Fiber光发射机

P148 6.10 6.11 6.12
习题6 6.1 简述提高LED速度的几项措施。 6.2 要实现半导体F-P型LD激射工作，必须满 足的四个基本条件是什么？
6.3 试比较LED和LD两种光纤通信光源的优缺 点。
6.4 某光发射机激光器的直流发光强度 I0=15mW，经强度调制（IM）后平均光强度I =12mW； 计算该系统的调制效率为多少？
Δfm=（πRC）-1
RC是等效负载的时间常数
3、最高调制频率f max
I为外加某调制信号时的调制 光波光强度，I0为没有调 制信号时的光波强度，Im 为外加最大调制信号时的
光波强度。
4、对激光器的保护
激光器是光发射机的主要器件， 为了使激光器发出足够大的光功率， 就必须加大驱动电流，由于发光效 率的问题，必定会使激光器的温升 提高，结温过高必然会降低激光器 的稳定性和可靠性，所以激光器是 易损器件。为了提高激光器寿命， 减少损坏，必须对激光器采取一定 的保护措施。
------正弦波代替 对光源进行调制：对LED进行模拟调制，调制
负载线， P-I曲线。 调制原理：连续变化的模拟信号电流叠加在直
流偏置电流I0上。 注意事项：适当选择直流偏置电流I0的大小，
可以减小光信号的非线性失真 模拟调制电路：是电流放大电路，最简单的模
拟调制电路图。
（1）LED直接调制
数字调制(LED无阈值 P-I曲线)
❖ 直接耦合（η低）； ❖ 微透镜聚焦耦合（η高）
二、耦合效率η的分析
❖ 1、直接耦合
以面发光LED为例
光强I是朗伯分布：
I(θ)=I0COSθ
❖ θ =00
I=I0
❖ θ =900 I=0
P126
η=PF/PS = =sin2 αmax=(NA)2
❖ NA=0.1—0.3(0.2) η=4%
2、提高耦合效率η的方法
请同学们按座位要求就座
教学回顾
3、接收：
光电检测器件：类型、特
❖ 光纤通信系统的三大组成部分？(发点、、光传电、检收测)器件的工
1、发送：
作特性参数。 信号的处理：信号放大、
载波：光源的类型及特点？
信号的再生与恢复
信息加载：调制器
2、传输：
传输光纤：类型、传输模式、特性参数（衰减、色 散）、传输光纤的三个低损耗窗口？
(2)调制电流幅度Im 的选择: P129
▪ Im 的选择
▪ 应根据激光器的 p-I曲线，既要有足 够的输出光脉冲的 幅度，又要考虑到 光源的负担。
▪ 如果激光器在某些 区域有自脉动现象 发生，那么Im的选 择，应避开自脉动 发生的区域。
（3）LD的调制特性 P129-130
LD直接调制方法电路简 （3）小信号频率响应
1）恒温保护：可采用半导体制冷措施等恒温技术， 保证激光二极管正常工作在250C左右
2）光源慢启动保护：
在光发射机电路中，
一般是许多工作单元
电路与激光器公用一 组电源，为了防止刚
图4-32 激光器的慢启动保护电路
接通电源时的瞬态冲
击电流损坏激光器，
通常设有慢启动保护 电路。
3）过流保护
为了防止激光器光源在工作 时受到过大的电流而损坏， 图4-33 激光器的过流保护电路 光源驱动电路都设有过流 保护电路，如图4-33所示。 正常工作时三极管TR截止， 对激光器LD无影响，一旦 LD中的电流过大，取样电 阻R上的取样电压增加， 使三极管导通，对LD形成 分流，从而保护了激光二 极管LD。
是把要传送的信息转 变为信号电流注入LD或 LED，从而获得相应的 已调光信号。
只适合LD或LED
间接（外）调制： 利用晶体的电光效应、
磁光效应、声光效应等 来实现对激光辐射的调 制。
既适应于半导体激 光器，也适应于其他类 型的激光器。
根据电信号的形式分：
模拟调制、数字调制
1、光源的直接调制
调制信号：模拟信号、数字信号。 光源：LED、LD 调制方法：将待发送的电信号（数字信号）经过复用、编码
冲，I0和I0+ Im 的值相差 不大，从而可以减小码
型效应和PN结发热效应
的影响。通常
I0+ Im 的值=（1.2-1.3）Ith
典型实例
❖ 美国亚特兰大的 44.7Mb／s光发射机激 光器的直流偏置I0在 90mA左右，其阈值电 流Ith =100mA；
❖ 北京邮电大学的140Mb ／s光发射机，激光器 的直流偏置逼近阈值； 高速数字光纤通信系统 中，激光器偏置在阈值 之上， I0 =118mA， Ith =108mA(减少电光延 迟)。
参数选择
（1） LD偏置电流I0选择
③偏置电流太高，会使消光
选择直流工作点偏置电流
比恶化。
I0时应考虑以下几方面： ①加大直流偏置I0可以
消光比:EXT=10lg(P1/P0)(dB) P132
减小电光延迟时间。
④要适当地选取偏置电流I0
②当偏置I0在阈值附近时，
较小的调制脉冲电流就
能得到足够的输出光脉
4.10 半导体激光器发射光子的能量近似等于材料的 禁带宽度，已知GaAs材料的禁带宽度Eg=1.43eV，某 InGaAsP材料的禁带宽度Eg=0.96eV，分别求它们的发 射波长 。
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§4.3.1 光端机概述
一、光端机结构类型
光发射机 -----光信号发送
光接收机 -----光信号接收
光收、发一体机 ----中继器
二、光发射机概述 P132 1、对光发射机的性能要求 光源特性： 波长λ、线宽Δλ1/2、P-I特性、寿命 调制特性： 调制类型（内、外调制）；P-I曲线的
线性度； 偏置电流I0的选择 输出特性： 进纤功率 要求0.01-10mW； 稳定性5%--10% ； 消光比EXT =（全0平均光功率）/（全0平均光功
6.8 温度引起波长变化是0.5nm／ 0C ，计算波长 1μm的光其温度引起频率的变化是多少GHz/℃？
4.9 LD的RIN=-135dB/Hz,接收机的带宽为1.5GHz, 接收到的平均光功率为25μW，计算接收机收到LD的噪 声功率。若探测器的灵敏度为0.5μA/μW，计算LD的平 均噪声电流？
才发光
4、大信号调制产生频率啁啾
偏置合适可减少电光延迟 td （2）张弛振荡
当 I0≥ It Im »I0- It 时，图62-6
注入电子与产生光子的作用， 量子力学过程
2、光源的间接（外）调制 （P131）
（1）结构图
间接（外）调制 技术不仅适合于半导 体激光器，也适合于 其他类型的激光器。 间接调制技术有电光 调制、磁光调制和声 光调制等。其中最常 用的是电光调制技术。
4）反向冲击电流保护
为了避免激光器光源在工作时受
到反向冲击电流和反向冲击电 压的破坏，通常在LD上并联一 只肖特基二极管。肖特基二极 管的PN结电容比较小，反向恢 复时间较短，不影响光源的工 作速度。图4-34 激光器的反向 冲击保护电路中的D1就是起反 向冲击电流保护的元件，当反
向冲击电流或反向冲击电压出 现时，肖特基二极管D1迅速导 通，形成泄放电路，从而保护 了激光器光源。
也是光电器件和光电
生超短光脉冲和光孤
子集成器件的理想材
子的好办法。
料，
半导体光调制器----解决 了半导体激光器与光 调制器的单片集成问 题，使制作成本大幅 度降低。
三.光调制器主要参数
1、调制(深度)效率η 2、调ຫໍສະໝຸດ Baidu带宽Δfm
调制效率也称调制深度η，定义为： 调制带宽定义为：
η=|I-I0|/I0 × 100% 或η=|I-I0|/ Im × 100%
要实现光纤通 信，必须解决待传
收端，光接收机鉴别 出光信号的变化规律， 再重现出原来要传输
输的信号怎样加载 到光源的发射光束 上，即需要将待传
的信息，这个过程称 为光信号的解调。
调制和解调是光 纤通信系统的重要内
输的信号对光载波 容。
进行调制。
二、调制方法
根据调制信号与光源 的关系，信号对光载波 的调制方式目前有两种 基本形式，直接调制和 间接(外)调制。 直接调制：
微透镜聚焦耦合： P127 在光源与光纤之间放
置（等效）一聚焦微透 镜
a、球头结构 b、截头结 构 c、集成透镜
❖ 微透镜结构合理内涵：
NA足够大:收集辐射光 聚焦匹配：激光器--光纤
模式
端面处理：消除反射
今日作业
6.1 某光发射机激光器 的直流发光强度 I0=15mW，经强度调 制（IM）后平均光强 度I =12mW； 计算该 系统的调制效率为多 少？
单，设备价格低，原理简单， 当 I0≥ It Im «I0- It 时，偏置
技术成熟，所以被广范使用， 电流增加，调制带宽增加;
注意几点：P129
输出功率增加，调制带宽增
（1）电光延迟 td 电脉冲到来后，载流子浓度达
到一定阈值后（0.5-2.5ns）
加。
偏置电流增加的缺点？（负担、 消光比）图6-2-5
（2）常用的光调制器
LiNbO3光调制器 P131 原理：以Mach-Zehnder干涉
仪(MZI)为基础的行波器件，
优点：采用了行波电极，可 获得很高的工作速度；
调制器性能的波长依赖 性很小。但这类调制器要 求具有较高的驱动电压。
• 等效电路和光路
半导体光调制器
半导体----电子器件材料， • 半导体光调制器---产
光(源)发射机的功率尽 量耦合到光纤中，光源的光 功率本身就很弱（mW）,提 高耦合效率η 。
• 示意图
一、耦合效率η
1、定义： η=PF/PS × 100% PF：进入光纤的功率 PS：光源的功率(E LD)
2、几种光源与光纤的耦合情况
光源
LED LD
1% 30% --50%
单模 光纤
多模
3、耦合方法
数字信号： 话音、视频等的
PCM编码
------0、1
对光源进行调制：对LED进行数 字调制，调制负载线， P-I曲 线。
调制原理：数字信号电流开关。 （偏置电流I0可以为0）。
数字调制电路：是电流开关电路。
（2）LD直接调制
数字激光LD发射机与LED相比，LD的调制 问题要复杂得多，尤其在高速率调制系统中， 驱动条件的选择、调制电路的形式和工艺、激 光器的控制等都对调制性能影响很大。
图4-34 激光器的反向冲击保护电路
5）焊接、人体静电保护
激光器组件焊接时，要用带地线烙铁， 将烙铁烧热后，将电源断开再进行焊接， 焊接时间不要超过10s，操作时要带防静电 腕带。为了防止静电损伤激光器，应将人 体静电放掉后再拿取激光器，如有条件最 好在防静电工作台上进行工作。
§4.3.3光源与光纤的耦合 P126
❖ 电路结构
❖ 均衡：信号调整、改 善波形；
❖ 码型变换：
信源码（HDB3、 CMI、三值码、RZ） 变换成NRZ（处理 方便、抗干扰）满足 技术要求；
❖ 加扰：破坏长“0”长 “1”
❖ 时钟：收发的依据
❖ 编码：业务需要、改 善性能
§4.3.2光源的调制
一、调制概述
❖ 调制后的光波通 过光纤信道传输到接
等处理后，直接控制光源的驱动电路（发光强度I），使 发光强度I随调制信号幅度的变化规律而变化。是一种光 强度调制IM(Intensity Modulation)。 特点：
电路简单、经济、易实现，是在光纤通信系统中最常 采用的调制方法。
（1）LED直接调制
模拟调制(LED无阈值 P-I曲线) 模拟信号： 话音、视频等信号
率） ≤0.1
2、光发射机的组成：
❖ 电信号输入设备+光源+调制器
❖ 光发射机外形
1331光发射机
三、调制器类型：
1、直接调制光发射机： P133
电信号输入
光源及保护---信号直接驱动 光源功率
2、间接（外）调制光发射机： 电信号输入-----调制器 光源及保护-----调制器
3、信号输入电路 p133
传输光缆：类型、结构、用途。
§4.3 光发射机
内容提要
❖ §4.3.1光端机概述P132--133 ❖ 光端机的类型、光发射机性能要求、光发射机
组成组成； ❖ §4.3.2光源的调制 ❖ 调制器的种类、信号的调制 P128-P132
§4.3.3光源与光纤的耦合P126--128 耦合效率η及分析、提高耦合效率η的方 法
6.5 给LED加1.8V电压，有150mA的电流流过 LED，可产生6mW的光功率，其电光转换效率是 多少？
6.6 1300nm波长的LED，当驱动电流为50mA 时，产生2mW的输出光功率，计算注入电荷产生 光子的效率。
6.7 LD发射波长为1.31μm，光纤的零色散波长为 1.3μm，其谱宽为1.5nm，假设温度对LD发射波长的影 响为0.5nm/ 0C，材料色散为主，计算温度每增加100C， 引起3dB光带宽下降了多少？