光纤通信光源和光发射机介绍PPT(108张)
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光纤通信第5章光源与光发送机PPT
N2
N1
为了实现粒子数反转，就需要大量电子跃迁到导带， 为此，需要泵浦为跃迁提供能量。 此外，还需要亚稳态能级使激发的电子保持一段时 间，形成粒子数反转。
例如：T ～103 K； kT～1.38×10-20 J ～ 0.086 eV; 在可见光和近红外，Eg=hv=E 2-E 1～1eV;
N2
E2 E1
光器件与电器件的类比
电线 电阻 二极管 放大器 滤波器 电接插件 开关
光纤 光衰减器 光隔离器 光放大器 光滤波器 光连接器 光开关
调制器
光调制器
三通（多通） 光耦合器
混频器
光波分复用器
频率转换器 光波长转换器
电源
光源
探头
光探测器
集成电路
集成光路
光器件的应用
光放大
DWDM 光色散补偿 光隔离器 光环行器
光放大器件
• 掺铒光纤放大(EDFA) • 掺镨光纤放大(PDFA) • 掺钕光纤放大(NDFA) • 分布式光纤放大
– 喇曼光纤放大(SRFA) – 布里渊光纤放大(SBFA) • 半导体光放大(SOA)
系统：Systems 模块：Modules 器件：Devices 元件：Components
• 多波长光源与波长可调谐激光器
• 光电探测器(PD、PIN、APD)
光调制器件
• 幅度调制
– 机械调制 – 电光调制 – 直接调制 – 电吸收光调制(EA)
• 相位调制 • 偏振调制 • 光电集成芯片(OEIC) • 光子集成芯片(PIC)
光色散补偿器件
• 色散控制
– 色散位移单模光纤 – 非零色散位移单模光纤 – 大有效截面单模光纤 – 色散平坦单模光纤
3 受激吸收 (stimulated absorption)
N1
为了实现粒子数反转，就需要大量电子跃迁到导带， 为此，需要泵浦为跃迁提供能量。 此外，还需要亚稳态能级使激发的电子保持一段时 间，形成粒子数反转。
例如：T ～103 K； kT～1.38×10-20 J ～ 0.086 eV; 在可见光和近红外，Eg=hv=E 2-E 1～1eV;
N2
E2 E1
光器件与电器件的类比
电线 电阻 二极管 放大器 滤波器 电接插件 开关
光纤 光衰减器 光隔离器 光放大器 光滤波器 光连接器 光开关
调制器
光调制器
三通（多通） 光耦合器
混频器
光波分复用器
频率转换器 光波长转换器
电源
光源
探头
光探测器
集成电路
集成光路
光器件的应用
光放大
DWDM 光色散补偿 光隔离器 光环行器
光放大器件
• 掺铒光纤放大(EDFA) • 掺镨光纤放大(PDFA) • 掺钕光纤放大(NDFA) • 分布式光纤放大
– 喇曼光纤放大(SRFA) – 布里渊光纤放大(SBFA) • 半导体光放大(SOA)
系统：Systems 模块：Modules 器件：Devices 元件：Components
• 多波长光源与波长可调谐激光器
• 光电探测器(PD、PIN、APD)
光调制器件
• 幅度调制
– 机械调制 – 电光调制 – 直接调制 – 电吸收光调制(EA)
• 相位调制 • 偏振调制 • 光电集成芯片(OEIC) • 光子集成芯片(PIC)
光色散补偿器件
• 色散控制
– 色散位移单模光纤 – 非零色散位移单模光纤 – 大有效截面单模光纤 – 色散平坦单模光纤
3 受激吸收 (stimulated absorption)
通信光纤光缆知识ppt课件
光纤规格代号：光纤的规格由光纤数和光纤类别组成。 光纤数目代号：用光缆中同类别光纤的实际有效数目的数字
表示。 光纤类别代号：用大写A表示多模光纤，大写B表示单模光纤，
再以数字和小写字母表示不同种类、类型的光纤。
Байду номын сангаас30上一页
举例
光缆型号为：GYTA53－4х2D10/125其表 示意义为通信室（野）外光缆，金属加 强构件，松套层绞结构，油膏填充式结 构铝－聚乙烯粘结护套，皱纹钢带铠装， 内 装 8 根 纤 芯 直 径 为 10µm 、 包 层 直 径 125µm的常规单模光纤。
25上一页
光缆型式组成
光缆型式有五部分组成如上图
26上一页
光缆型式组成
分类的代号及其意义为：
GY－通信用室（野）外光缆。 GR－通信用 软光缆。 GJ－通信用室（局）内光缆。 GS －通信设备室内光缆。 GH－通信用海底光 缆。GT－通信用特殊光缆。
加强构件的代号及其意义为：
无符号－金属加强构件； F－非金属加强构 件； G－金属重型加强构件；H－非金属重 型加强构件。
材料色散：光纤材料的折射率随光波长的变化而变化，从而 引起脉冲展宽的现象称为材料色散。不同波长的光脉冲将有 不同的传播速度，在到达出射端面时将产生时延差，从而使 脉冲展宽。
波导色散和极化色散就不作介绍。在多模光纤中，主要存在
模式色散、材料色散和波导色散；单模光纤中不存在模式色
散，而只存在材料色散和波导色散。
14上一页
常见光纤名词
模式——光学波动理论认为，光纤是一种传光 的波导，光波在光纤中只能以一定形式的电磁 场分布进行传输，这种周期性的电磁分布称为 模式，通常为模。
截止波长：截止波长是指单模光纤通常存在某 一波长，当所传输的光波长超过该波长时，光 纤就只能传播一种模式（基模）而在该波长之 下，光纤可能传播多种模式。
表示。 光纤类别代号：用大写A表示多模光纤，大写B表示单模光纤，
再以数字和小写字母表示不同种类、类型的光纤。
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举例
光缆型号为：GYTA53－4х2D10/125其表 示意义为通信室（野）外光缆，金属加 强构件，松套层绞结构，油膏填充式结 构铝－聚乙烯粘结护套，皱纹钢带铠装， 内 装 8 根 纤 芯 直 径 为 10µm 、 包 层 直 径 125µm的常规单模光纤。
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光缆型式组成
光缆型式有五部分组成如上图
26上一页
光缆型式组成
分类的代号及其意义为：
GY－通信用室（野）外光缆。 GR－通信用 软光缆。 GJ－通信用室（局）内光缆。 GS －通信设备室内光缆。 GH－通信用海底光 缆。GT－通信用特殊光缆。
加强构件的代号及其意义为：
无符号－金属加强构件； F－非金属加强构 件； G－金属重型加强构件；H－非金属重 型加强构件。
材料色散：光纤材料的折射率随光波长的变化而变化，从而 引起脉冲展宽的现象称为材料色散。不同波长的光脉冲将有 不同的传播速度，在到达出射端面时将产生时延差，从而使 脉冲展宽。
波导色散和极化色散就不作介绍。在多模光纤中，主要存在
模式色散、材料色散和波导色散；单模光纤中不存在模式色
散，而只存在材料色散和波导色散。
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常见光纤名词
模式——光学波动理论认为，光纤是一种传光 的波导，光波在光纤中只能以一定形式的电磁 场分布进行传输，这种周期性的电磁分布称为 模式，通常为模。
截止波长：截止波长是指单模光纤通常存在某 一波长，当所传输的光波长超过该波长时，光 纤就只能传播一种模式（基模）而在该波长之 下，光纤可能传播多种模式。
《光源与光发送机》PPT课件
1. 孤立原子的能级
原子是由原子核和围绕原子核旋转的电子构成。 围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特 定的离散值，这种现象称为电子能量的量子化。电子 既绕原子核旋转（动能），又作自旋运动（位能）， 动能和位能之和称为内能。
精选课件ppt
9
1913年丹麦物理学家玻尔提出了原子只能处于由 不连续能级表征的一系列状态（定态），对于每一种 运动状态来说，都具有一定的内能（位能和动能之 和）。 内能是一些不连续的特定值，对应电子运动 的特定轨道，这些特定的轨道称为能级。电子通过与 外界交换能量从一种运动状态转变为另一种运动状态。
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7
6、聚光性好
要求光源发光尽量集中，会聚到一点，尽可能 多地把光送过光纤，即耦合效率高，这样进入光结 的功率大，系统中继距离就可增加。
7、调制方便
调制是把话音等信息附载在光波上，如何高效 地用电信号来调制光波是决定系统成败的关键。
8、价格低廉，体积小，应用方便
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8
5.1 半导体光源的物理基础
精选课件ppt
23
粒子数反转分布状态
在热平衡状态下，高能级上的电子数要少于低能级 上电子数。在单位时间内，从高能级跃迁到低能级 上的粒子数，总是少于从低能级跃迁到高能级上的 粒子数，因此，这时受激吸收大于受激辐射，也就 是说，在热平衡条件下的物质，不可能有光的放大 作用。因而必须到非平衡体系中去找。
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25
2.
如果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通 过这种物质时，光强按指数衰减， 这种物质称为吸收 物质。
如果N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通 过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活 物质。
原子是由原子核和围绕原子核旋转的电子构成。 围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特 定的离散值，这种现象称为电子能量的量子化。电子 既绕原子核旋转（动能），又作自旋运动（位能）， 动能和位能之和称为内能。
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9
1913年丹麦物理学家玻尔提出了原子只能处于由 不连续能级表征的一系列状态（定态），对于每一种 运动状态来说，都具有一定的内能（位能和动能之 和）。 内能是一些不连续的特定值，对应电子运动 的特定轨道，这些特定的轨道称为能级。电子通过与 外界交换能量从一种运动状态转变为另一种运动状态。
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7
6、聚光性好
要求光源发光尽量集中，会聚到一点，尽可能 多地把光送过光纤，即耦合效率高，这样进入光结 的功率大，系统中继距离就可增加。
7、调制方便
调制是把话音等信息附载在光波上，如何高效 地用电信号来调制光波是决定系统成败的关键。
8、价格低廉，体积小，应用方便
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8
5.1 半导体光源的物理基础
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23
粒子数反转分布状态
在热平衡状态下，高能级上的电子数要少于低能级 上电子数。在单位时间内，从高能级跃迁到低能级 上的粒子数，总是少于从低能级跃迁到高能级上的 粒子数，因此，这时受激吸收大于受激辐射，也就 是说，在热平衡条件下的物质，不可能有光的放大 作用。因而必须到非平衡体系中去找。
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2.
如果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通 过这种物质时，光强按指数衰减， 这种物质称为吸收 物质。
如果N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通 过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活 物质。
第4章光源和光发射机电子通信专业优秀课件
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
3. 外加正向电场的PN结
图解1: 外接电源
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
图解2: 接通电源, 内电场被削弱,耗尽层变窄
外加正向电场的PN结
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
图解3: 能带发生移动, 产生激活区
激活区电子-空穴复合发光是LED,LD产生辐射的 “源”!
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
2. PN结 P型和N型半导体接触,在接触面附近形成PN结.
P区 N区 I1
P区 N区 I2
正向
I1>> I2
反向
外电场方向不同, 导电性大不相同.
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
PN结形成图解:
图解1: P,N半导体接触前
4.1 光源
则
ni=2.62*106cm-3
4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论
2. N型和P型半导体
向本征半导体中掺杂V族元素(P,As,Sb), 导带中的电子浓 度增加,电子为多数载流子. 电子-负电荷-Negative-N型
向本征半导体中掺杂III族元素(B,Al,Ga,In), 价带中的空穴浓 度增加,空穴为多数载流子. 空穴-正电荷-Positive-P型
第4章光源和光发射机电子通信 专业
光纤通信系统的组成
驱动电路
光源
调制器
光发射机
光纤
中继器
光纤
光电二 极管
放大器 判决器
光接收机
组成基本单元: 光发射机、光纤光缆、中继器与光接收机。
互连与光信号处理器件: 光纤连接器、隔离器、调制器、滤波 器、光开关及路由器、分插复用器ADM等。
光发送机(光纤通信课件)
光端机
光源
电端机 (发)
中继器
光缆 光检测器
光源图 光纤通信系统组成Fra bibliotek光端机
光缆 光检测器
(收) 电端机
光纤通信系统组成
光发送机 光发送机是实现E/O转换的光端机。其功能是将来自于电端机的电
信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后，再将已调的 光信号耦合到光纤线路中进行传输。
光接收机 光接收机是实现O/E转换的光端机。其功能是将经光纤传输来的微
一、 光发送机
（一）光发送机的基本组成
3 复用
利用一个大的传输信道来同时传送多个低容量的用户
4 扰码
扰码可有规律地破坏长连“0 ”和长连“1 ”的码流。从而达到 “0 ” 、“1 ”等概率出现，利于收端从线路数据码流中提取时钟。
5 时钟提取
提取PCM中的时钟信号，供给码型变换和扰码电路使用。
一、 光发送机
弱的光信号，经光检测器转变为电信号，并对电信号进行放大、整形、 再生后，生成与发送端相同的电信号，送到接收端的电端机。
光纤通信系统组成
光中继器 光中继器是信号经过一段距离传输后，当信道信噪比不太大时，
及时识别判决，以防止信道误码。
电端机 电端机在发送端把信息进行模/数转换并完成复用，然后将信号送
入光发送端机。接收端完成相反的功能
(ATC)
自动温 度控制
来自电端机 均放
光纤
码型变换 复用 扰码 调制
光源
时钟 数字光发送机原理方框图
自动功 率控制
(APC)
光监测
告警 输出
一、 光发送机
（一）光发送机的基本组成
1 均衡放大 补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变，保证电、光端机间信号的 幅度、阻抗适配，以便正确译码。
光纤通信光源和光发射机ppt课件
特性？
纵模和横模p65-66
半导体激光器的P-I特性曲线p69
特征温度p72
光束特性
近场和远场分布 远场
LED
LED的P-I特性（掌握） LED的输出光谱分布（掌握） LED的典型结构（了解）
LED 用途
照明用LED材料的选择
典型结构
LD的优点
LED和LD的调制 直接调制：内调制 间接调制：外调制
3.1.3 非辐射复合—直接带隙和间接带隙半导体材料
内量子效率 P70 （公式2-21）
载流子寿命
辐射复合
3.1.4 半导体材料：晶格常数匹配
小结：半导体光源材料的选取
半导体材料的禁带宽度的计算公式
半导体材料的制备
3.2 半导体激光器
半导体激光器的工作条件
工作物质
泵浦源
10. 在任何一个系统里，最灵活的部分便是最能影响大局的 部分（灵活就是适应，就是接受。灵活是使事情更快有 效果的重要因素）；
11. 没有挫败，只有回馈信息（“挫败”是把焦点放在过去 的事情上，“怎样改变做法”是把焦点放在未来）；
12. 动机和情绪总不会错，只是行为没有效果而已
激光器的组成和封装P82
7. 凡事必有至少三个解决方法（只有相信尚有未知的有效 方法，才会有机会找到它并使事情改变）；
8. 每一个人都选择给自己最佳利益的行为（没有不对的行 为，只有在当时环境下没有效果的行为）；
9. 每个人都已经具备使自己成功快乐的资源（所有事情或 经验里面，正面和负面的意义同时存在，究竟是我们的 绊脚石还是踏脚石，须由自己决定）；
FP腔激光器
图2-15：基本结构 图2.16：典型结构 p59 图2.17 ：示意图 p59 图2.18：商用结构
纵模和横模p65-66
半导体激光器的P-I特性曲线p69
特征温度p72
光束特性
近场和远场分布 远场
LED
LED的P-I特性（掌握） LED的输出光谱分布（掌握） LED的典型结构（了解）
LED 用途
照明用LED材料的选择
典型结构
LD的优点
LED和LD的调制 直接调制：内调制 间接调制：外调制
3.1.3 非辐射复合—直接带隙和间接带隙半导体材料
内量子效率 P70 （公式2-21）
载流子寿命
辐射复合
3.1.4 半导体材料：晶格常数匹配
小结：半导体光源材料的选取
半导体材料的禁带宽度的计算公式
半导体材料的制备
3.2 半导体激光器
半导体激光器的工作条件
工作物质
泵浦源
10. 在任何一个系统里，最灵活的部分便是最能影响大局的 部分（灵活就是适应，就是接受。灵活是使事情更快有 效果的重要因素）；
11. 没有挫败，只有回馈信息（“挫败”是把焦点放在过去 的事情上，“怎样改变做法”是把焦点放在未来）；
12. 动机和情绪总不会错，只是行为没有效果而已
激光器的组成和封装P82
7. 凡事必有至少三个解决方法（只有相信尚有未知的有效 方法，才会有机会找到它并使事情改变）；
8. 每一个人都选择给自己最佳利益的行为（没有不对的行 为，只有在当时环境下没有效果的行为）；
9. 每个人都已经具备使自己成功快乐的资源（所有事情或 经验里面，正面和负面的意义同时存在，究竟是我们的 绊脚石还是踏脚石，须由自己决定）；
FP腔激光器
图2-15：基本结构 图2.16：典型结构 p59 图2.17 ：示意图 p59 图2.18：商用结构
光纤通信课件第4章光源及光发射机2
面发光二极管
为提高面发光LED与光纤的耦合效率： 在井中放置一个截球透镜； 或者将光纤末端形成球透镜。
边发光二极管
载流子注入
50~70 mm 100~150 mm
30º 120º
优点：与面发光LED比，光出射方向性好 缺点：需要较大的驱动电流、发光功率低
边发光二极管
边发光二极管，也采用双异质结结构。 利用SiO2掩模技术，在P面形成垂直于端面的条形接触电极 （约40~50μm），从而限定了有源区的宽度；同时，增加光波导 层，进一步提高光的限定能力，把有源区产生的光辐射导向发光 面，以提高与光纤的耦合效率。其有源区一端镀高反射膜，另一 端镀增透膜，以实现单向出光。在垂直于结平面方向，发散角约 为30°，具有比面发光二极管高的输出耦LED的谱线特性
发光二极管的输出谱线特性
特点：1. 自发辐射光 -> LED谱线较宽 2. 面发光二极管的谱线要比边发光二极管的宽 3. 长波长光源谱宽比短光源宽 - 短波长GaAlAs/GaAs 谱宽30~50 nm - 长波长InGaAsP/InP 谱宽60~120 nm
对光发射机性能要求
光发射机的作用是把电端机送来的电信号变为光信号送入 光纤中传输。
包括以下方面： (1)光源特性 (2)调制特性 (3)输出特性
光发射机性能要求
对光发送机的要求： （1）有合适的输出光功率 光发送机的输出光功率，是指耦合进光纤的功率，亦称
入纤功率。光源应有合适的光功率输出，一般为0.01mW～ 5mW。
发光二极管结构
在光纤通信系统中，发光二极管可以用同质结制造， 也可以用异质结制造，只不过在实际中多采用异质结结构。
LED没有解理面，即没有光学谐振腔。由于不是激光 振荡，所以没有阈值。
光纤通信原理-(全套)PPT课件
为了描述光纤中传输的模式数目，在
此引入一个非常重要的结构参数，即光纤
的归一化频率，一般用V表示，其表达式 如下：
V k 0 n m a2 2 0n m a2 C n m a2
1. 多模光纤
顾明思义，多模光纤就是允许多个模 式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤 中允许存在多个分离的传导模。
光纤的作用是为光信号的传送提供传 送媒介(信道)，将光信号由一处送到另一 处。
中继器分为电中继器和光中继器(光放 大器)两种，其主要作用就是延长光信号的 传输距离。
1.3.2 光纤通信系统的分类
根据调制信号的类型，光纤通信系统 可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通 信系统。
根据光源的调制方式，光纤通信系统 可以分为直接调制光纤通信系统和间接调 制光纤通信系统。
1.2 光纤通信的主要特性
1.2.1 光纤通信的优点
1. 光纤的容量大
光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载 波的通信系统，其载波—光波具有很高的 频率(约1014Hz)损耗低、中继距离长
目前，实用的光纤通信系统使用的光 纤多为石英光纤，此类光纤在1.55μm波长 区 的 损 耗 可 低 到 0 . 1 8 dB/km， 比 已 知 的 其 他通信线路的损耗都低得多，因此，由其 组成的光纤通信系统的中继距离也较其它 介质构成的系统长得多。
图2.2 光纤的折射率分布
光纤的折射率变化可以用折射率 沿半径的分布函数n(r)来表示。
n r n n 1 2
r a r a
2. 按传输模式的数量分类
按光纤中传输的模式数量，可以将光 纤分为多模光纤(Multi-Mode Fiber，MMF) 和单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)。
光源和光发射机PPT课件
m
(c)纵模共振光谱
Z=x
m
(c)半导体激光器的输出光谱
22
图4.2.6 光在法布里珀罗(F-P) 谐振腔中的干涉
M1
反 射 镜
M2
Aa
反
射
镜
B
b
R1
L
R2
(a) 反射波干涉
m 1
m2
相1
对
强
m6
度
I
驻波
(b) 只有特定波长的驻波 允许在谐振腔内存在
vf
反射系数
R 0.8 R 0.4
vm
v vm1 vm vm1
M1
反 射 镜
M2
Aa
反
射
镜
B
b
R1
L
R2
反射波ห้องสมุดไป่ตู้互干涉
18
Fabry(1867~1945) Perot(1863~1925) 法国物理学家
19
法布里-珀罗（FabryPerot）光学谐振器
反射波相互干涉
M1
反 射 镜
M2
Aa
反
射
镜
B
b
R1
L
R2
镀有反射镜面的光学谐振腔只有在特定的频率内 能够储存能量，这种谐振腔就叫做法布里-珀罗 （Fabry-Perot）光学谐振器。
g
通常发射多个纵模的光
0
频率
半导体激光器的增益频谱 g() 相当宽（约10 THz），在 F-P 谐振
腔内同时存在着许多纵模，但只有接近增益峰的纵模变成主模。
在理想条件下，其它纵模不应该达到阈值，因为它们的增益总是比 主模小。实际上，增益差相当小，主模两边相邻的一、二个模与主 模一起携带着激光器的大部分功率。这种激光器就称作多模半导体 激光器。
光纤通信光源和光发射
光纤通信光源和光发射
目录
• 光纤通信光源概述 • 光纤通信光源的工作原理 • 光纤通信光源的应用场景 • 光发射机技术 • 光发射机的应用场景 • 光发射技术的发展前景和挑战
01 光纤通信光源概述
光源的种类和特性
半导体激光器（LD）
利用半导体材料产生激光，具有体积 小、效率高、稳定性好等优点，是光 纤通信中常用的光源。
温度稳定性
光发射器件的性能受温度影响较大，需要在高温环境下保持稳定的 传输性能。
可靠性
光发射器件需要在长时间运行中保持高可靠性，对器件的材料、结 构和工艺提出了更高的要求。
光发射技术的发展趋势
新型光源
随着技术的不断发展，新型光源如半导体激光器、光纤激光器等将 不断涌现，为光发射技术的发展提供更多可能性。
衡量光发射机调制信号 的速度，是影响数据传
输速率的重要参数。
消光比
衡量光发射机输出光信 号的稳定性和可靠性， 是影响误码率的重要因
素。
波长稳定性
衡量光发射机输出光信 号的波长稳定性，是影 响传输性能的重要参数。
光发射机技术的发展趋势
高频调制技术
01
随着数据传输速率的不断提高，高频调制技术成为光发射机技
发光二极管（LED）
光纤激光器
利用光纤作为增益介质产生激光，具 有高功率、窄线宽、易于调谐等优点， 适用于高功率、长距离的光纤传输系 统。
一种电致发光器件，具有发光效率高、 响应速度快、可靠性高等优点，适用 于短距离、低速率的光纤通信系统。
光源在光纤通信中的作用
信号源
光源发出的光信号是光纤通信系 统的基本信号源，其质量和稳定 性直接影响到通信系统的性能。
光子集成
光子集成技术将实现多个光器件的集成，提高光发射系统的集成度 和稳定性。
目录
• 光纤通信光源概述 • 光纤通信光源的工作原理 • 光纤通信光源的应用场景 • 光发射机技术 • 光发射机的应用场景 • 光发射技术的发展前景和挑战
01 光纤通信光源概述
光源的种类和特性
半导体激光器（LD）
利用半导体材料产生激光，具有体积 小、效率高、稳定性好等优点，是光 纤通信中常用的光源。
温度稳定性
光发射器件的性能受温度影响较大，需要在高温环境下保持稳定的 传输性能。
可靠性
光发射器件需要在长时间运行中保持高可靠性，对器件的材料、结 构和工艺提出了更高的要求。
光发射技术的发展趋势
新型光源
随着技术的不断发展，新型光源如半导体激光器、光纤激光器等将 不断涌现，为光发射技术的发展提供更多可能性。
衡量光发射机调制信号 的速度，是影响数据传
输速率的重要参数。
消光比
衡量光发射机输出光信 号的稳定性和可靠性， 是影响误码率的重要因
素。
波长稳定性
衡量光发射机输出光信 号的波长稳定性，是影 响传输性能的重要参数。
光发射机技术的发展趋势
高频调制技术
01
随着数据传输速率的不断提高，高频调制技术成为光发射机技
发光二极管（LED）
光纤激光器
利用光纤作为增益介质产生激光，具 有高功率、窄线宽、易于调谐等优点， 适用于高功率、长距离的光纤传输系 统。
一种电致发光器件，具有发光效率高、 响应速度快、可靠性高等优点，适用 于短距离、低速率的光纤通信系统。
光源在光纤通信中的作用
信号源
光源发出的光信号是光纤通信系 统的基本信号源，其质量和稳定 性直接影响到通信系统的性能。
光子集成
光子集成技术将实现多个光器件的集成，提高光发射系统的集成度 和稳定性。
光纤通信介绍-PPT
•本征吸收：是光纤基础材料(如SiO2)固有的吸收，不是 杂质或缺陷引起的，因此，本征吸收基本确定了某一种 材料吸收损耗的下限。 •杂质吸收：由光纤材料的不纯净而造成的附加吸收损 耗。
损耗起因（二）
散射损耗：由于光纤的材料、形状、折射率分布等
的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光与微小粒子相碰撞 发生散射，由此产生的损耗。
分类： 同质结半导体激光器：早期使用，阈值电流高 异质结半导体激光器：阈值电流小，发光强度高
工作特性： 阈值特性 光谱特性 温度特性 转换效率
半导体发光二极管(LED)
半导体发光二极管(LED)是无阈值器件，没有光学谐振腔， 发光只限于自发辐射，发出的是荧光。 半导体发光二极管(LED)工作特性：
模间色散
多模光纤中，各传输模式路径不同，到达出射端时间不同， 从而引起光脉冲展宽，产生的色散。
材料色散
由于光纤材料的折射率随光波长而变化，使得信号各频率 成分群速不同，引起脉冲展宽的色散现象。
波导色散
把具有一定波谱线宽的光源发出的光脉冲射入到光纤后， 由于不同波长的光传输路程不完全相同，所以到达光纤出 射端时间不同，从而使脉冲展宽的色散。
规率减少: P(L)=P(0)10(α L/10)
式中： P(0)－在L＝0处注入光纤的光功率 P(L)－传输到轴向距离L处的光功率
衰减系数α（L） ＝－(10/L)㏒[P(L)/P(0)] dB/km
衰减谱
衰减系数与波长的函数关系
损耗起因（一）
吸收损耗：光波通过光纤材料时，一部分 光能变成热能，造成光功率的损失。
1550nm波长最低衰减光纤（G.654光纤）
选用纯SiO2芯来降低光纤的衰减 最大优点：在1550nm波长的最低衰减为0.18dB/km 制造困难，价格昂贵，适用于海底光缆。
损耗起因（二）
散射损耗：由于光纤的材料、形状、折射率分布等
的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光与微小粒子相碰撞 发生散射，由此产生的损耗。
分类： 同质结半导体激光器：早期使用，阈值电流高 异质结半导体激光器：阈值电流小，发光强度高
工作特性： 阈值特性 光谱特性 温度特性 转换效率
半导体发光二极管(LED)
半导体发光二极管(LED)是无阈值器件，没有光学谐振腔， 发光只限于自发辐射，发出的是荧光。 半导体发光二极管(LED)工作特性：
模间色散
多模光纤中，各传输模式路径不同，到达出射端时间不同， 从而引起光脉冲展宽，产生的色散。
材料色散
由于光纤材料的折射率随光波长而变化，使得信号各频率 成分群速不同，引起脉冲展宽的色散现象。
波导色散
把具有一定波谱线宽的光源发出的光脉冲射入到光纤后， 由于不同波长的光传输路程不完全相同，所以到达光纤出 射端时间不同，从而使脉冲展宽的色散。
规率减少: P(L)=P(0)10(α L/10)
式中： P(0)－在L＝0处注入光纤的光功率 P(L)－传输到轴向距离L处的光功率
衰减系数α（L） ＝－(10/L)㏒[P(L)/P(0)] dB/km
衰减谱
衰减系数与波长的函数关系
损耗起因（一）
吸收损耗：光波通过光纤材料时，一部分 光能变成热能，造成光功率的损失。
1550nm波长最低衰减光纤（G.654光纤）
选用纯SiO2芯来降低光纤的衰减 最大优点：在1550nm波长的最低衰减为0.18dB/km 制造困难，价格昂贵，适用于海底光缆。
光纤通信系统光源与光发射机课件
01
02
光源与光发射机
用于将电信号转换为光信号，是 光纤通信系统的核心部件。
03
04
光接收机
用于将接收到的光信号转换为电 信号，以便进一步处理。
光纤通信系统的优点
传输距离远
光纤传输损耗低，可以实现长距离的光信号 传输。
带宽高
光纤不受电磁干扰的影响，传输质量稳定可 靠。
抗干扰能力强
光纤的传输带宽较高，可以实现高速数据传 输。
光发射机在科研、教育等领域 用于高速数据传输和远程实验 观测，促进科技进步。
光发射机的发展趋势
1 高速率
随着数据传输需求的增长，光发射机正朝着更高传输速 率的方向发展。
2 长距离
随着数据传输需求的增长，光发射机正朝着更高传输速 率的方向发展。
3 集成化
随着数据传输需求的增长，光发射机正朝着更高传输速 率的方向发展。
调制器将信息信号加载到 光信号上，实现信息的传 输。
驱动器控制调制器
驱动器为调制器提供必要 的控制信号，确保调制过 程稳定可靠。
光发射机的组成
光源模块
包括激光二极管、驱动 电路等，负责产生光信
号。
调制器模块
将信息信号加载到光信 号定的 直流电源，确保其正常
液体激光器
利用液体作为工作物质，常见的有 染料激光器、有机溶液激光器等。
激光器的性能参数
波长
稳定性
激光器的输出波长是衡量其性能的重 要参数，不同的应用需要不同波长的 激光器。
激光器的稳定性对其输出光的质量和 使用寿命具有重要影响，稳定的激光 器能够保证信号传输的可靠性。
功率
激光器的输出功率决定了其能够应用 的范围和效果，高功率激光器能够实 现更远距离的传输和更好的信号质量 。
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激光器是指能够产生激光的自激振荡器。受激辐射 是产生激光的关键。
粒子数反转条件：是使物质产生光放大的必要条件
光学谐振腔：建立光反馈，实现光的频率和方向选择
Laser 发射波长 p50
3.1.2 PN结
PN结的形成过程
泵浦（正向偏压）下
外加电场
同质结
异质结 P53
双异质结的优点P53
LED和LD的直接调制
小信号调制：调制响应平坦无起伏
1. 没有两个人是一样的；
2. 一个人不能控制另外一个人；
3. 有效果比有道理更重要；
4. 只有由感官经验塑造出来的世界，没有绝 对的真实世界；
5. 沟通的意义决定于对方的回应（自己说什 么不重要，对方接受什么才重要）
6. 重复旧的做法，只会得到旧的结果（只有 不断地改变做法，才能与其他事物保持理 想的关系）；
10. 在任何一个系统里，最灵活的部分便是最能影响大局的 部分（灵活就是适应，就是接受。灵活是使事情更快有 效果的重要因素）；
11. 没有挫败，只有回馈信息（“挫败”是把焦点放在过去的 事情上，“怎样改变做法”是把焦点放在未来）；
12. 动机和情绪总不会错，只是行为没有效果而已
激光器的组成和封装P82
3.我们还知道制约化学和生物的基本 定律， 这样在 原则上 ，我们 应能确 定大脑 如何工 作。但 是制约 大脑的 方程几 乎肯定 具有混 沌行为 ，初始 态的非 常小的 改变会 导致非 常不同 的结果 。这样 ，尽管 我们知 道制约 人类行 为的方 程，但 在实际 上我们 不能预 言它。
4.宇宙的其他地方对于地球上发生的 任何事 物根本 不在乎 。绕着 太阳公 转的行 星的运 动似乎 最终会 变成混 沌，尽 管其时 间尺度 很长。 这表明 随着时 间流逝 ，任何 预言的 误差将 越来越 大。在 一段时 间之后 ，就不 可能预 言运动 的细节 。
FP腔激光器
图2-15：基本结构 图2.16：典型结构 p59 图2.17 ：示意图 p59 图2.18：商用结构
优点：结构简单，易于制作。早期光通信系统中 缺点：多纵模工作模式，直接调制时动态谱展宽明显。
不能满足大容量长距离光纤传输和WDM系统的需要
DFB 和DBR 激光器
DFB(distributed feedback）：靠近有源区的波导层上 沿长度方向生长折射率周期扰动光栅，实现分布反馈
特性？
纵模和横模p65-66
半导体激光器的P-I特性曲线p69
特征温度p72
光束特性
近场和远场分布 远场
LED
LED的P-I特性（掌握） LED的输出光谱分布（掌握） LED的典型结构（了解）
LED 用途
照明用LED材料的选择
典型结构
LD的优点
LED和LD的调制 直接调制：内调制 间接调制：外调制
7. 凡事必有至少三个解决方法（只有相信尚有未知的有效 方法，才会有机会找到它并使事情改变）；
8. 每一个人都选择给自己最佳利益的行为（没有不对的行 为，只有在当时环境下没有效果的行为）；
9. 每个人都已经具备使自己成功快乐的资源（所有事情或 经验里面，正面和负面的意义同时存在，究竟是我们的 绊脚石还是踏脚石，须由自己决定）；
3.1半导体发光的物理基础
3.1.1 原子的能级和晶体的能带（掌握） 3.1.2 PN结（掌握） 3.1.3 非辐射复合（了解） 3.1.4 半导体材料（了解）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3.1.1 原子的能级和晶体的能带
半导体材料中的电子分布—能带结构 p47
半导体材料的能带结构图
三种基本跃迁过程
激光激射条件
DBR 激光器
光栅制作在有源波导两外侧的无源波导上，可以避免 制作过程造成的晶格损伤
小结：DFB-LD的优点
与FP腔激光器相比：
A. 波长选择性：改变光栅周期，可以改 变发射波长
B. 线宽窄，波长稳定性好 C. 动态单纵模 D. 高线性度 E. 易于集成
量子阱半导体激光器
垂直腔面发射激光器
VCSEL的特点
波长可调谐激光器
WDM、分组交换和光分插复用器是网络重构的重要器件
小结-实现单纵模的途径
激光器的性能参数 p65-74
1. 如何获得单纵模？ 2. 如何获得单横模？ 3. 激光器阈值电流的测量方法？ 4. 内外量子效率的关系？ 5. 特征温度？ 6. 描述光谱特性参量包括哪些？ 7. 哪些参量可以描述激光器的光束
第三章：光源和光发射机
光发送机的功能是将来自电发送机的电脉冲信号变换成光 脉冲信号，并以光纤通信系统传输性能所要求的光脉冲信号波 形耦合到光源组件的尾纤中。
电信 号 输 入 输入 接口
线路 编码
调制 电路
光信 号 输 出 光源
控制 电路
主要内容
3.1半导体发光的物理基础 3.2半导体激光器（LD） （掌握） 3.3半导体发光二极管（LED）（掌握） 3.4光源的调制（熟悉） 3.5光发射机（掌握）
3.1.3 非辐射复合—直接带隙和间接带隙半导体材料
内量子效率 P70 （公式2-21）
载流子寿命
辐射复合
3.1.4 半导体材料：晶格常数匹配
小结：半导体光源材料的选取
半导体材料的禁带宽度的计算公式
半导体材料的制备
3.2 半导体激光器
半导体激光器的工作条件
工作物质
泵浦源
.
1..在不稳定或混沌的系统中，一般地 存在一 个时间 尺度， 初始状 态下的 小改变 在这个 时间尺 度将增 长到两 倍。在 地球大 气的情 形下， 这个时 间尺度 是五天 的数量 级，大 约为空 气绕地 球吹一 圈的时 间。
2.人们可以在五天之内作相当准确的 天气预 报，但 是要做 更长远 得多的 天气预 报，就 既需要 大气现 状的准 确知识 ，又需 要一种 不可逾 越的复 杂计算 。我们 除了给 出季度 平均值 以外， 没有办 法对六 个月以 后做具 体的天 气预报 。
谐振腔
FP谐振腔 p54
p69
P56
多纵模LD p56 p66
Bragg 反射器 p56-57
布喇格发射条件 （2-17 2-18） 优点： 易于实现单纵模 易于实现窄的光谱线宽 波长锁定功能
半导体激光器的典型结构p59
条形LDp58
激光器的分类（P58）
粒子数反转条件：是使物质产生光放大的必要条件
光学谐振腔：建立光反馈，实现光的频率和方向选择
Laser 发射波长 p50
3.1.2 PN结
PN结的形成过程
泵浦（正向偏压）下
外加电场
同质结
异质结 P53
双异质结的优点P53
LED和LD的直接调制
小信号调制：调制响应平坦无起伏
1. 没有两个人是一样的；
2. 一个人不能控制另外一个人；
3. 有效果比有道理更重要；
4. 只有由感官经验塑造出来的世界，没有绝 对的真实世界；
5. 沟通的意义决定于对方的回应（自己说什 么不重要，对方接受什么才重要）
6. 重复旧的做法，只会得到旧的结果（只有 不断地改变做法，才能与其他事物保持理 想的关系）；
10. 在任何一个系统里，最灵活的部分便是最能影响大局的 部分（灵活就是适应，就是接受。灵活是使事情更快有 效果的重要因素）；
11. 没有挫败，只有回馈信息（“挫败”是把焦点放在过去的 事情上，“怎样改变做法”是把焦点放在未来）；
12. 动机和情绪总不会错，只是行为没有效果而已
激光器的组成和封装P82
3.我们还知道制约化学和生物的基本 定律， 这样在 原则上 ，我们 应能确 定大脑 如何工 作。但 是制约 大脑的 方程几 乎肯定 具有混 沌行为 ，初始 态的非 常小的 改变会 导致非 常不同 的结果 。这样 ，尽管 我们知 道制约 人类行 为的方 程，但 在实际 上我们 不能预 言它。
4.宇宙的其他地方对于地球上发生的 任何事 物根本 不在乎 。绕着 太阳公 转的行 星的运 动似乎 最终会 变成混 沌，尽 管其时 间尺度 很长。 这表明 随着时 间流逝 ，任何 预言的 误差将 越来越 大。在 一段时 间之后 ，就不 可能预 言运动 的细节 。
FP腔激光器
图2-15：基本结构 图2.16：典型结构 p59 图2.17 ：示意图 p59 图2.18：商用结构
优点：结构简单，易于制作。早期光通信系统中 缺点：多纵模工作模式，直接调制时动态谱展宽明显。
不能满足大容量长距离光纤传输和WDM系统的需要
DFB 和DBR 激光器
DFB(distributed feedback）：靠近有源区的波导层上 沿长度方向生长折射率周期扰动光栅，实现分布反馈
特性？
纵模和横模p65-66
半导体激光器的P-I特性曲线p69
特征温度p72
光束特性
近场和远场分布 远场
LED
LED的P-I特性（掌握） LED的输出光谱分布（掌握） LED的典型结构（了解）
LED 用途
照明用LED材料的选择
典型结构
LD的优点
LED和LD的调制 直接调制：内调制 间接调制：外调制
7. 凡事必有至少三个解决方法（只有相信尚有未知的有效 方法，才会有机会找到它并使事情改变）；
8. 每一个人都选择给自己最佳利益的行为（没有不对的行 为，只有在当时环境下没有效果的行为）；
9. 每个人都已经具备使自己成功快乐的资源（所有事情或 经验里面，正面和负面的意义同时存在，究竟是我们的 绊脚石还是踏脚石，须由自己决定）；
3.1半导体发光的物理基础
3.1.1 原子的能级和晶体的能带（掌握） 3.1.2 PN结（掌握） 3.1.3 非辐射复合（了解） 3.1.4 半导体材料（了解）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3.1.1 原子的能级和晶体的能带
半导体材料中的电子分布—能带结构 p47
半导体材料的能带结构图
三种基本跃迁过程
激光激射条件
DBR 激光器
光栅制作在有源波导两外侧的无源波导上，可以避免 制作过程造成的晶格损伤
小结：DFB-LD的优点
与FP腔激光器相比：
A. 波长选择性：改变光栅周期，可以改 变发射波长
B. 线宽窄，波长稳定性好 C. 动态单纵模 D. 高线性度 E. 易于集成
量子阱半导体激光器
垂直腔面发射激光器
VCSEL的特点
波长可调谐激光器
WDM、分组交换和光分插复用器是网络重构的重要器件
小结-实现单纵模的途径
激光器的性能参数 p65-74
1. 如何获得单纵模？ 2. 如何获得单横模？ 3. 激光器阈值电流的测量方法？ 4. 内外量子效率的关系？ 5. 特征温度？ 6. 描述光谱特性参量包括哪些？ 7. 哪些参量可以描述激光器的光束
第三章：光源和光发射机
光发送机的功能是将来自电发送机的电脉冲信号变换成光 脉冲信号，并以光纤通信系统传输性能所要求的光脉冲信号波 形耦合到光源组件的尾纤中。
电信 号 输 入 输入 接口
线路 编码
调制 电路
光信 号 输 出 光源
控制 电路
主要内容
3.1半导体发光的物理基础 3.2半导体激光器（LD） （掌握） 3.3半导体发光二极管（LED）（掌握） 3.4光源的调制（熟悉） 3.5光发射机（掌握）
3.1.3 非辐射复合—直接带隙和间接带隙半导体材料
内量子效率 P70 （公式2-21）
载流子寿命
辐射复合
3.1.4 半导体材料：晶格常数匹配
小结：半导体光源材料的选取
半导体材料的禁带宽度的计算公式
半导体材料的制备
3.2 半导体激光器
半导体激光器的工作条件
工作物质
泵浦源
.
1..在不稳定或混沌的系统中，一般地 存在一 个时间 尺度， 初始状 态下的 小改变 在这个 时间尺 度将增 长到两 倍。在 地球大 气的情 形下， 这个时 间尺度 是五天 的数量 级，大 约为空 气绕地 球吹一 圈的时 间。
2.人们可以在五天之内作相当准确的 天气预 报，但 是要做 更长远 得多的 天气预 报，就 既需要 大气现 状的准 确知识 ，又需 要一种 不可逾 越的复 杂计算 。我们 除了给 出季度 平均值 以外， 没有办 法对六 个月以 后做具 体的天 气预报 。
谐振腔
FP谐振腔 p54
p69
P56
多纵模LD p56 p66
Bragg 反射器 p56-57
布喇格发射条件 （2-17 2-18） 优点： 易于实现单纵模 易于实现窄的光谱线宽 波长锁定功能
半导体激光器的典型结构p59
条形LDp58
激光器的分类（P58）