辅助阅读材料 第四章光波的调制 若调制电信号为二进制的数字信号，则对应的调制可统称为数字调制，对光 波不同物理量调制后光载波的波形如图4.6所示。 0 强度 调制 调幅 调相 调频 图4.6光波数字调制 4.1.5脉冲编码调制 这种调制是把模拟信号先变成电脉冲序列，进而变成代表信号信息的二进制 编码，再对光载波进行强度调制。要实现脉冲编码调制，必须进行三个过程：取 样、量化和编码。 (1)取样。取样就是把连续信号波分割成不连续的脉冲波，用一定的脉冲 列来表示，且脉冲列的幅度与信号波的幅度相对应。按照取样定理，只要取样频 率比所传递信号的最高颜率大两倍以上，就能恢复原信号。 (2)量化。量化就是把取样后的脉幅调制波进行分级取“整”处理，用有 限个数的代表值取代取样值的大小。经取样再通过量化过程变成数字信号。 (3)编码。编码是把量化后的数字信号变换成相应的二进制码的过程。即 用一组等幅度、等宽度的脉冲作为“码子”，用“有”脉冲和“无”脉冲分别表 示二进制数码的“1”和“0”。再将这一系列反映数字信号规律的电脉冲加到一 个调制器上，以控制激光的输出，由激光载波光功率的极大值代表二进制编码的 “1”,而用激光载波的零值代表“0”。这种调制方式具有很强的抗干扰能力，在 数字激光通信中得到了广泛的应用。 6
辅助阅读材料 第四章 光波的调制 若调制电信号为二进制的数字信号，则对应的调制可统称为数字调制，对光 波不同物理量调制后光载波的波形如图 4.6 所示。 图 4.6 光波数字调制 4.1.5 脉冲编码调制 这种调制是把模拟信号先变成电脉冲序列，进而变成代表信号信息的二进制 编码，再对光载波进行强度调制。要实现脉冲编码调制，必须进行三个过程：取 样、量化和编码。 （1）取样。取样就是把连续信号波分割成不连续的脉冲波，用一定的脉冲 列来表示，且脉冲列的幅度与信号波的幅度相对应。按照取样定理，只要取样频 率比所传递信号的最高频率大两倍以上，就能恢复原信号。 （2）量化。量化就是把取样后的脉幅调制波进行分级取“整”处理，用有 限个数的代表值取代取样值的大小。经取样再通过量化过程变成数字信号。 （3）编码。编码是把量化后的数字信号变换成相应的二进制码的过程。即 用一组等幅度、等宽度的脉冲作为“码子”，用“有”脉冲和“无”脉冲分别表 示二进制数码的“1”和“0”。再将这一系列反映数字信号规律的电脉冲加到一 个调制器上，以控制激光的输出，由激光载波光功率的极大值代表二进制编码的 “1”，而用激光载波的零值代表“0”。这种调制方式具有很强的抗干扰能力，在 数字激光通信中得到了广泛的应用。 6
辅助阅读材料 第四章光波的调制 尽管光束的调制方式不同，但其调制原理都是基于电光、声光、磁光等物理。 4.2直接调制 直接调制是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源（激光二极管 LD或半导体发光二极管LED),从而获得调制光信号。由于它是在光源内部进 行的，因此又称为内调制。它是目前光纤通信系统普遍采用的实用化调制方法。 根据调制信号的类型，直接调制又可以分为模拟调制和数字调制两种。前者是用 连续的模拟信号（如电视、语音等信号）直接对光源进行光强度调制，后者是用 脉冲编码调制的数字信号对光源进行强度调制。 4.2.1半导体激光器(LD)直接调制的原理 半导体激光器是电子与光子相互作用并进行能量直接转换的器件。图4.7给 出了砷镓铝双异质结注入式半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系曲线。 半导体激光器有一个阀值电流L,当驱动电流小于1，是，激光器基本上不发光或 只发很微弱、谱线宽度很宽、方向性较差的荧光：当驱动电流大于I,时，开始发 射激光，此时谱线宽度、辐射方向显著变窄，强度大幅增加，且随驱动电流的增 加呈显现增长，如图4.8所示。由图4.7可以看到发射激光的强弱直接与驱动电 流的大小有关。若把调制信号加到激光器电源上，就可以直接改变（调制）激光 器输出光信号的强度。由于这种调制方式简单，能工作在高频，并能保证良好的 线性工作区和带宽，因此在光纤通信、光盘和光复印等方面有广泛应用。 动电0而 950 1050 被长m) 图4.7半导体激光的PI特性曲线 图4.8半导体激光器的光谱特性
辅助阅读材料 第四章 光波的调制 尽管光束的调制方式不同，但其调制原理都是基于电光、声光、磁光等物理。 4.2 直接调制 直接调制是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源（激光二极管 LD 或半导体发光二极管 LED），从而获得调制光信号。由于它是在光源内部进 行的，因此又称为内调制。它是目前光纤通信系统普遍采用的实用化调制方法。 根据调制信号的类型，直接调制又可以分为模拟调制和数字调制两种。前者是用 连续的模拟信号（如电视、语音等信号）直接对光源进行光强度调制，后者是用 脉冲编码调制的数字信号对光源进行强度调制。 4.2.1 半导体激光器（LD）直接调制的原理 半导体激光器是电子与光子相互作用并进行能量直接转换的器件。图 4.7 给 出了砷镓铝双异质结注入式半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系曲线。 半导体激光器有一个阈值电流 ，当驱动电流小于 是，激光器基本上不发光或 只发很微弱、谱线宽度很宽、方向性较差的荧光；当驱动电流大于 时，开始发 射激光，此时谱线宽度、辐射方向显著变窄，强度大幅增加，且随驱动电流的增 加呈显现增长，如图 4.8 所示。由图 4.7 可以看到发射激光的强弱直接与驱动电 流的大小有关。若把调制信号加到激光器电源上，就可以直接改变（调制）激光 器输出光信号的强度。由于这种调制方式简单，能工作在高频，并能保证良好的 线性工作区和带宽，因此在光纤通信、光盘和光复印等方面有广泛应用。 t I t I t I 图 4.7 半导体激光的 P-I 特性曲线 图 4.8 半导体激光器的光谱特性 7
辅助阅读材料 第四章光波的调制 图4.9给出了半导体激光器调制原理以及输出光功率与调制信号的关系曲 线。为获得线性调制，使工作点处于输出特性曲线的直线部分，须在加调制信号 电流的同时加一适当的直流偏置电流1。，这样就可以使输出的光信号不失真。但 须注意要把调制信号源和直流偏置隔离，避免直流偏置源对调制信号源产生影 响。当频率较低时，可用电容和电感线圈串接来实现：当频率很高(>50MHz) 时，则必须采用高通滤波电路。此外，偏置电源直接影响LD的调制特性，通常 应选择1，在阅值电流附近，这样LD可获得较高的调制速率。因为在这种情况下 LD连续发射光信号不需要准备时间（即延迟时间很小），其调制速率不受激光器 中载流子平均寿命的限制，同时也会抑制张弛振荡。但！。选的太大又会使激光器 的消光比变差，所以在选择偏置电流时要综合考虑其影响。 出光强信可 )调制信号 直流偏置 调制信号 (a)电原理图 (化)调制特性曲线 图4.9半导体激光器 半导体激光器处于连续工作状态时，无论有无调制信号，由于有直流偏置， 所以功耗较大，引起结区温度上升，会影响或破坏器件的正常工作。双异质结激 光器的出现，使激光器的闵值电流比同质结大大降低，可以在室温下异连续调制 方式工作 4.2.2半导体发光二极管(LED)的调制特性 半导体发光二极管由于不是阀值器件，它的输出光功率不像半导体激光器那 样会随注入电流的变化而发生突变，因此LED的PI特性曲线的线性比较好。 图4.10给出了LED与LD的P-I特性曲线的比较，其中LED1、LED2是正面发 光型LED,LED3、LED4是端面发光型LED。可见LED的P-I特性曲线明显优
辅助阅读材料 第四章 光波的调制 图 4.9 给出了半导体激光器调制原理以及输出光功率与调制信号的关系曲 线。为获得线性调制，使工作点处于输出特性曲线的直线部分，须在加调制信号 电流的同时加一适当的直流偏置电流 ，这样就可以使输出的光信号不失真。但 须注意要把调制信号源和直流偏置隔离，避免直流偏置源对调制信号源产生影 响。当频率较低时，可用电容和电感线圈串接来实现；当频率很高（>50MHz） 时，则必须采用高通滤波电路。此外，偏置电源直接影响 LD 的调制特性，通常 应选择 在阈值电流附近，这样 LD 可获得较高的调制速率。因为在这种情况下， LD 连续发射光信号不需要准备时间（即延迟时间很小），其调制速率不受激光器 中载流子平均寿命的限制，同时也会抑制张弛振荡。但 选的太大又会使激光器 的消光比变差，所以在选择偏置电流时要综合考虑其影响。 b I b I b I （a）电原理图 (b) 调制特性曲线 图 4.9 半导体激光器 半导体激光器处于连续工作状态时，无论有无调制信号，由于有直流偏置， 所以功耗较大，引起结区温度上升，会影响或破坏器件的正常工作。双异质结激 光器的出现，使激光器的阈值电流比同质结大大降低，可以在室温下异连续调制 方式工作。 4.2.2 半导体发光二极管（LED）的调制特性 半导体发光二极管由于不是阈值器件，它的输出光功率不像半导体激光器那 样会随注入电流的变化而发生突变，因此 LED 的 P-I 特性曲线的线性比较好。 图 4.10 给出了 LED 与 LD 的 P-I 特性曲线的比较，其中 LED1、LED2 是正面发 光型 LED，LED3、LED4 是端面发光型 LED。可见 LED 的 P-I 特性曲线明显优 8
辅助阅读材料 第四章光波的调制 于LD,所以它在模拟光通信系统中得到广泛应用。但在数字光纤通信系统中， 因为LED不能获得很高的调制速率(<1 O0Mb/s)而受到限制。 16 LED LD LED D LED -LED, 1(mA) 图4.10LED与LD的PI特性曲线比较 4.2.3半导体光源的模拟调制 无论是使用LD或LED作光源，都要施加偏置电流，使其工作点处于LD或 LED的P特性曲线的直线段，如图4.11所示。 +Ec LED立 已调光波 (a)驱动电路 (b)LED工作特性 图411模拟信号驱动电路激光强度调制 4.2.4半导体光源的脉冲编码数字调制 如前所述，数字调制是用二进制数字信号“1”和“0”码对光源发出的光波 进行调制。而数字信号大都采用脉冲编码调制，即先将连续的模拟信号通过“取 样”变成一组调幅的脉冲序列，再经过“量化”和“编码”过程，形成一组等幅 9
辅助阅读材料 第四章 光波的调制 于 LD，所以它在模拟光通信系统中得到广泛应用。但在数字光纤通信系统中， 因为 LED 不能获得很高的调制速率（<100Mb/s）而受到限制。 图 4.10 LED 与 LD 的 P-I 特性曲线比较 4.2.3 半导体光源的模拟调制 无论是使用 LD或LED作光源，都要施加偏置电流Ib，使其工作点处于LD或 LED的P-I特性曲线的直线段，如图 4.11 所示。 (a) 驱动电路 (b) LED 工作特性 图 4.11 模拟信号驱动电路激光强度调制 4.2.4 半导体光源的脉冲编码数字调制 如前所述，数字调制是用二进制数字信号“1”和“0”码对光源发出的光波 进行调制。而数字信号大都采用脉冲编码调制，即先将连续的模拟信号通过“取 样”变成一组调幅的脉冲序列，再经过“量化”和“编码”过程，形成一组等幅 9
辅助阅读材料 第四章光波的调制 度的矩形脉冲作为“码元”，结果将连续的模拟信号变成了脉冲编码数字信号。 然后，再用脉冲编码数字信号对光源进行强度调制，其调制特性曲线如图4.12 所示。 由于数字光通信的突出优点，所以其有很好的应用前景。首先因为数字光信 号在信道传输过程中引入的噪声和失真，可采用间接中继器的方式去掉，故抗干 扰能力强：其次对数字光纤通信系统的线性要求不高，可充分利用光源(LD) 的发光功率；第三数字光通信设备便于和脉冲编码电话终端、脉冲编码数字彩色 电视终端、电子计算机终端相连接，从而组成既能传输电话、彩色电视，又能传 输计算机数据的多媒体综合通信系统 Pou (a)加I6后LD数字调制特性(b)LED数字调制特性 图4.12数字调制特性 8.3半导体激光器的直接调制特性研究 8.3.1调制特性 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 会出现一些复杂现象。 1、电光延迟和张弛振荡现象 半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光脉冲瞬态响应波形如图4.13所示。 输出光脉冲和注入电脉冲之间存在一个初始时间延迟，称为光电延迟时间，其。 数量级一般为s。当电脉冲输入激光后，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振 荡，称为张弛振荡，其振荡频率一般为0.5-2GHz。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。 张弛振荡和电光延迟的后果是限制速率。当最高调制频率接近张弛振荡频率
辅助阅读材料 第四章 光波的调制 度的矩形脉冲作为“码元”，结果将连续的模拟信号变成了脉冲编码数字信号。 然后，再用脉冲编码数字信号对光源进行强度调制，其调制特性曲线如图 4.12 所示。 由于数字光通信的突出优点，所以其有很好的应用前景。首先因为数字光信 号在信道传输过程中引入的噪声和失真，可采用间接中继器的方式去掉，故抗干 扰能力强；其次对数字光纤通信系统的线性要求不高，可充分利用光源（LD） 的发光功率；第三数字光通信设备便于和脉冲编码电话终端、脉冲编码数字彩色 电视终端、电子计算机终端相连接，从而组成既能传输电话、彩色电视，又能传 输计算机数据的多媒体综合通信系统。 (a) 加 I b 后 LD 数字调制特性 (b) LED 数字调制特性 图 4.12 数字调制特性 8.3 半导体激光器的直接调制特性研究 8.3.1 调制特性 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 会出现一些复杂现象。 1、 电光延迟和张弛振荡现象 半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光脉冲瞬态响应波形如图 4.13 所示。 输出光脉冲和注入电脉冲之间存在一个初始时间延迟，称为光电延迟时间，其 数量级一般为 ns。当电脉冲输入激光后，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振 荡，称为张弛振荡，其振荡频率一般为 0.5~2GHz。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。 dt 张弛振荡和电光延迟的后果是限制速率。当最高调制频率接近张弛振荡频率 10