光源和光发送机

1.光源

光通信系统中所使用的光源无例外地都是半导体光器件。短距离低速率系统可以用半导体发光二极管（LED）作光源，而长距离高速率传输系统都用半导体激光器（LD）作光源。半导体光源实际上就是一个加正向电压的半导体PN结，PN结区导带中的电子与价带中的空穴产生辐射复合，发射一个光子。光子的能量hν≥Eg，h＝6.625×10－34J·s是普朗克常量，ν是光子的频率，Eg是半导体禁带宽度。

半导体发光二极管（LED）是基于自发辐射发光机理的发光器件。它的发光功率与注入电流成正比，线性好、温度稳定性好、成本低，缺点是发光功率小（－20dBm左右）、谱线宽，因而只适用于短距离传输。例如，局域网（LAN）中的光端机多采用LED作光源，可以降低成本。

半导体激光器（LD）是基于光的受激辐射放大机理的发光器件。LD是一种阈值器件，也就是说仅当注入电流大于某一特定电流Ith时，器件才发射激光束。与LED相比，LD具有较大的发光功率（mW量级），光谱线宽很窄（从数百埃直到数十埃），可以对其实现高速调制（数GHz）。因而长途高速传输系统都采用LD作为光源。

根据LD内部的频率选择机构，又可将LD分为F－P型、DFB型和DBR型，以及多量子型。F－P型LD利用半导体PN结的解理面形成F－P型光学谐振腔，作为频率选择机构。这种结构的半导体激光器，在高速调制下，往往呈多纵模工作，因而谱线较宽，不宜用作超高速传输系统的光源。DFB型LD，即分布反馈型LD，采用制作在激光器有源区上的反射光栅作为频率选择机构；DBR型LD，即分布布喇格反射型LD，与DFB型LD相似，也是以反射光栅作为频率选择机构。但DBR型LD的反射光栅位于有源区的两端，DFB型LD和DBR型LD具有相似的特性，它们可以稳定地工作于单纵模状态，也称为动态单纵模激光器。DFB型和DBR型的LD具有发光谱线极窄、发光功率大、线性好等优点，是超高速传输系统和高质量的模拟传输系统（如CATV）理想的光源。

2.光源调制技术

对光源的调制可以采用直接调制和间接调制两种方式实现。直接调制又称内调制，即采用信号直接控制光源的注入电流，使光源的发光强度随外加信号变化。间接调制又称外调制，光源发出稳定的光束进入外调制器，外调制器利用介质的电光效应、声光效应或磁光效应实现信号对光束的调制。

对光源的直接调制易于实现。控制光源注入电流的驱动电路，对模拟系统就是一个电流放大电路，对数字系统则是一个电流开关电路。早期的光通信系统都采用这种调制方式，但是在对光源进行直接调制过程中，半导体光源有源区载流子浓度的快速变化，这导致有源区等效折射率的快速变化，其结果是输出光束的频率不稳定，这就是所谓高速调制时的频率啁啾现象；频率啁啾会因光纤的色散产生额外的传输损伤，所以高速传输系统一般采用外调制技术。外调制器一般是一个无源器件，它的调制速率可以做得很高（超过数十GHz），几乎不产生频率啁啾。实用的外调制器大多是基于晶体的电光效应做成的电光调制器。例如，以LiNbO3为基础材料做成的波导调制器，尤其是M－Z型调制器得到了广泛应用。外调制器的主要缺点是插入损耗大，达到6～8dB，因而外调制器输出的光信号一般都要经过掺铒光纤放大器放大以后再注入光纤传输。

3.光发送端机

光发送端机的功能是将电端机送来的电信号转换为光信号，然后注入光纤传输。光发送端机的核心就是光源和驱动电路或外调制器。为了保证光发送端机稳定可靠的工作，还必须有一些附加电路。例如，自动温度控制电路以保证光源结区温度在允许的范围以内，同时自动功率控制电路也是不可少的，它可保证在光源及其他电路参数变化时，发光功率的变化在允许的范围以内。一个数字光发送端机的框图如图1.5.2所示。

图1.5.2　数字光发送端机框图