第4章 光源的调制和光发射机
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第四章光源与光发射机
Ef
价带
(a) 本征半导体
(b) 兼并型P型半导体
Ef
对于重掺杂兼并型N型半导体，由Efc于施主
杂质的掺入（五价元素的杂质），多数
载流子是电子，费米能级进入半导体的
导带。
EEf fv
(c) 兼并型N型半导体
(d) 双兼并型半导体
2019/11/21
广东海洋大学理学院 · 光纤通信
21
§4-2 半导体光源的工作原理
①当E=Ef时， p(E) =1/2， 能级E被电子占据的概率和空穴占据的概率相等，实际
上费米能级不存在；
②当E<Ef时， p(E) >1/2，
能级E被电子占据的概率比较大，如果(Ef-E)>>kT，则 p(E) →1，能级几乎被电子占据；
③当E>Ef时， p(E)<1/2，
能级E被电子占据的概率比较小，如果(E-Ef)>>kT，则 p(E) →0，能级几乎被空穴占据。
纤 低通 、信 可系 靠统 性中 好得。到广泛应用。
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§4-1 概述
此动画为光发射机工作原理动画，光源在调制 电流的作用下发光，然后耦合进光纤传输。
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§4-1 概述
二、光发射机的主要指标
光发射机的指标很多，我们仅从应用的角度介 绍其主要指标。
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§4-2 半导体光源的工作原理
一、原子能级跃迁—光源的物理基础
能级：原子由原子核和核外电子组成，核外电 子围绕原子核旋转，每个电子的运行轨道并不相同， 各代表不同的量子态，即：原子中的电子只能在一 定的量子态中运动；在最里层的轨道上量子态的能 量最低，电子受原子核束缚最强，最外层的轨道量 子态能量最高，电子受原子核束缚最弱，这些不同 的轨道运行时相应的能量值（包括电子的动能和电 位能）称为能级。
4-光发射机-gu
光源消光比的概念: 光源消光比的概念: EX = 10 lg ( P 全0 / P 全1 ) EXT = P 全0 / P 全1 调制电流的选择: 调制电流的选择: 1) 足够的光脉冲幅度 2) 减小光源负担 3) 避开可能发生自脉动的区域 > 10dB < 10%
(2) 激光器的调制电路
快的开关速度 保持良好的电 流脉冲波形
A1:pav A3:pmax-pav A4:pav-pmin A5:pmax-pmin 控制I 控制Im A7:pmin 控制I 控制I0
自动功率控制(APC) 自动功率控制(APC)电路
平均功率控制电路
PD LD
-A 1 + -A 3 +
IbUinFra bibliotekV3V1
V2 信号参考
-A 2 + -U
-U
-UE
300 Mb/s 射极耦合LD驱动电路图
(3) 激光器的控制电路
温度变化和器件老化对激光器的影响 控制电路的作用 控制方法:自动温度控制电路(ATC) 控制方法:自动温度控制电路(ATC) 自动光功率控制电路(APC) 自动光功率控制电路(APC)
温度变化和器件老化对激光器的影响
自动温度控制(ATC)电路 自动温度控制(ATC)
共发射极驱动电路
分电流开关电路. 分电流开关电路.
数字调制
LED
LD
2,数字激光发射端机
数字信号入 光信号
线路编码
调制电路
LD
控制电路 数字光发射端机原理机框图
(1) 偏置电流和调制电流大小的选择
偏置电流的选择: 偏置电流的选择: 1) 加大直流偏置电流使其逼近阈值,可以大大减 加大直流偏置电流使其逼近阈值, 小电光延迟时间, 小电光延迟时间,同时使张弛振荡得到一定程 度的抑制 2) 激光器偏置在阈值附近可以大大减小码型效应 和结发热效应的影响 3) 加大直流偏置电流会使激光器的消光比恶化 4) 对某些异质结激光器,若激光器正好偏置在阈 对某些异质结激光器, 值上, 值上,则散粒噪声的影响较重
第4章光源及光发射机2
发光二极管的P―I特性
1. 驱动电流较小 -> LED P-I特性线性度好 2. 驱动电流较大 -> pn结发热产生饱和现象 -> 曲线斜率减小 通常，LED工作电流为50~100mA，输出光功率为几毫瓦， 入纤光功率只有几百uW
发光二极管的P―I特性
在通常应用条件下，发光二极管的工作电流为
50~150mA，输出功率为几个毫瓦，但因其与光纤的耦合
定义光强下降一半的波长变化为输出谱线宽度（半功率点 全宽FWHP），这就是光源的线宽 Δλ。 一般短波长GaAlAs―GaAs发光二极管的谱线宽度约为 25~40nm，长波长InGaAsPInP发光二极管的谱线宽度约为
75~100nm。
发光二极管的输出谱线特性
光源线宽
发光二极管的输出谱线特性
发光二极管的谱线宽度反映了有源区材料的导带与价带
光源的调制
数字调制：光纤通信的主要调制方式，将模拟信 号抽样量化后，以二进制数字信号“1”或“0”对 光载波进行通断调制，并进行脉冲编码（PCM ）。
特点：1. 自发辐射光 -> LED谱线较宽 2. 面发光二极管的谱线要比边发光二极管的宽 3. 长波长光源谱宽比短光源宽 - 短波长GaAlAs/GaAs 谱宽30~50 nm - 长波长InGaAsP/InP 谱宽60~120 nm
发光二极管的发光效率
发光效率 内量子效率代表有源区内产生光子数与注入的电子— 空穴对数之比: ηI = 单位时间内产生的光子数 单位时间内注入的电子—空穴对数
效率很低，入纤功率要小得多。 温度对发光二极管的P―I特性也有影响，当温度升高
时，同一电流下的发射功率要降低，如上图所示。
发光二极管的温度特性相对较好（与LD相比较），在 实际应用中，一般可以不加温度控制。
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4.1 半导体光源的物理基础
4.1.1 孤立原子的能级和半导体的能带 4.1.2 光与物质的相互作用 4.1.3 粒子数反转分布状态
4.2 4.3 4.4 4.5
光源的工作原理 光源的工作特性 光发送机 驱动电路与辅助电路
4.1.1 孤立原子的能级和半导体的能带
能级：原子由原子核和核外电子组成，核外电子围绕原子核旋转，每个 电子的运行轨道并不相同，各代表不同的量子态，在最里层的轨道上量 子态所取的能量最低，最外层的轨道量子态能量最高，这些不同的轨道 运行时相应的能量值称为能级。
h为普朗克常数，其值为6.626×10-34焦耳· 秒
E E2 h E1
对于大量电子，自发辐射光具有不同的相位， 偏振方向，传播方向------非相干光。 半导体发光二极管是自发辐射发光器件。
4.1.2 光与物质的相互作用
能级的跃迁
□受激辐射 当处于高能级E2的电子，在受到光子能量 恰好为E＝hv＝E2－E1的外来入射光的照射 时，电子在入射光子的刺激下，跃迁回到低 能级E1，而且辐射出一个与入射光子有相同 频率、相同相位和相同传播方向的光子，这 种类型的跃迁称为受激跃迁，其辐射称为受 激辐射 hv=E2-E1 发射光子和感应光子的频率，相位，偏振方 向，传播方向相同。------相干光（全同光）。 半导体激光器是受激辐射的发光器件。
E E2 h E1
h h
4.1.2 光与物质的相互作用
能级的跃迁
E
□受激吸收 E1上的电子吸收光子跃迁到E2上， 感应光子能量
E2
h E1
h =E2-E1
在外来光子激励下，电子吸收外 来光子能量，从低能级跃迁到高能级， 变成自由电子。
第4章光源讲义和光发射机
在这些光场作用下，受激发射和受激吸收过程 同时发生，受激发射和受激吸收发生的概率相 同。
17
LD发射激光的 首要条件---粒子数反转
若注入电流增加到一定值后，使Nc Nv ， 受激发射占主导地位，光场迅速增强，此时的 PN 结区成为对光场有放大作用的区域(称为有源 区)，从而形成激光发射。
半导体材料在通常状态下，总是Nc Nv ， 因此称 Nc Nv 的状态为粒子数反转。使有源区产
14
光接收器件 原理
输入 h
光子
Ec
吸收光子后 产生电子 (输出电流)
Ev (c) 光 探 测 器 件 — 光 的 吸 收
如果把光照射到占据低能带的电子上；
则该电子吸收光子能量后，激励而跃迁到 较高的能带上。
在半导体结上外加电场后（反向电压）， 可以在外电路上取出处于高能带上的电子， 使光能转变为电流。
10
图4.2.1 半导体发光原理
能 E量 EFn
Ec
eV Eg
Ev EFp
导带费米能级
电子 hv 光 子
空穴
价带费米能级
E Eg Ec Ev hv
c v
hc 1.2398（m）
E E
状态密度
在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带；
如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带） 上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出； 这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。
16
当有入射光场存在时，受激吸收过程与受激发 射过程同时发生，哪个过程是主要的，取决于 电子密度在两个能带上的分布。
若高能带上电子密度高于低能带上的电子密度， 则受激发射是主要的，反之受激吸收是主要的。
激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时， 高能带中的电子密度增加，这些电子自发地由 高能带跃迁到低能带发出光子，形成激光器中 初始的光场。
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LD发射激光的 首要条件---粒子数反转
若注入电流增加到一定值后，使Nc Nv ， 受激发射占主导地位，光场迅速增强，此时的 PN 结区成为对光场有放大作用的区域(称为有源 区)，从而形成激光发射。
半导体材料在通常状态下，总是Nc Nv ， 因此称 Nc Nv 的状态为粒子数反转。使有源区产
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光接收器件 原理
输入 h
光子
Ec
吸收光子后 产生电子 (输出电流)
Ev (c) 光 探 测 器 件 — 光 的 吸 收
如果把光照射到占据低能带的电子上；
则该电子吸收光子能量后，激励而跃迁到 较高的能带上。
在半导体结上外加电场后（反向电压）， 可以在外电路上取出处于高能带上的电子， 使光能转变为电流。
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图4.2.1 半导体发光原理
能 E量 EFn
Ec
eV Eg
Ev EFp
导带费米能级
电子 hv 光 子
空穴
价带费米能级
E Eg Ec Ev hv
c v
hc 1.2398（m）
E E
状态密度
在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带；
如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带） 上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出； 这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。
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当有入射光场存在时，受激吸收过程与受激发 射过程同时发生，哪个过程是主要的，取决于 电子密度在两个能带上的分布。
若高能带上电子密度高于低能带上的电子密度， 则受激发射是主要的，反之受激吸收是主要的。
激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时， 高能带中的电子密度增加，这些电子自发地由 高能带跃迁到低能带发出光子，形成激光器中 初始的光场。
第4章光源和光发射机
多纵模 ( 多频 ) 激光器
❖ 谐振腔长度 L 比波长大很多 2Ln m
F-P腔内的纵模数量
m 2Ln
自由光谱区 FSR f c
2nL
相应的波长间隔
f
（
c
）
c
2
2
c
f
2
c
c 2nL
2
2nL
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
第4章 光源和光发射机
内容要求
4.1 概述 4.2 发光机理 4.3 半导体激光器 4.4 波长可调半导体激光器 4.5 垂直腔表面发射激光器 4.6 半导体激光器的特性 4.7 高速光发射机
光纤通信对光源的要求
❖ 光源发射的峰值波长，应在光纤低损耗窗口之内; ❖ 有足够高的、稳定的输出光功率，以满足系统对光中继段
❖ 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。
Stimulated Emission and Photon Amplification
❖ Laser= Light Amplification by Stimulated Emission or Radiation, ❖ 3 features of stimulated emission :
光纤
LD 电阻 芯片
+
A 热电致冷
❖ 安装在热电致冷器上的热敏电阻，其阻抗与温度有关，它构 成了电阻桥的一臂。热电致冷器采用珀尔帖效应产生致冷， 它的致冷效果与施加的电流成线性关系。
光纤通信课件第4章光源及光发射机2
面发光二极管
为提高面发光LED与光纤的耦合效率： 在井中放置一个截球透镜； 或者将光纤末端形成球透镜。
边发光二极管
载流子注入
50~70 mm 100~150 mm
30º 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
边发光二极管
边发光二极管，也采用双异质结结构。 利用SiO2掩模技术，在P面形成垂直于端面的条形接触电极 （约40~50μm），从而限定了有源区的宽度；同时，增加光波导 层，进一步提高光的限定能力，把有源区产生的光辐射导向发光 面，以提高与光纤的耦合效率。其有源区一端镀高反射膜，另一 端镀增透膜，以实现单向出光。在垂直于结平面方向，发散角约 为30°，具有比面发光二极管高的输出耦LED的谱线特性
发光二极管的输出谱线特性
特点：1. 自发辐射光 -> LED谱线较宽 2. 面发光二极管的谱线要比边发光二极管的宽 3. 长波长光源谱宽比短光源宽 - 短波长GaAlAs/GaAs 谱宽30~50 nm - 长波长InGaAsP/InP 谱宽60~120 nm
对光发射机性能要求
光发射机的作用是把电端机送来的电信号变为光信号送入 光纤中传输。
包括以下方面： (1)光源特性 (2)调制特性 (3)输出特性
光发射机性能要求
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。
发光二极管结构
在光纤通信系统中，发光二极管可以用同质结制造， 也可以用异质结制造，只不过在实际中多采用异质结结构。
LED没有解理面，即没有光学谐振腔。由于不是激光 振荡，所以没有阈值。
费米能级位于导带内——兼并型N型半导体
式中，玻尔兹曼常数 k 1.381023 J / K0 K是绝对温度
c
c Eg
hc
Eg (eV )
1.24 Eg (eV )
(m)
h
hc e
6.626 1034 3108 1.6 1019
1.24 106
物质 Si Ge GaAs InP InGaAs AlGaAs InGaAsP
二，采用半导体光源的理由
常用半导体激光器LD 和发光二极管LED；
体积小，易与光纤耦合 发光波长适合光纤的低损耗传输窗口 可以电光直接调制 可靠性较高
4.1 半导体的能带理论
1.半导体的能带
半导体的主要特征是它们的内部原子有规则地、周期 性地排列着。作共有化运动的电子受到周期性排列着 的原子的作用，它们的势能具有晶格的周期性。因此， 晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同 而分裂成若干组。虽然在半导体中能级还是离散的， 但是每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带。 人们把这些组想象为很宽的连续的能量区，称为能带。
能级理论： 原子由原子核和核外沿固定轨道旋转的电子组成； 电子在特定的能级中运动，并通过与外界交换能量 发生能级跃迁； 能级所对应的能量值是离散的。
锗、硅和GaAs等都是共价晶体。形成共价键的价电子 所占据的能带称为价带。
价带下面的能带是被电子占满了，称为满带。 价带上面的能带称为导带。 价带和导带之间的宽度，不能被电子占据,因此称为禁
光吸收过程：
受激吸收：如果入射光子的能 量hν近似等于E2-E1，光子能量 就会被吸收，同时基态上的电子 跃迁到高能态。
半导体光检测器基于这种效 应。自������发发射、受激发射和受激吸收三种过程是同时 存在的。
c
c Eg
hc
Eg (eV )
1.24 Eg (eV )
(m)
h
hc e
6.626 1034 3108 1.6 1019
1.24 106
物质 Si Ge GaAs InP InGaAs AlGaAs InGaAsP
二，采用半导体光源的理由
常用半导体激光器LD 和发光二极管LED；
体积小，易与光纤耦合 发光波长适合光纤的低损耗传输窗口 可以电光直接调制 可靠性较高
4.1 半导体的能带理论
1.半导体的能带
半导体的主要特征是它们的内部原子有规则地、周期 性地排列着。作共有化运动的电子受到周期性排列着 的原子的作用，它们的势能具有晶格的周期性。因此， 晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同 而分裂成若干组。虽然在半导体中能级还是离散的， 但是每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带。 人们把这些组想象为很宽的连续的能量区，称为能带。
能级理论： 原子由原子核和核外沿固定轨道旋转的电子组成； 电子在特定的能级中运动，并通过与外界交换能量 发生能级跃迁； 能级所对应的能量值是离散的。
锗、硅和GaAs等都是共价晶体。形成共价键的价电子 所占据的能带称为价带。
价带下面的能带是被电子占满了，称为满带。 价带上面的能带称为导带。 价带和导带之间的宽度，不能被电子占据,因此称为禁
光吸收过程：
受激吸收：如果入射光子的能 量hν近似等于E2-E1，光子能量 就会被吸收，同时基态上的电子 跃迁到高能态。
半导体光检测器基于这种效 应。自������发发射、受激发射和受激吸收三种过程是同时 存在的。
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PLD↘→Upd↘→(Upd+VR2+VR)↘→UA↖→Ib↖→PLD↖
在反馈电路中，引入信号参考电压的目的， 是使LD的偏置电流Ib不受码流中“0”码和“1” 码比例变化的影响。
第四章 光源的调制和光发射机
一个更加完善的APC电路如图所示，从 LD背向输出的光功率，经PD检测器检测、 运放A1放大后，送到比较器A3的反相输入 端，同时输入信号参考电压和直流参考电 压经A2比较放大后送到A3的同相输入端， A3和V3组成直流恒流源调节LD的偏流， 使输出光功率稳定。
第四章 光源的调制和光发射机
§4-2 光发射机
在光纤通信中，光发射机的作用是把从电端机送来的 电信号转变成光信号，送入光纤路进行传输。
一、对光发射机的要求 1、有合适的输出光功率 光发射机的输出光功率，通常是指耦合进光纤的功率， 亦称入纤功率。入纤功率越大，可通信的距离就越长，但太 大也会使系统工作于非线性状态，对通信产生不良影响，甚 至烧坏光接机的PIN管，这要根据实际情况进行设计，同时 要求光功率稳定度在5～10%。
第四章 光源的调制和光发射机
数字信号的直接调制 LD和LED直接光强数字调制原理如图4.2所示：
It：阈值电流 IB：偏置电流 ID：注入调制电流 由图可见，当LD激光器的驱动电流I大于阈值It电流时，输出 光功率P和驱动电流I基本上是线性关系，输出光功率正比于输 入电流，所以输出光信号反映输入电信号。
2
0.5～2GHz。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。
第四章 光源的调制和光发射机
张驰振荡和电光延迟的后果是限制调制速率，当最高调制 频率接近张驰振荡频率时(f调max＝fr)，பைடு நூலகம்形失真严重，会使 接收在抽样判决时增加误码率，因此，实际使用的最高调制频 率应低于张驰振荡频率。 电光延迟要产生码型效应：当电光延迟时间 t d 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“码型效应”如图4.5所示。 用适当的“过调制”补偿方法，如图4.5（C）所示，可以 消除型效应。
第四章 光源的调制和光发射机
2、电路 光发射机的电路主要有：调制电路、控制电路、线路编码电路。 三、调制电路和自动功率控制（APC） 1、LED光源的驱动电路 如图4.8所示，由三极管组成的共发射极驱动电路，这种简 单的驱动电路主要用于用LED作为光源的光发射机。 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，数字信号的“0”，“1”码对应着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10Mb/s以下的低速率系统，更高速率应采用差分 电流开关电路。
四、温度特性和自动温度控制（ATC） 1、激光器的温度特性 温度对激光器输出光功率的影响主要通过阈 值电流It和外微分量变化产生（如图4.12）。
第四章 光源的调制和光发射机
外微分量子效率： 在门限值以上，每秒钟注入的电子 数的变化所引起的接收到的光子数的变 1 P 化 ， V I d :外微分量子效率， V :结电压， 我们将电流的变化量 I 所引起的输 出功率的变化量 P ，称外微分量子。
第四章 光源的调制和光发射机
第四章 光源的调制和光发射机
数字光发射机的功能是把电端机输出的数字基带电信号 转换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路。电/光转换 是用承载信息的数字电信号对光源进行调制来实现的。 §4-1光源的调制 在目前技术成熟并在实际中广泛使用的强度调制――直 接检波(IM-DD)，光纤通信系统中，主要有两种调制方式。 一类是直接调制：即直接在光源上进行调制，直接调制 半导体激光器的注入电流； 另一类是间接调制：即不直接调制光源，而是在光源输 出的通路上外加调制来对光波进行调制，这种调制器可通过 电/光效应或声/光效应等，利用晶体传输特性随电压变化来实 现对光波的调制。
d j
j
第四章 光源的调制和光发射机
2、结发热效应 即使环境温度不变，由于调制电流的作用，引起激光器结 区温度的变化，因而使输出形状发生变化，这种效应叫结发热 效应。 设t=0时脉冲到来，注入电流I1，由于电流的热效应，在 脉冲持续时间内，结区的温度随t而升高，It而t而增大，使 输出光脉冲的幅度随t而减小。 当t=T时电流脉冲过后，注入电流从I1减小到了I0，电流 散发的热量减小，使输出的光脉冲幅度增大。 结发热效应将引起调制失真。
射极耦合电路为恒流源，电流噪声
小，此电路缺点是动态范围小，功耗大。
激光器驱动电路的调制速率受电路 所用电子器件性能限制，采用LD和驱动 电路集成在一起的单片集成电路可以提 高调制速率和改进光发射机的性能。
第四章 光源的调制和光发射机
2）自动功率控制（APC）(06*3) 由于工作时间加长和温度的变化，LD 的输出功率会发生变化。为保证输出光功 率的稳定，图4.10所示电路是利用反馈电 流使输出光功率稳定的LD驱动电路。
第四章 光源的调制和光发射机
2、LD光源的调制驱动电路 如图4.9所示电路，是适用于激光器系统使 用的射极耦合驱动电路。 1）工作原理（调制驱动电路） 电流源为由V1、V2组成的差分开关电路提 供了恒定的偏置电流，在的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，数字信号Uin从V1 基极输入，当信号 为“1”码时，V1(Ub1高于UB)导通，V2截止， LD不发光，反之，当输入“0”码时，V2导通， 而V1截止，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V1、V2的截止频率fr≥4.5GHZ时，这 种电路的调制速率可达300Mb/s。
第四章 光源的调制和光发射机
LD PiN
C A1 A3
T3
Vin
T1
T2
Vbb -V
A2
-V
.自动功率控制(APC)电路 .因老化 P光A1 A3偏置电流P光 .A2的作用防止当无信号或长“0”码时，因APC电路使 LD管注入电流增加，引起误码。
2015-4-2 21
第四章 光源的调制和光发射机
第四章 光源的调制和光发射机
2、自脉动现象 某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动 下，当注入电流达到某个范围时，输出光 脉冲出现持续等幅的调频振荡，这种现象 称自脉动现象（如图4.6所示）。频率可 达2GHZ，严重影响LD的高速调制特性。 自脉动现象是激光器内部不均匀增益 或不均匀吸收产生的，往往和LD的P－I 曲线的非线性有关，自脉动发生的区域和 P－I曲线扭折区域相对应，因此，选择激 光器时应特别注意。
第四章 光源的调制和光发射机
下面简单介绍常用的二种间接调制器。 1、电/光调制器
电－光调制器的基本工作原理是晶体 的线性电光效应，电光效应是指：电场 引起晶体折射率变化的现象。能够产生 电光效应的晶体称为电光晶体。 如令Δｎ为电光晶体折射率由外加电 E 场 引起的变化，它可随 成线性变化， E 也可随E成平方变化（非线性）。在调制 器中，主要利用电光晶体Δｎ的线性变化 项，称帕克耳效应。（Pockel's effect）。
第四章 光源的调制和光发射机
二、光发射机的组成 数字光发射机的原理框图如下：
第四章 光源的调制和光发射机
光发射机主要由光源和电路两部分组成，各部分功能如下： 1、光源 对通信用光源的要求如下 （1）发射的光波长和光纤低损耗“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 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，以满足系统大传输 容量的要求。 （4）器件能在常温下以连续波方式工作，要求温度稳定性好， 可靠、长寿命。 （5）其它：体积小，重量轻，安装方便，价低。
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2、有较好的消比Ext 定义： Ext＝
全“0”码时的平均光功率 P0 全“ 1 ”码进的平均光功率 P1
对已调制的光源，希望在“0”码时，没有光功率输出， 否则它将使系统产生噪声，从而使接收机灵敏度下降， 一般要求Ext≤10%。 3、调制特性好 即要求调制效率和调制频率要高，以满足大容量、高 速率光纤通信系统的要求。 4、其它 要求电路简单，成本低，光源寿命长，运行稳定可行等。
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3、自动温度控制（ATC）
温度控制装置一般由致冷器、热敏电阻和控制电路组 成，原理框图如图4.14
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制冷器的冷端和激光器的热层接触，热敏电阻 作为传感器，探测激光器结区的温度，并把它传递 给控制电路，通过控制电路改变制冷量，使激光器 输出特性保持恒定。 目前，微制冷大多采用半导体制冷器，它是利 用半导体材料的珀尔帖效应制成的电偶来实现制冷 的，用若干对电偶串联或并联组成的温差电功能器 件，温度控制范围可达30～40℃，为提高制冷效率 和温度控制精度，把制冷器和热敏电阻封装在激光 器管壳内，温控精度可达±0.5℃，从而使激光器输 出平均功率和发射波长保持恒定，避免调制失真。
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+V
I1 I2
LD
Vin
T1
T2
Vbb
LD驱动电路
is
-V
图4.9为射极耦合LD驱动电路 T1和T2组成差分开关电路 .当Vin>Vbb I2=0 LD不发光 “0”码 .当Vin<Vbb I1=0 LD发光 “ 1 ”码
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第四章 光源的调制和光发射机
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在反馈电路中，引入信号参考电压的目的， 是使LD的偏置电流Ib不受码流中“0”码和“1” 码比例变化的影响。
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一个更加完善的APC电路如图所示，从 LD背向输出的光功率，经PD检测器检测、 运放A1放大后，送到比较器A3的反相输入 端，同时输入信号参考电压和直流参考电 压经A2比较放大后送到A3的同相输入端， A3和V3组成直流恒流源调节LD的偏流， 使输出光功率稳定。
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§4-2 光发射机
在光纤通信中，光发射机的作用是把从电端机送来的 电信号转变成光信号，送入光纤路进行传输。
一、对光发射机的要求 1、有合适的输出光功率 光发射机的输出光功率，通常是指耦合进光纤的功率， 亦称入纤功率。入纤功率越大，可通信的距离就越长，但太 大也会使系统工作于非线性状态，对通信产生不良影响，甚 至烧坏光接机的PIN管，这要根据实际情况进行设计，同时 要求光功率稳定度在5～10%。
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数字信号的直接调制 LD和LED直接光强数字调制原理如图4.2所示：
It：阈值电流 IB：偏置电流 ID：注入调制电流 由图可见，当LD激光器的驱动电流I大于阈值It电流时，输出 光功率P和驱动电流I基本上是线性关系，输出光功率正比于输 入电流，所以输出光信号反映输入电信号。
2
0.5～2GHz。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。
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张驰振荡和电光延迟的后果是限制调制速率，当最高调制 频率接近张驰振荡频率时(f调max＝fr)，பைடு நூலகம்形失真严重，会使 接收在抽样判决时增加误码率，因此，实际使用的最高调制频 率应低于张驰振荡频率。 电光延迟要产生码型效应：当电光延迟时间 t d 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“码型效应”如图4.5所示。 用适当的“过调制”补偿方法，如图4.5（C）所示，可以 消除型效应。
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2、电路 光发射机的电路主要有：调制电路、控制电路、线路编码电路。 三、调制电路和自动功率控制（APC） 1、LED光源的驱动电路 如图4.8所示，由三极管组成的共发射极驱动电路，这种简 单的驱动电路主要用于用LED作为光源的光发射机。 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，数字信号的“0”，“1”码对应着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10Mb/s以下的低速率系统，更高速率应采用差分 电流开关电路。
四、温度特性和自动温度控制（ATC） 1、激光器的温度特性 温度对激光器输出光功率的影响主要通过阈 值电流It和外微分量变化产生（如图4.12）。
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外微分量子效率： 在门限值以上，每秒钟注入的电子 数的变化所引起的接收到的光子数的变 1 P 化 ， V I d :外微分量子效率， V :结电压， 我们将电流的变化量 I 所引起的输 出功率的变化量 P ，称外微分量子。
第四章 光源的调制和光发射机
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数字光发射机的功能是把电端机输出的数字基带电信号 转换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路。电/光转换 是用承载信息的数字电信号对光源进行调制来实现的。 §4-1光源的调制 在目前技术成熟并在实际中广泛使用的强度调制――直 接检波(IM-DD)，光纤通信系统中，主要有两种调制方式。 一类是直接调制：即直接在光源上进行调制，直接调制 半导体激光器的注入电流； 另一类是间接调制：即不直接调制光源，而是在光源输 出的通路上外加调制来对光波进行调制，这种调制器可通过 电/光效应或声/光效应等，利用晶体传输特性随电压变化来实 现对光波的调制。
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2、结发热效应 即使环境温度不变，由于调制电流的作用，引起激光器结 区温度的变化，因而使输出形状发生变化，这种效应叫结发热 效应。 设t=0时脉冲到来，注入电流I1，由于电流的热效应，在 脉冲持续时间内，结区的温度随t而升高，It而t而增大，使 输出光脉冲的幅度随t而减小。 当t=T时电流脉冲过后，注入电流从I1减小到了I0，电流 散发的热量减小，使输出的光脉冲幅度增大。 结发热效应将引起调制失真。
射极耦合电路为恒流源，电流噪声
小，此电路缺点是动态范围小，功耗大。
激光器驱动电路的调制速率受电路 所用电子器件性能限制，采用LD和驱动 电路集成在一起的单片集成电路可以提 高调制速率和改进光发射机的性能。
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2）自动功率控制（APC）(06*3) 由于工作时间加长和温度的变化，LD 的输出功率会发生变化。为保证输出光功 率的稳定，图4.10所示电路是利用反馈电 流使输出光功率稳定的LD驱动电路。
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2、LD光源的调制驱动电路 如图4.9所示电路，是适用于激光器系统使 用的射极耦合驱动电路。 1）工作原理（调制驱动电路） 电流源为由V1、V2组成的差分开关电路提 供了恒定的偏置电流，在的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，数字信号Uin从V1 基极输入，当信号 为“1”码时，V1(Ub1高于UB)导通，V2截止， LD不发光，反之，当输入“0”码时，V2导通， 而V1截止，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V1、V2的截止频率fr≥4.5GHZ时，这 种电路的调制速率可达300Mb/s。
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LD PiN
C A1 A3
T3
Vin
T1
T2
Vbb -V
A2
-V
.自动功率控制(APC)电路 .因老化 P光A1 A3偏置电流P光 .A2的作用防止当无信号或长“0”码时，因APC电路使 LD管注入电流增加，引起误码。
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2、自脉动现象 某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动 下，当注入电流达到某个范围时，输出光 脉冲出现持续等幅的调频振荡，这种现象 称自脉动现象（如图4.6所示）。频率可 达2GHZ，严重影响LD的高速调制特性。 自脉动现象是激光器内部不均匀增益 或不均匀吸收产生的，往往和LD的P－I 曲线的非线性有关，自脉动发生的区域和 P－I曲线扭折区域相对应，因此，选择激 光器时应特别注意。
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下面简单介绍常用的二种间接调制器。 1、电/光调制器
电－光调制器的基本工作原理是晶体 的线性电光效应，电光效应是指：电场 引起晶体折射率变化的现象。能够产生 电光效应的晶体称为电光晶体。 如令Δｎ为电光晶体折射率由外加电 E 场 引起的变化，它可随 成线性变化， E 也可随E成平方变化（非线性）。在调制 器中，主要利用电光晶体Δｎ的线性变化 项，称帕克耳效应。（Pockel's effect）。
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二、光发射机的组成 数字光发射机的原理框图如下：
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光发射机主要由光源和电路两部分组成，各部分功能如下： 1、光源 对通信用光源的要求如下 （1）发射的光波长和光纤低损耗“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 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，以满足系统大传输 容量的要求。 （4）器件能在常温下以连续波方式工作，要求温度稳定性好， 可靠、长寿命。 （5）其它：体积小，重量轻，安装方便，价低。
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2、有较好的消比Ext 定义： Ext＝
全“0”码时的平均光功率 P0 全“ 1 ”码进的平均光功率 P1
对已调制的光源，希望在“0”码时，没有光功率输出， 否则它将使系统产生噪声，从而使接收机灵敏度下降， 一般要求Ext≤10%。 3、调制特性好 即要求调制效率和调制频率要高，以满足大容量、高 速率光纤通信系统的要求。 4、其它 要求电路简单，成本低，光源寿命长，运行稳定可行等。
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3、自动温度控制（ATC）
温度控制装置一般由致冷器、热敏电阻和控制电路组 成，原理框图如图4.14
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制冷器的冷端和激光器的热层接触，热敏电阻 作为传感器，探测激光器结区的温度，并把它传递 给控制电路，通过控制电路改变制冷量，使激光器 输出特性保持恒定。 目前，微制冷大多采用半导体制冷器，它是利 用半导体材料的珀尔帖效应制成的电偶来实现制冷 的，用若干对电偶串联或并联组成的温差电功能器 件，温度控制范围可达30～40℃，为提高制冷效率 和温度控制精度，把制冷器和热敏电阻封装在激光 器管壳内，温控精度可达±0.5℃，从而使激光器输 出平均功率和发射波长保持恒定，避免调制失真。
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+V
I1 I2
LD
Vin
T1
T2
Vbb
LD驱动电路
is
-V
图4.9为射极耦合LD驱动电路 T1和T2组成差分开关电路 .当Vin>Vbb I2=0 LD不发光 “0”码 .当Vin<Vbb I1=0 LD发光 “ 1 ”码
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