【光纤通信】第4章 光端机

3.
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。
“码型效应”的特点是， 在脉冲序列中较长的连“0”码后出 现的“1”码，其脉冲明显变小，而且连“0”码数目越多，调 制速率越高，这种效应越明显。用适当的“过调制”补偿方法， 可以消除码型效应，见图4.4(c) 所示。
为了进一步了解激光器的调制特性，应求出LD速率方程组的 瞬态解。由此得到的张弛振荡频率ωr及其幅度衰减时间τwk.baidu.com和 电光延迟时间td的表达式为：
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。
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
P
P
t t
I
Ith
I
图 4.1 (a) LED数字调制原理； (b) LD的数字调
由图可见: 1)对LD施加了偏置电流Ib。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。
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
光脉冲
使“0”码过后的第一个“1码的脉
2 ns
5 ns
2 ns
冲
(a)
(b)
(c)
宽度变窄，幅度减小，严重时可能 图4.4 码型效应
使单个“１”码丢失， 这种现象（称a) 、(b)码效应波形（c）改善后
为“码型效应”。
波形
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 的电子复合尚未完全消失，有源区电子密度较高，因此电光延 迟时间短， 脉冲较大。
(2) 输入电脉冲的宽度应远大于开通延迟(电光延迟)时间， 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。
1.
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。
ωr
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
td 图 4.3 光脉冲瞬态响应波形
渐衰减的振荡， 称为张弛振荡，
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。
张弛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张弛振荡频率。
电光延迟要产生码型效应。
12 电脉冲
2)LED无需偏置电流，信号电流直接调制，输出光功率P与I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。
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) 张弛振荡频率ωr随τsp、τph的减小而增加，随j的增加 而增加。这个振荡频率决定了LD的最高调制频率。
(2) 张弛振荡幅度衰减时间τo与τsp为相同数量级，并随j 的 增加而减小。 (3) 电光延迟时间td与τsp为相同数量级，并随j的增加而
减小( j>jth)。
增加注入电流j：
1. (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。
(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。
w
[ 1
sp ph
(
j jth
1)]1 2
j：注入电流密度 jth：阈值电流密度
o 2 sp
jth j
τ o:张弛振荡幅度衰减到初始值的1/e的时间
d
sp ln
j j jth
τ sp:电子自发复合寿命 τ ph:谐振腔内光子寿命
在典型的激光器中，τsp≈10-9s, τph≈10-12s， 由上式可以看到：
(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) 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。
第4章 光端机
4.1 光发射机 4.2 光接收机 4.3 线路编码
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