第三章 光源和光发送机
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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。
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。
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
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
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。
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 功 率 P(mW)
t=20℃
t=50℃
注 入 电 流 I(mA)
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Biblioteka Baidu 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。
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 ， IB 的选取原则是略小于 Ith 。 太小的IB需要较大的ID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。
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？
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
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。
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。
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
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
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。
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 功 率 P(mW)
t=20℃
t=50℃
注 入 电 流 I(mA)
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Biblioteka Baidu 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。
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 ， IB 的选取原则是略小于 Ith 。 太小的IB需要较大的ID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。
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？
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