1、第第 4 章章 光端机光端机 光端机光端机包括光发射机光发射机和光接收机光接收机，它们是光纤通信系统的基本部件基本部件。光发射机光发射机是实现电电/光光转换的光端机光端机。光接收机光接收机是实现光光/电电转换的光端机光端机。本章重点要求：本章重点要求：1、光源的调制；2、光发射机的结构与工作原理；3光接收机的结构与工作原理。本章难点：本章难点：光波的调制4.1 4.1 光发射机光发射机 光发射机是实现电电/光光转换的光端机。它由光源光源、驱动器驱动器和调制器调制器组成。如图 其功能功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。如
2、图一、光源一、光源 光源光源是光发射机的关键器件关键器件，其功能功能是把电信号电流电信号电流转换为光信号功率光信号功率,即实现电电/光转光转换换。目前目前光纤通信广泛使用的光源光源主要有半导半导体激光二极管体激光二极管或称激光器激光器(LD）、分布反馈激分布反馈激光器光器（DFB)和发光二极管发光二极管或称发光管发光管(LED)。LD-DFB LD-LED 对光源性能的基本要求对光源性能的基本要求1 1、光源发光波长必须与、光源发光波长必须与三个低损耗窗口三个低损耗窗口相符相符 石英光纤的损耗特性有三个低损耗窗口三个低损耗窗口，其中心波长分别为 850 nm、1310 nm 和 1550 nm
3、 因此，光源的发光波长光源的发光波长应与三个低损耗窗口相符。2 2、足够的光输出功率、足够的光输出功率 在室温下室温下长时间连续工作的光源，必须按光通信系统设计的要求，能提供足够的光输出功率。目前激光二极管激光二极管能提供500微瓦到微瓦到10毫瓦毫瓦的输出光功率；发光二极管发光二极管可提供10微瓦到微瓦到1毫瓦毫瓦的输出光功率。3 3、可靠性高、寿命长、可靠性高、寿命长 现在现在的激光二极管激光二极管可靠性比较高，寿寿命命长。激光二极管激光二极管寿命寿命105小时，发光二极管发光二极管寿命寿命107小时。4 4、温度稳定性好、温度稳定性好 器件器件应能在常温下常温下以连续波方式工作，要求温度
4、稳定性好温度稳定性好。如图LD、LED。5 5、调制特性好、调制特性好 允许的调制速率调制速率要高要高或响应速度响应速度要快要快，以满足系统的大传输容量的要求。6 6、光谱宽度要窄、光谱宽度要窄 光谱单色性要好光谱单色性要好，即谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。LD 线宽线宽 2nm；LED 线宽线宽在100nm左右。7 7、与光纤之间的耦合效率高、与光纤之间的耦合效率高 光源光源发出的光光最终要耦合进光纤才能进行传输，因此希望光源与光纤之间有较高的耦合效率，使入纤功率大，中继间距加大。目前一般激光的耦合效率为目前一般激光的耦合效率为 20%30%较高水平的耦合效率可超过较高水平的耦合
5、效率可超过 50%二、光源的调制方式二、光源的调制方式 在光纤通信系统中，把随信息变化的电信号加到光载波上，使光载波按信息的变化而变化，这就是光波的调制光波的调制。从调制方式调制方式与光源光源的关系上来分，强强度调制的方法度调制的方法有两种有两种：直接调制直接调制和外调制外调制。从调制信号的形式调制信号的形式来分，光调制又分为模拟模拟调制调制和数字调制数字调制。1 1、直接调制直接调制 直接调制直接调制是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。光源直接调制光源直接调制的优点是简单、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退化的限制。光纤通信中光源光纤通
6、信中光源多采用直接调制方直接调制方式式。如图2 2、外调制、外调制 外调制外调制一般是基于电光、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。如图 外调制方式外调制方式需要调制器，结构复杂，但可获得优良的调制性能，特别适合高速率高速率光通信系统。3 3、模拟调制、模拟调制 模拟调制模拟调制可分为两类，一类一类是利用模拟模拟基带信号基带信号直接对光源进行调制；另一类另一类采用连续或脉冲的射频波作连续或脉冲的射频波作副载波副载波，模拟基带信号先对它进行调制，再用已调制的副载波已调制的副载波去调制光载波调制光载波。由于模拟调制模拟调制的调制速率较低调制速率较
7、低，均使用直接调制方式直接调制方式。4 4、数字调制、数字调制 数字调制数字调制主要指PCM脉码调制。先将连续的模拟信号进行抽样、量化、编码，转化成一组二进制脉冲代码，对光信号进行通断调制。数字调制数字调制也可使用直接调制直接调制和外调制外调制。三、三、光源的直接调制原理光源的直接调制原理1 1、LD模拟调制原理，模拟调制原理，如图如图 ptItIohtI调制后的光信号调制后的光信号调制信号调制信号注入电流注入电流发光强度发光强度2 2、LD 数字调制原理数字调制原理 ，如图如图ptItIohtI调制后的光信号调制后的光信号调制信号调制信号注入电流注入电流发光强度发光强度四、消光比四、消光比
8、消光比消光比的定义：激光器在全“1”码时发射的光功率P1与全“0”码时发射的光功率P0之比，即 01PPEXT 若用dB表示为01lg10PPEXT 消光比消光比又称为光脉冲的通断比。光源的消光比将直接影响光接收机的灵敏度，为了不使光接收机灵敏度明显下降，消光比一般要求EXT或10EXT10dB 4.2.14.2.1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收机方框图如图所示，主要包括光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电路。4.2 4.2 光接收机光接收机数字光接收机方框图光检测器偏压控制前置放大器AGC电路均
9、衡器判决器时钟提取再生码流主放大器光信号光检测器光检测器 光检测器是光接收机实现光/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。在光纤通信系统中，光光-检测器检测器主要采用半导体半导体PIN光电二极管光电二极管和雪崩光电二雪崩光电二极管极管（APD)。PIN APD一、一、PIN 光电二极管光电二极管1、PIN光电二极管结构光电二极管结构P+增透膜光电极电极(a)NPI电极(b)InPPIInGaAsInPN基于异质结的PIN光电二极管2、PIN 光电二极管工作原理光电二极管工作原理PIN 光电二极管工作原理光电二极管工作原理 当光从P区一侧入射，则光能量在被吸收的同时
10、仍继续向 N区一侧延伸吸收，在经过耗尽层时，由于吸收光子能量，电子从价带被激励到导带而产生电子空穴对（即光生载流子），并且在耗尽层空间电场作用下，分别向N型区和P型区相互逆方向作漂移运动，并在外部电路形成光电流。然而，在耗尽层以外的区域因为没有电场作用，所以由光电效应产生的电子空穴对，在扩散运动中相遇发生复合，从而消失。由于扩散运动与漂移运动相比是一慢过程，因而由扩散运动产生的光电流不能快速响应输入光强的变化，减少了光电二极管的频率响应。二、二、雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)雪崩光电二极管(APD)的的结构与PIN不同表现在增加了一个附加层，以实现碰撞电离产生二次电子空穴对，在反向时夹
11、在I 层和N层间的P层中存在高电场，该层称为倍增区或增益区雪崩区),耗尽层仍为I层，起产生一次电子-空穴对的作用。1 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)的的结构的的结构 目前光纤通信系统中，更多的是采用吸收吸收区与雪崩倍增区相互分离区与雪崩倍增区相互分离的APD管，这种APD管称为SAM-APD。如图 SAM-APD管有四层结构：1、高掺杂的N+型半导体，为接触层接触层；2、型半导体，为倍增层倍增层（或称雪崩区）；3、轻掺杂半导体I层，为漂移漂移区区（光吸收区）；4、高掺杂的P+型半导体，为接触层接触层。吸收区与雪崩倍增区相互分离的APD管的四层结构2 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD
12、)的工作原理的工作原理 当外加的反向偏压(约100V-150V)比PIN情况下高得多时，这个电压几乎都降到PN结上。特别是在高阻的PN结附近，电场强度可高达，已经高出碰撞电离的电场。SAM-APD管在外加的反向偏压(约50V-150V)下的场分布如图所示。2 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)的工作原理的工作原理 此时若光从 P 区照射，则和 PIN 一样，大部分光子将在较厚的 I 层被吸收，因而产生电子、空穴对。入射光功率产生的电子空穴对经过高场区时不断被加速而获得很高的能量，这些高能量的电子或空穴在运动过程中与价带中的束缚电子碰撞，使晶格中的原子电离，产生新的电子-空穴对。新的电子空穴
13、对受到同样加速运动，又与原子碰撞电离，产生电子空穴对，称为二次电子空穴对。如此重复，使强电场区域中的电子和空穴成倍的增加，载流子和反向光生电流迅速增大，产生雪崩现象,这个物理过程称为雪崩倍增效应。雪崩过程倍增了一次光生电流，因此，在雪崩光电二极管内部就产生了放大作用。雪崩光电二极管就是这样既可以检测光信号既可以检测光信号，又能又能放大光信号电流放大光信号电流。三三.放大器放大器 前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。前放的噪声取决于放大器的类型，目前有三种类型的前放可供选择。三种类型前置放大器的比较：1、双极型晶体管前置放大器的主要特点是输入阻抗低，电路时间常数RC小
14、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。2、场效应管前置放大器的主要特点是输入阻抗高，噪声小，高频特性较差，适用于低速率传输系统。三种类型前置放大器的比较：3、跨阻型前置放大器最大的优点是改善了带宽特性和动态范围，并具有良好的噪声特性。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)Rf4.2.24.2.2误码率误码率 由于噪声的存在，放大器输出的是一个随机过程，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“0”码误判为“1”码，或把“1”码误判为“0”码。光接收机对码元误判的概率称为误码率，用较长时间间隔内，在
15、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。传输总码元数误码码元数误码率误码率=一般数字通信系统的误码率要求为10-9以上，误码率为10-3 10-6时通信质量将受到较严重的影响，超过10-3时通信会中断。计算误码率的示意图 tIsImI1(t)I0(t)判决门限D04.2.3 4.2.3 灵敏度灵敏度 灵敏度是衡量光接收机性能的综合指标。灵敏度 Pr 的定义是，在保证通信质量(限定误码率或信噪比)的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率 Pmin，并以dBm为单位。由定义得到3min10lg10PPr（）dBm 10-3指1mW光功率。灵敏度 Pr 的值越小，表示灵敏度越高，系统性能越好。3min10lg10PPr（）dBm 如灵敏度Pr=-48.2dBm时，光接收机所需的最小平均接收光功率为 nW15W105.110108103minrPP 如灵敏度Pr=-38.314dBm时，光接收机所需的最小平均接收光功率为 nW147W1047.110107103minrPP
