最新光发射机与光接收机
光接收机的应用与原理
光接收机的应用与原理一、光接收机的概述光接收机是光通信系统中至关重要的组成部分，用于接收光信号并将其转换为电信号。
它在光纤通信、光无线通信等领域广泛应用，成为现代通信技术的重要支撑。
二、光接收机的原理光接收机的基本原理是利用光电二极管将光信号转换为电信号。
光电二极管是一种能够将光能转化为电能的器件，它的结构类似于半导体二极管。
当光子入射到光电二极管的PN结上时，会激发电子从价带跃迁到导带，产生电流。
这个电流的大小与入射光子的能量有关，所以可以借此将光信号转换为电信号。
三、光接收机的工作原理光接收机主要通过以下几个步骤将光信号转换为电信号：1.光接收：接收器接收到入射光信号，光子入射到光电二极管上；2.光电转换：光电二极管将光子能量转换为电子能量，激发电子从价带跃迁到导带；3.电荷放大：电荷放大器将产生的微弱电流放大为可以被检测的电信号；4.信号处理：经过信号处理电路，将电信号进行滤波、放大、整形等处理；5.输出：最终将处理后的电信号输出给其他设备进行处理或存储。
四、光接收机的应用光接收机在光通信、光无线通信等领域有着广泛的应用，具体包括以下几个方面：•光纤通信：光接收机作为光纤通信系统中的关键组件，用于将光信号转换为电信号，并完成信号处理和转发。
•光无线通信：光接收机在光无线通信系统中起到类似的作用，将光信号转换为电信号，并进行后续处理和传输。
•光传感器：光接收机可以用于制造各种光传感器，用于环境监测、光学测量等应用。
•光学测量：在科学研究和工程领域，光接收机可以用于精密光学测量，如激光测距、光谱分析等。
•光电子设备：光接收机也可以用于制造各种光电子设备，如光电开关、光电触发器等。
五、光接收机的发展趋势随着通信技术的不断发展，光接收机也在不断演进和创新，未来的发展趋势主要包括以下几个方面：1.高速化：随着通信速度的不断提升，光接收机需要具备更高的接收速度和处理能力。
2.多功能化：光接收机将不仅能够接收光信号，还能够进行信号处理、光谱分析等多种功能。
光发射机
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：
光接收机的工作原理及应用
光接收机的工作原理及应用1. 工作原理光接收机是一种用于接收光信号并将其转化为电信号的设备。
其工作原理基于光电效应和半导体器件的特性。
光电效应是指当光线照射到某些物质上时，会引发物质内部电子的运动。
光接收机中的光电二极管就是利用光电效应实现光信号转换的关键组件。
当光信号通过光纤或其他光传输介质传输到光接收机中时，光线会照射到光电二极管上。
这时，光子的能量会导致光电二极管内部的电子从价带跃迁到导带，产生电流。
接收到的光信号经过放大和处理后就可得到电信号。
除了光电二极管，光接收机还包括前置放大器、滤波器、放大器、数字处理器等组件。
前置放大器用于增加接收到的微弱光信号的强度，滤波器用于滤除杂散信号和不需要的频段。
放大器可以进一步增强信号强度，并提高信号质量。
数字处理器则用于对电信号进行采样、解调和误码校正等操作。
2. 应用领域光接收机具有高速、低噪声、大动态范围等优点，因此在许多领域具有广泛的应用。
2.1 光通信光接收机在光通信领域中扮演着重要的角色。
光纤通信系统中的光接收机能够将光信号转换为电信号，并经过解调处理，从而实现数据的传输和通信。
光接收机的高速度和低噪声特性使其在长距离光纤通信和高速数据传输中具有独特的优势。
2.2 光信号检测光接收机也广泛用于光信号的检测。
例如，在光电子学实验中，光接收机可用于检测光的强度、频率和偏振等信息。
此外，在光谱分析和光学传感器中，光接收机也可以用于检测光信号的特征和变化。
2.3 光电子设备光接收机还可以被应用于光电子设备中。
例如，在光纤传感器中，光接收机可用于接收传感器部件发出的光信号，并转化为电信号进行处理和分析。
在光存储器和光计算机中，光接收机也是必不可少的组成部分。
2.4 其他领域除了以上几个主要领域，光接收机还可以用于激光雷达、光学成像、光电测量等应用中。
在这些领域中，光接收机能够帮助我们获取到光信号中的有用信息，并实现相关的应用和功能。
3. 总结光接收机是一种将光信号转换为电信号的设备，其工作原理基于光电效应和半导体器件的特性。
光接收机的结构及原理
光接收机的结构及原理光接收机是一种用于接收光信号并转换为电信号的设备。
它在光通信系统中起着至关重要的作用。
本文将详细介绍光接收机的结构和原理，以匡助读者更好地理解该设备的工作原理和性能。
一、光接收机的结构光接收机通常由以下几个主要组成部份构成：1. 光探测器：光探测器是光接收机的核心部件，用于将光信号转换为电信号。
常见的光探测器包括光电二极管（Photodiode）和光电导（Phototransistor）等。
光电二极管是一种半导体器件，当光照射到其PN结时，会产生电流。
光电导是一种具有放大功能的光电二极管，它可以将光信号转换为电流信号，并通过放大电路放大电流信号。
2. 光电转换电路：光电转换电路用于将光电二极管或者光电导输出的微弱电流信号转换为电压信号，并进行放大。
光电转换电路通常包括前置放大电路、滤波电路和放大器等。
前置放大电路用于提高光电二极管或者光电导的灵敏度，滤波电路用于滤除噪声和杂散信号，放大器用于放大电流信号，以便进一步处理和解析。
3. 接收电路：接收电路用于对光电转换电路输出的电压信号进行解码和处理。
它通常包括解调电路、解码电路和信号处理电路等。
解调电路用于将调制的光信号解调为基带信号，解码电路用于将基带信号解码为原始数据信号，信号处理电路用于对原始数据信号进行滤波、放大和整形等处理，以便进一步应用和分析。
4. 光纤连接器：光纤连接器用于将光接收机与光纤连接起来，以实现光信号的传输。
常见的光纤连接器有FC、SC、LC等不同类型，它们具有低插损、高耐用性和良好的光学性能，能够确保光信号的高质量传输。
二、光接收机的工作原理光接收机的工作原理可以简单概括为以下几个步骤：1. 光信号接收：光接收机首先接收来自光纤的光信号。
光信号通过光纤传输到光接收机的光探测器。
2. 光电转换：光探测器将接收到的光信号转换为电信号。
光电二极管或者光电导在光照射下产生电流，电流的大小与光信号的强度成正比。
3. 电信号放大：光电转换电路对光电二极管或者光电导输出的微弱电流信号进行放大。
光收发设备概述
1．半导体激光器（LD）的结构 和工作原理
• 半导体的能带分布。 ① 本征半导体的能带分布。 ② P型半导体和N型半导体的形成。 ③ 在重掺杂情况下，N型半导体和P型半导体的能
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。
45
1．半导体激光器（LD）的结构 和工作原理
• 图3-14 N型半导体和P型半导体重掺杂能带图
3．光和物质的相互作用
（2）受激吸收 • 物质在外来光子的激发下，低能级上的电子吸收了外
来光子的能量，而跃迁到高能级上，这个过程叫做受 激吸收。 • 受激吸收的特点如下。 ① 这个过程必须在外来光子的激发下才会产生，因此是 受激跃迁。 ② 外来光子的能量要等于电子跃迁的能级之差。 ③ 受激跃迁的过程不是放出能量，而是消耗外来光能。
52
2．半导体激光器的工作特性
• 图3-18 激光器输出特性曲线
53
2．半导体激光器的工作特性
（2）光谱特性 • 半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变
化。 • 激光器产生的激光有多模和单模。
54
2．半导体激光器的工作特性
• 图3-20 GaAlAs/GaAs激光器的典型输出光谱
56
2．半导体激光器的工作特性
3
3.0.1 光发送机
光发送机作用：是把从电端机送来的电信号转变成 光信号，并送入光纤线路进行传输。对光发送机的要求：
（1）有合适的输出光功率 光发送机的输出光功率，是指耦合进光纤的功率，
亦称入纤功率。光源应有合适的光功率输出，一般为 0.01mW～5mW。
4
（2）有较好的消光比 消光比的定义为全“1”码平均发送光功率与全“0”
12
3.1 半导体光器件
光发射和光接收
4
3>.受激辐射：处于高能级 的电子，受到外来光的激发 ( f E2)， 电E1子从高能级到低能级跃迁，发出与入
h
射光频率、相位、偏振方向完全一样的光子（全同光 子）
5
➢ 2.粒子数反转分布
1>.粒子数正常分布：热平衡状态（物质与外界无能量交换，能量处于平
影响光纤的耦合效率
15
四.半导体激光二极（LED）
➢1.结构上与LD相似，没有光学谐振腔 ➢2.特点：输出荧光，输出特性线性较好，无阈值
电流，光谱宽度较宽（35－60nm） ➢3.适用于短距离小容量的光纤传输系统
16
第2节 光光源发的射调机制和
调制：将电信息变换为光信息，目前采用强度调制 按照光源和调制器的关系分为内调制和外调制 本节主要包括： ➢ 一.内调制（直接调制） ➢ 二.外调制（间接调制） ➢ 三.目前常用的外调制器 ➢ 四.光数字发射机
量子限制激光器(量子阱激光器) 特点:低阈值,窄线谱,高微分增益,温度灵敏度低,调制速度快.
11
三.半导体激光器的特性
➢ 1.P-I特性 1>阈值电流Ith:激光器开始产生激光时对应的注入电流 2>输出光功率P,规定注入电流值下(例如I=Ith+20ma)的输出光
功率 3>Ith随温度升高而增加
12
➢ 2.光谱特性
P 1
1 2
P
LED
P
P
MLM
P
0dB
-20dB
P
SLM
13
1>中心波长 0，光源的光谱范围内辐射强度最大值所对应的波长
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。
光接收机
滤波器
滤波器
作用：对已发生畸变和有严重码间干扰的信号进 行均衡，使其尽可能地恢复原来的状况，以利于 定时判决。
我们最不能消除码间干扰，但我们能做到不管输入波 形如何变化，只要经过均衡滤波器后，采用时间点上干扰 为零，就可以消除码间干扰。
H out(
f
)
1 [1 2
cos (f
B)]
H p ( f ) Bsin(f B) f
滤波器传输函数为：
HT ( f ) H out( f ) H p ( f ) (f
2B)(1 cosf )
B
sin f
B
时钟恢复和判决电路
任务：把线性通道输出的余弦波形恢复成数字信号
确定是“1”或是“0”， 需要对某时刻的码元
作出判决。若判决结 果为“1”，则由再生 电路产生一个矩形“1” 脉冲；若判决结果为 “0”，则由再生电路 重新输入一个“0”。
erfc
I1
1
ID 2
erfc
ID
0
I0 2
2、Q参数
BER主要取决于判决阀值ID，
为使BER最小，应对ID进行优化，
在实际中，当ID满足下式关系时，
BER最小。
Q I1 ID ID I0 I1 I0
1
0
1 0
判 输出 决 器
时钟恢复
为了精确地确定“判决 时刻”，需要从信号码 流中提取准确的时钟信 息作为标定，以保证与 发送端一致。
判决再生
若信号电平超过判决门限电平，则判为“1”码； 低于判决门限电平，则被判为“0”码。
光接收机噪声分析
1.散粒噪声 散粒噪声是电子数目的随机涨落引起电流的随机
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第10章 光发射机与光接收机
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
电子总数NC 远大于价带上的电子总数NV ，这称为粒
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。
第10章 光发射机与光接收机
图 10.1 发光机理示意图 (a) 光的自发发射； (b) 光的受激发射
第10章 光发射机与光接收机
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。
例如：GaAlAs/GaAs单异质结LD，发光波长为0.85μm。
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
第10章 光发射机与光接收机
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。
第10章 光发射机与光接收机
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。
第10章 光发射机与光接收机 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
第10章 光发射机与光接收机
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
带，高、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
第10章 光发射机与光接收机
光发射机与光接收机
第10章 光发射机与光接收机 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
子数反转状态。
第10章 光发射机与光接收机
（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。
（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
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 。
第10章 光发射机与光接收机
第10章 光发射机与光接收机
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)。
第10章 光发射机与光接收机
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。
GaAs同质结LD结构示意图
第10章 光发射机与光接收机
（2）异质结LD
由不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。
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)。
第10章 光发射机与光接收机
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。
第10章 光发射机与光接收机
（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。