光纤通信第三章+光发射机
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《激光器及光发射机》PPT课件
谐振腔由晶体的两个解理面构成。通常为双异质 结（DH）LD。 激光器实质上是一个受激发射的光振荡放大器。
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8
F-P LD基本工作原理
实现F-P LD激射工作的四个基本条件：
要有能实现电子和光场相互作用的工作物质 要有注入能量的泵浦源（光泵或者电泵浦） 要有一个F-P谐振腔 要满足振荡条件
工作物质（即能实现粒子跃迁的晶体材料，如GaAs和 InGaAsP）
外界供给能量满足粒子数反转（常采用电流注入法）
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12
2. F-P谐振腔
只有增益介质而无光学 反馈装置，便不能形成激光 将已实现粒子数反转分布 的系统置于严格平行的一对 反射镜之间便形成F-P谐振腔。 光在两个反射镜之间往返多 次过程中，得到放大。
按结构分类： F-P LD、 DFB LD、 DBR LD、 QW LD、 VCSEL
按波导机制分类：增益导引LD和折射率导引 LD
按性能分类：低阈值LD、超高速LD、动态单 模LD、大功率LD
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7
3.1.1 法布里-珀罗型激光器F-P LD
F-P LD是最常见最普通的LD. 由外延生长的有源层和有源层两边的限制层构成 in a Typical Fabry-Perot Laser
Spectral width and Linewidth at FWHM (Full Width Half Maximum)
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15
Output spectrum changes as power is applied
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13
3. 振荡条件
当增益超过由部分反射和散射等多种因素引起的 总损耗，经过谐振腔的选频作用，特定频率的光 波在谐振腔内积累能量并通过反射镜射出，形成 激光（相干光）。
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8
F-P LD基本工作原理
实现F-P LD激射工作的四个基本条件：
要有能实现电子和光场相互作用的工作物质 要有注入能量的泵浦源（光泵或者电泵浦） 要有一个F-P谐振腔 要满足振荡条件
工作物质（即能实现粒子跃迁的晶体材料，如GaAs和 InGaAsP）
外界供给能量满足粒子数反转（常采用电流注入法）
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12
2. F-P谐振腔
只有增益介质而无光学 反馈装置，便不能形成激光 将已实现粒子数反转分布 的系统置于严格平行的一对 反射镜之间便形成F-P谐振腔。 光在两个反射镜之间往返多 次过程中，得到放大。
按结构分类： F-P LD、 DFB LD、 DBR LD、 QW LD、 VCSEL
按波导机制分类：增益导引LD和折射率导引 LD
按性能分类：低阈值LD、超高速LD、动态单 模LD、大功率LD
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7
3.1.1 法布里-珀罗型激光器F-P LD
F-P LD是最常见最普通的LD. 由外延生长的有源层和有源层两边的限制层构成 in a Typical Fabry-Perot Laser
Spectral width and Linewidth at FWHM (Full Width Half Maximum)
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15
Output spectrum changes as power is applied
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13
3. 振荡条件
当增益超过由部分反射和散射等多种因素引起的 总损耗，经过谐振腔的选频作用，特定频率的光 波在谐振腔内积累能量并通过反射镜射出，形成 激光（相干光）。
光纤通信技术-第三章-光源与光发射系统-电子教案 (3)
9.什么是电光延迟？为何会产生电光延迟？
10.什么是张弛振荡？简述张弛振荡产生的原因。
11.什么是码型效应？如何消除码型效应。
12.什么是自脉动现象？自脉动现象有哪些特点？
13.光源的间接调制方法有哪些？
14.光纤通信系统对光发射机的基本要求有哪些？
15.光发射机为什么要进行自动温度控制？
16.光纤通信系统对光源器件的基本要求有哪些？
17.简述激光器的结发热效应。
18.何谓激光器的偏置电流？应如何选择偏置电流？
120.构成激光器必须具备的条件有哪些？
21.在光纤通信系统中，光源为什么要加正向电压？
22.简述半导体激光器的特性。
23.简述F-P腔半导体激光器的结构。
24.光发射机主要有哪些部分组成？简述各部分的作用。
4、课后作业：6。
3.4新型半导体激光器
重点介绍分布式反馈激光器的结构特点，引出在此特点基础上的发光原理，并指明它所具有的独特优点；简要介绍耦合腔半导体激光器与量子阱激光器的结构与特点。
3.5光源的调制
重点介绍光源的直接数字调制以及可能产生的效应：电光延迟、张弛振荡、自脉动、码型效应等。简要介绍光源的三种间接调制方式，包括：声光调制、热光调制和磁光调制。
3.6光发射机
首先介绍通信系统对光发射机的基本要求；重点介绍光发射机的组成与功能，包括：输入电路、光源和控制电路。
1：计划学时：2学时
2：讲授要求：
注意区分新型激光器与F-P腔激光器在结构和性能上的不同，使学生能够对前后学习的知识有一个连贯性的认识；详细介绍光发射机的三个组成部分，使学生清楚各部分的主要功能。
课程
光纤通信技术
章节
第三章
学期
2013/2014学年第一学期
10.什么是张弛振荡？简述张弛振荡产生的原因。
11.什么是码型效应？如何消除码型效应。
12.什么是自脉动现象？自脉动现象有哪些特点？
13.光源的间接调制方法有哪些？
14.光纤通信系统对光发射机的基本要求有哪些？
15.光发射机为什么要进行自动温度控制？
16.光纤通信系统对光源器件的基本要求有哪些？
17.简述激光器的结发热效应。
18.何谓激光器的偏置电流？应如何选择偏置电流？
120.构成激光器必须具备的条件有哪些？
21.在光纤通信系统中，光源为什么要加正向电压？
22.简述半导体激光器的特性。
23.简述F-P腔半导体激光器的结构。
24.光发射机主要有哪些部分组成？简述各部分的作用。
4、课后作业：6。
3.4新型半导体激光器
重点介绍分布式反馈激光器的结构特点，引出在此特点基础上的发光原理，并指明它所具有的独特优点；简要介绍耦合腔半导体激光器与量子阱激光器的结构与特点。
3.5光源的调制
重点介绍光源的直接数字调制以及可能产生的效应：电光延迟、张弛振荡、自脉动、码型效应等。简要介绍光源的三种间接调制方式，包括：声光调制、热光调制和磁光调制。
3.6光发射机
首先介绍通信系统对光发射机的基本要求；重点介绍光发射机的组成与功能，包括：输入电路、光源和控制电路。
1：计划学时：2学时
2：讲授要求：
注意区分新型激光器与F-P腔激光器在结构和性能上的不同，使学生能够对前后学习的知识有一个连贯性的认识；详细介绍光发射机的三个组成部分，使学生清楚各部分的主要功能。
课程
光纤通信技术
章节
第三章
学期
2013/2014学年第一学期
第三章 光纤通信系统
(4) 带状式光缆。
它是将4～12根光纤芯线排列成行, 构成带状光纤单元, 再将多个带状单元按一定方式排列成缆, 如图3-7(d)所示。
第三章 光纤通信系统
光纤 加强件 加强件 光纤
(a) 光纤 塑料骨架 隔热层
(b)
加强件 护套
综合护套 (c)
带状光纤 (d)
图 3-7 光缆的基本结构 (a) 层绞式; (b) 单位式; (c) 骨架式; (d) 带状
第三章 光纤通信系统 (1) 层绞式光缆。 这种光缆机械性能好, 具备优异的抗机械损伤能力, 特 别适用于架空敷设方式， 如图3-7(a)所示。
(2) 单位式光缆。
它是将几根至十几根光缆芯线集合成一个单位, 再由数 个单位以强度元件为中心绞合成缆, 如图3-7(b)所示。
(3) 骨架式光缆。
在铝带与阻水带之间放置撕裂绳以便于护套开剥， 如图3-7(c) 所示。
(2) 光 输 出 功 率 自 动 控 制 电 路 (APC, Automatic
Power Control)。 (3) ATC(自动温度控制电路)。 (4) 光监测。
第三章 光纤通信系统 4.光发射机的指标 (1) 有合适的输出光功率。
(2) 较好的消光比Ext。
(3) 调制特性要好。 3.3.2 光接收机 光接收机的作用是接收经光纤传输衰减后的十分微 弱的光信号, 从中检测出传送的信息, 放大到足够大后,
第三章 光纤通信系统
3.3 光端机的组成
3.3.1 光发射机 光发射机的作用是将电信号变成光信号, 然后送 入光纤中传输出去。 光发射机主要由光源、光源驱动 与调制以及信道编码电路三部分组成, 如图3-10所示。
第三章 光纤通信系统
AJC
光发送机(光纤通信课件)
光端机
光源
电端机 (发)
中继器
光缆 光检测器
光源图 光纤通信系统组成Fra bibliotek光端机
光缆 光检测器
(收) 电端机
光纤通信系统组成
光发送机 光发送机是实现E/O转换的光端机。其功能是将来自于电端机的电
信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后，再将已调的 光信号耦合到光纤线路中进行传输。
光接收机 光接收机是实现O/E转换的光端机。其功能是将经光纤传输来的微
一、 光发送机
（一）光发送机的基本组成
3 复用
利用一个大的传输信道来同时传送多个低容量的用户
4 扰码
扰码可有规律地破坏长连“0 ”和长连“1 ”的码流。从而达到 “0 ” 、“1 ”等概率出现，利于收端从线路数据码流中提取时钟。
5 时钟提取
提取PCM中的时钟信号，供给码型变换和扰码电路使用。
一、 光发送机
弱的光信号，经光检测器转变为电信号，并对电信号进行放大、整形、 再生后，生成与发送端相同的电信号，送到接收端的电端机。
光纤通信系统组成
光中继器 光中继器是信号经过一段距离传输后，当信道信噪比不太大时，
及时识别判决，以防止信道误码。
电端机 电端机在发送端把信息进行模/数转换并完成复用，然后将信号送
入光发送端机。接收端完成相反的功能
(ATC)
自动温 度控制
来自电端机 均放
光纤
码型变换 复用 扰码 调制
光源
时钟 数字光发送机原理方框图
自动功 率控制
(APC)
光监测
告警 输出
一、 光发送机
（一）光发送机的基本组成
1 均衡放大 补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变，保证电、光端机间信号的 幅度、阻抗适配，以便正确译码。
光发送机
§3.4 光发送机1．光发送机方框图光发送机是光纤通信系统的重要组成部分，典型的光发送机方框图1.3.4所示。
图1.3.4：光发送机方框图光发送机的作用，就是把数字化的信息码流（如PCM话音信号）转换成光信号脉冲码流并输入到光纤中进行传输。
（1）．输入接口其作用是进行电平转换。
（2）．予处理对数字电信号的脉冲波形进行波形处理。
（3）．驱动电路与光源组件实际上就是光源及其调制电路。
其作用是把电信号变成光脉冲信号发送到光纤当中。
该部分是光发送机的核心，许多重要技术指标皆由该部分决定。
（4）．自动发光功率控制（APC）为了使光发送机能输出稳定的的光功率信号，可采用相应的负反馈措施来控制光源器件的发光功率。
常用的自动发光功率控制方法是背向光控制法（当然也有其它方法）。
LD的谐振腔有两个反射镜面，它们是半透明的。
它们的作用一方面构成谐振腔保证光子在其中往复运动以激射出新的光子，另一方面有相当一部分光子从反射镜透射出去即发光。
前镜面透射出去的光谓之主光，通过与光纤的耦合发送到光纤当中变成有用的传输。
而后反射镜面幅射出去的光谓之副光又叫背向光，利用它可以来监控光源器件发光功率的大小，如图1.3.5所示。
副光镜面图1.3.5：LD的主光与副光利用与LD封装在一起的光检测器就可以把副光转换成电信号并提供给APC电路，而APC电路把该电信号进行放大处理后，去控制LD的偏置电路即控制LD的偏置电流I B，从而达到控制LD发光功率的目的。
(5)．自动温度控制（ATC）所有的半导体器件对温度的变化都是比较敏感的，[url=/]魔兽私服[/url]对LD而言也是如此。
因此为LD提供一个温度恒定的环境是十分重要的。
利用与LD封装在一起的热敏电阻R t可以有效地监视LD的工作环境温度。
当温度发生变化时，R t的阻值也随之变化，把该变化信号提供给ATC电路，ATC电路进行放大处理后再控制LD组件中的致冷装置。
从而达到使LD工作环境温度恒定的目的。
光纤通信光源和光发射机ppt课件
特性？
纵模和横模p65-66
半导体激光器的P-I特性曲线p69
特征温度p72
光束特性
近场和远场分布 远场
LED
LED的P-I特性（掌握） LED的输出光谱分布（掌握） LED的典型结构（了解）
LED 用途
照明用LED材料的选择
典型结构
LD的优点
LED和LD的调制 直接调制：内调制 间接调制：外调制
3.1.3 非辐射复合—直接带隙和间接带隙半导体材料
内量子效率 P70 （公式2-21）
载流子寿命
辐射复合
3.1.4 半导体材料：晶格常数匹配
小结：半导体光源材料的选取
半导体材料的禁带宽度的计算公式
半导体材料的制备
3.2 半导体激光器
半导体激光器的工作条件
工作物质
泵浦源
10. 在任何一个系统里，最灵活的部分便是最能影响大局的 部分（灵活就是适应，就是接受。灵活是使事情更快有 效果的重要因素）；
11. 没有挫败，只有回馈信息（“挫败”是把焦点放在过去 的事情上，“怎样改变做法”是把焦点放在未来）；
12. 动机和情绪总不会错，只是行为没有效果而已
激光器的组成和封装P82
7. 凡事必有至少三个解决方法（只有相信尚有未知的有效 方法，才会有机会找到它并使事情改变）；
8. 每一个人都选择给自己最佳利益的行为（没有不对的行 为，只有在当时环境下没有效果的行为）；
9. 每个人都已经具备使自己成功快乐的资源（所有事情或 经验里面，正面和负面的意义同时存在，究竟是我们的 绊脚石还是踏脚石，须由自己决定）；
FP腔激光器
图2-15：基本结构 图2.16：典型结构 p59 图2.17 ：示意图 p59 图2.18：商用结构
纵模和横模p65-66
半导体激光器的P-I特性曲线p69
特征温度p72
光束特性
近场和远场分布 远场
LED
LED的P-I特性（掌握） LED的输出光谱分布（掌握） LED的典型结构（了解）
LED 用途
照明用LED材料的选择
典型结构
LD的优点
LED和LD的调制 直接调制：内调制 间接调制：外调制
3.1.3 非辐射复合—直接带隙和间接带隙半导体材料
内量子效率 P70 （公式2-21）
载流子寿命
辐射复合
3.1.4 半导体材料：晶格常数匹配
小结：半导体光源材料的选取
半导体材料的禁带宽度的计算公式
半导体材料的制备
3.2 半导体激光器
半导体激光器的工作条件
工作物质
泵浦源
10. 在任何一个系统里，最灵活的部分便是最能影响大局的 部分（灵活就是适应，就是接受。灵活是使事情更快有 效果的重要因素）；
11. 没有挫败，只有回馈信息（“挫败”是把焦点放在过去 的事情上，“怎样改变做法”是把焦点放在未来）；
12. 动机和情绪总不会错，只是行为没有效果而已
激光器的组成和封装P82
7. 凡事必有至少三个解决方法（只有相信尚有未知的有效 方法，才会有机会找到它并使事情改变）；
8. 每一个人都选择给自己最佳利益的行为（没有不对的行 为，只有在当时环境下没有效果的行为）；
9. 每个人都已经具备使自己成功快乐的资源（所有事情或 经验里面，正面和负面的意义同时存在，究竟是我们的 绊脚石还是踏脚石，须由自己决定）；
FP腔激光器
图2-15：基本结构 图2.16：典型结构 p59 图2.17 ：示意图 p59 图2.18：商用结构
现代光纤通信技术及应用第3章光发送机和光接收机课件
1. PN结的能带和电子分布
图 半导体的能带和电子分布
3.2.1 半导体激光器的发光机理
2. 注入式半导体激光器的工作原理
图 注入式半导体激光器结构示意图
注入式半导体激光器结构示意图上图所示，注入式半导体激光器的主体是一 个正向偏置的PN结，当电流密度超过阈值时，注入载流子（电子和空穴）在PN 结结区通过受激辐射复合，产生激光。
3.3.3 垂直腔面发射激光器
垂直腔面发射激光器（VCSEL）是很有发展前景的新型 光电器件，也是光通信中革命性的光发射器件。VCSEL优 于边发射激光器的地方有：易于实现二维平面和光电集成； 圆形光束易于实现与光纤的有效耦合；可以实现高速调制， 能够应用于长距离、高速率的光纤通信系统；有源区尺寸 极小，可实现高封装密度和低阈值电流；芯片生长后无须 解理，封装后即可进行在片实验；在很大的温度和电流范 围内都能单纵模工作；价格低。
入（即电泵），打破热平衡状态，大量粒子处于高能级，即 粒子数反转后，在发光束方向上的受激发射比自发发射的强 度大几个数量级。 总结激光发射的首要条件：
工作物质（即能实现粒子跃迁的晶体材料，如GaAs和InGaAsP） 外界供给能量满足粒子数反转（常采用电流注入法）
3.1.1 激光产生的原理
光的吸收和放大
获得能量大量地激发到高能级上去，像一个泵不断地将低能级上的电子“抽运”到 高能级上，我们称这个能量为激励或者泵浦过程，从而达到高能级上的粒子数N2大 于低能级上的粒子数N1的分布状态，这种状态称为粒子数反转分布状态。
光放大过程:当物质粒子数反转分布状态下，高能级上的大量电子就会在受到外来
入射光子的激发下，发射出与入射光子的频率、相位、偏振方向、传播方向完全相 同的激发光，这样，就实现了用一个弱的入射光激发出一个强的出射光的放大过程。
图 半导体的能带和电子分布
3.2.1 半导体激光器的发光机理
2. 注入式半导体激光器的工作原理
图 注入式半导体激光器结构示意图
注入式半导体激光器结构示意图上图所示，注入式半导体激光器的主体是一 个正向偏置的PN结，当电流密度超过阈值时，注入载流子（电子和空穴）在PN 结结区通过受激辐射复合，产生激光。
3.3.3 垂直腔面发射激光器
垂直腔面发射激光器（VCSEL）是很有发展前景的新型 光电器件，也是光通信中革命性的光发射器件。VCSEL优 于边发射激光器的地方有：易于实现二维平面和光电集成； 圆形光束易于实现与光纤的有效耦合；可以实现高速调制， 能够应用于长距离、高速率的光纤通信系统；有源区尺寸 极小，可实现高封装密度和低阈值电流；芯片生长后无须 解理，封装后即可进行在片实验；在很大的温度和电流范 围内都能单纵模工作；价格低。
入（即电泵），打破热平衡状态，大量粒子处于高能级，即 粒子数反转后，在发光束方向上的受激发射比自发发射的强 度大几个数量级。 总结激光发射的首要条件：
工作物质（即能实现粒子跃迁的晶体材料，如GaAs和InGaAsP） 外界供给能量满足粒子数反转（常采用电流注入法）
3.1.1 激光产生的原理
光的吸收和放大
获得能量大量地激发到高能级上去，像一个泵不断地将低能级上的电子“抽运”到 高能级上，我们称这个能量为激励或者泵浦过程，从而达到高能级上的粒子数N2大 于低能级上的粒子数N1的分布状态，这种状态称为粒子数反转分布状态。
光放大过程:当物质粒子数反转分布状态下，高能级上的大量电子就会在受到外来
入射光子的激发下，发射出与入射光子的频率、相位、偏振方向、传播方向完全相 同的激发光，这样，就实现了用一个弱的入射光激发出一个强的出射光的放大过程。
《光纤通信》第3章课后习题答案
1．计算一个波长为1m λμ=的光子能量，分别对1MHz 和100MHz 的无线电做同样的计算。
解：波长为1m λμ=的光子能量为834206310// 6.6310 1.991010c m s E hf hc J s J mλ---⨯===⨯⋅⨯=⨯ 对1MHz 和100MHz 的无线电的光子能量分别为346286.6310110 6.6310c E hf J s Hz J --==⨯⋅⨯⨯=⨯346266.631010010 6.6310c E hf J s Hz J --==⨯⋅⨯⨯=⨯2．太阳向地球辐射光波，设其平均波长0.7m λμ=，射到地球外面大气层的光强大约为20.14/I W cm =。
如果恰好在大气层外放一个太阳能电池，试计算每秒钟到达太阳能电池上每平方米板上的光子数。
解：光子数为3484441660.14 6.6310310101010 3.98100.710c I Ihc n hf λ---⨯⨯⨯⨯=⨯=⨯=⨯=⨯⨯ 3．如果激光器在0.5m λμ=上工作，输出1W 的连续功率，试计算每秒从激活物质的高能级跃迁到低能级的粒子数。
解：粒子数为3482161 6.6310310 3.98100.510c I Ihc n hf λ---⨯⨯⨯⨯====⨯⨯ 4．光与物质间的相互作用过程有哪些？答：受激吸收，受激辐射和自发辐射。
5．什么是粒子数反转？什么情况下能实现光放大？答：粒子数反转分布是指高能级粒子布居数大于低能级的粒子布居数。
处于粒子数反转分布的介质（叫激活介质）可实现光放大。
6．什么是激光器的阈值条件？答：阈值增益为1211ln 2th G L r r α=+其中α是介质的损耗系数，12,r r 分别是谐振腔反射镜的反射系数。
当激光器的增益th G G ≥时，才能有激光放出。
（详细推导请看补充题1、2）7．由表达式/E hc λ=说明为什么LED 的FWHM 功率谱宽度在长波长中会变得更宽些？证明：由/E hc λ=得到2hc E λλ∆=-∆，于是得到2E hc λλ∆=-∆，可见当E ∆一定时，λ∆与2λ成正比。
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波长准：窗口之内，符合ITU标准
功率高：以满足系统对光中继段距离的要求
高可靠：寿命长，可靠性高
单纵模：以减少光纤的材料色散
噪声低: 以提高模拟调制系统的信噪比 高线性: 以保证模拟调制不失真
。。。。。。
最常用的光源
光纤通信中最常用的光源是:
半导体激光器（LD 发光二极管（LED
光接收机 optical receiver
phot odet ect or optical preamplifier
内容提要
光发送机 光源（LED&LD)
LD动态特性与调制
光发送机
将数字或者模拟电信号加载到光波上，并耦合进 光纤中进行传输 核心器件：光源、调制器
正面
背面
机柜和机架设备的规格与标准
LED 模拟调制原理图
LED 调制带宽
Source Bandwidth Constraints The light source limits the highest modulation
frequency for two reasons:
1) Junction and parasitic capacitance. （结电容和寄生电容） 2) Non-zero carrier lifetimes. (载流子寿命)
置电流，最终使光功率峰值保持为一个稳定值。
高精度温控与低纹波恒流流源
参数名称
输出电流量程 调谐精度 电流纹波 温控范围 温控精度 功耗
特性指标
100mA/300mA可选 0.01mA <1μA 10℃—40℃ 0.001℃ 小于15W
优点： 高电流稳定度：纹波在μA量级。
外接电源
储存温度 工作温度 TEC工作电压
n型 耗尽层 p型
U
反ห้องสมุดไป่ตู้偏压使耗尽区加宽
扩散运动被抑制，只存在少数载流子的漂移运动
正向偏压
n型耗尽层 p型
正向偏压使耗尽区变窄, 使得多数载流子在结区扩散
U
导致p型（或者n型）内的少数载流子浓度大大增加。
与多数载流子的复合是产生光辐射的机理。
电致发光
正向偏压使pn节形成一个增益区： -导带主要是电子，价带主要是空穴，实现了粒子数反转 -大量的导带电子和价带的空穴复合，产生自发辐射光
LED 调制带宽
从电的角度看，光电检测器输出电功率变为原来一半，即系 统输出光电流变为0.707时所对应的频率定义为3-dB带宽，即 电3-dB带宽
Typical LED bandwidths are on the order of 1 MHz to 100 MHz.
LED的响应速度
响应速度比激光器低
光发送机中的自动温度控制电路
激光器
热导 热敏电阻 温度控制电路
制冷器
激光器的温度主要影响发射波长 控制精度达到0.01º C 波长稳定性达到200MHz/24小时
光发送机中的自动功率控制电路
自动功率控制（APC）电路 偏置电流 PD 热导 制冷器 激光器 热敏电阻 温度控制电路
由光检测器来感应激光器后端面辐射光功率的变化，并 与参考功率相比较，然后根据比较结果自动调整直流偏
Laser Diode
）
pn-junction
Light Emitting Diode）
尤其是单纵模（或单频）LD，在高速率、大容量的 数字光纤系统中得到广泛应用；
近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是多信道WDM 光纤通信系统的关键器件，越来越受到人们的关注 。
物理基础
原子的能级、能带以及电子跃迁
的机柜理论上可以安装42台1U高的设备，但实际一般放10-20个正 常,因为他们之间需要间隔散热
光发送机基本结构
微波/电接口 使光源有恒定 的光输出功率 功控 温控
光发射机
数字或模拟电信号
驱动电路
调制器
光隔离器
光源 保持光源恒定的温 度，保证激光参数 的稳定性（波长）
防止LD输出的激 光反射，实现光 的单向传输
LD
LD基本原理
发辐射与受激辐射
LASER 原理
反射镜
(受激辐射的光放大) Laser
Light Amplification by Stimulated
R1
泵浦
增益介质
L
R2
激光器产生激光的条件是：
增益介质：增益 > 损耗 泵浦源：粒子数反转
Emission of
Radiation
谐振腔：光反馈 相位锁定， 波长选择
电子能量
Nà∞
原子间距
能带理论
能带结构由多条能带组成，能带分为传导带（简称导带）、价 电带（简称价带）和禁带 能带结构可以解释导体、半导体、绝缘体三大类区别的由来
讨论：金属，半导体和绝缘体的区别？
非本征半导体材料：n型
+5 As+4
施主杂质
掺入第V族元素(如磷P, 砷As, 锑Sb)后，某些电子受到 很弱的束缚，只要很少的能量 DED (0.04~0.05eV) 就能 让它成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。
光器、 量子阱激光器、 VCSEL激光器
制作激光器的半导体材料
禁带宽度决定了激光器的激射波长，不同的半导体材料禁带
宽度不同，需要根据所需波长范围选择材料
n
h v
p
外加正偏压 à 注入载流子 à 粒子数反转 à 载流子复合发光
发光材料的选择
讨论：什么是直接带隙、间接带隙？
直接带隙： 导带的最低位置位 于价带最高位置的正上方；电 子空穴复合伴随光子的发射。 III-V 族元素的合金，典型的如 GaAs等。
间接带隙： 导带的最低位置不 位于价带最高位置的正上方； 电子空穴复合需要声子的参与， 声子振动导致热能，降低了发 光量子效率。
激光诞生（laser）
1917年 爱因斯坦提出“受激辐射”理论，一个光子使得受
激原子发出一个相同的光子。
1953年 美国物理学家Charles Townes用微波实现了激光器 Townes的博士生Gordon Gould创造了“laser‖这个
的前身：微波受激发射放大（首字母缩写Maser） 1957年
边发光的LED:300MHz 面发光的LED:17~35MHz
LED小结
p LED
i
n
特点
+
V
-
1）非相干光源，谱线较宽、方向性较差
2）无阈值电流，输出功率基本上与注入电流成正比 4）响应速度慢，只适用于较低速通信系统 5）驱动电路简单、不需要温控和功控 6）可靠性高、寿命长、成本低
应用场合：短距离光纤传输，可见光通信
h
E1 E2
h h
受激辐射
长、相位、偏振和传播方向
光源
发光二极管LED与激光器laser
E2 E2
h
E1
h
E1
h h
受激辐射
自发辐射
发光二极管
激光器
LED
LED原理
LED特点 LED小结
发光二极管 LED
基本原理：外加电场实现粒子数反转，
p LED
i
+
n
大量电子-空穴对的自发复合导致发光
非本征半导体材料：p型
B
受主杂质
掺入第III族元素(如硼B,铟In,镓Ga,铝Al)，晶体只需要很少的能量 DEA < Eg 就可以产生自由空穴
PN结
讨论：什么是PN结？
浓度的差别导致载流子的扩散运动,平衡时，中间形成一个特殊 的区域-pn结，它阻挡了载流子的扩散运动，因此也称为耗尽区。
反向偏压
基本结构 面发光型（SLED），边发射型（ELED）
V
-
面发射LED
朗伯光 半功率光束宽度120˚
载流子注入
25 mm
2.5 mm
优点：驱动电流小，成本低 缺点：发散角大，耦合效率低
P(q) = P0cosq
边发射LED
载流子注入
30º 50~70 mm 100~150 mm 120º
优点：与面发光LED比，光出射方向性好 缺点：需要较大的驱动电流、发光功率低
LED 调制带宽
Example: Digital Modulation is These charges produce these photons.
t
Po tr
Input Current
t
Output Power
Large increases the pulse rise time tr . Large broadens the output pulse.
美国电子工业协会（EIA）制定的工业标准
19英寸标准机柜的“19英寸”表示机柜中安置的机架式设备的宽度
机柜内设备安装所占高度用一个特殊单位―U‖表示；使用19寸标准机 柜的设备面板一般都是按nU的规格制造 。1U=44.45mm=1.75英寸
没有1U的机柜,只有1U的设备,机柜6U--47U不等；例如，一台42U
辐射与跃迁
电子可以在不同的轨道间发生跃迁，电子吸收
能量可以从低能级跃迁到高能级或者从高能级跃
迁到低能级从而辐射出光子
E2 E2
E2
h
E1
h
E1
h
E1
h h
受激辐射
自发辐射
受激吸收
发光二极管
光电二极管
激光器
自发辐射
处于高能级的粒子，各自分别发射频率 ν=(E2-E1)/h的光波 只与原子本身的性质有关，与外界存在的光子数无关