mA) 发射功率(m W ) 边发光

面发光

2 激光器（LD ）

半导体激光二极管（LD ）或简称半导体激光器与发光二极管LED 不同，它通过受激辐射发光，是一种阈值器件。由于受激辐射与自发辐射的本质不同，导致了半导体激光器不仅能产生高功率（≥10mW ）辐射，而且输出光发散角窄（垂直发散角为30～50°，水平发散角为0～30°），与单模光纤的耦合效率高（约30％～50％），辐射光谱线窄（

＝0.1～1.0nm ），适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速（>20GHz ）直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。

激光是具有极好单色性、方向性和光强的一种光源。世界上第一台激光器是1960年美国人梅曼发明的红宝石激光器。实现一个激光器必须满足的三个基本条件是

（1）需要有合适的工作物质（发光介质），具有合适的能级分布，可以产生合适波长的光辐射；

（2）需要可以实现工作物质粒子数反转分布的激励能源——泵浦源。

（3）需要可以进行方向和频率选择的光学谐振腔。

对于线性度良好的半导体激光器，输出功率可以表示为

()2e D th w P I I q

η=- 其中（int int mir D mir ηαηαα=+） (2.3)

这里的量子效率ηint ，表征注入电子通过受激辐射转化为光子的比例。在高

于阈值区域，大多数半导体激光器的ηint 接近于1。式(2.3)表明，激光输出功

率决定于内量子效率和光腔损耗，并随着电流而增大，当注入电流I>I th 时，输出功率与I 成线性关系。其增大的速率即P-I 曲线的斜率，称为斜率效率

2e D dP w dI q

η= (2.4)

P-I 特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阈值电流I th 尽可能小，I th 对应P 值小，而且没有扭折点的半导体激光器，这样的激光器工作

电流小，工作稳定性高，消光比大，而且不易产生光信号失真。且要求P-I 曲线的斜率适当。斜率太小，则要求驱动信号太大，给驱动电路带来麻烦；斜率太大，则会出现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。半导体激光器具有高功率密度和极高量子效率的特点，微小的电流变化会导致光功率输出变化，是光纤通信中最重要的一种光源，激光二极管可以看作为一种光学振荡器，要形成光的振荡，就必须要有光放大机制，也即激活介质处于粒子数反转分布，而且产生的

增益足以抵消所有的损耗。将开始出现净增益的条件称为阈值条件。一般用注入电流值来标定阈值条件，也即阈值电流

I th ，当输入电流小于I th 时，其输出光为

非相干的荧光，类似于LED 发出光，当电流大

于I th 时，则输出光为激光，且输入电流和输

出光功率成线性关系，P-I 特性如图2.2所示。

二、光检测器

光检测器是用以将接收到的光信号转换

成电流信号。由于从光纤中传过来的光信号一

般都很微弱，因此对光检测器的基本要求：在

工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流；有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统；具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响；具有良好的线性关系，保证信号转换过程中的不失真；具有较小的体积、较长的工作寿命等。

1 光电二极管（PIN ）

半导体光检测器的核心是PN 结的光电效应。当PN 结加反向偏压时，外加电场方向与PN 结的内建电场方向一致，势垒加强，在PN 结界面附近载流子基本上耗尽形成耗尽区。当光束入射到PN 结上，且光子能量h v 大于半导体材料的带隙E g 时，价带上的电子吸收光子能量跃迁到导带上，形成一个电子空穴对。在耗尽

区，电子在内建电场的作用下向N 区漂移，空穴向P 区漂移，如果PN 结外电路构成回路，就会形成光电流。当入射光功率变化时，光电流也随之线性变化，从而把光信号转换成电流信号。当入射光子能量小于E g 时，不论入射光有多强，

光电效应也不会发生，即光电效应必须满足

g hv E > (2.5)

即存在

c g hc E λ=

(2.6) 为产生光电效应的入射光的最大波长，称为截止波长。以S i 为材料的光电二

极管c=1.06m ，Ge 为材料的光电二极管，c=1.60m 。

利用光电效应可以制造出简单的PN 结光电二极管。但因为这种简单结构，无法减低暗电流和提高响应度，器件的稳定度也比较差，实际上不适合做光纤通信的检测器。

0 50 I th 100 150 注入电流(mA) 图2.2 半导体激光器P —I 曲线 功率(m W ) 3.5

3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0

PIN 光电二极管是在掺杂浓度很高的P 型、N 型半导体之间，生成一层掺杂极低的本征材料，称为I 层。在外加反向偏置电压作用下，I 层中形成很宽的耗尽层。而且，I 层吸收系数很小，入射光可以很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量的电子空穴对，因而大幅提高了光电转换效率。另外，I 层两侧的P 层、N 层很薄，光生载流子的漂移时间很短，大大提高了器件的响应速度。

描述光电二极管的特性：

（1）波长相应范围：半导体光电检测器只可以对一定波长范围的光信号进行有效的光电转换，这一波长范围就是波长响应范围。

（2）响应度：描述光检测器能量转换效率的一个参量。它定义为 p in I R P =

(2.7) 其中P in 为入射到光电二极管上的光功率，I p 为所产生的光电流。它的单位为

A/W 。

（3）量子效率：量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比，即

e h

f R hf P e I in P ===//入射光子数子空穴对数光电转换产生的有效电η (2.8)其中e 为电子电荷，其值为1.6

10-19C 。所以有 24.1ηλ

η≈=hf e

R (2.9)

式中单位取m 。可见，光电检测器的相应度随波长的增大而增大。

（4）响应速度：光电检测器的另一个重要参数，经常用响应时间（上升时间和下降时间）来表示。其主要影响因素有检测器和负载的RC 时间常数、载流子漂移通过耗尽区的渡越时间、耗尽区外产生的载流子扩散引起的延迟。

（5）噪声特性：光电二极管的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声以及负载电阻的热噪声，除负载电阻的热噪声以外，其它都为散弹噪声。散弹噪声是由于带电粒子产生和运动的随机性而引起的一种具有均匀频谱的白噪声。

2 雪崩光电二极管（APD ）

当耗尽区中的场强达到足够高时，入射光产生的电子或空穴将不断被加速而获得很高的能量，这些高能量的电子和空穴在运动过程中与晶格碰撞，使晶体中的原子电离，激发出新的电子空穴对。这些碰撞电离产生的电子和空穴在场中也被加速，也可以电离其它的原子，重复着这一过程。经过多次后电离，载流子迅速增加，形成雪崩倍增效应。APD 就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高

灵敏度的检测器。与PIN相比，雪崩光电二极管的主要特性也包括波长响应范围、量子效率、响应度、响应速度等，除此之外，由于APD中雪崩倍增效应的存在，APD的特性还包括雪崩倍增特性、倍增噪声、温度特性等。

题目5：模拟信号光发送与接收系统

初级要求：

一、任务

1 根据激光源的各种参数设计并实现模拟光发送电路。

2 利用PIN检测器实现光接收电路。

3 设计电放大电路。

二、功能要求

将信号源的正弦信号，通过光电调制变为光信号，用光纤传输，然后再光电解调，恢复为原始的电信号。恢复的电信号可随信号源的电信号频率及幅度改变。

三、性能参数要求

或1310nm。

3 接收信号放大后的波形不能失真，低频信号幅度峰峰值为500mv到1v，最好能放大到3v左右。频率和幅度都能随信号源变化。

高级要求：

一、任务

1 设计一个低频正弦信号源。

2 设计一个宽频低噪声放大电路。

3 完成高频模拟信号的光收发电路系统。

二、功能要求

1 将设计的信号源与光发送电路连接，要求输出与输入阻抗相适应，保证信号的光输出功率。

2 对高频信号源进行电光调制和光电解调并放大。

三、性能参数

1 信号源的频率在1KHz到100KHz的低频区或频率在100KHz到2MHz的高频区，频率可调，幅度峰峰值为1v，且幅度可调。

2 光发送电路的输出光信号功率为-5dBm到-16dBm，通过LD或LED光源的直流电流为50mA左右，最小不低于30mA最大不大于80mA，光波长为1550nm或1310nm。

3 对高频1-2MHz的信号源在接收端可放大到500mv到1V左右，波形不能失真。

四、实验仪器

1 信号源

2 直流电源

3 示波器

4 万用表

五、参考文献

1 康华光，陈大钦.电子技术基础模拟部分.北京：高等教育出版社，1979.

2 方强，梁猛.光纤通信.西安：西安电子科技大学出版社，2003.