光纤通信电路

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
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0.85μm 、 1.31μm 和 1.55μm 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，
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。 <1>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。
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。
线扭折区域相对应。因此在选择激光器时应特别注意。
电脉 冲
光脉 冲
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
1. 调制电路
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 [WTBZ]LED 作为光源的光发 射机。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。这种 驱动电路适用于10 Mb/s以下的低速率系统，更高速率系统应 采用差分电流开关电路。
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，称为张弛振 荡，其振荡频率fr(=ωr/2π)一般为0.5~2GHz。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。
2. 自脉动现象
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不均匀增益或不均匀吸收产生的， 往往和LD的P - I曲线的非线性有关，自脉动发生的区域和P- I曲
当激光器的驱动电流大于阈值电流 I th 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。
4.1.1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。
(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
应实现光路转换。 机械光开关的优点是插入损耗小，串扰，适合各种光纤， 技术成熟；缺点是开关速度慢。固体光开关正相反， 优点是 开关速度快；缺点是插入损耗大，串扰大，只适合单模光纤。
第 4 章 光端机
4.1 光发射机 4.2 光接收机 4.3 线路编码
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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。
„
„
T形 (a) 1 4 定向 (c) 2 3
星形 (b)
1 2 N
1 ＋2 ＋N
波分 (d)
图 3.28 常用耦合器的类型
„
2. 基本结构 耦合器的结构有许多种类型，其中比较实用和有发展前 途的有光纤型、微器件型和波导型。 （1）、 光纤型 光纤型把两根或多根光纤排列，用熔拉双锥技术制作各 种器件。这种方法可以构成T型耦合器、定向耦合器、星型 耦合器和波分解复用器。 （2）、微器件型 微器件型用自聚焦透镜和分光片、滤光片或光栅等微光 学器件可以构成T型耦合器、定向耦合器和波分解复用器。 （3）、波导型 波导型在一片平板衬底上制作所需形状的光波导，衬底 作支撑体，又作波导包层。可以构成波导型T型耦合器、定 向耦合器和用滤光片作为波长选择元件的波分解复用器。
1 2 电脉冲
光脉冲 2 ns (a) 5 ns (b) 2 ns (c)
图4.4 码型效应
ห้องสมุดไป่ตู้
（a) 、(b)码效应波形；（c）改善后波形
“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。 <2>张弛振荡: 为了进一步了解激光器的调制特性，应求出LD
3. 主要特性
（1）、耦合比 （2）、附加损耗Le （3）、 插入损耗Lt （4）、 方向性DIR(隔离度) （5）、 一致性U
3.3.3光隔离器与光环行器
耦合器和其他大多数光无源器件的输入端和输出端是可以
互换的，称之为互易器件。然而在许多实际光通信系统中通常 也需要非互易器件。 1、 隔离器 隔离器就是一种非互易器件，其主要作用是只允许光波往一 个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。隔离 器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到该
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。
图 4.3 光脉冲瞬态响应波形
(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。
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：
j w [ ( 1)]1 2 sp ph jth jth o 2 sp j j d sp ln j jth
1
式中，τo是张弛振荡幅度衰减到初始值的1/e的时间，j和jth
器件致使器件性能变坏。
SOP 入射光 偏振器 法拉弟 旋转器 偏振器 反射光 阻塞
图 3.34 隔离器的工作原理
SWP SOP 光纤输入
法拉弟旋转器
半波片
SWP
光纤输出 (a) SWP 光纤输入 法拉弟旋转器 半波片 SWP
光纤输出 (b)
图 3.35 一种与输入光的偏振态无关的隔离器
2、环行器 环行器除了有多个端口外，其工作原理与隔离器类似。
(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
精密套管结构的连接器简图
光纤
套管
插针
粘结剂
图 3.27 套管结构连接器简图
3.3.2光耦合器
耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出， 或把多个输入的光信号组合成一个输出。大多与波长无关， 与波长相关的耦合器专称为波分复用器/解复用器。 1. 耦合器类型
(1)T形耦合器: 主要用作不同分路比的功率分配器或功率 组合器。 (2)星形耦合器: 这种耦合器通常用作多端功率分配器。 (3)定向耦合器:其功能是分别取出光纤中向不同方向传输 的光信号。 (4)波分复用器/解复用器(也称合波器/分波器)这是一种与 波长有关的耦合器。
3.3光 无 源 器 件
3.3.1连接器和接头 连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件。 主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间， 或光纤线路与其他光无源器件之间的连接。 连接器有单纤(芯)连接器和多纤(芯)连接器。 接头是实现光纤与光纤之间的永久性(固定)连接，主要用 于光纤线路的构成，通常在工程现场实施。 热熔接的接头平均损耗达0.05 dB/个（比固定连接接头的 小）。
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。
如图3.36所示，典型的环行器一般有三个或四个端口。在三端
口环行器中，端口1输入的光信号在端口 2输出，端口2输入的 光信号在端口 3输出，端口3输入的光信号由端口 1输出。光环
行器主要用于光分插复用器中。
3.3.4光调制器
为提高光纤通信系统的质量，避免直接调制激光器时产生
线性调频的限制，要采用外调制方式，把激光的产生和调制 分开。
电光晶体
输入光
输出光
电极 信号电压
图 3.37 马赫 - 曾德尔干涉仪型调制器
3.3.5光开关
光开关的功能是转换光路，实现光交换，它是光网络的重 要器件。
光开关可分两大类： 一类是机械光开关， 利用电磁铁或
步进电机驱动光纤、棱镜或反射镜等光学元件实现光路转换；
另一类是固体光开关，利用磁光效应、电光效应或声光效
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。
分别为注入电流密度和阈值电流密度。τsp和τph分别为电子自 发复合寿命和谐振腔内光子寿命。在典型的激光器中，τsp≈109s,τ ≈10-12s，即τ τ 。由式(4.1)~式(4.3)可以看到： ph sp ph

(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。
在高速率系统、 波分复用系统和相干光系统中都要用调制
器。调制器可以用电光效应、 磁光效应或声光效应来实现。 最有用的调制器是利用具有强电光效应的铌酸锂(LiNbO3)晶体 制成的。
调制器是利用线性电光效应实现的，因为折射率 n 随外加 电场E(电压U)而变化， 改变了入射光的相位和输出光功率。
光波导
(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)。
由此可见，增加注入电流j，有利于提高张弛振荡频率ωr，
减小其幅度衰减时间τo，以及减小电光延迟时间td，因此对LD 施加偏置电流是非常必要的。