光纖通信系統(tǒng)（第3版） 課件 第三章 光源和光發(fā)送機(jī)

光纖通信系統(tǒng)2光發(fā)送機(jī)的作用是將由數(shù)字復(fù)用設(shè)備來的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的光信號(hào)，并將光信號(hào)耦合進(jìn)光纖后進(jìn)行傳輸。光發(fā)送機(jī)的核心部件是光源。目前，光纖通信系統(tǒng)均采用半導(dǎo)體激光二極管（LD）和發(fā)光二極管（LED）作為光源。這類光源的特點(diǎn)是體積小，與光纖之間的耦合效率高，響應(yīng)速度快，可以在較高速率條件下進(jìn)行直接強(qiáng)度調(diào)制。本章著重介紹包括半導(dǎo)體激光二極管和發(fā)光二極管的光源工作原理和特性，以及光發(fā)送機(jī)的工作原理。本章教學(xué)課時(shí)4學(xué)時(shí)。第三章光源和光發(fā)送機(jī)33.1半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管1.激光的產(chǎn)生及其物理基礎(chǔ)自然界中的一切物質(zhì)都是由原子組成。不同物質(zhì)的原子各不相同。原子由一個(gè)帶正電荷的原子核和若干個(gè)帶負(fù)電荷的電子組成。圍繞原子核作軌道運(yùn)動(dòng)的電子的運(yùn)動(dòng)軌道不是連續(xù)可變的，電子只能沿著某些可能的軌道繞核運(yùn)轉(zhuǎn)，而不能具有任意的軌道。但可以在外界作用下，從一個(gè)軌道跳到另一個(gè)軌道，這種過程稱為躍遷。由于電子軌道與軌道之間是不連續(xù)的，并且每一軌道具有確定的能量。它的能量也是不連續(xù)的，離核較近的軌道對(duì)應(yīng)的能量較小，離核較遠(yuǎn)的軌道所對(duì)應(yīng)的能量較大，原子的這一內(nèi)部能量值稱為原子的一個(gè)能級(jí)。通常我們用若干水平線來表示電子所處的狀態(tài)，這就是所謂的能級(jí)圖。4圖3-1能級(jí)圖5躍遷如果原子中的兩個(gè)能級(jí)滿足一定的條件，則可能出現(xiàn)下述情況：一個(gè)處于高能級(jí)E2的電子，發(fā)射一個(gè)能量為E＝hf＝E2-E1的光子，結(jié)果這個(gè)電子回到低能級(jí)E1。一個(gè)處于低能級(jí)E1的電子，從外界吸收一個(gè)能量為E＝hf=E2-E1的光子，結(jié)果這個(gè)電子被激發(fā)到高能級(jí)E2。這種電子由于發(fā)射或吸收光子而從一個(gè)能級(jí)改變到另一個(gè)能級(jí)稱為輻射躍遷。但原子發(fā)射或吸收光子，只能出現(xiàn)在某些特定的能級(jí)之間。6受激吸收和受激輻射當(dāng)處于低能級(jí)E1的電子，受到光子能量恰好為E＝hf＝E2-E1的外來入射光的照射時(shí)，電子吸收一個(gè)這種光子，而躍遷到高能級(jí)E2，這稱為光的受激吸收，如圖3-2(a)所示。當(dāng)處于高能級(jí)E2的電子，在受到光子能量恰好為E＝hf＝E2-E1的外來入射光的照射時(shí)，電子在入射光子的刺激下，躍遷回到低能級(jí)E1，而且輻射出一個(gè)與入射光子有相同頻率、相同相位和相同傳播方向的光子，這種類型的躍遷稱為受激躍遷，其輻射稱為受激輻射。7圖3-2受激吸收和輻射8粒子數(shù)正常與反轉(zhuǎn)分布在通常情況下，處于高能級(jí)的粒子數(shù)總是遠(yuǎn)少于處于低能級(jí)上的粒子數(shù)，這種狀態(tài)稱為粒子數(shù)的正常分布。由于低能級(jí)上的電子數(shù)較多，所以總是光的受激吸收占優(yōu)勢(shì)，也就是光總要受到衰減。要獲得光的放大，必須設(shè)法使光的受激輻射占優(yōu)勢(shì)。也就是要使電子在能級(jí)上的分布一反常態(tài)，使處于高能級(jí)上的電子數(shù)目遠(yuǎn)多于低能級(jí)的電子數(shù)目，這可以給予額外的能量，把處于低能級(jí)的電子激發(fā)到高能級(jí)上去。這種處于高能級(jí)的電子數(shù)量多于低能級(jí)電子數(shù)量的分布叫做“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布”。9粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布必要條件：多能級(jí)物質(zhì)*當(dāng)用hf31＝E3-E1的外界激勵(lì)去激發(fā)激光物質(zhì)時(shí)，處在低能級(jí)E1上的電子被激發(fā)到了高能級(jí)E3上，但因在E3能級(jí)上壽命很短，很快躍遷到亞穩(wěn)態(tài)級(jí)E2上，結(jié)果在E2與E1之間形成“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布”。這種處于E2亞穩(wěn)能級(jí)上的電子是不穩(wěn)定的，它可以自發(fā)躍遷到低能級(jí)E1而輻射出頻率為f21＝E2-E1／h的光子。思考：什么兩能級(jí)物質(zhì)無法形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布？10粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布形成示意圖11激光的形成有了“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布”的條件，就有可能實(shí)現(xiàn)光的放大。那么，如何使光的放大轉(zhuǎn)為光的振蕩，成為激光光源呢？把激光物質(zhì)放置在由兩個(gè)反射鏡組成的光諧振腔之間，利用兩個(gè)面對(duì)面的反射鏡來實(shí)現(xiàn)光的反饋放大，使其產(chǎn)生振蕩。光諧振腔的軸線與激光物質(zhì)的軸線相合。其中一個(gè)反射鏡(M1)要求有100%的反射率，另一個(gè)(M2)要有95％左右的反射率，即允許有部分的光透射。12圖3-3激光的形成13形成激光的三個(gè)必要條件激光LASER是受激輻射的光放大（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）的縮寫。用來產(chǎn)生激光的裝置，就叫做激光器。由此可見，任何一種激光器，都必須包括下列三個(gè)最基本的部分：

工作物質(zhì)——激光器的組成核心，也就是發(fā)光物質(zhì)。

光學(xué)共振腔——形成激光振蕩，輸出激光。

激勵(lì)系統(tǒng)——將各種形式的外界能量轉(zhuǎn)換成激光光能，通常是激光器的電源。142.半導(dǎo)體激光器的基本原理用半導(dǎo)體材料做激光物質(zhì)的激光器，稱為半導(dǎo)體激光器。能夠產(chǎn)生受激輻射的半導(dǎo)體材料有許多，而當(dāng)前在光纖通信方面用得較多的是砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體材料是一種單晶體。在晶體中，原子是緊密地按照一定規(guī)則排列。各原子最外層的軌道互相重迭，使半導(dǎo)體材料的能級(jí)已不像前述的單個(gè)原子那樣的分立的能級(jí)，而變成了能帶。15補(bǔ)充知識(shí)：泡利不相容原理泡利不相容原理：每個(gè)能級(jí)只允許兩個(gè)自旋相反的電子占有。根據(jù)泡利不相容原理，固體材料中電子的基態(tài)能級(jí)和激發(fā)態(tài)能級(jí)將分裂成能帶。對(duì)半導(dǎo)體，基態(tài)能級(jí)分裂成價(jià)帶，激發(fā)態(tài)能級(jí)分裂成導(dǎo)帶。價(jià)帶和導(dǎo)帶之間存在一個(gè)電子不能具有的能量區(qū)間，稱為禁帶。16圖3-5半導(dǎo)體能帶圖17半導(dǎo)體激光器工作原理半導(dǎo)體激光器的核心部分是一個(gè)PN結(jié)。這個(gè)PN結(jié)是高度摻雜的，P型半導(dǎo)體中空穴極多，N型半導(dǎo)體中自由電子極多。半導(dǎo)體中的載流子是由導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴產(chǎn)生的。

導(dǎo)帶價(jià)帶EgEvEc禁帶導(dǎo)帶電子價(jià)帶空穴18圖3-6高摻雜的PN結(jié)P區(qū)PN結(jié)空間電荷區(qū)N區(qū)擴(kuò)散漂移19勢(shì)壘的形成高摻雜的PN結(jié)中，N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散，在靠近界面的地方剩下帶正電的離子。P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，在靠近界面的地方剩下帶負(fù)電的離子。因此在P型和N型半導(dǎo)體交界的兩側(cè)形成了帶相反電荷的區(qū)域，稱為“空間電荷區(qū)”。在P型和N型半導(dǎo)體交界的兩側(cè)形成了一個(gè)電場(chǎng)叫“自建場(chǎng)”。方向由N區(qū)指向P區(qū)。與此相應(yīng)，在結(jié)的兩邊產(chǎn)生一個(gè)電位差VD叫做勢(shì)壘，它阻礙空穴和電子進(jìn)一步擴(kuò)散，最后達(dá)到平衡。由于勢(shì)壘VD的存在，使得P區(qū)的能級(jí)比N區(qū)提高了eVD(e是電子能量)。由于高度摻雜，空間電荷區(qū)的正負(fù)電荷很多，勢(shì)壘VD很大，以使N型半導(dǎo)體的導(dǎo)帶的底部能級(jí)(EC)N。比P型半導(dǎo)體價(jià)帶頂部能級(jí)(EV)P還要低。20費(fèi)米能級(jí)能級(jí)越低，電子占據(jù)的可能性就越大，理論分析指出：存在著某一能級(jí)EF，叫做費(fèi)米能級(jí)。對(duì)于EF以下的所有能級(jí)，例如在N區(qū)導(dǎo)帶中EF和(EC)N之間各能級(jí)電子占據(jù)的可能性大于1／2。對(duì)于EF以上的所有能級(jí)，則在P區(qū)價(jià)帶中，EF和(EV)P之間各能級(jí)電子占據(jù)的可能性小于1／2?？偟膩碚f，N區(qū)導(dǎo)帶底(EC)N以上到費(fèi)米能級(jí)EF之間這個(gè)區(qū)域內(nèi)的電子數(shù)多于P區(qū)價(jià)帶頂以下到費(fèi)米能級(jí)EF以上區(qū)域內(nèi)的電子數(shù)（即此時(shí)是粒子數(shù)的正常分布）。21圖3-7外加正向電壓時(shí)的PN結(jié)22正向電壓減小和抵消勢(shì)壘作用外加正向電壓破壞了原來的平衡，使費(fèi)米能級(jí)分離。在N區(qū)(EF)N以下各能級(jí)，電子占據(jù)的可能性大于1／2。在P區(qū)對(duì)于(EF)P以上的各能級(jí)，空穴占據(jù)的可能性大于1／2，因此，當(dāng)PN結(jié)上加足夠的正向電壓，保證電流足夠放大時(shí)，P區(qū)的空穴和N區(qū)中的電子大量地注入結(jié)區(qū)，在PN結(jié)的空間電荷區(qū)附近就存在一個(gè)電子反轉(zhuǎn)分布的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域叫做“有源區(qū)”或“作用區(qū)”。在有源區(qū)內(nèi)，由于電子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，在自發(fā)輻射的激發(fā)下，產(chǎn)生的受激輻射大于受激吸收。一個(gè)光子會(huì)不斷激發(fā)出更多完全相同的光子，起了光放大作用。23閾值（thresholdvalue）只有足夠大的正向電壓，保證電流足夠大時(shí)，才能產(chǎn)生激光。當(dāng)電流較小時(shí)，注入結(jié)區(qū)的電子和空穴也較少，輻射小于吸收，增益系數(shù)G<0，只能出現(xiàn)普通的熒光。電流逐漸加大，注入結(jié)區(qū)的電子和空穴增多，到了G>0，就出現(xiàn)光放大現(xiàn)象。這時(shí)發(fā)射很亮的熒光。如果增益不足以克服諧振腔的損耗，仍不能在腔內(nèi)產(chǎn)生振蕩。只有當(dāng)注入的電流增大到增益足以補(bǔ)償損耗時(shí)，才能產(chǎn)生譜線尖銳、模式明確的振蕩。剛開始產(chǎn)生激光的（注入）電流稱為激光器的閾值電流。24圖3-8注入電流與光功率的關(guān)系25異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器若半導(dǎo)體激光器的P區(qū)和N區(qū)是同一種物質(zhì)（如GaAs），稱為同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器，其閾值電流密度Jth很大（室溫下Jth≥5×104A·cm-2），難以在室溫條件下連續(xù)工作。Why？為了提高激光器的功率和效率，降低閾值電流，使用了異質(zhì)結(jié)的半導(dǎo)體激光器。所謂“異質(zhì)結(jié)”，就是由兩種材料（例如砷化鎵GaAs和砷鎵鋁GaAlAs兩種材料）構(gòu)成的PN結(jié)。采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)后，Jth可降至約103A·cm-2量級(jí)。263.半導(dǎo)體激光器的主要特性（1）閾值（2）激光器效率（3）溫度特性（4）縱模特性－光譜特性27（1）閾值半導(dǎo)體激光器是一個(gè)閾值器件，它的工作狀態(tài)隨注入電流的不同而不同。只有當(dāng)外加激勵(lì)的能源功率（一般為電能源）超過某一臨界值時(shí)，激光物質(zhì)中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達(dá)到了一定程度，激光器才能克服光諧振腔內(nèi)的損耗而產(chǎn)生激光。此臨界值就稱為激光器的閾值。

閾值電流Ith：當(dāng)注入電流大于Ith時(shí)，激光器方可激發(fā)出激光。在實(shí)際使用中，外加激勵(lì)能源剛達(dá)到閾值時(shí)雖有激光輸出但很弱。對(duì)激光器而言，希望其閾值電流越小越好，因?yàn)殚撝惦娏餍?，要求的外加激?lì)能源就小，激光器本身發(fā)熱就少。28（2）激光器效率可用功率轉(zhuǎn)換效率和量子效率衡量激光器轉(zhuǎn)換效率的高低。

功率轉(zhuǎn)換效率定義為：輸出光功率與消耗的電功率之比，表示式為：

式中：Pex——激光器發(fā)射的光功率Vj——激光器的結(jié)電壓（PN結(jié)正向電壓）Rs——激光器的串聯(lián)電阻（包括半導(dǎo)體材料電阻和接觸電阻）I——注入電流

量子效率定義為：輸出光子數(shù)與注入電子數(shù)之比，表示為29（3）溫度特性半導(dǎo)體激光器的閾值電流、輸出光功率和發(fā)光波長(zhǎng)隨溫度而變化的特性稱為溫度特性。閾值電流隨溫度的升高而加大。這是因?yàn)闇囟壬仙巩愘|(zhì)結(jié)勢(shì)壘的載流子限制作用下降，因此激光器的閾值電流增大。閾值電流與溫度的變化關(guān)系可以表示為：

(3-4)式中：T為器件的絕對(duì)溫度，I0為常數(shù)，T0為激光器材料的特征溫度。對(duì)于GaAs-GaAlAs半導(dǎo)體激光器，T0＝100～150K，InGaAsP-InP激光器T0＝40～70K。T0越大，器件的溫度特性越好。半導(dǎo)體激光器的閾值電流還與其器件的老化程度有關(guān)。隨著激光器工作時(shí)間增長(zhǎng)，器件老化，其閾值電流不斷增加。30圖3-13不同溫度下激光器的P-I曲線31圖3-14P-I特性曲線隨器件老化變化情況32半導(dǎo)體激光器的縱向光場(chǎng)不是以行波形式傳輸，而是成駐波形式振蕩。因此，激光器輸出的是一系列模式明確，譜寬很窄，功率不同、尖銳的譜線，稱為激光器的縱模。對(duì)于半導(dǎo)體激光器，當(dāng)注入電流低于閾值時(shí)，發(fā)射光譜以自發(fā)輻射為主，發(fā)出的是熒光，譜寬很寬，其光譜寬度常達(dá)數(shù)十nm。當(dāng)注入電流大于閾值后，諧振腔里的增益大于損耗，激光器產(chǎn)生激光振蕩，輸出光譜呈現(xiàn)出以一系列振蕩模式——縱模。其發(fā)射光譜變窄，譜線中心強(qiáng)度急劇增加，激光器輸出功率越大，其發(fā)射光譜越窄，譜線中心強(qiáng)度越大。（4）縱模特性－光譜特性33圖3-16半導(dǎo)體激光器的輸出光譜a）低于閾值b）高于閾值c）單縱模LD344.單縱模半導(dǎo)體激光器普通的F-P腔激光器采用自然解理的反射鏡實(shí)現(xiàn)光反饋，這種激光器端面光反饋不具有波長(zhǎng)選擇性，其模選擇性差，為多縱模輸出?？梢栽诩す馄髦幸牍鈻?，利用光柵對(duì)光波長(zhǎng)的選擇性反饋來提高模的選擇性，實(shí)現(xiàn)單縱模輸出，這種激光器稱為分布反饋（DFB）激光器。DFB激光器在靠近有源層沿長(zhǎng)度方向刻有波紋狀的光柵。其光的反饋是通過折射率周期性變化的光柵產(chǎn)生的布拉格衍射得到，并使正向和反向傳播的光波相互耦合使其產(chǎn)生激光振蕩。光的反饋是沿有源層在整個(gè)光腔長(zhǎng)度上分布進(jìn)行的，所以稱為分布反饋（DFB）激光器。35DFB和DBR激光器結(jié)構(gòu)示意36商用化（封裝）激光器示例373.1.2半導(dǎo)體發(fā)光二極管除了半導(dǎo)體激光器（LD）外，半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）是另一種常用的光源器件。LED的工作原理與LD基本相同，只是結(jié)構(gòu)上有所區(qū)別。LED也采用雙異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)，但沒有諧振腔，它發(fā)出的是自發(fā)輻射光，而不是激光，其光譜線寬度比LD的譜線寬度要寬，因而色散較大，傳輸帶寬小，發(fā)出的功率小。但是LED的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，價(jià)格低，發(fā)射功率與溫度的關(guān)系小，性能較穩(wěn)定，因此在小容量、短距離的光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。38圖3-22雙異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)

面發(fā)光型

邊發(fā)光型39LED的工作特性與半導(dǎo)體激光器的P-I特性相比，LED沒有閾值，其線性范圍較大。在注入電流較小時(shí)，曲線基本上是線性的，當(dāng)注入電流較大時(shí)，由于PN結(jié)的發(fā)熱而出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。40圖3-23LED的P-I特性41發(fā)光二極管輻射圖形42小結(jié)：LED特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：輸出光功率線性范圍寬(P-I特性)性能穩(wěn)定壽命長(zhǎng)制造工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉缺點(diǎn)：輸出光功率較小

譜線寬度較寬

調(diào)制頻率較低LED器件在小容量、短距離系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用433.2光源調(diào)制要實(shí)現(xiàn)光纖通信，首先要解決如何將光信號(hào)加載到光源的發(fā)射光束上，即需要進(jìn)行光調(diào)制。經(jīng)調(diào)制后的光波經(jīng)過光纖送至接收端，進(jìn)行光解調(diào)，還原出原來的信號(hào)。

443.2.1光源的調(diào)制方式光源調(diào)制可以分為直接調(diào)制和間接調(diào)制。這里的直接和間接可以理解為調(diào)制信號(hào)加載在光載波的方式。451.直接調(diào)制直接調(diào)制方法僅適用于半導(dǎo)體光源（LD和LED），這種方法是把要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)注入LD或LED，從而獲得相應(yīng)的光信號(hào)。光纖通信系統(tǒng)中傳播的光，可以視為光頻載波，電信號(hào)對(duì)光源器件的直接調(diào)制方式，使光源發(fā)出的光載波功率大小在時(shí)間上隨驅(qū)動(dòng)電流變化而變化。這種方式是直接/強(qiáng)度調(diào)制，簡(jiǎn)稱IM（IntensityModulation）。462.間接調(diào)制間接調(diào)制是利用晶體的光電效應(yīng)、磁光效應(yīng)、聲光效應(yīng)等性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)對(duì)激光輻射的調(diào)制。這種調(diào)制方式既適用于半導(dǎo)體激光器，也適用于其它類型的激光器。間接調(diào)制最常用的是外調(diào)制的方法，即在激光形成后加載調(diào)制信號(hào)。它是在激光器諧振腔外的光路上放置調(diào)制器，在調(diào)制器上加調(diào)制信號(hào)電壓，使調(diào)制器的某些物理特性發(fā)生相應(yīng)的變化，當(dāng)由光源發(fā)出的激光通過它時(shí)，得到調(diào)制。直接調(diào)制會(huì)引入頻率啁啾，即光脈沖的載頻隨時(shí)間變化。由于帶啁啾的光脈沖在光纖中傳輸時(shí)會(huì)加劇色散展寬，因此對(duì)于傳輸速率達(dá)到10Gbit/s及以上系統(tǒng)需要考慮采用間接調(diào)制，此外相干光通信系統(tǒng)也需要采用間接調(diào)制。473.2.2光源的直接調(diào)制原理直接調(diào)制方法適用于半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管。這是因?yàn)榘l(fā)光二極管和激光器的輸出光功率（對(duì)激光器來說，是指閾值以上的線性部分）基本上與注入電流成正比，而且電流的變化轉(zhuǎn)換為光頻調(diào)制也是線性調(diào)制，所以可以通過注入電流來實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度調(diào)制。48圖3-27模擬信號(hào)調(diào)制原理49圖3-28數(shù)字信號(hào)調(diào)制原理50間接調(diào)制示例51直接調(diào)制和間接調(diào)制示例523.3光發(fā)送機(jī)光端機(jī)主要由光發(fā)送機(jī)、光接收機(jī)和輔助電路三大部分組成。由圖3-29可知，光發(fā)送機(jī)由輸入接口，光線路碼型變換和光發(fā)送機(jī)等組成。光接收機(jī)由光接收、定時(shí)再生、光線路碼型反變換和輸出接口等組成。光端機(jī)中的輔助電路由公務(wù)、監(jiān)控、告警、輸入分配、倒換、區(qū)間通信等組成。此外，不論是光發(fā)送機(jī)、光接收機(jī)還是輔助電路，都必須有電源轉(zhuǎn)換，將通信機(jī)房中的直流電源轉(zhuǎn)換為光端機(jī)所需的電源。53圖3-29光端機(jī)功能原理框圖543.3.1光端機(jī)主要構(gòu)成及其作用輸入接口光線路碼型變換光發(fā)送電路光接收電路定時(shí)再生光線路碼型反變換輸出接口公務(wù)、監(jiān)控、告警、倒換、輸入分配、區(qū)間通信、電源等553.3.2光發(fā)送機(jī)光發(fā)送機(jī)由輸入電路和光發(fā)送電路組成。輸入電路由輸入接口電路與光線路碼型變換電路組成。光發(fā)送電路的主要作用是將經(jīng)過線路編碼的電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，即完成電／光變換，并從光源的尾纖送出光信號(hào)注入光纖線路。561.輸入電路輸入電路由輸入接口電路與光線路碼型變換電路組成。輸入接口是光端機(jī)的入口電路。PCM數(shù)字復(fù)用設(shè)備的輸出信號(hào)經(jīng)電纜連接到光端機(jī)的輸入端。輸入接口除了正常應(yīng)該考慮信號(hào)幅度大小和阻抗外，特別應(yīng)注意信號(hào)脈沖碼型。PCM電端機(jī)輸出碼型(即光端機(jī)輸入接口的接口碼型)為雙極性碼，在光纖系統(tǒng)中不宜使用。所以，需在輸入接口中將其變成適合于光纖線路中傳輸?shù)膯螛O性碼。57圖3-30輸入接口與碼型變換框圖58線路碼型變換普通的二進(jìn)碼(NRZ)在傳輸時(shí)會(huì)存在下列問題：如碼流中連“0”，連“1”數(shù)太大，將減少信號(hào)中的離散定時(shí)分量，使接收機(jī)的時(shí)鐘提取比較困難。如碼流中“0”，“1”分布不均勻，會(huì)導(dǎo)致直流分量波動(dòng)起伏，即基線漂移，影響判決電路對(duì)信號(hào)的再生。因數(shù)字序列沒有預(yù)定規(guī)律，不可能在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行不中斷通信誤碼檢測(cè)。為了解決上述問題，光纖線路碼型要特別設(shè)計(jì)。59線路碼型選擇原則傳輸碼型有足夠的定時(shí)含量，減少連“0”和連“1”數(shù)，便于時(shí)鐘提取。傳輸碼型應(yīng)有不中斷業(yè)務(wù)進(jìn)行誤碼檢測(cè)的能力。傳輸碼型應(yīng)力求降低線路傳輸?shù)拇a率，或線路傳輸碼率的提高應(yīng)盡可能的少?？垢蓴_性好，能使可檢測(cè)的光功率減至最小。傳輸碼型的實(shí)施，應(yīng)力求簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)。傳輸中發(fā)生誤碼時(shí)，誤碼擴(kuò)散范圍或誤碼增值低。60常用的線路碼型擾碼二進(jìn)制字變換碼插入型碼61擾碼二進(jìn)制擾碼二進(jìn)制即是將輸入的二進(jìn)制NRZ碼進(jìn)行擾碼后輸出仍為二進(jìn)制碼。在系統(tǒng)的調(diào)制器前，加一個(gè)擾碼器，將原始的碼序加以變換，使其接近于隨機(jī)序列，相應(yīng)的在接收機(jī)的判決器后，附加一個(gè)解擾器，以便恢復(fù)原始序列。擾碼可以改變碼流中的“1”碼和“0”碼的分布，能改善碼流的特性。62字變換碼字變換碼是將輸入二進(jìn)制碼分成一個(gè)個(gè)“碼字”，輸出用對(duì)應(yīng)的另一種“碼字”來代替。常用的是分組碼的一種型式mBnB碼，它將輸入碼每m比特為一組，然后變換成另一種n比特為一組的傳輸碼。在接收端再進(jìn)行變換，從而恢復(fù)為原來的信號(hào)。n、m均為正整數(shù)，且n>m。于是引進(jìn)了一定的富余度，以滿足線路碼的基本要求。63mBnB碼的編碼原理以3B4B碼來介紹mBnB碼的基本原理。3B4B碼，是將輸入信號(hào)碼流分成3B（bit）一組，它有23=8種狀態(tài)，然后編寫為4B碼，有24=16種狀態(tài)：我們從16種狀態(tài)中選出若干種代表3B碼的8種狀態(tài)，如表3-1所示。64表3-13B和4B的碼字3B碼4B碼012345670000010100111001011101110123456700000001001000110100010101100111891011121314151000100110101011110011011110111165碼字?jǐn)?shù)字和(WDS)如果用“-1”表示字中的“0”，用“+1”表示字中的“1”，則將每個(gè)數(shù)字的代數(shù)和“字?jǐn)?shù)字和”記為“WDS”。例如：“1000”可寫成(+1)+(-1)+(-1)+(-1)＝-2，即字“1000”的WDS＝-2。若其代數(shù)和為0時(shí)，稱為均等，其代數(shù)和為正或?yàn)樨?fù)時(shí)，稱為不均等。mBnB碼的基本原理就是通過采取交替使用不同模式的編碼，使碼字的不均值得到平衡，以限制整個(gè)傳輸碼流的累計(jì)不均。66表3-2WDS值分類類別WDS=0WDS=+2WDS=-2WDS=+4WDS=-4狀態(tài)0011010101101001101011000111101111011110000100100100100011110000673B4B編碼方案使用的mBnB碼的基本原理是通過限制字?jǐn)?shù)字和來滿足傳輸要求，即盡可能選擇｜WDS｜最小的碼字，禁止使用｜WDS｜最大的碼字。從這個(gè)意義出發(fā)，在選用4B碼代替3B碼時(shí)最好的是WDS＝0的碼字，最差的是表3-2中的1111，0000，這種字稱為禁字。3B4B碼方案很多，下面舉一例。如表3-3可見，一組3B碼有兩組4B碼與它對(duì)應(yīng)。其中一組模式1，標(biāo)識(shí)為“+”組，WDS＝+2和WDS＝0；另一組模式2，標(biāo)識(shí)為“一組”，WDS＝-2和WDS＝0，模式1和模式2交替使用。68表3-3一種3B4B碼表3B碼4B碼模式1“+”組模式2“－”組碼組WDS碼組WDS00000101001110010111011110111110010101101001101001111101+2+20000+2+201000001010101101001101010000010-2-20000-2-269插入碼插入碼是把輸入二進(jìn)制原始碼流分成每m比特（mB）一組，然后在每組mB碼末尾按一定的規(guī)律插入一個(gè)碼，組成m＋1個(gè)碼為一組的線路碼流。根據(jù)插入碼的規(guī)律，可以分為mB1C碼，mB1H碼和mB1P碼。70線路編碼對(duì)線路傳輸速率的改變對(duì)擾碼二進(jìn)制線路速率不變對(duì)字變換碼，如mBnB實(shí)際線路速率＝標(biāo)稱速率×(n/m)對(duì)插入碼，如mB1H實(shí)際線路速率＝標(biāo)稱速率×[(m+1)/m]712.光發(fā)送電路光發(fā)送電路的主要作用是將經(jīng)過線路編碼的電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，即完成電／光變換，并從光源的尾纖送出光信號(hào)注入光纖線路。72光纖通信對(duì)光源的要求光源發(fā)光波長(zhǎng)應(yīng)在光纖的低損耗窗口內(nèi)，且要求色散小。光源的輸出功率必須足夠大?？煽啃愿?，使用壽命長(zhǎng)。光源的譜線寬度要窄。調(diào)制特性好，調(diào)制效率高，調(diào)制速率能適應(yīng)系統(tǒng)的要求。溫度特性好。73LD發(fā)送電路LD發(fā)送電路是指光源采用半導(dǎo)體激光器LD的發(fā)送電路。LD發(fā)送電路由電平移動(dòng)、LD光源、驅(qū)動(dòng)電路、預(yù)偏置電路、自動(dòng)功率控制(APC)電路和自動(dòng)溫度控制(ATC)電路組成。光端機(jī)中，一般將這幾部分電路裝在一塊機(jī)盤中，稱為光發(fā)送盤*。*此處機(jī)盤系電路板的習(xí)慣叫法74圖3-31LD發(fā)送電路框圖光發(fā)送盤的核心自動(dòng)增益（功率）控制自動(dòng)溫度控制實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光源輸出狀態(tài)75光源驅(qū)動(dòng)電路光源驅(qū)動(dòng)電路是光發(fā)送盤的核心。它用數(shù)字信號(hào)來調(diào)制發(fā)光器的發(fā)光強(qiáng)度，即完成電／光變換過程。電信號(hào)對(duì)光源的調(diào)制是PCM脈碼強(qiáng)度直接調(diào)制方式，光源輸出的光功率正比于注入電流。由于光源有LD和LED，其P-I特性也不同，因此驅(qū)動(dòng)方式也不同。76光源的驅(qū)動(dòng)電路和偏置電路的要求輸出的光脈沖峰值必須保持恒定。不管溫度如何變化或激光器如何老化，都要保持脈沖恒定。光脈沖的通斷比（即消光比）*應(yīng)≥