[工学]本科光纤通信第4章.pdf

第4 章光端机　 4.1 光发射机 4.2 光接收机 4.3 线路编码 返回主目录 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。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。　 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。 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，即谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。　 图4.3 光脉冲瞬态响应波形 (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) 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。 　 (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　 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、 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。　 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t