光发射机与光接收机
光端机与光纤收发器的区别
杭州飞畅科技有限公司光端机是目前常用的信号收发设备，很多人会将其与传统的光纤收发器搞混，但其中还有有很大的区别，下面给大家分析一下。
光端机分为发射机和接收机，发射机是将电信号转化为光信号，接收机是将传输的光信号转化为电信号，传输至下一级设备。
光纤收发器是一种将短距离的双绞线电信号和长距离的光信号进行互换的以太网传输媒体转换单元。
光端机与光纤收发器的相同之处都是要进行光电转换，不同之处在于光纤收发器仅进行光电转化，不改变编码，不对数据进行处理，主要应用于银行、教育等组网中。
光端机处理光电转换工作以外，还要对数据信号进行处理，主要应用于安防监控、远程教育、视频会议等对视频传输要求适时性比较高的领域。
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(7)DWDM光发射和接收器件
1 DWDM光源
半导体激光器波长变化的主要原因是在输出 功率和芯片温度一定的条件下，随着工作电 流上升有源层附近的温度上升引起的。
工作电流上升24%时，波长变化达到0.1nm
DWDM光源的寿命点 一般通信用光源寿命点为50%。
Super Continuum 光源
超连续光源 迄今为止DWDM使用最成熟的光源仍是不同
But substantial sales are also expected in the near future from its WaveProcessor products(interleaver serires), also used in DWDM systems, says the S-1. Targeted customers are networking system and subsystem vendors, and the company is focusing on optical amplifier and dense wavelength-division multiplexing (DWDM) system integrators.
复用/解复用器在增加信道数量中起着关键作
用的话，
那么光源与光接收器件在提高单路速率中发
挥着核心作用。
二者的结合使目前的大容量、宽带技术的发 展如虎添翼！
1 DWDM光源
光源的稳定性决定了DWDM光源的可靠性。 DWDM光源要求稳定工作10—20年，以波长
间隔为100GHz（1.6nm)为例，允许波长间 隔变化范围低于0.1nm（12GHz）。 光源常用的是半导体激光器。
全光纤MZI型光数字复用器
目前进展： 200GHz（1.6um）和100GHz（0.8um）波
实验二 光发射机与光接收机实验
实验二光发射机与光接收机实验学号：XXX 姓名：XXX一、实验目的1.了解光源的调制的原理2.学习光发送模块的电路原理3.了解光接收机的组成4.了解光收端机灵敏度的指标要求二、实验内容1.介绍光源的调制方法2.介绍光发射电路的框图3.了解光接收机的组成三、实验仪器1.光纤通信实验系统1 台2.示波器1台3.光纤跳线1根4.万用表5.光功率计四、实验原理1、光发射机、光调制。
根据调制与光源的关系，光调制可以分为直接调制和间接调制两大类。
直接调制方法仅适用于半导体光源（LD和LED），这种方法是把要传送的信息转变为电信号注入LD或LED，从而获得相应的光信号，所以是采用电源调制方法。
直接调制后的光波电场振幅的平方与调制信号成一定比例关系，是一种光强度调制（IM）的方法。
间接调制是利用晶体的光电效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射的调制，这种调制方式既适应于其他类型的激光器。
间接调制最常用的外调制的方法，即在激光形成以后加载调制信号。
对某些类型的激光器，间接调制也可以采用内调制的方法，即在激光器的谐振腔内放置调制元件，用调制信号控制调制元件的物理性质，将改变谐振腔的参数，从而改变激光输出特芯以实现其调制。
光源的调制方法及所利用的物理效应如下表所示。
光源的各种调制方法本实验系统采用的是直接调制的方法。
2、模拟信号调制与数字信号调制模拟信号调制是直接用连续的模拟信号（如话音、电视等信号）对光源进行调制从而使LED 或LD的输出光功率跟随模拟信号变化，如下图所示：由于光源，尤其是激光器的非线性比较严重，所以目前模拟光纤通信系统仅仅用于对线性要求较低的地方，要实现大容量的频分复用还比较困难，仅自一些小系统中使用。
对一些容量较大、通信距离较长的系统，多采用对半导体激光器进行数字调制的方式。
数字调制主要是用数字信号的“1”和“0”来控制激光的“有”和“无”，如下图所示：与LED 相比，LD 的调制问题要复杂得多。
机载光电通信原理
机载光电通信原理
机载光电通信是一种利用光学和电子技术进行通信的方法，它可以在无线电波无法到达或者受到干扰的地方进行通信。
以下是机载光电通信的基本原理：
1. 光源：机载光电通信系统首先需要有一个光源，这个光源可以是激光器、LED 灯等。
光源的主要作用是产生光信号。
2. 光发射机：光发射机的作用是将电信号转换为光信号，然后通过光纤或者自由空间传输。
3. 光接收机：光接收机的作用是将接收到的光信号转换为电信号，然后进行进一步的处理。
4. 光纤或者自由空间传输：光纤和自由空间是光信号的传输介质。
在光纤中，光信号沿着光纤进行传输，可以避免外界的干扰。
在自由空间中，光信号通过空气进行传输，可以覆盖更远的距离。
5. 光接收机：光接收机的作用是将接收到的光信号转换为电信号，然后进行进一步的处理。
6. 电信号处理：电信号处理包括放大、调制、解调等，其主要目的是将电信号进行处理，以便于进一步的传播或者接收。
7. 接收端电信号处理：接收端的电信号处理主要包括解调、放大等，其主要目的是将接收到的电信号进行处理，以便于进一步的电信号处理或者使用。
以上就是机载光电通信的基本原理，通过这些原理，我们可以理解机载光电通信的工作过程，从而更好地利用机载光电通信进行通信。
浅析光纤通信技术的原理及发展趋势
DCWIndustry Observation产业观察173数字通信世界2024.03随着通信技术的飞速发展，我国于1992年开通第一个光纤通信系统，正式步入超远距离传输、超高效率传播的光纤通信时代。
近年来，光纤通信成为现代信息技术的主要方式之一[1]。
光纤通信技术主要是指光导纤维通信技术。
利用光导纤维的低损耗、大容量、远中继、易耦合等特性，实现了对光波信号的加载与传输。
1 光纤通信技术原理1.1 光纤概述光纤，就是光导纤维，又叫作介质圆波导，它的典型结构为多层同轴圆柱体[2]，主要由折射率较高的纤芯与折射率较低的包层组成，最外面还有一层起到保护作用的涂覆层。
即由外而内依次为涂覆层、包层、纤芯。
光导纤维由高纯二氧化硅制成，也就是我们常说的石英玻璃。
并且在纤芯内部添加诸如磷、锗、氟化物等物质，以此提高纤芯内部折射率。
同时在包层中掺入少量氧化硼，以此降低发生在包层中的折射率，最终使得发生在纤芯中的折射率na 大于发生在包层中的折射率nb ，从而达到发生全反射的效果。
1.2 光发射机工作原理光纤通信技术解决了将电信号加载到光源上的问题。
光发射机作为光端机的一种，大多数采用直接调制的方法。
它的作用是将电端机送来的电信号调制成相应的光信号送入光纤中传输。
目前我国的光发射端机的性能要求为入纤光功率要为0.01～10 mW ，稳定性为5%～10%，消光比一般小于0.1。
其中，消光比的定义如下：光发射机一般由电路模块、驱动模块、温控模块、监测模块、保护控制模块五部分组成。
具体如图1所示。
电信号进入电路模块，经过译码、扰码、编码等过程，电信号被变成适合在光纤线路中传输的线路码型，最终经过一系列处理将电信号转变为光信号在光纤中传输。
其中，温控模块用来调整温度；监测模块用来检测光信号；保护控制模块用来调控与反馈信号。
浅析光纤通信技术的原理及发展趋势项秋实，王 淼，谢东辰，周泽鑫（江苏师范大学，江苏 徐州 221116）摘要：文章重点分析了光纤通信技术的基本原理，在此基础上给出了光纤通信系统的工作原理图，以期探究光纤通信技术的优化方案，并对其今后的发展趋势做出预测，为现代光纤通信的发展提供理论性参考。
第六章 光端机(发射和接收)讲解
6 光接收机的组成部件，除了光电二极 管外，都是标准的电子元器件，采用标 准集成电路 (IC) 工艺技术，很容易集成 在同一芯片上，做成集成光接收机。 在高比特工作时，这种集成光接收机 具有很多优点。 90 年代末用 Si 和 GaAs 集 成电路工艺已制成带宽超过2GHz的集成 光接收机，现在带宽超过 10GHz 的集成 光接收机也已用于光波实验系统。
第六章：光端机
6.1光源与光纤的耦合 6.2光调制 6.3光发射机 6.4光接收机 6.5光接收机噪声分析 6.6光接收机的误码率和接收灵敏度 6.7光中继器
6.1光源与光纤的耦合
从光源发射出来的光功率尽可能多地 送入光纤中传输，这就是光源与光纤的 耦合问题。 衡量光源与光纤耦合的质量可以用耦合 效率η，它定义为 η=PF/PS (6-1-1) 式中： PF—耦合进入光纤的光功率 PS—光源发射的功率。
4
数据恢复
数据恢复电路由判决电路和时钟恢复电 路组成，如果需要与电端机接口，还需 要解码、解扰和编码电路 判决电路和时钟恢复电路的任务是把线 性通道输出的升余弦波形恢复成数字信 号。
5
辅助电路
光接收机除上面介绍的若干部分外，还 有一些辅助电路， (1)钳位电路。 (2)温度补偿电路。 (3)告警电路。
2
噪声的评价方法 噪声是一种随机性的起伏量，是电 信号中不需要的成分，它干扰实际系统 中信号的传输和处理，影响和限制了系 统的性能。 (1) (2)信噪比(SNR) SNR=平均信号功率/噪声功率
3
6.6光接收机的误码率和接收灵敏度
光接收机的误码率和灵敏度是描述 光接收机准确检测光信号能力的性能指 标。
光纤通信发展历程及原理简介
第二阶段：借助文字传递信息阶段。文字与印刷术发明后， 信息可以通过书籍、书信、报纸、杂志等方式呈现。文字促进了 邮政业的发展，中国早在商代就有驿传的通信方式，通过飞鸽、 快马等方式传递书信、情报；现代逐步演变成邮政系统。这种通 信模式信息保持时间更长久，传递信息更加准确，传递距离更加 远，但传递速度慢、信息单一。
图 1 光纤通信系统的构成框图
1、光发射机
光发射机是实现电 / 光转换的光端机。发端：首先由电发射 机发出电信号，送给光发射机，光发射机完成电 / 光转换。 光发射机的关键部件是光源，光源的主要功能是完成电 / 光 的转换。目前光纤通信中常用的光源有：半导体激光二极管 （LD）和 半导体发光二级管（LED）。由光发射机发出光信 号以后送入光纤或者光缆进行传输。
世界各国国家级学术单位院士、会士、著名大学 博士等荣誉称号
美国国家工程院院士，英国皇家工程科学院院士， 瑞典皇家工程科学院外籍院士……
2009年诺贝尔物理学奖
国内光纤通信发展现状
1963年 开始光通信的研究
1974年 研究光纤通信
“六五”、“七五”、“八五”铺设“八纵八横”光纤线路总长 约七万公里
复进行全反射，并在光纤中传递下去。
光纤加上涂覆层并按 一光的性 质
波动性、粒子 性
①反射、折射、 全反射
② 干涉、衍射、 光疏媒质
偏振
光密媒质
fc
③ 光的吸收、
色散、散射
光纤的种类
（1）工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤、 红外光纤。
（2）折射率分布：阶跃（SI）型光纤、近阶跃型光 纤、渐变（GI）型光纤、其它（如三角型、W型、凹 陷型等）。
1987年至1996年香港中文大学校长，同年当选中国 科学院外籍院士
光发射机与光接收机
主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。
26
光纤通信原理与设备
4.4数字接收机的组成及技术指标
3．均衡器 均衡器的作用是对已畸变(失真)和有码间干扰的电信号进
行均衡补偿，减小误码率。
4. 时钟提取电路：用来恢复采样所需的时钟
钳位：钳位是以一定的电压或电流幅度为参考值，对输入 的电信号进行整形，即大于参考值的所有幅度归于一个幅度值， 小于参考值的幅度归于另一个幅度值。波形图如下。
光纤通信原理与设备
光端机的组成及工作原理； 光端机的性能指标； 光纤通信系统基本构成； PDH、SDH两种传输体制；
1
光纤通信原理与设备
掌握发射机和接收机的框图和工作原理 掌握发射机和接收机的性能指标 掌握光纤通信系统基本构成； 理解PDH、SDH两种传输体制。
2
光纤通信原理与设备
4.1 光发射机原理 4.2 线路编码 4.3光发射机的主要技术指标 4.4数字接收机的组成及技术指标 4.5光-电-光中继器的原理 4.6PDH 传输体制及长途光缆系统的构成
（2）双相码 双相码又称分相码。也是一种1B2B码。其变换规则是原码 的“0”码用“01”码代替，原码的“1”码用“10”代替。
16
光纤通信原理与设备
4.2 光线路编码
（3）DMI码 DMI码又称不同模式反转码，它是一种1B2B码。其变换规
则是原码的“1”码用“00”或“11”交替代替。原码的“0” 码，若前二个码为“01”，“11”时用“01”代替，前二个码 为“10”，“00”时用“10”代替。
光发射机和光接收机工作原理
光发射机和光接收机工作原理光发射机和光接收机是光通信系统中的重要组成部分，它们通过光信号的发送和接收实现了光通信的功能。
下面我将从工作原理的角度来详细解释光发射机和光接收机的工作原理。
首先，让我们来看看光发射机的工作原理。
光发射机通常由激光二极管或者激光器组成。
当电流通过激光二极管或激光器时，它们会产生光子。
这些光子被激发到一个能量级别，然后被释放出来，形成了光信号。
这个光信号经过光纤或者空气传输到远端的光接收机。
接下来，让我们来看看光接收机的工作原理。
光接收机通常由光探测器组成，光探测器可以是光电二极管或者光电探测器。
当光信号到达光接收机时，光信号被光探测器接收，然后被转换成电信号。
这个电信号经过放大和处理后，就可以被解码成原始的数据信号。
总的来说，光发射机的工作原理是将电信号转换成光信号，而光接收机的工作原理是将光信号转换成电信号。
这样就实现了光通信系统中的信号发送和接收功能。
这种光通信系统具有传输速度快、抗干扰能力强等优点，因此在现代通信系统中得到了广泛的应用。
除此之外，光发射机和光接收机的工作原理还涉及到光学器件的选择、电路设计、信号处理等方面的知识。
例如，光发射机需要考虑激光二极管或激光器的工作参数选择，光接收机则需要考虑光探测器的灵敏度和带宽等参数。
同时，光通信系统中的光纤传输、光信号调制解调等技术也是光发射机和光接收机工作原理的重要组成部分。
综上所述，光发射机和光接收机是光通信系统中的重要组成部分，它们通过光信号的发送和接收实现了光通信的功能。
光发射机将电信号转换成光信号，而光接收机将光信号转换成电信号，从而实现了光通信系统中的信号发送和接收功能。
希望这个回答能够全面地解释了光发射机和光接收机的工作原理。
光纤通信第4章
I1
I0 t＝ 0 t＝T
电 流 脉冲
光脉冲
图 4.11 结发热效应
2. 自动温度控制
温度控制的必要性:半导体光源的输出特性受温度影响很大， 特别是长波长半导体激光器对温度更加敏感。为保证输出特性 的稳定，对激光器进行温度控制是十分必要的.
缺点： 动态范围小，功耗较大。
LD
Ib
V1
V2
Uin
Io
电流 源
－UE
图 4.7 射极耦合LD驱动电路图
改进后的LD驱动电路：
改进原因：由于温度变化和工作时间加长，LD的输出光功率 会发生变化。为保证输出光功率的稳定， 必须改进电路设计。
工作原理：
PLD→UPD→(UPD+U in+UR)→UA1→Ib→PLD
PD
LD
－＋A1
Uin
V1
V2
信号参考
－A ＋
2
－U 直流参考
图 4.9 APC电路原理
Ib
－＋A3
V3
－U
4.1.4温度特性和自动温度控制
1. 激光器的温度特性 回顾：激光器的温度特性： 1，激光器输出光功率随温度而变化有两个原因： （1）激光器的阈值电流Ith随温度升高而增大。 （2）外微分量子效率ηd随温度升高而减小。 直接导致后果：输出光脉冲幅度下降。
＋U
LD Ib
PD 检测 器
输出 监测
Uin
V1
UB1 V3
V2
UA1
A1
－ ＋
光发射机、接收机指标测试
实验一 光发射机指标测试一、实验内容：1.测试数字光发端机的平均光功率2.测试数字光发端机的消光比3.绘制数字光发端机的P-I 特性曲线二、实验目的：1.了解数字光发端机平均输出光功率的指标要求2.掌握数字光发端机平均输出光功率的测试方法3.了解数字光发端机的消光比的指标要求4.掌握数字光发端机的消光比的测试方法三、实验仪器：LTE-GX-02E 型光纤通信实验系统、示波器、光功率计、万用表、FC-FC 光跳线。
四、实验原理：光发射机的指标包括：半导体光源的P-I 特性曲线、消光比（EXT ）和平均光功率。
1.半导激光器的P-I 特性曲线测试半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系如下图所示，该特性有一个转折点，相应的驱动电流称为门限电流(或称阈值电流)，用Ith 表示。
当输入电流小于Ith 时，其输出光为非相干的荧光，类似于LED 发出光，当电流大于Ith 时 ，则输出光为激光，且输入电流和输出光功率成线性关系，该实验就是对该线性关系进行测量，以验证P-I 的线性关系．图 1 半导体激光器P-I 曲线示意图2．消光比（EXT ）的测试光比定义为： ，式中00P 是光发射机输入全“0”时输出的平均光功率即无输入信号时的输出光功率。
是光发射机输入全“1”时输出的平均光功率。
当输入信号为“0”时，光源的输出光功率为00P ,它将由直流偏置电流b I 来确定。
无信号时光源输出的光功率对接收机来说是一种噪声，将降低光接收机的灵敏度。
因此，从接收机角度考虑，希望消光比越小越好。
但是，应该指出，当b I 减小时，光源的输出功率将降低，光源的谱线宽度增加，同时，还会对光源的其他特性产生不良影响，因此，必须全面考虑b I 的影响，一般取b I =～Ith (Ith 为激光器的阈值电流)。
3．平均光功率光发送机的平均输出光功率被定义为当发送机送伪随机序列时，发送端输出的光功率值。
001110lgP EXT P 11P bI五、实验步骤：实验步骤参见《光纤通信综合实验系统》。
WDM系统结构与设备(光纤通信课件)
同一WDM系统内1:n保护是指在同一WDM系统内，有n 个波长通道作为工作波长，1个波长通路作为保护系统。但是 考虑到实际系统中，光纤、光缆的可靠性比设备的可靠性要 差，只对系统保护，而不对线路保护，实际意义不是太大。
三、 WDM组网与网络保护
2 光复用段保护
两个OTM背靠背组成的OADM信号流向图
二、 WDM系统设备
（四）电中继器
电中继器无 业务上/下， 只是为了延 伸传输距离。
电中继器（REG）的信号流向图
三、 WDM组网与网络保护
（一）WDM组网
WDM系统最基本的组网方式为点到点组网、链形组网和环形组网，如图所示。
WDM的基本组网示意图
三、 WDM组网与网络保护
（二）WDM网络保护
点到点线路保护的方式
一种是基于单个波长、在SDH层实施的1＋1 或1:n的保护；
一种是基于光复用段上保护，在光路上同时 对合路信号进行保护，这种保护也称光复用段保 护（OMSP）。
还有基于环网的保护。
三、 WDM组网与网络保护
1 基于单个波长的保护
基于单个波长， 在SDH层实施的1+1保护
二、 WDM系统设备
（三）光分插复用器
用于分插本地业务通道， 其他业务通道穿通。 静态OADM（32/2）信号 流向如图所示。
静态OADM（32/2）信号流向图
二、 WDM系统设备
用两个OTM背靠背 的方式也可组成一个 可上/下波长的 OADM，这种方式较 之用一块单板进行波 长上/下的静态 OADM要灵活，可任 意上/下1到16或32个 波长，更易于组网。
二、 WDM系统设备
WDM设备按用途可分为光终端复用器（OTM）、光线路放大器 （OLA）、光分插复用器（OADM）和电中继器（REG）几种类型。
光电检测技术
如何选择最佳负载：作光电池伏安特性曲线，过Voc和Isc作特性曲线的切线，他们相交与PQ点，连接PQ点和原点O的直线即为最佳负载线。次直线与特性曲线交与PM，最大输出功率PM等于矩形O IM PM VM面积，此时流过负载RM上的电流为IM RM上的压降为VM
1、光电检测基本模型：光发射机（光源、光学系统）---光学信道（大气、光纤、水）---光接收机
2、光电检测技术优缺点：缺点：外界干扰光影响大，使用温度有限 优点：非接触式测量，响应速度快，检测范围宽，应用广。
3、光电效应：当光照射到物体上使物体发射电子，或导电率发生改变，或产生电动势等，这种因光照而引起物体电学性质的改变统称为光电效应。
4、外光电效应：物质受到光照后向外发射电子的现象称为外光电效应。
4.1、本征吸收：半导体材料吸收光电原因，在于光与处于各种状态的电子、晶格原子和杂质原子的相互作用。其中最主要的光吸收是由于光子的作用使电子由价带跃迁到导带而引起的，称为本征吸收；
14.5、PMT 的引起暗电流Id的因素：1）光电阴极和第一倍增极的热电子发射。2）极间漏电流，由于光电倍增管各级绝缘强度不够或极间灰尘放电引起漏电流。3）离子和光电反馈作用；4）场致放射；5）放射性同位素和宇宙射线的影响；
14.6、减少暗电流ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ方法：1）主要是选好PMT的极间电压。2）在阳极回路中加上与暗电流相反的直流成分来补偿；3）在倍增管输出电路中加一选频或锁相放大滤波暗电流;4）利用冷却法减少热电子发射；
工作原理：？？？
29、光电检测电路由光电器件、输入电路、和前置放大器
30、将光电信号转换成0，1数字量的过程称为光电信号的二值化处理。
光发射机与光接收机
高速调制技术
01
02
03
外调制技术
利用外部调制器对光信号 进行调制，实现高速率、 高效率的光信号传输。
直接调制技术
通过直接改变光源的驱动 电流或电压来实现光信号 的调制，具有简单、易实 现的优点。
先进调制格式
采用高阶调制格式如 QAM、OFDM等，提高 光信号的频谱效率和传输 性能。
灵敏度提升技术
移动通信
在5G和未来的6G移动通信网络 中，光发射机和光接收机可用于 实现高速、大容量的数据传输，
提升网络性能。
数据中心互联
随着云计算、大数据等技术的快 速发展，数据中心之间需要大容 量、低时延的数据传输，光发射 机和光接收机是实现这一目标的
关键技术之一。
广播电视领域应用
有线电视网络
光发射机和光接收机可用于有线 电视网络中的信号传输和接收， 提供高清、稳定的电视信号。
光接收机的灵敏度、动态范围等性能对接收到的 光信号进行准确解调至关重要。
光发射机与光接收机需相互匹配，以确保信号在 传输过程中的稳定性和可靠性。
性能指标对比
光发射机主要性能指标
输出光功率、消光比、光谱宽度、波 长稳定性等。
光接收机主要性能指标
灵敏度、动态范围、误码率、接收带 宽等。
04
关键技术与挑战
工作过程
光信号接收
光电转换
信号放大与处理
时钟提取与数据再 生
输出电信号
光接收机首先接收来自 光纤的光信号。
光信号经过光电转换器 件转换为电流信号。
电流信号经过前置放大 器和主放大器进行放大 ，以提高信号的幅度和 信噪比。同时，可能还 需要进行波形整形、均 衡等处理，以优化信号 质量。
从经过处理的信号中提 取时钟信息，并用于数 据再生，以确保数据的 准确性和可靠性。
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Eg=Ec-Ev 在热平衡状态下，价带能级上的电子总数目NV远多于导带能级上的电子总数 目NC，即NVNC。
半导体材料电子能级示意图
（2）半导体材料中电子能态的变化
① 自发辐射
发出的光子彼此不相干（即传播方向、相位和偏振不同），称为非相干 光。 ② 受激辐射
发出的光子彼此相干（即其传播方向、频率、相位、偏振都与外来光子 相同），称为相干光。激光二极管输出的就是这种相干光。 ③ 受激吸收
电子总数NC 远大于价带上的电子总数NV ，这称为粒
子数反转状态。
（3）PN结的能带和电子分布
在热平衡状态下，能量为E的能级被一个电子占据的概率遵循
费米（Fermi）分布，即
P(E)
1
1exp[(EEf)/kBT]
在通常室温下，本征半导体、N型半导体和P型半导体都是大 多数电子占据低能级位置，没有形成粒子数反转分布，不能对光产 生放大作用。
小。
InGaAsP/InP双异质结LD，发光波长为1.31μm或1.55μm，损耗
异质结LD结构示意图
半导体光源的发光机理
半导体发光器件是通过电子在能级之间的跃迁而发光的。 在构成半导体晶体的原子内部各个电子都占有所规定的能级。
如果让占据较高能级Ei的电子跃迁到较低能级Ej上，就会 以光的形式放出等于能级差的能量，这时能级差Eg和光的振荡 频率f之间的关系为
Eg=hf
(10.1)
式中，h为普朗克常数(h=6.626×10-34 J·s)。
半导体发光器件由适当的P型材料和N型材料所构成，两种材 料的交界区形成P-N结，如果在P-N结上加上正向电压，则N型区 的电子及P型区的空穴源源不断地流向P- N 结区。在那里电子与 空穴自发地复合，复合时电子从高能级的导带跃迁至低能级价带 而产生与跃迁所释放的能量相等的光子。
10.1.2
在光纤通信系统中，光源的基本功能是将电流形式的电能 转变为光能，并将发出的光有效地耦合到光纤中。 光源是光纤 通信的核心器件，其种类和性能的好坏在很大程度上决定了系 统的类型和性能。 光源的种类及特性见表10.1。
表10.1 光源的种类及特性
能满足上述基本要求的光源是半导体光源。
最常用的光源
半导体激光器(LD)
中、长距离
大容量(高码速)系统
半导体发光二极管(LED)。
短距离、低容量系统
模拟系统。
10.1.1 激光二极管（LD）
1．基本结构
激光二极管的基本结构框图
2．LD的工作原理
（1）半导体材料的能级结构 半导体材料中的电子处于分立能级上，高能级称为导带，低能级称为价
在外来入射光的作用下，处在低能级上的电子可以吸收入射光子的能量 而跃迁到高能级上 。
在热平衡状态下，半导体材料中同时存在以上三
种物理过程，其中自发辐射的概率远大于受激辐射的概
率，并且受激辐射的概率与导带上的电子总数NC成正 比，受激吸收的概率与价带上的电子总数NV成正比。
所以，若要受激辐射占有主导地位，就必须使导带上的
在这种情况下， 各个光子在时间上及方向上都不相同，这种 光称为自发光, 该发光器件叫做发光管。 其发光机理如图 10.1 所示。
图 10.1 发光机理示意图 (a) 光的自发发射； (b) 光的受激发射
另一种光称为激光，是利用谐振腔产生振荡的原理而获得 的。在P-N结的两端加工出两个平行光洁的反射镜面。此镜面 垂直于P-N结的平面，和它的长度方向形成一个谐振腔。当施 加正向电压于P-N结时，P-N结内首先发出自发光，其中部分光 子沿着与反射面垂直的方向前进，这一部分光子受反射镜面的 反射，在谐振腔内来回反射。 同时，激光腔内的电子与空穴复 合，即激发电子从导带跃迁至价带而产生新的光子。 部分新产 生的光子也同样在谐振腔内来回反射。只要外加的电压和电流 足够大，那么光子的来回反射将激发更多的光子，产生正反馈 作用，使受激发光大为加强，遂产生激光。反射镜面是半透明 的，既可使部分光子反射回腔内，也可让部分光子辐射出去。 这种发光器件叫做激光器。
3．LD的类型结构 （1）同质结LD
由同一种半导体材料经不同掺杂构成单层PN结，称为同质结 LD。
例如：砷化镓（GaAs）同质结LD。
同的半导体材料经掺杂构成单层PN结或多层PN结。前者称为单异质 结LD，后者称为多异质结LD。
例如：GaAlAs/GaAs单异质结LD，发光波长为0.85μm。
第10章 光发射机与光接收机
10.1 光源 10.2 光发射机 10.3 光电检测器 10.4 光接收机 10.5 光电集成器件与电路
10.1 光源 光源的作用——把要传输的电信号转换成光信号发射去。 一、对光源的基本要求 (1)发射的光功率应足够大，而且稳定度要高 (2)调制方法简单 (3)光源发光峰值波长应与光纤低损耗窗口相匹配 (4)光源与光纤之间应有较高的耦合效率 (5)光源发光谱线宽度要窄，即单色性要好 (6)可靠性要高，必须保证系统能24h连续运转 (7)光源应该是低功率驱动[低电压、低电流)，而且电光转 换效率要高
（4）电激励 其作用是使半导体PN结产生一个增益区，使其中的导带电子数远大于价
带电子数，形成粒子数反转状态，成为光放大的媒质。 （5）光学谐振腔
前、后镜面之间夹有处于粒子数反转状态的PN结半导体材料，构成了光 学谐振腔。
其作用是使轴向（垂直于镜面方向）运动的光子在腔内来回多次反射形 成光振荡，并激励已处于粒子数反转的半导体材料，不断地产生受激辐射， 使放出的光子数目雪崩式地增加。
光子能量E和波长λ之间的变换关系如下：
E(eV)1.2398m
(10.2)
例如, 砷化镓半导体的带隙为1.36 eV，则砷化镓发光二极 管的辐射波长λ=1.2398/1.36=0.91μm。该波长处于近红外区， 在掺入铝后可改变波长。因此, 短波长光源采用GaAlAs, 而长 波长光源用InGaAsP。目前，光纤通信使用的光源，短波长的 有GaAlAs激光器(LD)和GaAlAs发光二极管(LED)；长波长的 有InGaAsP激光器(LD)和InGaAsP发光二极管(LED)。