光电转换原理

光纤系统光接收部分光电转换原理

光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，其作用是将来自光纤的光信号转换成电信号，恢复光载波所携带的原信号。图4.3.1-8给出了数字光接收机的组成框图。

1.光检测器

光电检测器是光接收机的第一个关键部件，其作用是将由光纤传送来的光信号转换成电信号。光电检测器主要有PIN光电二极管和雪崩光电二极管APD两种。PIN管使用简单，只需10~20V 的反向偏压，但PIN管没有增益。APD管具有10~200倍的增益，可以提高光接收机的灵敏度，但需要几十伏以上的偏压，增益特性受温度的影响较严重

2、前置放大器

经光电检测器检测到的微弱的信号电流，流经负载电阻建立起信号电压后，由前置放大器进行预放大。除光电检测器性能优劣影响光接收机的灵敏度之外，前置放大器对光接收机的灵敏度有十分重要的影响。为此，前置放大器必须是低噪声、宽频带的放大器。

3.主放大器

主放大器用来提供高的增益，将前置放大器的输出信号放大到适合判决电路所需的电平。前置放大器的输出信号电平一般为mV量级，而主放大器的输出信号电平一般为1~3V。

4、均衡器

光在光纤中传输时，由于将受到色散的影响，信号将发生畸变与展宽，使码元间相互影响，出现误码。均衡器的作用是对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进行整形，使之成为最有利于判决、码间干扰最小的波形，通常为升余弦波

5、判决再生与定时提取

判决即是用一判决电平与均衡器输出信号进行比较，当在判决时刻输出的电压信号比判决电平高，则判断为“1”码，否则判断为“0”码。这样，可在判决再生电路的输出端得到一个和发送端发出的数字脉冲信号基本是一致由矩形脉冲组成的数字脉冲序列。为了精确地确定“判决时刻”，就需要从信号码流中提取准确的定时信息用来标定，以保证和发送端一致。这个工作由“定时提取”电路来完成。

6、峰值检波器与AGC放大器

将由升余弦波组成的数字脉冲信号取出一部分送到峰值检波器进行检波，检波后的直流信号再送到AGC放大器进行比较放大，产生一个AGC电压。用该电压一方面去控制光电检测器（APD管）的反向偏置电压，另一方面送到主放大器去调整主放大器的工作点，以控制主放大器的增益，从而使均衡器输出幅度稳定的升余弦波，保证码元判决的正确性。

一、时分复用系统

时分复用（Time Division Multiplexing，TDM），是将不同信道的信号在时间上交

二、波分复用系统

单模光纤具有非常宽的带宽。在 1.3μm (1.25~1.35μm)波段和1.55μm(1.50~1.60μm)波段，都具有高达100nm的低损耗传输范围。另一方面，作为光源的半导体激光器的线宽已小于0.1nm，因此，在一根单模光纤中，可同时传输多个不同波长的信号。波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技术正是基于这种思想，通过在一根单模光纤中传输多个信道信号，来大幅度增加通信容量的。

图4.3.2-2为一单向传输的WDM系统原理框图。 n个光发送机发送出由不同波长λ1 ，λ2，…λn承载的光信号，通过光复用器耦合到同一根单模光纤中，经过光纤传输到达接收端后，由解复用器将不同波长信号在空间上分开，分别进入各自的光接收机。对于长途通信，还需在传输光纤中加入中继器或光放大器，以补偿光信号的损耗。

随着1.55μm波段掺铒光纤放大器(EDFA)的商用化，可以利用EDFA对传送的光信号进行放大，实现超长距离无电再生中继传输，WDM系统得到了极其广泛的应用。在1.55μm波段传送多路信道信号，这些信道波长间隔非常窄，且共享一个EDFA，将这种信道密集的WDM 系统称为密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）系统。

1. 复用器/解复用器

波分复用系统的核心部件是波分复用器件，即复用器和解复用器（也称合波器与分波器）。这里介绍闪烁光栅波分复用器。

闪烁光栅是在玻璃衬底上沉积环氧树脂，然后在环氧树脂上制造光栅线。如图4.3.2-3所示，当不同波长的入射光从同一角度照射到光栅上后，由于光栅的色散作用，不同波长的光将以不同的角度反射，然后经透镜会聚到不同的输出光纤，实现解复用的功能；反过来，可以完成光波的复用功能。 2、 光放大器

在长途DWDM 系统中，需要对光信号进行中继放大。如果采用光电混合中继方式的话，则首先要对光信号进行解复用，然后对每一信道进行中继再生，再将各信道光信号复用到传输光纤中。这样，将需要大量的中继设备，系统成本非常高。宽带宽的光放大器可以对多信道信号同时放大，而不需要进行解复用，目前应用最广泛的光放大器是掺铒光纤放大器(Er Doped Fiber Amplifier ，EDFA)

铒是一种稀土元素，在制造光纤的过程中，向纤芯中掺入三价铒离子( Er+3)，便形成了掺铒光纤。EDFA 主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、光隔离器及光滤波器组成，结构如图4.3.2-4所示。

λ1 λ2

λ3

λ4