光源和光发射机电子通信专业演示文稿

光源和光发射机电子通信专业演示文稿当前第1页\共有134页\编于星期日\19点优选光源和光发射机电子通信专业当前第2页\共有134页\编于星期日\19点第四章光源和光发射机在光纤通信中，将电信号转变为光信号是由光发射机来完成的。光发射机的关键器件是光源：

LED(LightEmissionDiode) LD(LaserDiode)当前第3页\共有134页\编于星期日\19点第四章光源和光发射机4.1光源4.2光发射机主要介绍数字光发射机的基本组成、工作特性和主要电路！当前第4页\共有134页\编于星期日\19点4.1.1半导体的能带理论4.1.2PN结同质结异质结4.1.3发光二极管(LED)4.1.4激光二极管(LD)(半导体激光器)4.1.5若干半导体激光器简介4.1.6半导体光源一般性能和应用4.1光源当前第5页\共有134页\编于星期日\19点4.1.1半导体的能带理论在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。1.能带4.1光源当前第6页\共有134页\编于星期日\19点4.1.1半导体的能带理论与原子价电子相应的能带.接近绝对0K时电子均束缚于价带中,价带以上的能带是空的.价带:由于热或光的激发,价带中的部分电子挣脱原子束缚成为自由电子进入价带上面空着的能带,这些电子是能参与导电的,故称价带上面的能带为导带.导带:4.1光源当前第7页\共有134页\编于星期日\19点4.1.1半导体的能带理论电子空穴激发复合--导带底能级--价带顶能级--禁带宽度,能隙4.1光源ValencebandConductionbandbandgap当前第8页\共有134页\编于星期日\19点4.1.1半导体的能带理论热平衡(T)下本征半导体载流子的浓度例:GaAs本征半导体,T=300K,Eg=1.42eV

m=9.11*10-31kg

me=0.068m;mh=0.56m则

ni=2.62*106cm-3--为电子和空穴的有效质量4.1光源当前第9页\共有134页\编于星期日\19点4.1.1半导体的能带理论2.N型和P型半导体向本征半导体中掺杂V族元素(P,As,Sb),导带中的电子浓度增加,电子为多数载流子.电子-负电荷-Negative-N型向本征半导体中掺杂III族元素(B,Al,Ga,In),价带中的空穴浓度增加,空穴为多数载流子.空穴-正电荷-Positive-P型本征P型acceptorlevelN型Donorlevel4.1光源当前第10页\共有134页\编于星期日\19点4.1.1半导体的能带理论3.费米(Fermi)能级EfT=0K热平衡状态下：Ef是完全填满电子的能级和完全空缺的能级的界限.N型P型本征4.1光源当前第11页\共有134页\编于星期日\19点4.1.1半导体的能带理论N型P型本征T≠0热平衡状态下,能量为E的能级被电子占据的几率为费米分布:4.1光源当前第12页\共有134页\编于星期日\19点4.1.1半导体的能带理论导带和价带中的载流子的密度不同4.1光源N型导带导带中电子密度大于价带中的空穴密度P型价带价带中空穴密度大于导带中的电子密度本征电子空穴密度相等当前第13页\共有134页\编于星期日\19点4.1.1半导体的能带理论准费米能级：4.1光源当体系由于外界作用(如光照)而破坏热平衡状态时，体系不存在统一的费米能级，但费米能级分布对导带和价带各自仍然适用---导带费米能级，价带费米能级，即准费米能级。当前第14页\共有134页\编于星期日\19点4.1.2PN结同质结异质结1.半导体导电性外电场方向不影响导电性.无论本征半导体,还是掺杂的N型,P型半导体,在外加电场下均可导电,导电性介于导体和绝缘体之间.4.1光源当前第15页\共有134页\编于星期日\19点4.1.2PN结同质结异质结2.PN结P型和N型半导体接触,在接触面附近形成PN结.正向P区N区I1P区N区反向I2外电场方向不同,导电性大不相同.I1>>I24.1光源当前第16页\共有134页\编于星期日\19点4.1.2PN结同质结异质结PN结形成图解:图解1:P,N半导体接触前4.1光源当前第17页\共有134页\编于星期日\19点4.1.2PN结同质结异质结图解2:P,N半导体接触4.1光源当前第18页\共有134页\编于星期日\19点4.1.2PN结同质结异质结图解3:载流子扩散4.1光源当前第19页\共有134页\编于星期日\19点4.1.2PN结同质结异质结图解4:内电场建立,扩散运动和漂移运动同在,能带发生倾斜4.1光源当前第20页\共有134页\编于星期日\19点4.1.2PN结同质结异质结图解5:PN结形成后4.1光源当前第21页\共有134页\编于星期日\19点4.1.2PN结同质结异质结3.外加正向电场的PN结图解1:外接电源4.1光源当前第22页\共有134页\编于星期日\19点4.1.2PN结同质结异质结外加正向电场的PN结图解2:接通电源,内电场被削弱,耗尽层变窄4.1光源当前第23页\共有134页\编于星期日\19点4.1.2PN结同质结异质结激活区电子-空穴复合发光是LED,LD产生辐射的“源”!图解3:能带发生移动,产生激活区4.1光源当前第24页\共有134页\编于星期日\19点4.1.2PN结同质结异质结4.同质结和异质结P区和N区为同一半导体物质的形成的PN结,为同质结P区和N区为不同半导体物质的形成的PN结,为异质结n-GaAsp-GaAsn-GaAsp-GaAsp+-GaAlAsp+-GaAsn-GaAlAsp-GaAsp+-GaAlAsp+-GaAsn+-GaAs同质结单异质结双异质结(DH)4.1光源(DH:DoubleHeterostructure/Heterojunction)当前第25页\共有134页\编于星期日\19点4.1.2PN结同质结异质结典型的双异质结结构:n-Ga1-xAlxAs光导和载流子限制层(~1um)p-GaAs金属接触改善层(~1um)n-GaAs衬底层金属接触层n-Ga1-yAlyAs复合区(~0.3um)p-Ga1-xAlxAs光导和载流子限制层(~1um)金属接触层4.1光源当前第26页\共有134页\编于星期日\19点4.1.3发光二极管(LED)4.1光源（LED：light-emittingdiode）当前第27页\共有134页\编于星期日\19点4.1.3发光二极管(LED)1.发光原理:加正向偏压的PN结中电子-空穴复合发光.属于自发辐射.光的自发辐射EcEvhnhn发光二极管—光的自发辐射当电子返回低能级时，它们各自独立地分别发射光子,有不同的相位、偏振方向和传播方向，因而是非相干光。处于不同的高能级的电子自发辐射到不同的低能级，发射光子的能量有一定的差别，因而LED辐射线宽较宽。4.1光源当前第28页\共有134页\编于星期日\19点4.1.3发光二极管(LED)2.LED结构:面发光SLED(Surface-emittingLED)4.1光源基片热沉/散热器当前第29页\共有134页\编于星期日\19点4.1.3发光二极管(LED)边发光ELED(Edge-emittingLED)4.1光源当前第30页\共有134页\编于星期日\19点4.1.3发光二极管(LED)3.LED光谱特性自发辐射,非相干光Eg

单位为eV波长:中心波长(Peak)取决于禁带宽度EgEcEvEg能量E空穴电子导带费米能级价带费米能级光子eVhvEFnEFp状态密度4.1光源当前第31页\共有134页\编于星期日\19点4.1.3发光二极管(LED)Eg

单位为eV如:半导体LED经验公式:(x为AlAs与GaAs的摩尔比率)4.1光源当前第32页\共有134页\编于星期日\19点4.1.3发光二极管(LED)SpectralemissionpatternofGa1-xAlxAsLEDwithx=0.08810770850nm36nm线宽:通常达几十nm4.1光源当前第33页\共有134页\编于星期日\19点4.1.3发光二极管(LED)4.LED光束的空间分布辐射光功率:--朗伯(Lambert)分布半功率点处:q=60度半功率宽度:4.1光源当前第34页\共有134页\编于星期日\19点4.1.3发光二极管(LED)4.1光源当前第35页\共有134页\编于星期日\19点4.1.3发光二极管(LED)5.SLED的输出功率、耦合功率、耦合效率SLED为朗伯(Lambert)体4.1光源光纤SLED输出总功率：耦合到光纤的功率：耦合效率：当前第36页\共有134页\编于星期日\19点4.1.3发光二极管(LED)6.内量子效率(internalquantumefficiency)与光功率在众多的电子-空穴对复合中,仅有部分产生辐射。其中R,Rr,Rnr分别为总复合速率,辐射复合速率和非辐射复合速率.又其中I为电流强度光功率:4.1光源内量子效率为产生辐射的复合对数目与总的复合对数目之比.速率Rate辐射radiation非辐射non-radiation当前第37页\共有134页\编于星期日\19点4.1.3发光二极管(LED)7.LED的P-I特性曲线43210501001500℃25℃70℃电流/mA输出功率/mW驱动电流I较小时，

P-I线性较好；I过大时，PN结发热产生饱和;温度上升，辐射功率下降4.1光源当前第38页\共有134页\编于星期日\19点4.1.3发光二极管(LED)8.频率响应H(f)以频率(w=2pf)对LED驱动电流I进行调制,与未调制前的直流相比,则输出光功率POp下降理论证明:其中teff称为载流子有效寿命.4.1光源当前第39页\共有134页\编于星期日\19点4.1.3发光二极管(LED)光带宽:定义:得:对应的频率为光带宽---3dB点4.1光源当前第40页\共有134页\编于星期日\19点4.1.3发光二极管(LED)9.LED应用范围,优点,缺点:4.1光源当前第41页\共有134页\编于星期日\19点4.1.4激光二极管(LD)4.1光源(LD:Laserdiode)当前第42页\共有134页\编于星期日\19点4.1.4激光二极管(LD)1.发光原理:加正向偏压的PN结中电子-空穴复合发光.加谐振腔,受激辐射.光的受激发射EchnEvhn输入输出激光器—光的受激发射产生激光的条件:泵浦源(激励源):注入能量,实现粒子数反转分布激活物质:

产生激光的物质基础,PN结光学谐振腔:

提供正反馈,满足振荡条件4.1光源当前第43页\共有134页\编于星期日\19点4.1.4激光二极管(LD)2.粒子数反转分布的实现:注入电流达到一定值,准费米能级之差大于禁带宽度,PN结中出现一个增益区(有源区,激活区),价带主要由空穴占据,导带主要由电子占据,实现粒子数反转.4.1光源当前第44页\共有134页\编于星期日\19点4.1.4激光二极管(LD)3.激光谐振腔沿特定的晶体解理面(110)切割组成谐振腔以F-P腔为例4.1光源当前第45页\共有134页\编于星期日\19点4.1.4激光二极管(LD)产生激光的阈值条件---分别为增益系数和损耗系数阈值条件:4.1光源当前第46页\共有134页\编于星期日\19点4.1.4激光二极管(LD)产生激光的相位条件腔内沿相反方向行进的两列行波叠加形成驻波,腔长为半波长的整数倍.中心波长:取决于禁带宽度Eg(可能的驻波,纵模)----n为有源区介质折射率;----m为纵模模数,相位条件:4.1光源当前第47页\共有134页\编于星期日\19点4.1.4激光二极管(LD)用频率表示:相邻纵模间隔:I=100mAP=10mWI=95mAP=6mWI=80mAP=4mW随注入电流而变化的若干纵模图样4.1光源当前第48页\共有134页\编于星期日\19点4.1.4激光二极管(LD)边模抑制比(SMSR：Side-modesuppressionratio)4.1光源主纵模与最大边模之间的强度差的量度当前第49页\共有134页\编于星期日\19点4.1.4激光二极管(LD)4.激光束的空间分布GaAlAs-DH条形激光器近场图样远场图样光强的角分布4.1光源当前第50页\共有134页\编于星期日\19点4.1.4激光二极管(LD)5.激光光功率和量子效率:典型的P－I曲线阈值电流Ith：开始发射受激发射的电流值。阈值电流与腔的损耗、尺寸、有源区材料和厚度等因素有关。I<Ith，自发辐射，发出的是非相干光I>Ith，受激辐射，发出的是相干光4.1光源当前第51页\共有134页\编于星期日\19点4.1.4激光二极管(LD)4.1光源量子效率：内量子效率hintL

电极

电流

GaAs

GaAs

n

+

p

+

解理面

电极

有源区

(受激发射)

L

腔内产生辐射的复合对数目与总的复合对数目之比，即当前第52页\共有134页\编于星期日\19点4.1.4激光二极管(LD)4.1光源L

电极

电流

GaAs

GaAs

n

+

p

+

解理面

电极

有源区

(受激发射)

L

外量子效率hext逸出腔外的光子数与注入的载流子数之比当前第53页\共有134页\编于星期日\19点4.1.4激光二极管(LD)典型的P－I曲线阈值电流以上时每个电子-空穴对的辐射性复合产生的光子数.实验中通常由P-I曲线的直线部分来计算hext4.1光源外微分量子效率hd常用于表示激光器的电/光转换效率当前第54页\共有134页\编于星期日\19点4.1.4激光二极管(LD)典型的P－I曲线光功率：线性部分4.1光源斜度效率S：当前第55页\共有134页\编于星期日\19点4.1.4激光二极管(LD)6.频率响应以频率(w=2pf)对LD驱动电流I进行调制(叫直接调制),调制的频率f受限于PN结有源区中:自发辐射寿命tsp受激载流子寿命tst辐射的光子寿命tph理论上,调制频率不要超过下面的弛豫振荡频率Ith

和I0分别为阈值电流和偏置电流；I′是零增益电流.4.1光源当前第56页\共有134页\编于星期日\19点4.1.4激光二极管(LD)频率响应:ξ为阻尼因子4.1光源当前第57页\共有134页\编于星期日\19点4.1.4激光二极管(LD)高速调制下,还要考虑:激光输出与注入电脉冲之间存在一个时间延迟，一般为纳秒量级电光延迟:张弛振荡:自脉动:当注入电流从零快速增大到阈值以上时，经电光延迟后产生激光输出，并在脉冲顶部出现阻尼振荡，经过几个周期后达到平衡值。当注入电流增大到某个范围时,输出光光脉冲出现持续等幅的高频振荡.光电延迟张弛振荡自脉动张弛振荡和自脉动的结合4.1光源当前第58页\共有134页\编于星期日\19点4.1.4激光二极管(LD)7.温度特性温度升高时性能下降，阈值电流随温度按指数增长。T0--LD的特征温度，与器件的材料、结构等有关。T0代表Ith对温度的灵敏度，也可解释为激光二极管的热稳定性。较高的T0意味着当温度快速增加时，激光二极管Ith增加不大。4.1光源当前第59页\共有134页\编于星期日\19点4.1.5若干半导体激光器简介4.1光源半导体激光器多纵模激光器(MLM)单纵模激光器(SLM)分布反馈(DFB)分布布拉格反射(DBR)量子阱(QW)法布里-珀罗(F-P)双异质结(DH)波长可调谐激光器当前第60页\共有134页\编于星期日\19点4.1.5若干半导体激光器简介4.1光源当前第61页\共有134页\编于星期日\19点4.1.5若干半导体激光器简介1.异质结半导体激光器2.量子限制激光器3.分布反馈激光器4.波长可调半导体激光器5.垂直腔表面发射激光器4.1光源当前第62页\共有134页\编于星期日\19点4.1.5若干半导体激光器简介1.异质结半导体激光器Lnp光电流Ixyz光np电流ILdpn光w电流IL

同质结构

双异质结构

掩埋双异质结构4.1光源当前第63页\共有134页\编于星期日\19点4.1.5若干半导体激光器简介L

电极

电流

GaAs

GaAs

n

+

p

+

解理面

电极

有源区

(受激发射)

L

同质结构LD同质结构只有一个简单PN结，且P区和N区都是同一物质的半导体激光器。该激光器阈值电流密度太大，工作时发热非常严重，只能在低温环境、脉冲状态下工作4.1光源当前第64页\共有134页\编于星期日\19点4.1.5若干半导体激光器简介异质结就是由两种不同材料(例如GaAs和GaAlAs)构成的PN结。有源区被禁带宽度大、折射率较低的介质材料包围,形成了一个像光纤波导的折射率分布，限制了光波向外围的泄漏，使阈值电流降低，发热现象减轻，可在室温状态下连续工作。异质结LDdPNN+P++PGaAsGaAsGaAlAsGaAsGaAlAs有源区5%Dn折射率-+m~0.1m4.1光源当前第65页\共有134页\编于星期日\19点4.1.5若干半导体激光器简介InGaAsP双异质结条形激光器的基本结构4.1光源n—InGaAsP是发光的作用区，其上、下两层称为限制层，它们和作用区构成光学谐振腔。限制层和作用层之间形成异质结。最下面一层n—InP是衬底，顶层P+—InGaAsP是接触层，其作用是为了改善和金属电极的接触。当前第66页\共有134页\编于星期日\19点4.1.5若干半导体激光器简介2.分布反馈激光器(DFB-LD)分布反馈(DFB)激光器(DFB-LD)

（DFB：DistributedFeedBacklaser）主要有两类分布布拉格反射(DBR)激光器(DBR-LD)(DBR：DistributedBraggReflectorlaser)4.1光源当前第67页\共有134页\编于星期日\19点4.1.5若干半导体激光器简介DFB-LD结构及其原理在有源区介质表面上使用全息光刻法做成周期性的波纹形状4.1光源当前第68页\共有134页\编于星期日\19点4.1.5若干半导体激光器简介lBl(nm)0.1nm光功率PN光栅波导区有源区L光输出LDFB-LD没有集总的谐振腔反射镜,只有波长满足“Bragg反射条件”的光波才能在介质中来回反射，得到不断的加强和增长。4.1光源产生动态控制的单纵模激光当前第69页\共有134页\编于星期日\19点4.1.5若干半导体激光器简介lBl(nm)0.1nm光功率PN光栅波导区有源区L光输出LBragg反射条件:相邻光栅波纹产生的反射光相干叠加折射率衍射级数Bragg波长光栅间距分布式反馈

非常好的单色性和方向性4.1光源当前第70页\共有134页\编于星期日\19点4.1.5若干半导体激光器简介PN光栅波导区有源区L光输出L理论分析表明，在完全没有镜面反射的理想情况下，

DFB激光器的模式不正好是Bragg波长，而是对称的位于lB两侧4.1光源当前第71页\共有134页\编于星期日\19点4.1.5若干半导体激光器简介PN光栅波导区有源区L光输出L4.1光源由于布拉格光栅只有很小的反射带宽，一般只有零阶模(k＝0)在光栅的反射带宽内获得反馈。当前第72页\共有134页\编于星期日\19点4.1.5若干半导体激光器简介DBR激光器在有源区外紧靠其右側增加一段分布式布拉格反射器，起着衍射光栅的作用。DBR-LD结构及其原理入射光反射光ABLPN有源区激话区波纹电介质光栅分布式布拉格反射器光输出DBR激光器的结构相长干涉为介质折射率只有波长满足“Bragg反射条件”的光波才能在介质中来回反射，得到不断的加强和增长。4.1光源当前第73页\共有134页\编于星期日\19点4.1.5若干半导体激光器简介3.量子限制激光器*量子限制激光器:对电子或空穴允许占据能量状态进行限制的激光器。如QW-LD,QWi-LD,QD-LD优点:具有阈值低，线宽窄，微分增益高，以及对温度不敏感，调制速度快和增益曲线容易控制等许多优点。4.1光源当前第74页\共有134页\编于星期日\19点4.1.5若干半导体激光器简介量子阱器件很薄的GaAs有源层夹在两层很宽的AlGaAs半导体材料中,导带中的禁带势能把电子封闭在x方向一维势能阱内，能带量化分成离散值。量子阱(QW:QuantumWell)-LDAlGaAsAlGaAsGaAsDyDzdxyzEEn=2n=1EEE321Eg1Eg2EcDEvDg()Ed量子阱状态密度普通LDQW结构原理图量子能级4.1光源当前第75页\共有134页\编于星期日\19点4.1.5若干半导体激光器简介多量子阱(MQW:MultipleQuantumWell)-LD量子阱xzy势垒层InPInGaAs量子阱InGaAsP有源层EcEvE隔离层

多量子阱LD能级4.1光源当前第76页\共有134页\编于星期日\19点4.1.5若干半导体激光器简介量子线(QWi:QuantumWires)-LD能量状态密度pn多量子线4.1光源当前第77页\共有134页\编于星期日\19点4.1.5若干半导体激光器简介能量状态密度量子点(QD:QuantumDots)-LDpn多量子点4.1光源当前第78页\共有134页\编于星期日\19点4.1.5若干半导体激光器简介波长可调激光器是WDM、分组交换和光分插复用网络重构的最重要器件。4.波长可调半导体激光器*波长可调激光器主要有耦合腔波导型衍射光栅PIC型阵列波导光栅（AWG）PIC型4.1光源当前第79页\共有134页\编于星期日\19点4.1.5若干半导体激光器简介耦合腔波导型切开的耦合腔(C3:CleavedCoupledCavity)LD腔模PN有源区I1I2有源区光输出LDm1m在L段lll在D段在L+D段只有波长与外腔纵模中的一个模相同时才能产生同相反馈。4.1光源当前第80页\共有134页\编于星期日\19点4.1.5若干半导体激光器简介耦合腔波导型衍射光栅耦合腔LD光栅PN有源区I可旋转反射器激光输出4.1光源当前第81页\共有134页\编于星期日\19点4.1.5若干半导体激光器简介耦合腔波导型多段分布反馈耦合腔LDPN布拉格光栅有源段I1I2I3激光输出相位控制段4.1光源当前第82页\共有134页\编于星期日\19点4.1.5若干半导体激光器简介衍射光栅PIC型(PIC:PhotonicIntegratedCircuits)光子集成电路Oli9个SOAPNP0LNL0SOA泵浦电流由一个集成的固定光栅和一个SOA阵列组成当SOA阵列中的任一个注入电流泵浦,它就以它在光栅中的相对位置确定的波长发射光谱4.1光源当前第83页\共有134页\编于星期日\19点4.1.5若干半导体激光器简介光发射方向与腔体垂直，光腔轴线与注入电流方向相同。5.垂直腔表面发射激光器*

(VCSEL,VerticalCavitySurfaceEmittingLaser)有源区电极电极电介质镜衬底电介质镜+表面发射l/(4n1)Ll/(4n2)ddn1n212z=0.1mmInGaAsAlGaAsGaAs4.1光源当前第84页\共有134页\编于星期日\19点4.1.5若干半导体激光器简介优点：发光效率高(850nm的VCSEL，10mA驱动1.5mW输出光功率)工作阈值极低（工作电流5~15mA，简化了驱动电路的设计）可单纵模也可多纵模工作（应用于以多模光纤为传输媒介底局域网中或VSR）调制速率高寿命长（Honeywell进行了可靠性实验）价格低、产量高4.1光源当前第85页\共有134页\编于星期日\19点二维激光器阵列可任意配置高密度二维激光阵列。4.1.5若干半导体激光器简介4.1光源当前第86页\共有134页\编于星期日\19点4.1.6半导体光源一般性能和应用4.1光源表3.1半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)的一般性能-20~50-20~50-20~50-20~50工作温度/°C108107106~107105~106寿命t/h30×12030×12020×5020×50辐射角50~15030~100500~2000500~1000调制带宽B/MHz0.1~0.30.1~0.21~31~3入纤功率P/mW1~51~35~105~10输出功率P/mW100~150100~150工作电流I/mA20~3030~60阀值电流Ith/mA50~10060~1201~21~3谱线宽度1.31.551.31.55工作波长LEDLD当前第87页\共有134页\编于星期日\19点4.1.6半导体光源一般性能和应用4.1光源光源组件实例当前第88页\共有134页\编于星期日\19点1、对于量子效率为1%，峰值波长为850nm，正向电流为50mA的LED，其发光功率为多少？（0.73mW)2、当SLED的辐射功率为100uW，耦合进入一个n1=1.48，n2=1.46的SIF多模光纤，入纤的光功率为多少？（5.88uW)3、本征GaAs半导体的Eg=1.424eV，室温下自由电子进入导带的概率为多少？（1.12*10-12）提示：练习题当前第89页\共有134页\编于星期日\19点第四章光源和光发射机4.1光源4.2光发射机主要介绍数字光发射机的基本组成、工作特性和主要电路！当前第90页\共有134页\编于星期日\19点光源调制器驱动电路放大器光电二极管判决器光纤光纤中继器光发射机将电信号转变为光信号4.2光发射机当前第91页\共有134页\编于星期日\19点1.光发射机的组成数据线路编码驱动电路功控温控接口电路HDB35B6BAPCATC光源光隔离器数据线路编码驱动电路调制器功控温控接口电路HDB35B6BAPCATC光源光隔离器直接调制外调制4.2光发射机当前第92页\共有134页\编于星期日\19点1.光发射机的组成接口电路线路编码驱动电路光源控制电路调制器将电信号整形并完成非归零/归零等码型变换将适合电路传输的双极性码型变换为适合光通信单极性码型提供光源偏置电流及调制电流光通信的信号载波如光源的温度控制和功率控制外调制所用或模拟通信的信号变换4.2光发射机当前第93页\共有134页\编于星期日\19点2.接口电路数据线路编码驱动电路功控温控接口电路HDB35B6BAPCATC光源光隔离器直接调制抽样量化编码码型变换PAM量化PAMPCMNRZ/RZ/AMI/HDB3m(t)4.2光发射机当前第94页\共有134页\编于星期日\19点抽样每隔一定时间对模拟信号抽取一个瞬时幅度值脉冲序列信号脉冲幅度调制信号模拟信号抽样门(Pulseamplitudemodulation)2.接口电路4.2光发射机当前第95页\共有134页\编于星期日\19点量化将信号幅度按一定的规则离散化。量化方法：量化PAM量化四舍五入法舍去法补足法量化误差：量化噪声：由于量化误差使电路中形成的噪声量化级差（量阶）：相邻两个量化值的差4.2光发射机当前第96页\共有134页\编于星期日\19点编码将量化后的PAM信号用一组二进制码组表示．三位码编码规则量化值量值范围普通二进码折叠二进码a1a2a3b1b2b3+3.5+3.0~+4.0111111+2.5+2.0~+3.0110110+1.5+1.0~+2.0101101+0.50.0~+1.0100100-0.5-1.0~0.0011000-1.5-2.0~-1.0010001-2.5-3.0~-2.0001010-3.5-4.0~-3.0000011b1(极性),b2b3(幅值)3位编码---8个量化级8位编码---256个量化级PCM(Pulsecodemodulation)PCM编码量化PAM0100001101111111111014.2光发射机当前第97页\共有134页\编于星期日\19点码型变换为使电端机编码器输出的”0”,”1”单极性码便于在线路上传输,需要进行码型变换.常见的码型有:单极性不归零码(NRZ,Non-Returntozero)单极性归零码(RZ,Return-to-zero),双极性信号交替反转码(AMI,AlternateMarkInversion)3级高密度双极性码(HDB3,HighDensityBipolarofOrder3)以上码型均称为PCM码4.2光发射机当前第98页\共有134页\编于星期日\19点011010110000110单极性,占空比100%单极性,占空比50%双极性,占空比50%,“1”码极性依次交替双极性,占空比50%,连零抑制码V,B（替代码）4.2光发射机当前第99页\共有134页\编于星期日\19点0110101100001100000111HDB3码型的编码规则:HDB3码是连0抑制码

(1)凡”1”码正负交替;(2)长连“0”中的第4个“0”用V码代替,并与前面的“1”同极性,不符合极性交替规律;(3)凡V码正负交替;(4)如果两个V码间”1”的个数为偶数,则在4个“0”的第一位用B码代替,并符合前面的极性交替规律4.2光发射机当前第100页\共有134页\编于星期日\19点01101001000010000111000111100000001100000011HDB3编码练习4.2光发射机当前第101页\共有134页\编于星期日\19点选择码型要求从线路码流中容易提取时钟码流中不宜含直流成分，且低频分量尽量少码流中高频成分应尽量少码间干扰应尽量少4.2光发射机当前第102页\共有134页\编于星期日\19点数据线路编码驱动电路功控温控接口电路HDB35B6BAPCATC光源光隔离器直接调制将适合电路传输的码型(双极性)变换为适合光通信需要的码型(单极性码);增加冗余码,便于误码自检等.三大类:扰码字母型平衡码(mBnB)插入型码3.线路编码4.2光发射机当前第103页\共有134页\编于星期日\19点4.2光发射机

能限制信号带宽:

减小功率谱中的高低频分量,有利于提高光接收机的灵敏度数字光纤通信系统对线路码型的要求

能提供足够的定时信息：

使“1”码和“0”码的分布均匀，保证定时信息丰富

能提供一定的冗余码：

用于平衡码流、误码监测和公务通信当前第104页\共有134页\编于星期日\19点通过扰码器,将原始的二进制码序列加以变换,使其接近于随机序列,从而改善了码流的一些特性.扰码例如：扰码前：1100000011000…

扰码后：1101110110011…4.2光发射机当前第105页\共有134页\编于星期日\19点字母型平衡码(mBnB)mBnB为组码,即将m比特一组码，根据转换原则,在同样长的时间内选择成n比特的一组码代替.

n>m，一般选取n=m+1。mBnB码有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B、17B18B等。码速提高率:(以5B6B为例)4.2光发射机码速变化:当前第106页\共有134页\编于星期日\19点码字数字和(WDS):在nB组码中，用“-1”代表“0”码，用“+1”代表“１”码，整个码字的代数和即为WDS。4.2光发射机nB码的选择原则:尽可能选择|WDS|小的码字当前第107页\共有134页\编于星期日\19点线路码（4B）信号码（3B）模式2（负组）模式1（正组）WDS码子WDS码子-20010+211011117-21000+20111110601010010101015010010100110040011000110011300101001010102-20001+211100011-20100+2101100003B4B编码表4.2光发射机当前第108页\共有134页\编于星期日\19点4.2光发射机mBnB编译码器有两种编译码电路：

•一种是组合逻辑电路，就是把整个编译码器都集成在一小块芯片上，组成一个大规模专用集成块，国外设备大多采用这种方法。

•一种是码表存储电路，即把设计好的码表全部存储到一块只读存储器(PROM)内而构成，国内设备一般采用这种方法。当前第109页\共有134页\编于星期日\19点4.2光发射机3B4B码编码器工作原理并→串PROMB1B2B3B4b1b2b3串→并组别变换ABC变前时钟已变换的输出4B码流变换时钟待变换输入3B信号码流当前第110页\共有134页\编于星期日\19点5B6B编码器原理图

串并变换EPROM10分频并串变换缓存器12分频环路滤波压控振荡鉴频鉴相4.2光发射机当前第111页\共有134页\编于星期日\19点插入型码把输入二进制原始码流分成每m比特一组，然后在每组mB码末尾按一定规律插入一个码，组成m+1个码为一组的线路码流。典型的有:mB1C码:mB1H码:mB1P码:插入1bit补码C(Compensation)插入1bit混合码H(Hybrid)插入1bit奇偶校验码P(Parity)4.2光发射机当前第112页\共有134页\编于星期日\19点4.2光发射机mB1C码的结构：C码的作用：引入冗余码，可以进行在线误码率监测，同时改善了“0”码和“1”码的分布，有利于定时提取。mB1C码mB码为：100110001101……mB1C码为：1001110100101010……插入的C码是第m比特的反码，例如：当前第113页\共有134页\编于星期日\19点4.2光发射机mB1H码混合码指插入的比特不是单一的用途而是多用途，也就是说交替插入反码(C)、帧同步码(F)、公务码(S)、监控码(M)和区间通信码等mB1H码的结构：HHHH优点:码速提高不大，误码增值小,可以实现在线误码检测、区间通信和辅助信息传输。

缺点:码流的频谱特性不如mBnB码当前第114页\共有134页\编于星期日\19点4.2光发射机mB1P码mB1P码的结构：PPPP插入的是奇偶校验码若是偶校验，则（m+1）码中“1”的个数为偶数，即当mB码字中“1”的个数为奇数时，则插入“1”；若“1”的个数为偶数时，则插入“0”若是奇校验，则（m+1）码中“1”的个数为奇数，。。。当前第115页\共有134页\编于星期日\19点数据线路编码驱动电路功控温控接口电路HDB35B6BAPCATC光源光隔离器直接调制提供光源偏置电流及调制电流.LED驱动电路LD驱动电路4.驱动电路及调制特性4.2光发射机当前第116页\共有134页\编于星期日\19点LED驱动电路LED数字调制原理LED是自发辐射器件，注入电流即会发光，可以不需要直流偏置调整电路。常用驱动电路:LED集成元件驱动电路LED单管驱动电路LED射极耦合驱动电路4.2光发射机当前第117页\共有134页\编于星期日\19点LED集成元件驱动电路利用TTL集成元件构成，电阻R来限制LED的驱动电流，电容C为加速电容，以便得到相应速率响应的光脉冲信号波形4.2光发射机当前第118页\共有134页\编于星期日\19点LED单管驱动电路晶体管的集电极电流提供LED的驱动电流。当高脉冲到来时，晶体管饱和导通，LED发光；当低电平到来时，晶体管截止，LED不发光。集电极电阻R2

为限流电阻，R1和C并联组成加速电路，用以提高开关速度.4.2光发射机当前第119页\共有134页\编于星期日\19点LED射极耦合驱动电路当输入端Si

为“1”时，VT1导通，VT2截止，没有电流流过LED，LED不发光；

Si

为“0”时，VT2导通，VT1截止，电流流过LED而使其发光,VBB为参考电平.4.2光发射机当前第120页\共有134页\编于星期日\19点LD驱动电路LD数字调制原理图LD器件是利用在其有源区中受激发射的器件，只有在工作电流超过阈值电流的