光纤通信-第4章.ppt

第 4 章　光端机  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。外调制的原理如3.3.4小节所述，这里着重介绍在实际光纤通信系统得到广泛应用的直接光强(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，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。 图 4.1　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 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。 图 4.2　数字光发射机方框图 　　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0.85 μm、1.31 μm和1.55 μm附近。光谱单色性要好，即光谱宽度要窄，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) 允许的调制速率要高或响应速度要快，以满足系统对传输容量的要求。 　　(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) 此外，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、谱宽、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。 　　(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弛张振荡，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　　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、弛张振荡和自脉动现象。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。 　　1. 电光延迟和弛张振荡现象　　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4.3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。当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡，称为弛张振荡，其振荡频率fr(=ωr / 2π)一般为0.5～2 GHz。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。 图 4.3　光脉冲瞬态响应波形 　　弛张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弛张振荡频率。　　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