光源的调制和光发射机
合集下载
3.5.光源调制及6.光发送机结构(输入电路)
激光产生的物理基础 半导体激光器工作原理 发光二极管工作原理 光源器件性能参数 光源调制 光发送机结构
光发送机
光发送机由输入接口，光线路码型变换和光发送机 等组成。光接收机由光接收、定时再生、光线路码型反 变换和输出接口等组成。光端机中的辅助电路由公务、 监控、告警、输入分配、倒换、区间通信等组成。此外， 不论是光发送机、光接收机还是辅助电路，都必须有电 源转换，将通信机房中的直流电源转换为光端机所需的 电源。
光源的直接调制原理
直接调制会引入频率啁啾，即光脉冲的载频随时间 变化。由于带啁啾的光脉冲在光纤中传输时会加剧色散 展宽，因此对于传输速率达到10Gbit/s及以上系统需要 考虑采用间接调制，此外相干光通信系统也需要采用间 接调制。
直接调制方法适用于半导体激光器和发光二极管。 这是因为发光二极管和激光器的输出光功率（对激光器 来说，是指阈值以上的线性部分）基本上与注入电流成 正比，而且电流的变化转换为光频调制也是线性调制， 所以可以通过注入电流来实现光强度调制。
激光产生的物理基础 半导体激光器工作原理 发光二极管工作原理 光源器件性能参数 光源调制 光发送机结构
光源调制
要实现光纤通信，首先要解决如何将光信号加 载到光源的发射光束上，即需要进行光调制。经调 制后的光波经过光纤送至接收端，进行光解调，还 原出原来的信号。
光源的调制方式
直接调制
调制后光信号 光源
码为一组的线路码流。根据插入码的规律，
可以分为mB1C码，mB1H码和mB1P码。
线路编码对线路传输速率的改变
对扰码二进制
线路速率不变
对字变换码，如mBnB 实际线路速率＝标称速率×(n/m)
对插入码，如mB1H 实际线路速率＝标称速率×[(m+1)/m]
第三章 光源和光发送机剖析
式中，f为光波的频率，c为光速。 只有那些有增益且增益大于损耗的模式才能在激光的输 出光谱中存在。若只剩下一个模称为单纵模激光器，否 则称为多纵模激光器。相邻两纵模之间的频率之差 c f 2nL
c f m 2nL
几个纳米
f c/2n L:10 0 ～2 00 GHz (a)
f (b)
图3.10 MLM和SLM的光谱 (a) MLM的光谱； (b) SLM的光谱
局域网是基于发光二极管的发送器的最主要的 应用领域。 制作成本低廉，产量高
一. LED:工作的原理
1、LD输出激光的必要条件
粒子数反转分布（激活物质）
光学谐振腔(光反馈)
激光振荡的阈值条件
光学谐振腔
光学谐振腔——由两个反射率分别为R1和R2的平 行反射镜构成。腔内物质具备粒子数反转分布， 可用其产生的自发辐射光作入射光，经反射镜反 射沿轴线方向传播的光被放大，沿非轴线方向传 播的光被减弱，反射光经反射镜多次反射不断被 放大，方向性不断改善，使增益大幅度提高。
Ith=I0 exp ( T ) T0 阈值电流对温度的变化非常敏感,长波长更敏感.ηd随 温度变化不十分敏感. 例如， GaAlAsGaAs激光器在 77 K时ηd≈50%，在300 K时，ηd≈30%。
P / mW
4 3 2 1 0
70 ℃
80℃
不激 射 50 1 00
22℃ 30℃ 40℃ 50℃ 60℃
本章内容提要
3.1 半导体光源 3.2 光源调制 3.3 光发射机
3.1 半导体光源 3.1.1 半导体光源基础知识
半导体能带 光与物质相互作用的三种基本方式
粒子数反转分布
PN结
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。
第4章-光源和光发射机
24
4．激光器的参量
（2 激活物质的放大作用用增益系数G来 G表示光通过单位长度的激活物质之
25
4．激光器的参量
激活物质的 放大作用
26
4．激光器的参量
（3 将激光器能产生激光振荡的最低限度称为激
阈值条件为 Gt
Gt i 21llnr11r2
激光器的阈值条件只决定于光学谐振腔的固
半导体的能带分布。 ④ P-N结外加正偏压后的能带分布以及
激光的产生。
35
1．LD的结构和工作原理 本征半导体的能带分布
36
1．LD的结构和工作原理 N型半导体和P型半导体重掺杂能带图
37
1．LD的结构和工作原理 P-N结空间电荷区
38
1．LD的结构和工作原理
④ P-N结外加正偏压后的能带分布以及 激光的产生。
在研究光与物质的相互作用时，爱因 斯坦指出，这里存在着三种不同的基 本过程，即自发辐射、受激吸收以的相互作用
（1）自发辐射 发射光子的频率
f E2 E1 h
自发辐射的特点如下：
① 这个过程是在没有外界作用的条件下自发产生的， 是自发跃迁。
② 辐射光子的频率亦不同，频率范围很宽。
4.1 与激光器有关的概念
光源是光纤通信系统中光发射机的重 要组成部件，其主要作用是将电信号 转换为光信号送入光纤。
目前用于光纤通信的光源包括半导体 激光器（Laser Diode，LD）和半导 体发光二极管（Light Emitting Diode，LED
1
4.1 与激光器有关的概念
1．光子的概念 2．费米能级 3．光和物质的相互作用
解决这一问题的方法就是扰码，即在发送端加入一 个扰码电路，而在接收端则要加一个与扰码相反的 解扰电路，以恢经过扰码后的数字信号通过调制电 路对光源进行调制，让光源发出的光信号强度跟随 信号码流的变化，形成相应的光脉冲送入光纤。复 信号码流原来的状态。
4．激光器的参量
（2 激活物质的放大作用用增益系数G来 G表示光通过单位长度的激活物质之
25
4．激光器的参量
激活物质的 放大作用
26
4．激光器的参量
（3 将激光器能产生激光振荡的最低限度称为激
阈值条件为 Gt
Gt i 21llnr11r2
激光器的阈值条件只决定于光学谐振腔的固
半导体的能带分布。 ④ P-N结外加正偏压后的能带分布以及
激光的产生。
35
1．LD的结构和工作原理 本征半导体的能带分布
36
1．LD的结构和工作原理 N型半导体和P型半导体重掺杂能带图
37
1．LD的结构和工作原理 P-N结空间电荷区
38
1．LD的结构和工作原理
④ P-N结外加正偏压后的能带分布以及 激光的产生。
在研究光与物质的相互作用时，爱因 斯坦指出，这里存在着三种不同的基 本过程，即自发辐射、受激吸收以的相互作用
（1）自发辐射 发射光子的频率
f E2 E1 h
自发辐射的特点如下：
① 这个过程是在没有外界作用的条件下自发产生的， 是自发跃迁。
② 辐射光子的频率亦不同，频率范围很宽。
4.1 与激光器有关的概念
光源是光纤通信系统中光发射机的重 要组成部件，其主要作用是将电信号 转换为光信号送入光纤。
目前用于光纤通信的光源包括半导体 激光器（Laser Diode，LD）和半导 体发光二极管（Light Emitting Diode，LED
1
4.1 与激光器有关的概念
1．光子的概念 2．费米能级 3．光和物质的相互作用
解决这一问题的方法就是扰码，即在发送端加入一 个扰码电路，而在接收端则要加一个与扰码相反的 解扰电路，以恢经过扰码后的数字信号通过调制电 路对光源进行调制，让光源发出的光信号强度跟随 信号码流的变化，形成相应的光脉冲送入光纤。复 信号码流原来的状态。
光通信技术基础 光源与光调制
（2）谐振腔的损耗小，如增大反射率，阈值就低。
（3）与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结
低得多。室温下同质结的阈值电流密度大于30000A/cm2；单
异质结约为8000A/cm2；双异质结约为1600A/cm2；量子阱约
为150~200A/cm2;量子点约为 25~65A/cm2.
（4）温度愈高，阈值越高。100K以上，阈值随T的三次
• 激光器纵模的概念 • 激光器的纵模反映激光器的光谱性质。对于半导体激光器，当注入电
流低于阈值时，发射光谱是导带和价带的自发发射谱，谱线较宽；只 有当激光器的注入电流大于阈值后，谐振腔里的增益才大于损耗，自 发发射谱线中满足驻波条件的光频率才能在谐振腔里振荡并建立起场 强，这个场强使粒子数反转分布的能级间产生受激辐射，而其他频率 的光却受到抑制，使激光器的输出光谱呈现出以一个或几个模式振荡， 这种振荡称之为激光器的纵模。 • 在众多的纵模中，只有那些频率落在增益介质的增益曲线范围内， 且增益大于损耗的那些腔模才能在LD的输出中存在。在纵向，光波 以驻波形式振荡。相邻纵模的频率间隔为
主要技术参数和术语：
电学参数：阈值电流、最大工作电流、电压降、串联电阻、 拐点
光谱特性：线宽、波长（中心波长、峰值波长）、边模抑 制比、纵模、横模
光学参数：相对强度噪声、效率（功率、斜率、外量子、 外量子微分效率）
动态特性（调制间畸变）：啁啾、张驰震荡、码型效应、 结发热效应、自脉动现象、多光丝
调制特性：消光比、上升/下降时间、开通时间、调制带宽 其 他：监视光电流、制冷电流/电压、热敏电阻
(2)中心波长
在光源的发射光谱中，连接50％最大幅度值线段的中点所对 应的波长称为中心波长
(3)谱宽与线宽 包含所有振荡模式在内的发射谱总的宽度称为激光器的谱宽； 某一单独模式的宽度称为线宽。常见的表示方法是FWHM和 20dB带宽。
lat现代通信技术之3光源和光发射机
19
二、常用半导体激光器
半导体激光器的分类：
按照构成半导体PN结材料的搭配及对载流子限制方式 的不同，分为同质结和异质结半导体激光器以及量子 限制半导体激光器等。
按照谐振腔的结构可分为法布里-珀罗激光器、分布 反馈激光器、耦合腔激光器和多量子阱激光器等。
按照性能分可分为多纵模激光器、单纵模激光器等。
光纤通信之光源和光发射机
1
通信光器件
器件在实现本身功能过程中，其内 部是否出现光电能量转换
分为光有源器件和光无源器件两类 光有源器件：
光源、光检测器和光放大器。
光无源器件
连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔
离器等。
2
光源器件
光源的作用是产生作为载波的光信号。 光纤通信使用的2种光源
二、直接调制与间接调制
直接调制的原理 用电信号直接调制光源器件的偏置电流，使光源发 出的光功率随信号而变化。
31
LED的直接调制原理
LED的模拟调制原理图
32
LED的数字调制原理图
33
LD的直接调制原理
LD的模拟调制原理图
34
LD的数字调制原理图
35
间接调制的原理
光信号通过调制器实现对光载波的调制。
受激发射的光子 与原光子具有相 同的波长、相位 和传播方向
E2
h
E1
h h
受激发射跃迁
6
受激吸收：在外来光子激励 下电子吸收外来光子能量而 从低能级跃迁到高能级，变 成自由电子的过程。 光→电---光电检测器工作机 理
E2
h
E1
受激吸收跃迁
自发发射、受激发射和受激吸收三种过程是同时存在的。
二、常用半导体激光器
半导体激光器的分类：
按照构成半导体PN结材料的搭配及对载流子限制方式 的不同，分为同质结和异质结半导体激光器以及量子 限制半导体激光器等。
按照谐振腔的结构可分为法布里-珀罗激光器、分布 反馈激光器、耦合腔激光器和多量子阱激光器等。
按照性能分可分为多纵模激光器、单纵模激光器等。
光纤通信之光源和光发射机
1
通信光器件
器件在实现本身功能过程中，其内 部是否出现光电能量转换
分为光有源器件和光无源器件两类 光有源器件：
光源、光检测器和光放大器。
光无源器件
连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔
离器等。
2
光源器件
光源的作用是产生作为载波的光信号。 光纤通信使用的2种光源
二、直接调制与间接调制
直接调制的原理 用电信号直接调制光源器件的偏置电流，使光源发 出的光功率随信号而变化。
31
LED的直接调制原理
LED的模拟调制原理图
32
LED的数字调制原理图
33
LD的直接调制原理
LD的模拟调制原理图
34
LD的数字调制原理图
35
间接调制的原理
光信号通过调制器实现对光载波的调制。
受激发射的光子 与原光子具有相 同的波长、相位 和传播方向
E2
h
E1
h h
受激发射跃迁
6
受激吸收：在外来光子激励 下电子吸收外来光子能量而 从低能级跃迁到高能级，变 成自由电子的过程。 光→电---光电检测器工作机 理
E2
h
E1
受激吸收跃迁
自发发射、受激发射和受激吸收三种过程是同时存在的。
光发射机的组成和工作原理
感谢百度文库让我们在这里与你相见，您的下载就是我们最大的动力。
光发射机的组成和工作原理一、光发射机的组成光发射机呢，就像是一个神奇的小盒子，里面有好多超酷的部件。
首先就是光源啦，这个光源就像是光发射机的心脏，源源不断地提供光能量呢。
常见的光源有激光二极管，它发出的光可强可稳定啦。
然后就是调制器，这个调制器就像是一个魔法师，它能把我们要传输的信息，像声音啊、图像啊，变成光信号的变化。
比如说把声音的高低变成光的强弱变化，是不是很有趣呀？还有驱动电路呢，这个电路就像是一个小助手，它负责给光源和调制器提供合适的电力和控制信号，让它们能好好工作。
最后就是光隔离器啦，这个小部件可重要啦，它就像一个小保镖，防止光反射回去影响光源的正常工作呢。
二、光发射机的工作原理光发射机工作起来就像一场精心编排的舞蹈哦。
当我们要发送信息的时候，比如说我们要发送一段音乐。
这个音乐信号先进入到调制器里，调制器就开始施展魔法啦。
它根据音乐信号的特点，改变光源发出光的一些特性，像前面说的光的强度啊之类的。
然后呢，经过调制的光就带着音乐的信息通过光隔离器，像一个小勇士一样向外面出发啦。
这个光就沿着光纤或者其他的传输通道一直走，直到到达接收端。
在接收端呢，就会有设备把这个带有信息的光信号再还原成我们能听到的音乐啦。
整个过程就像是一场秘密的信息传递之旅，光发射机就是这个旅程的起始站，把各种信息变成光信号发射出去，让我们能够实现各种通信功能呢。
就像我们在电话里能听到远方朋友的声音，在电视上能看到远方的画面，都有光发射机的功劳呀。
你看，这个小小的光发射机是不是很厉害呢？它虽然看起来小小的，但是却能做这么伟大的事情，真是让人不得不佩服呢。
第 1 页共 1 页。
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
第4章光源和光发射机电子通信专业.pptx
Ec Eg
Ev
ED
Ef EA
本征
N型
P型
T≠0热平衡状态下,能量为E的能级被电子占据的几率为费米分布:
f (E)
1
1 exp
E Ef kBT
T
0,
f
(E)
Байду номын сангаас
0, E 1, E
Ef Ef
1/ 2, E E f T 0, f (E) 1/ 2, E E f
1/ 2, E E f
4.1 光源
Ec Eg
Ev
本征
ED
Donor level
N型
T 0K
acceptor level EA
P型
4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论
3. 费米(Fermi)能级Ef
T=0K热平衡状态下：Ef是完全填满电子的能级和完全空 缺的能级的界限.
Ec Eg
Ev
本征
ED Ef
N型
EA P型
4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论
光纤通信
第四章 光源和光发射机
Optical Sources and Optical Transmitter
张树东
zhangsd2@
光信息科学与技术 曲阜师范大学物理工程学院
光纤通信系统的组成
驱动电路
光源
调制器
光发射机
光纤
中继器
光纤
光电二 极管
放大器 判决器
光接收机
组成基本单元: 光发射机、光纤光缆、中继器与光接收机。
4.1 光源 4.2 光发射机
主要介绍数字光发射机的基本组成、工作特性 和主要电路！
4.1 光源
第四章 光源和光发射机
半导体激光器：向半导体PN结注入电流，实现粒 子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔 的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。
激射条件： 1.有源区里要产生足够的粒子数反转分布。 2.存在光学谐振机制，并在有源区里建立起 稳定的振荡。
一．半导体激光器的工作原理
1．受激辐射和粒子数反转分布 2．PN结的能带和电子分布 3．激光振荡和光学谐振腔
4．1．3发光二极管（LED）
4．2 光源的调制
4．3光发送机
4．3．1数字光发射机的基本组成
4．3．2 调制电路
4．3．3 控制电路
4．3．4 线路编码
4．1
号转换为光信号。
光源
光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信
发光波长选择光在光纤中传播的三个低损耗
波 长 区 域 ， 即 对 应 的 三 个 窗 口 ：0 . 8 5 μm 、 1.31μm和1.55μm以利用光纤传输。
电/光转换效率高，与光纤的耦合效率高。
发光足够强，并能长时间稳定工作。 调制速率或响应速度要快。
常用的光源：
法布里-珀罗腔激光器 （F-P腔激光器) 半导体激光器（LD） 分布反馈激光器 （DFB激光器） 量子阱半导体激光器
发光二极管（LED）
4．1．1半导体激光器
激光（LASER）：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation------------受 激辐射的光放大。
式中，rth为 阈 值增益系数，α 为谐振腔内激活物 质的损耗系数，L为谐振腔长度，R1 ，R2 <1为两 个反射镜的反射率。
激光器是一个阈值器件，只有注入电流达到 阈值以后，谐振腔中的增益才能克服损耗，激光 器才开始激射。
第4章光源和光发射机-电子通信专业
4.1 光源
4.1.3 发光二极管(LED)
Band gap energy(eV) Wavelength(um)
p
hc Eg
1.2398 (m)
Eg
如: Ga1x Alx As 半导体LED
(x为AlAs与GaAs的摩尔比率)
经验公式:
Eg 1.424 1.266x 0.266x2
2.2
0.5
2.0
0.6
1.8
0.7
1.6 1.40.0
Ga1-xAlxAs at 300K
0.1
0.2
0.3
0.4
Al mole fraction, x
0.8 0.50.9
Eg 单位为 eV
4.1 光源
4.1.3 发光二极管(LED)
线宽:
通常达几十nm
36nm
770
810 850nm
Spectral emission pattern of Ga1-xAlxAs LED with x = 0.08
4.1 光源
4.1.3 发光二极管(LED)
4. LED光束的空间分布
辐射光功率:
P( ) P0 cos
--朗伯(Lambert)分布
半功率点处: =60度
半功率宽度:
face 120
4.1 光源
4.1.3 发光二极管(LED)
30 // 120
4.1 光源
4.1.3 发光二极管(LED)
4.1 光源 4.2 光发射机
主要介绍数字光发射机的基本组成、工作特性 和主要电路！
4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论 4.1.2 PN结 同质结 异质结 4.1.3 发光二极管(LED) 4.1.4 激光二极管(LD)(半导体激光器) 4.1.5 若干半导体激光器简介 4.1.6 半导体光源一般性能和应用
第四章光源与光发射机
2019/10/13
广东海洋大学理学院 · 光纤通信
20
§4-2 半导体光源的工作原理
根据费米统计规律，可得各种半导体中电子的统计
分布：
导带
对的穴于掺，禁带重入费掺（米杂三能兼价级并元进型素入的半P型杂导半质体导）的体，价，多带E由f数。低费心于载温米位受流下能置主子，级。杂是本的质空征禁半带导的体中
9
§4-2 半导体光源的工作原理
考虑双能级的系统，低能级E1和高能级E2，设 处于高能级E2和低能级E1上的电子数分别为N2和N1， 当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布：
N1 N2
expE2KTE1
k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为绝对温度。
由于(E2-E1)>0，T>0，所以在热平衡状态下， 总是N1>N2，这说明电子总是首先占据能量低的能级。
广东海洋大学理学院 · 光纤通信
11
§4-2 半导体光源的工作原理
受激吸收/跃迁：处于低能级上的电子在感应光场的作用 下（感应光子能量为hυ= E2- E1 ），吸收一个光子从低 能级E1跃迁到高能级E2上。
当某物质与外界处在热平衡状态下，低能级的 粒子（电子）数N1总是大于高能级的粒子（电子） 数N2，在这种状态下，有感应光场时，必然是受激 吸收占主要地位，不会出现发光现象，光波经过该 物质时强度按指数规律衰减，光波被吸收。
E2
Eg =Ec-Ev
E1
广东海洋大学理学院 · 光纤通信
2019/10/13
17
§4-2 半导体光源的工作原理
此动画为晶体的能带动画：导带和价带为光源 提供了物理基础。
广东海洋大学理学院 · 光纤通信
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 。
光源的调制和光发射机
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 t d 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。
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%。
第四章 光源的调制和光发射机
图4. 为保证输出光功率的稳定，图4.
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）。
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。
至少可提高一个数量级。 当环境温度升高时，LD的管芯和热沉温度也升高，使具有负温度系数的热敏电阻RT的阻值减小，电桥失去平衡。
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。 PLD↘→Upd↘→(Upd+VR2+VR)↘→UA↖→Ib↖→PLD↖ 当三极管V1、V2的截止频率fr≥4. 55μm附近，光谱单色性要好，即谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。 可在光源二极管上反向并联一只肖特基二极管，以防止反向冲击电流过大。 对光源的直接调制，具有简单方便等优点，但这种调制方法会使得激光器的动态谱线增宽，造成在传输时色散增大，从而限制了通信 容量和传输速率。 LD驱动电路
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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)。
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。
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
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 速率光纤通信系统的要求。 4、其它 要求电路简单，成本低，光源寿命长，运行稳定可行等。
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）。
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
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。
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。
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。
第四章 光源的调制和光发射机
一、光源的直接调制
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
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
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
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%。
第四章 光源的调制和光发射机
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
f
r
(
r 2
)
一般为Leabharlann 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。
对光源的直接调制，具有简单方便等优点，但这种调 制方法会使得激光器的动态谱线增宽，造成在传输时色散 增大，从而限制了通信容量和传输速率。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
第四章 光源的调制和光发射机
二、光发射机的组成 数字光发射机的原理框图如下：
第四章 光源的调制和光发射机
光发射机主要由光源和电路两部分组成，各部分功能如下： 1、光源 对通信用光源的要求如下 （1）发射的光波长和光纤低损耗“窗口”一致，即中心波长应
在0.85μm,1.31μm和1.55μm附近，光谱单色性要好，即谱线 宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。 （2）电/光转换效率要高，即要求在足够低的驱动电流下，有 足够大而稳定的输出光功率，且线性良好，发射光束的方向 性要好，即远场的辐射角要小，以利于提高光源与光纤之间 的耦合效率。 （3）允许的调制速率要高或响应速度要快，以满足系统大传输 容量的要求。 （4）器件能在常温下以连续波方式工作，要求温度稳定性好， 可靠、长寿命。 （5）其它：体积小，重量轻，安装方便，价低。
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。
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
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 速率光纤通信系统的要求。 4、其它 要求电路简单，成本低，光源寿命长，运行稳定可行等。
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）。
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
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。
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。
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。
第四章 光源的调制和光发射机
一、光源的直接调制
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
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
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
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%。
第四章 光源的调制和光发射机
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
f
r
(
r 2
)
一般为Leabharlann 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。
对光源的直接调制，具有简单方便等优点，但这种调 制方法会使得激光器的动态谱线增宽，造成在传输时色散 增大，从而限制了通信容量和传输速率。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
第四章 光源的调制和光发射机
二、光发射机的组成 数字光发射机的原理框图如下：
第四章 光源的调制和光发射机
光发射机主要由光源和电路两部分组成，各部分功能如下： 1、光源 对通信用光源的要求如下 （1）发射的光波长和光纤低损耗“窗口”一致，即中心波长应
在0.85μm,1.31μm和1.55μm附近，光谱单色性要好，即谱线 宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。 （2）电/光转换效率要高，即要求在足够低的驱动电流下，有 足够大而稳定的输出光功率，且线性良好，发射光束的方向 性要好，即远场的辐射角要小，以利于提高光源与光纤之间 的耦合效率。 （3）允许的调制速率要高或响应速度要快，以满足系统大传输 容量的要求。 （4）器件能在常温下以连续波方式工作，要求温度稳定性好， 可靠、长寿命。 （5）其它：体积小，重量轻，安装方便，价低。