第三章光源与光发送机解读

工业照明
高效的工业照明可以提高生产 效率和安全性。
光发射机
光发射器的定义
光发射器是将电能或其他能源转化为光能并传输的装置。
光发射器的分类
光发射器可以分为LED、激光器等不同类型。
光发射器的特点
不同类型的光发射器具有不同的功耗、尺寸和效率。
光发射机的性质
1
光发射器的发射能力
光发射器可以具有不同的发射功率和距离。
总结
1 光源和光发射机的关系
光发射机需要光源提供光能来发射光信号。
2 光源和光发射机在每个应用领域的重要性
它们在照明、通信等领域都发挥着重要的作用。
3 未来光源和光发射机发展趋势
随着技术的进步，光源和光发射机将变得更加高效和多样化。
2
光发射器的调制特性
光发射器可以通过调制来传输不同的信号。
3
光发射器的耐用性
耐用的光发射器可以在各种复杂环境中稳定工作。
光发射机的应用
光通信
光发射器是实现高速、远距离 光通信的关键组件。
无线电通信
部分无线电通信系统采用光发 射器作为信号传输介质。
其他应用领域
光发射器在医疗设备、科学研 究等领域都有广泛应用。
《光源和光发射机》PPT 课件
这个PPT课件将介绍光源和光发射机，从定义、性质到应用。通过丰富的内容 和精美的图片，带您深入了解这个有趣的主题。
什么是光源?
光源的定义
光源是产生光的物体或装 置，用于提供照明或其他 光学应用。
光源的分类
光源可以分为自然光源和 人造光源，如太阳、灯泡 等。
光源的特点
光源可以具有不同的颜色、 亮度和光谱分布。
光源的性质
1
光源的辐射特性

光收发一体化技术有哪些优势 和应用场景？
发射角度
发射角度对光发送机 的传输效率有何影响？
传输速率
如何优化光发送机的 传输速率？
信噪比与误码率
介绍光发送机中的信噪比和误码率概念，并探讨影响它们的因素。
信噪比介绍
什么是信噪比？为什么它很 重要？
误码率介绍
什么是误码率？它如何影响 通信质量？
影响因素
影响信噪比和误码率的因素 有哪些？
光发送机现状与应用
了解光发送机在工业、航天和其他领域中的现状和应用。
1
工业应用
光发送机在工业领域中的具体应用有哪些？
2
航天应用
了解光发送机在航天领域的创新应用。
3
其他应用
光发送机还有其他什么特殊应用？
安全风险及管理
探讨使用光发送机时需要注意的安全风险，并提供相应的管理方案和应急措施。
安全风险介绍
使用光发送机可能带来哪些 安全风险？
《光源与光发送机》PPT 课件
欢迎来到《光源与光发送机》PPT课件！在这个课件中，我们将探讨光源的不 同类型、光发送机的基础设计要素以及光发送技术的应用场景等内容。
光源简介
了解不同类型的光源，包括自然光源和人工光源，以及常见的光源。
定义
什么是光源？
分类
有哪些不同类型的光源？
常见光源
列举一些常见的光源。
管理方案
如何管理和减轻光发送机相 关的安全风险？
应急措施
遇到安全事故时应该采取哪 些紧急措施？
发送机特殊应用技术
介绍一些光发送技术的特殊应用，包括多频光发送技术、光缆技术和光收发一体化技术。
多频光发送技术
多频光发送技术如何升光通 信性能？

特性？
纵模和横模p65-66
半导体激光器的P-I特性曲线p69
特征温度p72
光束特性
近场和远场分布 远场
LED
LED的P-I特性（掌握） LED的输出光谱分布（掌握） LED的典型结构（了解）
LED 用途
照明用LED材料的选择
典型结构
LD的优点
LED和LD的调制 直接调制：内调制 间接调制：外调制
3.1.3 非辐射复合—直接带隙和间接带隙半导体材料
内量子效率 P70 （公式2-21）
载流子寿命
辐射复合
3.1.4 半导体材料：晶格常数匹配
小结：半导体光源材料的选取
半导体材料的禁带宽度的计算公式
半导体材料的制备
3.2 半导体激光器
半导体激光器的工作条件
工作物质
泵浦源
10. 在任何一个系统里，最灵活的部分便是最能影响大局的 部分（灵活就是适应，就是接受。灵活是使事情更快有 效果的重要因素）；
11. 没有挫败，只有回馈信息（“挫败”是把焦点放在过去 的事情上，“怎样改变做法”是把焦点放在未来）；
12. 动机和情绪总不会错，只是行为没有效果而已
激光器的组成和封装P82
7. 凡事必有至少三个解决方法（只有相信尚有未知的有效 方法，才会有机会找到它并使事情改变）；
8. 每一个人都选择给自己最佳利益的行为（没有不对的行 为，只有在当时环境下没有效果的行为）；
9. 每个人都已经具备使自己成功快乐的资源（所有事情或 经验里面，正面和负面的意义同时存在，究竟是我们的 绊脚石还是踏脚石，须由自己决定）；
FP腔激光器
图2-15：基本结构 图2.16：典型结构 p59 图2.17 ：示意图 p59 图2.18：商用结构

（4）谐振频率 谐振频率是光学谐振腔的重要参数。 光学谐振腔的谐振条件或称驻波条件
2L λg = q
3.1.3 半导体激光器的结构、工作原理及工作特性
半导体激光器是有阈值的器件，它和发光二极管（LED）同 属半导体发光器件。 光纤通信对半导体发光器件的基本要求有下列几点。 （1）光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口,即短 波长波段的0.85µm、长波长波段的1.31µm与1.55µm。 。 （2）能长时间连续工作，并能提供足够的光输出功率。 （3）与光纤的耦合效率高。 （4）光源的谱线宽度窄。 （5）寿命长，工作稳定。
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。
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。 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<1，产生的激光由此射出。 ② 谐振腔如何产生激光振荡。
3.1.2 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。
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
图3.5 原子的受激辐射
4．光的吸收和放大 ．
（1）吸收状态 ） 设媒质中低能级E 上的电子密度为N 高能级E 设媒质中低能级 1上的电子密度为 1， 高能级 2上的 电子密度为N 电子密度为 2，当N2＜N1时，受激吸收过程占主导地 光波经过媒质时强度按指数规律衰减， 位 ， 光波经过媒质时强度按指数规律衰减 ， 光波被吸 收 （2）放大状态 ） 若媒质中N 则受激辐射占主导地位， 若媒质中 2＞N1，则受激辐射占主导地位，光波经过 媒质时强度按指数规律增大，光波被放大。 媒质时强度按指数规律增大，光波被放大。 Eg＜hv＜e0V ＜ N2＞N1的情况是一种处于非热平衡状态下的反常情况， 的情况是一种处于非热平衡状态下的反常情况， 称之为粒子数反转分布，或布居反转， 称之为粒子数反转分布，或布居反转，必须要有外界 的泵浦才能实现

m
(c)纵模共振光谱
Z=x
m
(c)半导体激光器的输出光谱
22
图4.2.6 光在法布里珀罗(F-P) 谐振腔中的干涉
M1
反 射 镜
M2
Aa
反
射
镜
B
b
R1
L
R2
(a) 反射波干涉
m 1
m2
相1
对
强
m6
度
I
驻波
(b) 只有特定波长的驻波 允许在谐振腔内存在
vf
反射系数
R 0.8 R 0.4
vm
v vm1 vm vm1
M1
反 射 镜
M2
Aa
反
射
镜
B
b
R1
L
R2
反射波ห้องสมุดไป่ตู้互干涉
18
Fabry(1867~1945) Perot(1863~1925) 法国物理学家
19
法布里-珀罗（FabryPerot）光学谐振器
反射波相互干涉
M1
反 射 镜
M2
Aa
反
射
镜
B
b
R1
L
R2
镀有反射镜面的光学谐振腔只有在特定的频率内 能够储存能量，这种谐振腔就叫做法布里-珀罗 （Fabry-Perot）光学谐振器。
g
通常发射多个纵模的光
0
频率
半导体激光器的增益频谱 g() 相当宽（约10 THz），在 F-P 谐振
腔内同时存在着许多纵模，但只有接近增益峰的纵模变成主模。
在理想条件下，其它纵模不应该达到阈值，因为它们的增益总是比 主模小。实际上，增益差相当小，主模两边相邻的一、二个模与主 模一起携带着激光器的大部分功率。这种激光器就称作多模半导体 激光器。

某数字光纤通信系统，在实际使用中发现LD的输出光 功率慢慢下降，试分析其原因并提出解决办法。
参见3.3.1，从阈值电流与使用时间及温度的 关系可知，输出光功率下降的可能原因包括使用 时间长和温度升高引起的阈值电流增加。 采取的措施可以使用APC比不合要求 时，将会对整个系统产生什么影响？ 通断比（也称消光比），指光源器件发出光 的“1”脉冲和“0”脉冲的比值，定义为
在光发送电路中为什么要设置自动功率控制 （APC）电路？用APC电路是控制LD的哪些因 素？试述APC电路的工作原理。
分析： APC工作 原理见光 发送电路 部分。重 点 理 解 APC电路 与阈值电 流之间的 关系。
P
η ex 2
η ex 1
Ith2 Ith1 0 Ib1 Ib2
Ith1和 η ex 1 时 输出光信号
已知半导体材料GaAs的Eg＝1.43eV， InGaAsP的Eg=0.96eV，分别求由这两种材 料组成的半导体激光器的发射波长。 可由
hf = ΔE
计算出对应的光频率，其中h为普郎克常量，然后 再将频率换算至对应的光波长。
目前光纤通信中为什么普遍采用双异质结结构的 条形半导体激光器作为光源？比较增益波导型和 折射率波导型两种条形激光器各有什么特点？ 异质结和同质结结构激光器在阈值电流密度上 存在较大差别，参见3.1.1。 增益波导型和折射率波导型激光器的区别参见 3.1.1。
为什么LD要工作在正向偏置状态？何谓激光器的 阈值电流？激光器的阈值电流与激光器的使用温 度、使用时间有什么关系？ LD 加正向偏置电压用以克服 PN 结中自建场 的影响，从而降低势垒，以形成粒子数反转分布。 激光器的阈值电流与温度和使用时间成正比 关系。
半导体激光器输出的光脉冲为什么会产生驰张振 荡和暂态过击现象？这两种现象有何危害？如何 消除这两种现象？ 详见光发送电路部分，重点理解注入电流信号 与阈值电子密度和光子密度之间的关系，以及由 此产生的驰张振荡和暂态过击现象。 解决方法是实现在光源电路中加入偏置电流， 其选取原则是略小于阈值电流。

能级和电子跃迁
7
光纤通信
① 在正常状态下，电子通常处于低能级（即基态）E1，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）E2， 产生光生电流，这种跃迁称为受激吸收——光电检测器。
② 处于高能级E2 上的电子是不稳定的，即使没有外界的作用， 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 子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射——发光二极管。
*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。
9
光纤通信 （5）激光的形成 必须有产生激光的工作物质（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激励源 （泵浦源）； 必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。 粒子数反转分布状态的为实现光放大提供了可能，而激活物质 提供光放大的环境，光学谐振腔则提供必要的反馈及对光的频率和 方向进行选择，以获得连续的光放大和激光振荡输出。
光纤通信
第3章 光源与光发送机
1
第3章 通信用光器件
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。
光纤通信
2
3.1 激光器和LED
光纤通信
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LD和LED两种。
半导体激光器（LD）：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，在高速率、大容量的数字光 纤通信系统中得到广泛应用。
E E2 E1 hf 12
当处于低能级E1 的电子受到一个光子能量∆E =hf12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E2 上去。
光纤通信用的发光元件和光检测元件就是利用这两种现象。
6

19
二、常用半导体激光器

半导体激光器的分类：

按照构成半导体PN结材料的搭配及对载流子限制方式 的不同，分为同质结和异质结半导体激光器以及量子 限制半导体激光器等。

按照谐振腔的结构可分为法布里-珀罗激光器、分布 反馈激光器、耦合腔激光器和多量子阱激光器等。
按照性能分可分为多纵模激光器、单纵模激光器等。
光纤通信之光源和光发射机
1
通信光器件
器件在实现本身功能过程中，其内 部是否出现光电能量转换
分为光有源器件和光无源器件两类 光有源器件：
光源、光检测器和光放大器。
光无源器件
连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔
离器等。
2
光源器件

光源的作用是产生作为载波的光信号。 光纤通信使用的2种光源
二、直接调制与间接调制
直接调制的原理 用电信号直接调制光源器件的偏置电流，使光源发 出的光功率随信号而变化。
31
LED的直接调制原理
LED的模拟调制原理图
32
LED的数字调制原理图
33
LD的直接调制原理
LD的模拟调制原理图
34
LD的数字调制原理图
35
间接调制的原理
光信号通过调制器实现对光载波的调制。
受激发射的光子 与原光子具有相 同的波长、相位 和传播方向
E2
h
E1
h h
受激发射跃迁
6
受激吸收：在外来光子激励 下电子吸收外来光子能量而 从低能级跃迁到高能级，变 成自由电子的过程。 光→电---光电检测器工作机 理
E2
h
E1
受激吸收跃迁
自发发射、受激发射和受激吸收三种过程是同时存在的。

布。
在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合， 产生自发辐射光。
3. 激光振荡和光学谐振腔
激光振荡的产生：
粒子数反转分布（必要条件)+激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和
方向进行选择=连续的光放大和激光振荡输出。
基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成(如图 3.4所示)，并被称为法布里 - 珀罗(FabryPerot, FP)谐振腔。
hc 1.24 ( m) Eg Eg (eV )
(3.6)
不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长λ。 镓铝砷-镓砷(GaAlAs-GaAs)材料适用于0.85 μm波段 铟镓砷磷 - 铟磷(InGaAsP-InP)材料适用于1.3~1.55 μm波段
图3.7是GaAlAs-DH激光器的光谱特性。 在直流驱动下， 发射光波长只有符合激光振荡的相位条件式(3.5)的波长存 在。 这些波长取决于激光器纵向长度L，并称为激光器的纵模。 驱动电流变大，纵模模数变小 ，谱线宽度变窄。
40
832 830 828
I=85mA Po=6mW
832 830 828 826
35
30
1. 受激辐射和粒子数反转分布
有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。 在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态，
能量比基态大的能级Ei(i=2, 3, 4 …)称为激发态。
电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有 三种基本方式：受激吸收 自发辐射 受激辐射 (见图3.1)
低能态
粒子数正常分布和粒子数反转
高能态
hvs
低能态
发光原理！
高能态

有源区内每秒钟产生的光子数
内量子效率i= 有源区内每秒钟注入的电子-空穴对数
内量子效率i是衡量激光二极管把电子－空穴对（注入 电流）转换成光子能力的一个参数。
与D不同的的是， i与激光二极管的几何尺寸无关，是 评价激光二极管半导体晶片质量的主要参数。
i和D既有关系又有差别。 i是激光二极管把电子－空 穴对（注入电流）转换成光子效率的直接表示，但要注 意，并非所有光子都出射成为输出光，有些光子由于各 种内部损耗而被重新吸收。 D是激光二极管把电子－ 空穴对（注入电流）转换成输出光的效率象征。 D总 是比i小。
LD的噪声源主要有： RIN p 2 P 2
（1）相位噪声 （2）工作不稳定引起的噪声（如自脉动） （3）光纤端面与LD之间互作用引起的噪声 （4）模噪声（单模LD+多模光纤系统）与模分配噪 声（多模LD+单模光纤系统） 通过模式稳定及光隔离器来减低或消除
来的固有特性。
自脉动：某些激 光器在某些注入 电流下发生的一 种持续振荡。
张弛振荡和自脉动 的结合。激光器激 射以后，先出现一 个张弛振荡的过程， 随后则开始持续自
脉动。
2. 张弛振荡
•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。 •采用预偏置在Ith 附近的方法，可减 小张弛振荡
0
1.0
相 0.8
对 光
0.6
强 0.4
2~5nm
0.2
0 -40 -20 0 20 40
波长 (nm)
(b) 多模 LD 的 光谱特性
0
1.0
相 0.8
对 光
0.6
强 0.4
0.02nm

6、聚光性好
要求光源发光尽量集中，会聚到一点，尽可能 多地把光送过光纤，即耦合效率高，这样进入光结 的功率大，系统中继距离就可增加。
7、调制方便
调制是把话音等信息附载在光波上，如何高效 地用电信号来调制光波是决定系统成败的关键。
8、价格低廉，体积小，应用方便
5.1 半导体光源的物理基础
1. 孤立原子的能级
2、足够的输出功率
光源的输出功率发须足够大，光源输出功率大小 影响光通信系统的中继距离。光的的输出功率越大， 系统的中继距离就越长。但这个结论是有条件的， 即如果光源的输出功率太大，使光纤工作于非线性 状态，则是光纤通信系统不允许的。当然，目前的 问题不是光纤的功率太大，而是不够。因此，还应 努力提高光源输入光纤的光功率，以增大中继距离。 一般光源的输出功率大于1mw。
原子是由原子核和围绕原子核旋转的电子构成。 围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特 定的离散值，这种现象称为电子能量的量子化。电子 既绕原子核旋转（动能），又作自旋运动（位能）， 动能和位能之和称为内能。
1913年丹麦物理学家玻尔提出了原子只能处于由 不连续能级表征的一系列状态（定态），对于每一种 运动状态来说，都具有一定的内能（位能和动能之 和）。 内能是一些不连续的特定值，对应电子运动 的特定轨道，这些特定的轨道称为能级。电子通过与 外界交换能量从一种运动状态转变为另一种运动状态。
处于高能级的电子状态是不稳 定的，它将自发地从高能级(在半导 体晶体中更多是指导带的一个能级) 运动(称为跃迁)到低能级(在半导体 晶体中更多是指价带的一个能级)与 空穴复合，同时释放出一个光子。 由于不需要外部激励，所以该过程 称为自发辐射。
这种辐射的特点是每个原子的跃迁的自发的，独 立的，不需要外界的影响。因此根据能量守恒定律， 自发辐射光子的能量为：

量 Eg /2 Eg Eg /2 导带 Ec Ef Ev 价带 (b) Eg Ev Ec Ef Eg Ec
Ef Ev
(a)
(c)
图3.1 (a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体
第3章 光源与光发送机
能量低的能带称为价带，能量高的能带称为 导带，导带底的能量Ec和价带顶的能量Ev之间的 能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能 占据禁带。
1 r1 th ln 2 L r2
第3章 光源与光发送机
γth 为实现稳定激光输出所必须的最小增益，称 为阈值增益系数;α为谐振腔内工作物质的损耗系数； L为谐振腔腔长；r1、r2为两个反射镜的反射率。 由于在谐振腔中，光波是在两块反射镜之间往
复传输的，这时只有在满足特定相位关系的光波才
第3章 光源与光发送机
在激光器工作过程中，光在谐振腔内传播，除了 增益介质的光放大作用外，还存在工作物质的吸收、
介质不均匀引起的散射、反射镜的非理想性引起的
透射及散射等损耗情况，所以也就只有光波在谐振
腔内往复一次的放大增益大于各种损耗引起的衰减，
激光器才能建立起稳定的激光输出，其阈值条 件 （临界条件）为
第3章 光源与光发送机
两种半导体光源 发光二极管（LED）：
输出非相关光，谱宽宽、入纤功率小、调 制速率低。
适用短距离低速系统 激光二极管(LD): 输出相干光，谱宽窄、入纤功率大、调制 速率高。 适用长距离高速系统
第3章 光源与光发送机
•第一节：半导体中的光发射 •第二节：发光二极管 •第三节 •第四节 半导体激光器的工作原理 半导体激光器的工作特性
c f 2nL
称为纵模间隔，它与谐振腔长及工作物质有关。

01
02
光源与光发射机
用于将电信号转换为光信号，是 光纤通信系统的核心部件。
03
04
光接收机
用于将接收到的光信号转换为电 信号，以便进一步处理。
光纤通信系统的优点
传输距离远
光纤传输损耗低，可以实现长距离的光信号 传输。
带宽高
光纤不受电磁干扰的影响，传输质量稳定可 靠。
抗干扰能力强
光纤的传输带宽较高，可以实现高速数据传 输。
光发射机在科研、教育等领域 用于高速数据传输和远程实验 观测，促进科技进步。
光发射机的发展趋势
1 高速率
随着数据传输需求的增长，光发射机正朝着更高传输速 率的方向发展。
2 长距离
随着数据传输需求的增长，光发射机正朝着更高传输速 率的方向发展。
3 集成化
随着数据传输需求的增长，光发射机正朝着更高传输速 率的方向发展。
调制器将信息信号加载到 光信号上，实现信息的传 输。
驱动器控制调制器
驱动器为调制器提供必要 的控制信号，确保调制过 程稳定可靠。
光发射机的组成
光源模块
包括激光二极管、驱动 电路等，负责产生光信
号。
调制器模块
将信息信号加载到光信 号定的 直流电源，确保其正常
液体激光器
利用液体作为工作物质，常见的有 染料激光器、有机溶液激光器等。
激光器的性能参数
波长
稳定性
激光器的输出波长是衡量其性能的重 要参数，不同的应用需要不同波长的 激光器。
激光器的稳定性对其输出光的质量和 使用寿命具有重要影响，稳定的激光 器能够保证信号传输的可靠性。
功率
激光器的输出功率决定了其能够应用 的范围和效果，高功率激光器能够实 现更远距离的传输和更好的信号质量 。