光源的调制和光发射机精选
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光源的调制——精选推荐
光源的调制 在光纤通信系统中怎样将电的信息（数字量或模拟量）“载”到光波上呢？这就要对光源进行所谓的调制。
对光源进行调制的方式有若干种，从光源与调制器之间关系来看，可分为以下两种，即 (1)光源的内调制 它是将调制信号直接作用在光源上，对光源进行调制，故又将这种调制方式称为直接调制。
(2)光源的外调制 它的特点是光源本身不被调制，但当光从光源射出以后在其传输的通道上被一只调制器调制。
这只调制器是利用物质的电光、声光、磁光等效应对光波进行调制的，故有所谓的电光调制器、声光调制器、磁光调制器等，这种调制方式又称为间接调制。
下面分别介绍光源的内调制和外调制。
一、光源的内调制 内调制又称直接调制，它可用于半导体激光器或半导体发光二极管这类光源。
由前面分析可知，半导体激光器的发光功率P与注入电流I之间关系如图3-18所示．而半导体发光二极管光功率与注入电流间有如图3-19所示的关系。
由图3-18和图3-19可见，在半导体激光器P-I曲线中，注入电流超过阈值电流It。
第4章光源和光发射机
多纵模 ( 多频 ) 激光器
❖ 谐振腔长度 L 比波长大很多 2Ln m
F-P腔内的纵模数量
m 2Ln
自由光谱区 FSR f c
2nL
相应的波长间隔
f
（
c
）
c
2
2
c
f
2
c
c 2nL
2
2nL
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
第4章 光源和光发射机
内容要求
4.1 概述 4.2 发光机理 4.3 半导体激光器 4.4 波长可调半导体激光器 4.5 垂直腔表面发射激光器 4.6 半导体激光器的特性 4.7 高速光发射机
光纤通信对光源的要求
❖ 光源发射的峰值波长，应在光纤低损耗窗口之内; ❖ 有足够高的、稳定的输出光功率，以满足系统对光中继段
❖ 近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是多信道WDM光纤通 信系统的关键器件，越来越受到人们的关注。
Stimulated Emission and Photon Amplification
❖ Laser= Light Amplification by Stimulated Emission or Radiation, ❖ 3 features of stimulated emission :
光纤
LD 电阻 芯片
+
A 热电致冷
❖ 安装在热电致冷器上的热敏电阻，其阻抗与温度有关，它构 成了电阻桥的一臂。热电致冷器采用珀尔帖效应产生致冷， 它的致冷效果与施加的电流成线性关系。
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
光纤通信系统-第三章光源与光发射机
根据能带能量的高低，有导带、禁带和价 带之分。
能量低的能带是价带，相对应于原子
最外层电子（价电子）所填充的能带，处 在价带的电子被原子束缚，不能参与导电。 价带中电子在外界能量作用下，可以克服 原子的束缚，被激发到能量更高的导带之 中去，成为自由电子，可以参与导电。处 在导带底Ec与价带顶Ev之间的能带不能为 电子所占据，称为禁带，其能带宽度称为 带隙Eg(Eg=Ec-Ev)。
有波长范围 线宽：某一纵模中功率等于大于最大功率一
半的所有波长范围 边模抑制比(SMSR)：主模功率与最强边模
功率之比 (Side Mode Suppression Ratio)
SMSR 10 lg(P主 / P边 )
半导体激光器的发光谱线较为复杂，会 随着工作条件的变化而发生变化。
当注入电流低于阈值电流时，激光器发 出的是荧光，光谱较宽；当电流增大到 阈值电流时，光谱突然变窄，强度增强， 出现激光；当注入电流进一步增大，主 模的增益增加，而边模的增益减小，振 荡模式减少，最后会出现单纵模。
第三章光源与光发射机
光发射机的作用： 将电信号转变成光信号，并有效的把
光信号送入传输光纤。
光发射机=光源+驱动电路+辅助电路
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。
受激辐射——高能级电子受到外来光子 作用，被迫跃迁到低能级，同时释放出 光子，且产生的新光子与外来激励光子 同频同方向，为相干光。
受激吸收——低能级电子在外来光子作 用下吸收光能量而跃迁到高能级。
图：能级和电子跃迁
能量低的能带是价带，相对应于原子
最外层电子（价电子）所填充的能带，处 在价带的电子被原子束缚，不能参与导电。 价带中电子在外界能量作用下，可以克服 原子的束缚，被激发到能量更高的导带之 中去，成为自由电子，可以参与导电。处 在导带底Ec与价带顶Ev之间的能带不能为 电子所占据，称为禁带，其能带宽度称为 带隙Eg(Eg=Ec-Ev)。
有波长范围 线宽：某一纵模中功率等于大于最大功率一
半的所有波长范围 边模抑制比(SMSR)：主模功率与最强边模
功率之比 (Side Mode Suppression Ratio)
SMSR 10 lg(P主 / P边 )
半导体激光器的发光谱线较为复杂，会 随着工作条件的变化而发生变化。
当注入电流低于阈值电流时，激光器发 出的是荧光，光谱较宽；当电流增大到 阈值电流时，光谱突然变窄，强度增强， 出现激光；当注入电流进一步增大，主 模的增益增加，而边模的增益减小，振 荡模式减少，最后会出现单纵模。
第三章光源与光发射机
光发射机的作用： 将电信号转变成光信号，并有效的把
光信号送入传输光纤。
光发射机=光源+驱动电路+辅助电路
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。
受激辐射——高能级电子受到外来光子 作用，被迫跃迁到低能级，同时释放出 光子，且产生的新光子与外来激励光子 同频同方向，为相干光。
受激吸收——低能级电子在外来光子作 用下吸收光能量而跃迁到高能级。
图：能级和电子跃迁
光源的调制和光发射机课件
光源的调制和光发射机课件
目录
• 光源的调制技术 • 光发射机的原理与结构 • 光发射机的关键技术 • 光发射机的应用和发展趋势 • 光发射机的实验与测试
01
光源的调制技术
直接调制
直接调制总结
通过控制电流或电压等外部参 数来改变光源的发光特性，实
现信号的传输。
直接调制原理
通过改变光源的驱动电流或电 压，使光源的发光波长、强度 等特性发生变化，从而携带信 息。
激光雷达
在激光雷达系统中，光发 射机用于产生调制激光束 ，对目标进行探测和定位 。
生物医疗
光发射机在生物医疗领域 的应用包括光学成像、激 光治疗和光学传感等。
光发射机的发展趋势
高速调制
智能化
随着通信技术的发展，光发射机正朝 着更高的调制速度发展，以满足大数 据传输的需求。
智能化光发射机能够实现自动调整和 优化，提高系统的稳定性和可靠性， 降低运维成本。
集成化
集成化是光发射机未来发展的重要趋 势，通过将多个功能模块集成在一个 芯片上，实现小型化、低成本和高可 靠性。
光发射机面临的挑战和解决方案
挑战
光发射机在高调制速度下可能面临信 号失真、热效应和噪声等问题。
解决方案
采用新材料、新工艺和优化电路设计 等技术手段，提高光发射机的性能和 可靠性。同时，加强产学研合作，推 动光发射机技术的创新发展。
号的波长和强度。
光源
光源是光发射机中的重要组成 部分，负责产生光信号。
耦合器
耦合器用于将光源发出的光信 号耦合到光纤中，实现光的传
输。
光发射机的主要参数
波长
光发射机的波长决定了其工作频带和传输容 量。
消光比
消光比是指光发射机输出光信号的强弱之比 ，是衡量光发射机性能的重要参数。
目录
• 光源的调制技术 • 光发射机的原理与结构 • 光发射机的关键技术 • 光发射机的应用和发展趋势 • 光发射机的实验与测试
01
光源的调制技术
直接调制
直接调制总结
通过控制电流或电压等外部参 数来改变光源的发光特性，实
现信号的传输。
直接调制原理
通过改变光源的驱动电流或电 压，使光源的发光波长、强度 等特性发生变化，从而携带信 息。
激光雷达
在激光雷达系统中，光发 射机用于产生调制激光束 ，对目标进行探测和定位 。
生物医疗
光发射机在生物医疗领域 的应用包括光学成像、激 光治疗和光学传感等。
光发射机的发展趋势
高速调制
智能化
随着通信技术的发展，光发射机正朝 着更高的调制速度发展，以满足大数 据传输的需求。
智能化光发射机能够实现自动调整和 优化，提高系统的稳定性和可靠性， 降低运维成本。
集成化
集成化是光发射机未来发展的重要趋 势，通过将多个功能模块集成在一个 芯片上，实现小型化、低成本和高可 靠性。
光发射机面临的挑战和解决方案
挑战
光发射机在高调制速度下可能面临信 号失真、热效应和噪声等问题。
解决方案
采用新材料、新工艺和优化电路设计 等技术手段，提高光发射机的性能和 可靠性。同时，加强产学研合作，推 动光发射机技术的创新发展。
号的波长和强度。
光源
光源是光发射机中的重要组成 部分，负责产生光信号。
耦合器
耦合器用于将光源发出的光信 号耦合到光纤中，实现光的传
输。
光发射机的主要参数
波长
光发射机的波长决定了其工作频带和传输容 量。
消光比
消光比是指光发射机输出光信号的强弱之比 ，是衡量光发射机性能的重要参数。
第4章光源和光发射机-电子通信专业
体系不存在统一的费米能
级，但费米能级分布对导
带和价带各自仍然适用---
导带费米能级，价带费米
能级，即准费米能级。
fc
(E2
)
1
exp
1 E2 E
kBT
fc
fv
(E1)
1
exp
1 E1 E fv
kBT
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
1. 半导体导电性
无论本征半导体,还是掺杂的N型,P型半导体,在外加 电场下均可导电,导电性介于导体和绝缘体之间.
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
4. 同质结和异质结
P区和N区为同一半导体物质的形成的PN结,为同质结 P区和N区为不同半导体物质的形成的PN结,为异质结
n-GaAs p-GaAs
n-GaAs p-GaAs p+-GaAlAs
p+-GaAs
n+-GaAs n-GaAlAs p-GaAs p+-GaAlAs
0
1 2
P0 a 2
sin 2
max
耦合效率： couple PFiber / PLED (NA)2
4.1 光源
4.1.3 发光二极管(LED)
6.内量子效率(internal quantum efficiency)与光功率
在众多的电子-空穴对复合中,仅有部分产生辐射。
内量子效率为产生辐射的复合对数目与总的复合对数目之比.
4.1 光源
4.1.3 发光二极管(LED)
（LED：light-emitting diode）
4.1 光源
4.1.3 发光二极管(LED)
1.发光原理: 加正向偏压的PN结中电子-空穴复合发光. 属
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 。
光纤通信原理课件-第3章 光源与光发射机
光纤通信
13
第三章 光源与光发射机
受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比 例系数(吸收和辐射的概率)相等。
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。
电子在能级的概率
f
(E)
1
1 eE
/
kT
k 1.381023 J / K 玻尔兹曼常数
原子的能级
E3
E
E2
E f
E1
2024年5月10日8时39分
光纤通信
8
第三章 光源与光发射机
三、光与物质的作用形式
爱因斯坦指出
自发辐射
光与物质的转变存在三种不同的形式： 受激吸收
受激辐射
1、自发辐射
处于高能级的电子是不稳定的， 它将自发的向 低能级跃迁，发射出一定能量的光子。
四、 LD和LED的比较
工作波长 输出功率 入纤损耗 谱线宽度 调制带宽 寿命 用途
LD
1.31um,1.55um 5~10mw 3~5dB <2nm 1GHz 10万小时 长距离大容量
LED
0.8~1.6um <1mw 15~20dB 100nm 300MHz 100万小时 短距离
2024年5月10日8时39分
对于重掺杂P 型半导体，费米能级位于价带内——简并 型P 型半导体；
导带 E f
导带
导带
Ef
价带
价带 E f
价带
本征半导体
2024年5月10日8时40分
N型半导体
光源的调制
光源的调制光发射机的构成光发送机由输入接口、光源、驱动电路、监控电路、控制电路等构成，其核心是光源及驱动电路。
在数字通信中，输入电路将输入的信号（如PCM脉冲）进行整形，变换成适于线路传送的码型后通过驱动电路光源，或者送到光调制器调制光源输出的连续光波。
为了稳定输出的平均光功率和工作温度，通常要设置一个自动的温度控制及功率控制电路。
光源的调制我们都知道，信息的处理都是在电的领域内完成的，在光纤通信中，我们必须把电信号转变成光信号，这样才能在光纤上传播。
在光纤通信系统中，信息由LED或LD发出的光波所携带，光波就是载波，把信息加载到光波上的过程就是调制。
光调制器就是实现从电信号到光信号的转换的器件。
调制方式通常分为两大类，即模拟调制和数字调制。
模拟调制又有两类，一类是用模拟基带信号直接对光源进行强度调制（D－IM）；另一采用连续或脉冲的射频（RF）波作为副载波，模拟基带信号先对它的幅度、频率或相位等进行调制，再用该受调制的副载波去强度调制光源。
模拟调制的优点是设备简单，占有带宽较窄，但它的抗干扰性能差，中继时噪声累积。
数字调制是光纤通信的主要调制方式，将模拟信号抽样量化后，以二进制数字信号“1”或“0”对光载波进行通断调制，并进行脉冲编码（PCM）。
数字调制的优点是抗干扰能力强，中继时噪声及色散的影响不积累，因此可实现长距离传输，它的缺点是需要较宽的频带，设备也复杂。
按调制方式与光源的关系来分，有直接调制和外调制两种。
前者指直接用电调制信号来控制半导体光源的振荡参数（光强、频率等），得到光频的调幅波或调频波，这种调制又称内调制；后者是让光源输出的幅度与频率等恒定的光载波通过光调制器，光信号通过调制器实现对光载波的幅度、频率及相位等进行调制，光源直接调制的优点是简单，但调制速率受到载流子寿命及高速率下的性能退化的限制（如频率啁啾等）。
外调制方式需要调制器，结构复杂，但可获得优良的调制性能，尤其适合于高速率下运用。
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一、对光发射机的要求
1、有合适的输出光功率 光发射机的输出光功率，通常是指耦合进光纤的功率，
亦称入纤功率。入纤功率越大，可通信的距离就越长，但太 大也会使系统工作于非线性状态，对通信产生不良影响，甚 至烧坏光接机的PIN管，这要根据实际情况进行设计，同时 要求光功率稳定度在5～10%。
10
第四章 光源的调制和光发射机
7
第四章 光源的调制和光发射机
张驰振荡和电光延迟的后果是限制调制速率，当最高调制 频率接近张驰振荡频率时(f调max＝fr)，波形失真严重，会使接 收在抽样判决时增加误码率，因此，实际使用的最高调制频率 应低于张驰振荡频率。
电光延迟要产生码型效应：当电光延迟时间 td 与数字调制 的码元持续时间 T / 2 为相同数量级时，会使“0”码过后的第一 个“1”码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个“1” 码丢失，这种现象称“码型效应”如图4.5所示。
响应波形如图4.4所示：
输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟
时间，称光电延迟时间td，其数量级一般为ns。
当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度逐
渐衰减的振荡，称为张驰振荡，其频率
fr (?
?r) 2?
一般为
0.5～2GHz。这些特性与激光器有源区的电子自发复合 寿命和谐振腔内光子寿命以及注入电流初始偏差量有关。
由图可见，这了使已调制的光波信号的 非线性失真小，应适当选择直流偏置注入电 流的大小。
2
第四章 光源的调制和光发射机
数字信号的直接调制 LD和LED直接光强数字调制原理如图4.2所示：
It：阈值电流 IB：偏置电流 ID：注入调制电流
由图可见，当LD激光器的驱动电流I大于阈值It电流时，输出 光功率P和驱动电流I基本上是线性关系，输出光功率正比于输 入电流，所以输出光信号反映输入电信号。
这种调制方式又称为“内调制”。 直接调制常用的三种方法 ①模拟强度调制（AIM）这种方式与基带传输相 似。 ②脉冲位置调制（PPM）这种方式适应光源和 检测管的特性，实际仍属于模拟调制。 ③数字调制，如PCM－IM，这是常用方式。
模拟信号的直接调制 这种调制方法就是直接让LED的注入电
流跟随反映语音或图像等模拟量变化，从而 使LED管的输出光功率跟随模拟信号变化(如 图4.1)。
一类是直接调制：即直接在光源上进行调制，直接调制 半导体激光器的注入电流；
另一类是间接调制：即不直接调制光源，而是在光源输 出的通路上外加调制来对光波进行调制，这种调制器可通过 电/光效应或声/光效应等，利用晶体传输特性随电压变化来实 现对光波的调制。
1
第四章 光源的调制和光发射机
一、光源的直接调制
第四章 光源的调制和光发射机
第四章 光源的调制和光发射机
数字光发射机的功能是把电端机输出的数字基带电信号 转换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路。电/光转换 是用承载信息的数字电信号对光源进行调制来实现的。
§4-1光源的调制
在目前技术成熟并在实际中广泛使用的强度调制――直 接检波(IM-DD，) 光纤通信系统中，主要有两种调制方式。
用适当的“过调制”补偿方法，如图4.5（C）所示，可以 消除型效应。
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第四章 光源的调制和光发射机
2、自脉动现象
某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动 下，当注入电流达到某个范围时，输出光 脉冲出现持续等幅的调频振荡，这种现象 称自脉动现象（如图4.6所示）。频率可 达2GHZ，严重影响LD的高速调制特性。
自脉动现象是激光器内部不均匀增益 或不均匀吸收产生的，往往和LD的P－I 曲线的非线性有关，自脉动发生的区域和 P－I曲线扭折区域相对应，因此，选择激 光器时应特别注意。
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第四章 光源的调制和光发射机
§4-2 光发射机
在光纤通信中，光发射机的作用是把从电端机送来的 电信号转变成光信号，送入光纤路进行传输。
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第四章 光源的调制和光发射机
三、光源的调制特性
半导体激光器是光纤通信的理想光源，但在高速脉
冲调制下，其瞬态特性仍会出现许多复杂现象。如常见
的电光延迟，张驰振荡和自脉动现象。这种特性严重限
制系统传输速率和通信质量，在电路的设计时，要给予
充分考虑。
1、电光延迟和张驰振荡现象
半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光脉冲瞬态
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第四章 光源的调制和光发射机
2、声/光调制器 声/光调制器是利用介质的声光效应制成。 所谓声光效应，是由于声波在介质中传播时，介质受声
波压强作用而产生应变，这种应变使得介质的折射率发生变 化，从而影响光波传输特性，这就是声光效应。
将钛（Ti）扩散到铌酸锂（Li Nb O2）基底材料上，用光 刻法制出波导的具体尺寸，可构成光波导调制器，它具有体 积小，重量轻，有利于光集成等特点。 具有代表性的光波导调制器包括： 1°光波相位调制器 2°行波方向耦合型光波导调制器 3°干涉型光波导调制器 4°衍射型光波导调制器
2、有较好的消比Ext
定义： Ext＝
全“0”码时的平均光功率P0 全“1”码进的平均光功率P1
对已调制的光源，希望在“0”码时，没有光功率输出，
否则它将使系统产生噪声，从而使接收机灵敏度下降， 一般要求Ext≤10%。 3、调制特性好 即要求调制效率和调制频率要高，以满足大容量、高
采用间接调制可克服上述缺点，尤其在调制速率上， 至少可提高一个数量级。
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第四章 光源的调制和光发射机
下面简单介绍常用的二种间接调制器。 1、电/光调制器
电－光调制器的基本工作原理是晶体 的线性电光效应，电光效应是指：电场 引起晶体折射率变化的现象。能够产生 电光效应的晶体称为电光晶体。
如令Δｎ为电光晶体折射率由外加电 场 引E 起的变化，它可随 成E 线性变化， 也可随 E成平方变化（非线性）。在调制 器中，主要利用电光晶体 Δｎ的线性变化 项，称帕克耳效应。（Pockel's effect ）。
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第四章 光源的调制和光发射机
二、光源的间接调制 如图4.3所示，它是根据某些“电/光”或“声/光”晶
体的光波传输特性随电压或声压等外界因素的变化而变化 的物理现象而提出的一种调制方式。
对光源的直接调制，具有简单方便等优点，但这种大，从而限制了通信容量和传输速率。
1、有合适的输出光功率 光发射机的输出光功率，通常是指耦合进光纤的功率，
亦称入纤功率。入纤功率越大，可通信的距离就越长，但太 大也会使系统工作于非线性状态，对通信产生不良影响，甚 至烧坏光接机的PIN管，这要根据实际情况进行设计，同时 要求光功率稳定度在5～10%。
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第四章 光源的调制和光发射机
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第四章 光源的调制和光发射机
张驰振荡和电光延迟的后果是限制调制速率，当最高调制 频率接近张驰振荡频率时(f调max＝fr)，波形失真严重，会使接 收在抽样判决时增加误码率，因此，实际使用的最高调制频率 应低于张驰振荡频率。
电光延迟要产生码型效应：当电光延迟时间 td 与数字调制 的码元持续时间 T / 2 为相同数量级时，会使“0”码过后的第一 个“1”码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个“1” 码丢失，这种现象称“码型效应”如图4.5所示。
响应波形如图4.4所示：
输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟
时间，称光电延迟时间td，其数量级一般为ns。
当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度逐
渐衰减的振荡，称为张驰振荡，其频率
fr (?
?r) 2?
一般为
0.5～2GHz。这些特性与激光器有源区的电子自发复合 寿命和谐振腔内光子寿命以及注入电流初始偏差量有关。
由图可见，这了使已调制的光波信号的 非线性失真小，应适当选择直流偏置注入电 流的大小。
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第四章 光源的调制和光发射机
数字信号的直接调制 LD和LED直接光强数字调制原理如图4.2所示：
It：阈值电流 IB：偏置电流 ID：注入调制电流
由图可见，当LD激光器的驱动电流I大于阈值It电流时，输出 光功率P和驱动电流I基本上是线性关系，输出光功率正比于输 入电流，所以输出光信号反映输入电信号。
这种调制方式又称为“内调制”。 直接调制常用的三种方法 ①模拟强度调制（AIM）这种方式与基带传输相 似。 ②脉冲位置调制（PPM）这种方式适应光源和 检测管的特性，实际仍属于模拟调制。 ③数字调制，如PCM－IM，这是常用方式。
模拟信号的直接调制 这种调制方法就是直接让LED的注入电
流跟随反映语音或图像等模拟量变化，从而 使LED管的输出光功率跟随模拟信号变化(如 图4.1)。
一类是直接调制：即直接在光源上进行调制，直接调制 半导体激光器的注入电流；
另一类是间接调制：即不直接调制光源，而是在光源输 出的通路上外加调制来对光波进行调制，这种调制器可通过 电/光效应或声/光效应等，利用晶体传输特性随电压变化来实 现对光波的调制。
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第四章 光源的调制和光发射机
一、光源的直接调制
第四章 光源的调制和光发射机
第四章 光源的调制和光发射机
数字光发射机的功能是把电端机输出的数字基带电信号 转换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路。电/光转换 是用承载信息的数字电信号对光源进行调制来实现的。
§4-1光源的调制
在目前技术成熟并在实际中广泛使用的强度调制――直 接检波(IM-DD，) 光纤通信系统中，主要有两种调制方式。
用适当的“过调制”补偿方法，如图4.5（C）所示，可以 消除型效应。
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2、自脉动现象
某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动 下，当注入电流达到某个范围时，输出光 脉冲出现持续等幅的调频振荡，这种现象 称自脉动现象（如图4.6所示）。频率可 达2GHZ，严重影响LD的高速调制特性。
自脉动现象是激光器内部不均匀增益 或不均匀吸收产生的，往往和LD的P－I 曲线的非线性有关，自脉动发生的区域和 P－I曲线扭折区域相对应，因此，选择激 光器时应特别注意。
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§4-2 光发射机
在光纤通信中，光发射机的作用是把从电端机送来的 电信号转变成光信号，送入光纤路进行传输。
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三、光源的调制特性
半导体激光器是光纤通信的理想光源，但在高速脉
冲调制下，其瞬态特性仍会出现许多复杂现象。如常见
的电光延迟，张驰振荡和自脉动现象。这种特性严重限
制系统传输速率和通信质量，在电路的设计时，要给予
充分考虑。
1、电光延迟和张驰振荡现象
半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光脉冲瞬态
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2、声/光调制器 声/光调制器是利用介质的声光效应制成。 所谓声光效应，是由于声波在介质中传播时，介质受声
波压强作用而产生应变，这种应变使得介质的折射率发生变 化，从而影响光波传输特性，这就是声光效应。
将钛（Ti）扩散到铌酸锂（Li Nb O2）基底材料上，用光 刻法制出波导的具体尺寸，可构成光波导调制器，它具有体 积小，重量轻，有利于光集成等特点。 具有代表性的光波导调制器包括： 1°光波相位调制器 2°行波方向耦合型光波导调制器 3°干涉型光波导调制器 4°衍射型光波导调制器
2、有较好的消比Ext
定义： Ext＝
全“0”码时的平均光功率P0 全“1”码进的平均光功率P1
对已调制的光源，希望在“0”码时，没有光功率输出，
否则它将使系统产生噪声，从而使接收机灵敏度下降， 一般要求Ext≤10%。 3、调制特性好 即要求调制效率和调制频率要高，以满足大容量、高
采用间接调制可克服上述缺点，尤其在调制速率上， 至少可提高一个数量级。
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第四章 光源的调制和光发射机
下面简单介绍常用的二种间接调制器。 1、电/光调制器
电－光调制器的基本工作原理是晶体 的线性电光效应，电光效应是指：电场 引起晶体折射率变化的现象。能够产生 电光效应的晶体称为电光晶体。
如令Δｎ为电光晶体折射率由外加电 场 引E 起的变化，它可随 成E 线性变化， 也可随 E成平方变化（非线性）。在调制 器中，主要利用电光晶体 Δｎ的线性变化 项，称帕克耳效应。（Pockel's effect ）。
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第四章 光源的调制和光发射机
二、光源的间接调制 如图4.3所示，它是根据某些“电/光”或“声/光”晶
体的光波传输特性随电压或声压等外界因素的变化而变化 的物理现象而提出的一种调制方式。
对光源的直接调制，具有简单方便等优点，但这种大，从而限制了通信容量和传输速率。