光纤通信光源与光发射机

光纤通信光源与光发射机第一页，共一百二十八页，2022年，8月28日主要内容激光器原理半导体激光器(LD)LD的特性分布反馈半导体激光器DFB

发光二极管LED光发射机线路编码第二页，共一百二十八页，2022年，8月28日光源是光发送机中的光波发生器，即光振荡器。相干光：（激光）非相干光：（自然光）光源有产生的光有两类：第三页，共一百二十八页，2022年，8月28日

光纤通信系统对光源的要求：1、光源发光的峰值波长应当与光纤的低损耗窗口一致。

2、光源的输出功率应当足够大。（10uw~几mw）3、光源应当有高度的可靠性。（10万小时以上）4、光源的谱线不能太宽。5、光源应利于调制。6、电光转换效率应当高。7、光源体积小重量轻功耗小。第四页，共一百二十八页，2022年，8月28日

常用光源半导体激光器（LD）双异质结激光器（DH-LD）分布反馈式激光器（DFB-LD）量子阱激光器（QW-LD）发光二极管（LED）

面发光二极管边发光二极管第五页，共一百二十八页，2022年，8月28日（三）LD和LED的比较LDLED工作波长1.31um,1.55um0.8~1.6um输出功率5~10mw<1mw入纤损耗3~5dB10~20dB谱线宽度多纵模<6nm，单纵模<0.1nm60-80nm调制带宽1GHz300MHz寿命10万小时100万小时用途长距离大容量短距离第六页，共一百二十八页，2022年，8月28日§3.1激光器原理简介2、原子的能级E原子的能级1、光子普朗克常数电子在能级的概率玻尔兹曼常数一、光与物质的作用第七页，共一百二十八页，2022年，8月28日3、光与物质的三种作用形式光与物质的转变存在三种不同的形式：自发辐射受激吸收受激辐射（1）、自发辐射处于原子高能级的电子是不稳定的，它将自发的向低能级跃迁，发射出一定能量的光子。E电子光子光子的能量满足特点：各个能级上的电子都是自发的、独立的进行跃迁，辐射的光子的频率或相位、方向不同，是非相干光。E2E1自然光第八页，共一百二十八页，2022年，8月28日（2）、受激吸收在入射光子的激励下，原子低能级上的电子吸收光子的能量从低能级跃迁到高能级。E电子光子特点：这个过程不是自发的，必须有外来的光子的激励。E2E1第九页，共一百二十八页，2022年，8月28日第十页，共一百二十八页，2022年，8月28日（3）、受激辐射在入射光子的激励下，电子从高能级跃迁到低能级，同时发出一个能量为

的光子。E电子光子光子特点：（1）受激辐射必须在外来光子的能量等于跃迁时的能级差时发生，（2）产生的光子与原光子的频率、相位、偏振方向相同，称为全同光子，将使光的能量放大。光子E2E1受激辐射是激光器发光的主要原因(LASER-LightAmplificationbyStimulateEmissionofRadiation)受激辐射可能产生光放大第十一页，共一百二十八页，2022年，8月28日第十二页，共一百二十八页，2022年，8月28日二、光放大的条件在热平衡时单位时间受激辐射的电子数+自发辐射的电子数=受激吸收的电子数受激辐射的电子数〈受激吸收的电子数自发辐射系数受激辐射系数受激吸收系数自发辐射入射光出射光入射光自发辐射受激吸收受激辐射光谱密度出射的光子数入射的光子数正常分布受激吸收受激辐射第十三页，共一百二十八页，2022年，8月28日受激辐射的电子数受激吸收的电子数光放大：粒子数反转非热平衡状态有光放大能力激活物质、增益物质光放大器=工作物质+泵浦源工作物质被泵浦源激活后具有光放大作用，就是光放大器入射光受激吸收受激辐射工作物质外在激励泵浦源粒子数反转出射的受激辐射光子数入射光子数光放大的条件：第十四页，共一百二十八页，2022年，8月28日三、激光器组成正反馈谐振回路光学谐振腔光学谐振腔组成：两个反射率为R1，R2的反射镜作用：能量反馈，方向选择，频率选择。激光器=光放大器+正反馈谐振回路Fabry-Perot电子震荡器工作物质泵浦激励光放大器激光器就是一个内部具有光发大器的光子发生器光子振荡器=放大器+正反馈回路——法布里－珀罗（F-P）谐振腔第十五页，共一百二十八页，2022年，8月28日光方向选择：R1R2与中轴平行的光线不断在同一直线上反射，反射光叠加，强度加强R1R2与中轴不平行的光多次反射后离开谐振腔结论：只有与中轴平行的光才存在，否则将在多次反射后消失第十六页，共一百二十八页，2022年，8月28日工作物质辐射的光的波长有一定谱线宽度光频率的选择：λG当反射光与入射光的相位相等或相差2π的整数倍时，发生相强的干涉，光的能量加强。干涉加强干涉减弱相位条件：结论：只有满足相位条件的波长的光才会被加强，否则会被减弱。不满足相位条件时，则发生相消干涉，光的能量渐渐减弱。第十七页，共一百二十八页，2022年，8月28日激光产生的条件：谐振腔的衰减：工作物质的吸收，反射镜的吸收和透射等。谐振腔的增益：工作物质粒子数反转分布后受激辐射光放大的增益。结论：只有满足以上条件时，才有功率稳定的光存在同相激励的相位条件：振荡器起震的幅度条件：增益损耗第十八页，共一百二十八页，2022年，8月28日外在激励粒子数反转分布自发辐射方向选择受激辐射反射反馈阈值条件相位条件方向性好、功率稳定、频率窄的激光激光的产生过程第十九页，共一百二十八页，2022年，8月28日§3.2半导体激光器原理SemiconductorLaserLaserDiode激光二极管LD1、半导体能级半导体是由大量原子周期有序的排列构成的共价晶体，相邻原子原子之间的相互作用使得电子在整个半导体中进行共有化运动，所处的离散能态扩展成连续分布的能带。半导体电子的能带LD是激光器的一种，主要分析工作物质、粒子数反转及反馈回路LD的工作物质是半导体材料形成的PN结第二十页，共一百二十八页，2022年，8月28日化学键电子所处的能带叫价带比价带高的能带叫导带能带之间不允许电子的存在，称为禁带价带（EV）导带（EC）禁带（Eg）2、直接带隙和间接带隙直接带隙间接带隙半导体材料的带隙是动量k的函数，依照带隙的形状，可以将半导体分为直接带隙材料和间接带隙材料两类。一个电子和一个空穴复合，随后辐射一个光子，在最简单和最有可能发生的复合过程中，电子和空穴具有相同的动量导带最小能级和价带最大能级有不同的动量，所以此时导带与价带之间的复合必须要有另外的粒子参与以保持动量守恒，声子就能完成这样的功能第二十一页，共一百二十八页，2022年，8月28日x＝0.08的典型Ga1－xAlxAs光谱图工作在800-900-nm光源：

使用的主要的材料是（镓铝砷）（砷化铝与砷化镓的混合材料）

工作在光源，使用的材料主要是（铟镓砷磷）3、光源材料砷化铝与砷化镓的比率x决定了合金的带隙，相应地也就决定了其辐射光的峰值波长。通过改变有源区材料的的摩尔比率，可构造出峰值发光波长在之间

第二十二页，共一百二十八页，2022年，8月28日4、本征材料费米能级费米能级：是一个假象能级，电子处在该能级上的概率是1/2本征半导体的电子和空穴是成对出现

本征材料：没有缺陷和未掺杂的理想半导体材料位于禁带中央。电子在的能级上的概率小于1/2电子在的能级上的概率大于1/2第二十三页，共一百二十八页，2022年，8月28日通过向晶体中掺微量的Ⅴ族元素,如掺杂的元素原子核的外层有五个电子，其中四个电子用来与相邻的原子形成共价键，余下一个电子受到的束缚很弱，可以用来传导电流，使导带的电子增加。5、n型材料的费米能级导带价带n型材料的导带中电子数增加，电子位于导带的概率增加。掺杂浓度越高，电子位于导带的概率越大，使费米能级抬高可以使得晶体的导电性能大为增加。第二十四页，共一百二十八页，2022年，8月28日6、p型材料的费米能级

通过向晶体中掺微量的Ⅲ族元素，也可以使得晶体的导电性能增加，这些用来掺杂的元素在原子核的外层有三个电子，这三个电子与相邻的原子形成共价键，同时会产生一个与施主电子电量相等的空穴，这样就在价带上方产生一个非占用能级（受主能级）。导带价带p型材料的价带中空穴数增加，电子位于价带的概率减少。掺杂浓度越高，电子位于价带的概率越小，使费米能级降低第二十五页，共一百二十八页，2022年，8月28日7、pn结

当p型材料和n型材料接触时，两种材料的电荷区相接触，就会形成pn结，它决定了半导体器件的电特性。

当pn结形成后，在pn结上就形成一个内建电场（或势垒）由于电子和空穴都形成共价键结构，所以结区就不再有移动的载流子，称这个区域称为耗尽区（或空间电荷区）.

空间电荷区pn结pn结电子分布第二十六页，共一百二十八页，2022年，8月28日8、PN结正向偏置电流流过PN结，破坏了热平衡时统一的费米能级，在P区和N区各自形成了准费米能级。这时，导带上费米能级以下充满了电子，价带上费米能级以上没有电子，因此，形成了粒子数反转分布，成为激活区。

当PN结加上正向偏压时，外加电压的电场方向正好和内建场的方向相反，因而削弱了内建电场，有电流流过PN结，使导带电子密度增加。电流越大，导带的电子密度越大。形成光放大器第二十七页，共一百二十八页，2022年，8月28日解理面解理面解理面解理面9、谐振腔反射面利用晶体解理面构成反射面第二十八页，共一百二十八页，2022年，8月28日当激光器阈值电流很大时，器件发热，使寿命很短。如何使激光器阈值电流减少，使寿命长？采用异质结结构10、阈值电流LD要输出激光必须要满足以下条件：（1）粒子数反转；（2）增益大于损耗。只有电流大于一定值时才能满足以上条件。即LD存在一阈值电流才有激光产生。第二十九页，共一百二十八页，2022年，8月28日同质结异质结载流子限制11、异质结LD同质结结构单异质结结构双异质结结构(1)同质结与异质结PN结是否为同一种材料（2）异质结的特点载流子限制与光波限制限制载流子在有源区，在电流不大时就容易达到粒子数反转第三十页，共一百二十八页，2022年，8月28日异质结折射率分布光波限制光功率分布采用异质结，由于载流子限制和光波限制，再配合别的工艺，使LD的阈值电流从几百mA下降到mA。使LD可以长时连续工作。限制光波在有源区使有源光密度增加从而使光增益增加第三十一页，共一百二十八页，2022年，8月28日§3.3半导体激光器（LD)特性1、输出光功率与激光器驱动电流之间关系

外量子效应阈值电流自发辐射光激光第三十二页，共一百二十八页，2022年，8月28日2、激光二极管的模式在半导体激光器的谐振腔内，在横向有不同的场分布称为横模

在纵向有不同的场分布称为纵模谐振腔中纵向模式。激光二极管谐振腔中的的横模与纵模横模：由激光器谐振腔横向结构决定纵模：由激光器谐振腔纵向长度决定不同的纵模对应不同的谐振频率第三十三页，共一百二十八页，2022年，8月28日3、光谱特性LD输出光功率和波长的关系（1）半导体材料的自发辐射发光特性（2）激光器增益和波长的关系（3）谐振腔的选频特性有很多纵模多纵模激光器第三十四页，共一百二十八页，2022年，8月28日考虑激光器相位关系

在多模激光器中纵模的频率的间隔为：多纵模激光器的纵模间隔第三十五页，共一百二十八页，2022年，8月28日例：有一GaAs，激光器工作波长为850nm,激光器腔长500μm，材料折射率n＝3.7,频率和波长的间隔各为多少？解：第三十六页，共一百二十八页，2022年，8月28日4、温度特性其中是激光器对温度敏感程度的度量的特性温度；是一个常数。（1）温度对阈值电流的影响（2）温度对量子效率的影响（3）温度输出光谱的影响温度升高，光谱变宽第三十七页，共一百二十八页，2022年，8月28日电光延迟、张弛振荡、自脉动、啁啾（1）电光延迟激光器的输出光信号滞后于电信号td原因：有源区的电子密度必须增加到一定的阈值才会有光出来。5、瞬态特性电信号光信号电信号光信号第三十八页，共一百二十八页，2022年，8月28日（2）张弛振荡当电脉冲注入激光器后，输出光脉冲有一个幅度逐渐衰减的振荡。影响：当调制速度接近张弛振荡的频率时，容易产生误判，影响了调制的速度。原因：光子激发与电子注入的时间延迟。通过增加偏置电流可以改善电光延迟和张弛振荡引起的码型效应。电光延迟和张弛振荡在光通信中会引起码型效应。码型效应：输出的光信号中“1”码的波形和码型有关，在检测时容易引起误码第三十九页，共一百二十八页，2022年，8月28日（3）自脉动现象有些激光器在脉冲调制下或直流驱动下，当注入电流足够大时，输出的光脉冲出现持续等幅的高频振荡。（4）啁啾（Chirp）效应有的激光器在输入电流变化时载波有一附加的调频现象第四十页，共一百二十八页，2022年，8月28日§3.4分布反馈半导体激光器（DFB)异质结LDDistributedfeedbacklaser多纵模LDF-P谐振腔光谱比较宽几个只有一个纵模光谱就很窄如何实现单纵模单纵模LD采用分布反馈是一种很好的方法（用反射面集中反馈）第四十一页，共一百二十八页，2022年，8月28日（1）DFB激光器的结构

DFB是用Brag衍射光栅代替F-P谐振腔对光进行波长的选择，使激光器形成单纵模。Bragg波纹光栅是由于材料折射率的周期性变化而形成。第四十二页，共一百二十八页，2022年，8月28日（2）DFB激光器的工作原理DFB激光器用布拉格（Bragg)光栅代替F-P镜面反射。

P区N区有源区光栅布拉格反射条件第四十三页，共一百二十八页，2022年，8月28日

布拉格反射条件

第四十四页，共一百二十八页，2022年，8月28日DFB激光器的优点

当光栅的周期长度为L时，只有满足布拉格反射条件波长为的光波，才能产生激光振荡，因而使激光器得到单频输出。由于分布馈激光器是由光栅来选择单纵模，因而在高速调制下仍维持单纵模输出。----DFB激光器的谱线窄，其线宽大约为普通型激光器线宽的1/10左右，如图所示，从而使色散的影响大为降低，可以实现速率为Gb/s的超高速传输。第四十五页，共一百二十八页，2022年，8月28日DFB的优点：1、单纵模2、谱线窄(0.02~0.06nm),波长稳定3、动态谱线好，啁啾小，利于高速调制4、线性好，利于调制模拟信号。DFB的应用：2.5G以上的1550nm第三代光纤通信系统光纤CATV第四十六页，共一百二十八页，2022年，8月28日3、量子阱激光器（QW-LD）量子阱：一般双异质结激光器的有源层的厚度为0.15um,若将有源层的厚度减少到德布罗意波长（50nm）以下，半导体的性质将发生根本的改变，出现量子效应，相应的势阱称为量子阱。（我们将窄带隙Eg称为势阱，将宽带隙Eg称为势垒）量子阱激光器：将双异质结半导体激光器的有源层做到nm级，形成量子阱结构，使之出现量子效应，这样的激光器叫做量子阱激光器。单量子阱激光器(SQW-LD)具有一个势阱和两个势垒的激光器多量子阱激光器（MQW-LD）具有n个势阱和n+1个势垒的激光器势垒势阱6.3nm<Lw<50nm势垒势阱量子阱激光器（QW-LD）Quantum-well第四十七页，共一百二十八页，2022年，8月28日量子阱激光器的特点：1、阈值电流低，输出功率大。超薄的有源区使得很小的电流就可以产生大增益的电流。2、单纵模，谱线窄，利于调制。DH-LD高速调制时输出光谱MQW-LD高速调制时输出光谱3、温度要求低。无需温度控制，无需制冷仪器。第四十八页，共一百二十八页，2022年，8月28日3.5发光二极管一、发光原理LED与LD的最大不同：没有光学谐振腔反射，发出的是自发辐射光。P层N层有源层＋－低高E外电场在正向偏压的情况下，N区的电子将向正方向扩展进入有源区，P区的空穴也将向负方向扩展进入有源区。进入有源区的电子和空穴由于势垒的作用而被封闭在有源区，这些电子将发生自发辐射，发出自发辐射的光。只要有外加电流的作用，就会源源不断的向有源层提供电子和空穴得到稳定的自发辐射光。

LEDLightemittingdiode第四十九页，共一百二十八页，2022年，8月28日二、分类边发光二极管面发光二极管面发光二极管正面发光辐射角大输出功率大耦合效率低第五十页，共一百二十八页，2022年，8月28日边发光二极管侧面发光辐射角小输出功率小耦合效率高第五十一页，共一百二十八页，2022年，8月28日三、工作特性1、光谱特性和辐射特性没有经过光学谐振腔的光强反馈、方向选择和光频选择，谱线宽，辐射角大，强度不大。λ

P△λ3dBⅠθ

3dBθoⅠ0Ⅰ=Ⅰ0·cosθ第五十二页，共一百二十八页，2022年，8月28日2、P–Ⅰ特性ⅠP边发光二极管面发光二极管无阈值自发光近似直线ⅠPⅠth（闸值电流）第五十三页，共一百二十八页，2022年，8月28日3、温度特性10℃20℃30℃40℃50℃ⅠP对温度不敏感，不用ATC电路。ⅠP20℃30℃40℃60℃80℃第五十四页，共一百二十八页，2022年，8月28日4、可靠性工作寿命长，可靠性好，达3×105小时，合34年。5、耦合效率低LED发散角大，耦合效率低。一般小于10%。四、应用中低速数字通信和模拟通信中第五十五页，共一百二十八页，2022年，8月28日根据LED和LD的性能，在选择光源时应作到技术上合理、经济上合理以及便于应用。第五十六页，共一百二十八页，2022年，8月28日§3.6光发射机光发射机实现电/光转换。由光源、驱动器和调制器组成。功能是用电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。第五十七页，共一百二十八页，2022年，8月28日1、光纤通信的调制什么是调制：把随信息变化的电信号加到光载波上，使光载波按信息的变化而变化，这就是调制。如何调制：模拟信号调幅AM调频FM调相PM数字信号ASKFSKPSKQAM目前光纤通信系统采用那种调制：IMimmediacymodulate光的功率（强度）随电信号变化IM-DD（immediacymodulate-directdetection）采用调制技术的主要考虑的因素：频谱利用率（带宽或容量）抗干扰性电路复杂性如何实现强度调制：内调制（直接调制）外调制（间接调制）强度调制在接收端解调采用直接检测IM的特点：实现容易，成本很低第五十八页，共一百二十八页，2022年，8月28日内调制（直接调制）：设备简单，但有啁啾，不利于高速调制。LED调制IPIPLD调制直接光调制图：偏置电流直接用电信号去驱动光源。第五十九页，共一百二十八页，2022年，8月28日外调制（间接调制）

：调制器电信号激光器直流驱动电路光信号解决了啁啾现象，适于高速数字信号（SDH/SONET）、模拟CATV、军事雷达等，并且可进行幅度、相位、频率调制，但对光源和光调制器要求很高。利用外调制器对激光器输出光信号进行调制。电信号激光器直流驱动电路外调制器光信号对数字信号的第六十页，共一百二十八页，2022年，8月28日（1）、激光器的直接调制电路模拟信号调制数字信号调制2、直接调制电路第六十一页，共一百二十八页，2022年，8月28日激光器的数字调制电路第六十二页，共一百二十八页，2022年，8月28日偏置电流和调制电流的选择

偏置电流的选择直接影响激光器的高速调制性质。选择直流预偏置电流应考虑以下几个方面：

(1)加大直流偏置电流使其逼近阈值，可以大大减小电光延迟时间，同时使张弛振荡得到一定程度的抑制。LD无偏置和有偏置时脉冲瞬态波形和光谱LD加了足够的预偏置电流，调制电流脉冲幅度较小，预偏置后张弛振荡大大减弱，谱线减少，光谱宽度变窄；另外，电光延迟的减小，也大大提高了调制速率。第六十三页，共一百二十八页，2022年，8月28日

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(2)当激光器偏置在阈值附近时，较小的调制脉冲电流即能得到足够功率的输出光脉冲，从而可以大大减小码型效应。3)加大直流偏置电流会使激光器的消光比恶化。

光源的消光比将直接影响接收机的灵敏度，为了不使接收机的灵敏度明显下降，消光如果激光器的偏置电流IB过大，势必会使消光比恶化，降低接收机的灵敏度。通常取IB＝(0.85～0.9)Ith。驱动脉冲电流的峰-峰值Im一般取Im十IB＝(1.2～1.3)Ith，以避免结发热和码型效应。消光比，是指激光器在全“l”码时发送的光功率(P1)与全“0”码时发射的光功率(Po)之比：第六十四页，共一百二十八页，2022年，8月28日(4)实验证明，异质结激光器的散粒噪声在阈值处出现最大值，如激光器正好偏置在阈值上，散粒噪声的影响较严重。因此，偏置电流的选择，要兼顾电光延迟、张弛振荡、码型效应、激光器的消光比以及散粒噪声等各方面情况，根据器件特别是激光器的具体性能和系统的具体要求，适当的选择偏置电流的大小。由于激光器的电阻较小，因此激光器的偏置电路应是高阻恒流源调制电流幅度的选择，应根据激光器的特性曲线，既要有足够的输出光脉冲功率，又要考虑到光源的负担。考虑到某些激光器在某些区域有自脉动现象发生，Im的选择应避应避开这些区域。第六十五页，共一百二十八页，2022年，8月28日（2）、LED的驱动电路驱动电流，调制电流偏置电流信号电流调制深度模拟调制数字调制第六十六页，共一百二十八页，2022年，8月28日3、发射端机（内调制）的组成及功能输入接口线路编码调制电路光源控制电路输入接口：将电端机送来的信号做码型变换，如将HDB3码变换为普通二进制码。线路编码：将普通二进制码变换为适合在光纤链路上传输的码型。调制电路：为光源提供调制电流。控制电路：主要是APC电路、ATC电路、光源保护电路等。光源：一般为发光二极管或半导体激光器，实现光电转换。第六十七页，共一百二十八页，2022年，8月28日自动功率控制电路(APC)自动温度控制电路(ATC)

激光器告警电路

光源慢启动保护电路激光器反向冲击电流保护电路激光器过流保护电路激光器关断电路控制电路第六十八页，共一百二十八页，2022年，8月28日偏置点控制电路高速驱动器LiNbO3外调制器第六十九页，共一百二十八页，2022年，8月28日一、重新编码的原因普通二进制码的缺点：

（1）码流中的0、1个数随机变化，使得直流分量也发生随机的起伏，从而影响了判决电平。（2）随机码流容易出现长串连0和连1，使得同步时钟的提取困难。

（3）没有冗余码，不利于误码检测。所以必须重新进行光线路编码。§3.7线路编码（4）双极性码，不能进行光纤传输第七十页，共一百二十八页，2022年，8月28日二、数字光纤通信系统对编码的要求：（1）减少光信号中的高频和低频分量。

低频：容易导致基线的漂移，产生误判。高频：使得系统带宽增加，加大电路设计的难度。

（2）定时信息丰富避免长的连0和连1，使0、1交替分布。（3）有适当的冗余码。一定的冗余码可以用于平衡码流，误码检测，公务通信。但过多的冗余信息会降低接收机的灵敏度。第七十一页，共一百二十八页，2022年，8月28日1、NRZ码（非归零码）与RZ码（归零码）NRZ码是最简单的码型。NRZ码很容易产生和译码，但它们没有内在的误差监测或纠错能力，也没有自有时钟（定时）特征。三、线路码型NRZ码RZ码RZ码：每个数据比特编为两个线路码比特。在这些码型中，为了提供定时信息，既可在部分的也可在全部的比特周期内发生信号电平的变化。第七十二页，共一百二十八页，2022年，8月28日3、mBnB分组码

将原始二进制码分组，m个为一组，变换后为n个一组,（m>n）

新的分组以NRZ或RZ的格式传输。

什么是mBnB分组码？mBnB分组码的特点：1、避免了长的连0和连1，定时信息丰富。2、总的0、1比例相等，基线漂移小。3、引入冗余码，便于误码检测。第七十三页，共一百二十八页，2022年，8月28日（1）不出现连续4个以上的“0”码或“1”，易于定时提取。（2）电路简单，易于实现。（3)有一定的纠错能力。当编码规则被破坏后，即意味着误码产生，便于中继监测。（4)有恒定的直流分量，且低频分量小，频带较宽。（5)传输速率为编码前的2倍，适用于低速率的光纤传输系统。1B2B码：CMI码属于二电平的不归零（NRZ）的1B2B码型CMI(CodedMarkInversion)码传号翻转码即“1”码交替地用“00”和“11”表示，而“0”码则固定用“01”表示，CMI码码的特点:第七十四页，共一百二十八页，2022年，8月28日激光器原理半导体激光器(LD)LD的特性分布反馈LD发光二极管LED光发射机线路编码第七十五页，共一百二十八页，2022年，8月28日第七十六页，共一百二十八页，2022年，8月28日二、数字直接调制中偏置电流和调制电流大小的选择加大偏置电流使其逼近激光器阈值，可以大大减小电光延迟时间，同时使张驰振荡得到一定程度的抑制偏置于阈值附近，较小的调制脉冲电流即可得到足够的输出光脉冲，I0与I0+Im的值相差不大，从而可大大减小码型效应和结发热效应的影响另一方面，加大直流偏置电流将会使光信号消光比（EX）恶化，光源消光比将直接影响接收机灵敏度，一般要求EX>10dB第七十七页，共一百二十八页，2022年，8月28日实验发现，异质结激光器的散粒噪声在阈值处出现最大值，因此偏置电流不正好偏置在阈值处由于激光器的串联阻抗很小，因此激光器的偏置电路应是高阻恒流源调制电流幅度Im的选择，应根据激光器的P-I曲线，既要有足够的输出光脉冲幅度，又要考虑到光源的负担。如果激光器在某些区域有自脉动现象发生，则Im的选择应避开自脉动发生的区域三、直接调制电路要求：快的开关速度、良好的电流脉冲波形第七十八页，共一百二十八页，2022年，8月28日四、外调制外调制器以EA、LN为主高速驱动模块EA：驱动电压峰-峰值~2V、偏置电压~-1VLN：驱动电压峰-峰值~5V、偏置电压2~3V第七十九页，共一百二十八页，2022年，8月28日偏置点控制电路高速驱动器LiNbO3外调制器第八十页，共一百二十八页，2022年，8月28日五、激光器控制电路1、系统对光源的要求波长稳定性要求WDM系统对光源发射波长的稳定性具有较高的要求波长的漂移将导致信道之间的串扰第八十一页，共一百二十八页，2022年，8月28日影响发射波长的因素对于DFB激光器，影响发射波长的因素：管芯温度、工作电流、光反射（利用隔离器减小）管芯温度与激射光频的关系：呈单调直线下降，工作电流与激射光频的关系：电流→注入载流子变化→有源区折射率下降大电流→结温升高，正常工作时，起主导作用一般为-1GHz/mA左右B为DFB激光器的布拉格波长，为光栅周期，为场限制因子，n为折射率，为载流子浓度，为载流子寿命比较而言，温度变化是波长漂移的主要因素第八十二页，共一百二十八页，2022年，8月28日功率稳定性要求某信道功率的漂移，不仅影响本信道的传输性能，而且通过EDFA的瞬态效应影响其它信道的性能通常要求：输出平均光功率:0~-3dBm;

不稳定度:0.5dB(模块表面温度0-50C)

消光比:10dB

眼图:符合G.957模版影响发射功率的因素管芯温度:温度增加--功率下降器件老化:功率下降第八十三页，共一百二十八页，2022年，8月28日温度控制和功率控制作用，就是消除温度变化和器件老化影响,稳定发射机性能，采取的稳定方法有：温度控制；自动功率控制窄线宽DFB激光器EA（LN）调制器精密温度控制恒定电流控制10Gb/s电压驱动器NRZ码

光发射机结构框图第八十四页，共一百二十八页，2022年，8月28日温度控制：温控电路通常由比例放大、PID（比例-积分-微分）电路、电流放大组成控制精度可到0.01C波长稳定性可达200MHz/24小时目前N2.5Gb/s系统中，主要采用这一技术DFB-LD组件激光器导热制冷器热敏电阻温度控制电路PDR1=10k，T1=298K，B=3887+/-34K第八十五页，共一百二十八页，2022年，8月28日波长锁定（wavelengthlocker)例：将激光器输出波长与一标准波长（参考波长）进行比较，测得波长漂移信息，反馈控制管芯温度，由此控制激光器的输出波长WDMsignalWavelengthReference…...TemperatureControllerPin-PDLogAmp.Errorsignal波长稳定性：100MHz/12小时关键：锁波器（与LD集成或独立器件）锁波器工作原理第八十六页，共一百二十八页，2022年，8月28日自动功率控制（APC）DFB-LD组件激光器导热制冷器热敏电阻温度控制电路PD自动功率控制（APC）电路偏置电流峰值功率控制：偏置电流控制调制电流幅值控制平均功率控制：偏置电流控制(需与波长控制一起使用）第八十七页，共一百二十八页，2022年，8月28日其它控制电路：光源慢启动保护电路激光器反向冲击电流保护电路激光器过流保护电路激光器关断电路第八十八页，共一百二十八页，2022年，8月28日第八十九页，共一百二十八页，2022年，8月28日自动功率控制电路(APC)自动温度控制电路(ATC)

激光器告警电路

光源慢启动保护电路激光器反向冲击电流保护电路激光器过流保护电路激光器关断电路控制电路第九十页，共一百二十八页，2022年，8月28日某信道功率的漂移，不仅影响本信道的传输性能，而且通过EDFA的瞬态效应影响其它信道的性能自动功率控制峰值功率控制：偏置电流控制调制电流幅值控制平均功率控制：偏置电流控制通常要求：输出平均光功率:0~-3dBm;

不稳定度:0.5dB(模块表面温度0-50C)

消光比:10dB

第九十一页，共一百二十八页，2022年，8月28日自动功率控制电路(APC)第九十二页，共一百二十八页，2022年，8月28日5、自动功率控制电路(APC)

在使用中，LD结温的变化以及老化都会使Ith增大，量子效率下降，从而导致输出光脉冲的幅度发生变化。为了保证激光器有稳定的输出光功率，需要有各种辅助电路，例如功率控制电路、温控电路、限流保护电路和各种告警电路等。

光功率自动控制有许多方法，一是自动跟踪偏置电流，使LD偏置在最佳状态；二是峰值功率和平均功率的自动控制；三是P-I曲线效率控制法等。最简单的办法是通过直接检测光功率控制偏置电流，用这种办法即可收到良好的效果。该办法是利用激光器组件中的PIN光电二极管，监测激光器背向输出光功率的大小，若功率小于某一额定值时，通过反馈电路后驱动电流增加，并达到额定输出功率值。反之，若光功率大于某一额定值，则使驱动电流减小，以保证激光器输出功率基本上恒定不变第九十三页，共一百二十八页，2022年，8月28日美国亚特兰大光通信系统中光发射机的APC电路，电路是通过控制LD偏置电流大小来保持输出光脉冲幅度的恒定。在运放的输入端，再生信号由输入信号再生处理后得到，它固定在0V～-lV间。LD组件中PIN管接收LD的背面输出光，它受到与正面输出光同样的温度及老化影响，从而可用来反馈控制LD输出光功率。该PIN产生的信号与直流参考比较后送到放大器的同相端，直流参考通过调节Rl控制预偏置电流IB。调节R2使再生信号与PIN输出取得平衡，使IB保持恒定。第九十四页，共一百二十八页，2022年，8月28日当输出光功率产生变化时，平衡破坏，反馈偏置电路将自动调整IB，使输出功率恢复到原来的值，电路又恢复平衡状态。R3Cl构成LD的慢启动网络，当刚开启电源或有突发的电冲击时，由于电路的时间常数很大(～lms)，IB只能慢慢增大。这时，前面的控制电路首先进入稳定控制状态，然后IB缓慢增大，保护LD免受冲击。

第九十五页，共一百二十八页，2022年，8月28日

温度变化引起LD输出光功率的变化，虽然可以通过APC电路进行调节，使输出光功率恢复正常值。但是，如果环境温度升高较多，经APC调节后，IB增大较多，则LD的结温因此也升高很多，致使Ith继续增大，造成恶性循环，从而影响了LD的使用寿命。因此，为保证激光器长期稳定工作，必须采用自动温度控制电路(ATC)使激光器的工作温度始终保持在20度左右。微制冷器多采用半导体制冷器。它是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。当直流电流通过两种半导体组成的电偶时，出现一端吸热另一端放热的现象，这种现象称为珀尔帖效应。微型半导体制冷器的温差可以达到30℃～40℃。6、自动温度控制电路(ATC)

LD的温度控制由微型制冷器、热敏元件及控制电路组成。第九十六页，共一百二十八页，2022年，8月28日目前实际商用的半导体激光器总是和其他一些部件封装在一起，形成一个完整的LD组件，它将LD芯片、半导体制冷器和具有负温度系数的热敏电阻等封装在一个体积很小的密封盒内，控制电路放在盒外，这属于内制冷方式。内制冷方式不仅结构紧凑，控制效率也很高，使激光器有较恒定的输出光功率和发射波长。

外制冷方式是将外加半导体制冷器与山组件的密封盒紧密接触，通过控制电路给外加制冷器加直流，达到控制LD周围环境温度的目的。通常内制冷较外制冷方式更直接、有效。制冷方式分为内制冷和外制冷两种。第九十七页，共一百二十八页，2022年，8月28日为半导体制冷器的结构示意图单个热电偶是由P型和N型掺杂的半导体组成，它被焊接在铜连接片上，并用陶瓷面板电绝缘。当未接外电路时，跨越它两端形成的温度差使它的两端产生一与温度差成比例的电位差。此时将其与外电路的负载连接起来，将产生电流，从而输出电功率，这就是一个热电偶器件。

直流电流通过热电偶将产生珀尔帖效应，在它的一端吸收热量，与之相连的物体将被冷却；另一端排放热量，将散热器与之接触，该热电偶起到制冷器的作用。如果改变直流电流的方向，制冷器的吸热、散热端将互换。

第九十八页，共一百二十八页，2022年，8月28日LD组件中的热敏电阻具有负温度系数，在20℃时阻值Rt＝10kΩ～12kΩ，ΔRt／ΔT≈-0．5％／℃。它与Rl，R2，R3组成桥式电路，其输出电压加到差分放大器的同相和反相输入端，在某温度下，电桥达到平衡。LD温度升高时，Rt下降，BGl正向导通，通过制冷器Rc的电流Ic加大，使LD的温度下降。具体控制过程如下：

----T↑→Rt↓→差分放大器输入端压降↑→差分放大器输出电压↑→Ic↑→T↓。实际上激光器在连续工作时，管芯温度会持续上升，从而使得热敏电阻Rt总保持在Rt≠R3即电桥总不平衡，于是Ic维持一定值，即控制电路始终为致冷器提供恒定的工作电流Ic。在光发送电路中，由于采用了ATC和APC电路，使LD输出光功率的稳定度保持在较高的水平上。在环境温度为十5℃～十50℃范围内，LD输出光功率的不稳定度小于5％。温度控制电路第九十九页，共一百二十八页，2022年，8月28日

7、激光器的保护及告警电路

光源是光发送电路的核心，它价格昂贵又较容易损坏。因此在光发送电路中必须设有保持电路，以防止意外的损坏。另外，当光发送电路出现故障时，告警电路应发出相应的声、光告警信号，以便于工作人员维护。①光源的过流保护电路为了使光源不致因通过大电流而损坏，一般需对光源进行过流保护。②无光告警电路当光发送机电路出现故障，或输入信号中断、或激光器损坏时，都可能使LD长时间不发光。这时，无光告警电路都应动作，发出相应的声光告警信号。

③寿命告警电路随着使用时间的增长，LD阈值电流也将逐渐增大。当阈值电流增大到开始使用时的1.5倍时，就认为激光器的寿命终止。

由于IB≈Ith，所以寿命告警电路通常采用监测偏流IB的值来判断激光器寿命是否终止。也就是说，当IB＞1.5Itho(Itho为LD开始启用时的阈值电流)时，寿命告警电路就发出告警指示。

第一百页，共一百二十八页，2022年，8月28日激光器的过流保护电路T3为激光器提供偏流IB。保护电路由晶体管T4、电阻Rl组成。

正常情况下，电阻Rl上的电压小于T4的导通降压，因而T4截止，保护电路不工作。当偏流IB过大，致使Rl上的压降VRl剧增并超过T4的导通压降时，T4饱和导通，使Vce4≈0，从而导致T3截止，保护了激光器不致因偏流IB过大而被损坏。第一百零一页，共一百二十八页，2022年，8月28日A2的反向端为直流参考电压VD，其同相端则为代表LD输出光功率平均值的Vf。当LD发光正常时，PIN管检测到的光电流经A1放大后送入A2的同相端。这时，Vf＞VD，因此A2输出高电平，致使无光告警指示灯LED不亮。当LD不发光时，PIN管检测不到光信号，因而Vf＜VD，A2输出低电平，使无光告警灯发出红色告警显示。另一路高电平为正常、低电平为告警的无光告警信号则被送入监控系统处理。无光告警原理图第一百零二页，共一百二十八页，2022年，8月28日T3为激光器提供偏流IB，T4、R1组成过流保护电路。由于Vl≈IBRl，所以调整电位器W使V2＝1.5IthoR1。当激光器工作正常时，IB＜1.5Itho，则Vl＜V2，A1输出高电平，寿命告警灯不亮。如果IB＞1.5Itho，则激光器寿命终止，这时Vl＞V2，A1输出低电平，寿命告警灯发黄色告警显示。同样有一路高电平正常、低电平告警的寿命告警信号送到监控系统。寿命告警电路原理图第一百零三页，共一百二十八页，2022年，8月28日激光器组件1、激光器组件：是指在一个紧密的结构体中，除了激光二极管（LD）以外，还配置其他的元件以实现LD工作必需的外围器件。2、LD组件的构成图：驱动电路偏置电流信号电流监视光电二极管LD温度监控ATC电子制冷器光隔离器第一百零四页，共一百二十八页，2022年，8月28日MQW-DFB激光器第一百零五页，共一百二十八页，2022年，8月28日掺铒激光器第一百零六页，共一百二十八页，2022年，8月28日第一百零七页，共一百二十八页，2022年，8月28日§4.6线路编码用于光纤传输链路的两电平二进制线路码有三种基本类型：非归零格式（NRZ）；归零格式（RZ）；相位编码格式（PE）。设计光线链路时，要考虑的一个重要因素是传输光信号的格式。其重要性在于任何实际的数字光纤链路，其接收机的判决电路必须精确地从接收的光信号中提取定时信息。定时的三个主要目的分别是：在接收机的信噪比最大时对信号进行取样；保持适当的脉冲间隔；指示每个时间间隔的开始和结束。另外，信号检测过程中，信道噪声和失真会导致误码，故光信号应有内在的误码检测能力，这可以通过信号的重组（或编码），引入额外的比特到数据流中来实现。所谓信号编码是指使用一套规则把信号符号编排为一个特殊的格式。这个过程称为线路编码。线路编码的主要功能是在数据流中引入冗余码，其目的是为了使信道干扰引起的误码最小。尽管采用光纤可以获得巨大的带宽，但从噪声方面考虑，较大的带宽将导致较大的噪声影响，故希望得到较小的带宽；而要从数据流中获得定时数据就需要较大的带宽。通过选择特殊的线路码，可以在定时和噪声带宽之间达成折衷。第一百零八页，共一百二十八页，2022年，8月28日一、重新编码的原因电码的缺点：双极性码，不能进行光纤传输

简单二进制码的缺点：（1）码流中的0、1个数随机变化，使得直流分量也发生随机的起伏，从而影响了判决电平。（2）随机码流容易出现长串连0和连1，使得同步时钟的提取困难。

（3）没有冗余码，不利于误码检测。所以必须重新进行光线路编码。§4.6线路编码第一百零九页，共一百二十八页，2022年，8月28日二、数字光纤通信系统对编码的要求：（1）减少光信号中的高频和低频分量。

低频：容易导致基线的漂移，产生误判。高频：使得系统带宽增加，加大电路设计的难度。

（2）定时信息丰富避免长的连0和连1，使0、1交替分布。（3）有适当的冗余码。一定的冗余码可以用于平衡码流，误码检测，公务通信。但过多的冗余信息会降低接收机的灵敏度。第一百一十页，共一百二十八页，2022年，8月28日1NRZ码现在已有好几种不同的NRZ码得到了广泛应用，它们的带宽可作为其它码组的参考。最简单的NRZ码就是NRZ电平（NRZ-L），如图所示。这些码很容易产生和译码，但它们没有内在的误差监测或纠错能力，而且也没有自有时钟（定时）特征。比特周期图NRZ-L数据模式的一个例子另外，NRZ码有最小的带宽需求，但接收机的平均输入功率却依赖于数据的模式。例如很长的1码出现时，接收功率的高电平将会导致基线漂移效应。这种效应是由于接收机的交流耦合滤波器的低频特性引起脉冲拖尾的积累所造成的。当接收机在很长的连1码后恢复到原来阈值的过程很慢，而下一个1码到来时幅度又较低时，就有可能产生误码。三、线路码型第一百一十一页，共一百二十八页，2022年，8月28日接收机的单个输入脉冲接收机的单个输出脉冲进入接收机的“1”比特序列接收机输出的“1”比特序列判决阈值基线漂移图传输长连NRZ“1”码时引起的接收机基线漂移效应同时长的连1或连0，NRZ码没有定时信息，因为其中没有电平变化。于是，除非系统的定时时钟非常稳定，N个同样的长码就有可能被误判为N-1个或N+1个，从而导致误码。解决方法一是在系统中使用高稳定的时钟（这样将明显增加系统的成本）；另外就是采用分组码和扰码。第一百一十二页，共一百二十八页，2022年，8月28日2RZ码如果有足够的带宽富余度，则可将每个数据比特编为两个光线路码比特，这就是RZ码的基础。在这些码型中，为了提供定时信息，既可在部分的也可在全部的比特周期内发生信号电平的变化。下图给出了RZ码的一些码型，图(a)是基带（NRZ-L）数据，(c)是单极RZ码。NRZ-L基带数据时钟信号单极性RZ码双相码或光曼切斯特码变换图RZ码型：(a)NRZ-L基带数据；(b)时钟信号；(c)单极性RZ码；(d)双向码或光曼切斯特码；(e)曼切斯特数据在比特周期内发生的电平转换第一百一十三页，共一百二十八页，2022年，8月28日单极RZ格式的一个缺点是长的连0码会导致定时同步的丢失。双相码或光曼切斯特码就没有这种限制。对基带(NRZ-L)信号和时钟信号直接进行模二加运算即可得到光曼切斯特码。该码每个比特间隔的中心处都有电平转换，负相变换表示1比特，争相表示0比特。它易于编码和译码，但需占用两倍NRZ码的带宽；另外它也没有内在误码检测和纠错能力。第一百一十四页，共一百二十八页，2022年，8月28日1、分组码一种高效率的冗余二进制码是mBnB分组码，即将由m个二进制比特构成的分组，转换为由n个（n>m）二进制比特构成的分组。新的分组以NRZ或RZ的格式传输。mBnB分组码可以提供足够的定时和检错信息，又因没有长0或长1，所以没有基线漂移问题；但使用这种格式，将面临带宽增加的代价，附加的冗余比特将以n/m的比率增加带宽。3B4B分组码如下：数字3B4B方式1方式2012345670000010100111001011101110100001101010110100110101100001010110011010101101001101011001101四、线路编码第一百一十五页，共一百二十八页，2022年，8月28日几种mBnB参数对比列在表中，表中参数如下：n/m比率，代表带宽的增加；最大的连续同符号数（较小的值更利于时钟恢复）；累加偏差D的限度；禁用字（不使用的n比特字符）所占的百分比W（接收机非法字符的检测可以实现字符重构）。几种mBnB码的比较码型n/mNmaxDW(%)3B4B1.334±3256B8B1.336±3755B6B1.206±4287B8B1.149±7279B10B1.1111±824第一百一十六页，共一百二十八页，2022年，8月28日mBnB码将原始二进制码分组，m个为一组，变换后为n个一组。（m>n）编码原理（以3B4B码为例）3B4B00000001000001000110010100010101001100111011100010011001010101110111001101110