1、第九章 光发射机与光接收机 内容摘要：内容摘要：1. 光发射机的构成和功能光发射机的构成和功能 由光源、驱动器和调制器组成。功能是将来自于电端由光源、驱动器和调制器组成。功能是将来自于电端机的信号对光源发出的光进行调制，再将已调的光信号机的信号对光源发出的光进行调制，再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。耦合到光纤或光缆去传输。2. 光接收机构成和功能光接收机构成和功能 由由(光放大器光放大器)光检测器和放大电路组成。功能是将光纤光检测器和放大电路组成。功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，经或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，经放大电路放大，送到接收端的电端机
2、。放大电路放大，送到接收端的电端机。本章重点：本章重点： 理解掌握光发射机、光接收机的功能、电路工作原理。理解掌握光发射机、光接收机的功能、电路工作原理。 一、光发射机应满足的技术要求一、光发射机应满足的技术要求 (1) 体积小，与光纤之间有较高的耦合效率；体积小，与光纤之间有较高的耦合效率； (2) 发射的光波波长应位于光纤的三个低损耗窗口；发射的光波波长应位于光纤的三个低损耗窗口； (3) 可以进行光强度调制；可以进行光强度调制； (4) 可靠性高，要求它工作寿命长、工作稳定性好可靠性高，要求它工作寿命长、工作稳定性好 （功率、偏振、光谱、温度）；（功率、偏振、光谱、温度）； (5) 发射
3、的光功率足够高，以便可以传输较远的距离。发射的光功率足够高，以便可以传输较远的距离。 第一节 光发射机激光二极管激光二极管发光二极管发光二极管1 1光功率较大，光功率较大，100mW mW 101 mwmw光功率较小，仅光功率较小，仅1mw 1mw 2mW2mW2 2带宽大、调制速率高，带宽大、调制速率高，102 MHzMHz101 GHzGHz带宽小、调制速率低，带宽小、调制速率低，10110102 2 MHzMHz。3 3光束方向性强，发散度小。光束方向性强，发散度小。方向性差，发散度大。方向性差，发散度大。4 4与光纤的耦合效率高，可达与光纤的耦合效率高，可达8080以上。以上。 与光纤
4、的耦合效率低，仅百分之几。与光纤的耦合效率低，仅百分之几。5 5光谱较窄。光谱较窄。光谱较宽。光谱较宽。6 6制造工艺难度大，成本高。制造工艺难度大，成本高。制造工艺难度小，成本低。制造工艺难度小，成本低。7 7在要求光功率较稳定时，需要在要求光功率较稳定时，需要APCAPC和和ATCATC。可在较宽的温度范围内正常工作。可在较宽的温度范围内正常工作。8 8输出特性曲线的线性度较好。输出特性曲线的线性度较好。在大电流下易饱和。在大电流下易饱和。9 9有模式噪声。有模式噪声。无模式噪声。无模式噪声。1010可靠性一般。可靠性一般。可靠性较好。可靠性较好。1111工作寿命短。工作寿命短。工作寿命长
5、。工作寿命长。 光源发光的波长、通信容量、模式以及通信距光源发光的波长、通信容量、模式以及通信距离四者之间的定性关系离四者之间的定性关系: :二、光发送原理二、光发送原理 在光纤通信系统中，由于信息由在光纤通信系统中，由于信息由LED和和LD发出发出的光波携带，因此光发射机主要有调制电路和控制的光波携带，因此光发射机主要有调制电路和控制电路组成。电路组成。光发送系统说明光发送系统说明: : 在数字通信中，输入电路将输入的在数字通信中，输入电路将输入的PCM脉冲信脉冲信号变换成号变换成NRZ码后，通过码后，通过驱动电路调制光源驱动电路调制光源(直接调直接调制制)，或，或送到光调制器调制光源输出的
6、连续光波送到光调制器调制光源输出的连续光波(外调外调制制)，加载到光源上。，加载到光源上。 对直接调制，驱动电路需给光源加一直流偏置；对直接调制，驱动电路需给光源加一直流偏置；而外调制方式中光源的驱动为恒定电流，以保证光而外调制方式中光源的驱动为恒定电流，以保证光源输出连续光波。源输出连续光波。 自动偏置和自动温度控制电路是为了稳定输出自动偏置和自动温度控制电路是为了稳定输出的平均光功率和工作温度。的平均光功率和工作温度。 光发射机中还有报警电路，用以检测和报警光光发射机中还有报警电路，用以检测和报警光源的工作状态。源的工作状态。 -从本质上讲，光载波调制和无线电波载波调制一样，也即从本质上讲
7、，光载波调制和无线电波载波调制一样，也即有有调幅、调强、调频、调相、调偏调幅、调强、调频、调相、调偏等多种调制方式。但为了便等多种调制方式。但为了便于解调，在光频段多采用于解调，在光频段多采用强度调制强度调制。- 从调制方式与光源的关系上来分，强度调制的方法有两种：从调制方式与光源的关系上来分，强度调制的方法有两种：直接调制和外调制。直接调制和外调制。直接调制直接调制用电信号直接调制光源器件的偏置电流，使光源用电信号直接调制光源器件的偏置电流，使光源发出的光功率随信号而变化。优点是简单、经济、容易实现，发出的光功率随信号而变化。优点是简单、经济、容易实现，但调制速率受载流子寿命及高速率下的性能
8、退化的限制。但调制速率受载流子寿命及高速率下的性能退化的限制。外外 调调 制制基于电光、磁光、声光效应，让光源输出的连续基于电光、磁光、声光效应，让光源输出的连续光载波通过光调制器，光信号通过调制器实现对光载波的调制。光载波通过光调制器，光信号通过调制器实现对光载波的调制。需要调制器，结构复杂，但可获得优良的调制性能，特别适合需要调制器，结构复杂，但可获得优良的调制性能，特别适合高速率光通信系统。高速率光通信系统。-三、光波的调制模拟调制和数字调制（按调制信号的形式来分）：模拟调制和数字调制（按调制信号的形式来分）：1.1. 模拟调制模拟调制，分为两类：一类是利用模拟基带信号，分为两类：一类是
9、利用模拟基带信号直接对光源进行调制；另一类采用连续或脉冲的直接对光源进行调制；另一类采用连续或脉冲的射频波作副载波，模拟基带信号先对它进行调制，射频波作副载波，模拟基带信号先对它进行调制，再用该已调制的副载波去调制光载波。再用该已调制的副载波去调制光载波。 模拟调制的调制速率较低，均使用直接调制模拟调制的调制速率较低，均使用直接调制方式。方式。- -2. 2. 数字调制数字调制, ,主要指主要指PCM脉码调制。即先将连续的脉码调制。即先将连续的模拟信号进行抽样、量化、编码，转化成一组二模拟信号进行抽样、量化、编码，转化成一组二进制脉冲代码，再对光信号进行通断调制。进制脉冲代码，再对光信号进行通
10、断调制。 数字调制也可使用直接调制和外调制。数字调制也可使用直接调制和外调制。模拟调制：模拟调制： 连续的模拟信号电流叠加在连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上，选择适当直流直流偏置电流上，选择适当直流偏置的大小，使静态工作点位于偏置的大小，使静态工作点位于发光管特性曲线线性段的中点，发光管特性曲线线性段的中点，可以减小光信号的非线性失真。可以减小光信号的非线性失真。 调制线性的好坏取决于调制调制线性的好坏取决于调制深度深度m m。设调制电流幅值为。设调制电流幅值为II，偏置电流为偏置电流为I IB B，则，则m m定义为：定义为： (8-1)(8-1) 四LED的直接调制原理数字调制：数字
11、调制： 信号电流为单向二进制信号电流为单向二进制数字信号，用单向脉冲电流数字信号，用单向脉冲电流的的“有有”、“无无”( (“1 1”码和码和“0 0”码码) )控制发光管的发光控制发光管的发光与否。与否。 直接调制时，直接调制时，模拟系统模拟系统或数字系统都是通过控制流或数字系统都是通过控制流经发光管电流的办法达到调经发光管电流的办法达到调制输出光功率的目的。制输出光功率的目的。但由但由于二者功率不同，对驱动与于二者功率不同，对驱动与偏置电路也不同。偏置电路也不同。1LED的模拟驱动电路 在模拟系统中，在模拟系统中，驱动电路驱动电路提供一定的工作点偏置电流及提供一定的工作点偏置电流及足够的信
12、号驱动电流，以使光足够的信号驱动电流，以使光源能够输出足够的功率。源能够输出足够的功率。 非线性失真必须低于非线性失真必须低于 -30dB-50dB。但由于。但由于LED本本身存在非线性失真，在高质量身存在非线性失真，在高质量要求的信号传输中，还需要线要求的信号传输中，还需要线性补偿电路。性补偿电路。 LED对温度不对温度不很敏感，因此一般不采用很敏感，因此一般不采用 APC和和ATC电路。电路。五五光源光源的驱动电路的驱动电路 锗二极管和电阻串联后与锗二极管和电阻串联后与LED并联，在大电流时并联，在大电流时起分流作用，扩大驱动电流范围，提高起分流作用，扩大驱动电流范围，提高LED的线性。的
13、线性。 图为一种简单而又具图为一种简单而又具有高速特性的有高速特性的共发射极跨共发射极跨导式驱动器导式驱动器。 将基极电压转变为集将基极电压转变为集电极电流以驱动发光管。电极电流以驱动发光管。晶体管工作在甲类工作状晶体管工作在甲类工作状态，调整基极偏置，使晶态，调整基极偏置，使晶体管和发光管都偏置在各体管和发光管都偏置在各自的线性区。自的线性区。 LED LED的数字驱动电路主要应用于二进制数字的数字驱动电路主要应用于二进制数字信号。信号。 驱动电路应能提供几十至几百毫安（驱动电路应能提供几十至几百毫安（mAmA）的的“开开”“”“关关”电流。电流。 码速不高时，可以不加偏置；码速不高时，可以
14、不加偏置；但在高码速但在高码速时，需加小量的正向偏置电流，有利于保持二时，需加小量的正向偏置电流，有利于保持二极管电容上的电荷。极管电容上的电荷。2LED的数字驱动电路 图图8-6(a)为晶为晶体管共射驱动电体管共射驱动电路，路，晶体管用作晶体管用作饱和开关，饱和开关，提供提供电流增益电流增益，其两，其两端的电压降较小，端的电压降较小，饱和压降饱和压降Vcc0.3V。 图图(c)为发射极耦合开关为发射极耦合开关式驱动电路，可传输式驱动电路，可传输300Mbs以上的数字信号。以上的数字信号。 晶体晶体管管Tl和和T2是发射极耦合式开是发射极耦合式开关，关，T3为恒流源。为恒流源。发光管的发光管的
15、驱动电流由恒流源决定。这驱动电流由恒流源决定。这种电路类似线性差分放大器，种电路类似线性差分放大器，实际作开关用。由于它超越实际作开关用。由于它超越了线性范围工作，输入端过了线性范围工作，输入端过激励时；仍没有达到饱和，激励时；仍没有达到饱和，所以开关速率更高。所以开关速率更高。图图(b)(b)中的中的达林顿达林顿结构结构使电路得到使电路得到2.5ns2.5ns的光上升时的光上升时间，可传输间，可传输100Mb100Mbs s 的数字信号。的数字信号。 但但发射极的负载不发射极的负载不是纯电阻，电路发是纯电阻，电路发生振荡。生振荡。R Rl lC Cl l并联并联串接于发射极电路，串接于发射极
16、电路，组成发射极跟随电组成发射极跟随电路，提供电压阶跃，路，提供电压阶跃，以补偿驱动电流开以补偿驱动电流开始时，始时， 对发光管对发光管电容充电所造成的电容充电所造成的光驱动电流的下降，光驱动电流的下降，从而使驱动器可工从而使驱动器可工作在高码速情况下。作在高码速情况下。 由于由于LDLD通常用于高速系统，且是阈值器件，它通常用于高速系统，且是阈值器件，它的温度稳定性较差，与的温度稳定性较差，与LEDLED相比，其调制技术要复杂相比，其调制技术要复杂的多，驱动条件的选择、调制电路的形式和工艺，的多，驱动条件的选择、调制电路的形式和工艺， 都对调制性能至关重要。都对调制性能至关重要。 为了保证为
17、了保证LDLD有稳定的输出光功率、光谱、消光有稳定的输出光功率、光谱、消光比，需要有各种比，需要有各种辅助电路辅助电路，例如，例如功率控制电路、温功率控制电路、温控 电 路 、 限 流 保 护 电 路 和 各 种 告 警 电 路控 电 路 、 限 流 保 护 电 路 和 各 种 告 警 电 路 等 。等 。4. LD的驱动电路 采用直接调制方式时，偏置电流的选择直接影响激光采用直接调制方式时，偏置电流的选择直接影响激光器的高速调制性质。选择直流预偏置电流应考虑以下几个器的高速调制性质。选择直流预偏置电流应考虑以下几个方面：方面： (1)(1)加大直流偏置电流使其逼近阈值，可以大大减小电光加大直
18、流偏置电流使其逼近阈值，可以大大减小电光延迟时间，延迟时间， 同时使张弛振荡得到一定程度的抑制。同时使张弛振荡得到一定程度的抑制。偏置电流和调制电流的选择 由图中可以看出，由图中可以看出，由于由于 LD LD 加了足够的预加了足够的预偏置电流，偏置电流，调制电流脉调制电流脉冲幅度较小冲幅度较小；预偏置后预偏置后张弛振荡大大减弱张弛振荡大大减弱；谱；谱线减少，光谱宽度变窄；线减少，光谱宽度变窄；电光延迟的减小电光延迟的减小。(2)(2)太大的直流偏置会使激光器的消光比恶化。消太大的直流偏置会使激光器的消光比恶化。消光比光比激光器在全激光器在全ll码时发送的光功率码时发送的光功率(P(P1 1)
19、)与全与全00码时发射的光功率码时发射的光功率(Po)(Po)之比，用之比，用dBdB表示为：表示为：光源的消光比将直接影响接收机的灵敏度。光源的消光比将直接影响接收机的灵敏度。 为保证一定的灵敏度，消光比一般应大于为保证一定的灵敏度，消光比一般应大于10dB。 激光器的偏置电流激光器的偏置电流IB过大，会使消光比恶化，过大，会使消光比恶化，降低接收机的灵敏度。降低接收机的灵敏度。 通常取通常取IB(0.850.90)Ith。驱动脉冲电流的峰。驱动脉冲电流的峰-峰值峰值Im一般取一般取Im十十IB(1.21.3)Ith。 激光器的直接调制电路有激光器的直接调制电路有许多种，但概括起来有两类：许
20、多种，但概括起来有两类： 一类是单管集电极驱动电路，一类是单管集电极驱动电路，另一类是射极耦合开关电路。另一类是射极耦合开关电路。图中，图中，三极管的输出特性在放三极管的输出特性在放大区表现为恒流源，可以用集大区表现为恒流源，可以用集电极电流驱动光源。电极电流驱动光源。DTDT为驱动为驱动管，当电信号加在管，当电信号加在DTDT基极时，基极时，即可驱动集电极电路中的激光即可驱动集电极电路中的激光器，使之输出的光功率随信号器，使之输出的光功率随信号的变化而变化。的变化而变化。DTDT工作在开关工作在开关状态。状态。激光器的直接调制电路TTLTTL开关式驱动电路开关式驱动电路 下图中晶体管下图中晶
21、体管BGBG2 2和和BGBG3 3为发射极耦合对，组成非饱和电流选择为发射极耦合对，组成非饱和电流选择开关。开关。当当BGBG2 2基极电位高于基极电位高于BGBG3 3基极电位时，基极电位时，BGBG2 2导通，恒流源的驱导通，恒流源的驱动电流动电流ImIm全部流过全部流过BGBG2 2，故流过，故流过LDLD的电流为零。的电流为零。反之，当反之，当BGBG2 2基极电基极电位低于位低于BGBG3 3基极电位时，基极电位时，BGBG3 3导通，所有驱动电流都通过导通，所有驱动电流都通过LDLD。 电流开关的转换过程由输入电流开关的转换过程由输入数字信号转换成数字信号转换成ECL电平来控制，
22、电平来控制，ECL电平电平l码时，输出为码时，输出为-1.8V，0 码时，输出为十码时，输出为十0.8V，经过，经过BGl和和D1电平移动后加到电平移动后加到BG2基基极，而极，而BG3基极电平固定在基极电平固定在-2.6V，它由温度补偿的参考电平它由温度补偿的参考电平Vbb经经BG4和和D2电平移动得到。电平移动得到。Vbb-1.31 V是是l码和码和0码电平码电平的中的中间值。选择适当的输入电压，使间值。选择适当的输入电压，使晶体管不驱动到饱和状态，晶体管不驱动到饱和状态， 就能就能起到快速开关作用，同时恒流源起到快速开关作用，同时恒流源可使开关噪声很小。可使开关噪声很小。 在使用中，在使
23、用中，LDLD结温的变化以及老化都会结温的变化以及老化都会使使I Ithth增大，量子效率下降，导致输出光脉冲增大，量子效率下降，导致输出光脉冲的幅度发生变化。的幅度发生变化。 光功率自动控制有许多方法：光功率自动控制有许多方法：一是自动一是自动跟踪偏置电流，使跟踪偏置电流，使LDLD偏置在最佳状态偏置在最佳状态；二是二是峰值功率和平均功率的自动控制峰值功率和平均功率的自动控制；三是三是P-IP-I曲曲线效率控制法等线效率控制法等。 最简的是通过直接检测光功率控制偏置电最简的是通过直接检测光功率控制偏置电流。流。自动功率控制电路(APC) 利用利用LDLD组件中的组件中的PINPIN光电二极管
24、，监测光电二极管，监测LDLD背向输出光功率背向输出光功率的大小。的大小。 若功率小于某一额定值时，通过反馈电路后驱动电流增若功率小于某一额定值时，通过反馈电路后驱动电流增加，并达到额定输出功率值。反之，若光功率大于某一额定加，并达到额定输出功率值。反之，若光功率大于某一额定值，则使驱动电流减小，以保证值，则使驱动电流减小，以保证LDLD输出功率基本上恒定不变。输出功率基本上恒定不变。 该该PIN产生的信号与直流参考比较后送到放大器的同产生的信号与直流参考比较后送到放大器的同相端，相端，直流参考通过调节直流参考通过调节Rl控制预偏置电流控制预偏置电流IB。 调节调节R2使再生信号与使再生信号与
25、PIN输出取得平衡，使输出取得平衡，使IB保持恒保持恒定。定。 当输出光功率产生变化时，平衡破坏，反馈偏置电路当输出光功率产生变化时，平衡破坏，反馈偏置电路将自动调整将自动调整IB， 使输出功率恢复到原来的值，电路又恢复使输出功率恢复到原来的值，电路又恢复平衡状态。平衡状态。IB 图图8-138-13的原理：控制的原理：控制LDLD偏置电流偏置电流保持输出光脉冲幅度保持输出光脉冲幅度的恒定。的恒定。 在运放的输入端，再生信号由输入信号再生处理后得到，在运放的输入端，再生信号由输入信号再生处理后得到， 它固定在它固定在0V0V-lV-lV间。间。 LDLD组件中组件中PINPIN管接收管接收LD
26、LD的背面输出光，的背面输出光，它受到与正面输出光同样的温度及老化影响，从而可用来反馈它受到与正面输出光同样的温度及老化影响，从而可用来反馈控制控制LDLD输出光功率。输出光功率。 该该PINPIN产生的信号与直流参考比较后送到放大器的同相端，产生的信号与直流参考比较后送到放大器的同相端，直流参考通过调节直流参考通过调节R Rl l控制预偏置电流控制预偏置电流I IB B。 调节调节R R2 2使再生信号与使再生信号与PINPIN输出取得平衡，使输出取得平衡，使I IB B保持恒定。当输出光功率产生变化时，保持恒定。当输出光功率产生变化时，平衡破坏，反馈偏置电路将自动调整平衡破坏，反馈偏置电路
27、将自动调整I IB B， 使输出功率恢复到原使输出功率恢复到原来的值，电路又恢复平衡状态。来的值，电路又恢复平衡状态。 R R3 3C Cl l构成构成LDLD的慢启动网络，开启电源或有突发的电冲击时，的慢启动网络，开启电源或有突发的电冲击时，由于电路的时间常数很大由于电路的时间常数很大( (l ms)l ms)，I IB B只能慢慢增大。前面的只能慢慢增大。前面的控制电路首先进入稳定控制状态，然后控制电路首先进入稳定控制状态，然后I IB B缓慢增大，保护缓慢增大，保护LDLD免免受冲击。受冲击。 温度变化引起温度变化引起LD输出光功率的变化，虽然可以通过输出光功率的变化，虽然可以通过APC
28、电路进行调节，使输出光功率恢复正常值。但是，如果环境电路进行调节，使输出光功率恢复正常值。但是，如果环境温度升高较多，经温度升高较多，经APC调节后，调节后，IB增大较多，则增大较多，则LD的结温因的结温因此也升高很多，致使此也升高很多，致使Ith继续增大，造成恶性循环，从而影响继续增大，造成恶性循环，从而影响了了LD的使用寿命。的使用寿命。自动温度控制电路(ATC) 因此，为保证激光器因此，为保证激光器长期稳定工作，必须采用长期稳定工作，必须采用自动温度控制电路自动温度控制电路(ATC)使激光器的工作温度始终使激光器的工作温度始终保持在保持在20摄氏度左右。摄氏度左右。LD的温度控制由微型制
29、冷器、的温度控制由微型制冷器、热敏元件及控制电路组成，热敏元件及控制电路组成，如图所示。如图所示。 图图8-178-17是温度控制电路，是温度控制电路， LDLD组件中的组件中的热敏电阻热敏电阻具有负温具有负温度系数，度系数，在在2020时阻值时阻值 RtRt10k10k12k12k，RtRtT-T-0 05 5。它与它与RlRl，R2R2，R3R3组成桥式电路，其输出电压加到组成桥式电路，其输出电压加到差分放大器的同相和反相输入端，差分放大器的同相和反相输入端， 在某温度下，电桥达到平在某温度下，电桥达到平衡。衡。 LDLD温度升高时，温度升高时，RtRt下降，下降，BGlBGl正向导通，通
30、过制冷器正向导通，通过制冷器RcRc的电流的电流IcIc加大，使加大，使LDLD的温度下降。的温度下降。Rt TRt (电电压下降压下降) 差分放大器差分放大器输入端压降输入端压降差分放大器差分放大器输出电压输出电压IcT 微制冷器多采用微制冷器多采用半导体制冷器半导体制冷器。它是利用半导体材料的。它是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。当直流电流通过两种半导体组成的电偶珀尔帖效应制成的。当直流电流通过两种半导体组成的电偶时，出现一端吸热另一端放热的现象，这种现象称为时，出现一端吸热另一端放热的现象，这种现象称为珀尔帖珀尔帖效应效应。微型半导体制冷器的。微型半导体制冷器的温差可以达到温差可以达到
31、3040。吸热吸热放热放热 不论内制冷还是外制冷半导体制冷器都是非常重要的。图不论内制冷还是外制冷半导体制冷器都是非常重要的。图8-16为半导体制冷器的结构示意图。图中为半导体制冷器的结构示意图。图中(a)为单个热电偶的结为单个热电偶的结构简图，构简图，(b)为热电偶组件，它是由多个热电偶按电学上串联、为热电偶组件，它是由多个热电偶按电学上串联、热学上并联的方式组成的。热学上并联的方式组成的。 单个热电偶是由单个热电偶是由P型和型和N型掺杂的半导体组成，它被焊接型掺杂的半导体组成，它被焊接在铜连接片上，并用陶瓷面板将铜连接片与外表面电绝缘。当在铜连接片上，并用陶瓷面板将铜连接片与外表面电绝缘。
32、当未接外电路时，跨越它两端形成的温度差使它的两端产生一与未接外电路时，跨越它两端形成的温度差使它的两端产生一与温度差成比例的电位差。此时将其与外电路的负载连接起来，温度差成比例的电位差。此时将其与外电路的负载连接起来，将产生电流，从而输出电功率，这就是一个热电偶器件。将产生电流，从而输出电功率，这就是一个热电偶器件。 将热电偶与直流电源相连，如图将热电偶与直流电源相连，如图(a)所示，直流电流通过所示，直流电流通过热电偶将产生珀尔帖效应，在它的一端吸收热量，与之相连的热电偶将产生珀尔帖效应，在它的一端吸收热量，与之相连的物体将被冷却；另一端排放热量，将散热器与之接触，该热电物体将被冷却；另一端
33、排放热量，将散热器与之接触，该热电偶起到制冷器的作用。如果改变直流电流的方向，制冷器的吸偶起到制冷器的作用。如果改变直流电流的方向，制冷器的吸热、散热端将互换。热、散热端将互换。 由于热电偶堆是由多个热电偶串联起来的，由于热电偶堆是由多个热电偶串联起来的， 热电偶的个热电偶的个数越多，制冷量越大，在实际使用过程中，可根据所需的温差，数越多，制冷量越大，在实际使用过程中，可根据所需的温差，选择不同的热电偶堆。选择不同的热电偶堆。-制冷方式分为内制冷和外制冷两种。半导体制冷方式分为内制冷和外制冷两种。半导体LDLD总是和其总是和其他一些部件封装在一起，形成一个完整的他一些部件封装在一起，形成一个完
34、整的LDLD组件，其内部结组件，其内部结构如图构如图8-158-15所示，它将所示，它将LDLD芯片、半导体制冷器和具有负温度芯片、半导体制冷器和具有负温度系数的热敏电阻等封装在一个体积很小的密封盒内，控制电系数的热敏电阻等封装在一个体积很小的密封盒内，控制电路放在盒外，这属于内制冷方式。内制冷方式结构紧凑、控路放在盒外，这属于内制冷方式。内制冷方式结构紧凑、控制效率高、使激光器有较恒定的输出光功率和发射波长。通制效率高、使激光器有较恒定的输出光功率和发射波长。通常内制冷较外制冷方式更直接、有效。常内制冷较外制冷方式更直接、有效。-外制冷方式是将外加半导体制冷器与山组件的密封盒紧外制冷方式是将
35、外加半导体制冷器与山组件的密封盒紧密接触，通过控制电路给外加制冷器加直流，密接触，通过控制电路给外加制冷器加直流， 达到控制达到控制LDLD周围环境温度的目的。周围环境温度的目的。 具体控制过程如下：具体控制过程如下：TRt差分放大器输入端压降差分放大器输入端压降差分放大器输差分放大器输出电压出电压IcT。 实际上激光器在连续工作时，管芯温度会持续实际上激光器在连续工作时，管芯温度会持续上升，从而使得热敏电阻上升，从而使得热敏电阻Rt总保持在总保持在RtR3即电桥即电桥总不平衡，于是总不平衡，于是Ic维持一定值，即控制电路始终为维持一定值，即控制电路始终为致冷器提供恒定的工作电流致冷器提供恒定
36、的工作电流Ic。 在光发送电路中，由于采用了在光发送电路中，由于采用了ATC 和和 APC电电路，使路，使LD输出光功率输出光功率 的稳定度保持在较高的水平上。的稳定度保持在较高的水平上。在环境温度为十在环境温度为十5十十50范围内，范围内，LD输出光功输出光功率的不稳定度小于率的不稳定度小于5。光源的过流保护电路光源的过流保护电路 为了使光源不致因通过大电流而损坏，需对光源进行过流为了使光源不致因通过大电流而损坏，需对光源进行过流保护。图保护。图8-18所示是激光器的过流保护电路，图中所示是激光器的过流保护电路，图中T3为激光器为激光器提供偏流提供偏流IB。保护电路由晶体管。保护电路由晶体管
37、T4、电阻、电阻Rl组成。组成。- 正常情况下，电阻正常情况下，电阻Rl上的电压小于上的电压小于T4的导通降压，因而的导通降压，因而T4截止，保护电路不工作。截止，保护电路不工作。激光器的保护及告警电路 当偏流当偏流IB过大，过大， 致使致使Rl上的压降上的压降VRl剧增，并超剧增，并超过过T4的导通压降时，的导通压降时， T4饱饱和导通，使和导通，使Vce40，从而，从而导致导致T3截止，激光器不因截止，激光器不因IB过大而被损坏。过大而被损坏。无光告警电路无光告警电路 -图图8-198-19所示为无光告警原理图。所示为无光告警原理图。 图中图中A2A2的反向端为直的反向端为直流参考电压流参
38、考电压V VD D，其同相端则为代表，其同相端则为代表LDLD输出光功率平均值的输出光功率平均值的V Vf f。当。当LDLD发光正常时，发光正常时，PINPIN管检测到的光电流经管检测到的光电流经A1A1放大后送放大后送入入A2A2的同相端。这时，的同相端。这时， V Vf fV VD D，因此，因此A A2 2输出高电平，输出高电平， 致使致使无光告警指示灯无光告警指示灯LEDLED不亮。当不亮。当LDLD不发光时，不发光时，PINPIN管检测不到管检测不到光信号，因而光信号，因而V Vf fV VD D， A A2 2输出低电平，输出低电平， 使无光告警灯发出使无光告警灯发出红色告警显示
39、。另一路高电平为正常、低电平为告警的无红色告警显示。另一路高电平为正常、低电平为告警的无光告警信号则被送入监控系统处理。光告警信号则被送入监控系统处理。寿命告警电路寿命告警电路 当阈值电流增大到开始使用时的当阈值电流增大到开始使用时的1.51.5倍时，就认为倍时，就认为LDLD的的寿命终止。所以寿命告警电路通常采用监测偏流寿命终止。所以寿命告警电路通常采用监测偏流IBIB的值来判的值来判断激光器寿命是否终止。即当断激光器寿命是否终止。即当I IB B1.5I1.5Ithotho(I(Ithotho为为LDLD开始启用开始启用时的阈值电流时的阈值电流) )时，寿命告警电路就告警。时，寿命告警电路
40、就告警。-图图8-208-20所示为寿命告警电路原理图。图中所示为寿命告警电路原理图。图中T3T3为激光器提为激光器提供偏流供偏流I IB B，T T4 4、R R1 1组成过流保护电路。由于组成过流保护电路。由于VlIVlIB BR Rl l，所以调，所以调整电位器整电位器W W使使V V2 21.5I1.5IthothoR R1 1。当。当LDLD工作正常时，工作正常时，I IB B1.5I1.5Ithotho，则则V Vl lV V2 2，A A1 1输出高电平，寿命告输出高电平，寿命告警灯不亮。如果警灯不亮。如果I IB B1.5I1.5Ithotho，则激，则激光器寿命终止，这时光器
41、寿命终止，这时V Vl lV V2 2，A A1 1输输出低电平，寿命告警灯发黄色告警出低电平，寿命告警灯发黄色告警显示。显示。 同样有一路高电平正常、同样有一路高电平正常、低电平告警的寿命告警信号送到监低电平告警的寿命告警信号送到监控系统。控系统。 光接收机的任务是以最小的附加噪声光接收机的任务是以最小的附加噪声及失真及失真恢复出由光纤传输、光载波所携带恢复出由光纤传输、光载波所携带的信息的信息。 其输出特性综合反映了整个光纤通信其输出特性综合反映了整个光纤通信系统的性能。本章重点讨论接收机前端的系统的性能。本章重点讨论接收机前端的噪声特性、模拟及数字接收机噪声特性、模拟及数字接收机的性能，
42、如的性能，如信噪比或误码率、接收机灵敏度信噪比或误码率、接收机灵敏度等。等。第二节 光接收机 光接收机也有数字接收机和模拟接收机两种形式，见上图光接收机也有数字接收机和模拟接收机两种形式，见上图所示。它们均由反向偏压下的光电检测器、低噪声前置放大器所示。它们均由反向偏压下的光电检测器、低噪声前置放大器及其他信号处理电路组成，是一种直接检测及其他信号处理电路组成，是一种直接检测(DD)方式。方式。 与模拟接收机与模拟接收机(a)相比，数字接收机相比，数字接收机(b)更复杂，在主放大器更复杂，在主放大器后还有均衡滤波、定时提取与判决再生、峰值检波与后还有均衡滤波、定时提取与判决再生、峰值检波与AG
43、C放大放大电路。它们在高电平下工作，不影响对光接收机基本性能的分电路。它们在高电平下工作，不影响对光接收机基本性能的分析。析。一、光接收机的构造模拟式模拟式数字式数字式 光电检测器是光接收机的第一个关键部件，其作用光电检测器是光接收机的第一个关键部件，其作用是把接收到的是把接收到的光信号转化成电信号光信号转化成电信号。 目前在光纤通信系统中广泛使用的光电检测器是目前在光纤通信系统中广泛使用的光电检测器是PIN光电二极管和雪崩光电二极管光电二极管和雪崩光电二极管APD。(1)PIN管比较简单，只需管比较简单，只需10V20V的偏压即可工作，的偏压即可工作，且不需偏压控制，但它没有增益。因此使用且
44、不需偏压控制，但它没有增益。因此使用PIN管的管的接收机的灵敏度不如接收机的灵敏度不如APD管的高；管的高；(2)AFD管具有管具有10200倍的内部电流增益，可提高光倍的内部电流增益，可提高光接收机的灵敏度。但使用接收机的灵敏度。但使用APD管比较复杂，需要几十管比较复杂，需要几十到到200V的偏压。的偏压。1 1、光电检测器、光电检测器 温度变化较严重地影响温度变化较严重地影响APD管的增益特性。管的增益特性。 通常需对通常需对APD管的偏压进行控制以保持其增管的偏压进行控制以保持其增益不变，或采用温度补偿措施以保持其增益不变。益不变，或采用温度补偿措施以保持其增益不变。 对光检测器的基本
45、要求是对光检测器的基本要求是高的转换效率、低高的转换效率、低的附加噪声和快速的响应。的附加噪声和快速的响应。 由于光检测器产生的光电流非常微弱由于光检测器产生的光电流非常微弱(nAA)，必须先经，必须先经前置放大器进行低噪声放大前置放大器进行低噪声放大，光电，光电检测器和前置放大器合起来叫做接收机前端，其检测器和前置放大器合起来叫做接收机前端，其性能的优劣决定接收灵敏度的主要因素。性能的优劣决定接收灵敏度的主要因素。 经光电检测器检测而得的微弱信号电流，流经负载电经光电检测器检测而得的微弱信号电流，流经负载电阻转换成电压信号后，由前置放大器加以放大。但前置放阻转换成电压信号后，由前置放大器加以
46、放大。但前置放大器在将信号进行放大的同时，也会引入放大器本身电阻大器在将信号进行放大的同时，也会引入放大器本身电阻的的热噪声热噪声和晶体管的和晶体管的散弹噪声散弹噪声。 主放大器在放大前置放大器的输出信号时，也会将前主放大器在放大前置放大器的输出信号时，也会将前置放大器产生的噪声一起放大。前置放大器的性能优劣对置放大器产生的噪声一起放大。前置放大器的性能优劣对接收机的灵敏度有十分重要的影响。为此，接收机的灵敏度有十分重要的影响。为此，前置放大器必前置放大器必须是低噪声、宽频带放大器。须是低噪声、宽频带放大器。- 主放大器主要用来提供高的增益主放大器主要用来提供高的增益，将前置放大器的，将前置放
47、大器的输出信号放大到适合于判决电路所需的电平。前置放大器输出信号放大到适合于判决电路所需的电平。前置放大器的输出信号电乎一般为的输出信号电乎一般为mV量级，而主放大器的输出信号量级，而主放大器的输出信号一般为一般为1V3V(峰峰值峰峰值)。 2、前置放大器前置放大器 均衡器的作用是对主放大器输出的失真的数均衡器的作用是对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进行整形，使之成为最有利于判决、字脉冲信号进行整形，使之成为最有利于判决、码间干扰最小的升余弦波形。码间干扰最小的升余弦波形。 均衡器的输出信号通常分为两路，均衡器的输出信号通常分为两路，一路经峰一路经峰值检波电路变换成与输入信号的峰值成比例的直
48、值检波电路变换成与输入信号的峰值成比例的直流信号，送入自动增益控制电路，用以控制主放流信号，送入自动增益控制电路，用以控制主放大器的增益；大器的增益；另一路送入判决再生电路，将均衡另一路送入判决再生电路，将均衡器输出的升余弦信号恢复为器输出的升余弦信号恢复为“0”或或“1”的数字信的数字信号。号。3、均衡器均衡器 定时提取电路用来恢复采样所需的时钟。定时提取电路用来恢复采样所需的时钟。 衡量衡量接收机性能的主要指标是接收灵敏度。接收机性能的主要指标是接收灵敏度。在接收机的理论中，中心的问题是如何降低输在接收机的理论中，中心的问题是如何降低输入端的噪声，提高接收灵敏度。入端的噪声，提高接收灵敏度
49、。 光接收机灵敏度主要取决于光电检测器的光接收机灵敏度主要取决于光电检测器的响应度响应度以及检测器和放大器的以及检测器和放大器的噪声噪声。 由由光电检测器、前置放大器、主放大器和均衡光电检测器、前置放大器、主放大器和均衡器器构成的这部分电路称为线性通道。线性通道主要构成的这部分电路称为线性通道。线性通道主要完成对信号的线性放大，以满足判决电平的要求。完成对信号的线性放大，以满足判决电平的要求。1 1前置放大器前置放大器 接收机的前端包括反向接收机的前端包括反向偏压下的光电二极管和前置偏压下的光电二极管和前置放大器。光电二极管接收由放大器。光电二极管接收由光纤耦合来的光信号。在实光纤耦合来的光信
50、号。在实际电路分析中，可将光电二际电路分析中，可将光电二极管看成是一个与其结电容极管看成是一个与其结电容C Cd d并联的并联的电流源电流源，等效电路，等效电路如右图所示，其中如右图所示，其中R RL L为负载为负载电阻电阻。二、线性通道 接收机前端的设计接收机前端的设计需要综合考虑需要综合考虑接收灵敏接收灵敏度度和和带宽带宽两个因素，一两个因素，一般来说有三种不同的方般来说有三种不同的方式，即式，即低阻抗、高阻抗低阻抗、高阻抗和跨阻抗和跨阻抗前端，如右图前端，如右图所示。所示。 图中图中C Ci i为总的输为总的输入电容，其中包括光电入电容，其中包括光电二极管的结电容和前置二极管的结电容和前
