1、 第第 4 章章 光端机光端机 4.1 光发射机光发射机 4.2 光接收机光接收机 4.3 线路编码线路编码返回主目录4.1 光发射机光发射机 数字光发射机数字光发射机的的功能功能: 电端机输出的数字基带电端机输出的数字基带信号转换为信号转换为信号信号 用耦合技术用耦合技术光纤线路光纤线路 用数字电信号对光源进行用数字电信号对光源进行 调制分为调制分为直接调制直接调制和和外调制外调制两种方式两种方式l 输出光信号输出光信号pItIin输入电信号输入电信号pI（a） LED数字调制原理输出光信号输出光信号输入电信号输入电信号IinIthIb(b) LD的数字调制原理 当激光器的驱动电流大于阈值电
2、流当激光器的驱动电流大于阈值电流Ith时，时， 输出光功率输出光功率P和驱动电流和驱动电流I基本上是基本上是输出输出和和成正比成正比，输出光信号反映输入电信号输出光信号反映输入电信号 4.1.1 光发射机基本组成光发射机基本组成 数字光发射机数字光发射机的方框图如图4.2所示，主要有光光源源和电路电路两部分。 光源光源是实现电/光转换的关键器件，在很大程度上决定着光发射机的性能。 电路的设计应以为依据，使准确反映 1. 光源光源 (1) 发射的光波长应和光纤低损耗发射的光波长应和光纤低损耗“窗口窗口”一致，一致，即中心波长应在即中心波长应在0.85 m、 1.31 m和和1.55 m附近。附近
3、。 光谱单色性要好，光谱单色性要好， 即谱线宽度要窄即谱线宽度要窄， 以减小光纤以减小光纤色散对带宽的限制。色散对带宽的限制。 (2) 要高，即要求在足够低的驱动电要高，即要求在足够低的驱动电流下，流下， 有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。 发射光束的发射光束的，即远场的辐射角要小，即远场的辐射角要小，以利于提高光源与光纤之间的以利于提高光源与光纤之间的。 (3) 调制速率要高或响应速度要快调制速率要高或响应速度要快， 以满以满足系统的大传输容量的要求。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，器件应能在常温下以连续波方
4、式工作， 要求要求温度稳定性好，温度稳定性好， 可靠性高，寿命长。可靠性高，寿命长。 (5) 此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。便，价格便宜。 以上各项中，以上各项中，调制速率、谱线宽度、输出光功率调制速率、谱线宽度、输出光功率和光束方向性和光束方向性，直接影响光纤通信系统的传输容量和，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。传输距离，是光源最重要的技术指标。2. 调制电路和控制电路调制电路和控制电路 直接光强调制的数字光发射机主要电路有主要电路有:调制电调制电路、控制电路和线路编码电路路、控制电路和线路编码
5、电路。 采用作光源时，还有。 对调制电路和控制电路的要求如下： (1) 输出光脉冲的通断比通断比(全“1”码平均光功率和全“0”码平均光功率的比值，或消光比的倒数)应大于应大于10，以保证足够的光接收信噪比。 (2) 输出光脉冲的宽度应远大于输出光脉冲的宽度应远大于， 光脉冲的上升时间、下降时间和开通延迟光脉冲的上升时间、下降时间和开通延迟时间应足够短，以便在高速率调制下，输出的光脉冲时间应足够短，以便在高速率调制下，输出的光脉冲能准确再现输入电脉冲的波形。能准确再现输入电脉冲的波形。 (3) 对激光器应施加足够的偏置电流对激光器应施加足够的偏置电流，以便抑制在，以便抑制在较高速率调制下可能出
6、现的张弛振荡，保证发射机正较高速率调制下可能出现的张弛振荡，保证发射机正常工作。常工作。 (4) 应采用应采用自动功率控制自动功率控制(APC)和和自动温度控制自动温度控制(ATC)， 以保证输出光功率有足够的稳定性。以保证输出光功率有足够的稳定性。 3. 线路编码电路线路编码电路 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，码，而光源不能发射负脉冲， 要变换为适合于光纤要变换为适合于光纤传输的传输的。4.1.2 调制特性调制特性 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许多复杂现象，如常见的电光
7、延迟电光延迟、 张弛振荡张弛振荡和自脉动现象自脉动现象。 这些特性严重限制系统传输速率和通信质量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。1. 现象现象 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4.3所示。 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td，其数量级一般为 ns。 当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡， 称为，其振荡频率fr(=r/2)一般为0.52 GHz。 这些特性与激光器有源区的和以及有关。 图 4.3 光脉冲瞬态响应波形 和和的后果是的后果是。 当最高调制频率接近张弛振荡频率时，波形失真当最高调制频
8、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，因此实际使用的实际使用的。 td要产生要产生码型效应码型效应。 当电光延迟时间当电光延迟时间td与数字调制的码元持续时间与数字调制的码元持续时间T/2为相同数量级时，会使为相同数量级时，会使“0”码过后的第一个码过后的第一个“1码的码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个“”码丢失，码丢失， 这种现象称为这种现象称为“码型效应码型效应”。 如图如图4.4，在两个接连出现的，在两个接连出现的“1”码中，第一个码中，第一个脉冲到来前，有较
9、长的连脉冲到来前，有较长的连“0”码，码， 由于电光延迟时由于电光延迟时间长和光脉冲上升时间的影响，因此脉冲变小。间长和光脉冲上升时间的影响，因此脉冲变小。 第二个脉冲到来时，由于第一个脉冲的电子复合第二个脉冲到来时，由于第一个脉冲的电子复合尚未完全消失，有源区电子密度较高，因此电光延迟尚未完全消失，有源区电子密度较高，因此电光延迟时间短，时间短， 脉冲较大。脉冲较大。 “码型效应码型效应”的的特点是：特点是：在脉冲序列中较长的连在脉冲序列中较长的连“0”码后出现的码后出现的“1”码，其脉冲明显变小，而且连码，其脉冲明显变小，而且连“0”码数码数目越多，调制速率越高，这种效应越明显。用适当的目
10、越多，调制速率越高，这种效应越明显。用适当的“过调制过调制”补偿方法，补偿方法， 可以消除码型效应，见图可以消除码型效应，见图4.4(c)所示。所示。 1 2电脉冲光脉冲2ns5ns2ns 图4.4 码型效应（a) 、(b)码型效应波形；（c）改善后波形(a)(b)(c)21)1(1thphspjjw(4.1)jjthspo2(4.2)thspdjjjtln(4.3) 式中，式中，o是张弛振荡幅度衰减到初始值的是张弛振荡幅度衰减到初始值的1/e的时间，的时间，j和和jth分分别为别为注入电流密度注入电流密度和和阈值电流密度阈值电流密度。sp和和ph分别为分别为电子自发复合电子自发复合寿命寿命和
11、和谐振腔内光子寿命谐振腔内光子寿命。在典型的激光器中，。在典型的激光器中，sp10-9s,ph10-12s，即，即spph。通过通过LD速率方程组的瞬态解得到的速率方程组的瞬态解得到的张弛振荡频率张弛振荡频率r及及其其幅度衰减时间幅度衰减时间o和和电光延迟时间电光延迟时间td的表达式为：的表达式为： (1) 张弛振荡频率张弛振荡频率r随随sp、ph的的减小而增加减小而增加，随，随j的的增加而增加增加而增加。这个振荡频率决定了。这个振荡频率决定了LD的最高调制频的最高调制频率。率。 (2) 张弛振荡幅度衰减时间张弛振荡幅度衰减时间o与与sp为为相同数量级相同数量级，并随并随j的的增加而减小增加而
12、减小。 (3) 电光延迟时间电光延迟时间td与与sp为为相同数量级相同数量级，并随，并随j的的增增加而减小加而减小(jjth)。 由此可见由此可见，增加注入电流，增加注入电流j，有利于提高张弛振荡，有利于提高张弛振荡频率频率r，减小其幅度衰减时间，减小其幅度衰减时间o，以及减小电光延迟，以及减小电光延迟时间时间td，因此对，因此对LD施加偏置电流是非常必要的。施加偏置电流是非常必要的。 2. 自脉动现象 某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，当注入电流达到某个范围时，输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡，这种现象称为自脉动现象，如图4.5所示。 自脉动频率可达2GHz，严重影响LD的高速调制特性。
13、电脉冲光脉冲图4.5 激光器自脉冲动现象 自脉动现象自脉动现象是激光器内部不均匀增益或不均匀吸是激光器内部不均匀增益或不均匀吸收产生的，收产生的， 往往和往往和LD的的P - I曲线的非线性有关曲线的非线性有关, 自脉自脉动发生的区域和动发生的区域和P - I曲线扭折区域相对应。曲线扭折区域相对应。 4.1.3 调制电路和自动功率控制调制电路和自动功率控制 数字信号调制电路应采用电流开关电路，数字信号调制电路应采用电流开关电路， 最常用的最常用的是是差分电流开关电路差分电流开关电路。 图图4.6示出由三极管组成的示出由三极管组成的，这种，这种简单的驱动电路主要用于以发光二极管简单的驱动电路主要
14、用于以发光二极管LED作为光源的作为光源的光发射机。光发射机。 图图 4.6 共发射极驱动电路共发射极驱动电路 UCR2LEDC1R1UinV 这种驱动电路适用于这种驱动电路适用于10 Mb/s以下的低速率系统，以下的低速率系统，更高速率系统应采用差分电流开关电路。更高速率系统应采用差分电流开关电路。 数字信号数字信号Uin从三极管从三极管V的基极输入，通过集电极的的基极输入，通过集电极的电流驱动电流驱动LED。 数字信号数字信号“0”码和码和“1”码对应于码对应于V的的截止和饱和状截止和饱和状态态，电流的大小根据对输出，电流的大小根据对输出光信号幅度的要求确定。光信号幅度的要求确定。 图图4
15、.7是常用的是常用的射极耦合驱动电路射极耦合驱动电路，适合于激光器系，适合于激光器系统使用。电流源为由统使用。电流源为由V1和和V2组成的差分开关电路，它提组成的差分开关电路，它提供了恒定的偏置电流。供了恒定的偏置电流。图图 4.7 射极耦合射极耦合LD驱动电路图驱动电路图 V2V1Ib电流源Io UEUinLD 在在V2基极上施加直流参基极上施加直流参考电压考电压UB， V2集电极的电压集电极的电压取决于取决于LD的正向电压，数字的正向电压，数字电信号电信号Uin从从V1基极输入。基极输入。 当当信号为信号为“0”码时，码时，V1基极电基极电位比位比UB高而高而抢先导通抢先导通，V2截截止，
16、止， LD不发光；反之，当不发光；反之，当信号为信号为“”码时，码时，V1基极基极电位比电位比UB低，低， V2抢先导通抢先导通，驱动驱动LD发光。发光。UB V1和和V2处于轮流截止和非饱和导通状态，有利于提处于轮流截止和非饱和导通状态，有利于提高调制速率。当三极管截止频率高调制速率。当三极管截止频率fr4.5 GHz时，这种电时，这种电路的调制速率可达路的调制速率可达300 Mb/s。 射极耦合电路为恒流源，电流噪声小，这种电路的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，功耗较大缺点是动态范围小，功耗较大。 V2V1Ib电流源Io UEUinLDUB 图图4.8是利用反
17、馈电流使输出光功率稳定的是利用反馈电流使输出光功率稳定的LD驱驱动电路，其主体和图动电路，其主体和图4.7相同，只是由相同，只是由V3支路为支路为LD提提供的偏置电流供的偏置电流Ib受到激光器背向输出光平均功率和输受到激光器背向输出光平均功率和输入数字信号均值入数字信号均值 的控制。的控制。 inU 图 4.8 反馈稳定LD驱动电路V2V1电流源IoUin UV3A1CIbRf信号参考UR输出监测PD检测器LDUB1UA1Uin 把把PD检测器的输出监测电压检测器的输出监测电压UPD、信号参考电压、信号参考电压 和直流参和直流参考电压考电压UR施加到运算放大器施加到运算放大器A1的反相输入端，
18、经放大后，控制的反相输入端，经放大后，控制V3基极电压和偏置电流基极电压和偏置电流Ib，其控制过程如下：，其控制过程如下： inUinUPLD UPD (UPD+ +UR) UA1 Ib PLD 在反馈电路中引入信号参考电压的目的，是使在反馈电路中引入信号参考电压的目的，是使LD的偏置的偏置电流电流Ib不受码流中不受码流中“0”码和码和“1”码比例变化的影响。码比例变化的影响。 V2V1电流源IoUin UV3A1CIbRf信号参考UR输出监测PD检测器LDUB1UA1UinV2V1信号参考UinA1A2A3PD直流参考 U UV3IbLD 一个更加完善的一个更加完善的自动功率控制自动功率控制
19、(APC)电路如图电路如图4.9所示。从所示。从LD背向输出的光功率，经背向输出的光功率，经PD检测器检测、运算放大器检测器检测、运算放大器A1放大放大后送到比较器后送到比较器A3的反相输入端。的反相输入端。 同时，输入信号参考电压和直流参考电压经同时，输入信号参考电压和直流参考电压经A2比较放大后，比较放大后，送到送到A3的同相输入端。的同相输入端。A3和和V3组成直流恒流源调节组成直流恒流源调节LD的偏流，的偏流，使输出光功率稳定。使输出光功率稳定。 4.1.4 温度特性和自动温度控制温度特性和自动温度控制 1. 激光器的温度特性激光器的温度特性 温度对激光器输出光功率的影响主要通过温度对
20、激光器输出光功率的影响主要通过阈值电流阈值电流Ith和和外微分量子效率外微分量子效率d产生。产生。 图图4.10(a)和和(b)分别示出温度通过阈值电流和外微分别示出温度通过阈值电流和外微分量子效率引起的输出光脉冲的变化：分量子效率引起的输出光脉冲的变化： 温度温度升高升高，阈值电流，阈值电流增加增加 外微分量子效率外微分量子效率减小减小，输出光脉冲幅度，输出光脉冲幅度下降下降 温度对输出光脉冲会产生温度对输出光脉冲会产生 “结发热效应结发热效应”。PPII 图 4.10 温度引起的光输出的变化(a) 阈值电流变化引起的光输出的变化； (b) 外微分量子效率变化引起的光输出的变化 20。C25
21、。C20。C70。CI1I0t=0t=T图 4.11 结发热效应 电流脉冲光脉冲 如图如图4.11所示，设所示，设t=0时时电脉冲到来，电脉冲到来， 注入电流为注入电流为I1，由于电流的热效应，在脉冲持续时间里，结区的，由于电流的热效应，在脉冲持续时间里，结区的温度随时间温度随时间t而升高，激光器的阈值电流随而升高，激光器的阈值电流随t而增大，而增大，使输出光脉冲的幅度随使输出光脉冲的幅度随t而减小。而减小。 当当t=T时时电流脉冲电流脉冲过后，注入电流从过后，注入电流从I1减减小到小到I0，电流散发的热，电流散发的热量减少，结区温度随量减少，结区温度随t而而降低，阈值电流减小，降低，阈值电流
22、减小，使输出光脉冲的幅度增使输出光脉冲的幅度增大。大。 “结发热效应结发热效应”将引起调制失真将引起调制失真。 与调制速率对激光器瞬态特性的影响相反，与调制速率对激光器瞬态特性的影响相反，低调制速率的低调制速率的“结发热效应结发热效应”更加明显更加明显。 这是因为随着调制速率的提高，码元时间这是因为随着调制速率的提高，码元时间间隔缩短，使结区温度来不及发生变化。间隔缩短，使结区温度来不及发生变化。 2. 自动温度控制自动温度控制 半导体光源的输出特性受温度影响很大，特别是半导体光源的输出特性受温度影响很大，特别是对温度更加敏感。为保证输出特对温度更加敏感。为保证输出特性的稳定，对激光器进行温度
23、控制是十分必要的。性的稳定，对激光器进行温度控制是十分必要的。 温度控制装置一般由温度控制装置一般由致冷器致冷器、热敏电阻热敏电阻和和控制电控制电路路组成，组成， 图图4.12示出温度控制装置的方框图。示出温度控制装置的方框图。 的冷端和激光器的热沉接触，的冷端和激光器的热沉接触，作作为传感器，探测激光器结区的温度，并把它传递给控为传感器，探测激光器结区的温度，并把它传递给控制电路，通过制电路，通过改变致冷量，使激光器输出特改变致冷量，使激光器输出特性保持恒定。性保持恒定。 目前，目前，大多采用大多采用半导体致冷器半导体致冷器，它是利用半，它是利用半导体材料的导体材料的珀尔帖效应珀尔帖效应制成
24、的电偶来实现致冷的。制成的电偶来实现致冷的。 用若干对电偶串联或并联组成的温差电功能器件，用若干对电偶串联或并联组成的温差电功能器件，温度控制范围可达温度控制范围可达 3040 。 为提高致冷效率和温度控制精度，把致冷器和热敏为提高致冷效率和温度控制精度，把致冷器和热敏电阻封装在激光器管壳内，温度控制精度可达电阻封装在激光器管壳内，温度控制精度可达0.5 。 从而使激光器输出平均功率和发射波长保持恒定，避免从而使激光器输出平均功率和发射波长保持恒定，避免调制失真。调制失真。 AR4TECtRTLDPIN24681357 UR1R2R3BA UV主要由主要由R1、R2、 R3和热敏电阻和热敏电阻
25、RT组成组成“换能换能”电桥电桥，通过电桥把温度的变化转换为电量的变化。运算，通过电桥把温度的变化转换为电量的变化。运算放大器放大器A的差动输入端跨接在电桥的对端，用以改变三的差动输入端跨接在电桥的对端，用以改变三极管极管V的基极电流。的基极电流。 在设定温度在设定温度(例如例如20 )时，调节时，调节R3使电桥平衡，使电桥平衡，A、B两点没有电位差，传输到运算放大器两点没有电位差，传输到运算放大器A的信号为零，的信号为零，流过流过TEC的电流也为零。的电流也为零。 当环境温度升高时，当环境温度升高时，LD的管芯和热沉温度也升高，的管芯和热沉温度也升高，使具有负温度系数的使具有负温度系数的RT
26、的阻值减小，电桥失的阻值减小，电桥失去平衡。去平衡。 这时这时B点的电位低于点的电位低于A点的电位，运算放大器点的电位，运算放大器A的的输出电压升高，输出电压升高，V的基极电流增大，致冷器的基极电流增大，致冷器TEC的电流的电流也增大也增大温度降低，热沉和管芯的温度也降低，因温度降低，热沉和管芯的温度也降低，因而保持温度恒定。而保持温度恒定。这个控制过程可以表示如下： T(环境)T(LD、热沉) RT I(致冷器) T(LD) ATC的以及APC的PIN-PD封装在LD管壳内构成的组件如图3.18所示。AR4TECtRTLDPIN24681357 UR1R2R3BA UV4.2 光接收机光接收
27、机 4.2.1 光接收机基本组成光接收机基本组成 直接强度调制、直接检测方式的数字光接直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机方框图示于图收机方框图示于图4.14。 主要包括：主要包括： 光检测器、前置放大器、主放大器、均光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、衡器、 时钟提取电路、取样判决器时钟提取电路、取样判决器以及以及自动增自动增益控制益控制(AGC)电路电路。 1、光接收机的前端（、光接收机的前端（1）1、光接收机的前端（、光接收机的前端（2） 光检测器光检测器是光接收机实现光是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性电转换的关键器件，其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。能
28、特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。 对光检测器的要求如下：对光检测器的要求如下： (1) 波长响应要和光纤低损耗窗口波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85 m、 1.31 m和和1.55 m)兼容；兼容； (2) 响应度要高，响应度要高， 在一定的接收光功率下，在一定的接收光功率下， 能产生最能产生最大的光电流；大的光电流； (3) 噪声要尽可能低，噪声要尽可能低， 能接收极微弱的光信号；能接收极微弱的光信号； (4) 性能稳定，性能稳定， 可靠性高，可靠性高， 寿命长，寿命长， 功耗和体积小。功耗和体积小。 光检测器的选择：光检测器的选择：要视具体应用场合而定。要视具体应用场合而定。
29、 PIN光电二极管具有良好的光电转换线性度，不光电二极管具有良好的光电转换线性度，不需要高的工作电压，响应速度快。需要高的工作电压，响应速度快。 APD最大的优点是它具有载流子倍增效应，其探最大的优点是它具有载流子倍增效应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。补偿电路。 从简化接收机电路考虑，一般情况下多喜欢采用从简化接收机电路考虑，一般情况下多喜欢采用PIN光电二极管作光探测器。光电二极管作光探测器。 前置放大器前置放大器的主要作用是保持探测的电信号不失真的主要作用是保持探测的电信号不失真地放大和保证噪声最小，一般采用场效应晶体管
30、地放大和保证噪声最小，一般采用场效应晶体管(FET)。PIN/FET和和APD/FET。 目前，目前， 适合于光纤通信系统应用的光检测器有适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光光电二极管电二极管和和雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)。1、光接收机的前端（、光接收机的前端（3） 根据不同应用要求，前端的设计有三种不同的方案：根据不同应用要求，前端的设计有三种不同的方案： 低阻抗前端低阻抗前端 高阻抗前端高阻抗前端 跨（互）阻抗前端跨（互）阻抗前端1、光接收机的前端（、光接收机的前端（4）2、光接收机的线性通道、光接收机的线性通道3、 判决再生与时钟提取判决再生与时钟提取 判决、再生过程判
31、决、再生过程 4. 光电集成接收机光电集成接收机 图图4.14中除光检测器以外的所有元件都是标准的中除光检测器以外的所有元件都是标准的电子器件，电子器件， 很容易用标准的集成电路很容易用标准的集成电路(IC)技术将它们技术将它们集成在同一芯片上。集成在同一芯片上。 不论是硅不论是硅(Si)还是砷化镓还是砷化镓(GaAs)IC技术都能够使技术都能够使集成电路的工作带宽超过集成电路的工作带宽超过2 GHz，甚至达到，甚至达到10 GHz。 为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力开为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力开发单片光接收机，即用发单片光接收机，即用“光电集成电路光电集成电路(OEIC
32、)技术技术”在同一芯片上集成包括光检测器在内的全部元件。在同一芯片上集成包括光检测器在内的全部元件。 对于工作在对于工作在1.31.6 m波长的系统，人们需要基于波长的系统，人们需要基于InP的的OEIC接收机接收机。 在在1991年试验成功的单路年试验成功的单路InGaAs OEIC接收机，接收机，其运行速率达其运行速率达5 Gb/s。 InGaAs OEIC接收机也可以用接收机也可以用混合法实现混合法实现。 如图如图4.15所示，所示， 电元件集成在电元件集成在GaAs基片上，而光基片上，而光检测器集成在检测器集成在InP基片上，两个部分通过接触片连接在基片上，两个部分通过接触片连接在一起
33、。一起。 图 4.15 光电集成接收机 光检测器电路部分GaAs基片N-InP基片P-接触片N-接触片 4.2.2 噪声特性噪声特性 光接收机的噪声将影响信噪比光接收机的噪声将影响信噪比SNR和通信质量。和通信质量。 光接收机的光接收机的噪声有两部分：噪声有两部分： 外部电磁干扰产生外部电磁干扰产生 这部分噪声的危害可以通过这部分噪声的危害可以通过屏蔽或滤波加以消除；屏蔽或滤波加以消除； 内部产生内部产生 这部分噪声是在信号检测和放大过程这部分噪声是在信号检测和放大过程中引入的随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设中引入的随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制造尽可能减小，计与制造尽可能
34、减小， 一般不可能完全消除。一般不可能完全消除。 我们要讨论的噪声是指内部产生的我们要讨论的噪声是指内部产生的。 光接收机光接收机:。因为前置级输入的是微弱信号，其。因为前置级输入的是微弱信号，其噪声对输出信噪比影响很大，而主放大器输入的是经噪声对输出信噪比影响很大，而主放大器输入的是经前置级放大的信号，只要前置级增益足够大，主放大前置级放大的信号，只要前置级增益足够大，主放大器引入的噪声就可以忽略。器引入的噪声就可以忽略。 图 4.16 光接收机的噪声等效模型 放大器Rin0SISECRSddSqqip放大器光电检测器0 图图4.16示出光接收机的噪声等效模型，示出光接收机的噪声等效模型，
35、由由两部分组成。两部分组成。 iq2光检测器的量子噪声光检测器的量子噪声 功率谱密度分别表示功率谱密度分别表示为为 Sq id2暗电流噪声产生的均方噪声电流暗电流噪声产生的均方噪声电流(等效噪声功等效噪声功率率)， 其相应的功率谱密度其相应的功率谱密度 Sd ip 光检测器的输出光生电流光检测器的输出光生电流 R 光检测器的偏置电阻光检测器的偏置电阻 C 光检测器的电容光检测器的电容(结电容和其他电容结电容和其他电容) 放大器分解为放大器分解为: 理想放大器理想放大器 相应的功率谱密度相应的功率谱密度 SI 等效噪声电流源等效噪声电流源i02相应的功率谱密度相应的功率谱密度 SE 电压源电压源
36、u02，相应的功率谱密度，相应的功率谱密度 Rin放大器放大器的输入电阻。的输入电阻。 分为两类：分为两类：散粒噪声和热噪声。散粒噪声和热噪声。 放大器噪声特性取决于所采用的前置放大器类型，放大器噪声特性取决于所采用的前置放大器类型， 根据放根据放大器噪声等效电路和晶体管理论可以计算。常用三种类型前置大器噪声等效电路和晶体管理论可以计算。常用三种类型前置放大电路示于图放大电路示于图4.17， 其输出的其输出的等效噪声功率等效噪声功率NA为：为： 场效应管场效应管(FET)前置放大器前置放大器322223)2(8 . 28 . 24BAgCkTBARgKTRKTNmmA(4.5)32222232
37、)2()(2)/()(2BAeICkTBAIRRKTeIRKTNccmcA(4.4)双极型晶体管双极型晶体管(BJT)前置放大器前置放大器跨阻型前置放大器跨阻型前置放大器 - 双极型晶体管双极型晶体管 3222232)2()(2/2BAeICkTBAeIRRKTNccfA(4.6) 跨阻型前置放大器跨阻型前置放大器 - 场效应管场效应管322223)2(8 . 28 . 24BAgCkTBARgKTRKTNmmfAf(4.7) 图 4.17 光接收机的前置级放大电路(a) 双极型晶体管； (b) 场效应管； (c) 跨阻型 偏压(a)偏压(b)偏压(c)Rf三种类型前置放大器的比较：三种类型前
38、置放大器的比较： (1) 双极型晶体管前置放大器双极型晶体管前置放大器的主要的主要特点特点是输是输入阻抗低，入阻抗低， 电路时间常数电路时间常数RC小于信号脉冲宽度小于信号脉冲宽度T，因而码间干扰小，适用于高速率传输系统。因而码间干扰小，适用于高速率传输系统。 (2) 场效应管前置放大器场效应管前置放大器的主要的主要特点特点是输入阻是输入阻抗高，抗高， 噪声小，高频特性较差，适用于低速率传输噪声小，高频特性较差，适用于低速率传输系统。系统。 (3) 跨阻型前置放大器跨阻型前置放大器最大的最大的优点优点是改善了带是改善了带宽特性和动态范围，并具有良好的噪声特性。宽特性和动态范围，并具有良好的噪声
39、特性。 4.2.3 误码率误码率 由于噪声的存在，放大器输出的是一个随由于噪声的存在，放大器输出的是一个随机过程机过程， 其取样值是随机变量，因此在判决时其取样值是随机变量，因此在判决时可能发生误判，把发射的可能发生误判，把发射的“0”码误判为码误判为“1”码，码，或把或把“1”码误判为码误判为“0”码。码。 光接收机对码元误判的概率称为光接收机对码元误判的概率称为误码率误码率(在在二元制的情况下，等于误比特率，二元制的情况下，等于误比特率，BER)， 用用较长时间间隔内，在传输的码流中，误判的码较长时间间隔内，在传输的码流中，误判的码元数和接收的总码元数的比值来表示。元数和接收的总码元数的比
40、值来表示。 噪声引起误码的图解说明噪声引起误码的图解说明 码元被误判的概率，码元被误判的概率， 可以用噪声电流可以用噪声电流(压压)的概率密度函数的概率密度函数来计算。来计算。 I1是是“1”码的电流，码的电流，I0是是“0”码的电流。码的电流。 Im是是“”码的平码的平均电流，而均电流，而“0”码的平均电流为码的平均电流为0。D为判决门限值，一般取为判决门限值，一般取D=Im/2。tIsImI1(t)I0(t)判决门限D0 在在“”码时码时，如果在取样时刻带有噪声的电流，如果在取样时刻带有噪声的电流I1D，则可能被误判为，则可能被误判为“”码。码。tIsImI1(t)I0(t)判决门限D0
41、要确定误码率，不仅要知道噪声功率的大小，而要确定误码率，不仅要知道噪声功率的大小，而且要知道噪声的且要知道噪声的概率分布概率分布。 光接收机输出噪声的概率分布光接收机输出噪声的概率分布十分复杂，一般十分复杂，一般假设噪声电流假设噪声电流(或电压或电压)的瞬时值服从高斯分布，其的瞬时值服从高斯分布，其概概率密度函数为率密度函数为: 式中式中x是代表噪声这一高斯随机变量的取值，是代表噪声这一高斯随机变量的取值， 其均值为其均值为零，方差为零，方差为2。 2exp21)(22xxf(4.8) 在已知光检测器和前置放大器的噪声功率，并在已知光检测器和前置放大器的噪声功率，并假设了噪声的概率分布后，假设
42、了噪声的概率分布后， 现在可以分别计算现在可以分别计算“0”码和码和“”码的误码率了。码的误码率了。 在发在发“0”码时，码时， 平均噪声功率平均噪声功率N0=NA，NA为前为前置放大器的平均噪声功率。置放大器的平均噪声功率。 这时没有光信号输入，光检测器的平均噪声功这时没有光信号输入，光检测器的平均噪声功率率ND=0(略去暗电流略去暗电流)。由式。由式(4.8)得到得到发发“0”码的条码的条件下噪声的概率密度函数为件下噪声的概率密度函数为 :2exp21)(02000NINIf(4.9) 根据误码率的定义，根据误码率的定义，把把“0”码误判为码误判为“1”码的码的概率，概率， 应等于应等于I
43、0值超过值超过D值的概率值的概率，即，即式中x=I0/0N 在发在发“1”码时，平均噪声功率码时，平均噪声功率N1=NA+ND。ND是在放大器输出端光检测器的平均噪声功率。是在放大器输出端光检测器的平均噪声功率。 这时噪声电流的幅度为这时噪声电流的幅度为I1-Im，判决门限值仍为，判决门限值仍为D，则只要取样值则只要取样值Im-I1Im-D或或I1-ImD)(4.10b)式中式中y=(I1-Im)/ 。 “0”码和码和“1”码的误码率一般是不相等的，但码的误码率一般是不相等的，但对于对于“0”码和码和“1”码等概率的码流而言，码等概率的码流而言，一般认为一般认为Pe,01=Pe,10时，可以使
44、误码率达到最小。时，可以使误码率达到最小。1N)(2)(exp21,1121101mIDmeIIdNIINPm(4.11a)dyyPNIDem2exp21,1/ )(201(Im-I1)(Im-D)(4.11b)把把“1”码误判为码误判为“0”码的概率为：码的概率为：因此，因此，总误码率总误码率(BER)可以表示为：可以表示为：dxxPQe2exp212(4.12)式中 Q= 10NDINDm(4.13a)Q= 10NNIm(4.13b) Q称为称为超扰比超扰比，含有信噪比的概念。它还表示在，含有信噪比的概念。它还表示在对对“0”码进行取样判决时，判决门限值码进行取样判决时，判决门限值D超过放
45、大器超过放大器平均噪声电流的倍数。平均噪声电流的倍数。 由 此 可 见 ， 只由 此 可 见 ， 只要知道要知道Q值，就可根值，就可根据式据式(4.12) 的积分求的积分求出误码率，结果示出误码率，结果示于图。例如：于图。例如：Q=6, BER10-9，Q7， BER=10-12。1015101410131012101110101091081071061054.555.566.577.5Q误码率二进制信号的误码概率二进制信号的误码概率I1I0I1I0二进制信号的误码概率二进制信号的误码概率二进制信号的误码概率二进制信号的误码概率I1I0二进制信号的误码概率二进制信号的误码概率I1I0 Pr =
46、10lg (4.14) )(10)min(3dBmwP4.2.4 灵敏度灵敏度 灵敏度灵敏度是衡量光接收机性能的综合指标。是衡量光接收机性能的综合指标。灵敏灵敏度度Pr的定义是，的定义是，在保证通信质量在保证通信质量(限定误码率或信噪限定误码率或信噪比比)的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率Pmin，并以，并以dBm为单位。由定义得到为单位。由定义得到 灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时，能够接灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时，能够接收微弱光信号的能力。收微弱光信号的能力。 提高灵敏度意味着能够接收更微弱的光信号。提高灵敏度意味着能够接收更微弱
47、的光信号。 1. 理想光接收机的灵敏度理想光接收机的灵敏度 假设光检测器的暗电流为零，放大器完全假设光检测器的暗电流为零，放大器完全没有噪声，系统可以检测出单个光子形成的电没有噪声，系统可以检测出单个光子形成的电子子 - 空穴对所产生的光电流，空穴对所产生的光电流， 这种接收机称为这种接收机称为理想光接收机理想光接收机。 它的灵敏度只受到光检测器的量子噪声的它的灵敏度只受到光检测器的量子噪声的限制限制，因为量子噪声是伴随光信号的随机噪声，因为量子噪声是伴随光信号的随机噪声，只要有光信号输入，就有量子噪声存在。只要有光信号输入，就有量子噪声存在。 首先考虑理想光接收机的误码率。首先考虑理想光接收
48、机的误码率。当光检测器没当光检测器没有光输入时，有光输入时， 放大器就完全没有电流输出，因此放大器就完全没有电流输出，因此“0”码误判为码误判为“”码的概率为码的概率为0，即，即Pe，01=0。 产生误码的惟一可能就是当一个光脉冲输入时，产生误码的惟一可能就是当一个光脉冲输入时，光检测器没有产生光电流，放大器没有电流输出。光检测器没有产生光电流，放大器没有电流输出。 这个概率，即这个概率，即“1”码误判为码误判为“0”码的概率码的概率Pe, 10=exp(-n)，n为一个码元的平均光子数。为一个码元的平均光子数。 当当“0”码和码和“1”码等概率出现时，码等概率出现时， 误码率为：误码率为：
49、Pe= (4.15) 21Pe, 01+ Pe, 10= exp(-n) 2121 现在考虑理想光接收机的灵敏度。设传输的现在考虑理想光接收机的灵敏度。设传输的是是非归零码非归零码(NRZ)，每个光脉冲最小平均光能量为，每个光脉冲最小平均光能量为Ed，码元宽度为码元宽度为Tb， 一个码元平均光子数为一个码元平均光子数为n，那么，那么光光接收机所需最小平均接收功率为接收机所需最小平均接收功率为 : 式中，因子式中，因子2是是“0”码和码和“1”码功率平均的结果，码功率平均的结果，h=6.62810-34Js为普朗克常数，为普朗克常数，f=c/，f、分别为分别为光频率和光波长，光频率和光波长，c为
50、真空中的光速。为真空中的光速。 利用利用Tb=1/fb，fb为传输速率；为传输速率； 并考虑光并考虑光/电转换电转换时的量子效率为时的量子效率为。Pmin= bbdTnhfTE22（4.16） Pr= 10 lg (4.17) 2bnhcf 对于数字光纤通信系统，一般要求误码率对于数字光纤通信系统，一般要求误码率Pe10-9，根据式根据式(4.15)得到得到n21。 这表明至少要有这表明至少要有21个光子产生的光电流，个光子产生的光电流， 才能保证才能保证判决时误码率小于或等于判决时误码率小于或等于10-9。 设设=0.7，并把相关的常数代入式，并把相关的常数代入式(4.17)， 计算出的计算
