第4章 光发射和接收 4.1激光器和光发射机 发光机理、LD激光发射的条件、 半导体激光器、波长可调半导体激光器、 高速光发射机 4.2光探测器和光接收机 光探测原理、PN光敏探测器、 雪崩光敏二极管(APD) 、 波导光敏探测器、光接收机工作原理和性 能、相干光接收机 《光纤通信简明教程》原案
《光纤通信简明教程》原荣 1 第4章 光发射和接收 4.1 激光器和光发射机 发光机理、LD激光发射的条件、 半导体激光器、波长可调半导体激光器、 高速光发射机 4.2 光探测器和光接收机 光探测原理、PIN光敏探测器、 雪崩光敏二极管（APD）、 波导光敏探测器、光接收机工作原理和性 能、相干光接收机
4.1激光器和光发射机 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 LD 《光纤通信简明教程》原菜
《光纤通信简明教程》原荣 2 4.1 激光器和光发射机 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 LD
图4.1.1各种光源比较 谱宽度 激光器 发光二极管 a 光是一种电磁波，太阳光和电灯光可以看作是波长在可见光 范围内的电磁波的混合体。与此相反，光纤通信使用的激光 器发出的光则是单色光，具有极窄的光谱宽度。 现在所讲的激光器发出的光，其空间相干性都非常好，可认 为是近似于从点光源发出的光，如图4.1.1c所示。由于非相干 光是不同方向的波面的叠加，所以散发到各个方向的光不能 聚焦成一点，而是成了光源的实象。 《光纤通信简明教程》原案
《光纤通信简明教程》原荣 3 图4.1.1 各种光源比较 光是一种电磁波，太阳光和电灯光可以看作是波长在可见光 范围内的电磁波的混合体。与此相反，光纤通信使用的激光 器发出的光则是单色光，具有极窄的光谱宽度。 现在所讲的激光器发出的光，其空间相干性都非常好，可认 为是近似于从点光源发出的光，如图4.1.1c所示。由于非相干 光是不同方向的波面的叠加，所以散发到各个方向的光不能 聚焦成一点，而是成了光源的实象
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 继段距离的要求； 电光转换效率高，驱动功率低，寿命长，可靠性高； 单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高光 源和光纤的耦合效率； 易于调制，响应速度快，以利于高速率、大容量数字 信号的传输； 强度噪声要小，以提高模拟调制系统的信噪比； 光强对驱动电流的线性要好，以保证有足够多的模拟 调制信道
《光纤通信简明教程》原荣 4 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 继段距离的要求; 电光转换效率高，驱动功率低，寿命长，可靠性高; 单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高光 源和光纤的耦合效率； 易于调制，响应速度快，以利于高速率、大容量数字 信号的传输; 强度噪声要小，以提高模拟调制系统的信噪比; 光强对驱动电流的线性要好，以保证有足够多的模拟 调制信道
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) 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
《光纤通信简明教程》原荣 5 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） 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
常用的调制方法 直接调制 注入调制电流实现光波强度调制 外调制 通过外腔调制器对光的强度、相位或频 率进行调制 《光纤通信简明教程》原荣
《光纤通信简明教程》原荣 6 常用的调制方法 直接调制 注入调制电流实现光波强度调制 外调制 通过外腔调制器对光的强度、相位或频 率进行调制
P P-I曲线 模拟信号对直接调制 激光器输出功率 输出光信号 /th 驱动电流 输入电信号 《光纤通信简明教程》原案
《光纤通信简明教程》原 荣 7 模拟信号对 LD 直接调制 P 激光器输出功率 It h I 输入电信号 P - I曲 线Ib Pb 输出光信号 驱动电流 t t
光源 模拟 输入 驱动 LED 输出 直接 电信号 电路 或LD 光信号 调制 光发 射机 (a)直接调制 注入调制电流实现光强度调制。响应速度 快 输出波形好的调制电路和线性好的LD 注入电流-光强曲线是获得好的光调制波形 的前提条件
《光纤通信简明教程》原荣 8 模拟 直接 调制 光发 射机 注入调制电流实现光强度调制。响应速度 快、输出波形好的调制电路和线性好的LD 注入电流---光强曲线是获得好的光调制波形 的前提条件。 输 入 电信号 光 源 控 制 输出 光信号 驱 动 电 路 LED 或 LD (a)直接调制
数字直接强度调制 光纤 信号 复用 编码 调制 光源 耦合器 输出 光信号 控制 信号经复用和编码后，通过调制器对光源进行光强度调制。 发送光的一部分反馈到光源的输出功率稳定电路，即光功 率控制(AGC)电路。因为输出光功率与温度有关，一般 还加有自动温度控制(ATC)电路。 《光纤通信简明教程》原荣
《光纤通信简明教程》原荣 9 数字直接强度调制 信号经复用和编码后，通过调制器对光源进行光强度调制。 发送光的一部分反馈到光源的输出功率稳定电路，即光功 率控制（AGC）电路。因为输出光功率与温度有关，一般 还加有自动温度控制（ATC）电路。 信 号 输 入 复 用 编 码 调 制 光 源 耦合器 控 制 光 纤 输出 光信号
光外腔调制发射机框图 输入 电信号1 编码 驱动 光源 外调 输出 LD 制器 光信号 (b)外调制 光源发出的连续光信号，送入外调制器，信息信号经复用、编 码后通过外调制器对连续光的强度、相位或偏振进行调制。 尽管大多数情况均采用直接调制光载波的调制方式，但是在高 速率DWDM系统和相干检测系统中必须采用光的外调制
《光纤通信简明教程》原荣 10 光外腔调制发射机框图 光源发出的连续光信号，送入外调制器，信息信号经复用、编 码后通过外调制器对连续光的强度、相位或偏振进行调制。 尽管大多数情况均采用直接调制光载波的调制方式，但是在高 速率DWDM系统和相干检测系统中必须采用光的外调制。 编 码 外 调 制 器 光 源 输出 光信号 驱 动 输 入 电信号 LD (b)外调制