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1、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，可以在快，可以在较较高速率条件下高速率条件下进进行直接行直接强强度度调调制。制。
2、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，以及光工作原理和特性，以及光发发送机的工作原理。送机的工作原理。第三章第三章 光源和光光源和光发发送机送机2第三章第三章 光源和光光源和光发发送机送机3.1 半半导导体激光器和体激光器和发发光二极管光二极管3.2 光源光源调调制制3.3 光光发发送机送机31. 激光的激光的产产生及其物理基生及其物理基础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
3、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，从从一一个个轨轨道跳到另一个道跳到另一个轨轨道，道，这这种种过过程称程称为为跃跃迁迁。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
4、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若干水平线线来表示来表示电电子所子所处处的状的状态态，这这就是所就是所谓谓的能的能级图级图。 4图图3-1 能能级图级图5跃跃迁迁 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，的光子，结结果果这这个个电电子回到低能子回到低能级级E1。一一个个处处于于低低能能级级E1的的电电子子，从从
5、外外界界吸吸收收一一个个能能量量为为Ehf=E2E1的光子，的光子，结结果果这这个个电电子被激子被激发发到高能到高能级级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，只只能能出出现现在某些特定的能在某些特定的能级级之之间间。 6受激吸收和受激受激吸收和受激辐辐射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，而而跃跃迁到
6、高能迁到高能级级E2，这这称称为为光的光的受激吸收受激吸收，如，如图图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跃迁称迁称为为受激受激跃跃迁，其迁，其辐辐射称射称为为受激受激辐辐射射。 7图图3-2 光的受激吸收和光的受激吸收和辐辐射射8
7、粒子数反粒子数反转转分布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低能级级上的粒子数，上的粒子数，这这种状种状态态称称为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
8、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能级电级电子数量的分布叫做子数量的分布叫做“粒子数反粒子数反转转分布分布”。9粒子数反粒子数反转转分布必要条件：多能分布必要条件：多能级级物物质质用用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
9、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的的光子。光子。 10粒子数反粒子数反转转分布形成示意分布形成示意图图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，成成为为激光光源呢？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
10、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，即允率，即允许许有部分的光透射。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 o
11、f Radiation）的的缩缩写。用来写。用来产产生激光的装置，就叫做激光器。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 工作物工作物质质激光器的激光器的组组成核心，也就是成核心，也就是发发光物光物质质。o 光学共振腔光学共振腔形成激光振形成激光振荡荡，输输出激光。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，通常是激光器的通常是激光器的电电源。源。 142. 半半导导体激光器的基本原理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
12、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）半导导体激光器。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单个原子那个原子那样样的分立的能的分立的能级级，而，而变变成了成了能能带带。 15补补充知充知识识：泡利不相容原理
13、：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相反的电电子占有子占有 。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间，称，称为为禁禁带带。16图图3-5 半半导导体能体能带图带图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
14、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自由电电子极多。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导带电子和价子和价带带空穴空穴产产生的。生的。 导带价带EgEvEc禁带导带电子价带空穴18图图3-6 高高掺杂掺杂的的PN结结19势垒势垒的形成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
15、型和和N型型半半导导体体交界的两交界的两侧侧形成了形成了带带相反相反电电荷的区域，称荷的区域，称为为“空空间电间电荷区荷区”。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
16、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型半型半导导体价体价带顶带顶部能部能级级(EV)P还还要低。要低。20费费米能米能级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
17、)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区区价价带带顶顶以下到以下到费费米能米能级级EF以上区域内的以上区域内的电电子数。子数。 21图图3-7 外加正向外加正向电压时电压时的的PN结结22图图3-7 外加正向外加正向电压时电压时的的PN结结23正向正向电压电压减小和抵消减小和抵消势垒势垒作用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
18、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
19、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光子子，起了光放大作用。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
20、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光放大现现象。象。这时发这时发射很亮的射很亮的荧荧光。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电流称流称为为激光器的激光器的阈值电阈值电流流。 25图图3-8 注入注入电电流与光功率的关系流与光功率的关系26异异质结质结半半导导体激光器体激光器 上上面面分分析析的的半半导导体体激
21、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在室温条件下连续连续工作。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
22、可降降至至约约 103Acm-2 量量级级。 273. 半半导导体激光器的主要特性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）纵纵模特性光模特性光谱谱特性特性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
23、光光。此此临临界界值值就称就称为为激光器的激光器的阈值阈值。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刚达到达到阈值时虽阈值时虽有激光有激光输输出但很弱。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电流小，要求的外加激励能源就小，激光器本身流小，要求的外加激励能源就小，激光器本身发热发热就少。就少。29（2）激光器效率）激光器效率可用功率可用功率转换转换效率和量子效率衡量激光器效率和量子效率衡
24、量激光器转换转换效率的高低。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，表示式表示式为为： 式中：式中：Pex激光器激光器发发射的光功率射的光功率Vj激光器的激光器的结电压结电压（PN结结正向正向电压电压）Rs激光器的串激光器的串联电联电阻（包括半阻（包括半导导体材料体材料电电阻和接触阻和接触电电阻）阻）I注入注入电电流流量子效率定量子效率定义为义为：输输出光子数与注入出光子数与注入电电子数之比，表示子数之比，表示为为 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
25、长随随温温度度而而变变化的特性称化的特性称为为温度特性。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。阈值电阈值电流与温度的流与温度的变变化关系可以表示化关系可以表示为为： (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
26、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。随随着激光器工作着激光器工作时间时间增增长长，器件老化，其，器件老化，其阈值电阈值电流不断增加。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曲曲线线32图图3-14 P-I特性曲特性曲线线随器件老化随器件老化变变化情况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
27、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光器的纵纵模。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
28、大，其其发发射光射光谱谱越窄，越窄，谱线谱线中心中心强强度越大。度越大。（4）纵纵模特性光模特性光谱谱特性特性 34图图3-16 半半导导体激光器的体激光器的输输出光出光谱谱a）低于阈值 b）高于阈值 c）单纵模LD35图图3-18 激光器光束空激光器光束空间间分布分布364. 单纵单纵模半模半导导体激光器体激光器 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
29、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，所以称所以称为为分布反分
30、布反馈馈（DFB）激光器。）激光器。 37DFB和和DBR激光器激光器结结构示意构示意383.1.2 半半导导体体发发光二极管光二极管 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区别别。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
31、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、短距离的光短距离的光纤纤通信系通信系统统中得到广泛的中得到广泛的应应用。用。39图图3-22 双异双异质结发质结发光二极管光二极管结结构构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，
32、由由于于PN结结的的发热发热而出而出现饱现饱和和现现象。象。 41图图3-23 LED的的P-I特性特性42发发光二极管光二极管辐辐射射图图形形43第三章第三章 光源和光光源和光发发送机送机3.1 半半导导体激光器和体激光器和发发光二极管光二极管3.2 光源光源调调制制3.3 光光发发送机送机443.2 光源光源调调制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调，还还原出原来的信号。原出原来的信号。
33、 453.2.1 光源的光源的调调制方式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. 直接直接调调制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
34、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. 间间接接调调制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，也适用于其它激光器，也适用于其它类类型的激光器。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
35、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变化，当由光源化，当由光源发发出的激光通出的激光通过过它它时时，得到，得到调调制。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
36、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外相干光通信系统统也需要采用也需要采用间间接接调调制。制。483.2.2 光源的直接光源的直接调调制原理制原理 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流来实现实现光光强强度度调调
37、制。制。49图图3-27 模模拟拟信号信号调调制原理制原理50图图3-28 数字信号数字信号调调制原理制原理51第三章第三章 光源和光光源和光发发送机送机3.1 半半导导体激光器和体激光器和发发光二极管光二极管3.2 光源光源调调制制3.3 光光发发送机送机523.3 光光发发送机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
38、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房中的直流电电源源转换为转换为光端机所需的光端机所需的电电源。源。53图图3-29 光端机功能原理框光端机功能原理框图图54典型的多路数字典型的多路数字传输传输系系统统(视频视频、音、音频频、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 输输入接口入接口o 光
39、光线线路路码码型型变换变换o 光光发发送送电电路路o 光接收光接收电电路路o 定定时时再生再生o 光光线线路路码码型反型反变换变换o 输输出接口出接口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 光光发发送机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
40、尾从光源的尾纤纤送出光信号送出光信号注入光注入光纤纤线线路。路。 571. 输输入入电电路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设备的的输输出信号出信号经电缆连经电缆连接到光端机的接到光端机的输输入端。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
41、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于光纤线纤线路中路中传输传输的的单单极性极性码码。58图图3-30 输输入接口与入接口与码码型型变换变换框框图图译码59线线路路码码型型变换变换普通的二普通的二进码进码(NRZ)在在传输时传输时会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离散散定定时时分量，使接收机的分量，使接收机的时钟时钟提取比提取比较较困困难难。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波动动起伏，即基起伏，
42、即基线线漂移，影响判决漂移，影响判决电电路路对对信号的再生。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断通信误码检测误码检测。为为了解决上述了解决上述问题问题，光，光纤线纤线路路码码型型要要特特别设计别设计。 60线线路路码码型型选择选择原原则则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，便便于于时钟时钟提取。提取。o 传输码传输码型型应应有不中断有不中断业务进业务进行行误码检测误码检测的能力。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
43、线路路传传输输码码率率的提高的提高应应尽可能的少。尽可能的少。o 抗干抗干扰扰性好，能使可性好，能使可检测检测的光功率减至最小。的光功率减至最小。o 传输码传输码型的型的实实施，施，应应力求力求简单简单和和经济经济。o 传输传输中中发发生生误码时误码时，误码扩误码扩散范散范围围或或误码误码增增值值低。低。61常用的常用的线线路路码码型型o 扰码扰码二二进进制制o 字字变换码变换码o 插入型插入型码码 62扰码扰码二二进进制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
44、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流的的特性。特性。 63字字变换码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
45、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一一定定的的富富余余度度，以，以满满足足线线路路码码的基本要求。的基本要求。 64mBnB 码码的的编码编码原理原理 以以 3B4B 码码来介来介绍绍 mBnB 码码的基本原理。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
46、出若若干干种种代代表表3B码码的的8种状种状态态，如表，如表3-1所示。所示。65表表3-1 3B和和4B的的码码字字 3B3B码码4B4B码码0 01 12 23 34 45 56 67 70000000010010100100110111001001011011101101111110 01 12 23 34 45 56 67 700000000000100010010001000110011010001000101010101100110011101118 89 910101111121213131414151510001000100110011010101010111011110011
47、0011011101111011101111111166码码字数字和字数字和(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，称称为为均均等，其代数和等，其代数和为为正或正或为负时为负时，称，称为为不均等。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
48、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传输码流的累流的累计计不均。不均。67表表3-2 WDS值值分分类类类类 别别WDS=0WDS=0WDS=WDS=+2+2WDS=WDS=-2-2WDS=WDS=+4+4WDS=WDS=-4-4状状态态00110011010101010110011010011001101010101100110001110111101110111101110111101110000100010010001001000100100010001111111100000000683B4B编码编码方案方案使使用用的的mBnB码码的的基基本本原原理理
49、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这这种种字字称称为为禁字禁字。693B4B码码方案方案举举例例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
50、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均不均值为值为“0”时时，则选则选用与前一用与前一码组码组相同的模式。相同的模式。 70表表3-3 一种一种3B4B码码表表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WDSWDS000000001001010010011011100
51、1001011011101101111111011101111101110010101010110011010011001101010100111011111011101+2+2+2+20 00 00 00 0+2+2+2+20100010000010001010101010110011010011001101010101000100000100010-2-2-2-20 00 00 00 0-2-2-2-271插入插入码码插插入入码码是是把把输输入入二二进进制制原原始始码码流流分分成成每每m比比特特（mB）一一组组，然然后后在在每每组组mB码码末末尾尾按按一一定定的的规规律律插插入入一一个个码
52、码，组组成成m1个个码码为为一一组组的的线线路路码码流流。根根据据插插入入码码的的规规律律，可可以以分分为为mB1C码码，mB1H码码和和mB1P码码。72线线路路编码对线编码对线路路传输传输速率的改速率的改变变o 对扰码对扰码二二进进制制线线路速率不路速率不变变o 对对字字变换码变换码，如，如mBnB实际线实际线路速率路速率标标称速率称速率(n/m)o 对对插入插入码码，如，如mB1H实际线实际线路速率路速率标标称速率称速率(m+1)/m732. 光光发发送送电电路路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
53、成成电电光光变变换换，并并从光源的尾从光源的尾纤纤送出光信号注入光送出光信号注入光纤线纤线路。路。74光光纤纤通信通信对对光源的要求光源的要求 o 光光源源发发光光波波长长应应在在光光纤纤的的低低损损耗耗窗窗口口内内，且且要要求色散小。求色散小。o 光源的光源的输输出功率必出功率必须须足足够够大。大。o 可靠性高，使用寿命可靠性高，使用寿命长长。o 光源的光源的谱线宽谱线宽度要窄。度要窄。o 调调制制特特性性好好，调调制制效效率率高高，调调制制速速率率能能适适应应系系统统的要求。的要求。o 温度特性好。温度特性好。 激光二极管（激光二极管（LD）7576LD发发送送电电路路 LD发发送送电电路
54、路是是指指光光源源采采用用半半导导体体激激光光器器LD的的发发送送电电路。路。LD发发送送电电路路由由电电平平移移动动、LD光光源源、驱驱动动电电路路、预预偏偏置置电电路路、自自动动功功率率控控制制(APC)电电路路和和自自动动温温度度控制控制(ATC)电电路路组组成。成。光光端端机机中中，一一般般将将这这几几部部分分电电路路装装在在一一块块机机盘盘中，称中，称为为光光发发送送盘盘。 77图图3-31 LD发发送送电电路框路框图图78光源光源驱动电驱动电路路光光源源驱驱动动电电路路是是光光发发送送盘盘的的核核心心。它它用用数数字字信信号号来来调调制制发发光光器器的的发发光光强强度度，即即完完成
55、成电电光光变变换过换过程。程。电电信信号号对对光光源源的的调调制制是是PCM脉脉码码强强度度直直接接调调制方式，光源制方式，光源输输出的光功率正比于注入出的光功率正比于注入电电流。流。由由于于光光源源有有LD和和LED，其其P-I特特性性也也不不同同，因因此此驱动驱动方式也不同。方式也不同。79图图3-32 LD瞬瞬态态80图图3-33 LD的偏置的偏置调调制特性制特性81图图3-36 LED调调制特性制特性模拟调制 数字调制82自自动动功率控制功率控制APC由由LD的的P-I特特性性可可知知，LD的的阈阈值值电电流流随随温温度度升高及管子的升高及管子的老化老化而提高。而提高。83图图3-38
56、 激光器的激光器的输输出光功率与温度、老化出光功率与温度、老化特性的关系特性的关系84自自动动功率控制功率控制APC此此时时如如果果加加在在LD上上的的驱驱动动电电流流(IIB+ID)不不变变，则则会使会使LD的的输输出光功率下降。出光功率下降。因因为为信信号号电电流流ID不不会会变变，所所以以要要保保持持原原有有的的输输出光功率就必出光功率就必须须增大偏置增大偏置电电流流IB。为为了了稳稳定定输输出出光光功功率率，必必须须采采用用自自动动功功率率控控制（制（APC）电电路。路。 85图图3-39 APC电电路路调整电位获得合适的IBIBIDPiVfIB86自自动动温度控制温度控制ATC温温度
57、度变变化化会会引引起起输输出出光光功功率率的的变变化化，虽虽然然可可以以通通过过APC电电路路进进行行调调节节，使使LD输输出出光光功功率率恢恢复复正正常常值值。但但如如果果环环境境温温度度升升高高较较多多，使使得得Ith增增大大较较多多，经经APC调调节节后后IB也也增增大大较较多多，则则LD的的结结温温会会升升高高过过多多，致致使使Ith更更高高，造造成成恶恶性性循循环环，以以致致把把LD烧烧坏坏。因因此此，对对LD管管芯芯的的工工作作温温度度采采用用ATC电电路路，使使其其恒恒定定在在20左左右右，对对光光源源长长期期稳稳定定工工作作是有利的。是有利的。温度控制温度控制也有多种方式，常用的是半也有多种方式，常用的是半导导体制冷器方式。体制冷器方式。 补补充：半充：半导导体致冷器体致冷器*87补补充：半充：半导导体致冷器的体致冷器的应应用用*8889图图3-40 ATC电电路路a）ATC电路原理 b）换能电桥90本章小本章小结结和知和知识识点点o 激光形成的物理基激光形成的物理基础础o 激光形成条件激光形成条件o 激光器的激光器的阈值阈值特性特性o 光源的光源的调调制方式及其制方式及其优优缺点缺点o 线线路路编码编码原理及原理及实现实现o 偏置偏置电电流的流的选选取准取准则则o APC和和ATC电电路的工作原理路的工作原理
