r
[ 1
sp ph
(
j jth
1)]1 2
o 2 sp
jth j
td
sp ln
j j jth
(4.1) (4.2) (4.3)
式中，τo是张弛振荡幅度衰减到初始值的1/e的时间，j和jth分别 为注入电流密度和阈值电流密度。τsp和τph分别为电子自发复合寿 命和谐振腔内光子寿命。在典型的激光器中，τsp≈10-9s, τph≈10-12s，
两个连“1”的现象
电流脉冲
光脉冲
当第一个电流脉冲过后，存储在有源区的电荷以指数形式衰减，回到 初始状态有一个时间过程sp，如果调制速率很高，脉冲间隔小于sp ， 会使第二个电流脉冲到来时，前一个电流脉冲注入的电荷并没有完全 复合消失，有源区的存储电荷起到直流预偏置的作用，于是第二个光 脉冲延迟时间减小，输出光脉冲的幅度和宽度增加。
的性能。 电路的设计应以光源为依据，使输出光信号准确反映输入电信号。
输入 接口
电信号输入
线路 编码
调制 电路
光 源
光信号输出
图4.2 数字光发射机方框图
路
图4.2 数字光发射机方框图
光 源
控制电路
1. 线路编码电路
电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码， 而光源不能发射负脉冲，要变换为适合于光纤传输 的单极性码
“码型效应”的特点是：在脉冲序列中较长的连“0” 码后出现的“1”码，其脉冲明显变小，而且连“0”码 数目越多，调制速率越高，这种效应越明显。用适当的 “过调制”补偿方法，即补充一个负脉冲，可以消除码 型效应
2ns
通过LD速率方程组的瞬态解得到的张弛振荡频率ωr及其幅度衰减 时间τo和电光延迟时间td的表达式为：
(ATC)
——控制电路的作用
输入 接口
电信号输入
线路 编码
调制 电路
图4.2 数字光发射机方框图
光 源
控制电路
输入 接口
电信号输入
线路 编码
调制 电路
图4.2 数字光发射机方框图
光 源
控制电路
3. 光源
对通信用光源的要求如下
(1) 发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，即中心波长
应在0.85μm、 1.31μm和1.55μm附近。光谱单色性要好，即谱线
2. 电光延迟和张弛振荡现象
当电流脉冲注入激光器后，
输出光脉冲会出现幅度逐
半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光渐衰脉减冲的瞬振态荡，响称为张弛
应波形如图4.3所示。
振荡，其振荡频率 fr(=ωr/2π)一般为0.5~2 GHz
输出光脉冲和注
入电流脉冲之间
存在一个初始延
迟时间，称为电 光延迟时间τd， 其数量级一般为
宽度要窄， 以减小光纤色散对带宽的限制。
(2) 电/光转换效率要高，即要求在足够低的驱动电流下，有 足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。 发射光束的方向性要好，即远场的辐射角要小，以利于提高光 源与光纤之间的耦合效率。
(3)允许的调制速率要高或响应速度要快， 以满足系统的大传 输容量的要求。 (4)器件应能在常温下以连续波方式工作， 要求温度稳定性好， 可靠性高，寿命长。 (5)此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。
• 当激光器的驱动电流大于阈值电流Ith时， 输出光功率P和驱动电流I基本上是线性关系
•输出光功率和输入电流成正比，输出光信号反映输入电信号
半导体激光器是光纤通信的理想光源，但在高 速脉冲调制下，其瞬态特性仍会出现许多复杂 现象，如常见的电光延迟、 张弛振荡和自脉动 现象。
这些特性严重限制系统传输速率和通信质量， 因此在电路的设计时要给予充分考虑。
ns
电脉冲
d
图 4.3 光脉冲瞬态响应波形
光脉冲
电光延迟：当在PN结两端注入电流，会产生“电子-空穴”对， 但是，只有当“电子-空穴”对浓度达到一定数值后才会发生 受激辐射，因此从注入电流，到有光信号输出，需要一段时间。
这些特性与激光器有源区的电子自发复合寿命和谐振腔内光 子寿命以及注入电流初始偏差量有关。
以上各项中，调制速率、谱线宽度、输出光功率和光束方 向性，直接影响光纤通信系统的传输容量和传输距离，是 光源最重要的技术指标。
4.1.2 调制特性
p
1、直接光强数字调制原理
p
输出光信号
输出光信号
I
Ith Ib
I
t
Iin
输入电信号
输入电信号
Iin
（a） LED数字调制原理
(b) LD的数字调制原理
本章目录
4.1 光发射机 4.2 光接收机 4.3 线路编码
数字光发射机和数字光接收机
4.1 光发射机
功能
电端机输出的数字基带电信号转换为光信号 用耦合技术注入光纤线路 用数字电信号对光源进行调制
4.1.1 光发射机的基本组成
数字光发射机主要有光源和电路两部分。 光源是实现电/光转换的关键器件，在很大程度上决定着光发射机
即τsp>>τph。
张弛振荡频率
[ 1
sp ph
(
j jth
1)]1 2
r j
幅度衰减时间
o 2 sp
jth j
0
1 j
电光延迟时间
d
sp ln
j j jth
j
jth时， d
1 j
增加注入电流密度 j，可以使得 r ， 0 ， d
增加注入电流j，有利于提高张弛振荡频率ωr，减小其幅度衰减 时间τo，以及减小电光延迟时间τd，因此对LD施加偏置电流是 非常必要的。
张弛振荡和电光延迟的后果是限制调制速率。 当最高调制频率接近张弛振荡频率时，波形失真严重，会使 光接收机在抽样判决时增加误码率，因此实际使用的最高调 制频率应低于张弛振荡频率。
电光延迟要产生码型效应
T 2
电光延迟时间过长
电脉冲
d
光脉冲
当电光延迟时间与数字调制的码元持续时间T/2为相同数量级 时，会使“0”码过后的第一个“1码的脉冲宽度变窄，幅度减 小，严重时可能使单个“１”码丢失， 这种现象称为“码型 效应”。
PN结两端 的注入电流
调制电流 保证光脉冲达到一定幅度 偏置电流 影响高速调制性能
2. 调制电路和控制电路
直接调制是对光源的驱动电流调制，使得光纤中传输的光信号
携带所需的信息
——直接调制电路的作用
LD的性能对温度非常敏感，并且长时间的连续发光会使器件老化，
控制电路就是用来消除温度变化和器件老化带来的影响，给激光
器 提 供 稳 定 的 工 作 环 境 。 自 动 功 率 控 制 (APC) 和 自 动 温 度 控 制