光纤通信系统光源与光发射机.pptx

第三章光源与光发射机n光发射机的作用：光发射机的作用：将电信号转变成光信号，并有效的把光将电信号转变成光信号，并有效的把光信号送入传输光纤。信号送入传输光纤。n光发射机光发射机=光源光源+驱动电路驱动电路+辅助电路辅助电路两种半导体光源两种半导体光源发光二极管（发光二极管（LED）：）：输出非相关光，谱宽宽、入纤功率小、调输出非相关光，谱宽宽、入纤功率小、调制速率低。制速率低。适用短距离低速系统适用短距离低速系统激光二极管激光二极管(LD):输出相干光，谱宽窄、入纤功率大、调制输出相干光，谱宽窄、入纤功率大、调制速率高。速率高。适用长距离高速系统适用长距离高速系统光纤通信系统对光源的要求n（1）合适的发射波长；）合适的发射波长；n（2）发射功率大，响应速度快；）发射功率大，响应速度快；n（3）输出谱窄、以降低光纤色散的影响输出谱窄、以降低光纤色散的影响n（4）辐射角小、与光纤的耦合效率高辐射角小、与光纤的耦合效率高n（5）调制容易、线性好、带宽大调制容易、线性好、带宽大n（6）寿命长、稳定性号，体积小、耗电省寿命长、稳定性号，体积小、耗电省主要内容主要内容n一、半导体中光的发射和激射原理一、半导体中光的发射和激射原理 n二、半导体发光二极管二、半导体发光二极管(LED)n三、半导体激光二极管三、半导体激光二极管(LD)n四、数字光发射机四、数字光发射机 一一、半导体中光的发射和激射原理半导体中光的发射和激射原理 n激光产生的物理基础激光产生的物理基础n半导体材料的能带结构半导体材料的能带结构n半导体半导体PN结光源结光源n发光波长发光波长n直接带隙和间接带隙材料直接带隙和间接带隙材料n异质结异质结 1）原子的能级原子的能级 近近代代物物理理实实验验证证明明，原原子子中中的的电电子子只只能能以以一一定定的的量量子子状状态态存存在在，也也即即只只能能在在特特定定的的轨轨道道上上运运动动，电电子子的的能能量量不不能能为为任任意意值值，只只能能具具有有一一系系列列的的不不连连续续的的分分立值。立值。我们把这种电子、原子、分子等微观粒子的能量我们把这种电子、原子、分子等微观粒子的能量不连续的分立的内能称为粒子的不连续的分立的内能称为粒子的能级能级。激光产生的物理基础激光产生的物理基础 粒子处于最低能级时称为粒子处于最低能级时称为基态基态，处于比基态高的，处于比基态高的能级时，称为能级时，称为激发态激发态。通通常常情情况况下下，大大多多数数粒粒子子处处于于基基态态，少少数数粒粒子子被被激激发发至至高高能能级级，且且能能级级越越高高，处处于于该该能能级级的的粒粒子子数数越越少少。在在热热平平衡衡条条件件下下，各各能能级级上上的的粒粒子子数数分分布布满满足足玻玻尔兹曼统计分布。尔兹曼统计分布。其中，N1、N2为处于能级E1、E2上的粒子数，k0=1.38110-23 J/K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，下图为玻尔兹曼分布曲线。2）光与物质的相互作用）光与物质的相互作用n自自发发辐辐射射电电子子无无外外界界激激励励而而从从高高能能级自发跃迁到低能级，同时释放出光子。级自发跃迁到低能级，同时释放出光子。n受受激激辐辐射射高高能能级级电电子子受受到到外外来来光光子子作作用用，被被迫迫跃跃迁迁到到低低能能级级，同同时时释释放放出出光光子子，且且产产生生的的新新光光子子与与外外来来激激励励光光子子同频同方向，为相干光。同频同方向，为相干光。n受激吸收受激吸收低能级电子在外来光低能级电子在外来光子子作作用下吸收光能量而跃迁到高能级。用下吸收光能量而跃迁到高能级。图：能级和电子跃迁 在在外外界界能能量量作作用用下下，处处于于低低能能级级的的粒粒子子将将不不断断地地被被激激发发到到高高能能级级上上去去，从从而而使使高高能能级级上上的的粒粒子子数数大大于于低低能能级级上上的的粒粒子子数数，这这种种分分布布状状态态称称为为粒粒子子数数的的反反转转分分布布。在在外外界界入入射射光光的的激激发发下下，高高能能级级上上的的粒粒子子产产生生大大量量的的全全同同光光子子，以实现对入射光的放大作用。以实现对入射光的放大作用。我我们们把把处处于于粒粒子子数数反反转转分分布布的的物物质质称称为为激激活活物物质质或或增增益益物物质质。这这种种物物质质可可以以是是固固体体、液液体体或或气气体体，也也可可以以是是半半导导体体材材料料。把把利利用用光光激激励励、放放电电激激励励或或化化学学激激励励等等方方法法达达到到粒粒子子数数反反转转分分布的方法称为布的方法称为泵浦泵浦或或抽运抽运。3）光的放大）光的放大：n先决条件：粒子数反转分布先决条件：粒子数反转分布n必要条件：激活煤质的出现和激励源的存在必要条件：激活煤质的出现和激励源的存在半导体材料的能带结构半导体材料的能带结构n半导体是由大量原子周期性有序排列构成半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体，其原子最外层电子轨道互相的共价晶体，其原子最外层电子轨道互相重叠，从而使其分立的能级形成了能级连重叠，从而使其分立的能级形成了能级连续分布的能带。续分布的能带。n根据能带能量的高低，有导带、禁带和价根据能带能量的高低，有导带、禁带和价带之分。带之分。能量低的能带是能量低的能带是价带价带，相对应于原子，相对应于原子最外层电子（价电子）所填充的能带，处最外层电子（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。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原子的束缚，被激发到能量更高的导带导带之之中去，成为自由电子，可以参与导电。处中去，成为自由电子，可以参与导电。处在导带底在导带底Ec与价带顶与价带顶Ev之间的能带不能为之间的能带不能为电子所占据，称为电子所占据，称为禁带禁带，其能带宽度称为，其能带宽度称为带隙带隙Eg(Eg=Ec-Ev)。半导体半导体PN结光源结光源半导体光源的核心是半导体光源的核心是PN结结（将将P型半导体与型半导体与N型半型半 导体相接触就形成导体相接触就形成PN结）结）无杂质及晶格缺陷的完善的半导体称为无杂质及晶格缺陷的完善的半导体称为本征半本征半导体导体 本征半导体中掺入施主杂质形成本征半导体中掺入施主杂质形成N型半导体型半导体，过，过剩的电子占据本征半导体中空的导带，处在高能级剩的电子占据本征半导体中空的导带，处在高能级的电子增多，其费米能级就较本征半导体的要高。的电子增多，其费米能级就较本征半导体的要高。本征半导体中掺入受主杂质形成本征半导体中掺入受主杂质形成P型半导体型半导体，其，其费米能级就较本征半导体的要低。费米能级就较本征半导体的要低。图3.1半导体的能带和电子分布(a)本征半导体；(b)N型半导体；(c)P型半导体 当当P型半导体与型半导体与N型半导型半导体相接触形成体相接触形成PN结时，由于结时，由于存在电子与空穴的浓度差，存在电子与空穴的浓度差，电子从电子从N区向区向P区扩散，空穴区扩散，空穴从从P区向区向N区扩散，因此使区扩散，因此使N区的费米能级降低，区的费米能级降低，P区的区的费米能级升高。当费米能级升高。当P区的空区的空穴扩散到穴扩散到N区后，在区后，在P区留下区留下带负电的离子，形成一个带带负电的离子，形成一个带负电荷区域；负电荷区域；当当N区的电子扩散到区的电子扩散到P区区后，在后，在N区留下带正电的离区留下带正电的离子，形成一个带正电荷区域。子，形成一个带正电荷区域。在在电电子子和和空空穴穴扩扩散散过过程程中中，导导带带的的电电子子可可以以跃跃迁迁到到价价带带和和空空穴穴复复合合，产产生生自自发发辐辐射射光光。由由于于这这种种发发光光是是正正向向偏偏置置把把电电子子注注入入到到结结区区的的，又又称称为为电电致致发发光光。这这就就是是发发光光二二极极管管的的工工作作原理。原理。粒粒子子数数反反转转分分布布是是产产生生受受激激辐辐射射的的必必要要条条件件，但但还还不不能能产产生生激激光光。只只有有把把激激活活物物质质置置于于光光学学谐谐振振腔腔中中，对对光光的的频频率率和和方方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。我我们们可可以以利利用用半半导导体体材材料料晶晶体体的的天天然然解解理理面面构构造造光光学学谐谐振振腔腔，那那么么，在在有有源源区区的的放放大大补补偿偿了了各各种种损损耗耗后后，就就会会有有稳稳定定的的激光输出。这就是激光输出。这就是半导体激光器的的基本原理半导体激光器的的基本原理。发光波长发光波长 半导体光源发射的光子的能量、波长取决于半导体光源发射的光子的能量、波长取决于半导体材料的带隙半导体材料的带隙Eg，以电子伏特（，以电子伏特（eV）表示的）表示的带隙带隙Eg发射波长为发射波长为 例如，对于例如，对于GaAs，Eg=1.42eV，用它制作的，用它制作的LED的发射波长就为的发射波长就为=0.87m。不同的半导体材。不同的半导体材料、不同的材料成分有不同的禁带宽度，可以发料、不同的材料成分有不同的禁带宽度，可以发射不同波长的光。射不同波长的光。4）直接带隙与间接带隙半导体直接带隙与间接带隙半导体 根根据据能能带带结结构构的的能能量量与与波波矢矢量量关关系系(如如下下图图所所示示)，半半导导体体材材料料可可以以分分为为光光电电性性质质完完全全不不同同的的两两类类，即即直接带隙材料直接带隙材料和和间接带隙材料间接带隙材料。在在直直接接带带隙隙材材料料中中，导导带带中中的的最最低低能能量量状状态态与与价价带带中中的的最最高高能能量量状状态态具具有有相相同同的的波波矢矢量量，即即位位于于动量空间中的同一点上。动量空间中的同一点上。在在间间接接带带隙隙材材料料中中，导导带带中中的的最最低低能能量量状状态态与与价价带带中中的的最最高高能能量量状状态态处处在在不不同同的的波波矢矢量量位位置置上上，即具有不同的动量。即具有不同的动量。图3.1.4 直接带隙半导体(a)与间接带隙半导体(b)的能量-动量图 能带结构的这种差别使得这两类半导体材料的光能带结构的这种差别使得这两类半导体材料的光电性质具有非常大的差异。电性质具有非常大的差异。在在直接带隙材料直接带隙材料中，电子在价带和导带之间跃迁中，电子在价带和导带之间跃迁符合动量守恒条件，因此具有较大的跃迁几率。符合动量守恒条件，因此具有较大的跃迁几率。在在间接带隙材料间接带隙材料中，电子在价带和导带之间跃迁中，电子在价带和导带之间跃迁不符合动量守恒条件，光子与电子的相互作用需要在不符合动量守恒条件，光子与电子的相互作用需要在声子声子的作用下才能完成，因此跃迁几率非常低。的作用下才能完成，因此跃迁几率非常低。所以所以间接带隙材料发光效率比较低，不适合于制间接带隙材料发光效率比较低，不适合于制作光源。作光源。目前广泛应用的半导体材料主要有：目前广泛应用的半导体材料主要有：（1）硅硅（Si）、锗锗（Ge）等等族族半半导导体体材材料料，属属于于间间接接带带隙隙材材料料，不不能能用用来来制制作作半半导导体体激激光光器器，主主要要用用于于集集成成电电路路和和光光电电检检测测器器的的制作。制作。（2）碲碲化化镉镉（GdTe）、碲碲化化锌锌（ZnTe）等等族族化化合合物物半半导导体体材材料料均均为为直直接接带带隙隙材材料料，主要用于可见光和红外光电子器件的制作。，主要用于可见光和红外光电子器件的制作。（3）砷砷化化镓镓（GaAs）、磷磷化化铟铟（InP）、砷砷磷磷化化铟铟镓镓（InGaAsP）等等绝绝大大多多数数的的族族化化合合物物半半导导体体材材料料均均为为直直接接带带隙隙材材料料，主主要要用用于于集集成成电电路路和和光光纤纤通通信信用用半半导导体体发发光光二二极极管管、激光器、光电检测器的制作。激光器、光电检测器的制作。不同半导体材料的带隙及发光波长异质结异质结 上述发光原理的上述发光原理的PN结是由同一种半导体材料结是由同一种半导体材料构成的，构成的，P区、区、N区具有相同的带隙、接近相同的区具有相同的带隙、接近相同的折射率（掺杂后折射率稍有变化，但很小），这折射率（掺杂后折射率稍有变化，但很小），这种种PN结称为结称为同质结同质结。在同质结中，光发射在结的两边都可以发生，在同质结中，光发射在结的两边都可以发生，因此，发光不集中，强度低，需要较大的注入电因此，发光不集中，强度低，需要较大的注入电流。器件工作时发热非常严重，必须在低温环境流。器件工作时发热非常严重，必须在低温环境下工作，不可能在室温下连续工作。下工作，不可能在室温下连续工作。为了克服同质结的缺点，需要加强结区的光为了克服同质结的缺点，需要加强结区的光波导作用及对载流子的限定作用，这时可以采用波导作用及对载流子的限定作用，这时可以采用异质结结构异质结结构。所所谓谓异异质质结结，就就是是由由带带隙隙及及折折射射率率都都不不同同的的两两种半导体材料构成的种半导体材料构成的PN结。结。异异质质结结可可分分为为单单异异质质结结（SH）和和双双异异质质结结（DH）。）。异质结是利用不同折射率的材料来对光波进行异质结是利用不同折射率的材料来对光波进行限制，利用不同带隙的材料对载流子进行限制。限制，利用不同带隙的材料对载流子进行限制。二、半导体发光二极管二、半导体发光二极管(LED)nLight Emitting Dioden结构结构：面发光、边发光面发光、边发光n工作特性工作特性：光谱特性、光谱特性、P-I特性、发光效率、调制特特性、发光效率、调制特性等性等发光二极管的结构发光二极管的结构n实际中多采用异质结实际中多采用异质结n根据发光面与根据发光面与PN结的结的结平面平行或垂直结平面平行或垂直可分为面发光二极管（可分为面发光二极管（SLEDSLED）和边发光）和边发光二极管（二极管（ELEDELED）两种结构）两种结构 面发光二极管（面发光二极管（SLEDSLED）边发光二极管（边发光二极管（ELEDELED）工作特性工作特性n光谱特性光谱特性nP-I特性特性n发光效率发光效率n调制特性调制特性光谱特性光谱特性n自发辐射发光，没有谐振腔，发光谱自发辐射发光，没有谐振腔，发光谱线较宽线较宽 n半最大值处的全宽度（半最大值处的全宽度（FWHM）DlDl=1.8kT(l l2/ch)nm n线宽随有源区掺杂浓度的增加而增加线宽随有源区掺杂浓度的增加而增加n随着温度的升高线宽加宽随着温度的升高线宽加宽P-I特性特性n输出的光功率随注入电流的变化关系输出的光功率随注入电流的变化关系n当注入电流较小时，线性度非常好；当注入电流较小时，线性度非常好；n当注入电流比较大时，由于当注入电流比较大时，由于PN结的发结的发热，发光效率降低，出现了饱和现象。热，发光效率降低，出现了饱和现象。n温度对温度对PI特性的影响，当温度升高特性的影响，当温度升高时，同一电流下的发射功率要降低时，同一电流下的发射功率要降低 发光效率发光效率n分为内量子效率和外量子效率分为内量子效率和外量子效率 n内量子效率：（存在非辐射复合）内量子效率：（存在非辐射复合）n外量子效率：（材料吸收、波导效应等）外量子效率：（材料吸收、波导效应等）调制特性调制特性 改变发光二极管的注入电流就可以改变发光二极管的注入电流就可以改变其输出光功率，即可以直接由信号改变其输出光功率，即可以直接由信号电流来调制光信号电流来调制光信号直接调制或内调直接调制或内调制制发光二极管的模拟调制原理图发光二极管的模拟调制原理图 发光二极管的数字调制原理图发光二极管的数字调制原理图发光二极管的频率响应发光二极管的频率响应nPN结存在结电容及杂散电容，发光二极管的调制特性随着调制的频率提高而变化。频率响应可表示为 t为载流子的寿命 n随着调制频率的提高，输出光功率下降。n要提高截止频率fc=1/(2pt)以增加调制带宽，要缩短载流子的寿命，可以通过有源区重掺杂以及高注入等方法来改进。发光二极管的频率响应发光二极管的频率响应 三、导体激光二极管（三、导体激光二极管（LD）n Laser Diode 半导体激光器工作原理半导体激光器工作原理n结构结构：谐振谐振腔，腔，条形结构条形结构n工作特性工作特性：光谱特性、光谱特性、P-I特性、调制特性等特性、调制特性等激光器的工作原理激光器的工作原理 激光器的三个基本条件：激光器的三个基本条件：（1）工作物质）工作物质（2）泵浦源）泵浦源（3）光学谐振腔（与）光学谐振腔（与LEDLED的区别）的区别）激光二极管的结构激光二极管的结构n也采用双异质结结构。也采用双异质结结构。n纵纵向向的的两两个个端端面面是是晶晶体体的的解解理理面面，相相互互平平行行且且垂垂直直于于结结平平面面，一一个个端端面面镀镀反反射射膜膜，另另一一个个端端面面输输出出，构成了激光器的构成了激光器的FP谐振腔。谐振腔。n采采用用条条形形结结构构，在在垂垂直直于于结结平平面面方方向向受受到到限限制制，在在平平行行于于结结平平面面的的水水平平方方向向也也有有波波导导效效应应，使使光光子子及及载载流流子子局局限限在在一一个个较较窄窄及及较较薄薄的的条条形形区区域域内内，提提高高光光子子及及载载流流子子浓浓度度。称称为为条条形形激激光光器器，与与光光纤纤耦耦合合效率较高。效率较高。n两种结构：增益导引条形和折射率导引条形两种结构：增益导引条形和折射率导引条形。工作特性工作特性nP-I特性特性n光谱特性光谱特性n发光效率发光效率n调制特性调制特性P-I特性特性n存存在在阈阈值值电电流流Ith：当注入电流小于Ith时，自发辐射发光；当注入电流超过Ith时，受激辐射发光；输出功率与注入电流基本保持线性关系。n对对温温度度很很敏敏感感：随着温度的升高，阈值电流增大，发光功率降低。需进行温度控制。有 光谱特性光谱特性n主要由其纵模决定主要由其纵模决定n峰值波长峰值波长n谱宽谱宽：功率等于大于峰值波长功率功率等于大于峰值波长功率50%50%的所的所有波长范围有波长范围 n线宽线宽：某一纵模中功率等于大于最大功率一某一纵模中功率等于大于最大功率一半的所有波长范围半的所有波长范围 n边模抑制比边模抑制比(S SMSR)：主模功率与最强边模功主模功率与最强边模功率之比率之比(Side Mode Suppression Ratio)(Side Mode Suppression Ratio)n半导体激光器的发光谱线较为复杂，会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。随着工作条件的变化而发生变化。n当注入电流低于阈值电流时，激光器发当注入电流低于阈值电流时，激光器发出的是出的是荧光荧光，光谱较宽；当电流增大到，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，阈值电流时，光谱突然变窄，强度增强，出现出现激光激光；当注入电流进一步增大，主；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，最后会出现荡模式减少，最后会出现单纵模单纵模。n温度升高时激光器的发射谱的峰值波长温度升高时激光器的发射谱的峰值波长向长波长方向移动向长波长方向移动 调制特性调制特性 在高速调制情况下，半导体激光器会出在高速调制情况下，半导体激光器会出现许多复杂动态性质，这些特性会对系统传现许多复杂动态性质，这些特性会对系统传输速率和通信质量带来影响。输速率和通信质量带来影响。n电光延迟电光延迟n张弛振荡张弛振荡n码型效应码型效应 n自脉动自脉动n单纵模分裂为多纵模单纵模分裂为多纵模 电光延迟和张弛振荡电光延迟和张弛振荡n电光延迟电光延迟：输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在的时间延迟，一般为纳秒量级。n张弛振荡张弛振荡：当电流脉冲注入后，输出光脉冲表现出的衰减式振荡。几百MHz2Ghz的量级。n与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。码型效应码型效应 n电光延迟时间与数字调制的码元持续时间为相同数量级电光延迟时间与数字调制的码元持续时间为相同数量级时，使后一个光脉冲幅度受到前一个脉冲的影响的效应时，使后一个光脉冲幅度受到前一个脉冲的影响的效应n两个连两个连“1 1”时，第一个脉冲过后，有源区的电子以指时，第一个脉冲过后，有源区的电子以指数形式衰减。调制速率很高，脉冲间隔小于衰减周期，数形式衰减。调制速率很高，脉冲间隔小于衰减周期，使第二个脉冲到来时，前一电流脉冲注入的电子并没有使第二个脉冲到来时，前一电流脉冲注入的电子并没有完全复合消失，有源区电子密度较高，输出光脉冲幅度完全复合消失，有源区电子密度较高，输出光脉冲幅度和宽度增大。和宽度增大。n消除：增加直流偏置电流。在阈值附近，脉冲持续时和消除：增加直流偏置电流。在阈值附近，脉冲持续时和脉冲过后有源区内电子密度变化不大，电子存储的时间脉冲过后有源区内电子密度变化不大，电子存储的时间大大减小，码型效应得到抑制。还可以采用在每一正脉大大减小，码型效应得到抑制。还可以采用在每一正脉冲后跟一负脉冲的双脉冲信号进行调制的方法，正脉冲冲后跟一负脉冲的双脉冲信号进行调制的方法，正脉冲产生光脉冲，负脉冲来消除有源区内的存储电子。单负产生光脉冲，负脉冲来消除有源区内的存储电子。单负脉冲的幅度不能过大，以免激光器脉冲的幅度不能过大，以免激光器PN结被反向击穿。结被反向击穿。码型效应码型效应自脉动自脉动n某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，输出光脉冲出现持续等幅的振荡，振荡的输出光脉冲出现持续等幅的振荡，振荡的频率在几百频率在几百MHz到到2GHzn激光器内部存在非线性增益而造成的激光器内部存在非线性增益而造成的 单纵模分裂为多纵模单纵模分裂为多纵模 直接调制使激光器的注入电流不断发直接调制使激光器的注入电流不断发生变化，有源区载流子浓度随之发生变化，生变化，有源区载流子浓度随之发生变化，导致折射率变化，谐振条件发生变化。随导致折射率变化，谐振条件发生变化。随着调制频率的提高和调制深度的加大，会着调制频率的提高和调制深度的加大，会使主模的强度下降，邻近边模的强度增强，使主模的强度下降，邻近边模的强度增强，单纵模分裂为多纵模，而且线宽也增大，单纵模分裂为多纵模，而且线宽也增大，调制速率越高，调制深度越大，谱线展宽调制速率越高，调制深度越大，谱线展宽越多。越多。高速调制时激光器的输出谱线 动态单纵模激光器 n为降低光纤色散，希望光源的谱宽尽可能窄，要求激光器工作在单纵模状态。n在高速调制下仍然可以工作在单纵模的半导体激光器称为动态单纵模激光器。n实现动态单纵模的方法很多，应用最为广泛的是分布反馈式激光器。DFBLD、DBRLD等。分布反馈式激光器分布反馈式激光器n结结构构与与FP激激光光器器不不同同，不不靠靠解解理理面面形形成成的的谐谐振腔工作，而是依赖沿纵向分布的光栅工作。振腔工作，而是依赖沿纵向分布的光栅工作。n分布反馈激光器（分布反馈激光器（DFBLD）n分布布拉格反射激光器（分布布拉格反射激光器（DBRLD）四、数字光发射机四、数字光发射机n光发射机的基本功能是将携带信息的电信光发射机的基本功能是将携带信息的电信号转换成光信号，并将光信号送入光纤中。号转换成光信号，并将光信号送入光纤中。n光发射机除了半导体光源及其驱动电路之光发射机除了半导体光源及其驱动电路之外还包括使系统正常、可靠工作的一些辅外还包括使系统正常、可靠工作的一些辅助控制电路部分。助控制电路部分。光纤通信系统组成信源电发射机光发射机光接收机电接收机信宿 话话音音300-3400Hz模模拟基带电拟基带电信号信号已调已调光信光信号号PCM基群或基群或高次群高次群电信号电信号PCM基基群或高群或高次群电次群电信号信号300-3400Hz的的基带基带信号信号话话音音信源：信源：将用户原始信息转换为基带电信号。电发射机电发射机：将基带信号转换为适合信道传输的信号。包括数模转换、多路复用。光发射机：光发射机：将电信号转换为适合光纤传输的光信号。数字光发射机结构图数字光发射机结构图 光载波的调制光载波的调制 把信息加载到光波上的过程就是调制。分类分类：模拟调制模拟调制、数字调制数字调制 模拟调制有可分为：强度调制强度调制和副载波调制副载波调制。强度调制强度调制是用模拟基带信号直接对光源进行强度调制。副载波调制副载波调制是利用连续或脉冲的射频波作为副载波，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。按调制方式与光源的关系来分：按调制方式与光源的关系来分：直接调制直接调制和和外调制外调制 直接调制直接调制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），得到光频的调幅波，又称为内调制。外调制外调制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，电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。目前光纤通信系统中应用最多的是光源的基带直接强度调制、副载波强度调制及数字调制，高速率是采用外调制。光源的驱动 光源的驱动就是根据输入的电信号产光源的驱动就是根据输入的电信号产生相应的光信号的过程。采用的器件不同、生相应的光信号的过程。采用的器件不同、调制方式的不同、输入信号类型的不同都调制方式的不同、输入信号类型的不同都有不同的驱动方式。有不同的驱动方式。LED的驱动的驱动 LD的驱动的驱动 与与LED相比，相比，LD的驱动要复杂的多。的驱动要复杂的多。n（1）增大直流预偏置电流使其逼近阈值，可以减小电）增大直流预偏置电流使其逼近阈值，可以减小电光延迟时间，抑制张迟振荡；光延迟时间，抑制张迟振荡；n（2）当激光器偏置在阈值附近，较小的调制脉冲电流）当激光器偏置在阈值附近，较小的调制脉冲电流就能得到足够的输出光脉冲，可以大大减小码型效应；就能得到足够的输出光脉冲，可以大大减小码型效应；n（3）加大直流偏置电流使激光器在发）加大直流偏置电流使激光器在发“0”与发与发“1”时的光功率之比（即消光比）增大，影响接收机的灵时的光功率之比（即消光比）增大，影响接收机的灵敏度。敏度。n因此，偏置电流的选择要兼顾电光延迟、张迟振荡、因此，偏置电流的选择要兼顾电光延迟、张迟振荡、码型效应以及消光比等各种因素，根据器件的性能，码型效应以及消光比等各种因素，根据器件的性能，系统的具体要求，适当选择。系统的具体要求，适当选择。光源的自动温度控制光源的自动温度控制（ATC）n随着温度的升高，半导体光源（特别是随着温度的升高，半导体光源（特别是LD LD）的特）的特性要发生劣化（发光功率降低、波长漂移、阈值增性要发生劣化（发光功率降低、波长漂移、阈值增加等）。加等）。n温度控制采用微型制冷器、热敏元件及控制电路组温度控制采用微型制冷器、热敏元件及控制电路组成。热敏元件监测激光器的结温，与设定的基准温成。热敏元件监测激光器的结温，与设定的基准温度比较，根据温度差异的情况，驱动制冷器的控制度比较，根据温度差异的情况，驱动制冷器的控制电路，改变制冷效果，从而使激光器在恒定的温度电路，改变制冷效果，从而使激光器在恒定的温度下工作。下工作。n微型制冷器多采用利用半导体材料的珀尔帖效应制微型制冷器多采用利用半导体材料的珀尔帖效应制成的半导体制冷器。珀尔帖效应是当直流电流通过成的半导体制冷器。珀尔帖效应是当直流电流通过P P型和型和N N型两种半导体组成的电偶时，可以使一端吸型两种半导体组成的电偶时，可以使一端吸热而使另一端放热的一种现象。热而使另一端放热的一种现象。自动温度控制方框图自动温度控制方框图 激光器激光器制冷器制冷器热敏电阻热敏电阻控制电路控制电路光源的自动功率控制（光源的自动功率控制（APC）LD的输出功率与温度变化有关，与器件的的输出功率与温度变化有关，与器件的老化有关。随着老化，老化有关。随着老化，LD的阈值上升，输出光的阈值上升，输出光功率下降。采取自动功率控制稳定输出光功率。功率下降。采取自动功率控制稳定输出光功率。光源的保护和告警光源的保护和告警 n光源特别是光源特别是LD是易损器件，必须采取措施是易损器件，必须采取措施使不受外界因素的损害。包括：温度和电流。使不受外界因素的损害。包括：温度和电流。n电流保护是要防止通过光源的电流过大。包电流保护是要防止通过光源的电流过大。包括电流接通时的保护、工作过程中的过流保括电流接通时的保护、工作过程中的过流保护以及反向冲击电流保护等。护以及反向冲击电流保护等。n还应包括告警电路，在系统出现故障或工作还应包括告警电路，在系统出现故障或工作不正常时的及时发送告警信号，提醒设备维不正常时的及时发送告警信号，提醒设备维护人员及时进行相应的处理。一般包括无光护人员及时进行相应的处理。一般包括无光告警、寿命告警、温度告警等。告警、寿命告警、温度告警等。光源与光纤的耦合光源与光纤的耦合 n耦合效率与光源的类型和光纤的类型有关。耦合效率与光源的类型和光纤的类型有关。n影响耦合效率的主要因素是光源的发散角和光影响耦合效率的主要因素是光源的发散角和光纤的数值孔径。发散角大，耦合效率低；数值纤的数值孔径。发散角大，耦合效率低；数值孔径大，耦合效率高。光源发光面和光纤端面孔径大，耦合效率高。光源发光面和光纤端面的尺寸、形状及两者之间的距离都会影响到耦的尺寸、形状及两者之间的距离都会影响到耦合效率。合效率。n一般说来，一般说来，LD与单模光纤的耦合效率可以达到与单模光纤的耦合效率可以达到30%50%，LED与单模光纤的耦合效率非常低，与单模光纤的耦合效率非常低，只有百分之几甚至更小。只有百分之几甚至更小。n 光源与光纤的耦合一般采用两种方法，即直接耦合直接耦合与透镜耦合透镜耦合。n 直接耦合是将光纤端面直接对准光源发光面进行耦合的方法。当光源发光面积大于纤芯面积时，这是一种唯一有效的方法。这种直接耦合的方法结构简单，但耦合效率低。光源与光纤的透镜耦合 柱透镜柱透镜 球面透镜 自聚焦透镜