光纤通信电子教案

光纤通信电子教案课程名称光纤通信使用教材光纤通信技术主编孙学康出版社人民邮电出版社出版时间2008年5月专业班级0712401~02授课时数总64课时;理论:48课时;实践:16课时;其他:课时;授课教师授课时间2009年至2010年学年度第二学期主要参考文献1.张宝富等编《光纤通信》西安电子科技大学出版社2007年2.[美]DjafarK.Mynbaev编《光纤通信技术》机械工业出版社2002年3.吴彦文等编《光网络的生存性技术》北京邮电大学出版社2002年4.刘增基等编《光纤通信》西安电子科技大学出版社2005年课题1、光纤通信概述目的要求1.了解光纤通信发展的历史2.了解光纤通信的优点及应用3.掌握光纤通信系统的基本组成4.了解光纤通信的发展现状及展望教学重点1.光纤通信系统的一般组成2.光端机、光纤链路的基本功能教学难点光纤通信系统的组成与功能教学课时2教学方法讲授法、演示法、讨论法教学内容和步骤《光纤通信》课程内容介绍、专业学习方法、参考资料介绍第1章概论第2章光纤和光缆第3章通信用光器件第4章光端机第5章数字光纤通信系统第6章模拟光纤通信系统第7章光纤通信新技术第8章光纤通信网络1.1光纤通信的发展历史和现状1.1.1探索时期的光通信中国古代用“烽火台”报警欧洲旗语望远镜，目视光通信1880年，美国人贝尔发明了用“光电话”1960年，美国人梅曼发明了第一台红宝石激光器1.1.2现代光纤通信1966年，英籍华裔学者高锟和霍克哈姆的论文指出利用光纤进行信息传输，奠定了现代光通信基础。1970年，美国康宁公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。1976年，世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验成功。光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：第一阶段(1966~1976年)，是基础研究到商业应用的开发时期。第二阶段(1976~1986年)，提高传输速率和增加传输距离的发展时期。第三阶段(1986~1996年)，全面深入、开展新技术研究的时期1.1.3国内外光纤通信发展的现状1.2光纤通信的优点和应用1.2.1光纤通信的优点1.容许频带很宽，传输容量很大；2.损耗很小，中继距离很长且误码率很小；3.重量轻、体积小；4.抗电磁干扰性能好；5.泄漏小，保密性能好；6.节约金属材料，有利于资源合理使用。1.2.2光纤通信的应用光纤通信的各种应用可概括如下：①通信网②构成因特网的计算机局域网和广域网③有线电视网；工业电视系统；自动控制系统④综合业务光纤接入网1.3光纤通信系统的基本组成1.光发射机：把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路(常简称为电/光或E/O转换)。2.光纤线路：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机。3.光接收机：把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号(常简称为光/电或O/E转换)。1.4数字通信系统和模拟通信系统1.4.1数字通信系统优点：1.抗干扰能力强，传输质量好。2.可再生中继，传输距离长。3.适用各种业务的传输，灵活性大。4.数字通信系统易集成，易实现小型化、微型化。缺点：占用频带较宽，系统的频带利用率不高。例如，一路模拟电话只占用4KHz的带宽，而一路数字电话要占用20~64KHz的带宽1.4.2模拟通信系统占用带宽较窄，电路简单、价格便宜。作业光纤通信系统由哪几部分组成？各自有什么主要功能？教学总结光纤通信的入门课，采用多媒体辅助教学，多次举例引发学生思考，对比分析光通信的优势，授课浅显易懂，思路清晰，富有激情，旨在激发学生的学习兴趣，引导学生深入学习本课程。第2次课题2.1~2.3、光纤结构和类型、几何光学及波动光学分析目的要求1.理解并掌握光纤的基本结构及相对折射率概念2.掌握光纤的折射率分布特点及分类3.光纤的几何光学分析方法及数值孔径的概念4.突变型折射率光纤的波动光学分析方法教学重点1.光纤折射率分布特点及分类方法2.光学分析的手段与相对折射率、数值孔径的概念及含义教学难点1.突变型折射率光纤的波动光学分析方法2.麦克斯韦波动方程教学课时2教学方法演示法、练习法、讲授法、探究法教学内容和步骤2.1光纤（OpticalFiber）的结构和类型2.1.1光纤结构相对折射率差Δ=（n1-n2）/n1Δ越大，光束缚在纤芯的能力越强，但信息传输容量（速率）却越小。2.1.2光纤类型1.实用光纤的折射率分布及分类:(a)突变型（阶跃型）折射率多模光纤（Step-IndexFiber,SIF）(b)渐变型折射率多模光纤（Graded-IndexFiber,GIF）(c)单模光纤（Single-ModeFiber,SMF）2.典型特种单模光纤的折射率分布及分类：(a)双包层光纤，折射率分布像W形，又称为W型光纤(b)三角芯光纤，折射率分布呈三角形(c)椭圆芯光纤，折射率分布呈椭圆形2.2光纤传输原理2.2.1几何光学分析方法1.数值孔径(NumericalAperture,NA)：光线进入光纤进行全反射的临界角θc的正弦值定义为数值孔径。2.数值孔径NA的物理含义：NA(或θc)越大，光纤接收光的能力越强，耦合效率越高；NA越大，纤芯对光的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好；NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。3.时间延迟差(脉冲展宽)：2.2.2麦克斯韦方程与波动光学分析思路麦克斯韦方程组：电场分量的波动方程：作业1.实用光纤分为哪几类？单模光纤分为哪些类型？2.相对折射率及数值孔径的概念及含义？两者有何联系？教学总结本次授课初涉专业基础知识，用多媒体图片来演示光纤结构，分类法讲述光纤类型，推演法进行光学分析，授课层次清晰，重点突出、充分理论联系实际，积极设疑互动，强化学生学习效果。第3次课题2.4~2.5、光纤的模式、光纤的色散及损耗目的要求1.了解光纤模式的概念及单模多模光纤的区别2.理解并掌握光纤色散的定义、分类、描述方法及影响3.光纤损耗的产生机理及分类4.光纤的单模传输条件教学重点1.光纤色散的产生机理及分类2.光纤损耗的产生机理及分类教学难点1.光纤模式数目2.色散的描述方法教学课时2教学方法讲授法、发现法、讨论法、演示法教学内容和步骤2.4光纤的模式2.4.1光纤模式的基本概念在波动光学分析法中，对得到的两个贝塞尔函数的微分方程进行求解，并应用纤芯—包层边界条件，可求得特征方程满足边界条件的解βm。此时可得到一个重要结论即电磁场不是以连续而是以离散的模式在光纤中传播的，而βm所对应的这种空间分布，在传播过程中只有相位变化，没有形状的变化，且始终满足边界条件，这种空间分布称为模式。2.4.2归一化频率V与单模传输条件归一化频率V：单模传输条件：传输模式数目随V值增加而增多。当V值减小时，不断发生模式截止，模式数目逐渐减少。特别值得注意的是当V<2.405时，只有HE11(LP01)模式存在，其余模式全部截止。HE11称为基模，由两个偏振态简并而成。由此得到单模传输条件为：上式必定存在一个临界波长λc，当λ<λc时，是多模传输，当λ>λc时，是单模传输，这个临界波长λc称为截止波长。2.5光纤传输特性损耗和色散是光纤最重要的传输特性。损耗限制系统的传输距离，色散则限制系统的传输容量。2.5.1光纤色散1.色散定义色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。2.色散类型色散包括模式色散、材料色散和波导色散三种类型。模式色散是由于不同模式的时间延迟不同而产生的。材料色散是由于光纤材料折射率随波长改变而产生的。波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的。3.色散的描述方法色散对光纤传输系统的影响，在时域和频域的表示方法不同。色散通常用3dB光带宽f3dB或脉冲展宽Δτ表示。4.单模光纤的色散理想单模光纤没有模式色散，只有材料色散和波导色散。材料色散和波导色散总称为色度色散，常简称为色散。5.偏振模色散在理想完善的单模光纤中，HE11模由两个具有相同传输常数相互垂直的偏振模简并组成。但实际光纤不可避免地存在一定缺陷，如纤芯椭圆度和内部残余应力，使两个偏振模的传输常数不同，这样产生的时间延迟差称为偏振模色散或双折射色散。2.5.2光纤损耗1.光纤损耗的分类：吸收损耗和散射损耗2.损耗的产生机理：吸收损耗是SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。散射损耗是材料微观密度不均匀而引起的瑞利散射和由光纤结构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。3.实用光纤的损耗谱作业1.光纤的色散是什么？色散分为哪些类型？2.光纤损耗的产生机理是什么？损耗分为哪些类型？色散和损耗分别对通信系统有何影响？教学总结本次课探讨的是光纤最重要的两个传输特性，不仅从理论上清晰地分析了色散与损耗的产生原理，还运用分类、对比的方法来讲述色散与损耗的分类以及对通信系统的不同影响，教学效果良好。第4次课题2.6~2.7、光纤光缆的连接方法、光纤特性的测量方法目的要求1.了解光纤和光缆的常用工程连接方法2.理解工程中光纤特性测量的种类及重要性3.光纤主要传输特性的测量方法教学重点1.光纤连接的分类2.色散（带宽）、损耗及截止波长的测量方法教学难点1.色散（带宽）测量2.截止波长的测量教学课时2教学方法演示法、讲授法、实验法教学内容和步骤2.6光缆及光纤光缆的工程连接2.6.1光缆结构和类型光缆一般由缆芯和护套两部分组成，有时在护套外面加有铠装。光缆的类型参多媒体课件图示。2.6.2光纤光缆的工程连接方法一般在工程上有固定连接和活动连接两种连接方法，固定连接需要用到专门的光纤熔接设备，如光纤自动熔接机。2.7光纤特性测量光纤的特性参数可分几何特性、光学特性和传输特性三类。几何特性包括纤芯与包层的直径、偏心度和不圆度；光学特性主要有折射率分布、数值孔径、模场直径和截止波长；传输特性主要有损耗、带宽和色散。下面分别介绍光纤的损耗、带宽(色散)和截止波长的测量。2.7.1损耗测量损耗测量有两种基本方法：一是测量通过光纤的传输光功率，称剪断法和插入法；另一种是测量光纤的后向散射光功率，称后向散射法。1.剪断法光纤损耗系数由式来确定。其中L为被测光纤长度(km)，P1和P2分别为输入光功率和输出光功率(mW或W)。在实际应用中，也可采用插入法作为替代方法。2.后向散射法利用与传输光相反方向的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的方法，称为后向散射法。设光纤中正向传输光功率为P，经过L1和L2点(L1<L2)时分别为P1和P2(P1>P2)，从这两点返回输入端(L=0)。光检测器的后向散射光功率分别为Pd(L1)和Pd(L2)，经分析推导得到，正向和反向平均损耗系数：后向散射法不仅可以测量损耗系数，还可利用光在光纤中传输的时间来确定光纤的长度L。用后向散射法的原理设计的测量仪器称为光时域反射仪(OTDR)。OTDR不仅可测量光纤损耗系数和光纤长度，还可以测量连接器和接头的损耗，观察光纤沿线的均匀性和确定故障点的位置，是光纤通信系统工程现场测量不可缺少的工具。2.7.2带宽（色散）测量光纤带宽测量有时域和频域两种基本方法。时域法是测量通过光纤的光脉冲产生的脉冲展宽，又称脉冲法；频域法是测量通过光纤的频率响应，又称扫频法。光纤色散测量有相移法、脉冲时延法和干涉法等。这里只介绍相移法，这种方法是测量单模光纤色散的基准方法。角频率为ω的正弦信号调制的光波，经长度为L的单模光纤传输后，其时间延迟τ取决于光波长λ。不同时间延迟产生不同相位φ。用波长为λ1和λ2的受调制光波，分别通过被测光纤，由Δλ=λ2-λ1产生的时间延迟差为Δτ，相位移为Δφ。推导可得：为避免测量误差，一般要测量一组λi-φi值，再计算出C(λ)。2.7.3截止波长测量实际工程中截止波长的测量方法有：在弯曲状态下，测量损耗—波长函数的传输功率法；改变波长，观察LP01模和LP11模产生的两个脉冲变为一个脉冲的时延法；改变波长，观察近场图由环形变为高斯形的近场法。这里只介绍传输功率法，这种方法是测量单模光纤截止波长的基准方法，一般实测截止波长稍小于理论截止波长。作业1.光缆的类型有哪些？光纤光缆的连接方法有哪些？2.工程上光纤传输特性的常用测量办法分类及各自原理？教学总结鉴于本课程的应用性较强特补充了该次课内容，运用了多媒体辅助，公式推演，图形辅助等多种教学方法，由浅入深地讲述了光通信工程中值得注意的几个问题，学生积极性高，教学效果良好。第5次课题3.1~3.5、激光器、光检测器原理及分类、光无源器件目的要求1.掌握激光器和光检测器的工作原理2.掌握常见的激光器和光检测器的分类及各自特点3.掌握光无源器件的分类及特点教学重点1.激光器的工作原理、分类及特性2.光检测器的工作原理、分类及特性教学难点1.粒子数反转分布及光学谐振放大2.雪崩光电效应及光检测器噪声特性分析教学课时6教学方法讲授法、演示法、讨论法教学内容和步骤3.1光源3.2光检测器3.3光无源器件通信用光器件可分为有源器件和无源器件两种类型。有源器件包括光源、光检测器和光放大器，分别是光发射机、光接收机和光中继器的关键器件，和光纤一起决定着光纤系统的水平。光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等，它们对光纤通信系统的构成、功能的扩展和性能的提高都是不可缺少的。本章主要介绍通信用光器件的工作原理和主要特性，为系统的设计提供选择依据。3.1光源光源是光发射机的核心部件。本小节首先介绍半导体激光器(LD)的工作原理、基本结构和主要特性，然后进一步介绍性能更优良的分布反馈激光器(DFB-LD)，最后介绍可靠性高、寿命长和价格便宜的发光管(LED)。3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。激光，其英文LASER就是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(受激辐射的光放大)的缩写。1.受激辐射和粒子数反转分布电子在低能级的基态和高能级的激发态之间的跃迁有三种基本方式：(1)在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴，见图(a)。(2)在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射，见图(b)。(3)在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射，见图(c)。相干光与非相干光的本质区别是什么？如何得到粒子数反转分布的状态呢?2.激光振荡和光学谐振腔粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。激光器的阈值条件是什么？光学谐振腔产生激光振荡的相位条件是什么？3.半导体激光器基本结构半导体激光器基本结构是双异质结(DH)平面条形结构。这种结构由三层不同类型半导体材料构成：中间层为有源层，两侧分别为P型和N型半导体，称为限制层。3.1.2半导体激光器的主要特性1.发射波长和光谱特性半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)，因此激光器发射波长可由公式hf=Eg或来确定。2.激光束的空间分布激光束的空间分布可用近场和远场来描述。近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布，远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。3.转换效率和输出光功率特性激光器的电/光转换效率用外微分量子效率表示，其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数目。4.频率特性IM激光器输出光功率和调制频率满足：5.温度特性激光器输出光功率随温度变化的两个原因：一是激光器的阈值电流随温度升高而增大；二是外微分量子效率随温度升高而减小。温度升高，阈值电流增大，外微分量子效率减小，输出功率明显下降甚至不激射。3.1.3分布反馈激光器随着技术的进步，要求新型半导体激光器的谱线宽度更窄，并在高速率脉冲调制下保持动态单纵模特性，发射光波长更加稳定，能实现调谐，阈值电流更低，输出光功率更大。分布反馈(DistributedFeedBack,DFB)激光器便是这种类型激光器的典型代表。普通激光器用FP谐振腔两端的反射镜，对激活物质发出的辐射光进行反馈，而DFB激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性结构(波纹状)衍射光栅实现光反馈。这种衍射光栅的折射率周期性变化，使光沿有源层分布式反馈，所以称为分布反馈激光器。光栅周期Λ与波长的关系由式确定。DFB激光器与FP激光器相比,具有以下优点：①单纵模激光器。②谱线，波长稳定性好。③动态谱线好。④线性好。3.1.4发光二极管发光二极管有两种类型：正面发光型和侧面发光型。发光二极管具有如下工作特性：(1)光谱特性：发光二极管发射的是自发辐射光，没有谐振腔对波长进行选择，谱线较宽；(2)光束的空间分布：正面发光型LED辐射图呈朗伯分布；(3)输出光功率特性；(4)频率特性；3.1.5各种光源的性能对比与应用分析LED通常与多模光纤耦合，用于小容量短距离系统；LD通常与G.652和G.653单模光纤耦合，用于大容量长距离系统；分布反馈激光器主要与G.653或G.654单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于超大容量超长距离的新型光纤系统。3.2光检测器光检测器是光接收机的核心部件。3.2.1光电二极管工作原理光电二极管(PD)把光信号转换为电信号，由半导体PN结的光电效应实现的。目前常用的光检测器有PIN-PD和APD-PD两种类型。3.2.2PIN光电二极管PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体I，这便是常用的PIN光电二极管。PIN光电二极管具有如下主要特性：(1)量子效率和光谱特性：光电转换效率用量子效率η或响应度ρ表示。量子效率η的定义为一次光生电子-空穴对和入射光子数的比值（板书定义式）。响应度的定义为一次光生电流和入射光功率的比值（板书定义式）。(2)响应时间和频率特性；(3)噪声特性：噪声是反映光电二极管特性的一个重要参数，它直接影响光接收机的灵敏度。噪声通常用均方噪声电流(在1Ω负载上消耗的噪声功率)来描述。均方散粒（散弹或量子）噪声：（板书定义式）暗电流噪声包括晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和载流子热扩散形成的本征暗电流：（板书定义式）均方热噪声电流：（板书定义式）3.2.3雪崩光电二极管(APD)APD的典型结构如N+PΠP+结构（也被称为拉通型APD）。1.倍增因子定义为APD输出光电流和一次光生电流的比值：2.过剩噪声因子是雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数。3.2.4常见光检测器的性能对比与应用分析APD是有增益的光电二极管，常用在光接收机灵敏度要求较高的场合，采用APD有利于延长系统的传输距离；灵敏度要求不高的场合，一般采用PIN-PD。3.3光无源器件无源器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展或性能的提高，都是不可缺少的。虽然对各种器件的特性有不同的要求，但是普遍要求插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、性能稳定、寿命长、体积小、价格便宜，许多器件还要求便于集成。本节主要介绍无源光器件的类型、原理和主要性能。3.3.1连接器和接头连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件，主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间，或光纤线路与其他光无源器件之间的连接。接头是实现光纤与光纤之间的永久性(固定)连接，主要用于光纤线路的构成，通常在工程现场实施。国内外大多借助专用自动熔接机在现场热熔接，也可用V形槽连接。热熔接接头平均损耗达0.05dB/个。3.3.2光耦合器耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。这种器件大多与波长无关，与波长相关的耦合器称为波分复用器/解复用器。1.耦合器类型T形耦合器（a）星形耦合器（b）定向耦合器（c）波分复用器/解复用器(也称合波器/分波器)（d）2.基本结构耦合器基本类型主要有光纤型、微器件型和波导型三种（参多媒体）。3.主要特性耦合器主要特性参数：耦合比：功率分路损耗：附加损耗：插入损耗：方向DIR(隔离度)：一致性U：不同输入端得到的耦合比的均匀性，或者不同输出端耦合比的等同性。3.3.3光隔离器与光环行器互易器件与非互易器件的区别是什么？隔离器就是一种非互易器件，插入损耗的典型值约为1dB。隔离器工作原理如下图所示：3.3.4光环行器一般有三个或四个端口，主要用于光分插复用器。3.3.5光调制器(以马赫-曾德尔干涉型调制器为例)3.3.6光开关分为两大类：机械光开关；固体光开关。机械光开关的优点是插入损耗小，串扰小，适合各种光纤，技术成熟；缺点是开关速度慢。固体光开关正相反，优点是开关速度快；缺点是插入损耗大，串扰大，只适合单模光纤。作业1.光源的类型有哪些？光检测器的类型有哪些？2.各种有源光器件和无源光器件的特性及应用特点如何？3.简述半导体激光器的发光原理。教学总结本次课全面对通信用光器件进行讲解，运用多媒体图片演示、理论分析、特性对比、分类、列表等多种方法，层次清晰，结构鲜明，重难点突出、课堂气氛活跃，与学生互动积极，教学效果好。第6次课题4.1~4.3、光发射机、光接收机及线路编码目的要求1.掌握光发射机的基本结构、原理及主要特性2.掌握光接收机的基本结构、原理及主要特性3.理解数字光纤通信的线路编码原理及分类教学重点1.光端机的基本结构和原理2.线路编码的原理教学难点1.理想光接收机的量子极限及误码率分析2.光发射机的调制特性分析教学课时6教学方法演示法、讲授法、练习法、讨论法教学内容和步骤4.1光发射机光发射机的功能是把电端机输出的基带信号转换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路。调制分为直接调制和外调制两种方式。4.1.1光发射机基本组成光发射机主要有光源和电路两部分。1.光源是光发射机的核心器件。对其要求如下：(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。(2)电/光转换效率要高。(3)调制速率要高，响应速度要快。(4)器件温度稳定性好，可靠性高，寿命长。(5)体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。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、线路编码电路和偏置电路。对其要求如下：(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。(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。3.线路编码电路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。4.1.2调制特性1.电光延迟和张弛振荡现象2.自脉动现象3.结发热效应4.1.3调制电路和自动功率控制数字调制电路应采用电流开关电路，常用的是差分电流开关电路。工作时，LD输出光功率可能会发生变化，为保证输出光功率的稳定，必须采用APC电路。4.1.4温度特性和自动温度控制4.2光接收机4.2.1光接收机基本组成直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机主要包括光检测器、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。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。对其要求如下：(1)波长响应与光纤低损耗窗口(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。光检测器主要有PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。2.放大器前置放大器应是低噪声放大器，其噪声对光接收机灵敏度影响很大。主放大器一般是多级放大器，它的作用是提供足够的增益，并通过它实现自动增益控制(AGC)，以使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。它和AGC电路共同决定着光接收机的动态范围。3.均衡和再生均衡的目的是对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变(失真)的电信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决(一般用具有升余弦谱的码元脉冲波形)，以消除码间干扰，减小误码率。再生电路包括判决电路和时钟提取电路，它的功能是从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个地对码元波形进行取样判决，以得到原发送的码流。4.光电集成接收机4.2.2噪声特性三种前置放大器的噪声比较：(1)双极型晶体管前置放大器的主要特点是输入阻抗低，电路时间常数RC小于信号脉冲宽度T，因而码间干扰小，适于高速率传输系统。(2)场效应管前置放大器的主要特点是输入阻抗高，噪声小，高频特性较差，适用于低速率传输系统。(3)跨阻型前置放大器最大的优点是改善了带宽特性和动态范围，并具有良好的噪声特性。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。4.2.4灵敏度灵敏度是衡量光接收机性能的综合指标。灵敏度Pr的定义：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，并以dBm为单位。提问：理想光接收机的灵敏度可以达到多少?影响光接收机的灵敏度有哪些因素?1.理想光接收机的灵敏度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，这种接收机称为理想光接收机。它的灵敏度只受到光检测器的量子噪声的限制，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。对于数字光纤通信系统，一般至少要有21个光子产生的光电流，才能保证判决时误码率满足要求，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。2.影响光接收机灵敏度的因素影响实际光接收机灵敏度的因素很多，在限定误码率的条件下，决定光接收机灵敏度的主要因素是传输速率和光检测器、前置放大器的特性，特别是噪声特性。4.2.5自动增益控制和动态范围由于前置放大器输出信号幅度较大，所以主放大器的噪声通常不必考虑。主放大器一般由多级放大器级联构成，其功能是提供足够的增益A，以满足判决所需的电平，主放大器的另一个功能是实现自动增益控制(AGC)，使光接收机具有一定的动态范围，以保证在入射光强度变化时输出电流基本恒定。动态范围(DR)的定义是：在限定的误码率条件下，光接收机所能承受的最大平均接收光功率〈P〉max和所需最小平均接收光功率〈P〉min的比值，用dB表示。动态范围是光接收机性能的另一个重要指标，它表示光接收机接收强光的能力，数字光接收机的动态范围一般应大于15dB。4.3线路编码在光纤通信系统中，从电端机输出的是适合于电缆传输的双极性码。光源不可能发射负光脉冲，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。数字光纤通信系统普遍采用二进制二电平码，即“有光脉冲”表示“１”码，“无光脉冲”表示“0”码。但简单的二电平码会带来如下问题：(1)在码流中，出现“１”码和“0”码的个数是随机变化的，因而直流分量也会发生随机波动(基线漂移)，给光接收机的判决带来困难；(2)在码流中，容易出现长串连“１”码或长串连“0”码，这样可能造