光发射机
光发射机
调制电路
UC LED C1 Uin R1 R2 V
数字信号Uin从三极管V的基极输入， 通过集电极的电流驱动LED。 数字信号“0”码和“1”码对应于 V的截止和饱和状态，电流的大小 根据对输出光信号幅度的要求确定。 这种驱动电路适用于10 Mb/s以下
的低速率系统，更高速率系统应采
用差分电流开关电路。 这种简单的驱动电路主要用于以发
对光发射机的要求主要的有以下四项指标。 (1) 输出光功率及其稳定性。发射机的输出光功率， 实 际上是从其尾光纤的出射端测得的光功率，因此应称为
出纤光功率。 光功率的单位为μW或mW。在工程用相
对值表示， 即相对于1 mW光功率的分贝数(1 mW光功 率定义为0 dB)，即：
P( mW) PT 10lg dBm 1( mW)
共发射极驱动电路
光二极管[WTBZ]LED作为光源的
光发射机。
调制电路
在V2基极上施加直流参考电压 UB， V2集电极的电压取决于 LD的正向电压，数字电信号 Uin从V1基极输入。 当信号为 “0”码时，V1基极电位比UB 高而抢先导通，V2截止， LD 不发光；反之，当信号为“１” 码时，V1基极电位比UB低， V2抢先导通，驱动LD发光。 V1和V2处于轮流截止和 非饱和导通状态，有利于提高 调制速率。当三极管截止频率 fr≥4.5 GHz时，这种电路的调 制速率可达300 Mb/s。
LD Ib Uin V1 Io V2 电流源 －UE
射极耦合LD驱动电路图
直接调制的特点： • 将要传送的信息转变为电流信号注入 LD或LED • 调制后的光波振幅的平方比例于调制信 号（强度调制） • 简单、经济、容易实现 • 响应带宽有限（~2.5Gb/s） • 引入调制啁啾
光发射机的组成
光发射机的组成光发射机是一种能够将电信号转换为光信号并发射出去的设备。
它由多个组件组成，包括激光器、调制器、光纤连接器和驱动电路等。
下面将详细介绍光发射机的组成。
首先是激光器。
激光器是光发射机的核心部件，用来产生一束高强度、高单色性的激光光束。
在光发射机中，常用的激光器有半导体激光器和气体激光器。
半导体激光器由半导体材料制成，工作原理是通过注入电流使半导体材料发生受激辐射，从而产生激光光束。
气体激光器则是利用充满气体的管子来产生激光。
接下来是调制器。
调制器是用来调制激光信号的光学器件，可以将电信号转换为光信号。
常见的调制器有电吸收调制器和电视调制器。
电吸收调制器是通过改变材料的吸收特性来实现光信号的调制，而电视调制器则是通过改变材料的折射率来实现光信号的调制。
光纤连接器是将光发射机与光纤连接起来的设备，用来传输光信号。
光纤连接器通常包括一个连接插头和一个连接座，通过插头和座的配对来实现光纤和光发射机之间的连接。
光纤连接器的设计和制造对光信号的传输质量有很大影响。
最后是驱动电路。
驱动电路是用来控制光发射机的工作状态和参数的电路。
它包括电源、电流源和温度控制器等组件。
驱动电路可以根据需要提供适当的电流和电压，以确保光发射机的正常工作。
总结一下，光发射机的组成包括激光器、调制器、光纤连接器和驱动电路等多个部件。
激光器用来产生高强度的激光光束，调制器用来将电信号转换为光信号，光纤连接器用来连接光纤和光发射机，驱动电路用来控制光发射机的工作状态和参数。
这些组件的协同工作使得光发射机能够将电信号转换为光信号并发射出去，实现高速、远距离的光通信。
光发射机的工作原理
光发射机的工作原理
光发射机是一种电光转换器，它能将电信号转换成光信号进行传输。
光发射机的光源通常使用半导体激光器，工作原理是利用电子和空穴在半导体材料中再获得光子激发，发射出单色、单波长、高亮度、高相干性的激光光束，进而将电信号转换为光信号。
具体来说，光发射机将电信号转换成光信号的过程可以从以下两个方面来描述：
一、激光器的工作原理
半导体激光器是光发射机的核心部件之一。
它是一种半导体器件，其内部通过激发电子跃迁的方式生成激光。
在激光器的内部，存在两种不同类型的半导体材料，即n型半导体和p型半导体。
当这两种半导体材料连接在一起时，会形成一个pn结，通过加上电压，可以在pn结的表面区域形成一个高浓度的电荷载流子区域，称为激活层。
当激活层中的电子受到足够能量的激发时，就会发生电子跃迁，从而释放出一个光子。
通过这样的过程，激光器内部就能够产生一束高强度、高亮度、单色、单波长的激光。
二、电光转换的过程
在光发射机内部，电光转换的过程是通过将电信号输入到激光器中来实现的。
当电信号通过外部输入，激光器内部就会对其进行加工处理，转换成相应的光信号。
具体来说，当电信号传入激光器中时，它会通过激活层中的电子跃迁，将电信号转换成相应的激光信号。
这样，电信号就被成功转换成了光信号，可以进行传输。
总的来说，光发射机是一种将电信号转换成光信号的装置。
它通过使用半导体激光器，将电子和空穴在半导体材料中再获得光子激发，发射出高亮度、高相干性的激光光束，进而将电信号转换为光信号，使之能够在光纤等介质中进行快速、高效的传输。
光发射机的关键指标
光发射机的关键指标光发射机是一种用于将电信号转换为光信号并发射出去的设备。
它是光纤通信系统中的重要组成部分，其关键指标直接影响着光通信的传输性能和质量。
本文将从光发射机的关键指标出发，依次介绍其作用、分类、参数以及对光通信系统的影响。
一、作用光发射机是将电信号转换为光信号的关键设备之一。
它的主要作用是将来自光源的电信号转换为光脉冲信号，并通过光纤传输到目标处。
光发射机作为光信号的发射源，直接决定了光通信系统的传输距离、传输速率以及抗干扰能力等重要性能指标。
二、分类根据不同的光源类型和工作原理，光发射机主要分为激光器发射机和 LED发射机两大类。
激光器发射机采用激光二极管作为光源，具有窄谱、高相干性和较高功率输出的特点，适用于高速、长距离的光通信传输；而LED发射机则采用发光二极管作为光源，具有较宽的光谱带宽和较低的功率输出，适用于短距离、低速的光通信传输。
三、关键指标1. 光发射功率：光发射功率是指光发射机发射的光信号的功率大小。
它直接决定了光信号在光纤中的传输损耗和接收端的接收灵敏度。
通常以毫瓦（mW）为单位进行表达。
2. 发射波长：发射波长是光发射机发射的光信号的波长。
不同的光纤通信系统对发射波长有不同的要求，常见的波长有850纳米（nm）、1310纳米（nm）和1550纳米（nm）。
发射波长的选择要根据光纤的材料和传输距离来确定。
3. 光发射机的调制方式：光发射机的调制方式决定了光信号的调制方式。
常见的调制方式有直接调制、外调制和内调制等。
不同的调制方式对光信号的传输速率和带宽有不同的要求。
4. 光发射机的频率响应：光发射机的频率响应是指光发射机对输入电信号的频率响应能力。
它直接影响着光信号的调制速率和带宽。
频率响应越宽，光发射机的传输速率和带宽就越高。
5. 发射端的光纤耦合效率：发射端的光纤耦合效率是指光发射机将发射的光信号有效地耦合到光纤中的能力。
它受到发射端光源的束缚效果、耦合器件的质量和光纤连接质量等因素的影响。
光发射机的工作原理
光发射机的工作原理
光发射机是一种利用光电效应将电能转化为光能的设备。
其工作原理基于能带理论和光电效应。
能带理论：由于固体中原子间的相互作用，原子能级分裂成可以容纳电子的能带。
在绝缘体中，价带与导带之间存在能隙，无法导电。
而在导体或半导体中，价带与导带之间能隙较小或没有，允许自由电子在带间跃迁，实现导电。
光电效应：当光照射到半导体材料表面时，光子会与材料中的电子发生相互作用。
如果光子的能量大于半导体材料的带隙能量，光子会激发电子从价带跃迁到导带，从而在导体中形成电流。
光发射机利用了以上原理进行工作。
它由一块半导体材料制成，其中加入了掺杂剂，使其具有双极性特性。
当外加电压作用于光发射机时，电子和空穴在半导体中重新组合，产生电流。
同时，电流激发半导体中的电子从导带跃迁到价带，释放出光子。
通过增加电流的大小，可以增加发射的光子数量，从而增加光发射机的亮度。
通过控制电流的大小和方向，光发射机可以实现不同的工作模式。
例如，当电流正向流动时，光发射机处于正向工作模式，会发射可见光。
而当电流反向流动时，光发射机处于反向工作模式，会发射红外光。
总之，光发射机的工作原理是利用能带理论和光电效应，通过
控制电流来激发半导体材料中的电子从导带跃迁到价带，从而发射光子。
光源和光发射机PPT课件
m
(c)纵模共振光谱
Z=x
m
(c)半导体激光器的输出光谱
22
图4.2.6 光在法布里珀罗(F-P) 谐振腔中的干涉
M1
反 射 镜
M2
Aa
反
射
镜
B
b
R1
L
R2
(a) 反射波干涉
m 1
m2
相1
对
强
m6
度
I
驻波
(b) 只有特定波长的驻波 允许在谐振腔内存在
vf
反射系数
R 0.8 R 0.4
vm
v vm1 vm vm1
M1
反 射 镜
M2
Aa
反
射
镜
B
b
R1
L
R2
反射波ห้องสมุดไป่ตู้互干涉
18
Fabry(1867~1945) Perot(1863~1925) 法国物理学家
19
法布里-珀罗（FabryPerot）光学谐振器
反射波相互干涉
M1
反 射 镜
M2
Aa
反
射
镜
B
b
R1
L
R2
镀有反射镜面的光学谐振腔只有在特定的频率内 能够储存能量，这种谐振腔就叫做法布里-珀罗 （Fabry-Perot）光学谐振器。
g
通常发射多个纵模的光
0
频率
半导体激光器的增益频谱 g() 相当宽（约10 THz），在 F-P 谐振
腔内同时存在着许多纵模，但只有接近增益峰的纵模变成主模。
在理想条件下，其它纵模不应该达到阈值，因为它们的增益总是比 主模小。实际上，增益差相当小，主模两边相邻的一、二个模与主 模一起携带着激光器的大部分功率。这种激光器就称作多模半导体 激光器。
光发射机
源接口等。
5. 1550 nm光发射机
1 550 nm光设备根据光调制方式分直接光强度调制和外调制两种。
直接光强度调制功率太小，且不能进行光放大，只能解调后再中
继。
外调制光发射机可采用EDFA（掺铒光纤放大器）作为放大传输中 继，考虑到SBS受限的原因，单级最长传输距离应在60 km范围以 内。 当需用EDFA中继时，一般最多级联数小于或等于3级。
型窗口设备； 1 310 nm采用是单模光纤零色散波长，采用直接调制的DFB 光发射机，一般中间无中继，传输范围在35 km以内。
பைடு நூலகம்
4. 1310 nm光发射机
如图为一典型1 310 nm光 发射机，其正面面板主要为 电源开关和液晶显示板； 背面从左至右主要为射频输
入信号的调节旋钮、射频输
入端子、网管RJ45接口、电
3. 光发射机的主要技术指标
光发射机的主要技术指标有： 输入射频电平 频率范围 输入反射损耗 载噪比C/N 载波组合三阶差拍比C/CTB 载波组合二阶差拍比C/CSO
输出光功率
光链路损耗
光调制方式
光连接器形式
4. 1310 nm光发射机
目前，有线电视用的光发射机有1 310 nm和1 550 nm两种典
5. 1550 nm光发射机
如图为一典型1 550 nm光 发射机，其正面面板主要有 网管接口、电源开关和液晶 显示板、测试接口等；
背面从左至右主要为射频输
入端子、信号的调节旋钮、
光接口、电源接口等。
谢谢
《广电网络工程综合实训》 课程
光发射机
目 录
01 02 03 04 05
光发射机的功能
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。
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r
[ 1
sp ph
(
j jth
1)]1 2
o 2 sp
jth j
td
sp ln
j j jth
(4.1) (4.2) (4.3)
式中，τo是张弛振荡幅度衰减到初始值的1/e的时间，j和jth分别 为注入电流密度和阈值电流密度。τsp和τph分别为电子自发复合寿 命和谐振腔内光子寿命。在典型的激光器中，τsp≈10-9s, τph≈10-12s，
两个连“1”的现象
电流脉冲
光脉冲
当第一个电流脉冲过后，存储在有源区的电荷以指数形式衰减，回到 初始状态有一个时间过程sp，如果调制速率很高，脉冲间隔小于sp ， 会使第二个电流脉冲到来时，前一个电流脉冲注入的电荷并没有完全 复合消失，有源区的存储电荷起到直流预偏置的作用，于是第二个光 脉冲延迟时间减小，输出光脉冲的幅度和宽度增加。
的性能。 电路的设计应以光源为依据，使输出光信号准确反映输入电信号。
输入 接口
电信号输入
线路 编码
调制 电路
光 源
光信号输出
图4.2 数字光发射机方框图
路
图4.2 数字光发射机方框图
光 源
控制电路
1. 线路编码电路
电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码， 而光源不能发射负脉冲，要变换为适合于光纤传输 的单极性码
“码型效应”的特点是：在脉冲序列中较长的连“0” 码后出现的“1”码，其脉冲明显变小，而且连“0”码 数目越多，调制速率越高，这种效应越明显。用适当的 “过调制”补偿方法，即补充一个负脉冲，可以消除码 型效应
2ns
通过LD速率方程组的瞬态解得到的张弛振荡频率ωr及其幅度衰减 时间τo和电光延迟时间td的表达式为：
(ATC)
——控制电路的作用
输入 接口
电信号输入
线路 编码
调制 电路
图4.2 数字光发射机方框图
光 源
控制电路
输入 接口
电信号输入
线路 编码
调制 电路
图4.2 数字光发射机方框图
光 源
控制电路
3. 光源
对通信用光源的要求如下
(1) 发射的光波长应和光纤低损耗“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
2. 电光延迟和张弛振荡现象
当电流脉冲注入激光器后，
输出光脉冲会出现幅度逐
半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光渐衰脉减冲的瞬振态荡，响称为张弛
应波形如图4.3所示。
振荡，其振荡频率 fr(=ωr/2π)一般为0.5~2 GHz
输出光脉冲和注
入电流脉冲之间
存在一个初始延
迟时间，称为电 光延迟时间τd， 其数量级一般为
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， 以满足系统的大传 输容量的要求。 (4)器件应能在常温下以连续波方式工作， 要求温度稳定性好， 可靠性高，寿命长。 (5)此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。
• 当激光器的驱动电流大于阈值电流Ith时， 输出光功率P和驱动电流I基本上是线性关系
•输出光功率和输入电流成正比，输出光信号反映输入电信号
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、 张弛振荡和自脉动 现象。
这些特性严重限制系统传输速率和通信质量， 因此在电路的设计时要给予充分考虑。
ns
电脉冲
d
图 4.3 光脉冲瞬态响应波形
光脉冲
电光延迟：当在PN结两端注入电流，会产生“电子-空穴”对， 但是，只有当“电子-空穴”对浓度达到一定数值后才会发生 受激辐射，因此从注入电流，到有光信号输出，需要一段时间。
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。
以上各项中，调制速率、谱线宽度、输出光功率和光束方 向性，直接影响光纤通信系统的传输容量和传输距离，是 光源最重要的技术指标。
4.1.2 调制特性
p
1、直接光强数字调制原理
p
输出光信号
输出光信号
I
Ith Ib
I
t
Iin
输入电信号
输入电信号
Iin
（a） LED数字调制原理
(b) LD的数字调制原理
本章目录
4.1 光发射机 4.2 光接收机 4.3 线路编码
数字光发射机和数字光接收机
4.1 光发射机
功能
电端机输出的数字基带电信号转换为光信号 用耦合技术注入光纤线路 用数字电信号对光源进行调制
4.1.1 光发射机的基本组成
数字光发射机主要有光源和电路两部分。 光源是实现电/光转换的关键器件，在很大程度上决定着光发射机
即τsp>>τph。
张弛振荡频率
[ 1
sp ph
(
j jth
1)]1 2
r j
幅度衰减时间
o 2 sp
jth j
0
1 j
电光延迟时间
d
sp ln
j j jth
j
jth时， d
1 j
增加注入电流密度 j，可以使得 r ， 0 ， d
增加注入电流j，有利于提高张弛振荡频率ωr，减小其幅度衰减 时间τo，以及减小电光延迟时间τd，因此对LD施加偏置电流是 非常必要的。
张弛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弛振荡频率时，波形失真严重，会使 光接收机在抽样判决时增加误码率，因此实际使用的最高调 制频率应低于张弛振荡频率。
电光延迟要产生码型效应
T 2
电光延迟时间过长
电脉冲
d
光脉冲
当电光延迟时间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， 这种现象称为“码型 效应”。
PN结两端 的注入电流
调制电流 保证光脉冲达到一定幅度 偏置电流 影响高速调制性能
2. 调制电路和控制电路
直接调制是对光源的驱动电流调制，使得光纤中传输的光信号
携带所需的信息
——直接调制电路的作用
LD的性能对温度非常敏感，并且长时间的连续发光会使器件老化，
控制电路就是用来消除温度变化和器件老化带来的影响，给激光
器 提 供 稳 定 的 工 作 环 境 。 自 动 功 率 控 制 (APC) 和 自 动 温 度 控 制