光纤通信乔桂红概要PPT学习教案
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4.1.3 自动功率控制和温度控制
图4-5 自动功率控制电路
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4.1.3 自动功率控制和温度控制
2．自动温度控制 温度变化会引起LD阈值电流的变化，从而使输出光 功率变化。 当温度变化不大时，通过APC电路也可以对光功率进 行调节，但如果温度升高较多时，会使得阈值电流增加 很多，经过APC电路调节，偏置电流会有较大增加，会 使LD的结温更高，以致烧坏。 一般加自动温度控制（ATC）电路，使LD管芯的温度 恒定在20℃左右。
光纤通信乔桂红概要
会计学
1
第4章 光端机
本章内容 光发送机 光接收机 光中继器 光线路码型 本章重点 光发送机和光接收机的功能、电路组成和工作原理 。 光通信常用线路码型。
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第4章 光端机
学习本章目的和要求
掌握光发送机和光接收机的组成框图及工作原理 。 熟悉光中继器的组成框图及工作原理。 掌握光通信常用的线路码型。
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4.1.3 自动功率控制和温度控制
1．自动功率控制
激光器输出光功率与温度变化和器件老化密切相关 ，保持激光器输出光功率稳定，可采用光反馈来自动调 整偏置电流，图4-5所示为激光器背向光反馈自动功率控 制（APC）电路。
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VT3组成直流恒流源调节LD的偏流Ib ，使输出光功率稳定。调节直流参考电压，能改变偏流 Ib的大小。这种电路在10℃～50℃温度范围内功率不稳 定度可小于5%。
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4.1.2 光源的调制
（1）直接调制 ① 基本概念及调制原理 直接调制就是将电信号直接注入光源，使其输出的光 载波信号的强度随调制信号的变化而变化，又称为内调 制。
图4-3 直接光强度数字调制原理
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4.1.2 光源的调制
图4-3（a）所示为LED的直接光强度数字调制原理图。 由于LED属于无阈值的器件，它随着注入电流的增加，输 出光功率近似呈线性的增加
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4.1 光 发 送 机
（2）有较好的消光比 消光比的定义为全“1”码平均发送光功率与全“0” 码平均发送光功率之比。
EXT＝10lg P11 (dB) P00
式中，P11为全“1”码时的平均光功率；P00为全 “0”码时的平均光功率。一般要求EXT≥10dB。
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4.2.1 光接收机的基本组成
对于强度调制（IM）的数字光信号，在接收端采用 直接检测（DD）方式时，光接收机主要包括光电检测器 、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟恢复电路、取 样判决器以及自动增益控制（AGC）电路等。
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第4章 光端机
光纤通信系统主要包括光纤（光缆）和光端机。 每一部光端机又包含光发送机和光接收机两部分，如 果通信距离长时还要加光中继器，如图4-1所示。
图4-1 光纤通信系统组成
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第4章 光端机
• 光发送机是实现E/O转换的光端机。其功能是将 来自于电端机的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 线路中进行传输。 • 光接收机是实现O/E转换的光端机。其功能是将 经光纤传输来的微弱的光信号，经光检测器转变为电 信号，并对电信号进行放大、整形、再生后，生成与 发送端相同的电信号，送到接收端的电端机。 • 光中继器是信号经过一段距离传输后，当信道信 噪比不太大时，及时识别判决，以防止信道误码。 • 电端机在发送端把信息进行模/数转换并完成复用 ，然后将信号送入光发送端机。接收端完成相反的功 能
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4.1 光 发 送 机
（3）调制特性要好 所谓调制特性好，是指光源的P−I曲线在使用范围
内线性特性好，否则在调制后将产生非线性失真。
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4.1.1 光发送机的基本组成
数字光发送机的基本组成主要包括输入电路和电 /光转换电路两大部分。
输入电路有均衡放大、码型变换、复用、扰码和 时钟提取电路。
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4.1.2 光源的调制
（2）间接调制 ① 基本概念及调制原理 不直接调制光源，而是在光源输出的通路上外加调制
器来对光波进行调制，此调制器实际上起到一个开关的 作用，即光辐射之后再加载调制电压，使经过调制器的 光载波得到调制，这种调制方式又称作外调制。
图4-4 间接调制激光器的结构
• LD偏流（寿命）告警 当偏流大于原始值的3～4倍时，激光器寿命完结，发 出延迟维修告警信号。
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4.1.2 光源的调制
1．光源 通信用光源的要求。 （1）发送的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，光 谱单色性要好，以减小光纤色散对带宽的限制。 （2）电/光转换效率高，发送光束的方向性要好，以 利于提高光源与光纤之间的耦合效率。 （3）发送的光功率足够高，以便传输较远的距离。 （4）调制速率要高或响应速度要快。 （5）可靠性高，工作寿命长，工作稳定性好，具有较 高的功率稳定性、波长稳定性和光谱稳定性。 （6）温度稳定性好。 （7）器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜 。
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20Biblioteka 4.1.2 光源的调制② 特点 间接调制方式是对光载波进行调制，因此可分别对其 强度、相位、偏振和波长等进行调制。 此种方式的激光器比较复杂、损耗大、而且造价也高 。但调制频率啁啾很小或无，谱线宽度窄，可以应用于 传输速率≥2.5Gbit/s，传输距离超过300km以上的高速大 容量传输系统之中。
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4.1.2 光源的调制
2．调制方式 直接调制（内调制）是将电信号直接加在光源上，使 其输出的光载波信号的强度随调制信号的变化而变化， 即直接调制半导体激光器的注入电流。是光纤通信中最 常用的通信方式。 间接调制（外调制） ，即不直接调制光源，而是在 光源输出的通路上外加调制器来对光波进行调制。一般 在高速大容量的光纤通信系统中或相干光通信系统中采 用。
电/光转换电路有光源、光源的调制（驱动）电 路、光源的控制电路（ATC和APC）及光源的监测和 保护电路等。如图4-2。
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4.1.1 光发送机的基本组成
图4-2 数字光发送机原理方框图
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4.1.1 光发送机的基本组成
（1）均衡放大 补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变，保证电、 光端机间信号的幅度、阻抗适配，以便正确译码。 （2）码型变换 由均衡器输出的仍是HDB3码或CMI码，前者是双 极性归零码（即+1，0、−1），后者是归零码。这两 种码型都不适合在光纤通信系统中传输，通过码型变 换电路将双极性码变换为单极性码，将归零码变换为 不归零码（即NRZ码），以适合光发送机的要求。
图4-3（b）所示为对LD的直接光强度数字调制原理图 。对LD的调制，通常给激光器加一偏置电流Ib，在偏流上 叠加调制电流Im， Ib + Im 为驱动电流，用此电流直接去驱 动激光器LD。当调制脉冲信号为“0”码时，驱动电流Ib + Im 小于阈值电流Ith，LD处于荧光工作状态，输出光功率为 “0”；当调制信号脉冲为“1”码时，驱动电流Ib + Im 大于 阈值电流Ith，LD被激励，发出激光，输出光功率为“1”。
可见，当激光器的驱动电流大于阈值电流Ith时，输出 光功率和输入电流成正比，所以输出光信号可以反映输入 电信号的变化。
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4.1.2 光源的调制
② 特点 输出功率正比于调制电流，调制简单、损耗小、成 本低。但存在波长（频率）抖动，使激光器光谱特性变 坏，限制了系统的传输速率和距离。 一般情况下，在常规G.652光纤上使用时，传输距离 ≤100km，传输速率≤2.5Gbit/s。对于不采用光线路放大 器的WDM系统，从节省成本的角度出发，可以考虑使用 直接调制的激光器。
• 平均发送光功率，是在正常条件下光发送机发送光 源尾纤输出的平均光功率。
• 消光比直接影响光接收机的灵敏度，从提高光接收 机的灵敏度角度希望消光比尽可能大，但综合考虑，也 不是越大越好。
• 光源的光谱特性影响系统的色散性能。ITU-T建议 G.957中规范了最大均方根宽度、最大−20dB宽度和最 小边模抑制比三种参数。
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4.1.1 光发送机的基本组成
（6）调制（驱动）电路 用经过扰码后的数字信号对光源进行调制，让光源
发出的光信号强度随电信号码流的变化，形成相应的光 脉冲送入光纤，即完成电/光变换任务。
（7）光源 产生作为光载波的光信号，并作为信号传输的载体携 带信号在光纤传输线路中传送。 （8）温度控制和功率控制 控制电路包括自动温度控制（ATC）电路和自动功率 控制（APC）电路，以稳定半导体激光器的工作温度和 输出的平均光功率。
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4.2 数字光接收机
• 光接收机的主要作用是将光纤传输后的幅度被衰减、 波形产生畸变的、微弱的光信号变换为电信号，并对电 信号进行放大、整形、再生后，生成与发送端相同的电 信号，输入到电接收端机，并且用自动增益控制电路（ AGC）保证稳定的输出。 • 光接收机中的关键器件是半导体光检测器，它和接收 机中的前置放大器合称光接收机前端。前端的性能是决 定光接收机的主要因素。
图4-6 自动温度控制原理方框图
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4.1.3 自动功率控制和温度控制
（2）自动温度控制原理
控制过程：
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图4-7 ATC电路原理
T (环境) T (LD、热层) RT I (制冷器) T (LD)
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4.1.3 自动功率控制和温度控制
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4.1.1 光发送机的基本组成
（3）复用 利用一个大的传输信道来同时传送多个低容量的用户
信息及开销信息的过程。 （4）扰码 扰码可有规律地破坏长连“0”和长连“1”的码流。从
而达到“0”、“1”等概率出现，利于收端从线路数据码 流中提取时钟。
（5）时钟提取 提取PCM中的时钟信号，供给码型变换和扰码电路使 用。
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4.1.3 自动功率控制和温度控制
（1）温度控制装置的组成
温度控制装置由制冷器、热敏电阻和控制电路组成， 制冷器的冷端和激光器的热层（贴在激光器上的一块金 属散热器）相接触，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 变制冷量，使激光器输出特性保持恒定。
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4.1 光 发 送 机
光发送机的作用是把从电端机送来的电信号转变成 光信号，并送入光纤线路进行传输。因此对光发射机 有一定的要求。
（1）有合适的输出光功率 光发送机的输出光功率，通常是指耦合进光纤的功 率，亦称入纤功率。入纤功率越大，可通信的距离就 越长，但光功率太大也会使系统工作在非线性状态， 对通信将产生不良影响。因此，要求光源应有合适的 光功率输出，一般为0.01mW～5mW。
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4.1.1 光发送机的基本组成
（9）其他保护、监测电路 • 光源过流保护电路：在光源二极管上反向并联一只
肖特基二极管，以防止反向冲击电流过大。
• 无光告警电路：当光发送机电路出现故障，或输入 信号中断，或激光器失效时，都将使激光器“较长时间 ”不发光，这时延迟告警电路将发出告警指示。
温度控制只能控制温度变化引起的输出光功率的变 化，不能控制由于器件老化而产生的输出功率的变化。
对于短波长激光器，一般只需加自动功率控制电路 即可。
对于长波长激光器，由于其阀值电流随温度的漂移 较大，因此，一般还需加自动温度控制电路，以使输出 光功率达到稳定。
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4.1.4 光发送机的主要指标
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4.1.3 自动功率控制和温度控制
图4-5 自动功率控制电路
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4.1.3 自动功率控制和温度控制
2．自动温度控制 温度变化会引起LD阈值电流的变化，从而使输出光 功率变化。 当温度变化不大时，通过APC电路也可以对光功率进 行调节，但如果温度升高较多时，会使得阈值电流增加 很多，经过APC电路调节，偏置电流会有较大增加，会 使LD的结温更高，以致烧坏。 一般加自动温度控制（ATC）电路，使LD管芯的温度 恒定在20℃左右。
光纤通信乔桂红概要
会计学
1
第4章 光端机
本章内容 光发送机 光接收机 光中继器 光线路码型 本章重点 光发送机和光接收机的功能、电路组成和工作原理 。 光通信常用线路码型。
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第4章 光端机
学习本章目的和要求
掌握光发送机和光接收机的组成框图及工作原理 。 熟悉光中继器的组成框图及工作原理。 掌握光通信常用的线路码型。
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4.1.3 自动功率控制和温度控制
1．自动功率控制
激光器输出光功率与温度变化和器件老化密切相关 ，保持激光器输出光功率稳定，可采用光反馈来自动调 整偏置电流，图4-5所示为激光器背向光反馈自动功率控 制（APC）电路。
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VT3组成直流恒流源调节LD的偏流Ib ，使输出光功率稳定。调节直流参考电压，能改变偏流 Ib的大小。这种电路在10℃～50℃温度范围内功率不稳 定度可小于5%。
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4.1.2 光源的调制
（1）直接调制 ① 基本概念及调制原理 直接调制就是将电信号直接注入光源，使其输出的光 载波信号的强度随调制信号的变化而变化，又称为内调 制。
图4-3 直接光强度数字调制原理
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4.1.2 光源的调制
图4-3（a）所示为LED的直接光强度数字调制原理图。 由于LED属于无阈值的器件，它随着注入电流的增加，输 出光功率近似呈线性的增加
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4.1 光 发 送 机
（2）有较好的消光比 消光比的定义为全“1”码平均发送光功率与全“0” 码平均发送光功率之比。
EXT＝10lg P11 (dB) P00
式中，P11为全“1”码时的平均光功率；P00为全 “0”码时的平均光功率。一般要求EXT≥10dB。
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4.2.1 光接收机的基本组成
对于强度调制（IM）的数字光信号，在接收端采用 直接检测（DD）方式时，光接收机主要包括光电检测器 、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟恢复电路、取 样判决器以及自动增益控制（AGC）电路等。
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第4章 光端机
光纤通信系统主要包括光纤（光缆）和光端机。 每一部光端机又包含光发送机和光接收机两部分，如 果通信距离长时还要加光中继器，如图4-1所示。
图4-1 光纤通信系统组成
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第4章 光端机
• 光发送机是实现E/O转换的光端机。其功能是将 来自于电端机的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 线路中进行传输。 • 光接收机是实现O/E转换的光端机。其功能是将 经光纤传输来的微弱的光信号，经光检测器转变为电 信号，并对电信号进行放大、整形、再生后，生成与 发送端相同的电信号，送到接收端的电端机。 • 光中继器是信号经过一段距离传输后，当信道信 噪比不太大时，及时识别判决，以防止信道误码。 • 电端机在发送端把信息进行模/数转换并完成复用 ，然后将信号送入光发送端机。接收端完成相反的功 能
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4.1 光 发 送 机
（3）调制特性要好 所谓调制特性好，是指光源的P−I曲线在使用范围
内线性特性好，否则在调制后将产生非线性失真。
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4.1.1 光发送机的基本组成
数字光发送机的基本组成主要包括输入电路和电 /光转换电路两大部分。
输入电路有均衡放大、码型变换、复用、扰码和 时钟提取电路。
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4.1.2 光源的调制
（2）间接调制 ① 基本概念及调制原理 不直接调制光源，而是在光源输出的通路上外加调制
器来对光波进行调制，此调制器实际上起到一个开关的 作用，即光辐射之后再加载调制电压，使经过调制器的 光载波得到调制，这种调制方式又称作外调制。
图4-4 间接调制激光器的结构
• LD偏流（寿命）告警 当偏流大于原始值的3～4倍时，激光器寿命完结，发 出延迟维修告警信号。
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4.1.2 光源的调制
1．光源 通信用光源的要求。 （1）发送的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，光 谱单色性要好，以减小光纤色散对带宽的限制。 （2）电/光转换效率高，发送光束的方向性要好，以 利于提高光源与光纤之间的耦合效率。 （3）发送的光功率足够高，以便传输较远的距离。 （4）调制速率要高或响应速度要快。 （5）可靠性高，工作寿命长，工作稳定性好，具有较 高的功率稳定性、波长稳定性和光谱稳定性。 （6）温度稳定性好。 （7）器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜 。
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20Biblioteka 4.1.2 光源的调制② 特点 间接调制方式是对光载波进行调制，因此可分别对其 强度、相位、偏振和波长等进行调制。 此种方式的激光器比较复杂、损耗大、而且造价也高 。但调制频率啁啾很小或无，谱线宽度窄，可以应用于 传输速率≥2.5Gbit/s，传输距离超过300km以上的高速大 容量传输系统之中。
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4.1.2 光源的调制
2．调制方式 直接调制（内调制）是将电信号直接加在光源上，使 其输出的光载波信号的强度随调制信号的变化而变化， 即直接调制半导体激光器的注入电流。是光纤通信中最 常用的通信方式。 间接调制（外调制） ，即不直接调制光源，而是在 光源输出的通路上外加调制器来对光波进行调制。一般 在高速大容量的光纤通信系统中或相干光通信系统中采 用。
电/光转换电路有光源、光源的调制（驱动）电 路、光源的控制电路（ATC和APC）及光源的监测和 保护电路等。如图4-2。
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4.1.1 光发送机的基本组成
图4-2 数字光发送机原理方框图
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4.1.1 光发送机的基本组成
（1）均衡放大 补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变，保证电、 光端机间信号的幅度、阻抗适配，以便正确译码。 （2）码型变换 由均衡器输出的仍是HDB3码或CMI码，前者是双 极性归零码（即+1，0、−1），后者是归零码。这两 种码型都不适合在光纤通信系统中传输，通过码型变 换电路将双极性码变换为单极性码，将归零码变换为 不归零码（即NRZ码），以适合光发送机的要求。
图4-3（b）所示为对LD的直接光强度数字调制原理图 。对LD的调制，通常给激光器加一偏置电流Ib，在偏流上 叠加调制电流Im， Ib + Im 为驱动电流，用此电流直接去驱 动激光器LD。当调制脉冲信号为“0”码时，驱动电流Ib + Im 小于阈值电流Ith，LD处于荧光工作状态，输出光功率为 “0”；当调制信号脉冲为“1”码时，驱动电流Ib + Im 大于 阈值电流Ith，LD被激励，发出激光，输出光功率为“1”。
可见，当激光器的驱动电流大于阈值电流Ith时，输出 光功率和输入电流成正比，所以输出光信号可以反映输入 电信号的变化。
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4.1.2 光源的调制
② 特点 输出功率正比于调制电流，调制简单、损耗小、成 本低。但存在波长（频率）抖动，使激光器光谱特性变 坏，限制了系统的传输速率和距离。 一般情况下，在常规G.652光纤上使用时，传输距离 ≤100km，传输速率≤2.5Gbit/s。对于不采用光线路放大 器的WDM系统，从节省成本的角度出发，可以考虑使用 直接调制的激光器。
• 平均发送光功率，是在正常条件下光发送机发送光 源尾纤输出的平均光功率。
• 消光比直接影响光接收机的灵敏度，从提高光接收 机的灵敏度角度希望消光比尽可能大，但综合考虑，也 不是越大越好。
• 光源的光谱特性影响系统的色散性能。ITU-T建议 G.957中规范了最大均方根宽度、最大−20dB宽度和最 小边模抑制比三种参数。
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4.1.1 光发送机的基本组成
（6）调制（驱动）电路 用经过扰码后的数字信号对光源进行调制，让光源
发出的光信号强度随电信号码流的变化，形成相应的光 脉冲送入光纤，即完成电/光变换任务。
（7）光源 产生作为光载波的光信号，并作为信号传输的载体携 带信号在光纤传输线路中传送。 （8）温度控制和功率控制 控制电路包括自动温度控制（ATC）电路和自动功率 控制（APC）电路，以稳定半导体激光器的工作温度和 输出的平均光功率。
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4.2 数字光接收机
• 光接收机的主要作用是将光纤传输后的幅度被衰减、 波形产生畸变的、微弱的光信号变换为电信号，并对电 信号进行放大、整形、再生后，生成与发送端相同的电 信号，输入到电接收端机，并且用自动增益控制电路（ AGC）保证稳定的输出。 • 光接收机中的关键器件是半导体光检测器，它和接收 机中的前置放大器合称光接收机前端。前端的性能是决 定光接收机的主要因素。
图4-6 自动温度控制原理方框图
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4.1.3 自动功率控制和温度控制
（2）自动温度控制原理
控制过程：
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图4-7 ATC电路原理
T (环境) T (LD、热层) RT I (制冷器) T (LD)
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4.1.3 自动功率控制和温度控制
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4.1.1 光发送机的基本组成
（3）复用 利用一个大的传输信道来同时传送多个低容量的用户
信息及开销信息的过程。 （4）扰码 扰码可有规律地破坏长连“0”和长连“1”的码流。从
而达到“0”、“1”等概率出现，利于收端从线路数据码 流中提取时钟。
（5）时钟提取 提取PCM中的时钟信号，供给码型变换和扰码电路使 用。
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4.1.3 自动功率控制和温度控制
（1）温度控制装置的组成
温度控制装置由制冷器、热敏电阻和控制电路组成， 制冷器的冷端和激光器的热层（贴在激光器上的一块金 属散热器）相接触，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 变制冷量，使激光器输出特性保持恒定。
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4.1 光 发 送 机
光发送机的作用是把从电端机送来的电信号转变成 光信号，并送入光纤线路进行传输。因此对光发射机 有一定的要求。
（1）有合适的输出光功率 光发送机的输出光功率，通常是指耦合进光纤的功 率，亦称入纤功率。入纤功率越大，可通信的距离就 越长，但光功率太大也会使系统工作在非线性状态， 对通信将产生不良影响。因此，要求光源应有合适的 光功率输出，一般为0.01mW～5mW。
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4.1.1 光发送机的基本组成
（9）其他保护、监测电路 • 光源过流保护电路：在光源二极管上反向并联一只
肖特基二极管，以防止反向冲击电流过大。
• 无光告警电路：当光发送机电路出现故障，或输入 信号中断，或激光器失效时，都将使激光器“较长时间 ”不发光，这时延迟告警电路将发出告警指示。
温度控制只能控制温度变化引起的输出光功率的变 化，不能控制由于器件老化而产生的输出功率的变化。
对于短波长激光器，一般只需加自动功率控制电路 即可。
对于长波长激光器，由于其阀值电流随温度的漂移 较大，因此，一般还需加自动温度控制电路，以使输出 光功率达到稳定。
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4.1.4 光发送机的主要指标