1、1,第3章光端機(jī),3.1 光源 3.2 光源的調(diào)制 3.3 光纖通信中的線路碼型 3.4 光發(fā)射機(jī) 3.5光電檢測(cè)器 3.6光接收機(jī),2,第3章光端機(jī),作為一個(gè)完整的光纖通信系統(tǒng)，無(wú)疑光端機(jī)是它的一個(gè)重要組成部分 在光的發(fā)送端應(yīng)包括：光源（即器件是怎樣會(huì)發(fā)光的）、光源的調(diào)制（即怎樣將需要傳輸?shù)男盘?hào)載在光波上）、光發(fā)射機(jī)的構(gòu)成，在光的接收這一端，應(yīng)包括完成光電轉(zhuǎn)換作用的光電檢測(cè)器、光接收機(jī)等這些就是本章將討論的內(nèi)容 此外，本章還將討論與光端機(jī)有關(guān)的光纖通信中的碼型、光接收機(jī)噪聲等問(wèn)題,3,3.1光源,光源是光纖通信系統(tǒng)中光發(fā)射機(jī)的重要組成部件，其主要作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)送入光纖。 目前用于

2、光纖通信的光源包括半導(dǎo)體激光器（Laser Diode，LD）和半導(dǎo)體發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）。,4,1、光子的概念 光是由能量為hf的光量子組成的，其中h=6.62610-34JS，稱為普朗克常數(shù)；f是光波頻率。 人們將這些光量子稱為光子。 不同頻率的光子具有不同的能量。 光具有波、粒兩重性。,3.1.1 基礎(chǔ)知識(shí),5,2.能級(jí)、費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)分布和費(fèi)米能級(jí) （1）原子能級(jí)的概念 物質(zhì)是由原子組成的，而原子是由原子核和核外電子構(gòu)成的。 當(dāng)物質(zhì)中原子的內(nèi)部能量變化時(shí)，可能產(chǎn)生光波。 電子在原子中圍繞原子核按一定軌道運(yùn)動(dòng)，而且只能有某些允許的軌道。由于在每

3、一個(gè)軌道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，就相應(yīng)具有一定的電子能量，因此，電子運(yùn)動(dòng)的能量只能有某些允許的數(shù)值。 這些所允許的能量值因軌道不同，都是一個(gè)個(gè)地分開(kāi)的，即是不連續(xù)的。我們把這些分立的能量值稱為原子的不同能級(jí)。,3.1.1 基礎(chǔ)知識(shí),6,（2）費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)分布 電子按能量大小的分布確有一定的規(guī)律。 電子占據(jù)能級(jí)的概率遵循費(fèi)米能級(jí)統(tǒng)計(jì)規(guī)律：在熱平衡條件下，能量為E的能級(jí)被一個(gè)電子占據(jù)的概率為 費(fèi)米統(tǒng)計(jì)規(guī)律是物質(zhì)粒子能級(jí)分布的基本規(guī)律，它反映了物質(zhì)中的電子按一定規(guī)律占據(jù)能級(jí)。,3.1.1 基礎(chǔ)知識(shí),7,T0K時(shí) 當(dāng)E1/2.說(shuō)明這種能級(jí)E被占據(jù)的幾率大于50%。 當(dāng)EEf 則f(E)1/2.說(shuō)明這種能級(jí)E被占據(jù)

4、的幾率小于50%。 當(dāng)E=Ef 則f(E)=1/2.說(shuō)明這種能級(jí)E被占據(jù)的幾率等于50%。 結(jié)論：熱平衡情況下，占據(jù)低能級(jí)的電子多，占據(jù)高能級(jí)的電子少,3.1.1 基礎(chǔ)知識(shí),8,T=0k時(shí) 若EEf ，則 ,于是得到f(E)=0 若EEf ，則 , 于是得到f(E)=1,3.1.1 基礎(chǔ)知識(shí),9,費(fèi)米能級(jí) 在絕對(duì)零度時(shí)，費(fèi)米能級(jí)Ef可以理解為能級(jí)基本被占滿（f(E)=1）和基本空著（f(E)=0）的分界線。 費(fèi)米能級(jí)是一個(gè)表明電子占據(jù)能級(jí)狀況的一個(gè)標(biāo)志。,3.1.1 基礎(chǔ)知識(shí),10,3.光的輻射躍遷和吸收躍遷 光可以被物質(zhì)吸收，也可以從物質(zhì)中發(fā)射。 在研究光與物質(zhì)的相互作用時(shí)，愛(ài)因斯坦指出，這

5、里存在著三種不同的基本過(guò)程，即自發(fā)輻射、受激吸收以及受激輻射。,3.1.1 基礎(chǔ)知識(shí),11,（1）自發(fā)輻射 在末受到外界激發(fā)的情況下，高能級(jí)的電子自發(fā)地躍遷到低能級(jí)，在躍遷過(guò)程中，發(fā)射出光子。 發(fā)射光子的頻率 自發(fā)輻射的特點(diǎn)如下： 這個(gè)過(guò)程是在沒(méi)有外界作用的條件 下自發(fā)產(chǎn)生的，是自發(fā)躍遷。 輻射光子的頻率亦不同，頻率范圍很寬。 光子的發(fā)射方向和相位也是各不相同的， 是非相干光。,3.1.1 基礎(chǔ)知識(shí),圖3-1原子的自發(fā)輻射,12,（2）受激吸收 物質(zhì)在外來(lái)光子的激發(fā)下，低能級(jí)上的電子吸收了外來(lái)光子的能量，而躍遷到高能級(jí)上，這個(gè)過(guò)程叫做受激吸收。 受激吸收的特點(diǎn)如下。 這個(gè)過(guò)程必須在外來(lái)光子的激

6、發(fā) 下才會(huì)產(chǎn)生，因此是受激躍遷。 外來(lái)光子的能量要等于電子躍遷 的能級(jí)之差。 受激躍遷的過(guò)程不是放出能量， 而是消耗外來(lái)光能。,3.1.1 基礎(chǔ)知識(shí),圖3-2 原子的受激吸收,13,（3）受激輻射 處于高能級(jí)E2的電子，當(dāng)受到外來(lái)光子的激發(fā)而躍遷到低能級(jí)E1時(shí)，放出一個(gè)能量為hf的光子。由于這個(gè)過(guò)程是在外來(lái)光子的激發(fā)下產(chǎn)生的，因此叫做受激輻射。 受激輻射的特點(diǎn)如下。 外來(lái)光子的能量等于躍遷的能級(jí)之差。 受激過(guò)程中發(fā)射出來(lái)的光子與外來(lái)光子 不僅頻率相同，而且相位、偏振方向和 傳播方向都相同，因此稱它們是全同光子。 這個(gè)過(guò)程可以使光得到放大。,3.1.1 基礎(chǔ)知識(shí),圖3-3原子的受激輻射,14,4

7、.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 在熱平衡條件下，粒子數(shù)正常分布，即N1N2，此時(shí)，即使有光照射，受激吸收受激輻射，物質(zhì)不可能有光放大作用 要想物質(zhì)能夠產(chǎn)生光的放大，就必須使受激輻射作用大于受激吸收作用，也就是必須使N2N1。 這種粒子數(shù)一反常態(tài)的分布，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，必須有泵浦源。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)是使物質(zhì)產(chǎn)生光放大的必要條件。,3.1.1 基礎(chǔ)知識(shí),15,5.光放大 當(dāng)物質(zhì)在外部能源（泵浦原）作用下達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，高能級(jí)上的大量電子就會(huì)受到外來(lái)入射光子的激發(fā)下，同步發(fā)射與入射光子的頻率、相位、偏振方向、傳播方向完全相同的激發(fā)光。這樣，就實(shí)現(xiàn)了用一個(gè)弱的入射光來(lái)激發(fā)出一個(gè)強(qiáng)

8、的出射光的光放大作用。,3.1.1 基礎(chǔ)知識(shí),16,3.1.2激光器的工作原理,1.激光器的構(gòu)成及激光的產(chǎn)生 （1）激光振蕩器必須包括以下三個(gè)部分： 能夠產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)，（物質(zhì)須有三個(gè)以上能級(jí)） 能夠使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的激勵(lì)源（泵浦源）， 能夠完成頻率選擇及反饋?zhàn)饔玫墓鈱W(xué)諧振腔。,17,（2） 光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)。 在增益物質(zhì)兩端，適當(dāng)?shù)奈恢?，放置兩個(gè)反射鏡M1和M2互相平行，就構(gòu)成了最簡(jiǎn)單的光學(xué)諧振腔。 如果反射鏡是平面鏡，稱為平面腔；如果反射鏡是球面鏡，則稱為球面腔。 對(duì)于兩個(gè)反射鏡，要求其中一個(gè)能全反射，如M1的反射系數(shù)R=1；另一個(gè)為部分反射，如M2的反射系數(shù)R1，產(chǎn)生

9、的激光由此射出。 ,3.1.2激光器的工作原理,18,（3）光學(xué)諧振腔的作用,3.1.2激光器的工作原理,圖3-5 激光器示意圖,由于有了光學(xué)諧振腔，其中沿著光學(xué)諧振腔軸線傳播的光，就可以在兩個(gè)反射鏡之間往復(fù)傳播，在這個(gè)過(guò)程中一邊傳播一邊激發(fā)高能級(jí)上的電子躍遷到低能級(jí)上發(fā)光這種由于光學(xué)諧振腔而產(chǎn)生的往復(fù)傳播作用，相當(dāng)于延長(zhǎng)了激光工作物質(zhì)的長(zhǎng)度，從而使其中的光能密度不斷增加這樣可以使受激輻射的幾率遠(yuǎn)大于自發(fā)輻射的幾率，從而使得沿光學(xué)諧振腔軸線傳播的光，在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的前提下，受激輻射占了絕對(duì)優(yōu)勢(shì),19,綜合上述分析可知，要構(gòu)成一個(gè)激光器，必須具備以下三個(gè)組成部分：工作物質(zhì)、泵浦源和光學(xué)諧振腔。

10、 工作物質(zhì)在泵浦源的作用下發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，成為激活物質(zhì)，從而有光的放大作用。 激活物質(zhì)和光學(xué)諧振腔是產(chǎn)生激光振蕩的必要條件。,3.1.2激光器的工作原理,20,3.1.2激光器的工作原理,2.激光器的閾值條件和相位平衡條件 （1）閾值條件 只有當(dāng)光波在諧振腔內(nèi)往返一次放大得到的光能密度大于或等于損失掉的光能密度，激光器才能建立起穩(wěn)定的激光輸出將上述兩者相等的這種關(guān)系稱為閾值條件 閾值條件為 其中G0稱為閾值增益系數(shù)。 激光器的閾值條件只決定于光學(xué)諧振腔的固有損耗。損耗越小，閾值條件越低，激光器就越容易起振。,21,3.1.2激光器的工作原理,（2）相位平衡條件 按照物理學(xué)諧振腔的理論，只有

11、那些經(jīng)過(guò)往返一周回到原來(lái)位置時(shí)，光波的相位與初始發(fā)生的波的相位同相。 即 的光波才能因此加強(qiáng)（即諧振）而在諧振腔中存在。 ,相位平衡條件,22,諧振波長(zhǎng),諧振頻率,3.1.2激光器的工作原理,23,通過(guò)上面分析可以得出 諧振腔中不是只存在一個(gè)頻率。但是也只有那些有增益，并且小信號(hào)增益大于平均損耗系數(shù)的光波才能存在。 光學(xué)諧振腔中，不同q的一系列取值對(duì)應(yīng)于沿諧振腔縱方向（軸向）一系列不同的電磁場(chǎng)分布狀態(tài)。一種分布就是一個(gè)激光器的縱模。 激光器的諧振腔中，在垂直于軸線的橫向也有一系列不同的電磁場(chǎng)分布，它被稱為激光器的橫模。,3.1.2激光器的工作原理,24,3.1.3 半導(dǎo)體激光器,自1960年激

12、光器問(wèn)世以來(lái)，已經(jīng)研制出了多種類型的激光器，如固體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器等。由于半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、效率高、壽命長(zhǎng)、較高的穩(wěn)定性、調(diào)制方便、調(diào)制速度高、頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，在光纖通信中得到使用。下面，根據(jù)上述討論的激光器的工作原理，研究半導(dǎo)體激光器是怎樣產(chǎn)生激光的，以及它的工作特性。,25,1.半導(dǎo)體激光器的發(fā)光機(jī)理 （1）本征半導(dǎo)體的能帶分布 本征半導(dǎo)體：就是指沒(méi)有任何外來(lái)雜質(zhì)和晶格缺陷的理想導(dǎo)體。 由于半導(dǎo)體是固體，原子之間結(jié)合緊密，各原子最外層電子的軌道互相重疊，從而，使半導(dǎo)體的能級(jí)不是分立的而是一個(gè)能帶。,3.1.3 半導(dǎo)體激光器,圖3-5 本征半導(dǎo)體的能帶分布,26,

13、滿帶能帶中能量最低的能帶，它是被電子占滿的。滿帶中的電子不起導(dǎo)電作用。 價(jià)帶相應(yīng)于價(jià)電子（原子最外層電子）所填充的能帶。它可能被占滿，也可能被占據(jù)了一部分。 導(dǎo)帶最高的末被電子填滿的能帶。導(dǎo)帶中的電子起導(dǎo)電作用。 禁帶導(dǎo)帶的底與價(jià)帶的頂這段能帶寬度稱為禁帶，用Eg表示，禁帶是電子不能占據(jù)的能帶。,3.1.3 半導(dǎo)體激光器,27,（2）N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體重?fù)诫s的能帶圖 N型半導(dǎo)體材料重?fù)诫s時(shí)的能帶分布 摻雜就是向本征半導(dǎo)體材料摻入雜質(zhì)元素，從而，給半導(dǎo)體材料提供導(dǎo)電的電子或空穴。 通常把提供電子的雜質(zhì)元素稱為施主雜質(zhì)，含有這種雜質(zhì)的半導(dǎo)體是屬于電子導(dǎo)電型的，稱為N型半導(dǎo)體。,3.1.3 半導(dǎo)

14、體激光器,28,3.1.3 半導(dǎo)體激光器,P型半導(dǎo)體材料重?fù)诫s時(shí)的能帶分布 如果向本征半導(dǎo)體材料摻入的是提供空穴的雜質(zhì)元素，那么，這種半導(dǎo)體材料就是屬于空穴導(dǎo)電型的，稱為p型半導(dǎo)體。,29,3.1.3 半導(dǎo)體激光器,(3)重?fù)诫s情況下P-N結(jié)的能帶分布 擴(kuò)散 空間電荷區(qū)的形成 P型材料中空穴濃度高，電子很少；N型材料中電子濃度高，空穴很少，當(dāng)N,P這兩塊半導(dǎo)體材料形成P-N結(jié)后， N型材料中的電子向P型材料擴(kuò)散；P型材料中的空穴向N型材料擴(kuò)散，當(dāng)P區(qū)空穴擴(kuò)散到N區(qū)后，在P區(qū)留下帶負(fù)電的離子；當(dāng)N區(qū)的電子擴(kuò)散到P區(qū)后，在N區(qū)留下帶正電的離子上述結(jié)果在P-N結(jié)附近P區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了一個(gè)負(fù)電荷區(qū)域；在P

15、-N結(jié)附近N區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了一個(gè)正電荷區(qū)域，通常把上述區(qū)域稱為空間電荷區(qū),30,3.1.3 半導(dǎo)體激光器,內(nèi)建電場(chǎng) 由于空間電荷區(qū)的存在，出現(xiàn)了一個(gè)N指向P（即由正指向負(fù)）的一個(gè)電場(chǎng)，稱為內(nèi)建電場(chǎng)這個(gè)電場(chǎng)的作用是使P區(qū)的電子移向N區(qū)；將N區(qū)的空穴移向P區(qū)，這種與擴(kuò)散相反的作用稱為漂移作用同時(shí)由于內(nèi)建電場(chǎng)的存在使P型材料的電子電位高于N型材料的電子電位（注意，不是正電荷電位，兩者是相反的），這個(gè)電場(chǎng)還起著阻止N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴繼續(xù)越過(guò)邊界向?qū)Ψ綌U(kuò)散的作用 最后，上述擴(kuò)散和漂移作用達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，使通過(guò)邊界的凈電流等于零， P-N結(jié)形成后的能帶分布,31,3.1.3 半導(dǎo)體激光器,(4) P-N結(jié)外

16、加正偏壓后的能帶分布以及激光的產(chǎn)生。 P-N結(jié)外加正偏壓（即P接正，N接負(fù)） 能帶分布,圖3-9 外加正偏壓后P-N結(jié)的能帶分布,P-N結(jié)區(qū)出現(xiàn)粒子對(duì)數(shù)反轉(zhuǎn)分布的解釋 N區(qū)在( EfNEcN)之間各能級(jí)電子占據(jù)的概率大于1/2，即表示電子多，而且，此時(shí)還是高能級(jí) P區(qū)在( EfPEVP)之間各能級(jí)電子占據(jù)的概率小于1/2，即電子少，而且處在低能級(jí) 將上述出現(xiàn)的兩方面情況結(jié)合起來(lái)，對(duì)照?qǐng)D3.9可以看出：在P-N結(jié)區(qū)同一塊材料上就出現(xiàn)了高能級(jí)粒子多，低能級(jí)粒子少的分布狀況 顯然，這就是前面所說(shuō)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，,32,3.1.3 半導(dǎo)體激光器,激光的產(chǎn)生 當(dāng)P-N結(jié)上外加的正偏壓足夠大，使注入

17、結(jié)區(qū)的電子足夠多時(shí)，由于出現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，使得P-N結(jié)區(qū)將出現(xiàn)受激輻射大于受激吸收的情況這時(shí)，在與高能級(jí)相應(yīng)的光子的激發(fā)下，就將使得高能級(jí)上的大量電子躍遷回低能級(jí)，同時(shí)放出大量的全同光子的光波，這個(gè)光波在由P-N結(jié)構(gòu)成的光學(xué)諧振腔中來(lái)回反射，光強(qiáng)不斷增加，經(jīng)諧振腔選頻作用，從而形成激光諧振腔的兩個(gè)反射鏡，是由半導(dǎo)體材料的天然解理面拋光而成的， 以上就是半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的機(jī)理,33,3.1.3 半導(dǎo)體激光器,2異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 (1)同質(zhì)結(jié)激光器存在的問(wèn)題 前面討論的簡(jiǎn)單的P-N結(jié)半導(dǎo)體激光器，又稱同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 ,它的缺點(diǎn)是對(duì)光波和載流子的限制不完善，從而使激光器需要的閾值電

18、流大，這顯然是不利的,34,3.1.3 半導(dǎo)體激光器,(2)單異質(zhì)結(jié)激光器 所謂異質(zhì)結(jié)就是用兩種材料構(gòu)成的P-N結(jié) 例如，一種材料是GaAs 另一種材料是GaAlAs 單異質(zhì)結(jié)激光器的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖、能帶分布、折射率分布以及光強(qiáng)分布如圖3-10(b)所示,35,3.1.3 半導(dǎo)體激光器,(3)雙異質(zhì)結(jié)激光器 雙異質(zhì)結(jié)激光器是在單異質(zhì)結(jié)激光器的基礎(chǔ)上再作改進(jìn)的一種激光器，它在單異質(zhì)結(jié)激光器有源區(qū)P-GaAs的左側(cè)加了一塊異質(zhì)材料N-GaAIAs這種激光器的結(jié)構(gòu)圖、能帶分布、折射率分布以及光強(qiáng)分布如圖3-10(d)所示,36,3.半導(dǎo)體激光器的工作特性 （1）閾值特性 對(duì)于半導(dǎo)體激光器，當(dāng)外加正向電

19、流達(dá)到某一值時(shí)，輸出光功率將急劇增加，這時(shí)將產(chǎn)生激光振蕩，這個(gè)電流值稱為閾值電流，用It表示。 當(dāng)IIt時(shí)，激光器才發(fā)出激光 為了使光纖通信系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作，閾值電流越小越好 ,3.1.3 半導(dǎo)體激光器,圖3-11 激光器輸出特性曲線,37,（2）光譜特性 半導(dǎo)體激光器的光譜隨著激勵(lì)電流的變化而變化。 IIt后，激光器才發(fā)出激光，光譜突然變窄。,圖3-12 GaAs激光器的光譜,3.1.3 半導(dǎo)體激光器,38,激光器產(chǎn)生的激光有多模和單模。 在長(zhǎng)距離、大容量的光纖通信中，希望激光器能夠處在單縱模工作狀態(tài).,圖3-13GaAlAs/GaAs激光器的典型輸出光譜,3.1.3 半導(dǎo)體激光器,39,

20、（3）溫度特性 激光器的閾值電流和光輸出功率隨溫度變化的特性為溫度特性。 閾值電流隨溫度的升高而加大。 閾值電流隨著激光器的使用時(shí)間 的增加也會(huì)逐漸加大。,圖3-14激光器閾值電流隨溫度變化的曲線,3.1.3 半導(dǎo)體激光器,40,3.1.3 半導(dǎo)體激光器,（4）轉(zhuǎn)換效率 半導(dǎo)體激光器是把電功率直接轉(zhuǎn)換成光功率的器件，衡量轉(zhuǎn)換效率的高低常用功率轉(zhuǎn)換效率來(lái)表示。 激光器的功率轉(zhuǎn)換效率定義為輸出光功率與消耗的電功率之比，用P表示。,41,4.光纖通信在不同工作波段所使用的激光器 在短波長(zhǎng)波段，一般采用GaAlAs/GaAs-LD. 在長(zhǎng)波長(zhǎng)波段,一般采用InGaAsP-LD，它發(fā)射功率較大（毫瓦數(shù)量

21、級(jí)），譜線較窄（約3nm)，與光纖耦合效率較高（可達(dá)50%左右）。,3.1.3 半導(dǎo)體激光器(LD),42,5.動(dòng)態(tài)單縱模激光器 動(dòng)態(tài)單縱模激光器：就是指在高速調(diào)制下仍然能單縱模工作的半導(dǎo)體激光器。 在光纖通信中，希望激光器處在單縱模工作狀態(tài)。 目前，比較成熟的單縱模激光器有分布反饋半導(dǎo)體激光器 及耦合腔激光器。,3.1.3 半導(dǎo)體激光器(LD),43,分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB）是在異質(zhì)結(jié)激光器具有光放大作用的有源層附近，刻有波紋狀的周期光柵而構(gòu)成的。,圖3-15 分布反饋半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖,3.1.3 半導(dǎo)體激光器(LD),44,LED除了沒(méi)有光學(xué)諧振腔以外，其他方面與激光器相同，它

22、是無(wú)閾值器件. LED的發(fā)光只限于自發(fā)輻射，發(fā)出的是熒光 LED分為兩大類：面發(fā)光二極管和邊發(fā)光二極管。目前，在單模光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中，大多采用邊發(fā)光二極管。,3.1.4 半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED),45,3.1.4半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED),半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED的工作特性 （1）光譜譜線較寬 （2）P-I特性曲線的線性度好 （3）與光纖的耦合效率低 （4）使用簡(jiǎn)單，價(jià)格低，壽命長(zhǎng) （5）溫度特性好 LED的應(yīng)用范圍 適用于中、低速率短距離的光纖數(shù)字通信系統(tǒng)和光纖模擬信號(hào)傳輸系統(tǒng)中。,46,3.2 光源的調(diào)制,調(diào)制把信息加載到光波上的過(guò)程 從光源與調(diào)制器之間關(guān)系來(lái)看，可分為： （1）光源的內(nèi)

23、調(diào)制：將調(diào)制信號(hào)直接作用在光源上，對(duì)光源進(jìn)行 調(diào)制，故又將這種調(diào)制方式又稱為直接調(diào)制。 （2）光源的外調(diào)制：光源本身不被調(diào)制，當(dāng)光從光源射出以后在其傳輸?shù)耐ǖ郎媳徽{(diào)制器利用物質(zhì)的電光、聲光、磁光等效應(yīng)對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制，故有所謂的電光調(diào)制器，聲光調(diào)制器，磁光調(diào)制器等，這種調(diào)制方式又稱為間接調(diào)制。,47,3.2.1 光源的內(nèi)調(diào)制,內(nèi)調(diào)制又稱直接調(diào)制，它可用于半導(dǎo)體激光器或半導(dǎo)體發(fā)光二極管這類光源 在半導(dǎo)體激光器P-I曲線中，注入電流超過(guò)閾值電流Ith以后，P-I曲線基本是直線，而半導(dǎo)體發(fā)光二極管的P-I曲線亦基本呈直線。這樣，只要在呈直線的部位加入調(diào)制信號(hào)（即加入跟隨輸入信號(hào)變化的注入電流），則輸出

24、的光功率P就跟隨輸入信號(hào)變化。于是，信號(hào)就調(diào)制到光波上了。,48,1、模擬信號(hào)的內(nèi)調(diào)制（以發(fā)光二極管為例）,圖3-20LED模擬信號(hào)內(nèi)調(diào)制原理圖,3.2.1 光源的內(nèi)調(diào)制,49,t,I,I,P,圖3-22 LED數(shù)字信號(hào)內(nèi)調(diào)制原理圖,2.數(shù)字信號(hào)的內(nèi)調(diào)制,3.2.1 光源的內(nèi)調(diào)制,50,3.2.1 光源的內(nèi)調(diào)制,51,在高碼速?gòu)?qiáng)度調(diào)制直接檢波的光纖通信系統(tǒng)，或外差光纖通信系統(tǒng)中，可采用對(duì)光源的外調(diào)制方式。 目前已提出的外調(diào)制方式有電光調(diào)制、聲光調(diào)制和磁光調(diào)制。 1.電光調(diào)制 電光調(diào)制的基本工作原理是晶體的線性電光效應(yīng)，即電場(chǎng)引起晶體折射率變化的現(xiàn)象，能夠產(chǎn)生電光效應(yīng)的晶體稱為電光晶體。 電光調(diào)

25、制器分為電光強(qiáng)度調(diào)制、電光頻率調(diào)制和電光相位調(diào)制。 2.聲光調(diào)制 聲光調(diào)制器是利用介質(zhì)的聲光效應(yīng)制成。它的工作原理是，當(dāng)調(diào)制電信號(hào)變化時(shí)，由于壓電效應(yīng)，使壓電晶體產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)形成超聲波，這個(gè)聲波引起聲光介質(zhì)的密度發(fā)生變化，使介質(zhì)折射率跟著變化，從而形成一個(gè)變化的光柵，由于光柵的變化，使光強(qiáng)隨之發(fā)生變化，結(jié)果對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制。 3.磁光調(diào)制 磁光調(diào)制是利用法拉第效應(yīng)得到的一種光外調(diào)制。入射光信號(hào)經(jīng)過(guò)起偏器，使入射光變?yōu)槠窆?，這束偏振光通過(guò)YIG磁棒時(shí)，其偏振方向隨繞在上面線圈的調(diào)制信號(hào)而變化，當(dāng)偏振方向與后面的檢偏器相同時(shí)，輸出光強(qiáng)最大，當(dāng)偏振方向與檢偏器方向垂直時(shí)，輸出光強(qiáng)最小。從而使輸出光強(qiáng)

26、隨調(diào)制信號(hào)變化，實(shí)現(xiàn)了光的外調(diào)制。,3.2.2 光源的外調(diào)制,52,3.3光纖通信中的線路碼型,3.3.1研究傳輸碼型的必要性 在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中所傳輸?shù)男盘?hào)是數(shù)字信號(hào)，而由交換機(jī)送來(lái)的電信號(hào)符合ITU-T所規(guī)定的脈沖編碼調(diào)制(PCM)通信系統(tǒng)中的接口碼速率和碼型 ，如表所示,53,3.3.1研究傳輸碼型的必要性,PCM系統(tǒng)中的這些碼型并不都適于在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中傳輸。因?yàn)楣庠床豢赡馨l(fā)射負(fù)光脈沖，因此必須進(jìn)行碼型變換，以適合于數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸?shù)囊?。?shù)字光纖通信系統(tǒng)普遍采用二進(jìn)制二電平碼，即“有光脈沖”表示“”碼， “無(wú)光脈沖”表示“0”碼。 在光纖通信系統(tǒng)中需要重新編碼，通常稱為線路

27、編碼,54,3.3.2選擇碼型應(yīng)滿足的主要要求,選擇碼型應(yīng)滿足的主要要求： （1）避免信碼流中出現(xiàn)長(zhǎng)“0”和長(zhǎng)“1”碼 （2）能進(jìn)行不中斷業(yè)務(wù)的誤碼監(jiān)測(cè) （3）盡量減少信碼流中直流分量的起伏 在光纖通信系統(tǒng)中，常使用的線路編碼有分組碼(mBnB)、偽雙極性碼（CMI、DMI）、插入比特碼和加擾二進(jìn)碼。,55,3.3.3光纖通信中的常用碼型,1. mBnB碼（分組碼） 把輸入碼流中每m比特碼分為一組，然后插入冗余比特，使之變換為n比特，且nm.一般選取n=m+1。 mBnB碼有1B2B、3B4B、5B6B、 8B9B、 17B18B等等。 下面以5B6B碼為例介紹分組碼的編碼規(guī)則 （1）編碼的情

28、況 五位碼的排列數(shù)：25=32種 六位碼的排列數(shù)：26=64種,56,3.3.3光纖通信中的常用碼型,（2）碼流平衡情況的分析 六位碼中含有3個(gè)“0”和3個(gè)“1”的平衡碼組共有20個(gè)。這些碼組在信碼流中對(duì)保持碼流中直流分量的穩(wěn)定是有利的。 六位碼中含有2個(gè)“0”和4個(gè)“1”或4個(gè)“0”和2個(gè)“1”的不完全平衡碼組共有30個(gè) 六位碼中含有1個(gè)“0”和5個(gè)“1”或5個(gè)“0”和1個(gè)“1”的非平衡碼組共有14個(gè)。 （3）碼組的選用 選六位碼中含有3個(gè)“0”和3個(gè)“1”的平衡碼組共有20個(gè)。 選六位碼中含有2個(gè)“0”和4個(gè)“1”或4個(gè)“0”和2個(gè)“1”的不完全平衡碼組各12個(gè)，共24個(gè)。 六位碼中含有1

29、個(gè)“0”和5個(gè)“1”或5個(gè)“0”和1個(gè)“1”的非平衡碼組為禁字。,57,3.3.3光纖通信中的常用碼型,2.偽雙極性碼（CMI和DMI） 光纖通信中使用的偽雙極性碼是用“11”和“00來(lái)代表雙極性瑪中的+l和一1從而使信碼流中“0”和“l(fā)”出現(xiàn)的概率均等這樣就可消除信碼流中直流分量的起伏CMI和DMI碼的碼表如表3-3,58,3.3.3光纖通信中的常用碼型,3.插入比特碼 插入比特碼是把輸入二進(jìn)制原始碼流分成每m比特(mB)劃為一組，然后在每組mB碼末尾按一定規(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。 （1） mB1P碼 在

30、每m比特為一組的基礎(chǔ)上，在這一組的末尾一位之后插入一個(gè)奇偶校正碼，稱為P碼。P碼的作用是保證每碼組內(nèi)1碼的個(gè)數(shù)為偶數(shù)。 例如： 8B1P碼 01101100 011011000 11011001 110110011 ,59,3.3.3光纖通信中的常用碼型,（2） mB1C碼 在每m比特后插入一個(gè)反碼 ，稱為C碼。 例 8B1C碼 01101100 011011001 （3） mB1H碼 在每m比特一組后，插入一個(gè)混合碼，稱為H碼。它可以同時(shí)來(lái)做幾路區(qū)間通信、公務(wù)聯(lián)絡(luò)、數(shù)據(jù)傳輸及誤碼監(jiān)測(cè)等功能 4.加擾二進(jìn)制碼 在系統(tǒng)光發(fā)射機(jī)的調(diào)制器前， 附加一個(gè)擾碼器，將原始的二進(jìn)制碼序列加以變換，使其接近于

31、隨機(jī)序列。相應(yīng)地，在光接收機(jī)的判決器之后，附加一個(gè)解擾器，以恢復(fù)原始序列。 這是一種在同步數(shù)字體系（SDH）中廣泛采用的碼型,60,3.4 光發(fā)射機(jī),3.4.1 對(duì)光發(fā)射機(jī)的要求 光源的發(fā)光波長(zhǎng)要合適：0.85m、1.31m、1.55m 合適的輸出光功率：較小，影響中繼距離。較大，光纖產(chǎn)生非線性效應(yīng) 較好的消光比 EXT=全“0”碼時(shí)的平均輸出光功率/全“1”碼時(shí)的平均輸出光功率 消光比指標(biāo)：要求EXT 10 調(diào)制特性好 此外還希望光發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定性好，光源的壽命長(zhǎng)等。,61,3.4.2 光發(fā)射機(jī)的組成方框圖及各部分功能,圖3-28 光數(shù)字發(fā)射機(jī)原理圖,62,3.4.2 光發(fā)射機(jī)的組成方框圖及各

32、部分功能,（1）均衡放大:補(bǔ)償衰減的電平、均衡畸變的波形 （2）解碼：將HDB3碼變?yōu)閱螛O性的“0”、“1”碼 （3）擾碼：避免所傳信號(hào)碼流中出現(xiàn)長(zhǎng)“0”或長(zhǎng)“1”的現(xiàn)象。 （4）時(shí)鐘：在均衡放大之后，由時(shí)鐘電路提取PCM中的時(shí)鐘信號(hào)供給解碼、擾碼、編碼電路用。 （5）編碼 ：為了便于不間斷進(jìn)行誤碼監(jiān)測(cè)，克服直流分量的波動(dòng)，以至于便于區(qū)間通信聯(lián)絡(luò)等功能，在實(shí)際的光纖通信系統(tǒng)中，還要對(duì)經(jīng)解碼、擾碼的信碼流再進(jìn)行編碼以滿足上述要求 ,63,3.4.2 光發(fā)射機(jī)的組成方框圖及各部分功能,（6）調(diào)制(驅(qū)動(dòng)):經(jīng)過(guò)擾碼后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)調(diào)制電路對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，讓光源發(fā)出的光信號(hào)強(qiáng)度跟隨信號(hào)碼流的變化，形成

33、相應(yīng)的光脈沖送入光纖。 (7)自動(dòng)功率控制:由于老化等因素的影響，使得光發(fā)射機(jī)的光源在使用一段時(shí)間之后，出現(xiàn)輸出光功率降低的現(xiàn)象。,圖3-29激光器老化使輸出光功率降低,64,3.4.2 光發(fā)射機(jī)的組成方框圖及各部分功能,另外，激光器P-N結(jié)結(jié)溫變化，使P-I曲線變化，亦會(huì)使輸出光功率產(chǎn)生變化。,圖3-30 激光器溫度變化引起輸出功率的變化,因此，為了使光源的輸出功率穩(wěn)定，在實(shí)際使用的光發(fā)射機(jī)中常使用自動(dòng)功率控制（APC）電路,65,3.4.2 光發(fā)射機(jī)的組成方框圖及各部分功能,（8）自動(dòng)溫度控制 特性曲線對(duì)環(huán)境溫度的變化反映很靈敏，使輸出光功率的大小隨溫度出現(xiàn)變化。 在環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，為

34、了能使激光器的輸出特性保持穩(wěn)定，在發(fā)射機(jī)盤上需安裝自動(dòng)溫度控制(ATC)電路。,圖3-32 環(huán)境溫度變化引起輸出光功率的變化,66,3.4.2 光發(fā)射機(jī)的組成方框圖及各部分功能,（9）其他保護(hù)、監(jiān)測(cè)電路 LD保護(hù)電路：它的功能是使半導(dǎo)體激光器的偏流慢啟動(dòng)以及限制偏流不要過(guò)大由于激光器老化以后輸出功率將降低，自動(dòng)功率控制電路將使激光器偏流不斷增加，如果不限制偏流就可能燒毀激光器. 無(wú)光告警電路 ：當(dāng)光發(fā)射機(jī)電路出現(xiàn)故障，或輸入信號(hào)中斷，或激光器失效都將使激光器較長(zhǎng)時(shí)間不發(fā)光，這時(shí)延遲告警電路將發(fā)出告警指示,67,3.4.2 光發(fā)射機(jī)的組成方框圖及各部分功能,3.4.3實(shí)際光發(fā)射機(jī)電路圖,68,3

35、.5 光電檢測(cè)器,光電檢測(cè)器是光纖通信系統(tǒng)中接收端機(jī)中的第一個(gè)部件，由光纖傳輸來(lái)的光信號(hào)通過(guò)它轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。它是利用材料的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的。 目前在光纖通信系統(tǒng)中，常用的半導(dǎo)體光電檢測(cè)器有兩種，一種是PIN光電二極管，另一種是APD雪崩光電二極管。,69,3.5.1 半導(dǎo)體的光電效應(yīng),半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)是指如下這種情況：光照射到半導(dǎo)體的P-N結(jié)上，若光子能量足夠大，則半導(dǎo)體材料中價(jià)帶的電子吸收光子的能量，從價(jià)帶越過(guò)禁帶到達(dá)導(dǎo)帶，在導(dǎo)帶中出現(xiàn)光電子，在價(jià)帶中出現(xiàn)光空穴，即光電子空穴對(duì)，又稱光生載流子。 光生載流子在外加負(fù)偏壓和內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，在外電路中出現(xiàn)光電流，從而在電阻R上有信號(hào)電

36、壓產(chǎn)生。,圖3 -38半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng),70,3.5.1 半導(dǎo)體的光電效應(yīng),當(dāng)光照射在某種材料制成的半導(dǎo)體光電二極管上時(shí)，若有光電子空穴對(duì)產(chǎn)生，顯然必須滿足hfEg關(guān)系，即 c稱為截止波長(zhǎng)，fc稱為截止頻率。 只有c的入射光，才能使材料產(chǎn)生光生載流子,71,3.5.2 PIN光電二極管,簡(jiǎn)單的P-N結(jié)光電二極管 ，在P-N結(jié)中，由于有內(nèi)建電場(chǎng)的作用使光電子和光空穴的運(yùn)動(dòng)速度加快，從而，使光電流能快速地跟著光信號(hào)變化，即響應(yīng)速度快然而，在耗盡層以外產(chǎn)生的光電子和光空穴由于沒(méi)有內(nèi)建電場(chǎng)的加速作用，運(yùn)動(dòng)速度慢，因而響應(yīng)速度低，而且容易被復(fù)合掉，使光電轉(zhuǎn)換效率差，這是人們所不希望的 為了改善光電檢

37、測(cè)器的響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)換效率，顯然，適當(dāng)加大耗盡層寬度是有利的，為此在制造時(shí)，在P型材料和N型材料之間加一層輕摻雜的N型材料，稱為I（Intrinsic，本征的）層，加圖3-39所示由于是輕摻雜，故電子濃度很低，經(jīng)擴(kuò)散作用后可形成一個(gè)很寬的耗盡層， 另外，為了降低P-N結(jié)兩端的接觸電阻，以便與外電路聯(lián)接，將兩端的材料做成重?fù)诫s的P+層和N+層,72,3.5.2 PIN光電二極管,圖3-39 PIN光電二極管能帶圖,73,3.5.2 PIN光電二極管,圖3-40 PIN光電二極管結(jié)構(gòu)示意圖（剖面圖）,74,3.5.3 雪崩光電二極管,如果能使電信號(hào)進(jìn)入放大器之前，先在光電二極管內(nèi)部進(jìn)行放大，這就引出

38、了一種另外類型的光電二極管，即雪崩光電二極管，又稱APD（Avalanche Photo Diode）。 它不但具有光/電轉(zhuǎn)換作用，而且具有內(nèi)部放大作用，其內(nèi)部放大作用是靠管子內(nèi)部的雪崩倍增效應(yīng)而完成的。,75,3.5.3 雪崩光電二極管,1.雪崩光電二極管的雪崩倍增效應(yīng) 是在二極管的結(jié)上加高反向電壓，在結(jié)區(qū)形成一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng);在高場(chǎng)區(qū)內(nèi)光生載流子被強(qiáng)電場(chǎng)加速， 獲得高的動(dòng)能，與晶格的原子發(fā)生碰撞，使價(jià)帶的電子得到了能量；越過(guò)禁帶到導(dǎo)帶，產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)；新產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)中又被加速，再次碰撞，又激發(fā)出新的電子-空穴對(duì).如此循環(huán)下去，像雪崩一樣地發(fā)展，從而使光電流在管子內(nèi)部獲得了倍增

39、,76,3.5.3 雪崩光電二極管,2.雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)及其工作原理 目前光纖通信系統(tǒng)中，使用的雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)型式，有保護(hù)環(huán)型和拉通（又稱通達(dá)）型。 雪崩光電二極管隨使用的材料不同有幾種：SiAPD（工作在短波長(zhǎng)區(qū)）；GeAPD，InGaAsAPD等（工作在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)）。,圖(a)是縱向剖面的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖(b)是將縱向剖面順時(shí)針轉(zhuǎn)900的示意圖；,77,3.5.3 雪崩光電二極管,雪崩光電二極管的工作原理 光子從P+層射人，進(jìn)入I層后，在這里，材料吸收了光能并產(chǎn)生了初級(jí)電子一空穴對(duì)這時(shí)，光電子在I層被耗盡層的較弱的電場(chǎng)加速，移向P-N結(jié)當(dāng)光電子運(yùn)動(dòng)到高場(chǎng)區(qū)時(shí)，受到強(qiáng)電場(chǎng)的加速作用出現(xiàn)

40、雪崩碰撞效應(yīng)，最后，獲得雪崩倍增后的光電子到達(dá)N+層，空穴被P+層吸收P+之所以做成高摻雜，是為了減小接觸電阻以利與電極相連。,78,3.5.4 光電檢測(cè)器的特性,1響應(yīng)度R0和量子效率 響應(yīng)度和量子效率都是描述這種器件光電轉(zhuǎn)換能力的一種物理量 響應(yīng)度Ro定義為 式中，IP光電檢測(cè)器的平均輸出電流;P0光電檢測(cè)器的平均輸入功率， 量子效率定義為 從物理概念可知： 光生電子-空穴對(duì)= （e為電子電荷量） 入射光子數(shù)= （hf為一個(gè)光子的能量） 故 即,79,3.5.4 光電檢測(cè)器的特性,2響應(yīng)時(shí)間 響應(yīng)時(shí)間是指半導(dǎo)體光電二極管產(chǎn)生的光電流隨入射光信號(hào)變化快慢的狀態(tài)。 一般用響應(yīng)時(shí)間（上升時(shí)間和下

41、降時(shí)間）來(lái)表示。 一個(gè)快速響應(yīng)的光電檢測(cè)器，它的響應(yīng)時(shí)間一定是短的。 上面討論的響應(yīng)時(shí)間是從時(shí)域角度來(lái)看的，若從頻域角度看，短的響應(yīng)時(shí)間即意味這個(gè)器件的帶寬寬。,80,3.5.4 光電檢測(cè)器的特性,3暗電流ID 定義：理想條件下，當(dāng)沒(méi)有光照射時(shí)，光電檢測(cè)器應(yīng)無(wú)光電流輸出。但是實(shí)際上由于熱激勵(lì)、宇宙射線或放射性物質(zhì)的激勵(lì)，在無(wú)光情況下，光電檢測(cè)器仍有電流輸出，這種電流稱為暗電流。 嚴(yán)格地說(shuō)，暗電流還應(yīng)包括器件表面的漏電流。 由理論研究可知，暗電流將引起光接收機(jī)噪聲增大。因此，器件的暗電流越小越好。,81,3.5.4 光電檢測(cè)器的特性,4雪崩倍增因子G 雪崩光電二極管還有一個(gè)與雪崩倍增效應(yīng)對(duì)應(yīng)的參

42、量雪崩倍增因子。 在忽略暗電流影響條件下，它定義為 IM：有雪崩倍增時(shí)光電流的平均值 Ip ：無(wú)雪崩倍增時(shí)光電流的平均值 一般APD的倍增因子G在40100之間。PIN光電管因無(wú)雪崩倍增作用，所以G=1。,82,3.5.4 光電檢測(cè)器的特性,5倍增噪聲和過(guò)剩噪聲系數(shù)F（G） 從物理概念上容易理解，雪崩光電二極管的倍增是具有隨機(jī)性的。 這種隨機(jī)性的電流起伏將帶來(lái)附加噪聲，一般稱為倍增噪聲。 倍增噪聲可以用過(guò)剩噪聲系數(shù)F（G）來(lái)描述為,式中，g每個(gè)初始電子一空穴對(duì)因雪崩倍增效應(yīng)產(chǎn)生二次電子一空穴對(duì)的隨機(jī)數(shù) 是g的平均值，因此=G； 一 產(chǎn)生的二次電子數(shù)平方再取平均值； 2產(chǎn)生的二次電子數(shù)平均值再平

43、方，,83,3.5.4 光電檢測(cè)器的特性,在實(shí)際使用時(shí)，往往將F(G)近似表達(dá)為 F(G)=Gx （3-14） 式中 ，X稱為過(guò)剩噪聲指數(shù)對(duì)于Si - APD，X=0.5；對(duì)于Ge - APD，X=0.61.0，砷化鎵類APD:X=0.5-0.7等， 選APD時(shí)，應(yīng)選X值小的管子,84,3.6 光接收機(jī),3.6.1數(shù)字光纖通信接收光端機(jī)的基本組成,圖3-43 數(shù)字光纖通信接收光端機(jī)方框圖,1.數(shù)字光纖通信接收光端機(jī)方框圖,85,2.方框圖中各部分的功能 （1）光電檢測(cè)器 光電檢測(cè)器的作用是將由發(fā)送光端機(jī)經(jīng)光纖傳過(guò)來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，即具有光/電轉(zhuǎn)換功能。 目前廣泛使用的光電檢波管是PIN管

44、和雪崩光電二極管，前者稱為半導(dǎo)體光電二極管后者又稱為APD管。后者具有信號(hào)放大的作用。,3.6.1數(shù)字光纖通信接收光端機(jī)的基本組成,86,（2） 前置放大器 由于這個(gè)放大器與光電檢測(cè)器緊緊相連，故稱前置放大器。 對(duì)多數(shù)放大器的前級(jí)提出特別的要求是非常必要的，它應(yīng)具有低噪聲、高增益的特性，這樣才能得到較大的信噪比。 由于跨阻型前置放大器不僅具有寬頻帶、低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，而且其動(dòng)態(tài)范圍也比高阻型前置放大器改善很多，因此在光纖通信中得到廣泛的使用。,3.6.1數(shù)字光纖通信接收光端機(jī)的基本組成,87,3.6.1數(shù)字光纖通信接收光端機(jī)的基本組成,（3） 主放大器 主放大器的作用有下述兩個(gè)方面。 將前置放大器

45、輸出的信號(hào)放大到判決電路所需要的信號(hào)電平。 它還是一個(gè)增益可調(diào)節(jié)的放大器。 一般主放大器的峰峰值輸出是幾伏數(shù)量級(jí)。,88,3.6.1數(shù)字光纖通信接收光端機(jī)的基本組成,圖3-48未經(jīng)均衡出現(xiàn)的脈沖拖尾現(xiàn)象,沒(méi)有均衡器將出現(xiàn)的問(wèn)題：產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象，拖尾現(xiàn)象將會(huì)使前、后碼元的波形重疊，產(chǎn)生碼間干擾，嚴(yán)重時(shí)造成判決電路誤判，產(chǎn)生誤碼。,（4） 均衡器,89,3.6.1數(shù)字光纖通信接收光端機(jī)的基本組成,均衡器的作用： 采用均衡器來(lái)使經(jīng)過(guò)其后的波形，在本碼判決時(shí)刻，其瞬時(shí)值應(yīng)為最大值；而這個(gè)本碼波形的拖尾在鄰碼判決時(shí)刻的瞬時(shí)值應(yīng)為零。這樣，即使經(jīng)過(guò)均衡后的輸出波形仍有拖尾，但是這個(gè)拖尾在鄰碼判決的這個(gè)關(guān)鍵時(shí)

46、刻為零，從而不干擾對(duì)鄰碼的判決。,圖3-49單個(gè)脈沖均衡前后波形的比較,90,3.6.1數(shù)字光纖通信接收光端機(jī)的基本組成,（5） 判決器和時(shí)鐘恢復(fù)電路 判決器由判決電路和碼形成電路構(gòu)成。 判決器和時(shí)鐘恢復(fù)電路合起來(lái)構(gòu)成脈沖再生電路。 脈沖再生電路的作用是將均衡器輸出的信號(hào)恢復(fù)成理想的數(shù)字信號(hào) ，例如，升余弦頻譜脈沖，恢復(fù)為“0或“1”的數(shù)字信號(hào),91,3.6.1數(shù)字光纖通信接收光端機(jī)的基本組成,圖3-50 信號(hào)再生示意圖,92,3.6.1數(shù)字光纖通信接收光端機(jī)的基本組成,時(shí)鐘恢復(fù)電路的作用：為了能從均衡器的輸出信號(hào)判決出是“0”碼還是“l(fā)”碼，首先要設(shè)法知道應(yīng)在什么時(shí)刻進(jìn)行判決時(shí)鐘恢復(fù)電路應(yīng)將

47、“混在”信號(hào)中的時(shí)鐘信號(hào)（又稱定時(shí)信號(hào)）提取出來(lái)。 實(shí)用的時(shí)鐘恢復(fù)電路有多種，下面簡(jiǎn)單介紹其中一種方案的方框圖 。,圖3-51時(shí)鐘恢復(fù)電路方框圖,93,3.6.1數(shù)字光纖通信接收光端機(jī)的基本組成,圖3-52 時(shí)鐘恢復(fù)電路波形圖,經(jīng)箝位整形后得到如圖（b）的波形，是不為零碼 NRZ,均衡后輸出的信碼為升余弦頻譜脈沖，如圖（a）所示的波形,對(duì)NRZ碼進(jìn)行非線性處理，得到如圖(c)所示的波形圖，這種波形是歸零碼(RZ).,經(jīng)過(guò)限幅，可將上述簡(jiǎn)諧信號(hào)波形變?yōu)槿鐖D(e)所示的波形。,用非線性處理后的波形來(lái)激勵(lì)調(diào)諧放大器，然后在它的諧振回路中選出時(shí)鐘頻率fb的簡(jiǎn)諧波，經(jīng)調(diào)諧放大后的波形如圖(d)所示。,9

48、4,3.6.1數(shù)字光纖通信接收光端機(jī)的基本組成,整形、移相整形電路將經(jīng)限幅后的波形變?yōu)榫匦蚊}沖；移相網(wǎng)絡(luò)再將此矩形脈沖串的相位調(diào)整到最佳判決時(shí)所需要的相位，最后得到如圖3-52(f)所示的時(shí)鐘信號(hào)。,圖3-57 脈沖再生電路原理方框圖,95,3.6.1數(shù)字光纖通信接收光端機(jī)的基本組成,（6） 光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍和自動(dòng)增益控制 光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍： 光纖通信接收機(jī)工作時(shí)，所接收光信號(hào)的強(qiáng)弱可能不同。接收機(jī)正常工作時(shí)，信號(hào)不能太弱，否則會(huì)造成過(guò)大的誤碼。但也不能太強(qiáng)，否則將會(huì)使接收機(jī)放大器過(guò)載造成失真等問(wèn)題。因此，光接收機(jī)正常工作時(shí)，光信號(hào)應(yīng)有 一個(gè)范圍，這個(gè)范圍就稱為光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。,96,3.6.1數(shù)字光纖通信接收光端機(jī)的基本組成,光接收機(jī)的自動(dòng)增益控制(AGC)： 就是用反饋環(huán)路來(lái)控制主放大器的增益，在采用雪崩管的光接收機(jī)中還通過(guò)控制雪崩管的高壓來(lái)控制雪崩管的雪崩增益。當(dāng)信號(hào)強(qiáng)時(shí)，則通過(guò)反饋環(huán)路使 上述增益降低；當(dāng)信號(hào)弱時(shí)，則通過(guò)反饋環(huán)路使上述增益提高，從而達(dá)到使送到判決器的信號(hào)穩(wěn)定，以利判決的目的。 自動(dòng)增益控制的作用是增加了光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。,圖3-58自動(dòng)增益控制工