第三章光源与光发送机

1、1 2本章内容 光源：半导体激光器和发光二极管。 光源调制 光发送机。3 光源器件：光纤通信设备的核心，其作用是将电信号转换光源器件：光纤通信设备的核心，其作用是将电信号转换成光信号送入光纤。常用的有成光信号送入光纤。常用的有LD和和LED两种。两种。 半导体激光器（半导体激光器（LD）：适用于长距离大容量的光纤通信系）：适用于长距离大容量的光纤通信系统。尤其是单纵模半导体激光器统。尤其是单纵模半导体激光器，在高速率、大容量的数字光，在高速率、大容量的数字光纤通信系统中得到广泛应用。纤通信系统中得到广泛应用。 发光二极管（发光二极管（LED）：适用于短距离、低码速的数字光纤）：适用于短距离、低

2、码速的数字光纤通信系统，或者是模拟光纤通信系统。其制造工艺简单、成本通信系统，或者是模拟光纤通信系统。其制造工艺简单、成本低、可靠性好。低、可靠性好。 451激光器的物理基础激光器的物理基础 （1）光子的概念）光子的概念 光量子学说认为，光是由能量为光量子学说认为，光是由能量为hf 的光量子组成的，其中的光量子组成的，其中h=6.6281034 Js（焦耳（焦耳秒），称为普朗克常数，秒），称为普朗克常数，f 是光波频是光波频率，人们将这些光量子率，人们将这些光量子称为光子称为光子。 当光与物质相互作用时，当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或光子的能量作为一个整体被吸收或发射。发

3、射。6 半导体激光器半导体激光器 （2）原子能级）原子能级 物质是由原子组成，而原子是由原子核和核外电子构成。原子物质是由原子组成，而原子是由原子核和核外电子构成。原子的核外电子有不同稳定状态的的核外电子有不同稳定状态的能级能级。 最低的能级最低的能级E1 称为称为基态基态，能量比基态大的所有其他能级，能量比基态大的所有其他能级E i（i=2，3，4，）都称为）都称为激发态激发态。当电子从较高能级。当电子从较高能级E2跃迁跃迁至较低能级至较低能级E1时，其能级间的能量差为时，其能级间的能量差为E =E2E1，并以光子的形式释放出来，并以光子的形式释放出来，这个能量差与辐射光的频率这个能量差与辐

4、射光的频率f 12之间有以下关系式之间有以下关系式1212hfEEE 当处于低能级当处于低能级E1 的电子受到一个光子能量的电子受到一个光子能量E =hf12的光照射时，的光照射时，该能量被吸收，使原子中的电子激发到较高的能级该能量被吸收，使原子中的电子激发到较高的能级E2 上去。上去。 光纤通信用的光纤通信用的发光元件和光检测元件发光元件和光检测元件就是利用这两种现象。就是利用这两种现象。7 （3）光与物质的三种作用形式光与物质的三种作用形式 光与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，将发光与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，将发生受激吸收、自发辐射、生受激吸收、自发辐射

5、、受激辐射受激辐射三种物理过程。如图所示。三种物理过程。如图所示。能级和电子跃迁8 在正常状态下，电子通常处于低能级（即基态）在正常状态下，电子通常处于低能级（即基态）E1，在入射，在入射光的作用下，电子吸收光子的能量后跃迁到高能级（即激发态）光的作用下，电子吸收光子的能量后跃迁到高能级（即激发态）E2，产生光生电流，这种跃迁称为产生光生电流，这种跃迁称为受激吸收受激吸收光电检测器。光电检测器。 处于高能级处于高能级E2 上的电子是不稳定的，上的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，即使没有外界的作用，也会自发地跃迁到低能级也会自发地跃迁到低能级E1 上与空穴复合，释放的能量转换为光上与空穴复合

6、，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射自发辐射发光二极管发光二极管。 在高能级在高能级E2上的电子，受到能量为上的电子，受到能量为hf12的外来光子激发时，使的外来光子激发时，使电子被迫跃迁到低能级电子被迫跃迁到低能级E1 上与空穴复合，同时释放出一个与激光上与空穴复合，同时释放出一个与激光发光发光同频率、同相位、同方向的光子同频率、同相位、同方向的光子（称为全同光子）（称为全同光子）。由于该过。由于该过程是在外来光子的激发下产生的，故称为程是在外来光子的激发下产生的，故称为受激辐射受激辐射激光器激光器。 自发发射、受激发射和受激吸收三种过程是同时存在自发

7、发射、受激发射和受激吸收三种过程是同时存在!9 （4）粒子数反转分布与光的放大）粒子数反转分布与光的放大 受激辐射是产生激光的关键受激辐射是产生激光的关键。 如设低能级上的粒子密度为如设低能级上的粒子密度为N1，高能级上的粒子密度为，高能级上的粒子密度为N2，在，在正常状态下，正常状态下， N1 N2，总是受激吸收大于受激辐射。即在热平衡，总是受激吸收大于受激辐射。即在热平衡条件下，物质不可能有光的放大作用。条件下，物质不可能有光的放大作用。 要想物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激吸收，即要想物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激吸收，即使使N2 N1 （高能级上的电子数多于低能级

8、上的电子数），这种（高能级上的电子数多于低能级上的电子数），这种粒粒子数的反常态分布称为粒子（电子）数反转分布子数的反常态分布称为粒子（电子）数反转分布。 *粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件首要条件。10 （5）激光的形成）激光的形成 必须有产生激光的必须有产生激光的工作物质工作物质（激活物质）；（激活物质）； 必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源激励源（泵浦源）；（泵浦源）； 必须有能够完成频率选择及反馈作用的必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔光学谐振腔。 粒子

9、数反转分布状态粒子数反转分布状态的为实现光放大提供了可能，而的为实现光放大提供了可能，而激活物质激活物质提供光放大的环境，提供光放大的环境，光学谐振腔光学谐振腔则提供必要的反馈及对光的频率和则提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择，以获得连续的方向进行选择，以获得连续的光放大和激光振荡光放大和激光振荡输出。输出。11光学谐振腔的结构 （6）激光器的结构）激光器的结构 在激活物质的两端的适当位置，放置两个反射系数分别为在激活物质的两端的适当位置，放置两个反射系数分别为r1和和r2的平行反射镜的平行反射镜M1和和M2，就构成了最简单的光学谐振腔。，就构成了最简单的光学谐振腔。 如果反射镜是平面镜

10、，称为平面腔；如果反射镜是球面镜，则如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是球面镜，则称为球面腔，如图称为球面腔，如图3-2所示。对于两个反射镜，要求其中一个能全所示。对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，反射，另一个为部分反射另一个为部分反射。12激光器示意图13 （7）光学谐振腔的谐振条件与谐振频率）光学谐振腔的谐振条件与谐振频率 设谐振腔的长度为设谐振腔的长度为L，则，则谐振腔的谐振条件谐振腔的谐振条件为为 （3-2）或或 （3-3） 式中，式中，c为光在真空中的速度，为光在真空中的速度，为激光波长，为激光波长，n为激活物质的折为激活物质的折射率，射率，L为光学谐振腔的腔长，为光学谐

11、振腔的腔长，q=1，2，3称为纵模模数称为纵模模数。 谐振腔只对满足式（谐振腔只对满足式（3-2）的光波波长或式（）的光波波长或式（3-3）的光波频率提）的光波频率提供正反馈，使之在腔中互相加强产生谐振形成激光。供正反馈，使之在腔中互相加强产生谐振形成激光。22nLqLq nLqf2cc14 （8）起振的阈值条件）起振的阈值条件 激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的阈值条件激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的阈值条件。如。如以以G th表示阈值增益系数，则起振的阈值条件是表示阈值增益系数，则起振的阈值条件是 （3-4） 为光学谐振腔内激活物质的损耗系数为光学谐振腔内激活物质的损耗系

12、数，L为光学谐振腔的腔长，为光学谐振腔的腔长，r1，r2为光学谐振腔两个反射镜的反射系数。为光学谐振腔两个反射镜的反射系数。21th1ln21rrLG 半导体激光器：半导体激光器：是向半导体是向半导体P-N结注入电流，实现粒子数结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡输出激光。放大而产生激光振荡输出激光。15 1半导体激光器的基本结构半导体激光器的基本结构 用半导体材料作为工作物质的激光器，称为半导体激光器，它用半导体材料作为工作物质的激光器，称为半导体激光器，它的有源部分是的有源部分是PN

13、结，两个端面按晶体的结，两个端面按晶体的天然晶面剖切开天然晶面剖切开，表面非，表面非常光滑，成为平行的镜面，构成光学谐振腔。常光滑，成为平行的镜面，构成光学谐振腔。 泡利不相容原理：每个能级只允许两个自旋相反的电子占有。泡利不相容原理：每个能级只允许两个自旋相反的电子占有。 半导体材料作为一种单晶体，其原子紧密地按照一定规则排列。半导体材料作为一种单晶体，其原子紧密地按照一定规则排列。各原子最外层的轨道互相重迭，使半导体材料的能级已不像前述的各原子最外层的轨道互相重迭，使半导体材料的能级已不像前述的单个原子那样的分立的能级，其基态能级和激发态能级将分裂成能单个原子那样的分立的能级，其基态能级和

14、激发态能级将分裂成能带，通常基态能级分裂成价带，激发态能级分裂成导带。价带和导带，通常基态能级分裂成价带，激发态能级分裂成导带。价带和导带之间存在一个电子不能具有的能量区间，称为禁带。带之间存在一个电子不能具有的能量区间，称为禁带。16 半导体激光器的核心部分是一个半导体激光器的核心部分是一个PN结。这个结。这个PN结是高度掺杂结是高度掺杂的，的，P型半导体中空穴极多，型半导体中空穴极多，N型半导体中自由电子极多。型半导体中自由电子极多。 电子在导带和价带的占居电子在导带和价带的占居几率几率由由费密费密狄拉克分布狄拉克分布给出，能级给出，能级越低，电子占据的可能性就越大。用来描述上述分布的能级

15、越低，电子占据的可能性就越大。用来描述上述分布的能级EF，叫做费米能级。热平衡下各种半导体材料的费米能级如下图：叫做费米能级。热平衡下各种半导体材料的费米能级如下图：本征半导体的费米能级位于带隙中间；本征半导体的费米能级位于带隙中间；N 型掺杂将使费米能型掺杂将使费米能级向导带移动，级向导带移动，P 型掺杂使费米能级向价带移动；型掺杂使费米能级向价带移动；重掺杂重掺杂N 型半导体，费米能级位于导带内型半导体，费米能级位于导带内兼并型兼并型N型；型；17 双兼并型半导体：双兼并型半导体：非热平衡状态时非热平衡状态时，在，在Efc和和Efv之间形成了一之间形成了一个粒子数反转区域。如果入射光波能量

16、满足：个粒子数反转区域。如果入射光波能量满足：则经过则经过双兼并型半导体时将得到放大双兼并型半导体时将得到放大。PN结的形成：结的形成： 当当P型和型和N型半导体形成型半导体形成PN结时，载流子（电子、空穴）的浓度结时，载流子（电子、空穴）的浓度（密度）差引起（密度）差引起扩散运动扩散运动；漂移运动漂移运动的方向与扩散运动相反；最后，的方向与扩散运动相反；最后，漂移完全抵消了扩散，达到漂移完全抵消了扩散，达到平衡平衡。 为了维持电子空穴的复合，需要在为了维持电子空穴的复合，需要在PN 结上加正向电压，打破结上加正向电压，打破原有平衡；原有平衡；18正向偏压：正向偏压：P区空穴不断流向区空穴不断

17、流向N区，区，N区电子流向区电子流向P区，通过区，通过复合发光。复合发光。 自发发射复合自发发射复合LED； 受激发射复合受激发射复合LD；反向偏压：反向偏压：区域内电子和空区域内电子和空穴都很少，形成高阻区。穴都很少，形成高阻区。 受激吸收受激吸收 PD19当正向电压加大到某一值后，当正向电压加大到某一值后， PN结里出现了结里出现了结里出现了结里出现了增益增益区区（有源区）。（有源区）。在在Efc和和Efv之间价带主要由空穴占据，导带主要由电子占据，之间价带主要由空穴占据，导带主要由电子占据，即实现了即实现了粒子数反转粒子数反转。20 2半导体激光器的基本结构半导体激光器的基本结构 有两种

18、方式构成的激光器：有两种方式构成的激光器：F-P腔激光器和分布反馈型（腔激光器和分布反馈型（DFB）激光器。激光器。F-P腔激光器从结构上可分为腔激光器从结构上可分为3种。种。芯片尺寸芯片尺寸：250umX100umX10um; 有源层有源层:8umX1um(1umX0.1um);光口面光口面:3umX0.6um(更窄)21 3半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性 LD的主要工作特性都可以根据的主要工作特性都可以根据速率方程速率方程来精确分析，即求来精确分析，即求解有源区解有源区光子数目光子数目P和和电子数目电子数目N在相互作用过程中随时间变化在相互作用过程中随时间变化的方程组，比较复

19、杂。只要求大家定性理解后面的结论。的方程组，比较复杂。只要求大家定性理解后面的结论。22 （1）阈值特性）阈值特性 对于对于LD，当外加正向电流达到某一数值时，输出光功率急，当外加正向电流达到某一数值时，输出光功率急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流称为剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流称为阈值电流阈值电流，用，用Ith 表示。阈值电流越小越好。表示。阈值电流越小越好。23 （2）转换效率）转换效率 LD电光转换效率可用电光转换效率可用功率转换效率功率转换效率和和量子转换效率量子转换效率表示表示. 量子效率量子效率d表示，其定义为激光器达到阈值后，输出光子数的表示，其定义为激光器达到阈值后

20、，输出光子数的增量与注入电子数的增量之比（微观效率），其表达式为增量与注入电子数的增量之比（微观效率），其表达式为 （3-3） 由此得由此得 式中，式中，P为激光器的输出光功率；为激光器的输出光功率；I为激光器的输出驱动电流，为激光器的输出驱动电流，Pth为激光器的阈值功率；为激光器的阈值功率；Ith为激光器的阈值电流；为激光器的阈值电流；hf 为光子能量；为光子能量；e为电子电荷。为电子电荷。ththththd/ )(/ )(IIPPeIIhfPPhfe)(thdthIIehfPP24 （3）温度特性）温度特性 激光器的阈值电流和输出光功率随温度变化的特性为温度特性。激光器的阈值电流和输出光

21、功率随温度变化的特性为温度特性。阈值电流随温度的升高而加大，且波长向长波长方向漂移阈值电流随温度的升高而加大，且波长向长波长方向漂移，转换效转换效率下降率下降，其变化情况如图所示。，其变化情况如图所示。激光器阈值电流随温度变化的曲线25 （4）光谱特性）光谱特性 1）发射波长）发射波长 半导体激光器的半导体激光器的发射波长取决于发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释导带的电子跃迁到价带时所释放出的能量，这个能量近似等于禁带宽度放出的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)，可得，可得 hf = Eg 代入式（代入式（3-5）得）得 (m) （3-5） 由于能隙与半导体材料的成分及其含量有关

22、，由于能隙与半导体材料的成分及其含量有关，通过材料设计可通过材料设计可以制成不同发射波长的激光器，以制成不同发射波长的激光器，InGaAsP-InP材料适用与材料适用与1.31.5um波段。波段。)eV(24. 1gE26 2）光谱线）光谱线 原子从高能级原子从高能级E3跃迁到跃迁到E2，其发光频率为，其发光频率为f32=(E3-E2)/h，即理想，即理想光谱是光谱是f0=f32，实际光谱有一定的加宽。，实际光谱有一定的加宽。 谱线加宽的原因谱线加宽的原因：处于高能级上的粒子，在发射光子的过程中，：处于高能级上的粒子，在发射光子的过程中，辐射的光波不是等幅波，各粒子的运动速度也不同，故包含了新

23、的辐射的光波不是等幅波，各粒子的运动速度也不同，故包含了新的频率成份。频率成份。 对于某种确定的激光物质，就有一定的对于某种确定的激光物质，就有一定的光谱线宽度光谱线宽度fD().谱线谱线越窄，说明性能越好！越窄，说明性能越好！27 3）纵模）纵模 半导体激光器的纵向光场不是以行波形式传输，而是成驻波形式半导体激光器的纵向光场不是以行波形式传输，而是成驻波形式振荡。激光器输出的是一系列模式明确，谱宽很窄，功率不同尖锐振荡。激光器输出的是一系列模式明确，谱宽很窄，功率不同尖锐的谱线，的谱线，称为激光器的纵模称为激光器的纵模。 LD的光谱随着激励电流的变化而变化。当的光谱随着激励电流的变化而变化。

24、当IIth时，发出的是荧时，发出的是荧光，光谱很宽。当光，光谱很宽。当I Ith后，发射光谱突然变窄，发出激光。后，发射光谱突然变窄，发出激光。 其满足其满足起振阈值和谐振起振阈值和谐振相位条件：相位条件：nLqf2cc21th1ln21rrLG28GaAlAs-GaAs激光器的输出光谱29 4动态单纵模半导体激光器动态单纵模半导体激光器 SLM激光器的激光器的设计思想设计思想：使不同的纵模具有不同的损耗，因而使不同的纵模具有不同的损耗，因而不同的不同的 纵模就有不同的增益阈值。纵模就有不同的增益阈值。通常具有最低腔损的纵模，最通常具有最低腔损的纵模，最先达到阈值成为发射模，其它模被抑制，先达

25、到阈值成为发射模，其它模被抑制，MSR约（约（30dB)。303132333435 1LED的工作原理的工作原理 发光二极管（发光二极管（LED）是非相干光源，是无阈值器件，它的基本）是非相干光源，是无阈值器件，它的基本工作原理是自发辐射。工作原理是自发辐射。 发光二极管与半导体激光器差别是：发光二极管没有光学谐振发光二极管与半导体激光器差别是：发光二极管没有光学谐振腔，不能形成激光。仅限于自发辐射，所发出的是荧光，是非相干腔，不能形成激光。仅限于自发辐射，所发出的是荧光，是非相干光。半导体激光器是受激辐射，发出的是相干光。光。半导体激光器是受激辐射，发出的是相干光。36 2LED的结构的结构

26、 LED也多采用双异质结芯片，不同的是也多采用双异质结芯片，不同的是LED没有解理面，即没没有解理面，即没有光学谐振腔。由于不是激光振荡，所以没有阈值。有光学谐振腔。由于不是激光振荡，所以没有阈值。 LED分为两大类：一类是面发光型分为两大类：一类是面发光型SLED，另一类是边发光型，另一类是边发光型ELED，发散角、耦合效率和调制带带宽均比面发光，发散角、耦合效率和调制带带宽均比面发光LED有改善。有改善。373839 3LED的工作特性的工作特性 （1）光谱特性）光谱特性 LED谱线宽度谱线宽度比激光器宽得多。下图是比激光器宽得多。下图是InGaAsP LED的输出的输出光谱。光谱。 In

27、GaAsP LED的发光光谱 40 （2）P-I特性特性 两种类型的两种类型的LED输出光功率特性如图输出光功率特性如图3-14所示。驱动电流所示。驱动电流I 较小较小时，时，P I 曲线的线性较好；当曲线的线性较好；当I 过大时，由于过大时，由于P-N结发热而产生饱结发热而产生饱和现象，使和现象，使P I 曲线的斜率减小。曲线的斜率减小。发光二极管（LED）的P I 特性41（4）调制特性）调制特性 调制频率较低。在一般工作条件下，面发光型调制频率较低。在一般工作条件下，面发光型LED截止频率为截止频率为20MHz30MHz，边发光型，边发光型LED截止频率为截止频率为100MHz150MH

28、z，改进型可达改进型可达GHz。 性能比较：性能比较： LED与与LD相比，相比，LED输出光功率较小，谱线宽度输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。但较宽，调制频率较低。但LED性能稳定，寿命长，使用简单，输出性能稳定，寿命长，使用简单，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。42 LED晶片用来产生反射效果的杯状支架阴极环氧树脂透镜连接导线(金线)支架阳极阴极支架短于阳极支架胶体缺口表示阴极导电银胶43 國家光電子國家光電子工藝中心工藝中心863計劃計劃307光電子主題光電子主題北大藍光公司中科院上海光機所合資上海金橋大晨光電磊

29、晶片生產科技部863聯辦市政府/浦東新區管委會北京大學、企業集資中科院長春光機所/物理所匯能光電材料中心立德電子公司飛通光電子公司深圳開發科技公司深圳開發科技公司方大國科光電子科技公司深圳方大集团技術來源:上游上游:南昌欣磊,南昌大學中游中游:中科院 下游下游:深圳大學 教育部光電材料與器件工程研究中心江西方大福科信息材料中心44 下游介入下游介入：宜昌匡通电子有限公司：宜昌匡通电子有限公司: DIP LED: DIP LED宜昌劲森照明电子有限公司宜昌劲森照明电子有限公司: SMT LED: SMT LED45 46 47-2050 -2050-2050 -2050工作温度工作温度 /C寿命

30、寿命 t/h30120 30120 2050 2050辐射角辐射角50150 301005002000 5001000调制带宽调制带宽 B/MHz0.10.3 0.10.213 13入纤功率入纤功率 P/mW15 13510 510输出功率输出功率 P/mW100150 100150工作电流工作电流 I/mA2030 3060阀值电流阀值电流 Ith/mA50100 6012012 13谱线宽度谱线宽度1.3 1.551.3 1.55工作波长工作波长LEDLD/nm/)/(76101065101081071048n光调制器：实现从电信号到光信号的转换n光调制的分类：n从光源调制角度看，有两种方

31、法实现光调制，其一，将调制信号直接注入激光器（调制激光器驱动电流），而实现激光输出光强度等参数的调制-内调制或直接调制（简单、经济、引入较大的啁啾）；其二，将调制信号控制激光器后接的外调制器，利用调制器的电光、声光等物理效应使其输出光的强度等参数随信号而变-外调制（调制信号啁啾小）。n按被调制光波的参数分：强度调制、相位调制、偏振调制等。49直接调制和外调制50 1直接调制直接调制 直接调制就是将电信号直接注入光源，使其输出的光载波信号的直接调制就是将电信号直接注入光源，使其输出的光载波信号的强度随调制信号的变化而变化，又称为内调制。直接调制方法仅适强度随调制信号的变化而变化，又称为内调制。直

32、接调制方法仅适用于半导体光源（用于半导体光源（LD和和LED）。）。 使光源发出的光载波功率大小在时间上随驱动电流变化而变化。使光源发出的光载波功率大小在时间上随驱动电流变化而变化。这种方式是直接这种方式是直接/强度调制，简称强度调制，简称IM。数字信号的直接调制多为。数字信号的直接调制多为PCM信号对光源进行强度调制。信号对光源进行强度调制。 特点：简单、损耗小、成本低。会引入频率啁啾，在速率大于特点：简单、损耗小、成本低。会引入频率啁啾，在速率大于2.5Gb/s后多不采用。后多不采用。51直接光强度数字调制原理间接调制激光器的结构52 2间接调制间接调制 间接调制是利用晶体的间接调制是利用

33、晶体的光电效应、磁光效应、声光效应光电效应、磁光效应、声光效应等性质等性质来实现对激光辐射的调制，即光辐射之后再加载调制电压，使经过来实现对激光辐射的调制，即光辐射之后再加载调制电压，使经过调制器的光载波得到调制。调制器的光载波得到调制。 间接调制最常用的是外调制的方法，间接调制最常用的是外调制的方法，即在激光形成后加载调制即在激光形成后加载调制信号。它是在激光器谐振腔外的光路上放置调制器，在调制器上加信号。它是在激光器谐振腔外的光路上放置调制器，在调制器上加调制信号电压，使调制器的调制信号电压，使调制器的某些物理特性发生相应的变化某些物理特性发生相应的变化，当由光，当由光源发出的激光通过它时

34、，得到调制。源发出的激光通过它时，得到调制。 主要外调制器：铌酸锂（消光比可达主要外调制器：铌酸锂（消光比可达30dB以上）以上）、电致吸收器、电致吸收器、半导体半导体MZ调制器。调制器。53电光效应光调制器n电光效应：电压施加于某些电光晶体(如LiNbO3 ) ，导致晶体折射率发生变化，引起通过该晶体的光波特性发生变化。n折射率变化n与外加电场E有着复杂的关系，可近似地认为n与(r E+R E2)成正比。545540Gb/s LiNbO3 Modulator56t57磁光调制原理58电吸收调制原理59电吸收调制原理60声光调制原理61声光调制原理6263 通常所说的光端机，是一个功能完善的系

35、统设备，主要由光通常所说的光端机，是一个功能完善的系统设备，主要由光发送机、光接收机和辅助电路三大部分组成。发送机、光接收机和辅助电路三大部分组成。 光发送机光发送机由输入接口、光线路码型变换和光发送机等组成。由输入接口、光线路码型变换和光发送机等组成。 光接收机光接收机由光接收、定时再生、光线路码型反变换和输出接由光接收、定时再生、光线路码型反变换和输出接口等组成。口等组成。 光端机中的辅助电路光端机中的辅助电路由公务、监控、告警、输入分配、倒换、由公务、监控、告警、输入分配、倒换、区间通信等组成。此外，不论是光发送机、光接收机还是辅助区间通信等组成。此外，不论是光发送机、光接收机还是辅助电

36、路，都必须有电源转换，将通信机房中的直流电源转换为光电路，都必须有电源转换，将通信机房中的直流电源转换为光端机所需的电源。端机所需的电源。64光传输系统光传输系统光工作站光工作站SDH设备设备65 是把从电端机送来的电信号转变成光信号，并送入光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：纤线路进行传输。对光发送机的要求： （1）有合适的）有合适的输出光功率输出光功率 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，亦称入纤功率入纤功率。光源应。光源应有合适的光功率输出，有合适的光功率输出，一般为一般为0.01mW1

37、0mW。 （2）有较好的消光比）有较好的消光比EXT 消光比的定义为全消光比的定义为全“1”码平均发送光功率与全码平均发送光功率与全“0”码平均发送光功率之比。码平均发送光功率之比。可用下式表示可用下式表示 式中，式中，P11为全为全“1”码时的平均光功率；码时的平均光功率；P00为全为全“0”码时的平均光功率。一码时的平均光功率。一般要求般要求EXT15dB。 )dB(lg100011PPEXT （3）调制特性要好）调制特性要好 所谓调制特性好，是指所谓调制特性好，是指光源的光源的PI曲线在使用范围内线性特性好，否则曲线在使用范围内线性特性好，否则在调制后将产生非线性失真在调制后将产生非线性

38、失真。 除此之外，还要求电路尽量简单、成本低、稳定性好、光源寿命长等。除此之外，还要求电路尽量简单、成本低、稳定性好、光源寿命长等。66 （3）调制特性要好）调制特性要好 所谓调制特性好，是指所谓调制特性好，是指光源的光源的PI曲线在使用范围内线性特曲线在使用范围内线性特性好，否则在调制后将产生非线性失真性好，否则在调制后将产生非线性失真。 除此之外，还要求电路尽量简单、成本低、稳定性好、光除此之外，还要求电路尽量简单、成本低、稳定性好、光源寿命长等。源寿命长等。67 光发送机由输入电路和光发送电路组成。光发送机由输入电路和光发送电路组成。（1）输入电路）输入电路 输入电路由输入电路由输入接口

39、电路、光线路码型输入接口电路、光线路码型变换组成。变换组成。 1）输入接口电路。）输入接口电路。 输入接口输入接口是光端机的入口电路。是光端机的入口电路。PCM设备的输出信号经电缆设备的输出信号经电缆连接到光端机的输入端，功能连接到光端机的输入端，功能:均衡放大、单均衡放大、单/双、告警。双、告警。68（2）线路码型变换电路）线路码型变换电路(采用采用FPGA或或ASIC实现实现) 普通的二进码普通的二进码(NRZ)的码流存在连的码流存在连“0”连连“1”数太大、分布不数太大、分布不均匀、数字序列没有预定规律，不利于时钟提取和误码检测。均匀、数字序列没有预定规律，不利于时钟提取和误码检测。 通

40、常要利用码型变换予以改善，通常要利用码型变换予以改善，光纤线路码型设计原则：光纤线路码型设计原则： 传输码型有足够的定时含量，减少连传输码型有足够的定时含量，减少连“0”和连和连“1”数，且数，且数量均衡，以便于时钟提取和稳定判决基线。数量均衡，以便于时钟提取和稳定判决基线。 传输码型应有不中断业务进行误码检测的能力。传输码型应有不中断业务进行误码检测的能力。 传输码型应力求降低线路传输的码率，或线路传输码率传输码型应力求降低线路传输的码率，或线路传输码率的提高应尽可能的少。的提高应尽可能的少。 传输码型的实施，应力求简单和经济。传输码型的实施，应力求简单和经济。传输中发生误码时，误码扩散范围

41、或误码增值低。传输中发生误码时，误码扩散范围或误码增值低。69 常用的常用的3种线路码型：扰码二进制、字变换码、插入型码种线路码型：扰码二进制、字变换码、插入型码 1）扰码二进制）扰码二进制 扰码二进制即是将输入的二进制扰码二进制即是将输入的二进制NRZ码进行扰码后输出仍为码进行扰码后输出仍为二进制码（次序重排）。在系统的调制器前，加一个扰码器，将二进制码（次序重排）。在系统的调制器前，加一个扰码器，将原始的码序加以变换，使其接近于随机序列，相应的在接收机的原始的码序加以变换，使其接近于随机序列，相应的在接收机的判决器后，附加一个解扰器，以便恢复原始序列。扰码可以改变判决器后，附加一个解扰器，

42、以便恢复原始序列。扰码可以改变码流中的码流中的“1”码和码和“0”码的分布，能改善码流的特性。码的分布，能改善码流的特性。 *SDH帧本身已经有严格的编码格式，可以通过扰码获得进一帧本身已经有严格的编码格式，可以通过扰码获得进一步的改善和加密，且不提高光接口的速率。步的改善和加密，且不提高光接口的速率。70 2）字变换码字变换码 将输入二进制码分成一个个将输入二进制码分成一个个“码字码字”，输出用对应的另一种，输出用对应的另一种“码字码字”来代替。来代替。常用的是分组码的一种型式常用的是分组码的一种型式mBnB码码，它将输，它将输入码每入码每m比特为一组，然后变换成另一种比特为一组，然后变换成

43、另一种n比特为一组的传输码。比特为一组的传输码。在接收端再进行变换，从而恢复为原来的信号。在接收端再进行变换，从而恢复为原来的信号。n、m均为正整数，均为正整数，且且nm。于是引进了一定的富余度，以满足线路码的基本要求。于是引进了一定的富余度，以满足线路码的基本要求。 *以以3B4B 码为例来介绍码为例来介绍mBnB 码的基本原理。码的基本原理。 3B4B 码，是将输入信号码流分成码，是将输入信号码流分成3B（bit）一组，它有）一组，它有23=8种种状态，然后编写为状态，然后编写为4B码，有码，有24=16种状态：我们从种状态：我们从16种状态中选出种状态中选出若干种代表若干种代表3B码的码

44、的8种状态，如表所示。种状态，如表所示。7172 码字数字和码字数字和(WDS)：如果用如果用“-1”表示字中的表示字中的“0”，用，用“+1”表表示字中的示字中的“1”，则将每个数字的代数和，则将每个数字的代数和“字数字和字数字和”记为记为“WDS”。 例如：例如：“1000”可写成可写成(+1)+(-1)+(-1)+(-1)-2，即字，即字“1000”的的WDS-2。若其代数和为。若其代数和为0时，称为均等，其代数和为正或为负时，称为均等，其代数和为正或为负时，称为不均等。时，称为不均等。 mBnB 码的基本原理码的基本原理就是通过采取交替使用不同模式的编码，就是通过采取交替使用不同模式的

45、编码，使码字的不均值得到使码字的不均值得到平衡平衡，以限制整个传输码流的累计不均。尽，以限制整个传输码流的累计不均。尽可能选择可能选择WDS最小的码字，禁止使用最小的码字，禁止使用WDS最大的码字。最大的码字。从这个意义出发，在选用从这个意义出发，在选用4B码代替码代替3B码时最好的是码时最好的是WDS0的码的码字，最差的是表字，最差的是表3-2中的中的1111，0000这种字称为这种字称为禁字禁字。 3B4B码方案很多，表中为常用的码组。码方案很多，表中为常用的码组。7374 3）插入码插入码 插入码是把输入二进制原始码流分成每插入码是把输入二进制原始码流分成每m比特（比特（mB）一组，）一组，