第4章光源和光发射机-电子通信专业

1、光源光源放大器放大器光电二光电二极管极管判决器判决器主要介绍数字光发射机的基本组成、工作特性和主要电路！在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。1. 能带能带4.1 光源与原子价电子相应的能带.接近绝对0K时电子均束缚于价带中,价带以上的能带是空的.价带价带:由于热或光的激发,价带中的部分电子挣脱原子束缚成为自由电子进入价带上面空着的能带,这些电子是能参与导电的,故称价带上面的能带为导带.导带导带:4.1 光源gEcEvEKT0电子空穴KT0激发复合cE-导带底能级vE-价带顶能级vcgEEE-禁带宽度,能隙4.1 光源Valence band Conducti

2、on band band gapgEcEvEKT0热平衡(T)下本征半导体载流子的浓度)2exp(TkEKnpnBgi例: GaAs本征半导体, T=300K, Eg=1.42eV m=9.11*10-31kg me=0.068m ;mh=0.56m则 ni=2.62*106cm-34/32/32)()/2(2heBmmhTkK-为电子和空穴的有效质量hemm ,4.1 光源2. N型和型和P型半导体型半导体向本征半导体中掺杂V族元素(P,As,Sb), 导带中导带中的电子浓度增加,电子为多数载流子. 电子-负电荷-Negative-N型型向本征半导体中掺杂III族元素(B,Al,Ga,In)

3、, 价带中价带中的空穴浓度增加,空穴为多数载流子. 空穴-正电荷-Positive-P型型KT0gEcEvE本征本征AEP型型acceptor levelDEN型型Donor level4.1 光源3. 费米费米(Fermi)能级能级EfT=0K热平衡状态下：Ef是完全填满电子的能级和完全空缺的能级的界限.gEcEvEDEAEN型型P型型本征本征fE4.1 光源TkEEEfBfexp11)(gEcEvEDEAEN型型P型型本征本征fET0热平衡状态下,能量为E的能级被电子占据的几率为费米分布费米分布:ffEEEEEfT, 1, 0)(, 0fffEEEEEEEfT, 2/1 , 2/1, 2/

4、1)(, 04.1 光源KT0导带和价带中的载流子的密度不同4.1 光源DEN型型导带导带中电子密度大于价带中的空穴密度AEP型型价带价带中空穴密度大于导带中的电子密度gEcEvE本征本征电子空穴密度相等fE准费米能级：准费米能级：4.1 光源当体系由于外界作用(如光照)而破坏热平衡状态时，体系不存在统一的费米能级，但费米能级分布对导带和价带各自仍然适用-导带费米能级，价带费米能级，即准费米能级。TkEEEfBfc22cexp11)(TkEEEfBfvv11exp11)(1. 半导体导电性半导体导电性外电场方向不影响导电性.无论本征半导体,还是掺杂的N型,P型半导体,在外加电场下均可导电,导电

5、性介于导体和绝缘体之间.4.1 光源2. PN结结P型和N型半导体接触,在接触面附近形成PN结.正向P区N区I1P区N区反向I2外电场方向不同, 导电性大不相同.I1 I24.1 光源PNPN结形成图解结形成图解: :图解1: P,N半导体接触前4.1 光源图解2: P,N半导体接触4.1 光源图解3: 载流子扩散4.1 光源图解4: 内电场建立,扩散运动和漂移运动同在,能带发生倾斜4.1 光源图解5: PN结形成后4.1 光源3. 外加正向电场的外加正向电场的PN结结图解1: 外接电源4.1 光源外加正向电场的外加正向电场的PNPN结结图解2: 接通电源, 内电场被削弱,耗尽层变窄4.1 光

6、源激活区电子激活区电子-空穴复合发光是空穴复合发光是LED,LD产生辐射的产生辐射的 “源源”!图解3: 能带发生移动, 产生激活区4.1 光源4. 同质结和异质结同质结和异质结P区和N区为同一半导体物质的形成的PN结,为同质结P区和N区为不同半导体物质的形成的PN结,为异质结n-GaAsp-GaAsn-GaAsp-GaAsp+-GaAlAsp+-GaAsn-GaAlAsp-GaAsp+-GaAlAsp+-GaAsn+-GaAs同质结同质结单异质结单异质结双异质结双异质结 (DH)4.1 光源(DH: Double Heterostructure/Heterojunction)典型的双异质结结

7、构典型的双异质结结构: :n-Ga1-xAlxAs光导和载流子限制层(1um)p-GaAs 金属接触改善层(1um)n-GaAs衬底层金属接触层n-Ga1-yAlyAs复合区(0.3um)p-Ga1-xAlxAs光导和载流子限制层(1um)金属接触层4.1 光源4.1 光源（LED：light-emitting diode） 1.1.发光原理发光原理: :加正向偏压的PN结中电子-空穴复合发光. 属于自发辐射.光的自光的自发辐射发辐射Ec cEvhn nhn n发光二极管发光二极管光的自发辐射光的自发辐射4.1 光源2.LED2.LED结构结构: :面发光面发光SLED (Surface-em

8、itting LED)4.1 光源基片基片热沉热沉/散热器散热器边发光边发光ELED (Edge-emitting LED)4.1 光源3.LED3.LED光谱特性光谱特性自发辐射, 非相干光Eg 单位为 eV波长波长: :中心波长中心波长(Peak)取决于禁带宽度EgpghchvE/)(2398. 1mEEhcggpEcEvEg能能量量E空穴空穴电子电子导带费米能级导带费米能级价带费米能级价带费米能级光子光子eVhvEFnEFp状态密度状态密度4.1 光源Eg 单位为 eV如:AsAlGaxx1半导体LED经验公式:2266. 0266. 1424. 1xxEg(x为AlAs与GaAs的摩尔

9、比率)(2398. 1mEEhcggp4.1 光源0.00.10.20.30.40.51.41.61.82.02.2Wavelength(um)0.60.50.80.9Band gap energy(eV)Al mole fraction, x0.7Ga1-xAlxAs at 300KSpectral emission pattern of Ga1-xAlxAs LED with x = 0.08810770850nm36nm线宽线宽: :通常达几十nm4.1 光源4. LED4. LED光束的空间分布光束的空间分布cos)(0PP辐射光功率辐射光功率: :-朗伯(Lambert)分布半功率点

10、处: =60度半功率宽度:120face4.1 光源30120/4.1 光源5. SLED5. SLED的输出功率、耦合功率、耦合效率的输出功率、耦合功率、耦合效率cos)(0PPSLED为朗伯(Lambert)体4.1 光源2)(/NAPPLEDFibercouple光纤SLED输出总功率：ddrdrPPsin)(a0r2/020LED 2021aP耦合到光纤的功率：ddrdrPPsin)(a0r020Fibermax max220sin21aP耦合效率：6.内量子效率内量子效率(internal quantum efficiency)与光功率与光功率在众多的电子-空穴对复合中,仅有部分产生

11、辐射。nrrrrRRRRRint其中R, Rr, Rnr分别为总复合速率,辐射复合速率和非辐射复合速率.|eIR IehchveIRhvhvRPr|intintintint又其中I为电流强度光功率光功率: :4.1 光源内量子效率内量子效率为产生辐射的复合对数目与总的复合对数目之比.速率Rate 辐射radiation非辐射non-radiationI/|e|hvPRRr/intint7. LED的的P-I特性曲线特性曲线4 3 2 1 0 50 100 150 02570电流电流/mA输出功率输出功率/ mWu驱动电流I较小时， P -I线性较好；uI过大时，PN结发热产生饱和;u温度上升，

12、辐射功率下降4.1 光源8.8.频率响应频率响应H(f)以频率(w=2f)对LED驱动电流I进行调制,与未调制前的直流相比,则输出光功率POp下降理论证明:2)2(11)0()()(effOptOptfPfPfH其中eff 称为载流子有效寿命.e1.1 nse2.1 nse 6.4ns1001000100.110f / MHz H( f )4.1 光源光带宽光带宽: :定义:21)2(11)0()()0()(2effOptOptfIfIPfP得:21)0()(OptOptPfP对应的频率为对应的频率为光带宽光带宽)2/(3,3effopdBffdBPfPRatioOptOptOp321log1

13、0)0()(log10)(-3-3dBdB点点4.1 光源9.LED9.LED应用范围应用范围, ,优点优点, ,缺点缺点: :4.1 光源4.1 光源(LD: Laser diode)1.1.发光原理发光原理: :加正向偏压的PN结中电子-空穴复合发光. 加谐振腔, 受激辐射.光的受光的受激发射激发射Ec chn nEvhn n输入输入输出输出激光器激光器光的受激发射光的受激发射产生激光的条件产生激光的条件: :泵浦源泵浦源( (激励源激励源):):注入能量,实现粒子数反转分布激活物质激活物质: : 产生激光的物质基础,PN结光学谐振腔光学谐振腔: : 提供正反馈, 满足振荡条件4.1 光源

14、2.2.粒子数反转分布的实现粒子数反转分布的实现: :注入电流达到一定值注入电流达到一定值,准费米能级之差大于禁带宽度,PN结中出现一个增益区(有源区,激活区),价带主要由空穴占据,导带主要由电子占据,实现粒子数反转.4.1 光源3.3.激光谐振腔激光谐振腔沿特定的晶体解理面(110)切割组成谐振腔以F-P腔为例4.1 光源产生激光的阈值条件-分别为增益系数和损耗系数)(22104gLeRRII0I1I2I3I4I2R1RL,g,g阈值条件:04II 1)(221gLeRR)1ln(2121RRLggth4.1 光源产生激光的相位条件腔内沿相反方向行进的两列行波叠加形成驻波,腔长为半波长的整数

15、倍.中心波长:2mnL L取决于禁带宽度EgpghchvE/(可能的驻波,纵模)- n为有源区介质折射率;- m为纵模模数,.3 , 2 , 1m相位条件:4.1 光源2mnL 用频率表示:nLcmv2相邻纵模间隔相邻纵模间隔: :nLcv2I=100mAP=10mWI=95mAP=6mWI=80mAP=4mW4.1 光源边模抑制比边模抑制比(SMSR：Side-mode suppression ratio)/(10log)dB(sidemax10IISMSR4.1 光源主纵模与最大边模之间的强度差的量度4.4.激光束的空间分布激光束的空间分布GaAlAs-DH条形激光器近场图样远场图样光强的

16、角分布4.1 光源5.5.激光光功率和量子效激光光功率和量子效率率: :典型的典型的PI曲线曲线阈值电流Ith：开始发射受激发射的电流值。阈值电流与腔的损耗、尺寸、有源区材料和厚度等因素有关。IIth，受激辐射，发出的是相干光4.1 光源4.1 光源量子效率：内量子效率intintL 电极 电流 GaAs GaAs n + p + 解理面 电极 有源区 (受激发射) L 腔内产生辐射的复合对数目与总的复合对数目之比，即注入载流子数腔内辐射光子数int|outeIhPextn4.1 光源L 电极 电流 GaAs GaAs n + p + 解理面 电极 有源区 (受激发射) L 外量子效率ext逸

17、出腔外的光子数与注入的载流子数之比注入载流子数腔外逸出光子数ext典型的典型的PI曲线曲线阈值电流以上时每个电子-空穴对的辐射性复合产生的光子数.实验中通常由P-I曲线的直线部分来计算extmAdImWdPmdIdPEeeIdhPdgextn8065. 0|4.1 光源外微分量子效率d常用于表示激光器的电/光转换效率典型的典型的PI曲线曲线光功率：线性部分|)()(|eIIhPPeIdhPdththdnn)(|thdthIIehvPP4.1 光源斜度效率S：IPS6.6.频率响应频率响应以频率(w=2f)对LD驱动电流I进行调制(叫直接调制), 调制的频率f 受限于PN结有源区中:自发辐射寿命

18、sp受激载流子寿命st辐射的光子寿命ph) 1(1210IIIIfthphspr理论上,调制频率不要超过下面的弛豫振荡频率弛豫振荡频率Ith 和I0分别为阈值电流和偏置电流；I是零增益电流.4.1 光源频率响应频率响应:2222)/(4)/(1 1)0()()(rrOptOptffffPfPfH为阻尼因子4.1 光源rf高速调制下,还要考虑:激光输出与注入电脉冲之间存在一个时间延迟，一般为纳秒量级电光延迟电光延迟:张弛振荡张弛振荡:自脉动自脉动: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。当注入电流增大到某个范围时,输出光光

19、脉冲出现持续等幅的高频振荡.光电延迟光电延迟张弛振荡张弛振荡自脉动自脉动张弛振荡和自张弛振荡和自脉动的结合脉动的结合4.1 光源7.7.温度特性温度特性温度升高时性能下降，阈值电流随温度按指数增长。00expTTIIth4.1 光源4.1 光源半导体激光器多纵模激光器(MLM)单纵模激光器(SLM)分布反馈(DFB)分布布拉格反射(DBR)量子阱(QW)法布里-珀罗(F-P)双异质结(DH)波长可调谐激光器4.1 光源1. 异质结半导体激光器2. 量子限制激光器3. 分布反馈激光器4. 波长可调半导体激光器5. 垂直腔表面发射激光器4.1 光源1. 异质结半导体激光器异质结半导体激光器Lnp光

20、电流Ixyz光np电流ILdpn光w电流IL 同质结构同质结构 双异质结构双异质结构 掩埋双异质结构掩埋双异质结构4.1 光源L 电极 电流 GaAs GaAs n + p + 解理面 电极 有源区 (受激发射) L 同质结构同质结构LD4.1 光源异质结异质结LDdPNN+P+PGaAsGaAsGaAlAsGaAsGaAlAs有源区有源区5%n折折射射率率-+0.1 m4.1 光源InGaAsP双异质结条形激光器的基本结构4.1 光源nInGaAsP是发光的作用区，其上、下两层称为限制层，它们和作用区构成光学谐振腔。限制层和作用层之间形成异质结。 最下面一层nInP是衬底，顶层P+InGaA

21、sP是接触层，其作用是为了改善和金属电极的接触。2. 2. 分布反馈激光器分布反馈激光器(DFB-LD)(DFB-LD)主要有两类4.1 光源DFB-LD结构及其原理结构及其原理4.1 光源 B (nm)0.1nm光光功功率率PN光栅波导区光栅波导区有源区有源区L L光输出光输出L4.1 光源产生动态控制的单纵模激光 B (nm)0.1nm光光功功率率PN光栅波导区光栅波导区有源区有源区L L光输出光输出LBragg反射条件:相邻光栅波纹产生的反射光相干叠加BjnL2折射率衍射级数Bragg波长光栅间距分布式反馈分布式反馈 非常好的单色性和方向性非常好的单色性和方向性4.1 光源PN光栅波导区

22、光栅波导区有源区有源区L L光输出光输出L 理论分析表明，理论分析表明，在完全没有镜面反射在完全没有镜面反射的理想情况下，的理想情况下， DFB激光器的模式不正好激光器的模式不正好是是Bragg波长，而是波长，而是对称的位于对称的位于 B两侧两侧4.1 光源PN光栅波导区光栅波导区有源区有源区L L光输出光输出L4.1 光源nLB2212B1,2由于布拉格光栅只有很小的反射带宽，一般只有零阶模(k0)在光栅的反射带宽内获得反馈。DBR-LD 结构及其原理结构及其原理入射光入射光反射光反射光ABL LPN有源区有源区激话区激话区波纹电介质光栅波纹电介质光栅分布式分布式布拉格反射器布拉格反射器光输

23、出光输出DBR激光器的结构相长干涉BjnL2为介质折射率n4.1 光源3.3.量子限制激光器量子限制激光器* *4.1 光源量子阱量子阱(QW: Quantum Well) -LDAlGaAsAlGaAsGaAsDyDzdxyzEEn= 2n=1EEE321Eg1Eg2Ec Ev g ( )Ed量量子子阱阱状态密度状态密度普普通通LDQW结构原理图量子能级4.1 光源多量子阱多量子阱(MQW: Multiple Quantum Well)- LD量子阱量子阱xzy势垒层势垒层InPInGaAs量子阱量子阱InGaAsP有源层有源层EcEvE隔离层隔离层 多量子阱多量子阱LDLD能级能级4.1

24、光源量子线量子线(QWi: Quantum Wires)-LD能量能量状态密度状态密度多量子线多量子线4.1 光源能量能量状态密度状态密度量子点量子点(QD: Quantum Dots)-LD多量子点多量子点4.1 光源4. 波长可调半导体激光器波长可调半导体激光器*4.1 光源耦合腔波导型耦合腔波导型切开的耦合腔切开的耦合腔(C3: Cleaved Coupled Cavity)LD(C3: Cleaved Coupled Cavity)LD腔模PN 有源区I1I2有源区光输出LD1 m在L段在D段在L+D段4.1 光源耦合腔波导型耦合腔波导型衍射光栅耦合腔衍射光栅耦合腔LDLD光栅PN有源

25、区I可旋转反射器激光输出4.1 光源耦合腔波导型耦合腔波导型多段分布反馈耦合腔多段分布反馈耦合腔LDLDPN布拉格光栅有源段I1I2I3激光输出相位控制段4.1 光源衍射光栅衍射光栅PIC型型(PIC: Photonic Integrated Circuits)光子集成电路Oi9个 SOAPNP0LNL0SOA泵浦电流4.1 光源5. 垂直腔表面发射激光器垂直腔表面发射激光器* (VCSEL, Vertical Cavity Surface Emitting Laser)有源区有源区电极电极电极电极电介电介质镜质镜衬底衬底电介电介质镜质镜+ +表面发射表面发射 /(4/(4n1) )L /(4

26、/(4n2) )ddn1n212z= 0.1 mInGaAsAlGaAsGaAs4.1 光源4.1 光源可任意配置高密度二维激光阵列。可任意配置高密度二维激光阵列。4.1 光源4.1 光源表表3.1 半导体激光器半导体激光器(LD)和发光二极管和发光二极管(LED)的一般性能的一般性能m/nm/)/(4.1 光源光源组件实例1、对于量子效率为1%，峰值波长为850nm，正向电流为50mA的LED，其发光功率为多少？（0.73mW)2、当SLED的辐射功率为100uW，耦合进入一个n1=1.48，n2=1.46的SIF多模光纤，入纤的光功率为多少？（5.88uW)3、本征GaAs半导体的Eg=1

27、.424eV，室温下自由电子进入导带的概率为多少？（1.12*10-12）TkEEEfBfcexp11)(提示：练习题 主要介绍数字光发射机的基本组成、工作特性和主要电路！光源光源放大器放大器光电二光电二极管极管判决器判决器线路线路编码编码驱动驱动电路电路接口接口电路电路HDB3HDB35B6B5B6B光隔光隔离器离器数据数据线路线路编码编码驱动驱动电路电路调制器调制器功控功控温控温控接口接口电路电路HDB3HDB35B6B5B6BAPCAPCATCATC光源光源光隔光隔离器离器直接调制外调制4.2 光发射机光发射机接口电路线路编码驱动电路光源控制电路调制器将电信号整形并完成非归零/归零等码型

28、变换将适合电路传输的双极性码型变换为适合光通信单极性码型提供光源偏置电流及调制电流光通信的信号载波如光源的温度控制和功率控制外调制所用或模拟通信的信号变换4.2 光发射机光发射机线路线路编码编码驱动驱动电路电路功控功控温控温控接口接口电路电路HDB3HDB35B6B5B6BAPCAPCATCATC光源光源光隔离光隔离器器直接调制抽样抽样量化量化编码编码码型变换码型变换PAM量化量化PAMPCMNRZ/RZ/AMI/HDB3m(t)4.2 光发射机光发射机抽样抽样每隔一定时间对模拟信号抽取一个瞬时幅度值脉冲序列信号脉冲幅度调制信号模拟信号PAM)(tm)(tm)(1tm)(tS)(tStttsT

29、抽样门PAM(Pulse amplitude modulation)4.2 光发射机光发射机量化量化将信号幅度按一定的规则离散化。量化方法：)(1tmt量化PAMPAM量化)(2tmt8 . 32 . 10 . 49 . 36 . 28 . 05 . 29 . 213432022四舍五入法舍去法舍去法补足法量化误差：样值量化值)(te量化噪声：由于量化误差使电路中形成的噪声量化级差（量阶）：相邻两个量化值的差4.2 光发射机光发射机编码编码将量化后的PAM信号用一组二进制码组表示三位码编码规则b1(极性),b2b3(幅值)256282833位编码-8个量化级8位编码-256个量化级PCM( P

30、ulse code modulation)PCM编码)(3tmt量化PAM)(2tmt13432020100001101111111111014.2 光发射机光发射机码型码型变换变换为使电端机编码器输出的”0”,”1”单极性码便于在线路上传输,需要进行码型变换.常见的码型有:单极性不归零码单极性不归零码 (NRZ, Non-Return to zero)单极性归零码单极性归零码 (RZ, Return-to-zero),双极性信号交替反转码双极性信号交替反转码 (AMI, Alternate Mark Inversion)3级高密度双极性码级高密度双极性码 (HDB3, High Densit

31、y Bipolar of Order 3)以上码型均称为PCM码4.2 光发射机光发射机t0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 00NRZ单极性,占空比100%Vt0RZ单极性, 占空比50%Vt0AMI双极性, 占空比50%, “1”码极性依次交替VVt0HDB3VV双极性, 占空比50%, 连零抑制码V,B（替代码）4.2 光发射机光发射机t0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 10HDB3HDB3码型的编码规则: HDB3码是连0抑制码 (1) 凡”1”码正负交替; (2) 长连 “0”中的第4个“0”用V码码代替,并与前面

32、的“1”同极性,不符合极性交替规律; (3)凡V码正负交替; (4) 如果两个V码间”1”的个数为偶数,则在4个“0”的第一位用B码码代替,并符合前面的极性交替规律t0VV4.2 光发射机光发射机t0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 00t0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 10t0VVt0VVHDB3编码练习4.2 光发射机光发射机选择码型要求选择码型要求u 从线路码流中容易提取时钟从线路码流中容易提取时钟u 码流中不宜含直流成分，且低频分量尽量少码流中不宜含直流成分，且低频分量尽量少u 码流中高

33、频成分应尽量少码流中高频成分应尽量少u 码间干扰应尽量少码间干扰应尽量少4.2 光发射机光发射机线路线路编码编码接口接口电路电路HDB3HDB35B6B5B6B光源光源光隔光隔离器离器直接调制将适合电路传输的码型(双极性)变换为适合光通信需要的码型(单极性码);增加冗余码,便于误码自检等.三大类:扰码扰码字母型平衡码字母型平衡码(mBnB)插入型码插入型码4.2 光发射机光发射机4.2 光发射机光发射机 能限制信号带宽能限制信号带宽: : 减小功率谱中的高低频分量, 有利于提高光接收机的灵敏度数字光纤通信系统对线路码型的要求数字光纤通信系统对线路码型的要求 能提供足够的定时信息：能提供足够的定

34、时信息： 使“1”码和“0”码的分布均匀， 保证定时信息丰富 能提供一定的冗余码：能提供一定的冗余码： 用于平衡码流、误码监测和公务通信通过扰码器,将原始的二进制码序列加以变换,使其接近于随机序列,从而改善了码流的一些特性.扰码扰码例如： 扰码前： 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 扰码后： 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 4.2 光发射机光发射机字母型平衡码字母型平衡码(mBnB)mBnB为组码, 即将m比特一组码，根据转换原则,在同样长的时间内选择成n比特的一组码代替. nm，一般选取n=m+1。mBnB码有1B2B、3B4B、5B6B、 8B9B、

35、17B18B等。码速提高率码速提高率:%20556BBBhmmn(以5B6B为例)4.2 光发射机光发射机码速变化码速变化:s/100MBitB5B5B5B/1Tf6B5B6T5Ts/120MBitT/1B6B6B码字数字和码字数字和 (WDS):在nB组码中，用“-1”代表“0”码， 用“+1”代表“”码，整个码字的代数和即为WDS。4.2 光发射机光发射机nB码的选择原则码的选择原则:尽可能选择|WDS|小的码字3B4B编码表 4.2 光发射机光发射机4.2 光发射机光发射机mBnB编译码器编译码器有两种编译码电路： 一种是组合逻辑电路组合逻辑电路，就是把整个编译码器都集成在一小块芯片上，

36、组成一个大规模专用集成块， 国外设备大多采用这种方法。 一种是码表存储电路码表存储电路，即把设计好的码表全部存储到一块只读存储器(PROM)内而构成，国内设备一般采用这种方法。4.2 光发射机光发射机3B4B3B4B码编码器工作原理码编码器工作原理并串PROMB1B2B3B4b1b2b3串并组别变换ABC变前时钟已变换的输出4B码流变换时钟待变换输入3B信号码流5B6B5B6B编码器原理图编码器原理图 串并变换EPROM10分频sMbitBSi/264.139)5( 5并串变换sMbitBSo/1168.167)6( 缓存器6512分频环路滤波压控振荡鉴频鉴相MHzfi264.139 MHzf

37、o1168.167 6/of5/if4.2 光发射机光发射机插入型码插入型码把输入二进制原始码流分成每m比特一组，然后在每组mB码末尾按一定规律插入一个码，组成m+1个码为一组的线路码流。典型的有:mB1C码:mB1H码:mB1P码:插入1bit补码C (Compensation)插入1bit混合码H ( Hybrid)插入1bit奇偶校验码P (Parity)4.2 光发射机光发射机4.2 光发射机光发射机mB1C码的结构：码的结构：C码的作用码的作用：引入冗余码，可以进行在线误码率监测， 同时改善了“0”码和“1”码的分布，有利于定时提取。mB1C码码mB码为： 100 110 001 1

38、01mB1C码为： 1001 1101 0010 1010mBCmBCmBCC插入的C码是第 m 比特的反码，例如：4.2 光发射机光发射机mB1H码码混合码指插入的比特不是单一的用途而是多用途，也就是说交替插入反码( C )、帧同步码( F )、公务码( S )、监控码( M ) 和区间通信码等mB1H码的结构：码的结构：mBCmBCmBCCHHHH优点优点: 码速提高不大，误码增值小, 可以实现在线误码检测、区间通信和辅助信息传输。 缺点缺点: 码流的频谱特性不如mBnB码4.2 光发射机光发射机mB1P码码mB1P码的结构：码的结构：mBCmBCmBCCPPPP插入的是奇偶校验码若是若是

39、偶校验偶校验，则（m+1）码中“1”的个数为偶数，即当 mB 码字中“ 1 ”的个数为奇数时，则插入“ 1 ” ；若“ 1 ”的个数为偶数时，则插入“ 0 ”若是若是奇校验奇校验，则（m+1）码中“1”的个数为奇数，。线路线路编码编码接口接口电路电路HDB3HDB35B6B5B6B光源光源光隔离光隔离器器直接调制提供光源偏置电流及调制电流.LED驱动电路驱动电路LD驱动电路驱动电路4.2 光发射机光发射机LED驱动电路驱动电路LED数字调制原理LED是自发辐射器件，注入电流即会发光，可以不需要直流偏置调整电路。常用驱动电路常用驱动电路:LED集成元件驱动电路集成元件驱动电路LED单管驱动电路单

40、管驱动电路LED射极耦合驱动电路射极耦合驱动电路4.2 光发射机光发射机LED集成元件驱动电路集成元件驱动电路利用TTL 集成元件构成，电阻R 来限制LED 的驱动电流，电容C 为加速电容，以便得到相应速率响应的光脉冲信号波形CRCCViSLED4.2 光发射机光发射机LED单管驱动电路单管驱动电路u 晶体管的集电极电流提 供 LED的驱动电流。u 当高脉冲到来时，晶体管饱和导通，LED发光；u 当低电平到来时，晶体管截止，LED 不发光。u 集电极电阻 R2 为限流电阻，R1和C并联组成加速电路，用以提高开关速度.C2RCCViSLED1RVT4.2 光发射机光发射机LED射极耦合驱动电路射

41、极耦合驱动电路C2RCCViSLED1RVT1VT2BBVu 当输入端Si 为“1” 时，VT1导通，VT2截止，没有电流流过LED，LED 不发光；u Si 为“0” 时，VT2 导通，VT1 截止，电流流过LED而使其发光,VBB为参考电平.4.2 光发射机光发射机LD驱动电路驱动电路LD 数字调制原理图数字调制原理图LD 器件是利用在其有源区中受激发射的器件，只有在工作电流超过阈值电流的情况下才会输出激光，因而是有阈值器件。常用驱动电路常用驱动电路:LD单管驱动电路单管驱动电路LD射极耦合驱动电路射极耦合驱动电路4.2 光发射机光发射机LD单管驱动电路单管驱动电路CcRCCViSLDbR

42、VTbIEEV1CmbII 晶体管VT 工作在开关状态 调制信号加于基极 VT 通过集电极提供LD 的调制电流Im Ib为LD 提供静态偏置电流。4.2 光发射机光发射机LD射极耦合驱动电路（本教材，刘增基编，射极耦合驱动电路（本教材，刘增基编，p82）当信号为“0”码时，V1基极电位比VBB高而抢先导通，V2截止， LD不发光；当信号为“”码时，V1基极电位比VBB低， V2抢先导通，驱动LD发光。射极耦合电路为恒流源，电流噪声小，这种电路的缺点是动态范围小，功耗较大。4.2 光发射机光发射机V2V1Ib电流源Io-UEUinLDUBBUEC4.2 光发射机光发射机（光纤通信，（光纤通信，邱

43、昆等编著，邱昆等编著，2008，p60）LD射极耦合驱动电路射极耦合驱动电路4.2 光发射机光发射机LD调制特性调制特性调制原理CcRCCViSLDbRVTbIEEV1CmbII 调制电路4.2 光发射机光发射机调制特性调制特性高速脉冲调制下电光延迟张弛振荡电脉冲自脉动一般情况电脉冲光脉冲4.2 光发射机光发射机产生机理：产生机理：电流注入时先对导带底部的能级进行电子填充，需要一定的时间使得源区电子密度超过某一阈值方能产生激光输出。现象现象: : 激光器输出光脉冲与注入电脉冲之间存在延迟4.2 光发射机光发射机调制特性调制特性-电光延迟电光延迟危害：危害：限制调制速率解决方法：解决方法：加直流预偏置电光延迟张弛振荡电脉冲4.2 光发射机光发射机当电光延迟时间td与数字调制的码元持续时间T/2为相同数量级时，会使“0”码过后的第一码过后的第一个个“1码的脉冲宽度变码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重窄，幅度减小，严重时可能使单个时可能使单个“”码丢失，码丢失， 这种现象称为“码型效应码型效应”电光延迟产生码型效应码型效应1 2电脉冲光脉冲2ns5ns2ns码型效应（a) 、(b)码型效应波形；（c）改善后波形(a)(b)(c)产生机理：产生机理：在输出光脉冲达到稳