第三章 光源和光发送机
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《光源和光发射机》课件
工业照明
高效的工业照明可以提高生产 效率和安全性。
光发射机
光发射器的定义
光发射器是将电能或其他能源转化为光能并传输的装置。
光发射器的分类
光发射器可以分为LED、激光器等不同类型。
光发射器的特点
不同类型的光发射器具有不同的功耗、尺寸和效率。
光发射机的性质
1
光发射器的发射能力
光发射器可以具有不同的发射功率和距离。
总结
1 光源和光发射机的关系
光发射机需要光源提供光能来发射光信号。
2 光源和光发射机在每个应用领域的重要性
它们在照明、通信等领域都发挥着重要的作用。
3 未来光源和光发射机发展趋势
随着技术的进步，光源和光发射机将变得更加高效和多样化。
2
光发射器的调制特性
光发射器可以通过调制来传输不同的信号。
3
光发射器的耐用性
耐用的光发射器可以在各种复杂环境中稳定工作。
光发射机的应用
光通信
光发射器是实现高速、远距离 光通信的关键组件。
无线电通信
部分无线电通信系统采用光发 射器作为信号传输介质。
其他应用领域
光发射器在医疗设备、科学研 究等领域都有广泛应用。
《光源和光发射机》PPT 课件
这个PPT课件将介绍光源和光发射机，从定义、性质到应用。通过丰富的内容 和精美的图片，带您深入了解这个有趣的主题。
什么是光源?
光源的定义
光源是产生光的物体或装 置，用于提供照明或其他 光学应用。
光源的分类
光源可以分为自然光源和 人造光源，如太阳、灯泡 等。
光源的特点
光源可以具有不同的颜色、 亮度和光谱分布。
光源的性质
1
光源的辐射特性
《光源与光发送机》课件
光收发一体化技术有哪些优势 和应用场景？
发射角度
发射角度对光发送机 的传输效率有何影响？
传输速率
如何优化光发送机的 传输速率？
信噪比与误码率
介绍光发送机中的信噪比和误码率概念，并探讨影响它们的因素。
信噪比介绍
什么是信噪比？为什么它很 重要？
误码率介绍
什么是误码率？它如何影响 通信质量？
影响因素
影响信噪比和误码率的因素 有哪些？
光发送机现状与应用
了解光发送机在工业、航天和其他领域中的现状和应用。
1
工业应用
光发送机在工业领域中的具体应用有哪些？
2
航天应用
了解光发送机在航天领域的创新应用。
3
其他应用
光发送机还有其他什么特殊应用？
安全风险及管理
探讨使用光发送机时需要注意的安全风险，并提供相应的管理方案和应急措施。
安全风险介绍
使用光发送机可能带来哪些 安全风险？
《光源与光发送机》PPT 课件
欢迎来到《光源与光发送机》PPT课件！在这个课件中，我们将探讨光源的不 同类型、光发送机的基础设计要素以及光发送技术的应用场景等内容。
光源简介
了解不同类型的光源，包括自然光源和人工光源，以及常见的光源。
定义
什么是光源？
分类
有哪些不同类型的光源？
常见光源
列举一些常见的光源。
管理方案
如何管理和减轻光发送机相 关的安全风险？
应急措施
遇到安全事故时应该采取哪 些紧急措施？
发送机特殊应用技术
介绍一些光发送技术的特殊应用，包括多频光发送技术、光缆技术和光收发一体化技术。
多频光发送技术
多频光发送技术如何升光通 信性能？
发射角度
发射角度对光发送机 的传输效率有何影响？
传输速率
如何优化光发送机的 传输速率？
信噪比与误码率
介绍光发送机中的信噪比和误码率概念，并探讨影响它们的因素。
信噪比介绍
什么是信噪比？为什么它很 重要？
误码率介绍
什么是误码率？它如何影响 通信质量？
影响因素
影响信噪比和误码率的因素 有哪些？
光发送机现状与应用
了解光发送机在工业、航天和其他领域中的现状和应用。
1
工业应用
光发送机在工业领域中的具体应用有哪些？
2
航天应用
了解光发送机在航天领域的创新应用。
3
其他应用
光发送机还有其他什么特殊应用？
安全风险及管理
探讨使用光发送机时需要注意的安全风险，并提供相应的管理方案和应急措施。
安全风险介绍
使用光发送机可能带来哪些 安全风险？
《光源与光发送机》PPT 课件
欢迎来到《光源与光发送机》PPT课件！在这个课件中，我们将探讨光源的不 同类型、光发送机的基础设计要素以及光发送技术的应用场景等内容。
光源简介
了解不同类型的光源，包括自然光源和人工光源，以及常见的光源。
定义
什么是光源？
分类
有哪些不同类型的光源？
常见光源
列举一些常见的光源。
管理方案
如何管理和减轻光发送机相 关的安全风险？
应急措施
遇到安全事故时应该采取哪 些紧急措施？
发送机特殊应用技术
介绍一些光发送技术的特殊应用，包括多频光发送技术、光缆技术和光收发一体化技术。
多频光发送技术
多频光发送技术如何升光通 信性能？
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。
第三章光源与光发送机
能级和电子跃迁
7
光纤通信
① 在正常状态下，电子通常处于低能级（即基态）E1，在入射 光的作用下，电子吸收光子的能量后跃迁到高能级（即激发态）E2， 产生光生电流，这种跃迁称为受激吸收——光电检测器。
② 处于高能级E2 上的电子是不稳定的，即使没有外界的作用， 也会自发地跃迁到低能级E1 上与空穴复合，释放的能量转换为光 子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射——发光二极管。
*粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件。
9
光纤通信 （5）激光的形成 必须有产生激光的工作物质（激活物质）； 必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源 （泵浦源）； 必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。 粒子数反转分布状态的为实现光放大提供了可能，而激活物质 提供光放大的环境，光学谐振腔则提供必要的反馈及对光的频率和 方向进行选择，以获得连续的光放大和激光振荡输出。
光纤通信
第3章 光源与光发送机
1
第3章 通信用光器件
本章内容 光源：半导体激光器和发光二极管。 光源调制 光发送机。
光纤通信
2
3.1 激光器和LED
光纤通信
光源器件：光纤通信设备的核心，其作用是将电信号转换 成光信号送入光纤。常用的有LD和LED两种。
半导体激光器（LD）：适用于长距离大容量的光纤通信系 统。尤其是单纵模半导体激光器，在高速率、大容量的数字光 纤通信系统中得到广泛应用。
E E2 E1 hf 12
当处于低能级E1 的电子受到一个光子能量∆E =hf12的光照射时， 该能量被吸收，使原子中的电子激发到较高的能级E2 上去。
光纤通信用的发光元件和光检测元件就是利用这两种现象。
6
7
光纤通信
① 在正常状态下，电子通常处于低能级（即基态）E1，在入射 光的作用下，电子吸收光子的能量后跃迁到高能级（即激发态）E2， 产生光生电流，这种跃迁称为受激吸收——光电检测器。
② 处于高能级E2 上的电子是不稳定的，即使没有外界的作用， 也会自发地跃迁到低能级E1 上与空穴复合，释放的能量转换为光 子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射——发光二极管。
*粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件。
9
光纤通信 （5）激光的形成 必须有产生激光的工作物质（激活物质）； 必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源 （泵浦源）； 必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。 粒子数反转分布状态的为实现光放大提供了可能，而激活物质 提供光放大的环境，光学谐振腔则提供必要的反馈及对光的频率和 方向进行选择，以获得连续的光放大和激光振荡输出。
光纤通信
第3章 光源与光发送机
1
第3章 通信用光器件
本章内容 光源：半导体激光器和发光二极管。 光源调制 光发送机。
光纤通信
2
3.1 激光器和LED
光纤通信
光源器件：光纤通信设备的核心，其作用是将电信号转换 成光信号送入光纤。常用的有LD和LED两种。
半导体激光器（LD）：适用于长距离大容量的光纤通信系 统。尤其是单纵模半导体激光器，在高速率、大容量的数字光 纤通信系统中得到广泛应用。
E E2 E1 hf 12
当处于低能级E1 的电子受到一个光子能量∆E =hf12的光照射时， 该能量被吸收，使原子中的电子激发到较高的能级E2 上去。
光纤通信用的发光元件和光检测元件就是利用这两种现象。
6
梁瑞生《现代光纤通信技术及应用》课后习题及参考答案
第1章概述1－1、什么是光纤通信？参考答案：光纤通信(Fiber-optic communication)是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式，其先将电信号转换成光信号，再透过光纤将光信号进行传递，属于有线通信的一种。
光经过调变后便能携带资讯。
光纤通信利用了全反射原理，即当光的注入角满足一定的条件时，光便能在光纤内形成全反射，从而达到长距离传输的目的。
1－2、光纤通信技术有哪些特点？参考答案：(1)无串音干扰，保密性好。
(2)频带极宽，通信容量大。
(3)抗电磁干扰能力强。
(4)损耗低，中继距离长。
(5)光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设。
除以上特点之外，还有光纤的原材料资源丰富，成本低;温度稳定性好、寿命长等特点。
1－3、光纤通信系统由哪几部分组成？简述各部分作用。
参考答案：光纤通信系统最基本由光发送机、光接收机、光纤线路、中继器以及无源器件组成。
其中光发送机负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，光纤线路负责传输信号，而光接收机负责接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。
(1)光发送机：由光源、驱动器和调制器组成，实现电/光转换的光端机。
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或光缆去传输。
(2)光接收机：由光检测器和光放大器组成，实现光/电转换的光端机。
其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端机去。
(3)光纤线路：其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。
(4)中继器：由光检测器、光源和判决再生电路组成。
它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减;另一个是对波形失真的脉冲进行整形。
(5)无源器件：包括光纤连接器、耦合器等，完成光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合。
3、光发和光收
8
光学谐振腔的作用
在光学谐振腔中，沿着光学谐振腔轴线传播的光 可以在两个反射镜之间往复传播，在这个过程中 一边传播一边激发高能级上的电子跃迁到低能级 上发光，这种由于光学谐振腔而产生的往复传播 作用，相当于延长了激光工作物质的长度，从而 使其中的光能密度不断增加，这样可以使受激辐 射的几率远大于自发辐射的几率，从而使得沿光 学谐振腔轴线传播的光，在粒子数反转分布的条 件下，受激辐射占了绝对优势。
1.0 垂 方 直 向 水 方 平 向
P层 N层
//
O
相 对 0.5 光 强 0 -50 0 50 发散 （ ） 角 度
有源层 （a）水平发散角和垂直发散角
（b）远场光强分布曲线
24
转换效率与输出光功率特性
激光器的电/光转换效率用外微分量子效率d：在阈值电 流上，每对载流子产生的光子数。
13
热平衡下的能级图
热平衡系统只能有一个费米能级，这就要求在P区和N 区高低不同的费米能级达到相同的水平，如果N区的 能级位置保持不变，那么P区的能级应该提高，从而使 PN结的能带发生弯曲。 PN结能带的弯曲正反映了空 间电荷区的存在。 在空间电荷区内，自建场从N区指向P区，这说明P区 相对于N区为负电荷，用-VD来表示，叫做接触电位差 或叫PN结的势垒高度，P区所有能级的电子都附加了(e0).(-VD)=e0 VD的位能，从而使P区的能带相对于N区来 说提高了 e0 VD 。
11
各种半导体中电子的统计分布
导带 禁带 价带 Ef
Ef
Ef
(a)本征半导体
(b)兼并型P型半导体
(c)兼并型N型半导体
本征半导体在低温下，费米能级处于禁带的中心位置。 P型半导体，由于受主杂质的掺入，费米能级的位置比本征半导体要低，处于 价带顶和受主杂质能带之间。 对于重掺杂的P型半导体，杂质能带和价带连成一片，费米能级进入价带，称 为兼并型P型半导体。 兼并型N型半导体中施主杂质能带和导带连成一片，费米能级进入导带。 12
光学谐振腔的作用
在光学谐振腔中，沿着光学谐振腔轴线传播的光 可以在两个反射镜之间往复传播，在这个过程中 一边传播一边激发高能级上的电子跃迁到低能级 上发光，这种由于光学谐振腔而产生的往复传播 作用，相当于延长了激光工作物质的长度，从而 使其中的光能密度不断增加，这样可以使受激辐 射的几率远大于自发辐射的几率，从而使得沿光 学谐振腔轴线传播的光，在粒子数反转分布的条 件下，受激辐射占了绝对优势。
1.0 垂 方 直 向 水 方 平 向
P层 N层
//
O
相 对 0.5 光 强 0 -50 0 50 发散 （ ） 角 度
有源层 （a）水平发散角和垂直发散角
（b）远场光强分布曲线
24
转换效率与输出光功率特性
激光器的电/光转换效率用外微分量子效率d：在阈值电 流上，每对载流子产生的光子数。
13
热平衡下的能级图
热平衡系统只能有一个费米能级，这就要求在P区和N 区高低不同的费米能级达到相同的水平，如果N区的 能级位置保持不变，那么P区的能级应该提高，从而使 PN结的能带发生弯曲。 PN结能带的弯曲正反映了空 间电荷区的存在。 在空间电荷区内，自建场从N区指向P区，这说明P区 相对于N区为负电荷，用-VD来表示，叫做接触电位差 或叫PN结的势垒高度，P区所有能级的电子都附加了(e0).(-VD)=e0 VD的位能，从而使P区的能带相对于N区来 说提高了 e0 VD 。
11
各种半导体中电子的统计分布
导带 禁带 价带 Ef
Ef
Ef
(a)本征半导体
(b)兼并型P型半导体
(c)兼并型N型半导体
本征半导体在低温下，费米能级处于禁带的中心位置。 P型半导体，由于受主杂质的掺入，费米能级的位置比本征半导体要低，处于 价带顶和受主杂质能带之间。 对于重掺杂的P型半导体，杂质能带和价带连成一片，费米能级进入价带，称 为兼并型P型半导体。 兼并型N型半导体中施主杂质能带和导带连成一片，费米能级进入导带。 12
第3章网络综合布线器材和工具
第3章 网络综合布线系统工程 常用器材和工具
3.1.2 大对数双绞线 1.大对数双绞线的组成 大对数双绞线是由25对具有绝缘保护层的铜导线组成的。它 有3类25对大对数双绞线，5类25对大对数双绞线，为用户提 供更多的可用线对，并被设计为扩展的传输距离上实现高速 数据通信应用，传输速度为100MHz。导线色彩由蓝、橙、 棕、灰和白、红、黑、黄、紫编码组成。 2.大对数线品种 大对数线品种分为屏蔽大对数线和非屏蔽大对数线，如图33所示。
第3章 网络综合布线系统工程 常用器材和工具
光缆是数据传输中最有效的一种传输介质， 它有以下几个优点： 1)较宽的频带。 2)电磁绝缘性能好。 3)衰减较小。 4)中继器的间隔距离较大，因此整个通道中继器的数目可以 减少，这样可降低成本。而同轴电缆和双绞线在长距离使用 中就需要接中继器。
第3章 网络综合布线系统工程 常用器材和工具
2.光纤的种类 光纤主要有两大类，即单模光纤和多模光纤。 （1）单模光纤 单模光纤的纤芯直径很小，在给定的工作波长上只能以单一 模式传输，传输频带宽，传输容量大。光信号可以沿着光纤 的轴向传播，因此光信号的损耗很小，离散也很小，传播的 距离较远。单模光纤PMD规范建议芯径为8~10μm，包括包 层直径为125μm。 （2）多模光纤 多模光纤是在给定的工作波长上，能以多个模式同时传输的 光纤。多模光纤的纤芯直径一般为50至200μm，而包层直径 的变化范围为125到230μm，计算机网络用纤芯直径为 62.5μm，包层为125μm，也就是通常所说的62.5μm。与单模 光纤相比，多模光纤的传输性能要差。在导入波长上分单模 1310nm、1550nm；多模850nm、1300nm。
第3章 网络综合布线系统工程 常用器材和工具
第三章 光源和光发送机
导 带 电 子 能 量 价 带 Ec 电子 禁带宽度Eg 空穴
Ev
17
半导体激光器工作原理
半导体激光器的核心部分 是一个PN结。这个PN结是高 度掺杂的，P型半导体中空穴 极多，N型半导体中自由电子 Ec 极多。 半导体中的载流子是由导 导带电子 带电子和价带空穴产生的。 价带电子跃迁到导带，结 Ev 果价带产生空穴，导带产生电 子，称为载流子的产生。 导带电子跃迁回价带，结 果一对载流子消失，称为载流 子的复合。
20
费米能级
能级越低，电子占据的可能性就越大，理论分析 指出：存在着某一能级EF，叫做费米能级。对于EF以 下的所有能级，例如在N区导带中EF和(EC)N之间各能 级电子占据的可能性大于1／2。对于EF以上的所有能 级，则在P区价带中，EF 和(EV)P 之间各能级电子占据 的可能性小于1／2。总的来说，N区导带顶(EC)N以上 到费米能级EF之间这个区域内的电子数多于P区价带底 以下到费米能级EF以上区域内的电子数。
23
阈值（threshold value）
只有足够大的正向电压，保证电流足够大时，才能产 生激光。
当电流较小时，注入结区的电子和空穴也较少，辐射 小于吸收，增益系数G<0，只能出现普通的荧光。电流逐 渐加大，注入结区的电子和空穴增多，到了G>0，就出现 光放大现象。这时发射很亮的荧光。
如果增益不足以克服谐振腔的损耗，仍不能在腔内产 生振荡。只有当注入的电流增大到增益足以补偿损耗时， 才能产生谱线尖锐、模式明确的振荡。刚开始产生激光的 电流称为激光器的阈值电流。
这种电子由于发射或吸收光子而从一个能级改变到另 一个能级称为辐射跃迁。但原子发射或吸收光子，只能出 现在某些特定的能级之间。
6
受激吸收和受激辐射
Ev
17
半导体激光器工作原理
半导体激光器的核心部分 是一个PN结。这个PN结是高 度掺杂的，P型半导体中空穴 极多，N型半导体中自由电子 Ec 极多。 半导体中的载流子是由导 导带电子 带电子和价带空穴产生的。 价带电子跃迁到导带，结 Ev 果价带产生空穴，导带产生电 子，称为载流子的产生。 导带电子跃迁回价带，结 果一对载流子消失，称为载流 子的复合。
20
费米能级
能级越低，电子占据的可能性就越大，理论分析 指出：存在着某一能级EF，叫做费米能级。对于EF以 下的所有能级，例如在N区导带中EF和(EC)N之间各能 级电子占据的可能性大于1／2。对于EF以上的所有能 级，则在P区价带中，EF 和(EV)P 之间各能级电子占据 的可能性小于1／2。总的来说，N区导带顶(EC)N以上 到费米能级EF之间这个区域内的电子数多于P区价带底 以下到费米能级EF以上区域内的电子数。
23
阈值（threshold value）
只有足够大的正向电压，保证电流足够大时，才能产 生激光。
当电流较小时，注入结区的电子和空穴也较少，辐射 小于吸收，增益系数G<0，只能出现普通的荧光。电流逐 渐加大，注入结区的电子和空穴增多，到了G>0，就出现 光放大现象。这时发射很亮的荧光。
如果增益不足以克服谐振腔的损耗，仍不能在腔内产 生振荡。只有当注入的电流增大到增益足以补偿损耗时， 才能产生谱线尖锐、模式明确的振荡。刚开始产生激光的 电流称为激光器的阈值电流。
这种电子由于发射或吸收光子而从一个能级改变到另 一个能级称为辐射跃迁。但原子发射或吸收光子，只能出 现在某些特定的能级之间。
6
受激吸收和受激辐射
光源和光发射器PPT课件
有源区内每秒钟产生的光子数
内量子效率i= 有源区内每秒钟注入的电子-空穴对数
内量子效率i是衡量激光二极管把电子－空穴对（注入 电流）转换成光子能力的一个参数。
与D不同的的是， i与激光二极管的几何尺寸无关，是 评价激光二极管半导体晶片质量的主要参数。
i和D既有关系又有差别。 i是激光二极管把电子－空 穴对（注入电流）转换成光子效率的直接表示，但要注 意，并非所有光子都出射成为输出光，有些光子由于各 种内部损耗而被重新吸收。 D是激光二极管把电子－ 空穴对（注入电流）转换成输出光的效率象征。 D总 是比i小。
LD的噪声源主要有： RIN p 2 P 2
（1）相位噪声 （2）工作不稳定引起的噪声（如自脉动） （3）光纤端面与LD之间互作用引起的噪声 （4）模噪声（单模LD+多模光纤系统）与模分配噪 声（多模LD+单模光纤系统） 通过模式稳定及光隔离器来减低或消除
来的固有特性。
自脉动：某些激 光器在某些注入 电流下发生的一 种持续振荡。
张弛振荡和自脉动 的结合。激光器激 射以后，先出现一 个张弛振荡的过程， 随后则开始持续自
脉动。
2. 张弛振荡
•当注入电流从零 快速增大到阈值以 上时，经电光延迟 后产生激光输出， 并在脉冲顶部出现 阻尼振荡，经过几 个周期后达到平衡 值。 •采用预偏置在Ith 附近的方法，可减 小张弛振荡
0
1.0
相 0.8
对 光
0.6
强 0.4
2~5nm
0.2
0 -40 -20 0 20 40
波长 (nm)
(b) 多模 LD 的 光谱特性
0
1.0
相 0.8
对 光
0.6
强 0.4
0.02nm
内量子效率i= 有源区内每秒钟注入的电子-空穴对数
内量子效率i是衡量激光二极管把电子－空穴对（注入 电流）转换成光子能力的一个参数。
与D不同的的是， i与激光二极管的几何尺寸无关，是 评价激光二极管半导体晶片质量的主要参数。
i和D既有关系又有差别。 i是激光二极管把电子－空 穴对（注入电流）转换成光子效率的直接表示，但要注 意，并非所有光子都出射成为输出光，有些光子由于各 种内部损耗而被重新吸收。 D是激光二极管把电子－ 空穴对（注入电流）转换成输出光的效率象征。 D总 是比i小。
LD的噪声源主要有： RIN p 2 P 2
（1）相位噪声 （2）工作不稳定引起的噪声（如自脉动） （3）光纤端面与LD之间互作用引起的噪声 （4）模噪声（单模LD+多模光纤系统）与模分配噪 声（多模LD+单模光纤系统） 通过模式稳定及光隔离器来减低或消除
来的固有特性。
自脉动：某些激 光器在某些注入 电流下发生的一 种持续振荡。
张弛振荡和自脉动 的结合。激光器激 射以后，先出现一 个张弛振荡的过程， 随后则开始持续自
脉动。
2. 张弛振荡
•当注入电流从零 快速增大到阈值以 上时，经电光延迟 后产生激光输出， 并在脉冲顶部出现 阻尼振荡，经过几 个周期后达到平衡 值。 •采用预偏置在Ith 附近的方法，可减 小张弛振荡
0
1.0
相 0.8
对 光
0.6
强 0.4
2~5nm
0.2
0 -40 -20 0 20 40
波长 (nm)
(b) 多模 LD 的 光谱特性
0
1.0
相 0.8
对 光
0.6
强 0.4
0.02nm
第三章光源与光发射机
量 Eg /2 Eg Eg /2 导带 Ec Ef Ev 价带 (b) Eg Ev Ec Ef Eg Ec
Ef Ev
(a)
(c)
图3.1 (a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体
第3章 光源与光发送机
能量低的能带称为价带，能量高的能带称为 导带，导带底的能量Ec和价带顶的能量Ev之间的 能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能 占据禁带。
1 r1 th ln 2 L r2
第3章 光源与光发送机
γth 为实现稳定激光输出所必须的最小增益，称 为阈值增益系数;α为谐振腔内工作物质的损耗系数； L为谐振腔腔长；r1、r2为两个反射镜的反射率。 由于在谐振腔中，光波是在两块反射镜之间往
复传输的，这时只有在满足特定相位关系的光波才
第3章 光源与光发送机
在激光器工作过程中，光在谐振腔内传播，除了 增益介质的光放大作用外，还存在工作物质的吸收、
介质不均匀引起的散射、反射镜的非理想性引起的
透射及散射等损耗情况，所以也就只有光波在谐振
腔内往复一次的放大增益大于各种损耗引起的衰减，
激光器才能建立起稳定的激光输出，其阈值条 件 （临界条件）为
第3章 光源与光发送机
两种半导体光源 发光二极管（LED）：
输出非相关光，谱宽宽、入纤功率小、调 制速率低。
适用短距离低速系统 激光二极管(LD): 输出相干光，谱宽窄、入纤功率大、调制 速率高。 适用长距离高速系统
第3章 光源与光发送机
•第一节：半导体中的光发射 •第二节：发光二极管 •第三节 •第四节 半导体激光器的工作原理 半导体激光器的工作特性
c f 2nL
称为纵模间隔，它与谐振腔长及工作物质有关。
Ef Ev
(a)
(c)
图3.1 (a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体
第3章 光源与光发送机
能量低的能带称为价带，能量高的能带称为 导带，导带底的能量Ec和价带顶的能量Ev之间的 能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能 占据禁带。
1 r1 th ln 2 L r2
第3章 光源与光发送机
γth 为实现稳定激光输出所必须的最小增益，称 为阈值增益系数;α为谐振腔内工作物质的损耗系数； L为谐振腔腔长；r1、r2为两个反射镜的反射率。 由于在谐振腔中，光波是在两块反射镜之间往
复传输的，这时只有在满足特定相位关系的光波才
第3章 光源与光发送机
在激光器工作过程中，光在谐振腔内传播，除了 增益介质的光放大作用外，还存在工作物质的吸收、
介质不均匀引起的散射、反射镜的非理想性引起的
透射及散射等损耗情况，所以也就只有光波在谐振
腔内往复一次的放大增益大于各种损耗引起的衰减，
激光器才能建立起稳定的激光输出，其阈值条 件 （临界条件）为
第3章 光源与光发送机
两种半导体光源 发光二极管（LED）：
输出非相关光，谱宽宽、入纤功率小、调 制速率低。
适用短距离低速系统 激光二极管(LD): 输出相干光，谱宽窄、入纤功率大、调制 速率高。 适用长距离高速系统
第3章 光源与光发送机
•第一节：半导体中的光发射 •第二节：发光二极管 •第三节 •第四节 半导体激光器的工作原理 半导体激光器的工作特性
c f 2nL
称为纵模间隔，它与谐振腔长及工作物质有关。
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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已知半导体材料GaAs的Eg＝1.43eV， InGaAsP的Eg=0.96eV，分别求由这两种材 料组成的半导体激光器的发射波长。 可由
hf = ΔE
计算出对应的光频率，其中h为普郎克常量，然后 再将频率换算至对应的光波长。
目前光纤通信中为什么普遍采用双异质结结构的 条形半导体激光器作为光源？比较增益波导型和 折射率波导型两种条形激光器各有什么特点？ 异质结和同质结结构激光器在阈值电流密度上 存在较大差别，参见3.1.1。 增益波导型和折射率波导型激光器的区别参见 3.1.1。
全“0”码时平均输出光功率 EXT = 全“1”码时平均输出光功率
消光比不符合要求，也即在无输入的情况下也会 有残留光输出，对于接收机而言造成影响，降低 系统的性能。
在数字光纤通信系统中，选择线路码型时要考虑哪几个因 素 ？ …… 某 数 字 光 纤 通 信 系 统 中 ， 信 息 码 速 为 139.264Mbit/s ，若采用 5B6B 码其线路码速为多少？若采 用4B1H线路码速又为多少？
Ith2和η ex 2 时 输出光信号
I 输入电信号2 Iin2
I
输入电信号1
t
在光发送电路中为什么要设置自动温度控制 （ATC）电路？用ATC电路是控制LD的哪些因 素？试述ATC电路的工作原理。
分析： 此题知识点同 前题 ATC 的 工 作 原 理见光发送电 路部分，重点 仍是阈值电流 的变化。
光 功 率 P(mW)
t=20℃
t=50℃
注 入 电 流 I(mA)
在光纤通信系统中对LD驱动电路和偏置电路有什么要求？在LD驱 动电路中为什么一定要加偏置电流？偏置电流应加多大才合适？若 偏置电流加得过大或过小对LD的调制特性会产生什么影响？
对LD驱动电路和偏置电路的要求是 输出的光脉冲峰值保持恒定 光脉冲的通断比应＞＞10 激光发射的时间必须远短于码元时间 采用阻尼电路以避免张驰振荡 因为LD是阈值器件，只有外加驱动电流超过阈值后才 能发出激光，为使得较小的数据电流 ID亦可产生足够的光 输出，因此需要加偏置电流 IB ， IID才能满足阈值条件； 太大的 IB 会引起消光比性能下降，同时较高的电流也会产 生较大的热量，以及寿命的缩短。
线路码型的选取原则参见3.3.2。 除扰码外，字变换码和插入码都会提高线路 传输速率，本题中， 5B6B码型： 线路速率为139.264×6/5=167.1168Mbit/s 4B1H码型： 线路速率为139.264×(4+1)/4=174.08Mbit/s
目前在光纤通信系统中对光源的调制采用的PCM 脉码强度直接调制方式有什么特点？ 直接调制的特点参见3.2.1。
光发送机中输入接口的作用是什么？对驱 动电路有什么要求？
输入接口除了正常应该考虑信号幅度大小和阻抗外，特别 应注意信号脉冲码型，即将原始信息变换为适宜于在光纤中传 输的码型。 对驱动电路要求： 输出的光脉冲峰值必须保持恒定。 光脉冲的通断比（即消光比）应≥ 10 ，以免接收灵敏度受到 损害。 电流脉冲加上后，激光发射的时间必须远短于每位码元的时间 段。 如加上的电流脉冲有较高的码速，则输出的光脉冲有可能引起 弛张振荡，这就必须予以阻尼，防止它对系统性能发生不良影 响
为什么LD要工作在正向偏置状态？何谓激光器的 阈值电流？激光器的阈值电流与激光器的使用温 度、使用时间有什么关系？ LD 加正向偏置电压用以克服 PN 结中自建场 的影响，从而降低势垒，以形成粒子数反转分布。 激光器的阈值电流与温度和使用时间成正比 关系。
半导体激光器输出的光脉冲为什么会产生驰张振 荡和暂态过击现象？这两种现象有何危害？如何 消除这两种现象？ 详见光发送电路部分，重点理解注入电流信号 与阈值电子密度和光子密度之间的关系，以及由 此产生的驰张振荡和暂态过击现象。 解决方法是实现在光源电路中加入偏置电流， 其选取原则是略小于阈值电流。
某数字光纤通信系统，在实际使用中发现LD的输出光 功率慢慢下降，试分析其原因并提出解决办法。
参见3.3.1，从阈值电流与使用时间及温度的 关系可知，输出光功率下降的可能原因包括使用 时间长和温度升高引起的阈值电流增加。 采取的措施可以使用APC和ATC。
何谓LD输出光脉冲的消光比？消光比不合要求 时，将会对整个系统产生什么影响？ 通断比（也称消光比），指光源器件发出光 的“1”脉冲和“0”脉冲的比值，定义为
在光发送电路中为什么要设置自动功率控制 （APC）电路？用APC电路是控制LD的哪些因 素？试述APC电路的工作原理。
分析： APC工作 原理见光 发送电路 部分。重 点 理 解 APC电路 与阈值电 流之间的 关系。
P
η ex 2
η ex 1
Ith2 Ith1 0 Ib1 Ib2
Ith1和 η ex 1 时 输出光信号
本章习题解题指导
1. 概念部分主要给出对应的知识点，教学中可以 指导学生在相关章节中自己归纳； 2. 推导部分只给出主要过程和步骤； 3. 计算部分给出主要过程和结果。
比较半导体激光器和发光二极管的异同。半导 体激光器（LD）有哪些特性？半导体发光二 极管（LED）有那些特性？
LD和LED都可以用作通信光源。LD原理是受 激辐射，而LED是自发辐射。 LD 是阈值器件，需要较完善的驱动和外围电 路，其发出的光谱线窄，适宜于高速率系统； LED 没有阈值，结构简单，但其谱线较宽， 适用于要求较低的场合。