【光纤通信】第4章 光端机新
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光纤通信考试知识点
第一章．概论1. 1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。
在光电话问世后光通信进展缓慢，主要原因：没有理想的光源和传输介质。
2. 1966年，高锟和霍克哈姆发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信——光纤通信的基础。
1970年，光纤研制取得了重大突破，低损耗光纤研制成功和激光器研制成功。
3.光纤最低损耗的理论极限值是0.148dB/km,实际使用是0.154 dB/km.4.光纤的工作波长，也是三个损耗很小的波长窗口是0.85um ，1.31 um,1.55 um.同样光纤对不同的光损耗不同，应该选择低损耗的。
5．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 6. .光纤通信系统的基本组成光发射机的功能是把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。
光纤线路的功能是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。
光源激光器的发射波长和光检测器光电二极管的波长响应，都要和光纤这三个波长窗口相一致。
光接收机的功能是把从光纤线路输出、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。
第二章光纤和光缆1.纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。
设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1>n2。
2.实用光纤主要有三种基本类型：突变型多模光纤，渐变型多模光纤，单模光纤。
突变型多模光纤纤芯内任意两点折射率相同，渐变型多模光纤以纤芯中心为圆，小于a 的值为半径作圆，圆上所有点折射率相同。
单模光纤输出脉冲最接近于输入脉冲。
系统容量（传输速率）：单模光纤>多模光纤。
第4章光纤通信系统介绍
11
1．光发射机
(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 ⑥ 调制(驱动) • 经过扰码后的数字信号通过调制电路对光源进 行调制，让光源发出的光信号强度跟随信号码 流的变化，形成相应的光脉冲送入光纤。
12
1．光发射机
(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 ⑦ 自动功率控制 • 由于老化等因素的影响，使得光发射机的光源 在使用一段时间之后，出现输出光功率降低的 • 为了保持光源输出功率的稳定，在光发射机中 常使用自动功率控制(APC)电路。
27
2．光接收机
• 图4-10 时钟恢复电路方框图
28
2．光接收机
• 图4-11 时钟恢复电路波形图
29
2．光接收机
• 图4-12 NRZ码的功率谱密度分布图
30
2．光接收机
• 图4-13 RZ码功率谱密度分布图
31
2．光接收机
• 图4-14 一种非线性处理电路
32
2．光接收机
• 图4-15 非线性处理电路中的波形图
24
2．光接收机
• 图4-8 单个脉冲均衡前后波形的比较
25
2．光接收机
⑤ 判决器和时钟恢复电路 • 判决器由判决电路和码形成电路构成。 • 判决器和时钟恢复电路合起来构成脉冲再生电 路。 • 脉冲再生电路的作用是将均衡器输出的信号恢 复成理想的数字信号
26
2．光接收机
• 图4-9 信号再生示意图
48
（1）衰减对中继距离的影响
• 一个中继段上的传输衰减包括两部分，其一是 光纤本身的固有衰减，再者就是光纤的连接损 耗和微弯带来的附加损耗。 • 构成光纤损耗的原因很复杂，归结起来主要包 括两大类：吸收损耗和散射损耗。 • 引起光纤损耗的因素还有光纤弯曲和微弯产生 的损耗以及纤芯与包层中的损耗等等。
1．光发射机
(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 ⑥ 调制(驱动) • 经过扰码后的数字信号通过调制电路对光源进 行调制，让光源发出的光信号强度跟随信号码 流的变化，形成相应的光脉冲送入光纤。
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1．光发射机
(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 ⑦ 自动功率控制 • 由于老化等因素的影响，使得光发射机的光源 在使用一段时间之后，出现输出光功率降低的 • 为了保持光源输出功率的稳定，在光发射机中 常使用自动功率控制(APC)电路。
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2．光接收机
• 图4-10 时钟恢复电路方框图
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2．光接收机
• 图4-11 时钟恢复电路波形图
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2．光接收机
• 图4-12 NRZ码的功率谱密度分布图
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2．光接收机
• 图4-13 RZ码功率谱密度分布图
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2．光接收机
• 图4-14 一种非线性处理电路
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2．光接收机
• 图4-15 非线性处理电路中的波形图
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2．光接收机
• 图4-8 单个脉冲均衡前后波形的比较
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2．光接收机
⑤ 判决器和时钟恢复电路 • 判决器由判决电路和码形成电路构成。 • 判决器和时钟恢复电路合起来构成脉冲再生电 路。 • 脉冲再生电路的作用是将均衡器输出的信号恢 复成理想的数字信号
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2．光接收机
• 图4-9 信号再生示意图
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（1）衰减对中继距离的影响
• 一个中继段上的传输衰减包括两部分，其一是 光纤本身的固有衰减，再者就是光纤的连接损 耗和微弯带来的附加损耗。 • 构成光纤损耗的原因很复杂，归结起来主要包 括两大类：吸收损耗和散射损耗。 • 引起光纤损耗的因素还有光纤弯曲和微弯产生 的损耗以及纤芯与包层中的损耗等等。
《光纤通信》第四章讲课提纲
《光纤通信》第四章光端机讲课提纲浙江传媒学院陈柏年一、光发射机（一）概要1、功能：完成电/光转换（E/O），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。
2、组成：由光源、驱动器和调制器组成。
3、光源：光发射机的核心。
主要使用的光源器件是半导体激光器LD、半导体发光二极管LED和固体YAG激光器。
4、光源的调制方法：以光波作为载波，利用调制器将电信号调制到光的参数如光强、相位等。
目前主要使用光强度调制IM。
（1）直接调制：由电调制信号直接控制激光器的驱动电流，注入调制电流实现输出光波的强度调制。
直接调制会引入频率啁啾（光脉冲的载频随时间变化）。
（2）间接调制：利用晶体电光效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对光源辐射的强度调制。
指激光形成之后，在激光器外的光路上放置光调制器，用调制信号改变光调制器的物理特性，当激光通过调制器时，就会使光波的某参量受到调制。
如马赫-曾德尔M-Z波导调制器。
（二）数字光发送机1、功能：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。
2、组成：主要有光源和电路两部分组成。
具体由输入电路（输入盘）和电／光转换电路（发送盘）组成。
（1）均衡放大：用以补偿由电缆传输所产生的电信号的衰减和畸变，保证电、光端机间信号的幅度、阻抗适配。
（2）码型变换：将电端机送入的信号码型从双极性的HDB3或CMI码变为单极性的NRZ码。
（3）复用扰码：复用是用一个大传输信道同时传送多个低速信号的过程。
扰码是使信号达到“0”、“1”等概率出现，利于时钟提取。
（4）时钟提取：提取与网络同步的时钟供给扰码与线路编码等电路。
（5）线路编码：以提取定时信息，提高误码检测能力。
（6）驱动电路（调制电路）：用经过编码的数字信号对光源进行直接光强度调制，完成电/光转换，是电／光转换电路的核心。
（7）光源：LD或LED，产生作为光载波的光信号。
光纤通信(第二版)课件PPT(刘增基著)
第1章 概 论
为了克服气候对激光通信的影响，人们自然想到把激光束 限制在特定的空间内传输, 因而提出了透镜波导和反射镜波导的 光波传输系统。透镜波导是在金属管内每隔一定距离安装一个 透镜，每个透镜把经传输的光束会聚到下一个透镜而实现的。 反射镜波导和透镜波导相似，是用与光束传输方向成45°角的 两个平行反射镜代替透镜而构成的。这两种波导，从理论上讲 是可行的，但在实际应用中遇到了不可克服的困难。首先，现 场施工中校准和安装十分复杂；其次，为了防止地面活动对波
由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的 研究曾一度走入了低谷。
第1章 概 论
1.1.2 现代光纤通信 1966 年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆
(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用 光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了 现代光通信——光纤通信的基础。当时石英纤维的损耗高达 1000 dB/km以上，高锟等人指出：这样大的损耗不是石英纤维 本身固有的特性，而是由于材料中的杂质，例如过渡金属(Fe、 Cu等)离子的吸收产生的。材料本身固有的损耗基本上由瑞利 (Rayleigh)散射决定，它随波长的四次方而下降，其损耗很小。 因此有可能通过原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的 低损耗光纤。如果把材料中金属离子含量的比重降低到10－6以 下，就可以使光纤损耗减小到10 dB/km。再通过改进制造工艺 的热处理提高材料的均匀性，可以进一步把损耗减小到几 dB/km。这个思想和预测受到世界各国极大的重视。
十一五 普通高等教育“十一五”国家级规划教材
光 纤 通 信(第二版)
刘增基 周洋溢 胡辽林 编著
任光亮 周绮丽
西 安 电 子西科 技 大 学 出 版 社
数字光纤通信系统
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光发射机的功能：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。
光发射机组成：由光源、 驱动器和调制器组成。 光源是光发射机的核心。光发射机的性能基本上 取决于光源的特性。
光源种类：半导体发光二极管(LED)、半导体激 光二极管(或称激光器)(LD)， 单纵模分布反馈(DFB) 激光器。
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2. 光纤为什么能够导光， 能传送大量信息呢? 这里
我们用简单的比喻， 从物理概念上来说明，以加深 对光纤传输信息的理解。
光纤是利用光的全反射特性来导光的。在物理中 学习过光从一种介质向另一种介质传播，由于它们在 不同介质中传输速率不一样，因此，当通过两个不同 的介质交界面就会发生折射。
所以灵敏度也是反映光纤通信系统质量的 重要指标。
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4.2 光纤和光器件
一、光纤
1、光纤 光纤就是导光的玻璃纤维的简称, 是石英玻璃丝,
它的直径只有0.1 mm，它和原来传送电话的明线、 电缆一样，是一种新型的信息传输介质，但它比以 上两种方式传送的信息量要高出成千上万倍， 可达 到上百千兆比特/秒,而且衰耗极低。
④ 综合业务光纤接入网，分为有源接入网和无源 接入网， 可实现电话、数据、视频(会议电视、可视 电话等)及多媒体业务综合接入核心网，提供各种各样 的社区服务。
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三、光纤通信系统的基本组成
1、发射和接收 下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发射、 接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。
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3、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)，这是从基础研究到商
第 4 章 光端机(1)(1)
自脉动：某些激 光器在某些注入 电流下发生的一 种持续振荡。
张弛振荡和自脉动 的结合。激光器激 射以后，先出现一 个张弛振荡的过程， 随后则开始持续自 脉动。
1. 电光延迟
•原因：激光输出与注入电脉冲之间存在一个时间延迟， 一般为纳秒量级。 •降低方法：预偏置在Ith附近。
上升时间：从额定功率的 10％升到90％所需的时间
4.1.1 光发射机基本组成
调制电路和控制电路
光发射机的控制电路
光源的控制电路：自动温度控制(ATC)和自动功率 控制电路(APC)。 作用：消除温度变化和器件老化的影响，稳定发射 机性能。 其它的控制电路：光源慢启动保护电路、激光器反 向冲击电流保护电路、激光器过流保护电路和激光 器关断电路。
好， 可靠性高，寿命长。
---体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。
系统对光源的要求：
(1)波长稳定性要求 • WDM系统对光源发射波长的稳定性具有较高的要求； • 波长的漂移将导致信道之间的串扰； • 温度变化是波长漂移的主要因素。 (2)功率稳定性要求 • 某信道功率的漂移，不仅影响本信道的传输性能，而且 通过EDFA的瞬态效应影响其它信道的性能； • 影响发射功率的因素： 管芯温度：温度增加－－功率下降 器件老化：功率下降
第四章 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
4.1.1 光发射机基本组成 4.1.2 调制特性 4.1.3 调制电路和自动功率控制 4.1.4 温度特性和自动温度控制
4.1 发射机的结构
电接口 使LD有恒 定的光输 出功率 数据 线路 编码 驱动 电路
偏置电流Ib和调制电流Iin的选择
第4章 光端机-2
第4章 光端机
脉冲再生电路原理方框图
第4章 光端机
5．自动增益控制（AGC） ．自动增益控制（ ）
AGC 就是用反馈环路来控制主放大器的增益。作 就是用反馈环路来控制主放大器的增益。 用是增加了光接收机的动态范围， 用是增加了光接收机的动态范围，使光接收机的输出保 持恒定。 持恒定。
自动增益控制工作原理方框图
第4章 光端机
（1）改变差分放大器工作电流的AGC电路
改变差分放大器工作电流的控制方式
第4章 光端机 （2）分流式控制电路
分流式控制电路
第4章 光端机 STM-16光接收器电原理图
第4章 光端机
（3）自动增益控制（AGC） ）自动增益控制（ ） AGC就是利用反馈环路来控制主放大器的增益。 就是利用反馈环路来控制主放大器的增益。 就是利用反馈环路来控制主放大器的增益 AGC的作用是增加了光接收机的动态范围。 的作用是增加了光接收机的动态范围。 的作用是增加了光接收机的动态范围
第4章 光端机 当温度升高时， 的温度升高 使热敏电阻阻值变小， 的温度升高， 当温度升高时，LD的温度升高，使热敏电阻阻值变小，电桥 失去平衡， 点电位低于A点电位 失去平衡，使B点电位低于 点电位，运算放大器输出电压升高， 点电位低于 点电位，运算放大器输出电压升高， V的基极电流增大，制冷器的电流也增大，制冷端温度降低，LD 的基极电流增大， 的基极电流增大 制冷器的电流也增大，制冷端温度降低， 的温度也降低，保持温度恒定。 的温度也降低，保持温度恒定。
第4章 光端机
非线性处理电路及其波形图
第4章 光端机
锁相环法提取时钟： 锁相环法提取时钟：
第4章 光端机 声表面波(SAW)滤波器提取时钟 滤波器提取时钟 声表面波 SAW滤波器：电磁振荡 机械振荡 电磁振荡换能器，具有 滤波器： 机械振荡—电磁振荡换能器 滤波器 电磁振荡—机械振荡 电磁振荡换能器， 频率选择特性。 频率选择特性。
第四章光端机
光发射机的线路编码电路
• 线路编码：又称信道编码，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，所以要变化为适合于光纤传输的 单极性码，此外它可以消除或减少数字 电信号中的直流和低频分量，以便于在 光纤中传输、接收及监测。
• 大体可归纳为三类： • 扰码二进制、字变换码、插入型码
•
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。
下面我们看一下直接光强数字调制的 工作原理。
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
•
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。
• 4、不能实现在线(不中断业务)的误码检 测，不利于长途通信系统的维护。
编码的选取原则（一般原 则）
• • • • • 1、可以提供误码检测 2、码率增加要少 3、便于定时信号的提取 4、减小码流的基线漂移 5、接收端将线路码还原后，误码增值要 小 • 6、电路简单，体积小，耗电少
数字光纤通信系统中常用 的线路码型
光发射机的调制电路（主 要电路）
• 光源注入合适的偏置电流和调制电流就 能发射光，也就是说可以通过直接调制 电流信号从而调制光信号，这也就是直 接调制名称的由来。 • 这在发射机中是由驱动电路完成的， 通常说的驱动电路实际上应该能提供恒 定的偏置电流和调制电流，并采用一定 的机制保持光功率不变。驱动电路由调 制电路和控制电路两部分组成。调制电 路为主要电路。
光纤通信课件 第 4 章 光端机PPT共120页
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而 鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 — 第 4 章 光端机
6、纪律是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌，集体的声音， 集体的 动作， 集体的 表情， 集体的 信念。 ——马 卡连柯
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而 鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 — 第 4 章 光端机
6、纪律是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌，集体的声音， 集体的 动作， 集体的 表情， 集体的 信念。 ——马 卡连柯
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
光纤通信课件 第 4 章 光端机120页PPT
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
光纤通信课件 第 4 章 光பைடு நூலகம்机
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的，对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克
第4章光端机(2)解读
任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号
为确定是‘1’或是‘0’， 需要对某时隙的码元作
再生码流 判决器
出判决。若判决结果为
‘1’，则由再生电路产 生一个矩形‘1’脉冲；
时钟 提取
若判决结果为‘0’，则
由再生电路重新输入一
个‘0’。
为了精确地确定“判决时
刻”，需要从信号码流中
提取准确的时钟信息作为
3．均衡器
均衡器的作用是对已畸变(失真)和有码间干扰的电信号进 行均衡补偿，减小误码率。
4．再生电路
再生电路的任务是把放大器输出的升余弦波形恢复成数 字信号，由判决器和时钟恢复电路组成。
5．自动增益控制（AGC）
AGC就是用反馈环路来控制主放大器的增益。作用是增 加了光接收机的动态范围，使光接收机的输出保持恒定。
码元被误判的概率，可以用噪声电流(压)的概率密度函数 来计算。
如图4.18所示，I1是“1”码的电流，I0是“0”码的电流。 Im 是“１”码的平均电流，而“0”码的平均电流为0。D为判 决门限值，一般取D=Im/2。
在“１”码时，如果 在取样时刻带有噪声 的电流I1<D，则可能 被误判为“0”码；
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。
ND=0(略去暗电流)。由式(4.8)得到发“0”码的条件下噪声的 概率密度函数为 :
f (I0)
1
为确定是‘1’或是‘0’， 需要对某时隙的码元作
再生码流 判决器
出判决。若判决结果为
‘1’，则由再生电路产 生一个矩形‘1’脉冲；
时钟 提取
若判决结果为‘0’，则
由再生电路重新输入一
个‘0’。
为了精确地确定“判决时
刻”，需要从信号码流中
提取准确的时钟信息作为
3．均衡器
均衡器的作用是对已畸变(失真)和有码间干扰的电信号进 行均衡补偿，减小误码率。
4．再生电路
再生电路的任务是把放大器输出的升余弦波形恢复成数 字信号，由判决器和时钟恢复电路组成。
5．自动增益控制（AGC）
AGC就是用反馈环路来控制主放大器的增益。作用是增 加了光接收机的动态范围，使光接收机的输出保持恒定。
码元被误判的概率，可以用噪声电流(压)的概率密度函数 来计算。
如图4.18所示，I1是“1”码的电流，I0是“0”码的电流。 Im 是“１”码的平均电流，而“0”码的平均电流为0。D为判 决门限值，一般取D=Im/2。
在“１”码时，如果 在取样时刻带有噪声 的电流I1<D，则可能 被误判为“0”码；
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。
ND=0(略去暗电流)。由式(4.8)得到发“0”码的条件下噪声的 概率密度函数为 :
f (I0)
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往往和LD P - I曲线的 非线性有关，自脉动发生 的区域和P - I曲线扭折区 光 脉 域相对应。因此在选择激 冲 光器时应特别注意。
图4.5 激光器自脉冲动现象
4.1.3调制电路和自动功率控制
数字信号调制电路应采用电流开关电路， 最常用的是差分电 流开关电路。
图4.6示出由三极管组成的共发射极驱动电路，这种简单的驱 动电路主要用于以发光二极管LED作为光源的光发射机。
“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τo和 电光延迟时间td的表达式为：
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。
电信号“0” 电信号“1”
光信号“0” 光信号“1”
t
P
I in Ib
“0”基线 “1” 电 流
为获稳定转换的目的必须：
“1” 稳定输出曲线
—自动温度控制 “0”
稳定基线电流
I
—线路编码
功率自动控制
？可调
—调工作电流
I Ib Iin Ib !
光发射机基本组成
光源
编码
电路
调制 ATC
控制 APC
数字信号Uin从三极管V的基极 输入，通过集电极的电流驱动 LED。数字信号“0”码和“1” 码对应于V的截止和饱和状态， 电流的大小根据对输出光信号 幅度的要求确定。
（2）减小电光延迟时间td
所以，对LD施加偏置电流是非常必要的。
2.
某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，当注入电流达到某个 范围时，输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡，这种现象称为 自脉动现象，如图4.5所示。 自脉动频率可达2GHz，严重影 响LD的高速调制特性。
自脉动现象是激光器内部 电 脉 不均匀增益或不均匀吸收 冲 产生的
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：
第4章 光端机
4.1 光发射机 4.2 光接收机 4.3 线路编码
主要功能：
4.1光发射机
稳定可靠地将电信号转变为光信号
LED
核心器件：光源
LD
DFB
调制方法： 直接调制、外调制
调制对象： 功率、 幅度、频率和相位
LD直接功率调制 P
手段？ “0” “1”
“1”
“0”
I 稳定可靠地将电信 号转变为光信号？
1. (1) 发射的光波长在通信窗口 (2)光谱单色性要好，
(3) 电/光转换效率要高，且线性良好 （4 （5）允许的调制速率要高或响应速度要快 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。
线路编码
目的：
稳定基线电流
稳定（？）输出
(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) 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）有利于提高张弛振荡频率ωr，减小其幅度衰减时间τo
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
提供丰富定时信息
减少误码
提供冗余
在线管理
手段： （1）“0”、“1”均匀分布 （2）提供冗余码
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。
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。
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。
图4.5 激光器自脉冲动现象
4.1.3调制电路和自动功率控制
数字信号调制电路应采用电流开关电路， 最常用的是差分电 流开关电路。
图4.6示出由三极管组成的共发射极驱动电路，这种简单的驱 动电路主要用于以发光二极管LED作为光源的光发射机。
“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τo和 电光延迟时间td的表达式为：
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。
电信号“0” 电信号“1”
光信号“0” 光信号“1”
t
P
I in Ib
“0”基线 “1” 电 流
为获稳定转换的目的必须：
“1” 稳定输出曲线
—自动温度控制 “0”
稳定基线电流
I
—线路编码
功率自动控制
？可调
—调工作电流
I Ib Iin Ib !
光发射机基本组成
光源
编码
电路
调制 ATC
控制 APC
数字信号Uin从三极管V的基极 输入，通过集电极的电流驱动 LED。数字信号“0”码和“1” 码对应于V的截止和饱和状态， 电流的大小根据对输出光信号 幅度的要求确定。
（2）减小电光延迟时间td
所以，对LD施加偏置电流是非常必要的。
2.
某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，当注入电流达到某个 范围时，输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡，这种现象称为 自脉动现象，如图4.5所示。 自脉动频率可达2GHz，严重影 响LD的高速调制特性。
自脉动现象是激光器内部 电 脉 不均匀增益或不均匀吸收 冲 产生的
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：
第4章 光端机
4.1 光发射机 4.2 光接收机 4.3 线路编码
主要功能：
4.1光发射机
稳定可靠地将电信号转变为光信号
LED
核心器件：光源
LD
DFB
调制方法： 直接调制、外调制
调制对象： 功率、 幅度、频率和相位
LD直接功率调制 P
手段？ “0” “1”
“1”
“0”
I 稳定可靠地将电信 号转变为光信号？
1. (1) 发射的光波长在通信窗口 (2)光谱单色性要好，
(3) 电/光转换效率要高，且线性良好 （4 （5）允许的调制速率要高或响应速度要快 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。
线路编码
目的：
稳定基线电流
稳定（？）输出
(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) 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）有利于提高张弛振荡频率ωr，减小其幅度衰减时间τo
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
提供丰富定时信息
减少误码
提供冗余
在线管理
手段： （1）“0”、“1”均匀分布 （2）提供冗余码
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。
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。
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。