构成一个光纤通信系统，可分为三大部分，即光发射部分、传输部分及光接收部分。上面一节介绍了光传输部分，包括光纤的传光原理以及光缆，本节主要介绍光发射部分和光接收部分。光端机是光发射机和光接收机的总称，因为在双向通信系统中，每端都必须有光发射机和光接收机，故通称为光端机。光发射机的作用是在发射端将电信号转变成适合于在光纤中传输的光信号，光接收机的作用是在接收端将接收到的光信号转变成电信号，再经放大和处理。

在光端机中实现电光和光电变换的主要部件是光电器件，即光发射机的光源、光接收机的光电检测器。在光纤通信中最常采用的是半导体光源和检测器，它们具有体积小、效率高、可靠性好、工作波长与光纤低损耗窗口相对应、便于与光纤耦合、调制或响应速率高等优点。

（一）光源

光源器件是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。光纤通信系统对光源的基本要求为：稳定性好，可在室温下连续工作。尺寸和结构要小。光波应匹配光纤的两个低损耗波段。信号调制容量大。

光纤通信系统的光源不是普通的光源，而是采用激光光源。激光就是在原子、分子体系内，通过受激辐射，使得光放大而产生一种新型的光，它是由专门的激光器产生的。选择激光作为光源有诸多优点。

1．激光频率纯

只有频率很纯的相干波才适合作信号的载波。普通的光源发出的光成分十分复杂，它包括许多频率（各种颜色）的可见光，还可能含有频率更高的紫外线和频率比它低的红外线。这种杂乱无章的光波，是不适合作为信号载波的。

2．色散小

前面已经介绍到，对于不同频率的光，在光纤中的传播速度是不一样的，从而到达接收端的时间不同，使光信号的形状发生了失真，这种“色散”现象会影响电信容量。而激光的频率很单纯，由色散引起信号失真很小，容量就可以增大。

3．激光方向性好

一般光是向四面八方散射的，而激光是沿单一方向发光，可以形成很好的平行光束，传输一千米的距离，光束只扩散十多厘米，若把激光光束照到38万千米远的月球上，其光点的直径也只不过是两千米左右。由于光束能集中到很小的面积上，能量也高度集中，激光器每平方厘米的输出功率可达109w，其光束亮度比太阳光亮度高百亿倍。这对光纤通信来说，便于把光波耦合到直径很小的光纤内芯中去，传输距离可以远些，在长距离通信中，则中继距离可以加大。

（二）光源器件

光纤通信中常用的光源器件有半导体激光器和半导体发光二极管两种。

半导体激光器（LaserDiode，LD）由3部分构成：激励源、工作物质及谐振腔。它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。它的特性：极窄的光谱带宽；极大的调制容量；有定向输出特性；辐射具有光相干特性。

半导体发光二极管（Light Emitting Diode，LED）基本应用GaAIAs和InGaAsP材料，以覆盖整个光纤通信系统使用波长范围，典型值为0.85ym、1.31ym及1.55/Lm。适用于短距离、低码速的数字光纤通信系统，或者是模拟光纤通信系统，为非相干的自发辐射，其结构瓣工作方式简单，制造工艺简单，成本低，可靠性好。按照器件输出光的方式，可以将发光二极管分为3种类型结构：表面发光二极管、边发光二极管及超辐射发光二极管。

半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。

讨论激光器工作原理首先由受激辐射开始。

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E，称为基态。能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带。

受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。

2．激光振荡和光学谐振腔的结构

粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。在增益物质两端，适当的位置，放置两个反射镜M 1、M 2，使其互相平行，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，则称为共心腔。

当工作物质在泵浦源的作用下，变为激活物质以后，即有了放大作用，如果被放大的光有一部分能够反馈回来再参加激励，这就相当于电路中用正反馈实现振荡，这时，被激励的光就可产生振荡，满足一定条件后，即可发出激光。其中使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，称为泵浦源。(www.daowen.com)

在泵浦源激发下，处于粒子数反转分布状态的工作物质，置于光学谐振腔内，腔的轴线应该与激活物质的轴线重合。被放大的光在谐振腔内，在两个反射镜之间来回反射，并不断地激发出新的光子，进一步进行放大。但在这个运动过程中也要消耗一部分能量（不沿谐振腔轴向传输的光波，会很快射出腔外，以及M 2反射镜的透射等也会损耗部分能量），当放大足以抵消腔内的损耗时，就可以使这种运动不停地进行下去，即形成光振荡。当满足一定条件后，就会从反射镜M 2透射出来一束笔直的强光，即是激光。

3．激光器的参量

（1）发射波长和光谱特性。

半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度，由于不同的半导体材料有不同的禁带宽度巨，因而有不同的发射波长。

（2）平均衰减系数。

在光学谐振腔内产生振荡的先决条件是：放大的光能要足以抵消腔内的损耗。而谐振腔内损耗的大小，通常用平均衰减系数a表示。

（三）光电检测器

光电检测器（Optoelectronicdetector）是光接收机的核心器件，完成光/电信号的转换。对光电检测器的基本要求如下。

（1）在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流。

（2）具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统。

（3）具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响。

（4）具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真。

（5）具有较小的体积、较长的工作寿命等。

光电检测器由半导体材料制成，当光照射到其表面时，价带中的电子吸收光子，获得能量的电子跃迁到导带，同时在价带中留下了空穴。在外加偏置电压的情况下，电子空穴对的运动形成了电流，这个电流常称为光生电流。

目前常用的半导体光电检测器有两种：光电二极管（PD）和雪崩光电二极管（APD）。

1．光电二极管

光电二极管（PD）是一个工作在反向偏压下的PN结二极管，它的工作原理可以用光电效应来解释。

当PN结上加有反向偏压时，外加电场的方向和空间电荷区里的电场的方向相同，外电场使势垒加强。由于光电二极管加有反向电压，因此在空间电荷区里载流子基本上耗尽了，这个区域称为耗尽区。

当光束入射到PN结上，且光子能量肌，大于半导体材料的禁带宽度E。时，价带上的电子可以吸收光子而跃迁到导带，结果产生一个电子—空穴对。如果发光的电子—空穴对在耗尽区里产生，那么在电场的作用下，电子将向N区漂移，而空穴将向P区漂移，从而形成光生电流。当入射光功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转换成电流信号。

2．雪崩光电二极管

与光电二极管不同，雪崩光电二极管（APD）在结构设计上已考虑到使它能承受高反向偏压，从而在PN结内部形成一个高电场区。光生的电子或空穴经过高场区时被加速，从而获得足够的能量，它们在高速运动中与晶格碰撞，使晶体中的原子电离，从而激发出新的电子—空穴对，这个过程称为碰撞电离。通过碰撞电离产生的电子一空穴对称为二次电子—空穴对。