2光发送机与光接收机

2.光发送机
• • 光发送机的主要指标 光发送机的主要指标有平均发送光功率、消光比及光谱特性。 平均发送光功率是正常条件下，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。 光谱特性影响了系统的散射性能。
3.光检测器
• 光检测器是把光信号变为电信号的器件，由于从光纤中传输过来的光信号一般是非常 微弱且产生了畸变的信号，因此光纤通信系统对光检测器提出了非常高的要求。具体 要求如下： 输出尽可能大的光电流； 二是有足够高的响应速度和足够的工作带宽，即对高速光脉冲信号有足够快的响应能
1.半导体激光器和发光二极管
半导体激光器的基本原理： • 受激辐射是半导体激光器的基本工作原理。
在半导体材料中，原子是紧密地按一定规则排列的，由于电子的共有化运 动，使能级产生了分裂，并形成了能带。一般来说，出于高能态的电子是 不稳定的，它们会向低能态跃迁，而降能量已光子的形式释放出来。这种 发光过程可以通过自发辐射和受激辐射两个基本形式而进行。半导体发光 二极管（LED）正是利用了自发辐射的效应而发光。在受激辐射中产生相干 光，半导体激光器（LD）正是利用这个原理制成。
高阻抗前臵放大器是指放大器的输入阻抗很高，其特点是电路的噪声很小
。但是，放大器的带宽较窄，限制了放大器在高速系统中的应用。
4.光接收机
跨阻抗前臵放大器是在高阻抗前臵放大器中引入负反馈后构成的。不仅具 有频带宽、噪声低的优点，而且它的动态范围也比高阻抗前臵放大器有了 很大改善。 (2)主放大器和自动增益控制（AGC）电路。 由于光接收机中前臵放大器的输出信号较弱，不能买足幅度判决的要求， 因此还需要加以放大。使输出信号满足判决的要求。 2.均衡和再生电路。 均衡电路的作用是经过光纤线路传输已发生畸变和有严重码间干扰的信号
1.半导体激光器和发光二极管
光纤通讯系统对光源的要求 (1)光源的发射波长应该与光纤的低损耗窗口一致，即为850nm、1310nm和 1550nm的三个低损耗窗口； (2)光源有足够高的、稳定的输出光功率，以满足系统中继距离的要求，般为数十微瓦至数微瓦为宜； (3)光源的光谱线宽要窄，即单色性好，以减小光纤色散对信号传输质量的
1.半导体激光器和发光二极管
(2)光谱特性 由于发光二极管输出的是自发辐射光，并且没有光学谐振腔，所以输出光 谱要比半导体激光器宽得多。 (3)温度特性
与半导体激光器相比，发光二极管的温度特性是很好的，由于发光二极管 的输出光功率随温度变化不大，在实际使用中可以不加温度控制。
1.半导体激光器和发光二极管
一是在系统的工作波长上要有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，光检测器能
力；
三是产生的附加噪声小； 四是光电转换线性好，保真度高； 五是工作稳定可靠，工作寿命长； 六是体积小，使用简便。 目前，满足上述要求、适合于光纤通信系统使用的光检测器主要有半导体PIN光电二 极管、雪崩光电二极管(APD)、光电晶体管等，其中前两种应用最为广泛。
雪崩光电二极管(APD)。
4.光接收机
4.光接收机
1．放大电路 光接收机的放大电路包括前臵放大器和主放大器。 (1)前臵放大器 光接收机的噪声主要取决于前端的噪声性能。因此对于前臵放大器就要求 有较低的噪声和较宽的带宽，才能获得较高的信噪比。前臵放大器一般可 分为3种：低阻抗前臵放大器、高阻抗前臵放大器和跨阻抗前臵放大器。 低阻抗前臵放大器是指放大器的输出阻抗相对较低。但由于放大器的输入 阻抗较低，造成电路的噪声较大。
区产生，那么在电场的作用下，电子将向N区飘移，从而形成光生电流。
3.光检测器
3.光检测器
PIN光电二极管可以对一定波长范围内的入射光进行光电转换，这一波长范 围就是PIN光电二极管的波长响应范围。 影响响应速度的主要因素有：结电容和负载电阻的RC时间常数、载流子在 耗尽区里的渡越时间及耗尽区外产生的载流子的扩散时间。 线性饱和 光电二极管的线性饱和是指它有一定的功率检测范围，当入射功率太强时 ，光电流和光功率将不成正比，从而产生非线性失真。一般PIN光电二极管 在入射光功率低于毫瓦量级时，能够保持比较好的线性。
1.半导体激光器和发光二极管
(1)P—I特性
发光二极管的P—I特性曲线如图 2—8所示。发光二极管不存在阈
值，输出光功率与注入电流之间
呈线性关系，且线性范围较大。 当注入电流较大时，由于PN结的 发热，发光效率降低，出现饱和 现象。从图中可以看出，在相同 注入电流下，面发光二极管的发 输出功率比边发光二极管大。
第二章 光发送机与光接收机
前言
• 光发送机与光接收机统称为光端机。光端机是光 纤通信系统中的光纤传输终端设备，它们位于电 端机和光纤传输线路之间。 • 光发送机中的光源是整个系统的核心部件 • 光接收机的主要作用是将光纤传输后的幅度被衰 减的、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，再 生成与发送端相同的电信号，输入到电接收端机。 • 光接收机中的关键部件是半导体光检测器
3.光检测器
• 2.雪崩光电二极管(APD) APD的基本原理和结构 APD是具有内部增益的光检测器，它可以用来检测微弱光信号并获得较大的 输出光电流。 量子效率只与初级光生载流子数目有关，不涉及倍增问题，故量子效率值 总是小于1。 APD的响应速度主要取决于载流子完成倍增过程所需要的时间、载流子在耗 尽层的渡越时间以及结电容和负载电阻的RC时间常数等因素。
2.光发送机
• 控制电路 自动功率控制(APC) 要精确控制激光器的输出功率，应从两方面着手：一是控制激光器的偏置 电流，使其自动跟踪阈值的变化，从而使激光器总是偏置在最佳的工作状 态；二是控制激光器调制脉冲电流的幅度，使其自动跟踪外微分量子效率
的变化，从而保持输出光脉冲信号的幅度恒定。
自动功率控制方法有两种：一是通过光反馈来自动调整偏置电流的自动偏 置控制法；二是峰值功率／平均功率控制法。第二种方法不仅可以自动控 制偏置电流，还可以控制调制电流的幅度，因此对LD输出光功率有很好的 稳定作用。
影响；
(4)调制方法简单，且要响应速度快，以满足高速率传输的需要； (5)电光转换效率要高；


(6)能够在室温下连续工作；
(7)体积小，重量轻，寿命长，工作稳定可靠。
目前，满足上述要求的光源器件是半导体激光器（LD）和半导体发光二极管
（LED），他们在不同的光纤通信系统用作光发送机的光源。
•
2.光发送机
调制电路将电信号转变为调制电流，以便实现对光源的强度调制。 半导体激光器是对温度敏感的器件，它的输出光功率和输出光谱的中心波 长随着温度发生变化。因此为了稳定输出功率和波长，光发送机往往加有 控制电路；控制电路包括自动功率控制(APC)电路和自动温度控制(ArC)电 路。
2.光发送机
1.半导体激光器和发光二极管
1.半导体激光器和发光二极管
(6)激光器的效率 半导体激光器把激励的电功率转换成光功率发射出去，常用功率效率和量 子效率衡量激光器转换效率的高低。
Hale Waihona Puke .半导体激光器和发光二极管• 发光二极管
发光二极管(LED)是非相干光源，它的基本工作原理是自发辐射。 发光二极管与半导体激光器在材料、异质结构上没有很大差别是：二者在 结构上的主要差别是：发光二极管没有光学谐振腔，不能形成激光。发光 二极管的发光仅限于自发辐射，发出的是荧光，是非相干光。 2．发光二极管的结构 为了获得高辐射度，发光二极管一般采用双异质结构。
4.光接收机
光接收机的主要作用是将经过光纤传输的微弱光信号转换成电信号，并放 大、再生成原发射的信号。 一、光接收机的组成 对于强度调制的数字光信号，在接收端采用直接检测(DD)，方式时，光接 收机的主要组成如图2—17所示；它由光电变换、前臵放大、主放大器、均 衡滤波、判决器、译码器、自动增益控制(AGC)、时钟恢复及输出接口等几 部分构成。 光电变换的功能是把光信号变换为电流信号，它主要采用PIN光电二极管或
进行均衡，使其变为码间干扰尽可能小的信号，以利于判决再生电路的工
作。
4.光接收机
• 光接收机的主要指标 光接收机的主要指标有光接收机的灵敏度和动态范围。 1．光接收机的灵敏度 光接收机的灵敏度是指在系统满足给定误码率指标的条件下，接收机所需 的最小平均接收光功率Pr（mW），其大小若用毫瓦分贝（dBm）来表示
1.半导体激光器和发光二极管
• 半导体激光器的稳态特性 (1)发射波长 构成半导体激光器的材料决定了 激光器的发射波长。 (2)P—I特性
半导体激光器的P—I特性是指它
的输出功率P随注入电流I的变化 关系。
1.半导体激光器和发光二极管
(3)温度特性 半导体激光器是对温度敏感的器 件，它的输出光功率随温度而变 化。图2—5为一激光器的P—I特 性随温度变化的情况。随着温度
3.光检测器
1．PIN光电二极管的基本原理和结构 受激吸收是半导体光检测器的基本工作原理。 半导体光检测器的核心是PN结的光电效应，工作在反向偏压下的PN结光电 二极管是最简单的半导体光检测器。 当PN结上加有反向偏压时(P区加负，N区加正)，外加电场的方向和空 间电荷区里电场的方向相同，外电场使势垒加强，PN结的能带如图2—14所 示。由于光电二极管加有反向偏压，因此空间电荷区里载流子基本上耗尽 了，这个区域称为耗尽区。当光束入射到PN结构上，如果光生电子在耗尽
直接调制方法简单，经济，易于实现。是光纤通信系统中常用的调制方式
。当为了消除动态谱线加宽对高速光纤通信系统的影响，一餐采用间接调 制方式。
2.光发送机
• 在光纤通信系统中，光发送机的任务是将电端机送来的电信号转变为光信 号，即进行E/O变换。 在光纤数字通信系统中，光发送机主要机主要有输入接口、线路编码、调 制电路、光源及其控制电路。数字光发送机的构成如图2—11所示。
1.半导体激光器和发光二极管
光源的调制 光调制是用待发送的电信号控制光载波的某一参量(如光强度等)，使之携 带发送信息的过程，也就是完成电／光转换的过程。 根据调制与光源的关系，光调制可分为直接调制和间接调制两大类。 直接调制是把要传送的信息转变成电流信号注入半导体激光器或发光二极 管，从而获得相应的光信号，所以是采用电源调制方法。 间接调制是利用晶体的光电效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激 光辐射的调制。
(4)远场特性 远场特性是距离器件输出端面一定距离的光束在空间上的分布。发光二极 管输出光的发散角较半导体激光器大，因此它与光纤耦合的效率很低，使 得出纤光功率很低。 与半导体激光器相比，发光二极管的突出优点是寿命长、可靠性高、调制 电路简单、成本低，所以它在一些传输速率不太高、传输距离不太长的系 统中得到了广泛的应用。
在谐振腔方向上光波的振荡特性，即激光器发射的光谱的性质。在光纤通
信系统中要求半导体激光器工作于基横模和单侧模，以提高与光纤的耦合 效率。为减小光纤带来的色散，要求激光器单纵模工作，特别是在高速调 制下的单纵模运转。
1.半导体激光器和发光二极管
(5)光谱特性 半导体激光器的光谱特性主要是由激光器的纵模决定。 激光器的光谱会随着注入电流而发生变化。当注入电流低于阈值电流时， 半导体激光器发出的是荧光，光谱很宽，如图2—6(a)所示；当电流增大到 阈值电流时，光谱突然变窄，光谱中心强度急剧增加，出现了激光，如图 2—6(b)所示；对于单纵模半导体激光器，由于只有一个纵模，其谱线更窄 ，如图2—6(c)所示。
的升高，器件的阈值电流增大，
而且输出光的峰值波长会向长波 长方向漂移。因此实用化的半导 体激光器必须对温度加以控制。
1.半导体激光器和发光二极管
(4)模式特性 半导体激光器中所允许的光场模式分为TE和TM两组。每一组模式对应着电 （磁）场在垂直于PN平面方向（横向），平行于PN平面方向（侧向）和传 输方向（纵向）的稳定驻波形式，这三个方向上的驻波分别称为横模、侧 模和纵模。横模和侧模决定了输出光束的空间分部，纵模则表示了激光器