光纤第四章课件

第四章光端机14.1光发射机24.2光接收机34.3线路编码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光强(功率)调制。4.1光发射机如图所示，为数字光发射机的方框图，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。4.1.1光发射机基本组成1.光源对通信用光源的要求如下：(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0.85μm、1.31μm和1.55μm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。4.1.1光发射机基本组成(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。目前，不同类型的半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)可以满足不同应用场合的要求。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。(2)输出光脉冲的宽度应远大于开通延迟(电光延迟)时间，光脉冲的上升时间、下降时间和开通延迟时间应足够短，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。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。4.1.2调制特性1.电光延迟和张弛振荡现象

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所示。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。电流脉冲光脉冲td电光延迟要产生码型效应。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，会使“0”码过后的第一个“1”码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个“１”码丢失，这种现象称为“码型效应”。如图所示，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。式中，τo是张弛振荡幅度衰减到初始值的1/e的时间，j和jth分别为注入电流密度和阈值电流密度。τsp和τph分别为电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命。在典型的激光器中，τsp≈10-9s,τph≈10-12s，即τsp>>τph。由上式可以得：(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)。由此可见，增加注入电流j，有利于提高张弛振荡频率ωr，减小其幅度衰减时间τo，以及减小电光延迟时间td，因此对LD施加偏置电流是非常必要的。2.自脉动现象某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，当注入电流达到某个范围时，输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡，这种现象称为自脉动现象，如图所示。自脉动频率可达2GHz，严重影响LD的高速调制特性。自脉动现象是激光器内部不均匀增益或不均匀吸收产生的，往往和LD的P-I曲线的非线性有关，自脉动发生的区域和P-I曲线扭折区域相对应。因此在选择激光器时应特别注意。数字信号调制电路应采用电流开关电路，最常用的是差分电流开关电路。

图示为由三极管组成的共发射极驱动电路，这种简单的驱动电路主要用于以发光二极管LED作为光源的光发射机。数字信号Uin从三极管V的基极输入，通过集电极的电流驱动LED。数字信号“0”码和“1”码对应于V的截止和饱和状态，电流的大小根据对输出光信号幅度的要求确定。这种驱动电路适用于10Mb/s以下的低速率系统，更高速率系统应采用差分电流开关电路。4.1.3调制电路和自动功率控制如图是常用的射极耦合驱动电路，适合于激光器系统使用。电流源为由V1和V2组成的差分开关电路，它提供了恒定的偏置电流。在V2基极上施加直流参考电压UB，V2集电极的电压取决于LD的正向电压，数字电信号Uin从V1基极输入。当信号为“0”码时，V1基极电位比UB高而抢先导通，V2截止，LD不发光；反之，当信号为“１”码时，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≥4.5GHz时，这种电路的调制速率可达300Mb/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。UB其控制过程如下：

PLD

→UPD

→(UPD++UR)→UA1→Ib→PLD在反馈电路中引入信号参考电压的目的，是使LD的偏置电流Ib不受码流中“0”码和“1”码比例变化的影响。一个更加完善的自动功率控制(APC)电路如图所示。从LD背向输出的光功率，经PD检测器检测、运算放大器A1放大后送到比较器A3的反相输入端。同时，输入信号参考电压和直流参考电压经A2比较放大后，送到A3的同相输入端。A3和V3组成直流恒流源调节LD的偏流，使输出光功率稳定。温度对输出光脉冲的另一个影响是“结发热效应”。即使环境温度不变，由于调制电流的作用，引起激光器结区温度的变化，因而使输出光脉冲的形状发生变化，这种效应称为“结发热效应”。如图所示，设t=0时电脉冲到来，注入电流为I1，由于电流的热效应，在脉冲持续时间里，结区的温度随时间t而升高，激光器的阈值电流随t而增大，使输出光脉冲的幅度随t而减小。当t=T时电流脉冲过后，注入电流从I1减小到I0，电流散发的热量减少，结区温度随t而降低，阈值电流减小，使输出光脉冲的幅度增大。“结发热效应”将引起调制失真。与调制速率对激光器瞬态特性的影响相反，低调制速率的“结发热效应”更加明显。这是因为随着调制速率的提高，码元时间间隔缩短，使结区温度来不及发生变化。图4.11结发热效应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。温度控制装置一般由致冷器、热敏电阻和控制电路组成，如图所示。致冷器的冷端和激光器的热沉接触，热敏电阻作为传感器，探测激光器结区的温度，并把它传递给控制电路，通过控制电路改变致冷量，使激光器输出特性保持恒定。目前，微致冷大多采用半导体致冷器，它是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的电偶来实现致冷的。用若干对电偶串联或并联组成的温差电功能器件，温度控制范围可达30~40℃。为提高致冷效率和温度控制精度，把致冷器和热敏电阻封装在激光器管壳内，温度控制精度可达±0.5℃，从而使激光器输出平均功率和发射波长保持恒定，避免调制失真。在设定温度(例如20℃)时，调节R3使电桥平衡，A、B两点没有电位差，传输到运算放大器A的信号为零，流过致冷器TEC的电流也为零。当环境温度升高时，LD的管芯和热沉温度也升高，使具有负温度系数的热敏电阻RT的阻值减小，电桥失去平衡。这时B点的电位低于A点的电位，运算放大器A的输出电压升高，V的基极电流增大，流过致冷器TEC的电流也增大致冷端温度降低，热沉和管芯的温度也降低，因而保持温度恒定。整个控制过程可以表示如下：T(环境)→T(LD、热沉)→RT→I(致冷器)→T(LD)数字光接收机的功能是：把经光纤传输后幅度被衰减、波形被展宽的微弱信号转换为电信号，并放大处理，恢复为原始的数字码流。数字接收机最重要的性能指标是灵敏度和动态范围。灵敏度和误码率密切相关，主要取决于光检测器的性能能和相关电路的设计。动态范围是光接收机能适应的输入光功率的变化范围，一般应大于15dB。4.2光接收机对于直接强度调制的光信号，采用直接检测方式的数字光接收机方框图如图。主要包括光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电路。一、光接收机基本组成1.光检测器光检测器是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。对光检测器的要求如下：(1)波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85μm、1.31μm和1.55μm)兼容；(2)响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生最大的光电流；(3)噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号；(4)性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。2.前置放大器从光检测器输出的光电流信号十分微弱，必须经过前置放大器（应为低噪声放大器）进行初级放大，前置放大器在光接收机中起关键作用，要求它有足够小的噪声、适当的带宽和一定的增益。光检测器和前置放大器合起来叫做接收机前端，其性能的优劣直接决定接收的灵敏度。前置放大器有多种类型，如低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器、互阻抗前置放大器等。3．主放大器前置放大器输出信号的幅度对于后续的信号处理是不够的，因此还需主放大器做进一步的放大。主放大器一般为多级放大器，它除了将前置放大器输出的信号放大到判决电路所需要的信号电平外，还起着调节增益的作用，主要是实现自动增益控制（AGC）。输入信号越大，增益越小，反之，对于小的信号呈现较大的增益，这样主放大器的输出信号幅度在一定范围内不受输入信号的影响。主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。4．均衡滤波电路

经过光纤传输的光信号由于光纤色散的影响，波形将出现拖尾。系统中的其他器件，如光放大器、光检测器等，因其带宽的限制和非理想的传输特性，都会使光脉冲发生畸变，同时加剧码元间的串扰，造成判决电路误判，产生误码。所以，在判决电路前必须加均衡滤波器对已发生畸变和有严重码间干扰的信号进行均衡补偿，使其尽可能地恢复原来的状况，以利于判决。5．时钟恢复和判决电路为了能从均衡滤波器的输出信号判决出是“0”码还是“1”码，首先要设法知道应在什么时刻进行判决，即应将混合在信号中的时钟信号（又称为定时信号）提取出来，这是时钟恢复电路应该完成的功能；接着再根据给定的判决门限电平，按照时钟信号所“指定”的瞬间来判决由滤波器送过来的信号。若信号电平超过判决门限电平，则判为“1”码；若信号电平低于判决门限电平，则判为“0”码。数字光接收机方框图数字光接收机前级光/电转换信号初级放大信号进一步放大、自动增益控制均衡补偿取样判决提取时钟信号光接收机的噪声有两部分：一部分是外部电磁干扰产生的，这部分噪声的危害可以通过屏蔽或滤波加以消除；另一部分是内部产生的，这部分噪声是在信号检测和放大过程中引入的随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制造尽可能减小，一般不可能完全消除。我们主要讨论的噪声是指内部产生的随机噪声。内部产生的随机噪声主要来自光检测器的噪声和前置放大器的噪声。因为前置级输入的是微弱信号，其噪声对输出信噪比影响很大，而主放大器输入的是经前置级放大的信号，只要前置级增益足够大，主放大器引入的噪声就可以忽略。二、噪声特性如图所示为光接收机中的各种噪声源及其分布图。其中包括：量子噪声、倍增噪声、暗电流噪声、表面漏电流噪声、电阻热噪声和放大器噪声。

各种噪声特性如下：(1)量子噪声来源于光信号入射到光检测器上时的随机起伏，它与信号电平成正比。相对于接收机中的其他噪声，量子噪声总是存在且无法消除的。(2)倍增噪声对于APD，由于倍增过程的统计特征而产生附加的散弹噪声，它随倍增增益的增加而增加。(3)暗电流噪声暗电流是没有光入射时流过光检测器的电流，它是由PN结内热效应产生的电子-空穴对形成的。在APD检测器中，暗电流能被倍增，因此影响更大。(4)表面漏电流噪声表面漏电流噪声是由于器件表面的物理特性不完善（缺陷及污染）导致的，它与表面积大小及偏置电压有关。(5)电阻热噪声热噪声是由热力学温度在零度以上的物体产生的，它具有高斯分布。在接收机电路中，电阻和放大器都会产生这种噪声。(6)放大器噪声接收机中的任何有源器件都会引入噪声，放大器也不例外。有关放大器噪声在后面的章节中会单独讨论。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。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。三、误码率如图所示，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；在“0”码时，如果在取样时刻带有噪声的电流I0>D，则可能被误判为“１”码。要确定误码率，不仅要知道噪声功率的大小，而且要知道噪声的概率分布。计算误码率的示意图光接收机输出噪声的概率分布十分复杂，一般假设噪声电流(或电压)的瞬时值服从高斯分布，其概率密度函数为式中x是代表噪声这一高斯随机变量的取值，其均值为零，方差为σ2。在已知光检测器和前置放大器的噪声功率，并假设了噪声的概率分布后，就可以分别计算“0”码和“１”码的误码率。在发“0”码时，没有光信号输入，光检测器的平均噪声功率ND=0(略去暗电流)，平均噪声功率N0=NA，NA为前置放大器的平均噪声功率。得到发“0”码的条件下，把“0”码误判为“1”码的概率式中x=I0/在发“1”码时，平均噪声功率N1=NA+ND。ND是在放大器输出端光检测器的平均噪声功率。这时噪声电流的幅度为I1-Im，判决门限值为D，则只要取样值I1<D或I1-Im<D-Im，就可能把“１”码误判为“0”码。所以，把“1”码误判为“0”码的概率为：式中y=（I1-Im）/“0”码和“1”码的误码率一般是不相等的，但对于“0”码和“1”码等概率的码流而言，一般认为Pe,01=Pe,10时，可以使误码率达到最小。因此，总误码率(BER)可以表示为式中或Q称为超扰比，含有信噪比的概念。它还表示在对“0”码进行取样判决时，判决门限值D超过放大器平均噪声电流均方根值的倍数。由此可见，只要知道Q值，就可根据总误码率的积分求出误码率，结果如图所示。例如：Q=6,BER≈10-9，Q≈7，BER=10-12。灵敏度Pr——指在保证通信质量(限定误码率或信噪比)的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率<P>min，以dBm为单位。由定义得到灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时，能够接收微弱光信号的能力。提高灵敏度意味着能够接收更微弱的光信号。四、灵敏度1.理想光接收机的灵敏度理想光接收机——假设光检测器的暗电流为零，放大器完全没有噪声，系统可以检测出单个光子形成的电子-空穴对所产生的光电流。它的灵敏度只受到光检测器的量子噪声的限制，因为量子噪声是伴随光信号的随机噪声，只要有光信号输入，就有量子噪声存在。

理想光接收机的误码率当光检测器没有光输入时，放大器就完全没有电流输出，因此“0”码误判为“１”码的概率为0，即Pe,01=0。产生误码的惟一可能就是当一个光脉冲输入时，光检测器没有产生光电流，放大器没有电流输出。这个概率，即“1”码误判为“0”码的概率Pe,10=exp(-n)，n为一个码元的平均光子数。当“0”码和“1”码等概率出现时，误码率为理想光接收机的灵敏度设传输的是非归零码(NRZ)，每个光脉冲最小平均光能量为Ed，码元宽度为Tb，一个码元平均光子数为n，那么光接收机所需最小平均接收功率为式中，因子2是“0”码和“1”码功率平均的结果，普朗克常数h=6.628×10-34J·s，f=c/λ，f、λ分别为光频率和光波长，c为真空中的光速。利用Tb=1/fb，fb为传输速率；并考虑光/电转换时的量子效率为η。把这些关系代入上式，可以得到理想光接收机灵敏度。对于数字光纤通信系统，一般要求误码率Pe≤10-9，根据误码率公式得到n≥21。这表明至少要有21个光子产生的光电流，才能保证判决时误码率小于或等于10-9。设η=0.7，并把相关的常数代入上式中，计算出的不同λ和不同fb的Pr值列于下表中。这是光接收机可能达到的最高灵敏度，这个极限值是由量子噪声决定的，所以称为量子极限。由表我们明显看到了灵敏度与光波长和传输速率的关系。2.实际光接收机的灵敏度若不考虑噪声，在发“0”码的情况下，入射信号的光功率P0=0，输出光电流I0=0。在发“1”码的情况下，入射信号的光功率P1和光电流IP1的关系为式中，g为APD倍增因子(对于PIN-PD，g=1)，ρ为光检测器的响应度，〈P〉=(P1+P0)/2为“0”码和“１”码的平均光功率。在放大器输出端“１”码的平均电流Im=IP1A，A为放大器增益，利用式和式得到给定Q值，便得到限定误码率的最小平均接收光功率式中，N0和N1分别为传输“0”码和“1”码时的平均噪声功率。

N0=NAN1=NA+ND式中，NA是前置放大器的平均噪声功率，ND是在放大器输出端光检测器的平均噪声功率，ND=〈i2q〉A2，〈i2q〉为均方量子噪声电流。对于PIN光电二极管，ND<<NA，g=1，可以简化为式中nA=NA/A2是折合到输入端的放大器噪声功率。