光纖通信（第四版）光發(fā)送機(jī)和接收機(jī)

光發(fā)送機(jī)與光接收機(jī)本章內(nèi)容6.1調(diào)制信號(hào)的格式6.2直接強(qiáng)度調(diào)制IM光發(fā)送機(jī)6.3外調(diào)制6.4光接收機(jī)6.1調(diào)制信號(hào)的格式一、單極性與雙極性信號(hào)二、歸零RZ與不歸零NRZ信號(hào)三、擾碼與線路碼一、單極性與雙極性信號(hào)為了有利于信息在信道中傳輸和接收時(shí)便于處理，往往先對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼，再對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，目前光信號(hào)主要采用光功率（光強(qiáng)）調(diào)制，由于光強(qiáng)不同于電信號(hào)的電壓或電流可有正值與負(fù)值，它只有正光值（即光強(qiáng)沒有負(fù)值），這樣的信號(hào)稱為單極性信號(hào)，而電壓信號(hào)稱為雙極性信號(hào)。二、歸零RZ與不歸零NRZ信號(hào)光強(qiáng)調(diào)制IM用電信號(hào)的“1”和“0”來控制光源的開（對(duì)應(yīng)光源接通發(fā)光）和關(guān)（光源關(guān)閑不發(fā)光），因而常稱為開關(guān)鍵控OOK方式（OOK:On-Off-Key）OOK調(diào)制可以采用為NRZ、RZ和短脈沖三種格式。分別是“1”比特對(duì)應(yīng)有光脈沖且持續(xù)時(shí)間為整個(gè)比特周期、整個(gè)比特周期的一半和整個(gè)比特周期的很小一部分，“0”對(duì)應(yīng)無(wú)光脈沖出現(xiàn)。擾碼是一個(gè)比特流與另一比特流的一到一的映射，即將一個(gè)待發(fā)送的數(shù)據(jù)比特流在發(fā)送之前一對(duì)一地映射為另一比特流。在發(fā)送端，擾碼器將輸入的比特流與經(jīng)過仔細(xì)挑選的另一個(gè)比特流進(jìn)行異或EXOR運(yùn)算，另一比持流序列的選取原則是應(yīng)盡量使輸出比特的長(zhǎng)連“1”或“0”出現(xiàn)的概率盡可能的小。。

線路碼：常用分組碼mBnB，將m個(gè)比特編制成n個(gè)比特，編碼后的速率提高(m/n)%。典型的分組碼為8B10B、4B5B等。三、擾碼與線路碼

為了使信息流中直流分量DC波動(dòng)小、便于接收時(shí)容易提取時(shí)鐘、在線誤碼監(jiān)測(cè)等需要對(duì)原始比特流進(jìn)行擾碼與線路編制碼。6.2直接強(qiáng)度調(diào)制IM光發(fā)送機(jī)模擬調(diào)制與數(shù)字調(diào)制LED和LD的模擬調(diào)制6.2直接強(qiáng)度調(diào)制IM光發(fā)送機(jī)光源的IM調(diào)制（光源的驅(qū)動(dòng)電路）LED模擬驅(qū)動(dòng)電路LED的優(yōu)點(diǎn)線性度好、溫度特性好、價(jià)格較低。常用于模擬傳輸和低速的數(shù)字傳輸。驅(qū)動(dòng)電路實(shí)質(zhì)應(yīng)是電壓電流轉(zhuǎn)換器。LED驅(qū)動(dòng)電路通常無(wú)須APC、APT電路。左圖為單端輸入，中圖采用了反饋補(bǔ)償進(jìn)一步提高了線性度，右圖用于高頻模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)6.2直接強(qiáng)度調(diào)制IM光發(fā)送機(jī)光源的IM調(diào)制（光源的驅(qū)動(dòng)電路）LD數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路LD是閾值器件，需要偏置電流；溫度特性差，通常須APC、APT電路。常用于高速的數(shù)字傳輸。(a)圖為單端輸入電流電壓轉(zhuǎn)換，(b)圖為差分輸入驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)一步提高開關(guān)速度和抗共模干擾，(c)圖為高速驅(qū)動(dòng)電路，衡流源代替電阻，提高電路的穩(wěn)定性和制度共模輸入干擾6.2直接強(qiáng)度調(diào)制IM光發(fā)送機(jī)完整的IM光發(fā)送機(jī)框圖高速數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路激光器導(dǎo)熱制冷器熱敏電阻溫度控制電路PD自動(dòng)功率控制電路（APC）偏置電流DFB-LD組件待發(fā)送數(shù)字信號(hào)外調(diào)制是指信息直接加在調(diào)制器對(duì)光源發(fā)出的連續(xù)光波進(jìn)行調(diào)制。外調(diào)制：對(duì)光脈沖形狀影響較?。ㄟ毙。?、調(diào)制速率高不受激光器調(diào)制帶寬的限制、可實(shí)現(xiàn)除OOK之外的相位調(diào)制制PSK、頻率調(diào)制FSK等。原理：利用了介質(zhì)的電光、磁光、聲光效應(yīng)6.3外調(diào)制信息調(diào)制器光隔離器LD電光相位調(diào)制器

又稱電折射調(diào)制器是利用晶體材料，如鈮酸鋰晶體（LiNbO3）的電光效應(yīng)，主要是普克爾效應(yīng)即線性電光效應(yīng)，晶體的折射率與外加電場(chǎng)幅度成正比。6.3外調(diào)制MZM調(diào)制器

M-Z調(diào)制器是由一個(gè)Y型分路器、兩個(gè)相位調(diào)制器和Y型合路器組成。按照二路信號(hào)之間的相位差，兩路信號(hào)在Y型合路器的輸出產(chǎn)生相消和相長(zhǎng)干涉，在輸出就得到了“通”和“斷”的信號(hào)。6.3外調(diào)制聲光調(diào)制器

聲波（主要指超聲波）在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)引起介質(zhì)的折射率發(fā)生疏密變化。因此受超聲波作用的晶體相當(dāng)于形成了一個(gè)布拉格光柵，光柵的條紋間隔等于聲波的波長(zhǎng)，當(dāng)光波通過此晶體介質(zhì)時(shí)，將被介質(zhì)中的光柵衍射，衍射出光的強(qiáng)度、頻率、相位、方向等隨聲波場(chǎng)而變化，這種效應(yīng)稱為聲光效應(yīng)。構(gòu)成：聲光介質(zhì)、電聲換能器、吸聲裝置和電信號(hào)。6.3外調(diào)制電吸收調(diào)制器EAM多量子阱MQW調(diào)制實(shí)際上是類似于半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)，對(duì)光具有吸收作用。通常情況下電吸收MQW調(diào)制器對(duì)發(fā)送波長(zhǎng)是透明的，一旦加上反向偏壓，吸收波長(zhǎng)在向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)的過程中產(chǎn)生光吸收，利用這種效應(yīng)，在調(diào)制區(qū)加上零伏到負(fù)壓之間的調(diào)制信號(hào)，就能對(duì)DFB激光器產(chǎn)生的光輸出進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。6.3外調(diào)制6.2直接強(qiáng)度調(diào)制IM光發(fā)送機(jī)完整的外調(diào)制光發(fā)送機(jī)框圖光發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)框圖窄線寬DFB激光器組件EA(LN)調(diào)制器精密溫度控制恒定電流控制10Gb/s電壓驅(qū)動(dòng)器NRZ碼

6.4光接收機(jī)一、理想的數(shù)字光接收機(jī)二、實(shí)際的數(shù)字光接收機(jī)三、相干接收機(jī)一、理想的數(shù)字光接收機(jī)數(shù)字接收機(jī)框圖光濾波：選擇光通道信號(hào)濾除多余的光信號(hào)。光放大器：前置光放大器用于放大微弱光信號(hào)。光檢測(cè)器：完成光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。前置放大器：低噪聲放大器用于放大微弱電信號(hào)。判決電路：將放大后的信號(hào)進(jìn)行判決恢復(fù)。一、理想的數(shù)字光接收機(jī)理想的數(shù)字接收機(jī)目前數(shù)字接收機(jī)主要是采用直接檢測(cè)DD，對(duì)強(qiáng)度調(diào)制IM進(jìn)行解調(diào)。接收機(jī)根據(jù)比特周期內(nèi)是有光或無(wú)光來判定是“1”比特或“0”比特，如果有光出現(xiàn)對(duì)應(yīng)是“1”比特發(fā)送，如果無(wú)光出現(xiàn)對(duì)應(yīng)是“0”比特發(fā)送。理想的數(shù)字接收機(jī)只考慮光子到達(dá)光檢測(cè)器時(shí)具有隨機(jī)特性而忽略其他噪聲引起的誤判，光子隨機(jī)到達(dá)光檢測(cè)器引起的噪聲稱為光子散粒噪聲或量子極限噪聲，理想數(shù)字接收機(jī)只有量子極限噪聲。理想的數(shù)字接收機(jī)，發(fā)送“0”比特時(shí)是不會(huì)誤碼的，只有發(fā)送“1”比特時(shí)才會(huì)誤碼，因?yàn)榘l(fā)送“1”比特期間沒有光子被檢測(cè)到就判定為“0”比特發(fā)送一、理想的數(shù)字光接收機(jī)理想的數(shù)字接收機(jī)誤碼率光子流隨機(jī)到達(dá)光檢測(cè)器，滿足泊松分布。設(shè)比特速率為B，則比特周期1/B內(nèi)接收n個(gè)光子的概率為：誤碼率：光子流是“0”“1”等概，P：接收的光功率h：普朗克常數(shù)fc：光載波頻率一、理想的數(shù)字光接收機(jī)理想的數(shù)字接收機(jī)誤碼率“1”比特期間接收的平均光子數(shù)達(dá)到10-12的誤碼率，則每個(gè)比特平均光子數(shù)為M=27二、實(shí)際的數(shù)字光接收機(jī)光檢測(cè)器放大器偏置電阻光子流hfc

RL量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲熱噪聲放大器噪聲接收機(jī)噪聲及其分布圖：實(shí)際的數(shù)字接收機(jī)噪聲二、實(shí)際的數(shù)字光接收機(jī)暗電流噪聲：當(dāng)沒有光信號(hào)照射光檢測(cè)器時(shí)，外界的一些雜散光或熱運(yùn)動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生一些電子——空穴對(duì)，光檢測(cè)器還會(huì)產(chǎn)生一些電流，這種殘留電流稱為暗電流。漏電流噪聲：當(dāng)光檢測(cè)器表面物理狀態(tài)不完善和加有偏置電壓時(shí)，會(huì)引起很小的漏電流噪聲，但這種噪聲并非本征性噪聲，可通過光檢測(cè)器的合理設(shè)計(jì)，良好的結(jié)構(gòu)和嚴(yán)格的工藝降低。APD倍增噪聲：當(dāng)使用雪崩光電二極管時(shí)，倍增過程的隨機(jī)特性產(chǎn)生附加的噪聲。實(shí)際的數(shù)字接收機(jī)，由于各種噪聲的存在，要達(dá)到10-12的誤碼率，其每個(gè)比特平均光子數(shù)M達(dá)幾千個(gè)。三、相干接收機(jī)就像普通的無(wú)線電收音機(jī)一樣，首先接收光信號(hào)要與一個(gè)光本地振蕩器在光混頻器混頻之后，再被光電檢測(cè)器變換成一定要求的電信號(hào)。三、相干接收機(jī)與IM－DD光波系統(tǒng)相比，相干檢測(cè)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：①光接收機(jī)的靈敏度高，比直接檢測(cè)高10～25dB，可大大延長(zhǎng)無(wú)中繼傳輸距離（在1550nm波長(zhǎng)可延長(zhǎng)至100km）；②相干檢測(cè)選擇性高，可用于信道間隔小到1～10GHz的光頻多復(fù)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多信道復(fù)用相干接收機(jī)的光生電流三、相干接收機(jī)本振Lo是一個(gè)優(yōu)質(zhì)的激光器，用它來產(chǎn)生本振光。本振光和接收的光信號(hào)在光耦合器中混合，然后一起投射到光檢測(cè)器PIN中相干混頻，混頻后的差頻信號(hào)經(jīng)放后進(jìn)行判決。由于光信號(hào)在常規(guī)光纖線路中傳輸時(shí)其相位和偏振面會(huì)發(fā)生緩慢的變化，為了使本振光和光信號(hào)的相位和偏振面一致，其中傳輸過程中的相位變化可利用光鎖相環(huán)來跟蹤，偏振態(tài)的變化通過偏振控制器來調(diào)整。實(shí)際的相干接收機(jī)小結(jié)光發(fā)送機(jī)光源強(qiáng)度調(diào)制IM或稱直接調(diào)制：LED和LD的驅(qū)動(dòng)電路外調(diào)制或間接調(diào)制、電光相位調(diào)制器PM、電光強(qiáng)度調(diào)制器M