光發(fā)射機(jī)與光接收機(jī)及光纖通信系統(tǒng).doc

第八章 光發(fā)射機(jī)與光接收機(jī)及光纖通信系統(tǒng)（4課時(shí)）韋文生本章內(nèi)容簡(jiǎn)介光發(fā)射機(jī)是實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。它由光源、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器組成。其功能是將來自于電端機(jī)的電信號(hào)對(duì)光源發(fā)出的光波進(jìn)行調(diào)制，成為已調(diào)光波，然后再將已調(diào)的光信號(hào)耦合到光纖或光纜去傳輸。光接收機(jī)是實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。它由光檢測(cè)器和光放大器組成。其功能是將光纖或光纜傳輸來的光信號(hào)，經(jīng)光檢測(cè)器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，然后再將這微弱的電信號(hào)經(jīng)放大電路放大到足夠的電平，送到接收端的電端機(jī)去。（一）學(xué)習(xí)者分析：本章為光發(fā)射機(jī)與光接收機(jī)及光纖通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)，是光源及其驅(qū)動(dòng)電路、光探測(cè)器及其驅(qū)動(dòng)電路、光通信系統(tǒng)的綜合應(yīng)用。學(xué)生學(xué)習(xí)了前面各章的知識(shí)，應(yīng)該概括起來，對(duì)光通信系統(tǒng)有綜合的認(rèn)識(shí)。（二）教學(xué)目標(biāo)：使學(xué)生掌握光發(fā)射機(jī)與光接收機(jī)及光纖通信系統(tǒng)的基本原理和結(jié)構(gòu)組成，以及對(duì)光纖通信系統(tǒng)基本參數(shù)的認(rèn)識(shí)。（三）主要內(nèi)容（重點(diǎn)、難點(diǎn)）和方法： 光發(fā)射機(jī)與光接收機(jī)的基本原理和結(jié)構(gòu)組成； 光纖通信系統(tǒng)的基本原理和結(jié)構(gòu)組成。 措施：通過理論知識(shí)講授、動(dòng)畫演示、圖形解釋、例題分析使學(xué)生牢記光發(fā)射機(jī)與光接收機(jī)的基本原理和結(jié)構(gòu)組成；光纖通信系統(tǒng)的基本原理和結(jié)構(gòu)組成。（四）基本要求： 掌握光發(fā)射機(jī)與光接收機(jī)的基本原理和組成結(jié)構(gòu)； 掌握光纖通信波分復(fù)用技術(shù)的基本組成結(jié)構(gòu)和原理。（五）教學(xué)要點(diǎn)：重點(diǎn)闡述光發(fā)射機(jī)模擬/數(shù)字調(diào)制的工作原理及各項(xiàng)基本指標(biāo)的含義，以及有關(guān)光源各種電路的原理；光接收機(jī)的原理、性能指標(biāo)、光纖通信波分復(fù)用技術(shù)的原理框圖。（六）教學(xué)特點(diǎn)：是本課程中光源、探測(cè)器、光傳輸?shù)葍?nèi)容的綜合；為本課程其它學(xué)習(xí)內(nèi)容的概括總結(jié)，為光通信系統(tǒng)的理解奠定基礎(chǔ)。（七）教學(xué)安排：第一節(jié)2課時(shí)；第二節(jié)1課時(shí)；第三節(jié)1課時(shí)。第一節(jié) 光發(fā)射機(jī)- 光纖通信系統(tǒng)傳輸?shù)氖枪庑盘?hào)， 作為光纖通信系統(tǒng)的光源，便成為重要的器件之一。它的作用是產(chǎn)生作為光載波的光信號(hào)， 作為信號(hào)傳輸?shù)妮d體攜帶信號(hào)在光纖傳輸線中傳送。由于光纖通信系統(tǒng)的傳輸媒介是光纖，因此作為光源的發(fā)光器件，應(yīng)滿足以下要求：- (1)體積小，與光纖之間有較高的耦合效率；- (2)發(fā)射的光波波長(zhǎng)應(yīng)位于光纖的三個(gè)低損耗窗口，即0.85m、1.31m和1.55m波段；- (3)可以進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制；- (4)可靠性高，要求它工作壽命長(zhǎng)、工作穩(wěn)定性好，具有較高的功率穩(wěn)定性、波長(zhǎng)穩(wěn)定性和光譜穩(wěn)定性；- (5)發(fā)射的光功率足夠高，以便可以傳輸較遠(yuǎn)的距離；- (6)溫度穩(wěn)定性好，即溫度變化時(shí)，輸出光功率以及波長(zhǎng)變化應(yīng)在允許的范圍內(nèi)。- 能夠滿足以上要求的光源一般為半導(dǎo)體二極管。目前全光纖激光器作為一種新型的激光器也有望在光纖通信系統(tǒng)中發(fā)揮其作用。最常用的半導(dǎo)體發(fā)光器件是發(fā)光二極管(LED)和激光二極管(LD)。前者可用于短距離、低容量或模擬系統(tǒng)，其成本低、可靠性高；后者適用于長(zhǎng)距離、高速率的系統(tǒng)。在選用時(shí)應(yīng)根據(jù)需要綜合考慮來決定，因此它們都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)和特性，下面就兩者的性能作系統(tǒng)的比較。激光二極管發(fā)光二極管1輸出光功率較大，幾mW一幾十mw。輸出光功率較小，一般僅1mw一2mW。2帶寬大，調(diào)制速率高，幾百M(fèi)Hz一幾十GHz。帶寬小，調(diào)制速率低，幾十一200MHz。3光束方向性強(qiáng)，發(fā)散度小。方向性差，發(fā)散度大。4與光纖的耦合效率高，可高達(dá)80以上。與光纖的耦合效率低，僅百分之幾。5光譜較窄。光譜較寬。6制造工藝難度大，成本高。制造工藝難度小，成本低。7在要求光功率較穩(wěn)定時(shí)，需要APC和ATC。可在較寬的溫度范圍內(nèi)正常工作。8輸出特性曲線的線性度較好。在大電流下易飽和。9有模式噪聲。無模式噪聲。10可靠性一般?？煽啃暂^好。11工作壽命短。工作壽命長(zhǎng)。- 根據(jù)LED和LD的性能，在選擇光源時(shí)應(yīng)作到技術(shù)上合理、經(jīng)濟(jì)上合理以及便于應(yīng)用。圖8-l為波長(zhǎng)、通信容量、模式以及通信距離四者之間的定性關(guān)系以及光纖通信發(fā)展的歷程和趨勢(shì)。圖8-l 波長(zhǎng)、通信容量、模式以及通信距離四者之間關(guān)系圖-在光纖通信系統(tǒng)中，由于信息由LED和LD發(fā)出的光波攜帶，因此光發(fā)射機(jī)主要有調(diào)制電路和控制電路組成，如圖8-2所示。在數(shù)字通信中，輸入電路將輸入的PCM脈沖信號(hào)變換成NRZRZ碼后，通過驅(qū)動(dòng)電路調(diào)制光源(直接調(diào)制)，或送到光調(diào)制器調(diào)制光源輸出的連續(xù)光波(外調(diào)制)。對(duì)直接調(diào)制，驅(qū)動(dòng)電路需給光源加一直流偏置；而外調(diào)制方式中光源的驅(qū)動(dòng)為恒定電流，以保證光源輸出連續(xù)光波。 自動(dòng)偏置和自動(dòng)溫度控制電路是為了穩(wěn)定輸出的平均光功率和工作溫度，此外，光發(fā)射機(jī)中還有報(bào)警電路，用以檢測(cè)和報(bào)警光源的工作狀態(tài)。-本節(jié)首先簡(jiǎn)要介紹光載波的調(diào)制方式，然后著重介紹光源的驅(qū)動(dòng)和控制電路。8.1.1 光波的調(diào)制-在光纖通信系統(tǒng)中，把隨信息變化的電信號(hào)加到光載波上，使光載波按信息的變化而變化，這就是光波的調(diào)制。從本質(zhì)上講，光載波調(diào)制和無線電波載波調(diào)制一樣，可以攜帶信號(hào)的振幅、強(qiáng)度、頻率、 相位和偏振等參數(shù)使光波攜帶信息，也即有調(diào)幅、調(diào)強(qiáng)、調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)偏等多種調(diào)制方式。但為了便于解調(diào)，在光頻段多采用光的強(qiáng)度調(diào)制方式。-從調(diào)制方式與光源的關(guān)系上來分，強(qiáng)度調(diào)制的方法有兩種：直接調(diào)制和外調(diào)制。直接調(diào)制是用電信號(hào)直接調(diào)制光源器件的偏置電流，使光源發(fā)出的光功率隨信號(hào)而變化；外調(diào)制一般是基于電光、磁光、聲光效應(yīng)，讓光源輸出的連續(xù)光載波通過光調(diào)制器，光信號(hào)通過調(diào)制器實(shí)現(xiàn)對(duì)光載波的調(diào)制。光源直接調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、容易實(shí)現(xiàn)，但調(diào)制速率受載流子壽命及高速率下的性能退化的限制。外調(diào)制方式需要調(diào)制器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但可獲得優(yōu)良的調(diào)制性能，特別適合高速率光通信系統(tǒng)。-從調(diào)制信號(hào)的形式來分，光調(diào)制又分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。模擬調(diào)制又可分為兩類，一類是利用模擬基帶信號(hào)直接對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制；另一類采用連續(xù)或脈沖的射頻波作副載波，模擬基帶信號(hào)先對(duì)它進(jìn)行調(diào)制，再用該已調(diào)制的副載波去調(diào)制光載波。由于模擬調(diào)制的調(diào)制速率較低，均使用直接調(diào)制方式。-數(shù)字調(diào)制主要指PCM脈碼調(diào)制。先將連續(xù)的模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣、量化、編碼，轉(zhuǎn)化成一組二進(jìn)制脈沖代碼，對(duì)光信號(hào)進(jìn)行通斷調(diào)制。數(shù)字調(diào)制也可使用直接調(diào)制和外調(diào)制。8.1.2 LED的驅(qū)動(dòng)電路-在小型模擬或低速、短距離數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，可以采用LED作為系統(tǒng)光源。但不論那種通信系統(tǒng)，用LED作光源時(shí)，均采用直接強(qiáng)度調(diào)制方式，即通過改變LED的注入電流調(diào)制輸出光功率。下面分別介紹模擬系統(tǒng)及數(shù)字系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路。1LED的直接調(diào)制原理-圖8-3為對(duì)LED進(jìn)行模擬調(diào)制的原理圖。 連續(xù)的模擬信號(hào)電流疊加在直流偏置電流上，適當(dāng)選擇直流偏置的大小，使靜態(tài)工作點(diǎn)位于發(fā)光管特性曲線線性段的中點(diǎn)，可以減小光信號(hào)的非線性失真。調(diào)制線性的好壞取決于調(diào)制深度m。設(shè)調(diào)制電流幅值為I，偏置電流為IB，則 (8-1)圖8-3 LED模擬調(diào)制原理圖-LED的數(shù)字調(diào)制原理圖如圖8-4所示。信號(hào)電流為單向二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，用單向脈沖電流的有、無(1碼和0碼)控制發(fā)光管的發(fā)光與否。模擬系統(tǒng)或數(shù)字系統(tǒng)都是通過控制流經(jīng)發(fā)光管電流的辦法達(dá)到調(diào)制輸出光功率的目的。但由于二者功率不同，對(duì)驅(qū)動(dòng)與偏置電路也不同，下面分別加以討論。圖8-4 LED數(shù)字調(diào)制原理圖2LED的模擬驅(qū)動(dòng)電路-在模擬系統(tǒng)中，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求是提供一定的工作點(diǎn)偏置電流及足夠的信號(hào)驅(qū)動(dòng)電流，以使光源能夠輸出足夠的功率， 并使其輸出功率隨輸入信號(hào)線性變化， 非線性失真小。產(chǎn)生的非線性失真必須低于 -30dB-50dB。但由于LED本身存在非線性失真，在高質(zhì)量要求的信號(hào)傳輸中，還需要線性補(bǔ)償電路。 LED對(duì)溫度不很敏感，因此驅(qū)動(dòng)電路中一般不采用復(fù)雜的自動(dòng)功率控制(APC)和自動(dòng)溫度控制(ATC)電路，較LD的驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單得多。-圖8-5為一種簡(jiǎn)單而又具有高速特性的共發(fā)射極跨導(dǎo)式驅(qū)動(dòng)器。 它將基極電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榧姌O電流以驅(qū)動(dòng)發(fā)光管。晶體管工作在甲類工作狀態(tài)，調(diào)整基極偏置，使晶體管和發(fā)光管都偏置在各自的線性區(qū)，并使靜態(tài)集電極電流即LED的偏置電流IBImm 。圖8-5 LED模擬驅(qū)動(dòng)電路設(shè)Im24mA，m0.8，則IB30mA，工作電流范圍3024mA, 其頻率響應(yīng)大于100MHZ。采用鍺二極管和電阻與LED并聯(lián)，在大電流時(shí)起分流作用，擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)電流范圍，提高LED的線性，該電路的諧波失真小于-45dB。3LED的數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路- LED的數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路主要應(yīng)用于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)能提供幾十至幾百毫安（mA）的開關(guān)電流。碼速不高時(shí)，可以不加偏置；但在高碼速時(shí)，需加小量的正向偏置電流，有利于保持二極管電容上的電荷。幾種典型的LED數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路見圖8-6所示。(a)簡(jiǎn)單的共射極飽和開關(guān)電路 (b)低阻抗射極跟隨式驅(qū)動(dòng)電路(c)發(fā)射極鍋臺(tái)開關(guān)式驅(qū)動(dòng)電路 (d)高速LED驅(qū)動(dòng)電路。圖6-6 LED數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路在圖8-6中，圖(a)為晶體管共射驅(qū)動(dòng)電路，晶體管用作飽和開關(guān)，提供電流增益，其兩端的電壓降較小，飽和壓降Vcc0.3V。-圖(b)中的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)因高電流增益， 降低了輸出阻抗。這一電路可從具有180pF的電容的發(fā)光管上得到2.5ns的光上升時(shí)間，可傳輸100Mbs 的數(shù)字信號(hào)。 但由于發(fā)射極輸出的負(fù)載不是純電阻， 可能使電路發(fā)生振蕩。RlCl并聯(lián)串接于發(fā)射極電路，組成發(fā)射極跟隨電路，提供電壓階躍，以補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)電流開始時(shí)， 對(duì)發(fā)光管電容充電所造成的光驅(qū)動(dòng)電流的下降，從而使驅(qū)動(dòng)器可工作在高碼速情況下。-圖(c)為發(fā)射極耦合開關(guān)式驅(qū)動(dòng)電路，可傳輸300Mbs以上的數(shù)字信號(hào)。 晶體管Tl和T2是發(fā)射極耦合式開關(guān)，T3為恒流源。發(fā)光管的驅(qū)動(dòng)電流由恒流源決定。這種電路類似線性差分放大器，實(shí)際作開關(guān)用。由于它超越了線性范圍工作，輸入端過激勵(lì)時(shí)；仍沒有達(dá)到飽和，所以開關(guān)速率更高。-圖(d)為高速LED驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)LED為面發(fā)光管時(shí)，可傳輸2Gbs以上的數(shù)字信號(hào)。該電路的脈沖前后沿為0.35ns，預(yù)偏置為15mA，電流峰值為100mW。圖8-7為TTL開關(guān)式驅(qū)動(dòng)電路實(shí)例。圖8-7 TTL開關(guān)式驅(qū)動(dòng)電路8.1.3 LD的驅(qū)動(dòng)電路-由于LD通常用于高速系統(tǒng)，且是閾值器件，它的溫度穩(wěn)定性較差，與LED相比，其調(diào)制問題要復(fù)雜的多，驅(qū)動(dòng)條件的選擇、調(diào)制電路的形式和工藝， 都對(duì)調(diào)制性能至關(guān)重要。1LD的模擬調(diào)制原理-圖8-8為對(duì)LD進(jìn)行模擬調(diào)制的原理圖。圖8-8 LD模擬調(diào)制原理圖2LD的數(shù)字調(diào)制原理-圖8-9為對(duì)LD進(jìn)行數(shù)字調(diào)制的原理圖。圖8-9 LD數(shù)字調(diào)制原理圖3偏置電流和調(diào)制電流的選擇-采用直接調(diào)制方式時(shí)，偏置電流的選擇直接影響激光器的高速調(diào)制性質(zhì)。選擇直流預(yù)偏置電流應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：-(1)加大直流偏置電流使其逼近闕值，可以大大減小電光延遲時(shí)間， 同時(shí)使張弛振蕩得到一定程度的抑制。圖8-10為L(zhǎng)D無偏置和有偏置時(shí)脈沖瞬態(tài)波形和光譜。由圖中可以看出，由于 LD 加了足夠的預(yù)偏置電流，調(diào)制電流脈沖幅度較小，預(yù)偏置后張弛振蕩大大減弱，譜線減少，光譜寬度變窄；另外，電光延遲的減小，也大大提高了調(diào)制速率。-(2)當(dāng)激光器偏置在閾值附近時(shí)， 較小的調(diào)制脈沖電流即能得到足夠功率的輸出光脈沖，從而可以大大減小碼型效應(yīng)。-(3)加大直流偏置電流會(huì)使激光器的消光比惡化。所謂消光比，是指激光器在全l碼時(shí)發(fā)送的光功率(P1)與全0碼時(shí)發(fā)射的光功率(Po)之比，用dB表示為：-(8-2)-光源的消光比將直接影響接收機(jī)的靈敏度，為了不使接收機(jī)的靈敏度明顯下降，消光比一般應(yīng)大于10dB，如果激光器的偏置電流IB過大，勢(shì)必會(huì)使消光比惡化，降低接收機(jī)的靈敏度。通常取IB(0.850.9)Ith。驅(qū)動(dòng)脈沖電流的峰-峰值Im一般取Im十IB(1.21.3)Ith，以避免結(jié)發(fā)熱和碼型效應(yīng)。-結(jié)發(fā)熱效應(yīng)表現(xiàn)在閾值和輸出光功率隨結(jié)溫的變化。穩(wěn)態(tài)時(shí)，體現(xiàn)在其輸出特性隨溫度的變化，瞬態(tài)時(shí)，調(diào)制電流Im的出現(xiàn)也會(huì)使結(jié)溫在閾值時(shí)發(fā)生一定波動(dòng)。這種波動(dòng)也將引起閾值電流和輸出光功率發(fā)生波動(dòng)。-在電流脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，結(jié)溫將隨時(shí)間t的增加而增加，而輸出光功率卻隨時(shí)間增加而減小；當(dāng)電流脈沖過后，情況正好相反，結(jié)溫隨t減小，輸出的光功率卻隨t增加，最后達(dá)到偏置電流的穩(wěn)定值。因此，如果同一連續(xù)的脈沖電流去調(diào)制激光器，而且脈沖電流的寬度足夠?qū)?，那么由于結(jié)的發(fā)熱效應(yīng)，光脈沖將出現(xiàn)調(diào)制失真。-實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)偏流逼近閾值，并適當(dāng)選擇調(diào)制電流幅度，對(duì)減小結(jié)發(fā)熱效應(yīng)是有利的。-(4)實(shí)驗(yàn)證明，異質(zhì)結(jié)激光器的散粒噪聲在閾值處出現(xiàn)最大值，如激光器正好偏置在閾值上，散粒噪聲的影響較嚴(yán)重。- 因此，偏置電流的選擇，要兼顧電光延遲、張弛振蕩、碼型效應(yīng)、激光器的消光比以及散粒噪聲等各方面情況，根據(jù)器件特別是激光器的具體性能和系統(tǒng)的具體要求，適當(dāng)?shù)倪x擇偏置電流的大小。由于激光器的電阻較小，因此激光器的偏置電路應(yīng)是高阻恒流源。- 調(diào)制電流幅度的選擇，應(yīng)根據(jù)激光器的特性曲線，既要有足夠的輸出光脈沖功率，又要 考慮到光源的負(fù)擔(dān)。 考慮到某些激光器在某些區(qū)域有自脈動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生，Im的選擇應(yīng)避開這些區(qū)域。4激光器的直接調(diào)制電路-激光器的直接調(diào)制電路有許多種，但概括起來有兩類： 一類是單管集電極驅(qū)動(dòng)電路，另一類是射極耦合開關(guān)電路。圖8-11為單管集電極驅(qū)動(dòng)電路原理圖。半導(dǎo)體三極管的輸出特性在放大區(qū)表現(xiàn)為恒流源，可以用集電極電流驅(qū)動(dòng)光源。圖中DT為驅(qū)動(dòng)管，當(dāng)電信號(hào)加在DT基極時(shí)，即可驅(qū)動(dòng)集電極電路中的激光器，使之輸出的光功率隨信號(hào)的變化而變化。圖8-11 單管集電極驅(qū)動(dòng)電路原理圖DT工作在開關(guān)狀態(tài)，圖8-12為射極耦合光發(fā)送驅(qū)動(dòng)電路。- 圖中晶體管BG2和BG3為發(fā)射極耦合對(duì)，組成非飽和電流選擇開關(guān)。當(dāng)BG2基極電位高于BG3基極電位時(shí)，BG2導(dǎo)通，恒流源的驅(qū)動(dòng)電流Im全部流過BG2， 故流過LD的電流為零。反之， 當(dāng)BG2基極電位低于BG3基極電位時(shí)，BG3導(dǎo)通，所有驅(qū)動(dòng)電流都通過LD。電流開關(guān)的轉(zhuǎn)換過程由輸入數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成ECL電平來控制，ECL電平l碼時(shí)，輸出為-1.8V，0 碼時(shí)，輸出為 十0.8V，經(jīng)過BGl和D1電平移動(dòng)后加到BG2基極，而BG3基極電平固定在 -2.6V，它由溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖茧娖絍bb經(jīng)BG4和D2電平移動(dòng)得到。Vbb-1.31 V是l碼和0碼電平的中間值。選擇適當(dāng)?shù)妮斎腚妷海咕w管不驅(qū)動(dòng)到飽和狀態(tài)， 就能起到快速開關(guān)作用，同時(shí)恒流源可使開關(guān)噪聲很小。5自動(dòng)功率控制電路(APC)- 在使用中，LD結(jié)溫的變化以及老化都會(huì)使Ith增大，量子效率下降，從而導(dǎo)致輸出光脈沖的幅度發(fā)生變化。為了保證激光器有穩(wěn)定的輸出光功率，需要有各種輔助電路，例如功率控制電路、溫控電路、限流保護(hù)電路和各種告警電路等。-光功率自動(dòng)控制有許多方法，一是自動(dòng)跟蹤偏置電流，使LD偏置在最佳狀態(tài)；二是峰值功率和平均功率的自動(dòng)控制；三是P-I曲線效率控制法等。 但最簡(jiǎn)單的辦法是通過直接檢測(cè)光功率控制偏置電流，用這種辦法即可收到良好的效果。該辦法是利用激光器組件中的PIN光電二極管，監(jiān)測(cè)激光器背向輸出光功率的大小， 若功率小于某一額定值時(shí)，通過反饋電路后驅(qū)動(dòng)電流增加，并達(dá)到額定輸出功率值。反之，若光功率大于某一額定值，則使驅(qū)動(dòng)電流減小，以保證激光器輸出功率基本上恒定不變。圖8-13為美國亞特蘭大光通信系統(tǒng)中光發(fā)射機(jī)的APC電路， 作為L(zhǎng)D輸出光功率自動(dòng)控制的實(shí)際例子。圖8-13 LD的偏置反饋APC電路-圖8-13的電路是通過控制LD偏置電流大小來保持輸出光脈沖幅度的恒定。在運(yùn)放的輸入端，再生信號(hào)由輸入信號(hào)再生處理后得到， 它固定在0V-lV間。 LD組件中PIN管接收LD的背面輸出光，它受到與正面輸出光同樣的溫度及老化影響，從而可用來反饋控制LD輸出光功率。 該P(yáng)IN產(chǎn)生的信號(hào)與直流參考比較后送到放大器的同相端，直流參考通過調(diào)節(jié)Rl控制預(yù)偏置電流IB。 調(diào)節(jié)R2使再生信號(hào)與PIN輸出取得平衡，使IB保持恒定。當(dāng)輸出光功率產(chǎn)生變化時(shí)，平衡破壞，反饋偏置電路將自動(dòng)調(diào)整IB， 使輸出功率恢復(fù)到原來的值，電路又恢復(fù)平衡狀態(tài)。 圖中R3Cl構(gòu)成LD的慢啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)， 當(dāng)剛開啟電源或有突發(fā)的電沖擊時(shí)，由于電路的時(shí)間常數(shù)很大(l ms)，IB只能慢慢增大。這時(shí)，前面的控制電路首先進(jìn)入穩(wěn)定控制狀態(tài)，然后IB緩慢增大，保護(hù)LD免受沖擊。6自動(dòng)溫度控制電路(ATC)-溫度變化引起LD輸出光功率的變化，雖然可以通過APC電路進(jìn)行調(diào)節(jié)，使輸出光功率恢復(fù)正常值。但是，如果環(huán)境溫度升高較多，經(jīng)APC調(diào)節(jié)后，IB增大較多，則LD的結(jié)溫因此也升高很多，致使Ith繼續(xù)增大，造成惡性循環(huán)，從而影響了LD的使用壽命。因此，為保證激光器長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，必須采用自動(dòng)溫度控制電路(ATC)使激光器的工作溫度始終保持在20度左右。LD的溫度控制由微型制冷器、熱敏元件及控制電路組成，如圖8-14所示。圖8-14 LD的溫度控制電路。- 微制冷器多采用半導(dǎo)體制冷器。它是利用半導(dǎo)體材料的珀?duì)柼?yīng)制成的。當(dāng)直流電流通過兩種半導(dǎo)體組成的電偶時(shí)，出現(xiàn)一端吸熱另一端放熱的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為珀?duì)柼?yīng)。微型半導(dǎo)體制冷器的溫差可以達(dá)到3040。-制冷方式分為內(nèi)制冷和外制冷兩種。目前實(shí)際商用的半導(dǎo)體激光器總是和其他一些部件封裝在一起，形成一個(gè)完整的LD組件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8-15所示，它將LD芯片、半導(dǎo)體制冷器和具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻等封裝在一個(gè)體積很小的密封盒內(nèi)，控制電路放在盒外，這屬于內(nèi)制冷方式。內(nèi)制冷方式不僅結(jié)構(gòu)緊湊，控制效率也很高，使激光器有較恒定的輸出光功率和發(fā)射波長(zhǎng)。-外制冷方式是將外加半導(dǎo)體制冷器與山組件的密封盒緊密接觸，通過控制電路給外加制冷器加直流， 達(dá)到控制LD周圍環(huán)境溫度的目的。 通常內(nèi)制冷較外制冷方式更直接、有效。-不論內(nèi)制冷還是外制冷半導(dǎo)體制冷器都是非常重要的。圖8-16為半導(dǎo)體制冷器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中(a)為單個(gè)熱電偶的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，(b)為熱電偶組件，它是由多個(gè)熱電偶按電學(xué)上串聯(lián)、熱學(xué)上并聯(lián)的方式組成的。圖8-15 LD組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)- 單個(gè)熱電偶是由P型和N型摻雜的半導(dǎo)體組成，它被焊接在銅連接片上，并用陶瓷面板將銅連接片與外表面電絕緣。當(dāng)未接外電路時(shí)，跨越它兩端形成的溫度差使它的兩端產(chǎn)生一與溫度差成比例的電位差。此時(shí)將其與外電路的負(fù)載連接起來，將產(chǎn)生電流，從而輸出電功率，這就是一個(gè)熱電偶器件。-將熱電偶與直流電源相連，如圖(a)所示，直流電流通過熱電偶將產(chǎn)生珀?duì)柼?yīng)，在它的一端吸收熱量，與之相連的物體將被冷卻；另一端排放熱量，將散熱器與之接觸，該熱電偶起到制冷器的作用。如果改變直流電流的方向，制冷器的吸熱、散熱端將互換。-由于熱電偶堆是由多個(gè)熱電偶串聯(lián)起來的， 熱電偶的個(gè)數(shù)越多，制冷量越大，在實(shí)際使用過程中，可根據(jù)所需的溫差，選擇不同的熱電偶堆。圖8-16 半導(dǎo)體制冷器的結(jié)構(gòu)示意圖圖8-17是溫度控制電路， LD組件中的熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，在20時(shí)阻值 Rt10k12k，RtT-05。它與Rl，R2，R3組成橋式電路，其輸出電壓加到差分放大器的同相和反相輸入端， 在某溫度下，電橋達(dá)到平衡。 LD溫度升高時(shí)，Rt下降，BGl正向?qū)?，通過制冷器Rc的電流Ic加大，使LD的溫度下降。圖8-17 溫度控制電路。- 具體控制過程如下：-TRt差分放大器輸入端壓降差分放大器輸出電壓IcT。實(shí)際上激光器在連續(xù)工作時(shí)，管芯溫度會(huì)持續(xù)上升，從而使得熱敏電阻Rt總保持在RtR3即電橋總不平衡，于是Ic維持一定值，即控制電路始終為致冷器提供恒定的工作電流Ic。在光發(fā)送電路中，由于采用了ATC 和 APC電路，使LD輸出光功率 的穩(wěn)定度保持在較高的水平上。在環(huán)境溫度為十5十50范圍內(nèi)，LD輸出光功率的不穩(wěn)定度小于5。7激光器的保護(hù)及告警電路-光源是光發(fā)送電路的核心，它價(jià)格昂貴又較容易損壞。因此在光發(fā)送電路中必須設(shè)有保持電路，以防止意外的損壞。另外，當(dāng)光發(fā)送電路出現(xiàn)故障時(shí)，告警電路應(yīng)發(fā)出相應(yīng)的聲、光告警信號(hào)，以便于工作人員維護(hù)。-光源的過流保護(hù)電路 為了使光源不致因通過大電流而損壞，一般需對(duì)光源進(jìn)行過流保護(hù)。圖8-18所示是激光器的過流保護(hù)電路，圖中T3為激光器提供偏流IB。保護(hù)電路由晶體管T4、電阻Rl組成。圖8-18 激光器的過流保護(hù)電路。-正常情況下，電阻Rl上的電壓小于T4的導(dǎo)通降壓，因而T4截止，保護(hù)電路不工作。當(dāng)偏流IB過大， 致使Rl上的壓降VRl劇增并超過T4的導(dǎo)通壓降時(shí)， T4飽和導(dǎo)通，使Vce40，從而導(dǎo)致T3截止，保護(hù)了激光器不致因偏流IB過大而被損壞。-無光告警電路 當(dāng)光發(fā)送機(jī)電路出現(xiàn)故障，或輸入信號(hào)中斷、或激光器損壞時(shí)，都可能使LD長(zhǎng)時(shí)間不發(fā)光。這時(shí)，無光告警電路都應(yīng)動(dòng)作，發(fā)出相應(yīng)的聲光告警信號(hào)。圖8-19 無光告警原理圖。-圖中A2的反向端為直流參考電壓VD，其同相端則為代表LD輸出光功率平均值的Vf。當(dāng)LD發(fā)光正常時(shí)，PIN管檢測(cè)到的光電流經(jīng)A1放大后送入A2的同相端。這時(shí)， VfVD，因此A2輸出高電平， 致使無光告警指示燈LED不亮。當(dāng)LD不發(fā)光時(shí)，PIN管檢測(cè)不到光信號(hào)，因而VfVD， A2輸出低電平， 使無光告警燈發(fā)出紅色告警顯示。另一路高電平為正常、低電平為告警的無光告警信號(hào)則被送入監(jiān)控系統(tǒng)處理。-壽命告警電路隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，LD閾值電流也將逐漸增大。當(dāng)閾值電流增大到開始使用時(shí)的1.5倍時(shí)，就認(rèn)為激光器的壽命終止。-由于IBIth， 所以壽命告警電路通常采用監(jiān)測(cè)偏流IB的值來判斷激光器壽命是否終止。也就是說，當(dāng)IB1.5Itho(Itho為L(zhǎng)D開始啟用時(shí)的閾值電流)時(shí)，壽命告警電路就發(fā)出告警指示。-圖8-20所示為壽命告警電路原理圖。圖中T3為激光器提供偏流IB，T4、R1組成過流保護(hù)電路。由于VlIBRl，所以調(diào)整電位器W使V21.5IthoR1。當(dāng)激光器工作正常時(shí)， IB1.5Itho，則VlV2，A1輸出高電平，壽命告警燈 不亮。如果IB1.5Itho，則激光器壽命終止，這時(shí)VlV2， A1輸出低電平，壽命告警燈發(fā)黃色告警顯示。 同樣有一路高電平正常、低電平告警的壽命告警信號(hào)送到監(jiān)控系統(tǒng)。圖8-20 壽命告警電路原理圖第二節(jié) 光接收機(jī)-光發(fā)送機(jī)輸出的光信號(hào)，在光纖中轉(zhuǎn)輸時(shí)，不僅幅度會(huì)受到衰減，而且脈沖的波形也會(huì)被展寬。光接收機(jī)的任務(wù)是以最小的附加噪聲及失真恢復(fù)出由光纖傳輸、光載波所攜帶的信息，因此光接收機(jī)的輸出特性綜合反映了整個(gè)光纖通信系統(tǒng)的性能。本章重點(diǎn)討論接收機(jī)前端的噪聲特性、模擬及數(shù)字接收機(jī)的性能，如信噪比或誤碼率、接收機(jī)靈敏度等。8.2.1 概述-光纖通信系統(tǒng)有模擬和數(shù)字兩大類，和光發(fā)射機(jī)一樣，光接收機(jī)也有數(shù)字接收機(jī)和模擬接收機(jī)兩種形式，見圖8-21所示。它們均由反向偏壓下的光電檢測(cè)器、低噪聲前置放大器及其他信號(hào)處理電路組成，是一種直接檢測(cè)(DD)方式。與模擬接收機(jī)相比，數(shù)字接收機(jī)更復(fù)雜，在主放大器后還有均衡濾波、定時(shí)提取與判決再生、峰值檢波與AGC放大電路。但因它們?cè)诟唠娖较鹿ぷ鳎⒉挥绊憣?duì)光接收機(jī)基本性能的分析。圖8-21 光纖通信接收機(jī)框圖-光電檢測(cè)器是光接收機(jī)的第一個(gè)關(guān)鍵部件，其作用是把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。目前在光纖通信系統(tǒng)中廣泛使用的光電檢測(cè)器是PIN光電二極管和雪崩光電二極管APD。PIN管比較簡(jiǎn)單，只需10V20V的偏壓即可工作，且不需偏壓控制，但它沒有增益。因此使用PIN管的接收機(jī)的靈敏度不如APD管；AFD管具有10200倍的內(nèi)部電流增益，可提高光接收機(jī)的靈敏度。但使用APD管比較復(fù)雜，需要幾十到200V的偏壓，并且溫度變化較嚴(yán)重地影響APD管的增益特性，所以通常需對(duì)APD管的偏壓進(jìn)行控制以保持其增益不變，或采用溫度補(bǔ)償措施以保持其增益不變。對(duì)光檢測(cè)器的基本要求是高的轉(zhuǎn)換效率、低的附加噪聲和快速的響應(yīng)。由于光檢測(cè)器產(chǎn)生的光電流非常微弱(nAA)，必須先經(jīng)前置放大器進(jìn)行低噪聲放大，光電檢測(cè)器和前置放大器合起來叫做接收機(jī)前端，其性能的優(yōu)劣決定接收靈敏度的主要因素。經(jīng)光電檢測(cè)器檢測(cè)而得的微弱信號(hào)電流，流經(jīng)負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后，由前置放大器加以放大。但前置放大器在將信號(hào)進(jìn)行放大的同時(shí)，也會(huì)引入放大器本身電阻的熱噪聲和晶體管的散彈噪聲。另外，后面的主放大器在放大前置放大器的輸出信號(hào)時(shí)，也會(huì)將前置放大器產(chǎn)生的噪聲一起放大。前置放大器的性能優(yōu)劣對(duì)接收機(jī)的靈敏度有十分重要的影響。為此，前置放大器必須是低噪聲、寬頻帶放大器。-主放大器主要用來提供高的增益，將前置放大器的輸出信號(hào)放大到適合于判決電路所需的電平。前置放大器的輸出信號(hào)電乎一般為mV量級(jí)，而主放大器的輸出信號(hào)一般為1V3V(峰峰值)。-均衡器的作用是對(duì)主放大器輸出的失真的數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)行整形，使之成為最有利于判決、碼間干擾最小的升余弦波形。均衡器的輸出信號(hào)通常分為兩路，一路經(jīng)峰值檢波電路變換成與輸入信號(hào)的峰值成比例的直流信號(hào)，送入自動(dòng)增益控制電路，用以控制主放大器的增益；另一路送入判決再生電路，將均衡器輸出的升余弦信號(hào)恢復(fù)為0或1的數(shù)字信號(hào)。-定時(shí)提取電路用來恢復(fù)采樣所需的時(shí)鐘。 衡量接收機(jī)性能的主要指標(biāo)是接收靈敏度。在接收機(jī)的理論中，中心的問題是如何降低輸入端的噪聲，提高接收靈敏度。光接收機(jī)靈敏度主要取決于光電檢測(cè)器的響應(yīng)度以及檢測(cè)器和放大器的噪聲。8.2.2 線性通道-由光電檢測(cè)器、前置放大器、主放大器和均衡器構(gòu)成的這部分電路稱為線性通道。在光接收機(jī)中，線性通道主要完成對(duì)信號(hào)的線性放大，以滿足判決電平的要求。1前置放大器-接收機(jī)的前端包括反向偏壓下的光電二極管和前置放大器。光電二極管接收由光纖耦合來的光信號(hào)。在實(shí)際電路分析中，可將光電二極管看成是一個(gè)與其結(jié)電容Cd并聯(lián)的電流源，等效電路如圖8-22所示，其中RL為負(fù)載電阻。圖8-22 光電二極管等效電路。- 接收機(jī)前端的設(shè)計(jì)需要綜合考慮接收靈敏度和帶寬兩個(gè)因素，一般來說有三種不同的方式，即低阻抗、高阻抗和跨阻抗前端，如圖8-23所示。 圖中Ci為總的輸入電容，其中包括光電二極管的結(jié)電容和前置放大器的晶體管引起的電容。圖8-23- 在高阻抗前置放大器中，由于輸入電路的總電阻Ri較大，可以增大前置放大器的輸入電壓，較大的Ri值也可以降低熱噪聲和增加接收靈敏度， 但其缺點(diǎn)是帶寬f較窄。這種電路的帶寬可表示為- （8-3）-輸入電路的總電阻Ri由放大器的輸入電阻Rb和光電二極管的直流負(fù)載電阻RL并聯(lián)而成。等效輸入電阻Ri表示為- - - （8-4）-輸入電路引入的熱噪聲表示為- - - （8-5）由此可以看出，RL越大，帶寬越小。可以采用均衡器對(duì)高頻提升的辦法來增加帶寬，在接收靈敏度達(dá)到要求的前提下， 可以用降低Ri的辦法來增加帶寬， 這種前端叫作低電阻前端。但這種電路方式的熱噪聲較大，當(dāng)然，接收靈敏度也較低。-(1)高阻抗放大器的均衡：要解決高阻抗放大器帶寬窄、信號(hào)脈沖失真嚴(yán)重引起的碼間干擾，必須用很強(qiáng)的均衡。通過微分網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償高頻分量的滾降，使接收機(jī)的頻響特性在要求的帶寬內(nèi)變?yōu)槠街?，以改善輸出脈沖的波形。但嚴(yán)格的均衡是很困難的，因放大器的輸入導(dǎo)納主要取決于總的輸入電容且又隨晶體管的不同及雜散電容大小而變化。圖8-24為均衡器電路的幾個(gè)例子。 其中圖(a)為無源均衡器，圖(b)和圖(c)分別為采用運(yùn)算放大器及采用雙極晶體管的有源均衡器。無源均衡器是簡(jiǎn)單的RC網(wǎng)絡(luò)，其傳遞函數(shù)為：-(8-6)式中,。對(duì)于完全均衡，1與前置放大器的轉(zhuǎn)折頻率相匹配， 這樣放大器帶寬因均衡器而展寬到2。傳遞函數(shù)值減小了2/1倍，將其稱為均衡比，一般可達(dá)到幾十。對(duì)于這種無源均衡器，高頻時(shí)增益為1，對(duì)低頻的衰減等于均衡比。圖8-24 均衡器電路的幾個(gè)例子。對(duì)于圖(b)(c)所示的有源均衡濾波器，其傳遞函數(shù)為：-(8-7)式中，1，2與無源均衡器相同，但kR3/R2，即均衡器的增益決定于R3，可與1，2獨(dú)立進(jìn)行選擇。-高阻抗放大器存在的第二個(gè)問題是動(dòng)態(tài)范圍小。例如，在無源均衡器中，均衡過程實(shí)質(zhì)上是通過對(duì)帶內(nèi)低頻信號(hào)的衰減來實(shí)現(xiàn)的。因此放大器的增益必須非常高，以保證放大器輸出至均衡器的信號(hào)足夠強(qiáng)，而最大輸出電壓受電源電壓和偏置條件的限制，因此接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍受到了限制。-(2)跨阻抗放大器：跨阻抗前置放大器同時(shí)具有高接收靈敏度和頻帶寬的特點(diǎn)，與高阻抗前置放大器相比，具有較大的動(dòng)態(tài)范圍。在跨阻抗前置放大器設(shè)計(jì)中，電阻RL作為一個(gè)反饋電阻跨接在反向放大器的兩端。盡管RL很大，但負(fù)反饋?zhàn)饔檬狗糯笃鞯牡刃л斎胱杩菇档虶倍，G是放大器的增益，這樣帶寬與高阻抗前置放大器比較增加了G倍。在大多數(shù)光接收機(jī)中，均采用跨阻抗前置放大器的方式。-圖8-25為跨阻抗前置放大器的電路圖。 圖中Rf為并聯(lián)反饋電阻；Cf為漏散電容；Rb為光電檢測(cè)器及晶體管的偏置電阻；C為并聯(lián)電容。如光電檢測(cè)器與接收放大器直流耦合，則反饋電阻又可作光電檢測(cè)器的負(fù)載電阻，Rb可不用，該電路的傳遞函數(shù)為:- (8-8)- 實(shí)用中RbRf，Al，則放大器的頻響特性如圖6-25(b)所示，其3dB帶寬為-(8-9)-若漏散電容很小，則。與高阻抗放大器相比跨阻抗前置放大器帶寬要寬得多，至少展寬了A倍，而且通過跨阻的增加，帶寬還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展，這時(shí)接收機(jī)可以不需均衡，或只要少量均衡，動(dòng)態(tài)范圍增大了等于均衡比的量。雖然跨阻抗放大器的帶寬比高阻抗放大器提高了A倍，但也不能通過無限增大開環(huán)增益來不斷提高帶寬，因?yàn)樗艿搅藘蓚€(gè)限制：一是隨著A的增加，漏電容的影響也隨之增加，最后變?yōu)橹饕挠绊?；二是為了達(dá)到高A，必須增加并聯(lián)反饋環(huán)內(nèi)的放大級(jí)數(shù)，對(duì)寬帶應(yīng)用來說，會(huì)引起附加的傳播延遲及相位漂移，使噪聲及相位的富裕度減小，引起不穩(wěn)定。因此反饋環(huán)內(nèi)的放大級(jí)數(shù)限于三級(jí)以下(100MHz)或僅一級(jí)(1GHZ)。圖8-25 跨阻抗前置放大器的電路圖。-當(dāng)然反饋電阻的引進(jìn)，在高阻放大器上增加了一個(gè)熱噪聲源，其譜密度為- -（8-10）-當(dāng)時(shí)，放大器反饋電阻Rf的熱噪聲將起主要作用。隨著Rf的增加，該項(xiàng)噪聲隨之減小，但帶寬也減小，二者必須折中考慮。圖8-26給出了接收光功率與反饋電阻的關(guān)系，可見動(dòng)態(tài)范圍的下限主要受接收機(jī)靈敏度的限制，上限受前置放大器的飽和及過載的限制。圖8-26 接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度與反饋電阻的關(guān)系?？傊c高阻抗前置放大器相比跨阻抗前置放大器有許多優(yōu)點(diǎn)，可歸納如下：-放大器的總電阻小，電路的時(shí)間常數(shù)小，減小了波形失真，通常不必考慮均衡；-動(dòng)態(tài)范圍大；-輸出電阻小，放大器不宜感應(yīng)噪聲，不宜發(fā)生串話和電磁干擾；-負(fù)反饋使放大器的特性容易控制，穩(wěn)定性也顯著提高；-靈敏度在寬帶應(yīng)用時(shí)僅比高阻抗放大器低23dB。-目前光接收機(jī)中最常用的是以場(chǎng)效應(yīng)管(FET)構(gòu)成最前端的跨阻抗前置放大器，光電檢測(cè)器一般多采用PIN管。為了盡量減小引線電容等雜散電容，提高響應(yīng)速度和靈敏度，通常利用混合集成工藝，將PIN光電二極管與場(chǎng)效應(yīng)管(FET)前置放大器電路混合集成在一起做成PIN-FET光接收組件，使用效果較好，已被光接收電路普遍采用。-下面介紹兩個(gè)跨阻抗前端的例子，如圖8-27所示。其中圖(a)為44.7MHz光纖通信系統(tǒng)的接收機(jī)前端。 光檢測(cè)器為Si-APD，晶體管為輸入電容小、大的普通晶體管。晶體管BGl和BG2構(gòu)成一反饋對(duì)，為并聯(lián)反饋電阻，BG2的500,的基極接地電阻是為了消除振蕩。BG3提供3.7倍的增益，使得在最小輸入光功率時(shí)，輸出信號(hào)的峰峰值達(dá)到4mV,有效跨阻達(dá)14.8k。當(dāng)誤碼率為，APD最佳增益為80時(shí)，接收靈敏度為-55dBm。圖8-27 跨阻抗接收機(jī)前端-圖(b)為1300nm波段的接收機(jī)前端電路，400時(shí)平坦帶寬為2GHz。此處我們采用微波Si-BJT(NE6400，fc10GHz)，因GaAs-MES-FET在噪聲方面的優(yōu)勢(shì)在高速跨阻抗接收機(jī)中已經(jīng)消失，放大器第一級(jí)采用并聯(lián)負(fù)反饋， 使引起不穩(wěn)定的環(huán)路延遲減到最小。包括漏散電容的Cf可以補(bǔ)償放大器的高頻響應(yīng)。 第二級(jí)為串聯(lián)負(fù)反饋(通過級(jí)間阻抗失配來實(shí)現(xiàn))，集電極電阻為50，以與負(fù)載匹配。-放大器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是放大器件，常采用雙極性晶體管(BJT)和場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)作為輸入級(jí),其中最常用的是Si-JFET及Si-BJT。頻率較低時(shí),由于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸入阻抗高、噪聲小常被采用。而在頻率高時(shí)，常使用雙極性晶體管。BJT用于APD檢測(cè)器時(shí)，接收機(jī)的噪聲主要受倍增增益支配。但對(duì)低噪聲高速應(yīng)用來說GaAs-FET具有最佳性能，但其價(jià)格較高。第三節(jié). 光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成1光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成-目前，實(shí)用光纖通信系統(tǒng)組成框圖如圖8-28所示。圖8-28 光纖通信系統(tǒng)的組成如圖示，光纖通信系統(tǒng)由以下五個(gè)部分組成。-（1）光發(fā)信機(jī)：光發(fā)信機(jī)是實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。它由光源、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器組成。其功能是將來自于電端機(jī)的電信號(hào)對(duì)光源發(fā)出的光波進(jìn)行調(diào)制，成為已調(diào)光波，然后再將已調(diào)的光信號(hào)耦合到光纖或光纜去傳輸。電端機(jī)就是常規(guī)的電子通信設(shè)備。-（2） 光收信機(jī)：光收信機(jī)是實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。 它由光檢測(cè)器和光放大器組成。其功能是將光纖或光纜傳輸來的光信號(hào)，經(jīng)光檢測(cè)器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，然后，再將這微弱的電信號(hào)經(jīng)放大電路放大到足夠的電平，送到接收端的電端汲去。-（3） 光纖或光纜：光纖或光纜構(gòu)成光的傳輸通路。其功能是將發(fā)信端發(fā)出的已調(diào)光信號(hào)，經(jīng)過光纖或光纜的遠(yuǎn)距離傳輸后，耦合到收信端的光檢測(cè)器上去，完成傳送信息任務(wù)。-（4）中繼器：中繼器由光檢測(cè)器、光源和判決再生電路組成。它的作用有兩個(gè)：一個(gè)是補(bǔ)償光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)受到的衰減；另一個(gè)是對(duì)波形失真的脈沖近行政性。- （5）光纖連接器、耦合器等無源器件：由于光纖或光纜的長(zhǎng)度受光纖拉制工藝和光纜施工條件的限制，且光纖的拉制長(zhǎng)度也是有限度的（如1Km)。因此一條光纖線路可能存在多根光纖相連接的問題。于是，光纖間的連接、光纖與光端機(jī)的連接及耦合，對(duì)光纖連接器、耦合器等無源器件的使用是必不可少的。目前實(shí)用的光纖通信系統(tǒng)都采用直接檢波系統(tǒng)。直接檢波系統(tǒng)就是在發(fā)送端直接把信號(hào)調(diào)制到光波上，而在接收端用光電檢波管直接把被調(diào)治的光波檢波為原信號(hào)的系統(tǒng)。電端機(jī)就是一般電信號(hào)設(shè)備，例如載波機(jī)或電視圖象發(fā)送與接受設(shè)備等。光端機(jī)則是把電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)（發(fā)送光端機(jī)），或把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)（接收光端機(jī)）的設(shè)備。發(fā)送光端機(jī)的作用是將發(fā)送的電信號(hào)進(jìn)行處理，加在半導(dǎo)體激光器上，使電信號(hào)調(diào)制光波，然后將此已調(diào)制光波送入光導(dǎo)纖維。已調(diào)制光波經(jīng)光導(dǎo)纖維傳送至接收光端機(jī)的半導(dǎo)體光電管上檢波。檢波后得到的電信號(hào)經(jīng)過適當(dāng)處理再送接受電端機(jī)，然后按一般電信號(hào)處理。這就是整個(gè)光纖通信的過程。這個(gè)過程和一般無線電通信過程是十分相似的。當(dāng)然光線通信的空間傳輸手段是光導(dǎo)纖維，這與一般無線電通信在空間傳輸電波的情況是不同的。直接檢波系統(tǒng)的基本優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)成簡(jiǎn)單，就當(dāng)前光波技術(shù)水平來講現(xiàn)實(shí)可行。同時(shí)由于光波頻率極高，在這樣系統(tǒng)上傳送上萬路電話，幾十路電視并不困難，完全可以滿足目前通信的需要。因此直接檢波系統(tǒng)是光纖通信當(dāng)前較多采用的形式。2基帶模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)成框圖及主要技術(shù)指標(biāo)基帶模擬視頻信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)主要用于高質(zhì)量的短程傳輸線路，他是模擬電視光纖傳輸最基本的傳輸形式，因此通過對(duì)系統(tǒng)的分析可以了解有關(guān)光纖傳輸系統(tǒng)的基本概念和基本理論。系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖8-29所示。最主要的技術(shù)指標(biāo)是信噪比及非線性失真特性，高質(zhì)量廣播級(jí)的技術(shù)指標(biāo)如下所示：圖8-29 基帶模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)圖象信號(hào)： S/N（采用統(tǒng)一加權(quán)網(wǎng)絡(luò)）60dB；微分增益（DG）1%；-微分相位（DP）1伴音信號(hào)： S/N -61dB；非線性失真系數(shù) 1%3 數(shù)字電視光纖傳輸系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)在傳輸中具有抗干擾能力強(qiáng)，無噪聲和失真積累，不受傳輸距離影響，能與多種信息業(yè)務(wù)兼容傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，因而未來的電視必將從模擬電視過渡到數(shù)字電視，但目前由于現(xiàn)實(shí)條件的限制，仍以模擬電視為主。數(shù)字電視信號(hào)是將模擬電視信號(hào)經(jīng)過取樣、量化、編碼變成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過頻帶壓縮，使每路電視信號(hào)壓縮至310Mb/s的碼率后進(jìn)行傳輸?shù)?，因而與一般的數(shù)字信號(hào)一樣，采用同樣的方式進(jìn)行傳輸、交換和處理。數(shù)字電視光纖傳輸系統(tǒng)組成框圖如圖8-30所示。在發(fā)送端，將經(jīng)過整形或碼形變換處理的數(shù)字視頻信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，將電脈沖轉(zhuǎn)換為光脈沖，送入光纖中傳輸。在接收端，通過光檢測(cè)器將光脈沖轉(zhuǎn)換為電脈沖，再經(jīng)放大，均衡，判決，恢復(fù)為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字脈沖信號(hào)。數(shù)字信號(hào)的傳輸過程與模擬信號(hào)相同，但由于所傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，因而有許多與模擬信號(hào)傳輸要求不同之處。圖8-30 數(shù)字電視光纖傳輸系統(tǒng)組成框圖4 波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)- 波分復(fù)用(WDM)是指在一根光纖上， 同時(shí)傳輸波長(zhǎng)不同的多個(gè)光載波信號(hào)，而每一個(gè)光載波可以通過頻分復(fù)用(FDM)或時(shí)分復(fù)用(TDM)方式，各自載荷多路模擬信號(hào)或多路數(shù)字信號(hào)。目前單模光纖的工作波長(zhǎng)由兩個(gè)，即1.3 mm、1.55 mm， 這兩個(gè)波長(zhǎng)的低損耗區(qū)共約，相當(dāng)?shù)念l帶寬度，而每個(gè)激光管的帶寬只有幾埃到幾十埃，因而，如一根光纖只傳輸一個(gè)光源的信號(hào)，那就只利用了這一巨大帶寬的極小部分。采用波分復(fù)用方式可以充分的利用光纖具有豐富的頻帶資源，極大的增加光纖線路的通信容量。-波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)組成如圖8-31所示，N個(gè)光發(fā)射機(jī)分別發(fā)射N個(gè)不同波長(zhǎng)，經(jīng)過光波分復(fù)用器WDM合到一起，耦合進(jìn)單根光纖中傳輸。到接收端，經(jīng)過具有光波長(zhǎng)選擇功能的解復(fù)用器DWDM，將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)分開，送到N個(gè)光接收機(jī)接收。圖8-31 波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)組成框圖-圖8-32是雙向WDM系統(tǒng)。圖中WDM/DWDM是具有波長(zhǎng)選路功能的復(fù)用/解復(fù)用器。光發(fā)射機(jī)T1發(fā)射波長(zhǎng)為l1的光信號(hào)，經(jīng)WDM/DWDM送入傳輸光纖，在接收端，再經(jīng)另一個(gè)MD的波長(zhǎng)選擇后送到接收機(jī)R1接收。T2和R2是另一方向傳輸?shù)陌l(fā)射和接收端機(jī)。圖8-32 波分復(fù)用雙向傳輸系統(tǒng)第八章 光纖通信系統(tǒng) 小結(jié)一、光發(fā)射機(jī)- -光發(fā)射機(jī)是實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。它由光源、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器組成。其功能是將來自于電端機(jī)的電信號(hào)對(duì)光源發(fā)出的光波進(jìn)行調(diào)制， 成為已調(diào)光波，然后再將已調(diào)的光信號(hào)耦合到光纖或光纜去傳輸。1、光波的調(diào)制-在光纖通信系統(tǒng)中，把隨信息變化的電信號(hào)加到光載波上，使光載波按信息的變化而變化，這就是光波的調(diào)制。從調(diào)制方式與光源的關(guān)系上來分，強(qiáng)度調(diào)制的方法有兩種：直接調(diào)制和外調(diào)制。從調(diào)制信號(hào)的形式來分，光調(diào)制又分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。2、直接調(diào)制-直接調(diào)制是用電信號(hào)直接調(diào)制光源器件的偏置電流，使光源發(fā)出的光功率隨信號(hào)而變化。光源直接調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、容易實(shí)現(xiàn)，但調(diào)制速率受載流子壽命及高速率下的性能退化的限制。光纖通信中光源多采用直接調(diào)制方式。3、外調(diào)制-外調(diào)制一般是基于電光、磁光、聲光效應(yīng)，讓光源輸出的連續(xù)光載波通過光調(diào)制器，光信號(hào)通過調(diào)制器實(shí)現(xiàn)對(duì)光載波的調(diào)制。外調(diào)制方式需要調(diào)制器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但可獲得優(yōu)良的調(diào)制性能，特別適合高速率光通信系統(tǒng)。4、模擬調(diào)制-模擬調(diào)制可分為兩類，一類是利用模擬基帶信號(hào)直接對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制；另一類采用連續(xù)或脈沖的射頻波作副載波，模擬基帶信號(hào)先對(duì)它進(jìn)行調(diào)制，再用該已調(diào)制的副載波去調(diào)制光載波。由于模擬調(diào)制的調(diào)制速率較低，均使用直接調(diào)制方式。5、數(shù)字調(diào)制-數(shù)字調(diào)制主要指PCM脈碼調(diào)制。先將連續(xù)的模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣、量化、編碼，轉(zhuǎn)化成一組二進(jìn)制脈沖代碼，對(duì)光信號(hào)進(jìn)行通斷調(diào)制。 數(shù)字調(diào)制也可使用直接調(diào)制和外調(diào)制。二、光接收機(jī)光接收機(jī)是實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。它由光檢測(cè)器和光放大器組成。其功能是將光纖或光纜傳輸來的光信號(hào)， 經(jīng)光檢測(cè)器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，然后，再將這微弱的電信號(hào)經(jīng)放大電路放大到足夠的電平，送到接收端的電端機(jī)去。1、線性通道-由光電檢測(cè)器、前置放大器、主放大器和均衡器構(gòu)成的這部分電路，稱為線性通道。在光接收機(jī)中，線性通道主要完成對(duì)信號(hào)的線性放大，以滿足判決電平的要求。2、光接收機(jī)靈敏度光接收機(jī)的靈敏度是指滿足給定信噪比指標(biāo)的條件下，光接收機(jī)所需要的最小接收光功率三、光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)是以光作為信息載體，以光纖作為傳輸媒介的通信系統(tǒng)。光纖通信系統(tǒng)由光發(fā)信機(jī)、光收信機(jī)、光中繼器、光纖連接器及耦合器的無源器件等五個(gè)部分組成。1、光發(fā)信機(jī)：