源與光纖的耦合

1、6.1光源與光纖的耦合光源與光纖的耦合 6.2光調(diào)制光調(diào)制 6.3光發(fā)射機光發(fā)射機 6.4光接收機光接收機 6.5光接收機噪聲分析光接收機噪聲分析 6.6光接收機的誤碼率和接收靈敏度光接收機的誤碼率和接收靈敏度6.7光中繼器光中繼器 http:/ 從光源發(fā)射出來的光功率盡可能多地從光源發(fā)射出來的光功率盡可能多地送入光纖中傳輸，這就是光源與光纖的送入光纖中傳輸，這就是光源與光纖的耦合問題。耦合問題。l 衡量光源與光纖耦合的質(zhì)量可以用耦合衡量光源與光纖耦合的質(zhì)量可以用耦合效率效率，它定義為，它定義為l =P=PF F/P/PS S (6-1-1) (6-1-1)l式中：式中： P PF F耦合進入

2、光纖的光功率耦合進入光纖的光功率l P PS S光源發(fā)射的功率。光源發(fā)射的功率。l光源與光纖的耦合效率：光源與光纖的耦合效率：l與光源的類型與光源的類型(LED或或LD)及光纖的類型及光纖的類型(多模光纖或模光纖多模光纖或模光纖)有關(guān)。有關(guān)。lLD與單模光纖的耦合效率較高，可以達與單模光纖的耦合效率較高，可以達到到3050%，而，而LED與單模光纖的耦合與單模光纖的耦合效率較低，可能小于效率較低，可能小于1%。 l光源與光纖的耦合方法，光源與光纖的耦合方法，l一般采用下面兩種：一般采用下面兩種：l直接耦合和透鏡耦合直接耦合和透鏡耦合l一個理想的微透鏡耦合結(jié)構(gòu)應(yīng)用下列四一個理想的微透鏡耦合結(jié)構(gòu)應(yīng)

3、用下列四個特征：個特征：l 足夠大的數(shù)值孔徑收集激光輻射足夠大的數(shù)值孔徑收集激光輻射l 焦距完全匹配于激光器和光纖的模式焦距完全匹配于激光器和光纖的模式l 無球差無球差l 端面應(yīng)增透鍍覆以消除反射。端面應(yīng)增透鍍覆以消除反射。l要實現(xiàn)光纖通信，首先要解決的問題是要實現(xiàn)光纖通信，首先要解決的問題是如何將電信號加載到光源的發(fā)射光束上，如何將電信號加載到光源的發(fā)射光束上，即需要進行光調(diào)制。即需要進行光調(diào)制。l根據(jù)調(diào)制與光源的關(guān)系，光調(diào)制可分為：根據(jù)調(diào)制與光源的關(guān)系，光調(diào)制可分為：直接調(diào)制和間接調(diào)制。直接調(diào)制和間接調(diào)制。 l直接調(diào)制就是將調(diào)制信號直接作用在光源上，直接調(diào)制就是將調(diào)制信號直接作用在光源上，

4、把要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娫葱盘栕⑷氲桨岩獋魉偷男畔⑥D(zhuǎn)變?yōu)殡娫葱盘栕⑷氲絃D或或LED，獲得相應(yīng)的光信號。這種方法調(diào)制的是，獲得相應(yīng)的光信號。這種方法調(diào)制的是光源的發(fā)光強度調(diào)制光源的發(fā)光強度調(diào)制(IM)。l直接調(diào)制具有簡單、經(jīng)濟、容易實現(xiàn)等優(yōu)點，直接調(diào)制具有簡單、經(jīng)濟、容易實現(xiàn)等優(yōu)點，是光纖通信系統(tǒng)中廣泛采用的調(diào)制方式。是光纖通信系統(tǒng)中廣泛采用的調(diào)制方式。l從調(diào)制信號的形式來說，光源的直接調(diào)制又可從調(diào)制信號的形式來說，光源的直接調(diào)制又可分為模擬信號調(diào)制和數(shù)字信號調(diào)制分為模擬信號調(diào)制和數(shù)字信號調(diào)制lLD的直接調(diào)制具有許多突出的特點，它在光纖的直接調(diào)制具有許多突出的特點，它在光纖通信系統(tǒng)中應(yīng)用極其廣泛

5、。通信系統(tǒng)中應(yīng)用極其廣泛。lLD的調(diào)制特性如下：的調(diào)制特性如下：l(1) (1) 電光延遲電光延遲l(2) (2) 張馳振蕩張馳振蕩l(3) 小信號輸入的頻率響應(yīng)小信號輸入的頻率響應(yīng)l(4) (4) 頻率啁啾頻率啁啾l光源內(nèi)調(diào)制的優(yōu)點是電路簡單容易實現(xiàn)，光源內(nèi)調(diào)制的優(yōu)點是電路簡單容易實現(xiàn)，但是，在高碼速下將使光源的性能變壞，但是，在高碼速下將使光源的性能變壞，因此需要對光源的外調(diào)制方式。因此需要對光源的外調(diào)制方式。l目前使用的外調(diào)制方式有：目前使用的外調(diào)制方式有：l (1) 電光調(diào)制電光調(diào)制l（2）聲光調(diào)制）聲光調(diào)制l （3）磁光調(diào)制）磁光調(diào)制l1對光發(fā)射機性能的要求對光發(fā)射機性能的要求l 光

6、發(fā)射機的作用是把電端機送來的光發(fā)射機的作用是把電端機送來的電信號變?yōu)楣庑盘査腿牍饫w中傳輸。電信號變?yōu)楣庑盘査腿牍饫w中傳輸。l包括以下方面：包括以下方面：l (1)光源特性光源特性l (2)調(diào)制特性調(diào)制特性l (3)輸出特性輸出特性l目前使用的光發(fā)射機大多數(shù)是直接調(diào)制目前使用的光發(fā)射機大多數(shù)是直接調(diào)制的光發(fā)射機，它的原理如圖的光發(fā)射機，它的原理如圖6-3-1所示。所示。l輸入電路由圖輸入電路由圖6-3-3所示電路組成所示電路組成l1 1光接收機的組成光接收機的組成l光接收機的作用是把接收來的光信號轉(zhuǎn)光接收機的作用是把接收來的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)樵瓉淼碾娦盘枺男阅艿膬?yōu)劣直變?yōu)樵瓉淼碾娦盘?，它的性能的?yōu)

7、劣直接影響整個光纖通信系統(tǒng)的性能。接影響整個光纖通信系統(tǒng)的性能。l光纖通信系統(tǒng)有模擬和數(shù)字兩大類，光光纖通信系統(tǒng)有模擬和數(shù)字兩大類，光接收機也相應(yīng)的有兩大類，即模擬接收接收機也相應(yīng)的有兩大類，即模擬接收機和數(shù)字接收機。機和數(shù)字接收機。l直接檢測數(shù)字光纖通信接收機一般由三直接檢測數(shù)字光纖通信接收機一般由三個部分組成，即光接收機的前端、線性個部分組成，即光接收機的前端、線性通道和數(shù)據(jù)恢復。如圖所示：通道和數(shù)據(jù)恢復。如圖所示：l光接收機前端的作用是將光纖線路末端耦合到光接收機前端的作用是將光纖線路末端耦合到光電檢測器的光比特流轉(zhuǎn)變?yōu)闀r變電流，然后光電檢測器的光比特流轉(zhuǎn)變?yōu)闀r變電流，然后進行預放大，以

8、便后一級進一步處理。進行預放大，以便后一級進一步處理。l (1) (1) 光電檢測器光電檢測器l一般采用一般采用PINPIN光電二極管或光電二極管或APDAPD雪崩光電二極管，雪崩光電二極管，它們性能的優(yōu)劣直接影響整個光接收機的性能它們性能的優(yōu)劣直接影響整個光接收機的性能l (2) (2) 前置放大器前置放大器l光電檢測器輸出的光電流是十分微弱的，需要光電檢測器輸出的光電流是十分微弱的，需要多級放大器進行放大，多級放大器進行放大，多級放大器的前級多級放大器的前級為前為前置放大器。置放大器。l一臺性能優(yōu)良的光接收機，應(yīng)具有無失真地檢一臺性能優(yōu)良的光接收機，應(yīng)具有無失真地檢測和恢復微弱信號的能力，

9、這首先要求其前端測和恢復微弱信號的能力，這首先要求其前端應(yīng)有低噪聲，高靈敏度和足夠的帶寬。應(yīng)有低噪聲，高靈敏度和足夠的帶寬。l根據(jù)不同的應(yīng)用要求，前端的設(shè)計有三種不同根據(jù)不同的應(yīng)用要求，前端的設(shè)計有三種不同的方案：的方案：l (1)低阻抗前端低阻抗前端l(2)高阻抗前端。高阻抗前端。l(3)跨跨(互互)阻抗前端。阻抗前端。l 光接收機的線性通道由一個光接收機的線性通道由一個高增益的主放大器和一個均衡濾高增益的主放大器和一個均衡濾波器組成，還應(yīng)包括峰值檢測和波器組成，還應(yīng)包括峰值檢測和自動增益控制自動增益控制(AGC)電路，用來電路，用來控制放大器增益?？刂品糯笃髟鲆?。l主放大器的作用有兩個方面

10、：主放大器的作用有兩個方面：l 將前置放大器輸出的信號放大到判決電路所將前置放大器輸出的信號放大到判決電路所需要的信號電平。需要的信號電平。l 它還是一個增益可調(diào)節(jié)的放大器，當光電檢它還是一個增益可調(diào)節(jié)的放大器，當光電檢測器輸出的信號出現(xiàn)起伏時，通過光接收機的測器輸出的信號出現(xiàn)起伏時，通過光接收機的自動增益控制電路對主放大器的增益進行調(diào)整，自動增益控制電路對主放大器的增益進行調(diào)整，以使主放大器的輸出信號幅度在一定范圍不受以使主放大器的輸出信號幅度在一定范圍不受輸入信號的影響，一般主放大器的峰輸入信號的影響，一般主放大器的峰-峰值輸峰值輸出是幾伏數(shù)量級。對于出是幾伏數(shù)量級。對于APD的光接收機還

11、通過的光接收機還通過控制控制APD的偏壓來控制雪崩倍增管的雪崩增益。的偏壓來控制雪崩倍增管的雪崩增益。l 均衡濾波器的作用是均衡波形有利判決。均衡濾波器的作用是均衡波形有利判決。均衡濾波器是必不可少的。均衡濾波器是必不可少的。l 沒有均衡濾波器將出現(xiàn)這些現(xiàn)象沒有均衡濾波器將出現(xiàn)這些現(xiàn)象l將會使前、后碼元的波形重疊，產(chǎn)生碼間干擾，將會使前、后碼元的波形重疊，產(chǎn)生碼間干擾，嚴重時造成判決電路誤判，產(chǎn)生誤碼。嚴重時造成判決電路誤判，產(chǎn)生誤碼。l 有均衡濾波器的波形有均衡濾波器的波形l均衡濾波器是使經(jīng)過均衡器以后的波形成為有均衡濾波器是使經(jīng)過均衡器以后的波形成為有利于判決的波形。例如，成為升余弦頻譜脈

12、沖。利于判決的波形。例如，成為升余弦頻譜脈沖。l均衡濾波器是使經(jīng)過均衡器以后的波形均衡濾波器是使經(jīng)過均衡器以后的波形成為有利于判決的波形。成為有利于判決的波形。l4數(shù)據(jù)恢復數(shù)據(jù)恢復l數(shù)據(jù)恢復電路由判決電路和時鐘恢復電數(shù)據(jù)恢復電路由判決電路和時鐘恢復電路組成，如果需要與電端機接口，還需路組成，如果需要與電端機接口，還需要解碼、解擾和編碼電路要解碼、解擾和編碼電路l判決電路和時鐘恢復電路的任務(wù)是把線判決電路和時鐘恢復電路的任務(wù)是把線性通道輸出的升余弦波形恢復成數(shù)字信性通道輸出的升余弦波形恢復成數(shù)字信號。號。 l5輔助電路輔助電路l光接收機除上面介紹的若干部分外，還光接收機除上面介紹的若干部分外，還

13、有一些輔助電路，如：有一些輔助電路，如：l(1)鉗位電路。鉗位電路。 l(2)溫度補償電路。溫度補償電路。 l(3)告警電路。告警電路。l6集成光接收機集成光接收機l 光接收機的組成部件，除了光電二極光接收機的組成部件，除了光電二極管外，都是標準的電子元器件，采用標管外，都是標準的電子元器件，采用標準集成電路準集成電路(IC)工藝技術(shù)，很容易集成工藝技術(shù)，很容易集成在同一芯片上，做成集成光接收機。在同一芯片上，做成集成光接收機。l 在高比特工作時，這種集成光接收機在高比特工作時，這種集成光接收機具有很多優(yōu)點。具有很多優(yōu)點。90年代末用年代末用Si和和GaAs集集成電路工藝已制成帶寬超過成電路工

14、藝已制成帶寬超過2GHz的集成的集成光接收機，現(xiàn)在帶寬超過光接收機，現(xiàn)在帶寬超過10GHz的集成的集成光接收機也已用于光波實驗系統(tǒng)。光接收機也已用于光波實驗系統(tǒng)。l1數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的信號變換特點數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的信號變換特點l 在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，傳輸?shù)氖怯稍跀?shù)字光纖通信系統(tǒng)中，傳輸?shù)氖怯伞?”和和“1”組成的二進制光脈沖信號，組成的二進制光脈沖信號，這是一種單極性碼，即光功率在這是一種單極性碼，即光功率在“接接通通”(“1”碼碼)和和“斷開斷開”(“0”碼碼)兩個電平兩個電平上變動。上變動。l 按照按照“1”碼時碼元周期碼時碼元周期T的大小，分的大小，分為歸零碼為歸零碼(RZ碼碼)與非歸

15、零碼與非歸零碼(NRZ碼碼)兩兩種。種。l圖圖6-5-2為數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中數(shù)字脈沖為數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中數(shù)字脈沖傳輸過程的變換特點傳輸過程的變換特點l2光接收機的噪聲源光接收機的噪聲源l 光接收機的噪聲是與信息無關(guān)的隨機光接收機的噪聲是與信息無關(guān)的隨機變化量，噪聲源從引入過程來分，可分變化量，噪聲源從引入過程來分，可分為兩類，即與信號光電檢測器有關(guān)的噪為兩類，即與信號光電檢測器有關(guān)的噪聲和與光電接收機電路有關(guān)的噪聲。聲和與光電接收機電路有關(guān)的噪聲。l 與信號光電檢測器有關(guān)的噪聲包括：與信號光電檢測器有關(guān)的噪聲包括：量子噪聲、雪崩倍增噪聲、暗電流及漏量子噪聲、雪崩倍增噪聲、暗電流及漏電流噪聲和背

16、景噪聲等等。電流噪聲和背景噪聲等等。l 與光接收機電路有關(guān)的噪聲包括：放與光接收機電路有關(guān)的噪聲包括：放大器噪聲、負載電阻熱噪聲等。大器噪聲、負載電阻熱噪聲等。 l3噪聲的評價方法噪聲的評價方法l 噪聲是一種隨機性的起伏量，是電噪聲是一種隨機性的起伏量，是電信號中不需要的成分，它干擾實際系統(tǒng)信號中不需要的成分，它干擾實際系統(tǒng)中信號的傳輸和處理，影響和限制了系中信號的傳輸和處理，影響和限制了系統(tǒng)的性能。統(tǒng)的性能。l(1)噪聲的大小可以用均方值來表示噪聲的大小可以用均方值來表示l (2)信噪比信噪比(SNR)l SNR=平均信號功率平均信號功率/噪聲功率噪聲功率 l 光接收機的誤碼率和靈敏度是描述

17、光接收機的誤碼率和靈敏度是描述光接收機準確檢測光信號能力的性能指光接收機準確檢測光信號能力的性能指標。標。l光接收機的誤碼率光接收機的誤碼率BER定義為：定義為：lBER=錯誤接收的碼元數(shù)錯誤接收的碼元數(shù)/傳輸?shù)拇a元總數(shù)傳輸?shù)拇a元總數(shù)l那么光接收機的誤碼是如何產(chǎn)生的那么光接收機的誤碼是如何產(chǎn)生的?l如圖如圖6-6-1所示：所示：l若若IID，采樣值為，采樣值為“1”，若，若IID，采樣，采樣值則為值則為“0”。l如果傳輸?shù)男糯a為如果傳輸?shù)男糯a為“1”，可是，可是IID，則，則發(fā)生錯誤。發(fā)生錯誤。l同樣傳輸?shù)男糯a為同樣傳輸?shù)男糯a為“0”，可是，可是IID，則，則同樣發(fā)生錯誤，這兩個錯誤都將引起誤

18、同樣發(fā)生錯誤，這兩個錯誤都將引起誤碼。碼。 l2光接收機的靈敏度和動態(tài)范圍光接收機的靈敏度和動態(tài)范圍l光接收機的靈敏度可以用滿足給定的誤光接收機的靈敏度可以用滿足給定的誤碼率指標條件下而可靠工作所需要的最碼率指標條件下而可靠工作所需要的最小平均光功率小平均光功率Pmin來表示。來表示。l最小平均光功率最小平均光功率Pmin,在國際單位制中，在國際單位制中，它的單位是瓦它的單位是瓦(W)。l工程上，光接收機的靈敏率常用光功率工程上，光接收機的靈敏率常用光功率相對值來表示，單位是分貝毫瓦相對值來表示，單位是分貝毫瓦(dBm)。 l光接收機的動態(tài)范圍：光接收機的動態(tài)范圍：l是在保證系統(tǒng)的誤碼率指標要求下，光是在保證系統(tǒng)的誤碼率指標要求下，光接收機最低輸入光功率接收機最低輸入光功率Pmin和最大允許光和最大允許光功率功率Pmax的變化范圍。這個范圍用的變化范圍。這個范圍用D來表來表示，一般在工程上用二者示，一般在工程上用二者(用用dBm描述描