【光纤通信】第4章 光端机
合集下载
光端机是什么设备：揭秘光纤通信中的核心组件
光端机是什么设备：揭秘光纤通信中的核心组件
光端机是什么设备？这是许多人在接触光纤通信时常常产生的疑惑。
今天，我们就来揭秘光纤通信中的核心组件——光端机。
光端机，简称ONT（Optical Network Terminal），是光纤通信中用户端的设备。
它的主要作用是将光纤传输的光信号转化为电信号，让我们可以使用普通的电信设备进行通信，如固定电话、移动电话、电视等。
光端机具有很多重要的功能。
首先，它可以实现光纤通信的“最后一公里”，将光信号转换为电信号，使得信号可以在用户终端进行处理和使用。
其次，光端机还可以实现光纤网络的分割和调度，将光信号传输到不同的用户终端。
此外，光端机还具备数据转发、光闸控制、光功率监测等功能，保证光纤通信的高效稳定。
对于用户来说，光端机的作用也非常重要。
它不仅可以提供高速、稳定的光纤网络接入，还可以实现多种服务的融合，如高清电视、宽带上网、IP电话等。
通过光端机，用户可以享受到更快速、更稳定的网络体验，满足日常生活和办公的需求。
光纤通信技术：光端机
光端机15.1 线路编码5.2 光发射机5.3 光接收机5.4 光中继器25.1 线路编码当前，光纤通信系统普遍采用数字编码和强度调制-直接检测（IM-DD）通信系统，其基本结构如下图所示：光纤通信系统基本结构3在数字光纤通信系统中，光端机的接口有电接口和光接口。
电接口与PCM终端机相连，因而其接口码型应选择与PCM终端机的接口码型一致。
ITU-T规定的PCM通信系统中的接口速率和码型如下表所示：HDB3不适合直接在光纤通信系统中传输，因此必须进行码型变换，以适合于数字光纤通信系统传输的要求。
4数字光纤通信系统对线路码型的基本要求是保证传输的透明性，具体要求有：避免信码流中出现长连“0”或长连“1”，以利于收端时钟提取。
能进行不中断业务的误码监测。
尽量减少信码流中直流分量的起伏。
数字光纤通信系统常用的线路码型有：加扰二进码、mBnB码和插入比特码。
55.1.1 加扰二进码为了保证传输的透明性，在系统光发射机的调制器前，需要附加一个扰码器，将原始的二进制码序列加以变换，使其接近于随机序列。
常用的为D触发器和异或门组成的七级扰码器。
相应地，在光接收机的判决器之后，附加一个解扰器，以恢复原始序列。
加扰二进码是把信息序列按一定规则进行扰码，使线路码流中“0”码和“1”码出现的概率大致相等，因此码流中不会出现长连“0”和长连“1”的情况，从而有利于接收端提取时钟信号。
但是这种码型中没有引入冗余码，因此不能进行在线误码监测。
65.1.2 mBnB码将码流中m个码元分为一组，用与之对应的n个码元代替，这种码型称为mBnB码。
此处n＞m，n与m皆为整数，如1B2B码、3B4B码、5B6B码、6B8B码、5B7B码等。
5.1.3 插入比特码插入比特码是在mB的基础上加上一个插入码，即“mB”+“插入码”。
根据插入码的用途不同，可以分为mB1P码、mB1C码和mB1H码等。
1.mB1P码（奇偶校验码）在mB1P码中，P码称为奇偶校验码，它可以把m位原码通过末位插入P码，校正为偶数码或奇数码。
光通信之光端机的工作原理
光端机的主要功能是实现远距离的高速数据传输，广泛应用于电信、移动通信、工业控制等领域。
光端机的分类
根据传输速率，光端机可以分为低速光端机和高速光端机。低速光端机通常用于传输语音、视频等低速数据，而高速光端机 则用于传输高速数据，如以太网、光纤通道等。
根据传输距离，光端机可以分为短距离光端机、中距离光端机和长距离光端机。短距离光端机通常用于传输距离较近的数据 ，如局域网内的数据传输；中距离光端机适用于城市间或区域范围内的数据传输；长距离光端机则适用于跨省、跨国等远距 离数据传输。
光端机在军事通信网络中具有较高的可靠性 和稳定性，能够在复杂的环境和恶劣的条件 下实现可靠的通信，为军事指挥和作战提供
强有力的支持。
05 光端机的优势与挑战
光端机的优势
高速传输
光端机采用光信号传输，具有极高的传输速率， 能够满足大数据和多媒体应用的需求。
抗干扰能力强
光信号传输不受电磁干扰的影响，具有较好的稳 定性和可靠性。
ABCD
远距离传输
光信号在光纤中传输的损耗较小，可以实现长距 离传输，有利于扩展通信网络的覆盖范围。
保密性好
光通信网络难以被窃听和干扰，能够保证通信内 容的安全性。
光端机面临的挑战
高成本
光端机设备成本较高，对于大规模部署和应用有一定 的经济压力。
技术难度高
光端机涉及的技术较为复杂，需要专业人员进行维护 和管理。
广播电视网络
广播电视网络是光端机应用的另一个 重要领域。在广播电视网络中，光端 机用于传输电视信号和广播信号，确 保信号的稳定传输和高质量的节目播 放。
VS
光端机能够提供高带宽、低损耗的传 输通道，支持多路电视信号和广播信 号的同时传输，提高了广播电视网络 的覆盖范围和服务质量。
光端机的分类
根据传输速率，光端机可以分为低速光端机和高速光端机。低速光端机通常用于传输语音、视频等低速数据，而高速光端机 则用于传输高速数据，如以太网、光纤通道等。
根据传输距离，光端机可以分为短距离光端机、中距离光端机和长距离光端机。短距离光端机通常用于传输距离较近的数据 ，如局域网内的数据传输；中距离光端机适用于城市间或区域范围内的数据传输；长距离光端机则适用于跨省、跨国等远距 离数据传输。
光端机在军事通信网络中具有较高的可靠性 和稳定性，能够在复杂的环境和恶劣的条件 下实现可靠的通信，为军事指挥和作战提供
强有力的支持。
05 光端机的优势与挑战
光端机的优势
高速传输
光端机采用光信号传输，具有极高的传输速率， 能够满足大数据和多媒体应用的需求。
抗干扰能力强
光信号传输不受电磁干扰的影响，具有较好的稳 定性和可靠性。
ABCD
远距离传输
光信号在光纤中传输的损耗较小，可以实现长距 离传输，有利于扩展通信网络的覆盖范围。
保密性好
光通信网络难以被窃听和干扰，能够保证通信内 容的安全性。
光端机面临的挑战
高成本
光端机设备成本较高，对于大规模部署和应用有一定 的经济压力。
技术难度高
光端机涉及的技术较为复杂，需要专业人员进行维护 和管理。
广播电视网络
广播电视网络是光端机应用的另一个 重要领域。在广播电视网络中，光端 机用于传输电视信号和广播信号，确 保信号的稳定传输和高质量的节目播 放。
VS
光端机能够提供高带宽、低损耗的传 输通道，支持多路电视信号和广播信 号的同时传输，提高了广播电视网络 的覆盖范围和服务质量。
第4章 光端机-2
第4章 光端机
脉冲再生电路原理方框图
第4章 光端机
5．自动增益控制（AGC） ．自动增益控制（ ）
AGC 就是用反馈环路来控制主放大器的增益。作 就是用反馈环路来控制主放大器的增益。 用是增加了光接收机的动态范围， 用是增加了光接收机的动态范围，使光接收机的输出保 持恒定。 持恒定。
自动增益控制工作原理方框图
第4章 光端机
（1）改变差分放大器工作电流的AGC电路
改变差分放大器工作电流的控制方式
第4章 光端机 （2）分流式控制电路
分流式控制电路
第4章 光端机 STM-16光接收器电原理图
第4章 光端机
（3）自动增益控制（AGC） ）自动增益控制（ ） AGC就是利用反馈环路来控制主放大器的增益。 就是利用反馈环路来控制主放大器的增益。 就是利用反馈环路来控制主放大器的增益 AGC的作用是增加了光接收机的动态范围。 的作用是增加了光接收机的动态范围。 的作用是增加了光接收机的动态范围
第4章 光端机 当温度升高时， 的温度升高 使热敏电阻阻值变小， 的温度升高， 当温度升高时，LD的温度升高，使热敏电阻阻值变小，电桥 失去平衡， 点电位低于A点电位 失去平衡，使B点电位低于 点电位，运算放大器输出电压升高， 点电位低于 点电位，运算放大器输出电压升高， V的基极电流增大，制冷器的电流也增大，制冷端温度降低，LD 的基极电流增大， 的基极电流增大 制冷器的电流也增大，制冷端温度降低， 的温度也降低，保持温度恒定。 的温度也降低，保持温度恒定。
第4章 光端机
非线性处理电路及其波形图
第4章 光端机
锁相环法提取时钟： 锁相环法提取时钟：
第4章 光端机 声表面波(SAW)滤波器提取时钟 滤波器提取时钟 声表面波 SAW滤波器：电磁振荡 机械振荡 电磁振荡换能器，具有 滤波器： 机械振荡—电磁振荡换能器 滤波器 电磁振荡—机械振荡 电磁振荡换能器， 频率选择特性。 频率选择特性。
光端机
Io
电流 源
－UE
V1基极电位比UB低， V2抢先导通，驱动LD发 光。V1和V2处于轮流截止和非饱和导通状态， 有利于提高调制速率。当三极管截止频率fr≥4.5 GHz时，这种电路的调制速率可达300 Mb/s。
射极耦合电路为恒流源，电流噪声小，这种电
路的缺点是动态范围小，功耗较大。
图 4.7 射极耦合LD驱动电路图
如图4.4，在两个接连出现的“1”码中，第一个脉冲到来前，有 较长的连“0”码， 由于电光延迟时间长和光脉冲上升时间的影 响，因此脉冲变小。第二个脉冲到来时，由于第一个脉冲的电 子复合尚未完全消失，有源区电子密度较高，因此电光延迟时 间短， 脉冲较大。
图4.4 码型效应 （a) 、(b)码效应波形；（c）改善后波形
为了适合高传输速率的需求，人们一直在 努力开发单片光接收机，即用“光电集成电路 (OEIC)技术”在同一芯片上集成包括光检测器 在内的全部元件。 这样的完全集成对于GaAs 接收机(即工作在短波长的接收机)是比较容易 的，而且早已得到实现。 然而，对于工作在 1.3~1.6 μm波长的系统，人们需要基于InP的 OEIC接收机。
2. 自动温度控制
半导体光源的输出特性受温度影响很大，特别是 长波长半导体激光器对温度更加敏感。为保证输出特 性的稳定，对激光器进行温度控制是十分必要的。
激光 器 热导
致冷 器
热敏 电阻
控制 电路
图 4.12 温度控制方框图
R1 A
R2
＋U R3 B
R4
－ A
＋
＋U
V
1
3
5
t
RT
TEC LD
7 P IN
“码型效应”的特点是， 在脉冲序列中较长的连“0”码后 出现的“1”码，其脉冲明显变小，而且连“0”码数目越多， 调制速率越高，这种效应越明显。用适当的“过调制”补偿方 法， 可以消除码型效应，见图4.4(c) 所示。
光端机原理
光端机原理
光端机是一种用于光纤通信的设备，它的主要作用是将光信号转换为电信号或将电信号转换为光信号。
光端机通常由多个部件组成，包括光接收器、光发射器、光解调器和光调制器等。
在接收光信号时，光端机的光接收器将光信号转换为电信号。
光接收器包括一个光敏元件，如光电二极管或光电倍增管，以及一个前置放大器。
当光信号进入光敏元件时，它会激发电子跃迁，产生电流或电压信号。
然后，这个弱电信号经过前置放大器放大，以便后续处理和解读。
在发送光信号时，光端机的光发射器将电信号转换为光信号。
光发射器通常由一个激光二极管或半导体激光器组成。
当电信号输入光发射器时，它会激励激光二极管或半导体激光器中的电子跃迁，产生激光光束。
这个激光光束通过光纤传输，从而实现光信号的传输。
在光信号的解调和调制过程中，光端机的光解调器和光调制器起着重要作用。
光解调器用于将光信号解调为原始的电信号，以便进一步处理。
而光调制器用于将电信号调制为光信号，以便进行发送。
总之，光端机通过光接收器和光发射器实现光信号与电信号之间的转换，通过光解调器和光调制器实现光信号的解调和调制。
这样，光端机成为光纤通信中不可或缺的设备，为人们提供高速、高带宽、低延迟的通信服务。
第四章光端机
光发射机的线路编码电路
• 线路编码：又称信道编码，之所以必要， 是因为电端机输出的数字信号是适合电 缆传输的双极性码，而光源不能发射负 脉冲，所以要变化为适合于光纤传输的 单极性码，此外它可以消除或减少数字 电信号中的直流和低频分量，以便于在 光纤中传输、接收及监测。
• 大体可归纳为三类： • 扰码二进制、字变换码、插入型码
•
调制分为直接调制和外调制两种方式。 受调制的光源特性参数有功率、幅度、 频率和相位。目前技术上成熟并在实际 光纤通信系统得到广泛应用的是直接光 强（功率）调制。
下面我们看一下直接光强数字调制的 工作原理。
直接光强数字调制原理 (a) LED数字调制原理；(b) LD的数字调制原理
•
对LD施加了偏置电流Ib。由图可见， 当激光器的驱动电流大于阈值电流Ith时， 输出光功率P和驱动电流I基本上是线性 关系，输出光功率和输入电流成正比， 所以输出光信号反映输入电信号。
• 4、不能实现在线(不中断业务)的误码检 测，不利于长途通信系统的维护。
编码的选取原则（一般原 则）
• • • • • 1、可以提供误码检测 2、码率增加要少 3、便于定时信号的提取 4、减小码流的基线漂移 5、接收端将线路码还原后，误码增值要 小 • 6、电路简单，体积小，耗电少
数字光纤通信系统中常用 的线路码型
光发射机的调制电路（主 要电路）
• 光源注入合适的偏置电流和调制电流就 能发射光，也就是说可以通过直接调制 电流信号从而调制光信号，这也就是直 接调制名称的由来。 • 这在发射机中是由驱动电路完成的， 通常说的驱动电路实际上应该能提供恒 定的偏置电流和调制电流，并采用一定 的机制保持光功率不变。驱动电路由调 制电路和控制电路两部分组成。调制电 路为主要电路。
光纤通信第4章 光端机
1. 直接调制
（1） 基本概念及调制原理 直接调制就是将电信号直接注入光源，使其输出的光载波信号的强度随调制
信号的变化而变化，又称为内调制。调制原理如图4-3所示。
图4-3 直接光强度数字调制原理 图4-3（a）所示为LED的直接光强度数字调制原理图。由于LED属于无阈
值的器件，它随着注入电流的增加，输出光功率近似呈线性的增加。
光中继器是信号经过一段距离传输后，当信道信噪比不太大时，及时 识别判决，以防止信道误码。
电端机在发送端把信息进行模/数转换并完成复用，然后将信号送入 光发送端机。接收端完成相反的功能。
4.1 光发送机
光发送机的作用是把从电端机送来的电信号转变成光信号，并送入光纤 线路进行传输。因此对光发射机有一定的要求。
1. 有合适的输出光功率
光发送机的输出光功率，通常是指耦合进光纤的功率，亦称入纤功率。入 纤功率越大，可通信的距离就越长，但光功率太大也会使系统工作在非线 性状态，对通信将产生不良影响。因此，要求光源应有合适的光功率输出， 一般为0.01mW～5mW。
2. 有较好的消光比
消光比的定义为全“1”码平均发送光功率与全“0”码平均发送光功率
（7）光源：产生作为光载波的光信号，并作为信号传输的载体携带信号在光 纤传输线路中传送。 （8）温度控制和功率控制：控制电路包括自动温度控制（ATC）电路和自 动功率控制（APC）电路，以稳定半导体激光器的工作温度和输出的平均光 功率。 （9）其他保护、监测电路： 光源过流保护电路：在光源二极管上反向并联一只肖特基二极管，以防止反 向冲击电流过大。 无光告警电路：当光发送机电路出现故障，或输入信号中断，或激光器失效 时，都将使激光器“较长时间”不发光，这时延迟告警电路将发出告警指示。
光纤通信课件 第 4 章 光端机120页PPT
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
光纤通信课件 第 4 章 光பைடு நூலகம்机
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的，对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克
第4章光端机(2)解读
任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号
为确定是‘1’或是‘0’， 需要对某时隙的码元作
再生码流 判决器
出判决。若判决结果为
‘1’，则由再生电路产 生一个矩形‘1’脉冲；
时钟 提取
若判决结果为‘0’，则
由再生电路重新输入一
个‘0’。
为了精确地确定“判决时
刻”，需要从信号码流中
提取准确的时钟信息作为
3．均衡器
均衡器的作用是对已畸变(失真)和有码间干扰的电信号进 行均衡补偿，减小误码率。
4．再生电路
再生电路的任务是把放大器输出的升余弦波形恢复成数 字信号，由判决器和时钟恢复电路组成。
5．自动增益控制（AGC）
AGC就是用反馈环路来控制主放大器的增益。作用是增 加了光接收机的动态范围，使光接收机的输出保持恒定。
码元被误判的概率，可以用噪声电流(压)的概率密度函数 来计算。
如图4.18所示，I1是“1”码的电流，I0是“0”码的电流。 Im 是“１”码的平均电流，而“0”码的平均电流为0。D为判 决门限值，一般取D=Im/2。
在“１”码时，如果 在取样时刻带有噪声 的电流I1<D，则可能 被误判为“0”码；
4.2.3 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(在二元制的情况 下，等于误比特率，BER)， 用较长时间间隔内，在传输的码 流中，误判的码元数和接收的总码元数的比值来表示。
ND=0(略去暗电流)。由式(4.8)得到发“0”码的条件下噪声的 概率密度函数为 :
f (I0)
1
为确定是‘1’或是‘0’， 需要对某时隙的码元作
再生码流 判决器
出判决。若判决结果为
‘1’，则由再生电路产 生一个矩形‘1’脉冲；
时钟 提取
若判决结果为‘0’，则
由再生电路重新输入一
个‘0’。
为了精确地确定“判决时
刻”，需要从信号码流中
提取准确的时钟信息作为
3．均衡器
均衡器的作用是对已畸变(失真)和有码间干扰的电信号进 行均衡补偿，减小误码率。
4．再生电路
再生电路的任务是把放大器输出的升余弦波形恢复成数 字信号，由判决器和时钟恢复电路组成。
5．自动增益控制（AGC）
AGC就是用反馈环路来控制主放大器的增益。作用是增 加了光接收机的动态范围，使光接收机的输出保持恒定。
码元被误判的概率，可以用噪声电流(压)的概率密度函数 来计算。
如图4.18所示，I1是“1”码的电流，I0是“0”码的电流。 Im 是“１”码的平均电流，而“0”码的平均电流为0。D为判 决门限值，一般取D=Im/2。
在“１”码时，如果 在取样时刻带有噪声 的电流I1<D，则可能 被误判为“0”码；
4.2.3 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(在二元制的情况 下，等于误比特率，BER)， 用较长时间间隔内，在传输的码 流中，误判的码元数和接收的总码元数的比值来表示。
ND=0(略去暗电流)。由式(4.8)得到发“0”码的条件下噪声的 概率密度函数为 :
f (I0)
1
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
“码型效应”的特点是， 在脉冲序列中较长的连“0”码后出 现的“1”码，其脉冲明显变小，而且连“0”码数目越多，调 制速率越高，这种效应越明显。用适当的“过调制”补偿方法， 可以消除码型效应，见图4.4(c) 所示。
为了进一步了解激光器的调制特性，应求出LD速率方程组的 瞬态解。由此得到的张弛振荡频率ωr及其幅度衰减时间τo和 电光延迟时间td的表达式为：
1.
半导体激光器在高速脉冲
调制下，输出光脉冲瞬态
响应波形如图4.3所示。
ωr
输出光脉冲和注入电流脉 冲之间存在一个初始延迟 时间，称为电光延迟时间 td，其数量级一般为ns。
当电流脉冲注入激光器后， 输出光脉冲会出现幅度逐
td 图 4.3 光脉冲瞬态响应波形
渐衰减的振荡， பைடு நூலகம்为张弛振荡，
其振荡频率fr(=ωr/2π)一般为0.5－2 GHz。
(1) 张弛振荡频率ωr随τsp、τph的减小而增加，随j的增加 而增加。这个振荡频率决定了LD的最高调制频率。
(2) 张弛振荡幅度衰减时间τo与τsp为相同数量级，并随j 的 增加而减小。 (3) 电光延迟时间td与τsp为相同数量级，并随j的增加而
减小( j>jth)。
增加注入电流j：
(3) 允许的调制速率要高或响应速度要快， 以满足系统的大 传输容量的要求。 (4) 器件应能在常温下以连续波方式工作， 要求温度稳定性 好， 可靠性高，寿命长。 (5) 要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。
以上各项中，调制速率、谱线宽度、输出光功率和光束方向 性，直接影响光纤通信系统的传输容量和传输距离，是光源 最重要的技术指标。
第4章 光端机
4.1 光发射机 4.2 光接收机 4.3 线路编码
4.1光发射机
数字光发射机的功能是把电端机输出的数字基带电信号转 换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路，电/光转换是
用承载信息的数字电信号对光源进行调制来实现的。 调制分为直接调制和外调制两种方式。
受调制的光源特性参数有功率、 幅度、频率和相位。 目前技术上成熟并在实际光纤通信系统得到广泛应用的是直接
2)LED无需偏置电流，信号电流直接调制，输出光功率P与I是 线性关系，输出光功率和输入电流成正比，所以输出光信号反 映输入电信号。
4.1.1光发射机基本组成
数字光发射机的方框图如图4.2所示，主要有光源和电路两 部分。光源是实现电/光转换的关键器件，在很大程度上决定 着光发射机的性能。电路的设计应以光源为依据，使输出光 信号准确反映输入电信号。
当电光延迟时间td与数字调制的码
元持续时间T/2为相同数量级时，会
光脉冲
使“0”码过后的第一个“1码的脉
2 ns
5 ns
2 ns
冲
(a)
(b)
(c)
宽度变窄，幅度减小，严重时可能 图4.4 码型效应
使单个“１”码丢失， 这种现象（称a) 、(b)码效应波形（c）改善后
为“码型效应”。
波形
4.4，在两个接连出现的“1”码中，第一个脉冲到来前， 有较长的连“0”码， 由于电光延迟时间长和光脉冲上升时间 的影响，因此脉冲变小。第二个脉冲到来时，由于第一个脉冲 的电子复合尚未完全消失，有源区电子密度较高，因此电光延 迟时间短， 脉冲较大。
这些特性与激光器有源区的电子自发复合寿命和谐振腔 内光子寿命以及注入电流初始偏差量有关。
张弛振荡和电光延迟的后果是限制调制速率。当最高 调制频率接近张弛振荡频率时，波形失真严重，会使 光接收机在抽样判决时增加误码率，因此实际使用的 最高调制频率应低于张弛振荡频率。
电光延迟要产生码型效应。
12 电脉冲
w
[ 1
sp ph
(
j jth
1)]1 2
j：注入电流密度 jth：阈值电流密度
o 2 sp
jth j
τ o:张弛振荡幅度衰减到初始值的1/e的时间
d
sp ln
j j jth
τ sp:电子自发复合寿命 τ ph:谐振腔内光子寿命
在典型的激光器中，τsp≈10-9s, τph≈10-12s， 由上式可以看到：
2. 调制电路和控制电路
直接光强调制的数字光发射机主要电路有： 调制电路、控制电路和线路编码电路，采用激光器作光源时，
还有偏置电路。 对调制电路和控制电路的要求如下：
(1) 输出光脉冲的通断比(全“1”码平均光功率和全“0” 码平均光功率的比值，或消光比的倒数)应大于10，以保证 足够的光接收信噪比。
光强(功率)调制。
图4.1示出激光器(LD)和发光二极管(LED)直接光强数字调制原理
P
P
t t
I
Ith
I
图 4.1 (a) LED数字调制原理； (b) LD的数字调
由图可见: 1)对LD施加了偏置电流Ib。当激光器的驱动电流大于阈值电 流Ith时，输出光功率P和驱动电流I基本上是线性关系，输出 光功率和输入电流成正比，所以输出光信号反映输入电信号。
(2) 输入电脉冲的宽度应远大于开通延迟(电光延迟)时间， 以 便在高速率调制下，输出的光脉冲能准确再现输入电脉冲的波 形。 (3) 对激光器应施加足够的偏置电流，以便抑制在较高速率 调制下可能出现的张弛振荡，保证发射机正常工作。
(4) 应采用自动功率控制(APC)和自动温度控制(ATC)， 以 保证输出光功率有足够的稳定性。
1. (1) 发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，即中心波
长应在0.85 μm、 1.31 μm和1.55 μm附近。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。
(2) 电/光转换效率要高，即要求在足够低的驱动电流下， 有 足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。发射光束的方向 性要好，即远场的辐射角要小，以利于提高光源与光纤之间 的耦合效率。
3.
线路编码之所以必要，是因为电端机输出的数字信号是适合 电缆传输的双极性码，而光源不能发射负脉冲，所以要变换 为适合于光纤传输的单极性码，线路编码的其它原因见4.3节 所述。
4.1.2调制特性
半导体激光器是光纤通信的理想光源，但在高速脉冲 调制下，其瞬态特性仍会出现许多复杂现象，如常见的 电光延迟、 张弛振荡和自脉动现象。这种特性严重限制 系统传输速率和通信质量，因此在电路的设计时要给予 充分考虑。
为了进一步了解激光器的调制特性，应求出LD速率方程组的 瞬态解。由此得到的张弛振荡频率ωr及其幅度衰减时间τo和 电光延迟时间td的表达式为：
1.
半导体激光器在高速脉冲
调制下，输出光脉冲瞬态
响应波形如图4.3所示。
ωr
输出光脉冲和注入电流脉 冲之间存在一个初始延迟 时间，称为电光延迟时间 td，其数量级一般为ns。
当电流脉冲注入激光器后， 输出光脉冲会出现幅度逐
td 图 4.3 光脉冲瞬态响应波形
渐衰减的振荡， பைடு நூலகம்为张弛振荡，
其振荡频率fr(=ωr/2π)一般为0.5－2 GHz。
(1) 张弛振荡频率ωr随τsp、τph的减小而增加，随j的增加 而增加。这个振荡频率决定了LD的最高调制频率。
(2) 张弛振荡幅度衰减时间τo与τsp为相同数量级，并随j 的 增加而减小。 (3) 电光延迟时间td与τsp为相同数量级，并随j的增加而
减小( j>jth)。
增加注入电流j：
(3) 允许的调制速率要高或响应速度要快， 以满足系统的大 传输容量的要求。 (4) 器件应能在常温下以连续波方式工作， 要求温度稳定性 好， 可靠性高，寿命长。 (5) 要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。
以上各项中，调制速率、谱线宽度、输出光功率和光束方向 性，直接影响光纤通信系统的传输容量和传输距离，是光源 最重要的技术指标。
第4章 光端机
4.1 光发射机 4.2 光接收机 4.3 线路编码
4.1光发射机
数字光发射机的功能是把电端机输出的数字基带电信号转 换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路，电/光转换是
用承载信息的数字电信号对光源进行调制来实现的。 调制分为直接调制和外调制两种方式。
受调制的光源特性参数有功率、 幅度、频率和相位。 目前技术上成熟并在实际光纤通信系统得到广泛应用的是直接
2)LED无需偏置电流，信号电流直接调制，输出光功率P与I是 线性关系，输出光功率和输入电流成正比，所以输出光信号反 映输入电信号。
4.1.1光发射机基本组成
数字光发射机的方框图如图4.2所示，主要有光源和电路两 部分。光源是实现电/光转换的关键器件，在很大程度上决定 着光发射机的性能。电路的设计应以光源为依据，使输出光 信号准确反映输入电信号。
当电光延迟时间td与数字调制的码
元持续时间T/2为相同数量级时，会
光脉冲
使“0”码过后的第一个“1码的脉
2 ns
5 ns
2 ns
冲
(a)
(b)
(c)
宽度变窄，幅度减小，严重时可能 图4.4 码型效应
使单个“１”码丢失， 这种现象（称a) 、(b)码效应波形（c）改善后
为“码型效应”。
波形
4.4，在两个接连出现的“1”码中，第一个脉冲到来前， 有较长的连“0”码， 由于电光延迟时间长和光脉冲上升时间 的影响，因此脉冲变小。第二个脉冲到来时，由于第一个脉冲 的电子复合尚未完全消失，有源区电子密度较高，因此电光延 迟时间短， 脉冲较大。
这些特性与激光器有源区的电子自发复合寿命和谐振腔 内光子寿命以及注入电流初始偏差量有关。
张弛振荡和电光延迟的后果是限制调制速率。当最高 调制频率接近张弛振荡频率时，波形失真严重，会使 光接收机在抽样判决时增加误码率，因此实际使用的 最高调制频率应低于张弛振荡频率。
电光延迟要产生码型效应。
12 电脉冲
w
[ 1
sp ph
(
j jth
1)]1 2
j：注入电流密度 jth：阈值电流密度
o 2 sp
jth j
τ o:张弛振荡幅度衰减到初始值的1/e的时间
d
sp ln
j j jth
τ sp:电子自发复合寿命 τ ph:谐振腔内光子寿命
在典型的激光器中，τsp≈10-9s, τph≈10-12s， 由上式可以看到：
2. 调制电路和控制电路
直接光强调制的数字光发射机主要电路有： 调制电路、控制电路和线路编码电路，采用激光器作光源时，
还有偏置电路。 对调制电路和控制电路的要求如下：
(1) 输出光脉冲的通断比(全“1”码平均光功率和全“0” 码平均光功率的比值，或消光比的倒数)应大于10，以保证 足够的光接收信噪比。
光强(功率)调制。
图4.1示出激光器(LD)和发光二极管(LED)直接光强数字调制原理
P
P
t t
I
Ith
I
图 4.1 (a) LED数字调制原理； (b) LD的数字调
由图可见: 1)对LD施加了偏置电流Ib。当激光器的驱动电流大于阈值电 流Ith时，输出光功率P和驱动电流I基本上是线性关系，输出 光功率和输入电流成正比，所以输出光信号反映输入电信号。
(2) 输入电脉冲的宽度应远大于开通延迟(电光延迟)时间， 以 便在高速率调制下，输出的光脉冲能准确再现输入电脉冲的波 形。 (3) 对激光器应施加足够的偏置电流，以便抑制在较高速率 调制下可能出现的张弛振荡，保证发射机正常工作。
(4) 应采用自动功率控制(APC)和自动温度控制(ATC)， 以 保证输出光功率有足够的稳定性。
1. (1) 发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，即中心波
长应在0.85 μm、 1.31 μm和1.55 μm附近。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。
(2) 电/光转换效率要高，即要求在足够低的驱动电流下， 有 足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。发射光束的方向 性要好，即远场的辐射角要小，以利于提高光源与光纤之间 的耦合效率。
3.
线路编码之所以必要，是因为电端机输出的数字信号是适合 电缆传输的双极性码，而光源不能发射负脉冲，所以要变换 为适合于光纤传输的单极性码，线路编码的其它原因见4.3节 所述。
4.1.2调制特性
半导体激光器是光纤通信的理想光源，但在高速脉冲 调制下，其瞬态特性仍会出现许多复杂现象，如常见的 电光延迟、 张弛振荡和自脉动现象。这种特性严重限制 系统传输速率和通信质量，因此在电路的设计时要给予 充分考虑。