光源和光发射机1第一页，共七十八页，2022年，8月28日4.1与激光器有关的概念光源是光纤通信系统中光发射机的重要组成部件，其主要作用是将电信号转换为光信号送入光纤。目前用于光纤通信的光源包括半导体激光器（LaserDiode，LD）和半导体发光二极管（LightEmittingDiode，LED）。2第二页，共七十八页，2022年，8月28日4.1与激光器有关的概念1．光子的概念2．费米能级3．光和物质的相互作用3第三页，共七十八页，2022年，8月28日1．光子的概念光是由能量为hf的光量子组成的，其中h=6.626×10-34J·S，称为普朗克常数；f是光波频率。人们将这些光量子称为光子。不同频率的光子具有不同的能量。光具有波、粒两重性。4第四页，共七十八页，2022年，8月28日2．费米能级（1）原子能级的概念物质是由原子组成的，而原子是由原子核和核外电子构成的。当物质中原子的内部能量变化时，可能产生光波。电子在原子中围绕原子核按一定轨道运动，而且只能有某些允许的轨道。由于在每一个轨道内运动，就相应具有一定的电子能量，因此，电子运动的能量只能有某些允许的数值。这些所允许的能量值因轨道不同，都是一个个地分开的，即是不连续的。我们把这些分立的能量值称为原子的不同能级。5第五页，共七十八页，2022年，8月28日2．费米能级（2）费米能级电子按能量大小的分布确有一定的规律。电子占据能级的概率遵循费米能级统计规律：在热平衡条件下，能量为E的能级被一个电子占据的概率为费米统计规律是物质粒子能级分布的基本规律它反映了物质中的电子按一定规律占据能级6第六页，共七十八页，2022年，8月28日费米分布函数变化曲线7第七页，共七十八页，2022年，8月28日3．光和物质的相互作用光可以被物质吸收，也可以从物质中发射。在研究光与物质的相互作用时，爱因斯坦指出，这里存在着三种不同的基本过程，即自发辐射、受激吸收以及受激辐射。8第八页，共七十八页，2022年，8月28日3．光和物质的相互作用（1）自发辐射发射光子的频率自发辐射的特点如下：①这个过程是在没有外界作用的条件下自发产生的，是自发跃迁。②辐射光子的频率亦不同，频率范围很宽。③电子的发射方向和相位也是各不相同的，是非相干光。9第九页，共七十八页，2022年，8月28日3．光和物质的相互作用原子的自发辐射10第十页，共七十八页，2022年，8月28日3．光和物质的相互作用（2）受激吸收物质在外来光子的激发下，低能级上的电子吸收了外来光子的能量，而跃迁到高能级上，这个过程叫做受激吸收。受激吸收的特点如下。①这个过程必须在外来光子的激发下才会产生，因此是受激跃迁。②外来光子的能量要等于电子跃迁的能级之③受激跃迁的过程不是放出能量，而是消耗外来光能。11第十一页，共七十八页，2022年，8月28日3．光和物质的相互作用原子的受激吸收12第十二页，共七十八页，2022年，8月28日3．光和物质的相互作用（3）受激辐射处于高能级E2的电子，当受到外来光子的激发而跃迁到低能级E1时，放出一个能量为hf的光子。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，因此叫做受激辐射。13第十三页，共七十八页，2022年，8月28日3．光和物质的相互作用受激辐射的特点如下。①外来光子的能量等于跃迁的能级之差。②受激过程中发射出来的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，因此称它们是全同光子。③这个过程可以使光得到放大。14第十四页，共七十八页，2022年，8月28日3．光和物质的相互作用原子的受激辐射15第十五页，共七十八页，2022年，8月28日4.2激光器的工作原理激光器是指能够产生激光的自激振荡器。要使得光产生振荡，必须先使光得到放大，而产生光放大的前提，由前面的讨论可知，是物质中的受激辐射必须大于受激吸收。受激辐射是产生激光的关键。16第十六页，共七十八页，2022年，8月28日4.2激光器的工作原理1．粒子数反转分布与光放大之间的关系2．激光器的基本组成3．光学谐振腔4．激光器的参量17第十七页，共七十八页，2022年，8月28日1．粒子数反转分布与光放大之间的关系在热平衡条件下，物质不可能有光放大作用要想物质能够产生光的放大，就必须使受激辐射作用大于受激吸收作用，也就是必须使N2>N1。这种粒子数一反常态的分布，称为粒子数反转分布。粒子数反转分布状态是使物质产生光放大的必要条件。将处于粒子数反转分布状态的物质称为增益物质或激活物质。18第十八页，共七十八页，2022年，8月28日2．激光器的基本组成激光振荡器必须包括以下三个部分：能够产生激光的工作物质，能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源，能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。19第十九页，共七十八页，2022年，8月28日3．光学谐振腔①光学谐振腔的结构。在增益物质两端，适当的位置，放置两个反射镜M1和M2互相平行，就构成了最简单的光学谐振腔。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。20第二十页，共七十八页，2022年，8月28日3．光学谐振腔对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，如M1的反射系数r=1；另一个为部分反射，如M2的反射系数r

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，是非相干光。半导体激光器是受激辐射，发出的是相干光。52第五十二页，共七十八页，2022年，8月28日

LED也多采用双异质结芯片，不同的是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。

LED分为两大类：一类是面发光型LED，另一类是边发光型LED4.4发光二极管53第五十三页，共七十八页，2022年，8月28日

常用的两类发光二极管（LED）4.4发光二极管54第五十四页，共七十八页，2022年，8月28日（1）光谱特性

LED谱线宽度∆λ比激光器宽得多。下图是InGaAsPLED的输出光谱。

4.4发光二极管55第五十五页，共七十八页，2022年，8月28日

（2）输出光功率特性两种类型LED输出光功率特性。驱动电流I较小时，P−I曲线的线性较好；当I过大时，由于P-N结发热产生饱和现象，使P−I曲线的斜率减小4.4发光二极管56第五十六页，共七十八页，2022年，8月28日

（3）温度特性由于LED是无阈值器件，因此温度特性较好（4）耦合效率由于LED发射出的光束的发散角较大，因此与光纤的耦合效率较低。一般只适于短距离传输（5）使用寿命长4.4发光二极管57第五十七页，共七十八页，2022年，8月28日

（6）调制特性调制频率较低。在一般工作条件下，面发光型LED截止频率为20MHz～30MHz，边发光型LED截止频率为100MHz～150MHz。4.4发光二极管58第五十八页，共七十八页，2022年，8月28日

比较：

LED与LD相比，LED输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。但LED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。4.4发光二极管59第五十九页，共七十八页，2022年，8月28日4.5光源的调制光源所采用的调制方式包括内调制和外调制（也称为直接调制或间接调制）。60第六十页，共七十八页，2022年，8月28日4.5光源的调制直接调制：直接在光源上进行调制，调制半导体激光器的注入电流。间接调制：在光源输出的通路上外加调制器来对光波进行调制。可通过光电效应或其他方式实现对光波的调制61第六十一页，共七十八页，2022年，8月28日4.5光源的调制直接调制的方法：模拟强度调制（AIM） 脉位调制（PPM）数字调制（PCM-IM）

62第六十二页，共七十八页，2022年，8月28日4.5光源的调制半导体光源的直接调制原理63第六十三页，共七十八页，2022年，8月28日4.5光源的调制在IM-DD光纤通信系统中，采用的是内调制。通常内调制适用于半导体光源。缺点：动态谱线增宽；调制时延；调制速度受限。64第六十四页，共七十八页，2022年，8月28日4.5光源的调制间接调制方法：光电调制器声光调制器

65第六十五页，共七十八页，2022年，8月28日4.6光发射机(2)对光发射机的要求①光源的发光波长要合适②合适的输出光功率③较好的消光比④调制特性好此外还希望光发射机的稳定性好，光源的寿命长等。66第六十六页，共七十八页，2022年，8月28日光数字发射机原理图扰码编码扰码编码驱动67第六十七页，共七十八页，2022年，8月28日4.6光发射机(3)光发射机的组成方框图和各部分功能①均衡放大②码型变换③时钟68第六十八页，共七十八页，2022年，8月28日4.6光发射机④扰码为了保证所提取时钟的频率以及相位与光发射机中的时钟信号一致，必须避免所传信号码流中出现长“0”或长“1”的现象。解决这一问题的方法就是扰码，即在发送端加入一个扰码电路，而在接收端则要加一个与扰码相反的解扰电路，以恢经过扰码后的数字信号通过调制电路对光源进行调制，让光源发出的光信号强度跟随信号码流的变化，形成相应的光脉冲送入光纤。复信号码流原来的状态。69第六十九页，共七十八页，2022年，8月28日4.6光发射机⑤调制(驱动)经过扰码后的数字信号通过调制电路对光源进行调制，让光源发出的光信号强度跟随信号码流的变化，形成相应的光脉冲送入光纤。70第七十页，共七十八页，2022年，8月28日4.6光发射机LG1625与246型激光器的连接示意图71第七十一页，共七十八页，2022年，8月28日4.6光发射机⑥自动功率控制由于老化等因素的影响，使得光发射机的光源在使用一段时间之后，出现输出光功率降低的现象。为了保持光源输出功率的稳定，在光发射机中常使用自动功率控制(APC)电路。72第七十二页，共七十八页，2022年，8月28日4.6光发射机激光器老化使输出光功率降低73第七十三页，共七十八页，2022年，8月28日4.6光发射机激光器温度变化引起输出功率的变化74第七十四页，共七十八页，2022年，8月28日4.6光发射机自动功率控制电路75第七十五页，共七十八页，2022年，8月28日4.6光发射机⑦自动温度控制特性曲线对环境温度的变化反映很灵敏，使输出光功率的大小随温度出现变化。在环境温度发生变化时，为了能使激光器的输出特性保持稳定，在发射机盘上需安装自动温度控制(ATC)电路。76第七十六页，共七十八页，2022年，8月28日4.6光发射机环境温度变化引起输出光功率的变化77第七十七页，共七十八页，2022年，8月28日4.6光发射机自动温度控制电路方框图78第七十八页，共七十八页，2022年，8月28日