光源和光发送机.pptx

1在在光光纤纤通通信信系系统统中中，光光发发送送机机的的作作用用是是将将由由数数字字复复用用设设备备来来的的电电信信号号转转换换成成相相应应的的光光信信号号，并并将将光光信信号号耦耦合合进进光光纤纤后后进进行行传传输输。光光发发送送机机的的核核心心部部件件是是光光源源。目目前前，光光纤纤通通信信系系统统均均采采用用半半导导体体激激光光二二极极管管（LD）和和发发光光二二极极管管（LED）作作为为光光源源。这这类类光光源源的的特特点点是是体体积积小小，与与光光纤纤之之间间的的耦耦合合效效率率高高，响响应应速速度度快，可以在较高速率条件下进行直接强度调制。快，可以在较高速率条件下进行直接强度调制。本本章章着着重重介介绍绍半半导导体体激激光光二二极极管管和和发发光光二二极极管管的的工作原理和特性，以及光发送机的工作原理。工作原理和特性，以及光发送机的工作原理。第三章第三章 光源和光发送机光源和光发送机2第三章第三章 光源和光发送机光源和光发送机3.1 半导体激光器和发光二极管半导体激光器和发光二极管3.2 光源调制光源调制3.3 光发送机光发送机31.激光的产生及其物理基础激光的产生及其物理基础自自然然界界中中的的一一切切物物质质都都是是由由原原子子组组成成。不不同同物物质质的的原原子子各各不不相相同同。原原子子由由一一个个带带正正电电荷荷的的原原子子核核和和若若干干个个带带负负电电荷荷的的电电子子组组成成。围围绕绕原原子子核核作作轨轨道道运运动动的的电电子子的的运运动动轨轨道道不不是是连连续续可可变变的的，电电子子只只能能沿沿着着某某些些可可能能的的轨轨道道绕绕核核运运转转，而而不不能能具具有有任任意意的的轨轨道道。但但可可以以在在外外界界作作用用下下，从从一一个轨道跳到另一个轨道，这种过程称为个轨道跳到另一个轨道，这种过程称为跃迁跃迁。由由于于电电子子轨轨道道与与轨轨道道之之间间是是不不连连续续的的，并并且且每每一一轨轨道道具具有有确确定定的的能能量量。它它的的能能量量也也是是不不连连续续的的，离离核核较较近近的的轨轨道道对对应应的的能能量量较较小小，离离核核较较远远的的轨轨道道所所对对应应的的能能量量较较大大，原原子子的的这这一一内内部部能能量量值值称称为为原原子子的的一一个个能能级级。通通常常我我们们用用若干水平线来表示电子所处的状态，这就是所谓的能级图。若干水平线来表示电子所处的状态，这就是所谓的能级图。4图图3-1 能级图能级图5跃迁跃迁 如如果果原原子子中中的的两两个个能能级级满满足足一一定定的的条条件件，则则可可能能出出现现下述情况：下述情况：一一个个处处于于高高能能级级E2的的电电子子子子，发发射射一一个个能能量量为为EhfE2E1的光子，结果这个电子回到低能级的光子，结果这个电子回到低能级E1。一一个个处处于于低低能能级级E1的的电电子子，从从外外界界吸吸收收一一个个能能量量为为Ehf=E2E1的光子，结果这个电子被激发到高能级的光子，结果这个电子被激发到高能级E2。这这种种电电子子由由于于发发射射或或吸吸收收光光子子而而从从一一个个能能级级改改变变到到另另一一个个能能级级称称为为辐辐射射跃跃迁迁。但但原原子子发发射射或或吸吸收收光光子子，只只能能出出现在某些特定的能级之间。现在某些特定的能级之间。6受激吸收和受激辐射受激吸收和受激辐射当当处处于于低低能能级级E1的的电电子子，受受到到光光子子能能量量恰恰好好为为E=hf=E2E1的的外外来来入入射射光光的的照照射射时时，电电子子吸吸收收一一个个这这种种光光子子，而跃迁到高能级而跃迁到高能级E2，这称为光的，这称为光的受激吸收受激吸收，如图，如图3-2(a)所示。所示。当当处处于于高高能能级级E2的的电电子子，在在受受到到光光子子能能量量恰恰好好为为E=hf=E2E1的的外外来来入入射射光光的的照照射射时时，电电子子在在入入射射光光子子的的刺刺激激下下，跃跃迁迁回回到到低低能能级级E1，而而且且辐辐射射出出一一个个与与入入射射光光子子有有相相同同频频率率、相相同同相相位位和和相相同同传传播播方方向向的的光光子子，这这种种类类型型的的跃迁称为受激跃迁，其辐射称为跃迁称为受激跃迁，其辐射称为受激辐射受激辐射。7图图3-2 光的受激吸收和辐射光的受激吸收和辐射8粒子数反转分布粒子数反转分布在在通通常常情情况况下下，处处于于高高能能级级的的粒粒子子数数总总是是远远少少于于处处于于低能级上的粒子数，这种状态称为低能级上的粒子数，这种状态称为粒子数的正常分布粒子数的正常分布。由由于于低低能能级级上上的的电电子子数数较较多多，所所以以总总是是光光的的受受激激吸吸收收占占优优势势，也也就就是是光光总总要要受受到到衰衰减减。要要获获得得光光的的放放大大，必必须须设设法法使使光光的的受受激激辐辐射射占占优优势势。也也就就是是要要使使电电子子在在能能级级上上的的分分布布一一反反常常态态，使使处处于于高高能能级级上上的的电电子子数数目目远远多多于于低低能能级级的的电电子子数数目目，这这可可以以给给予予额额外外的的能能量量，把把处处于于低低能能级级的的电电子子激激发发到到高高能能级级上上去去。这这种种处处于于高高能能级级的的电电子子数数量量多多于于低低能级电子数量的分布叫做能级电子数量的分布叫做“粒子数反转分布粒子数反转分布”。9粒子数反转分布必要条件：多能级物质粒子数反转分布必要条件：多能级物质用用hf31E3E1的的外外界界激激励励去去激激发发激激光光物物质质时时，处处在在低低能能级级E1上上的的电电子子被被激激发发到到了了高高能能级级E3上上，但但因因在在E3能能级级上上寿寿命命很很短短，很很快快跃跃迁迁到到亚亚稳稳态态级级E2上上，结结果果在在E2与与E1之之间间形形成成“粒粒子子数数反反转转分分布布”。这这种种处处于于E2亚亚稳稳能能级级上上的的电电子子是是不不稳稳定定的的，它它可可以以自自发发跃跃迁迁到到低低能能级级E1而而辐辐射射出出频频率率为为f21E2 E1h的光子。的光子。10粒子数反转分布形成示意图粒子数反转分布形成示意图11激光的形成激光的形成有有了了“粒粒子子数数反反转转分分布布”的的条条件件，就就能能实实现现光光的的放放大大，又又如如何何使使光光的的放放大大转转为为光光的的振振荡荡，成成为激光光源呢？为激光光源呢？把把激激光光物物质质放放置置在在由由两两个个反反射射镜镜组组成成的的光光谐谐振振腔腔之之间间，利利用用两两个个面面对对面面的的反反射射镜镜来来实实现现光光的的反反馈馈放放大大，使使其其产产生生振振荡荡。光光谐谐振振腔腔的的轴轴线线与与激激光光物物质质的的轴轴线线相相合合。其其中中一一个个反反射射镜镜(M1)要要求求有有100%的的反反射射率率，另另一一个个(M2)要要有有95左左右右的的反反射射率，即允许有部分的光透射。率，即允许有部分的光透射。12图图3-3 激光的形成激光的形成13形成激光的三个必要条件形成激光的三个必要条件激激 光光 LASER是是 受受 激激 辐辐 射射 的的 光光 放放 大大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）的的缩缩写。用来产生激光的装置，就叫做激光器。写。用来产生激光的装置，就叫做激光器。由由此此可可见见，任任何何一一种种激激光光器器，都都必必须须包包括括下下列列三三个个最最基本的部分：基本的部分：o 工作物质工作物质激光器的组成核心，也就是发光物质。激光器的组成核心，也就是发光物质。o 光学共振腔光学共振腔形成激光振荡，输出激光。形成激光振荡，输出激光。o 激激励励系系统统将将各各种种形形式式的的外外界界能能量量转转换换成成激激光光光光能能，通常是激光器的电源。通常是激光器的电源。142.半导体激光器的基本原理半导体激光器的基本原理 用用半半导导体体材材料料做做激激光光物物质质的的激激光光器器，称称为为半半导导体体激激光光器器。能能够够产产生生受受激激辐辐射射的的半半导导体体材材料料有有许许多多，而而当当前前在在光光纤纤通通信信方方面面用用得得较较多多的的是是砷砷化化镓（镓（GaAs）半导体激光器。）半导体激光器。半半导导体体材材料料是是一一种种单单晶晶体体。在在晶晶体体中中，原原子子是是紧紧密密地地按按照照一一定定规规则则排排列列。各各原原子子最最外外层层的的轨轨道道互互相相重重迭迭，使使半半导导体体材材料料的的能能级级已已不不像像前前述述的的单个原子那样的分立的能级，而变成了单个原子那样的分立的能级，而变成了能带能带。15补充知识：泡利不相容原理补充知识：泡利不相容原理泡泡利利不不相相容容原原理理：每每个个能能级级只只允允许许两两个个自自旋旋相反的电子占有相反的电子占有。根根据据泡泡利利不不相相容容原原理理，固固体体材材料料中中电电子子的的基基态态能能级级和和激激发发态态能能级级将将分分裂裂成成能能带带。对对半半导导体体，基基态态能能级级分分裂裂成成价价带带，激激发发态态能能级级分分裂裂成成导导带带。价价带带和和导导带带之之间间存存在在一一个个电电子子不不能能具具有有的的能能量量区区间，称为间，称为禁带禁带。16图图3-5 半导体能带图半导体能带图17半导体激光器工作原理半导体激光器工作原理半半导导体体激激光光器器的的核核心心部部分分是是一一个个PN结结。这这个个PN结结是是高高度度掺掺杂杂的的，P型型半半导导体体中中空空穴穴极极多多，N型型半半导导体体中中自由电子极多。自由电子极多。半半导导体体中中的的载载流流子子是是由由导带电子和价带空穴产生的。导带电子和价带空穴产生的。导带价带EgEvEc禁带导带电子价带空穴18图图3-6 高掺杂的高掺杂的PN结结19势垒的形成势垒的形成高高掺掺杂杂的的PN结结中中，N区区的的电电子子向向P区区扩扩散散，在在靠靠近近界界面面的的地地方方剩剩下下带带正正电电的的离离子子。P区区的的空空穴穴向向N区区扩扩散散，在在靠靠近近界界面面的的地地方方剩剩下下带带负负电电的的离离子子。因因此此在在P型型和和N型型半半导导体体交交界界的的两两侧侧形形成成了了带带相相反反电电荷荷的的区区域域，称称为为“空空间间电电荷荷区区”。在在P型型和和N型型半半导导体体交交界界的的两两侧侧形形成成了了一一个个电电场场叫叫“自自建建场场”。方方向向由由N区区指指向向P区区。与与此此相相应应，在在结结的的两两边边产产生生一一个个电电位位差差VD叫叫做做势势垒垒，它它阻阻碍碍空空穴穴和和电电子子进进一一步步扩扩散散，最后达到平衡。最后达到平衡。由由于于势势垒垒VD的的存存在在，使使得得P区区的的能能级级比比N区区提提高高了了eVD(e是是电电子子能能量量)。由由于于高高度度掺掺杂杂，空空间间电电荷荷区区的的正正负负电电荷荷很很多多，势势垒垒VD很很大大，以以使使N型型半半导导体体的的导导带带的的底底部部能能级级(EC)N。比比P型半导体价带顶部能级型半导体价带顶部能级(EV)P还要低。还要低。20费米能级费米能级能能级级越越低低，电电子子占占据据的的可可能能性性就就越越大大，理理论论分分析析指指出出：存存在在着着某某一一能能级级EF，叫叫做做费费米米能能级级。对对于于EF以以下下的的所所有有能能级级，例例如如在在N区区导导带带中中EF和和(EC)N之之间间各各能能级级电电子子占占据据的的可可能能性性大大于于12。对对于于EF以以上上的的所所有有能能级级，则则在在P区区价价带带中中，EF和和(EV)P之之间间各各能能级级电电子子占占据据的的可可能能性性小小于于12。总总的的来来说说，N区区导导带带底底(EC)N以以上上到到费费米米能能级级EF之之间间这这个个区区域域内内的的电电子子数数多多于于P区区价价带带顶以下到费米能级顶以下到费米能级EF以上区域内的电子数。以上区域内的电子数。21图图3-7 外加正向电压时的外加正向电压时的PN结结22图图3-7 外加正向电压时的外加正向电压时的PN结结23正向电压减小和抵消势垒作用正向电压减小和抵消势垒作用当当外外加加正正向向电电压压时时，这这个个电电压压抵抵消消了了一一部部分分势势垒垒，使使势势垒垒降降低低。所所加加的的正正向向电电压压破破坏坏了了原原来来的的平平衡衡，使使费费米米能能级级分分离离。在在N区区(EF)N以以下下各各能能级级，电电子子占占据据的的可可能能性性大大于于12。在在P区区对对于于(EF)P以以上上的的各各能能级级，空空穴穴占占据据的的可可能能性性大大于于12，因因此此，当当 PN结结上上加加足足够够的的正正向向电电压压，保保证证电电流流足足够够放放大大时时，P区区的的空空穴穴和和N区区中中的的电电子子大大量量地地注注入入结结区区，在在PN结结的的空空间间电电荷荷区区附附近近就就存存在在一一个个电电子子反反转转分分布布的的区区域域，这这个个区区域域叫叫做做“有有源源区区”或或“作作用用区区”。在在有有源源区区内内，由由于于电电子子数数反反转转分分布布，在在自自发发辐辐射射的的激激发发下下，产产生生的的受受激激辐辐射射大大于于受受激激吸吸收收。一一个个光光子子会会不不断断激激发发出出更更多多完完全全相相同同的的光子，起了光放大作用。光子，起了光放大作用。24阈值（阈值（threshold value）只只有有足足够够大大的的正正向向电电压压，保保证证电电流流足足够够大大时时，才才能能产产生激光。生激光。当当电电流流较较小小时时，注注入入结结区区的的电电子子和和空空穴穴也也较较少少，辐辐射射小小于于吸吸收收，增增益益系系数数G0，只只能能出出现现普普通通的的荧荧光光。电电流流逐逐渐渐加加大大，注注入入结结区区的的电电子子和和空空穴穴增增多多，到到了了G0，就就出出现现光放大现象。这时发射很亮的荧光。光放大现象。这时发射很亮的荧光。如如果果增增益益不不足足以以克克服服谐谐振振腔腔的的损损耗耗，仍仍不不能能在在腔腔内内产产生生振振荡荡。只只有有当当注注入入的的电电流流增增大大到到增增益益足足以以补补偿偿损损耗耗时时，才才能能产产生生谱谱线线尖尖锐锐、模模式式明明确确的的振振荡荡。刚刚开开始始产产生生激激光光的的电流称为激光器的电流称为激光器的阈值电流阈值电流。25图图3-8 注入电流与光功率的关系注入电流与光功率的关系26异质结半导体激光器异质结半导体激光器 上上面面分分析析的的半半导导体体激激光光器器，P区区和和N区区是是同同一一种种物物质质砷砷化化镓镓（GaAs），故故称称为为同同质质结结半半导导体体激激光光器器，其其阈阈值值电电流流密密度度Jth很很大大（室室温温下下Jth5104Acm-2），难难以以在室温条件下连续工作。在室温条件下连续工作。为为了了提提高高激激光光器器的的功功率率和和效效率率，降降低低阈阈值值电电流流，使使用用了了异异质质结结的的半半导导体体激激光光器器。所所谓谓“异异质质结结”，就就是是由由两两种种材材料料（例例如如砷砷化化镓镓 GaAs 和和砷砷镓镓铝铝 GaAlAs 两两种种材材料料）构构成成的的PN结结。采采用用异异质质结结结结构构后后，Jth可可降降至至约约 103Acm-2 量级。量级。273.半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性（1）阈值）阈值（2）激光器效率）激光器效率（3）温度特性）温度特性（4）纵模特性光谱特性）纵模特性光谱特性28（1）阈值）阈值半半导导体体激激光光器器是是一一个个阈阈值值器器件件，它它的的工工作作状状态态随随注注入入电电流流的的不不同同而而不不同同。当当外外加加激激励励的的能能源源功功率率（一一般般为为电电能能源源）超超过过某某一一临临界界值值时时，激激光光物物质质中中的的粒粒子子数数反反转转达达到到了了一一定定程程度度，激激光光器器才才能能克克服服光光谐谐振振腔腔内内的的损损耗耗而而产产生生激激光光。此临界值就称为激光器的阈值。此临界值就称为激光器的阈值。激激光光器器的的阈阈值值主主要要是是指指阈阈值值电电流流Ith。当当注注入入电电流流大大于于Ith时时，激激光光器器激激发发出出激激光光。在在实实际际使使用用中中，外外加加激激励励能能源源刚达到阈值时虽有激光输出但很弱。刚达到阈值时虽有激光输出但很弱。对对激激光光器器而而言言，希希望望其其阈阈值值电电流流越越小小越越好好，因因为为阈阈值值电流小，要求的外加激励能源就小，激光器本身发热就少。电流小，要求的外加激励能源就小，激光器本身发热就少。29（2）激光器效率）激光器效率可用功率转换效率和量子效率衡量激光器转换效率的高低。可用功率转换效率和量子效率衡量激光器转换效率的高低。功功率率转转换换效效率率定定义义为为：输输出出光光功功率率与与消消耗耗的的电电功功率率之之比比，表示式为：表示式为：式中：式中：Pex激光器发射的光功率激光器发射的光功率Vj激光器的结电压（激光器的结电压（PN结正向电压）结正向电压）Rs激光器的串联电阻（包括半导体材料电阻和接触电阻）激光器的串联电阻（包括半导体材料电阻和接触电阻）I注入电流注入电流量子效率定义为：输出光子数与注入电子数之比，表示为量子效率定义为：输出光子数与注入电子数之比，表示为 30（3）温度特性）温度特性半半导导体体激激光光器器的的阈阈值值电电流流、输输出出光光功功率率和和发发光光波波长长随随温温度度而变化的特性称为温度特性。而变化的特性称为温度特性。阈阈值值电电流流随随温温度度的的升升高高而而加加大大。这这是是因因为为温温度度上上升升使使异异质质结结势势垒垒的的载载流流子子限限制制作作用用下下降降，因因此此激激光光器器的的阈阈值值电电流流增增大大。阈值电流与温度的变化关系可以表示为：阈值电流与温度的变化关系可以表示为：(3-4)式式中中：T为为器器件件的的绝绝对对温温度度，I0为为常常数数，T0为为激激光光器器材材料料的的特特征征温温度度。对对于于GaAs-GaAlAs半半导导体体激激光光器器，T0100150K，InGaAsP-InP激激光光器器T04070K。T0越越大大，器器件件的的温温度度特特性性越越好。好。半半导导体体激激光光器器的的阈阈值值电电流流还还与与其其器器件件的的老老化化程程度度有有关关。随随着激光器工作时间增长，器件老化，其阈值电流不断增加。着激光器工作时间增长，器件老化，其阈值电流不断增加。31图图3-13 不同温度下激光器的不同温度下激光器的P-I曲线曲线32图图3-14 P-I特性曲线随器件老化变化情况特性曲线随器件老化变化情况注入电流注入电流33半半导导体体激激光光器器的的纵纵向向光光场场不不是是以以行行波波形形式式传传输输，而而是是成成驻驻波波形形式式振振荡荡。因因此此，激激光光器器输输出出的的是是一一系系列列模模式式明明确确，谱谱宽宽很很窄窄，功功率率不不同同尖尖锐锐的的谱谱线线，称称为为激激光器的纵模。光器的纵模。对对于于半半导导体体激激光光器器，当当注注入入电电流流低低于于阈阈值值时时，发发射射光光谱谱以以自自发发辐辐射射为为主主，发发出出的的是是荧荧光光，谱谱宽宽很很宽宽，其其光光谱谱宽宽度度常常达达数数十十nm。当当注注入入电电流流大大于于阈阈值值后后，谐谐振振腔腔里里的的增增益益大大于于损损耗耗，激激光光器器产产生生激激光光振振荡荡，输输出出光光谱谱呈呈现现出出以以一一系系列列振振荡荡模模式式纵纵模模。其其发发射射光光谱谱变变窄窄，谱谱线线中中心心强强度度急急剧剧增增加加，激激光光器器输输出出功功率率越越大大，其发射光谱越窄，谱线中心强度越大。其发射光谱越窄，谱线中心强度越大。（4）纵模特性光谱特性）纵模特性光谱特性 34图图3-16 半导体激光器的输出光谱半导体激光器的输出光谱a）低于阈值 b）高于阈值 c）单纵模LD35图图3-18 激光器光束空间分布激光器光束空间分布364.单纵模半导体激光器单纵模半导体激光器 普普通通的的F-P腔腔激激光光器器采采用用自自然然解解理理的的反反射射镜镜实实现现光光反反馈馈，这这种种激激光光器器端端面面光光反反馈馈不不具具有有波波长长选选择择性性，其其模模选选择择性性差差，为为多多纵纵模模输输出出。可可以以在在激激光光器器中中引引入入光光栅栅，利利用用光光栅栅对对光光波波长长的的选选择择性性反反馈馈来来提提高高模模的的选选择择性性，实实现现单单纵纵模模输输出出，这这种种激激光光器器称称为为分分布布反反馈馈（DFB）激激光光器器。DFB激激光光器器在在靠靠近近有有源源层层沿沿长长度度方方向向刻刻有有波波纹纹状状的的光光栅栅。其其光光的的反反馈馈是是通通过过折折射射率率周周期期性性变变化化的的光光栅栅产产生生的的布布拉拉格格衍衍射射得得到到，并并使使正正向向和和反反向向传传播播的的光光波波相相互互耦耦合合使使其其产产生生激激光光振振荡荡。光光的的反反馈馈是是沿沿有有源源层层在在整整个个光光腔腔长长度度上上分分布布进进行行的的，所以称为分布反馈（所以称为分布反馈（DFB）激光器。）激光器。37DFB和和DBR激光器结构示意激光器结构示意383.1.2 半导体发光二极管半导体发光二极管 除除了了半半导导体体激激光光器器（LD）外外，半半导导体体发发光光二二极极管管（LED）是另一种常用的光源器件。）是另一种常用的光源器件。LED的的工工作作原原理理与与LD基基本本相相同同，只只是是结结构构上上有有所所区别。区别。LED也也采采用用双双异异质质结结的的结结构构，但但没没有有谐谐振振腔腔，它它发发出出的的是是自自发发辐辐射射光光，而而不不是是激激光光，其其光光谱谱线线宽宽度度比比LD的的谱谱线线宽宽度度要要宽宽，因因而而色色散散较较大大，传传输输带带宽宽小小，发发出出的的功功率率小小。但但是是LED的的结结构构比比较较简简单单，价价格格低低，发发射射功功率率与与温温度度的的关关系系小小，性性能能较较稳稳定定，因因此此在在小小容容量量、短距离的光纤通信系统中得到广泛的应用。短距离的光纤通信系统中得到广泛的应用。39图图3-22 双异质结发光二极管结构双异质结发光二极管结构a)面发光型 b)边发光型40LED的工作特性的工作特性与与半半导导体体激激光光器器的的P-I特特性性相相比比，LED没没有有阈阈值值，其其线线性性范范围围较较大大。在在注注入入电电流流较较小小时时，曲曲线线基基本本上上是是线线性性的的，当当注注入入电电流流较较大大时时，由由于于PN结结的发热而出现饱和现象。的发热而出现饱和现象。41图图3-23 LED的的P-I特性特性42发光二极管辐射图形发光二极管辐射图形43第三章第三章 光源和光发送机光源和光发送机3.1 半导体激光器和发光二极管半导体激光器和发光二极管3.2 光源调制光源调制3.3 光发送机光发送机443.2 光源调制光源调制要要实实现现光光纤纤通通信信，首首先先要要解解决决如如何何将将光光信信号号加加载载到到光光源源的的发发射射光光束束上上，即即需需要要进进行行光光调调制制。经经调调制制后后的的光光波波经经过过光光纤纤送送至至接接收收端端，进进行行光光解解调，还原出原来的信号。调，还原出原来的信号。453.2.1 光源的调制方式光源的调制方式光光源源调调制制可可以以分分为为直直接接调调制制和和间间接接调调制制。这这里里的的直直接接和和间间接接可可以以理理解解为为调调制制信信号号加加载载在在光光载载波的方式。波的方式。461.直接调制直接调制直直接接调调制制方方法法仅仅适适用用于于半半导导体体光光源源（LD和和LED），这这种种方方法法是是把把要要传传送送的的信信息息转转变变为为电电流流信信号号注注入入LD或或LED，从从而而获获得得相相应应的的光光信信号号。光光纤纤通通信信系系统统中中传传播播的的光光，可可以以视视为为光光频频载载波波，电电信信号号对对光光源源器器件件的的直直接接调调制制方方式式，使使光光源源发发出出的的光光载载波波功功率率大大小小在在时时间间上上随随驱驱动动电电流流变变化化而而变变化化。这这种种方方式式是是直直接接/强强度度调调制制，简简称称IM（Intensity Modulation）。）。472.间接调制间接调制间间接接调调制制是是利利用用晶晶体体的的光光电电效效应应、磁磁光光效效应应、声声光光效效应应等等性性质质来来实实现现对对激激光光辐辐射射的的调调制制。这这种种调调制制方方式式既既适适用用于于半半导导体体激光器，也适用于其它类型的激光器。激光器，也适用于其它类型的激光器。间间接接调调制制最最常常用用的的是是外外调调制制的的方方法法，即即在在激激光光形形成成后后加加载载调调制制信信号号。它它是是在在激激光光器器谐谐振振腔腔外外的的光光路路上上放放置置调调制制器器，在在调调制制器器上上加加调调制制信信号号电电压压，使使调调制制器器的的某某些些物物理理特特性性发发生生相相应应的的变化，当由光源发出的激光通过它时，得到调制。变化，当由光源发出的激光通过它时，得到调制。直直接接调调制制会会引引入入频频率率啁啁啾啾，即即光光脉脉冲冲的的载载频频随随时时间间变变化化。由由于于带带啁啁啾啾的的光光脉脉冲冲在在光光纤纤中中传传输输时时会会加加剧剧色色散散展展宽宽，因因此此对对于于传传输输速速率率达达到到10Gbit/s及及以以上上系系统统需需要要考考虑虑采采用用间间接接调调制制，此此外相干光通信系统也需要采用间接调制。外相干光通信系统也需要采用间接调制。483.2.2 光源的直接调制原理光源的直接调制原理 直直接接调调制制方方法法只只适适用用于于半半导导体体激激光光器器和和发发光光二二极极管管。这这是是因因为为发发光光二二极极管管和和激激光光器器的的输输出出光光功功率率（对对激激光光器器来来说说，是是指指阈阈值值以以上上的的线线性性部部分分）基基本本上上与与注注入入电电流流成成正正比比，而而且且电电流流的的变变化化转转换换为为光光频频调调制制也也是是线线性性调调制制，所所以以可可以以通通过过注注入入电电流来实现光强度调制。流来实现光强度调制。49图图3-27 模拟信号调制原理模拟信号调制原理50图图3-28 数字信号调制原理数字信号调制原理51第三章第三章 光源和光发送机光源和光发送机3.1 半导体激光器和发光二极管半导体激光器和发光二极管3.2 光源调制光源调制3.3 光发送机光发送机523.3 光发送机光发送机光光端端机机主主要要由由光光发发送送机机、光光接接收收机机和和辅辅助助电电路路三三大大部部分分组组成成。由由图图3-29可可知知，光光发发送送机机由由输输入入接接口口，光光线线路路码码型型变变换换和和光光发发送送机机等等组组成成。光光接接收收机机由由光光接接收收、定定时时再再生生、光光线线路路码码型型反反变变换换和和输输出出接接口口等等组组成成。光光端端机机中中的的辅辅助助电电路路由由公公务务、监监控控、告告警警、输输入入分分配配、倒倒换换、区区间间通通信信等等组组成成。此此外外，不不论论是是光光发发送送机机、光光接接收收机机还还是是辅辅助助电电路路，都都必必须须有有电电源源转转换换，将将通通信信机机房中的直流电源转换为光端机所需的电源。房中的直流电源转换为光端机所需的电源。53图图3-29 光端机功能原理框图光端机功能原理框图54典型的多路数字传输系统典型的多路数字传输系统(视频、音频、视频、音频、数据信号数据信号)553.3.1 光端机主要构成及其作用光端机主要构成及其作用o 输入接口输入接口o 光线路码型变换光线路码型变换o 光发送电路光发送电路o 光接收电路光接收电路o 定时再生定时再生o 光线路码型反变换光线路码型反变换o 输出接口输出接口o 公公务务、监监控控、告告警警、倒倒换换、输输入入分分配配、区区间间通通信信、电电源源等等 563.3.2 光发送机光发送机光光发发送送机机由由输输入入电电路路和和光光发发送送电电路路组组成成。输输入入电电路路由由输输入入接接口口电电路路与与光光线线路路码码型型变变换换电电路路组组成成。光光发发送送电电路路的的主主要要作作用用是是将将经经过过线线路路编编码码的的电电信信号号对对光光源源进进行行调调制制，即即完完成成电电光光变变换换，并并从光源的尾纤送出光信号从光源的尾纤送出光信号注入光纤注入光纤线路。线路。571.输入电路输入电路输输入入电电路路由由输输入入接接口口电电路路与与光光线线路路码码型型变变换换电电路路组组成成。输输入入接接口口是是光光端端机机的的入入口口电电路路。PCM数数字字复复用用设备的输出信号经电缆连接到光端机的输入端。设备的输出信号经电缆连接到光端机的输入端。输输入入接接口口除除了了正正常常应应该该考考虑虑信信号号幅幅度度大大小小和和阻阻抗抗外外，特特别别应应注注意意信信号号脉脉冲冲码码型型。PCM电电端端机机输输出出码码型型(即即光光端端机机输输入入接接口口的的接接口口码码型型)为为双双极极性性码码，在在光光纤纤系系统统中中不不宜宜使使用用。所所以以，需需在在输输入入接接口口中中将将其其变变成成适适合合于光纤线路中传输的于光纤线路中传输的单极性码单极性码。58图图3-30 输入接口与码型变换框图输入接口与码型变换框图译码59线路码型变换线路码型变换普通的二进码普通的二进码(NRZ)在传输时会在传输时会存在存在下列下列问题问题：o 如如码码流流中中连连“0”，连连“1”数数太太大大，将将减减少少信信号号中中的的离散定时分量，使接收机的时钟提取比较困难。离散定时分量，使接收机的时钟提取比较困难。o 如如码码流流中中“0”，“1”分分布布不不均均匀匀，会会导导致致直直流流分分量量波动起伏，即基线漂移，影响判决电路对信号的再生。波动起伏，即基线漂移，影响判决电路对信号的再生。o 因因数数字字序序列列没没有有预预定定规规律律，不不可可能能在在运运行行时时进进行行不不中中断通信误码检测。断通信误码检测。为了解决上述问题，光纤线路为了解决上述问题，光纤线路码型码型要要特别设计特别设计。60线路码型选择原则线路码型选择原则o 传传输输码码型型有有足足够够的的定定时时含含量量，减减少少连连“0”和和连连“1”数数，便于时钟提取。便于时钟提取。o 传输码型应有不中断业务进行误码检测的能力。传输码型应有不中断业务进行误码检测的能力。o 传传输输码码型型应应力力求求降降低低线线路路传传输输的的码码率率，或或线线路路传传输输码码率率的提高应尽可能的少。的提高应尽可能的少。o 抗干扰性好，能使可检测的光功率减至最小。抗干扰性好，能使可检测的光功率减至最小。o 传输码型的实施，应力求简单和经济。传输码型的实施，应力求简单和经济。o 传输中发生误码时，误码扩散范围或误码增值低。传输中发生误码时，误码扩散范围或误码增值低。61常用的线路码型常用的线路码型o 扰码二进制扰码二进制o 字变换码字变换码o 插入型码插入型码 62扰码二进制扰码二进制扰扰码码二二进进制制即即是是将将输输入入的的二二进进制制NRZ码码进进行行扰扰码码后后输输出出仍仍为为二二进进制制码码。在在系系统统的的调调制制器器前前，加加一一个个扰扰码码器器，将将原原始始的的码码序序加加以以变变换换，使使其其接接近近于于随随机机序序列列，相相应应的的在在接接收收机机的的判判决决器器后后，附附加加一一个个解解扰扰器器，以以便便恢恢复复原原始始序序列列。扰扰码码可可以以改改变变码码流流中中的的“1”码码和和“0”码码的的分分布布，能能改改善善码码流的特性。流的特性。63字变换码字变换码字字变变换换码码是是将将输输入入二二进进制制码码分分成成一一个个个个“码码字字”，输输出出用用对对应应的的另另一一种种“码码字字”来来代代替替。常常用用的的是是分分组组码码的的一一种种型型式式mBnB码码，它它将将输输入入码码每每m比比特特为为一一组组，然然后后变变换换成成另另一一种种n比比特特为为一一组组的的传传输输码码。在在接接收收端端再再进进行行变变换换，从从而而恢恢复复为为原原来来的的信信号号。n、m均均为为正正整整数数，且且nm。于于是是引引进进了了一定的一定的富余度富余度，以满足线路码的基本要求。，以满足线路码的基本要求。64mBnB 码的编码原理码的编码原理 以以 3B4B 码来介绍码来介绍 mBnB 码的基本原理。码的基本原理。3B4B 码码，是是将将输输入入信信号号码码流流分分成成 3B（bit）一一组组，它它有有23=8种种状状态态，然然后后编编写写为为4B码码，有有24=16种种状状态态：我我们们从从16种种状状态态中中选选出出若若干干种种代代表表3B码的码的8种状态，如表种状态，如表3-1所示。所示。65表表3-1 3B和和4B的码字的码字 3B3B码码4B4B码码0 01 12 23 34 45 56 67 70000000010010100100110111001001011011101101111110 01 12 23 34 45 56 67 700000000000100010010001000110011010001000101010101100110011101118 89 9101011111212131314141515100010001001100110101010101110111100110011011101111011101111111166码字数字和码字数字和(WDS)如如果果用用“-1”表表示示字字中中的的“0”，用用“+1”表表示示字字中中的的“1”，则则将将每每个个数数字字的的代代数数和和“字字的的数数字字和和”记记为为“WDS”。例例如如：“1000”可可写写成成(+1)+(-1)+(-1)+(-1)-2，即即字字“1000”的的WDS-2。若若其其代代数数和和为为0时时，称为均等，其代数和为正或为负时，称为不均等。称为均等，其代数和为正或为负时，称为不均等。mBnB 码码的的基基本本原原理理就就是是通通过过采采取取交交替替使使用用不不同同模模式式的的编编码码，使使码码字字的的不不均均值值得得到到平平衡衡，以以限限制制整整个个传输码流的累计不均。传输码流的累计不均。67表表3-2 WDS值分类值分类类类 别别WDS=0WDS=0WDS=WDS=+2+2WDS=WDS=-2-2WDS=WDS=+4+4WDS=WDS=-4-4状态状态00110011010101010110011010011001101010101100110001110111101110111101110111101110000100010010001001000100100010001111111100000000683B4B编码方案编码方案使使用用的的mBnB码码的的基基本本原原理理是是通通过过限限制制字字数数字字和和来来满满足足传传输输要要求求的的。尽尽可可能能选选择择WDS最最小小的的码码字字，禁禁止止使使用用WDS最最大大的的码码字字。从从这这个个意意义义出出发发，在在选选用用4B码码代代替替3B码码时时最最好好的的是是WDS0的的码码字字，最最差差的的是是表表3-2中中的的1111，0000这这种种字字称为称为禁字禁字。693B4B码方案举例码方案举例3B4B码码方方案案很很多多，下下面面举举一一例例。如如表表3-3可可见见，一一组组3B码码有有两两组组4B码码与与它它对对应应。其其中中一一组组模模式式1，标标识识为为“”组组，WDS+2和和WDS0；另另一一组组模模式式2，标识为，标识为“组组”，WDS-2和和WDS0.编编码码时时，模模式式1和和模模式式2交交替替使使用用。标标识识“+”表表示示当当前前面面码码组组的的不不均均值值WDS为为“-”时时选选用用；标标识识“-”表表示示当当前前面面码码组组不不均均值值WDS为为“+”时时选选用用；当当前前面面码码值值不不均均值值为为“0”时时，则则选选用用与与前前一一码码组组相相同同的模式。的模式。70表表3-3 一种一种3B4B码表码表3B3B码码4B4B码码模式模式1“+”1“+”组组模式模式2“2“”组组码组码组WDSWDS码组码组WDSWDS000000001001010010011011100100101101110110