第五章-光端機(jī)課件

第五章光端機(jī)

5.1光發(fā)送機(jī)

5.2數(shù)字光接收機(jī)

5.3光中繼器

5.4線路碼型簡介

第五章光端機(jī)5.1光發(fā)送機(jī)15.1光發(fā)送機(jī)5.1.1.光發(fā)送機(jī)光發(fā)送機(jī)構(gòu)成如圖5-1所示。它是由電信號(hào)輸入接口、碼型變換電路、預(yù)處理電路、驅(qū)動(dòng)電路、自動(dòng)功率控制電路（APC）和自動(dòng)溫度控制電路（ATC）、光源器件等組成的。1.輸入接口電端機(jī)送來的電信號(hào)一般是PCM信號(hào)，該信號(hào)電平通常是三電平，即+12V、0V和-12V，而光發(fā)送機(jī)一般選擇的是歸零碼（RZ碼）或者不歸零碼（NRZ碼），因此要通過輸入接口進(jìn)行PCM碼到RZ或者NRZ的碼型轉(zhuǎn)換。2.碼型變換光發(fā)送機(jī)的輸入數(shù)字脈沖信號(hào)的碼型選擇與整個(gè)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)有關(guān)，一般在中速數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中采用RZ碼型，而在高速或超高速的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中采用NRZ碼型。返回下一頁5.1光發(fā)送機(jī)5.1.1.光發(fā)送機(jī)返回下一頁2返回圖5-1光發(fā)送機(jī)構(gòu)成框圖

圖5-1光發(fā)送機(jī)構(gòu)成框圖返回圖5-1光發(fā)送機(jī)構(gòu)成框圖圖5-1光發(fā)送機(jī)構(gòu)成框35.1光發(fā)送機(jī)在光發(fā)送機(jī)中，若采用RZ碼作為輸入信號(hào)，則必須將NRZ碼變換成RZ碼，該碼型變換電路如圖5-2所示，圖中的CP信號(hào)為輸入時(shí)鐘脈沖。另外在實(shí)用的光纖通信系統(tǒng)中，往往會(huì)通過碼型變換電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)光纖通信的誤碼監(jiān)測(cè)、公務(wù)聯(lián)絡(luò)等功能（如在PDH通信系統(tǒng)中，SDH則不需要該變換功能）。3.預(yù)處理預(yù)處理的功能就是對(duì)碼型信號(hào)進(jìn)行波形的整形處理（如占空比等），以適應(yīng)光發(fā)送機(jī)的要求。4.驅(qū)動(dòng)電路及光源該部分是光發(fā)送機(jī)的核心組件，其作用是將電信號(hào)變成光信號(hào)。該組件影響著光發(fā)送機(jī)的性能指標(biāo)。返回下一頁上一頁5.1光發(fā)送機(jī)在光發(fā)送機(jī)中，若采用RZ碼作為輸入信號(hào)，則4返回圖5-2碼型變換電路

圖5-2碼型變換電路返回圖5-2碼型變換電路圖5-2碼型變換電路55.1光發(fā)送機(jī)按照光纖通信系統(tǒng)采用光源的不同，其驅(qū)動(dòng)電路分為半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）驅(qū)動(dòng)電路和半導(dǎo)體激光器（LD）驅(qū)動(dòng)電路。（1）半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）驅(qū)動(dòng)電路①對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電路的要求由于LED是通過其有源區(qū)，利用自發(fā)輻射機(jī)理發(fā)光的，即只要給它加上電流，就會(huì)發(fā)出熒光，因此LED驅(qū)動(dòng)電路比較簡單。由LED的特性可知，LED的輸出功率隨工作電流呈線性變化的，且在工作電流保持不變的情況下，其輸出光功率隨溫度的升高而下降的幅度不大（如從室溫升高到100℃時(shí)，功率下降為50%），通過電路設(shè)計(jì)就可將該下降控制在可容忍的范圍內(nèi)。因此在LED驅(qū)動(dòng)電路中不需要直流偏置調(diào)整電路，其直流偏置可以選擇在零點(diǎn)，即輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出功率就為零。返回下一頁上一頁5.1光發(fā)送機(jī)按照光纖通信系統(tǒng)采用光源的不同，其驅(qū)動(dòng)電路分65.1光發(fā)送機(jī)按照上面的分析，光纖通信系統(tǒng)對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電路的要求為：LED的驅(qū)動(dòng)電路能提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流；能夠滿足響應(yīng)速度的要求。②LED驅(qū)動(dòng)電路舉例·集成元件驅(qū)動(dòng)器，如圖5-3所示。它是利用74S140集成元件構(gòu)成的LED驅(qū)動(dòng)電路。該電路中，電阻R起限流作用，電容C起加速作用，以便獲得相應(yīng)響應(yīng)速率的光脈沖信號(hào)?；竟ぷ髟恚寒?dāng)輸入的碼型信號(hào)為高電平時(shí)，LED中無加載電流，則LED不發(fā)光；當(dāng)輸入碼型信號(hào)為低電平時(shí)，LED被加載工作電流，則LED發(fā)光。由于74S140的特性，決定了該電路可以提供的最大驅(qū)動(dòng)電流為60mA。返回下一頁上一頁5.1光發(fā)送機(jī)按照上面的分析，光纖通信系統(tǒng)對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電路7返回圖5-3集成元件LED驅(qū)動(dòng)電路圖5-3集成元件LED驅(qū)動(dòng)電路返回圖5-3集成元件LED驅(qū)動(dòng)電路圖5-3集成元件LED85.1光發(fā)送機(jī)由于74S140的特性，決定了該電路可以提供的最大驅(qū)動(dòng)電流為60mA?！と龢O管單管驅(qū)動(dòng)電路，如圖5-4所示。它是采用雙極型三極管構(gòu)成的單管LED驅(qū)動(dòng)電路。在該電路中，利用三極管T作為電子開關(guān)，可以獲得β倍的電流增益，電阻R2為限流電阻，電阻R1和電容C1起加速作用，可控制開關(guān)速度。通過三極管T、電阻R1、R2和電容C1的選型,可使LED工作在合理的狀態(tài)。因?yàn)閂EE是較小的負(fù)電位，因此在電路中使用肖特基二極管D來控制負(fù)偏的深度?；竟ぷ髟恚寒?dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，三極管T處于導(dǎo)通狀態(tài)，VCC提供的電流，流經(jīng)電阻R2、三極管T和VEE構(gòu)成的回路，不能被有效加載到到LED上，則LED不發(fā)光；當(dāng)輸入信號(hào)為低電平時(shí)，三極管T處于截止?fàn)顟B(tài)，VCC經(jīng)電阻R2向LED提供工作電流，則LED發(fā)光。返回下一頁上一頁5.1光發(fā)送機(jī)由于74S140的特性，決定了該電路可以提供9返回圖5-4三極管單管LED驅(qū)動(dòng)電路

圖5-4三極管單管LED驅(qū)動(dòng)電路返回圖5-4三極管單管LED驅(qū)動(dòng)電路圖5-4三極管105.1光發(fā)送機(jī)射極耦合驅(qū)動(dòng)電路，如圖5-5所示。它也是采用三極管構(gòu)成的，晶體管工作在非飽和與非深截止?fàn)顟B(tài)，工作速率較高，負(fù)載穩(wěn)定，容易調(diào)整，便于與LD驅(qū)動(dòng)電路兼容。電路中的VBB為固定輸入的參考電壓。基本工作原理：該電路看上去像一個(gè)線性差分放大器，實(shí)際上是一個(gè)電流開關(guān)電路，當(dāng)輸入信號(hào)為高電平（>VBB）時(shí)，三極管T1導(dǎo)通，T2截止，則LED不發(fā)光；當(dāng)輸入信號(hào)為低電平(<VBB)時(shí)，三極管T1截止，T2導(dǎo)通，則LED發(fā)光。射極耦合驅(qū)動(dòng)電路開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間短、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)控簡便，被廣泛用作數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中的LED驅(qū)動(dòng)。單管驅(qū)動(dòng)電路和射極耦合驅(qū)動(dòng)電路均可獲得較大的驅(qū)動(dòng)電流（一般可達(dá)120mA）。返回下一頁上一頁5.1光發(fā)送機(jī)射極耦合驅(qū)動(dòng)電路，如圖5-5所示。它也是采用11返回圖5-5射極耦合LED驅(qū)動(dòng)電路

圖5-5射極耦合LED驅(qū)動(dòng)電路返回圖5-5射極耦合LED驅(qū)動(dòng)電路圖5-5射極耦合125.1光發(fā)送機(jī)（2）半導(dǎo)體激光器（LD）驅(qū)動(dòng)電路①對(duì)LD驅(qū)動(dòng)電路的要求在光發(fā)射機(jī)中，半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電路是利用輸入的電信號(hào)，調(diào)制激光器的發(fā)光強(qiáng)度，保證發(fā)射光的光功率及足夠快的響應(yīng)速度，因此要求其驅(qū)動(dòng)電路能夠做到高速調(diào)制響應(yīng)。②LD驅(qū)動(dòng)電路舉例·LD單管驅(qū)動(dòng)電路，如圖5-6所示?；竟ぷ髟恚航Y(jié)合上述電路的原理，讀者可自行分析，這里不再贅述。返回下一頁上一頁5.1光發(fā)送機(jī)（2）半導(dǎo)體激光器（LD）驅(qū)動(dòng)電路返回下一頁13返回圖5-6LD單管驅(qū)動(dòng)電路

圖5-6LD單管驅(qū)動(dòng)電路返回圖5-6LD單管驅(qū)動(dòng)電路圖5-6LD單管驅(qū)動(dòng)電145.1光發(fā)送機(jī)該電路可獲得較大的驅(qū)動(dòng)電流，但對(duì)電源要求較高?！ど錁O耦合驅(qū)動(dòng)電路。該電路的結(jié)構(gòu)及原理，請(qǐng)參考LED相關(guān)的內(nèi)容?！るp端輸入驅(qū)動(dòng)電路，如圖5-7所示。該電路是采用雙端反相輸入，Ib是為LD提供的直流偏置電流，T3構(gòu)成的是恒流源?；竟ぷ髟恚寒?dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，T1基極為低電平，使T1截止；T2基極被加載高電平，使T2導(dǎo)通，此時(shí)，LD發(fā)光。反之，則LD不發(fā)光。該驅(qū)動(dòng)電路，由于是采用恒流源、雙端反相輸入的結(jié)構(gòu)，在T1和T2的基極上所加的信號(hào)是大小相等、相位相反的，使其開關(guān)速度提高，具有較好的溫度穩(wěn)定性和抗電源干擾能力。恒流源的應(yīng)用，可加強(qiáng)負(fù)反饋，提高了電路的共模抑制比，使LD能夠穩(wěn)定工作。返回下一頁上一頁5.1光發(fā)送機(jī)該電路可獲得較大的驅(qū)動(dòng)電流，但對(duì)電源要求較高15返回圖5-7雙端輸入驅(qū)動(dòng)電路

圖5-7雙端輸入驅(qū)動(dòng)電路返回圖5-7雙端輸入驅(qū)動(dòng)電路圖5-7雙端輸入驅(qū)動(dòng)電165.1光發(fā)送機(jī)5.自動(dòng)光功率控制LD的輸出特性受環(huán)境溫度和老化效應(yīng)的影響較大，主要表現(xiàn)在對(duì)LD閾值和微分量子效率的影響上。按照第三章的式（3-17）的描述，溫度升高，則閾值電流變大，輸出光功率下降，如圖5-8所示。另外微分量子效率也同樣受到類似的影響。其影響程度見下式∮d=∮0e-T/T0（5-1）式中T0稱為特征溫度，∮0為T0為時(shí)的微分量子效率。返回下一頁上一頁5.1光發(fā)送機(jī)5.自動(dòng)光功率控制返回下一頁上一頁17返回圖5-8閾值電流變化對(duì)光功率的影響圖5-8閾值電流變化對(duì)光功率的影響返回圖5-8閾值電流變化對(duì)光功率的影響圖5-8閾值電流變185.1光發(fā)送機(jī)式（5-1）說明，溫度升高，則LD的微分量子效率變小（電－光轉(zhuǎn)換斜率變?。?，即LD的P-I曲線斜率減小。其結(jié)果是當(dāng)LD驅(qū)動(dòng)電流不變的情況下，輸出的光脈沖的幅度將下降，并低于通信系統(tǒng)允許的值。若LD驅(qū)動(dòng)電流本來就較小，則溫度的影響，會(huì)導(dǎo)致LD無法發(fā)光。因此為了穩(wěn)定光功率的輸出，必須在光發(fā)送機(jī)中，設(shè)計(jì)功率控制電路。比較適用的、簡單的方法是調(diào)整LD的直流偏置電流，即：使直流偏置電流隨LD的閾值電流變化而變化，從而保證LD的輸出光功率不變。返回下一頁上一頁5.1光發(fā)送機(jī)式（5-1）說明，溫度升高，則LD的微分量子195.1光發(fā)送機(jī)（1）光功率控制的主要作用光功率控制的主要作用是對(duì)LD因?yàn)榄h(huán)境溫度變化或老化效應(yīng)導(dǎo)致的光功率變化，進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，使光功率輸出保持在系統(tǒng)要求的范圍內(nèi)。另外，通過光功率控制，自動(dòng)控制光發(fā)送機(jī)的輸入信號(hào)中連續(xù)“0”或無信號(hào)輸入時(shí)，使LD不發(fā)光。（2）光功率控制電路如圖5-8所示為帶有反饋的光功率控制的LD驅(qū)動(dòng)電路。該電路中采用射極耦合電路驅(qū)動(dòng)LD，利用檢測(cè)器（PD）、運(yùn)放A1和三極管T3構(gòu)成的電路作為光功率補(bǔ)償控制電路。UR為直流參考電壓。返回下一頁上一頁5.1光發(fā)送機(jī)（1）光功率控制的主要作用返回下一頁上一頁20返回圖5-8自動(dòng)光功率控制LD驅(qū)動(dòng)電路

圖5-8自動(dòng)光功率控制LD驅(qū)動(dòng)電路返回圖5-8自動(dòng)光功率控制LD驅(qū)動(dòng)電路圖5-8自動(dòng)215.1光發(fā)送機(jī)6.自動(dòng)溫度控制（1）溫度控制的作用在前面的光功率自動(dòng)控制部分中，介紹了當(dāng)環(huán)境溫度升高、輸出光功率下降后，利用其光功率自動(dòng)控制電路，使輸出光功率保持恒定的辦法，但在這種情況下，LD是工作在高溫環(huán)境下的，勢(shì)必影響其壽命。另外，溫度的升高還會(huì)影響LD反射光的波長，如：A1GaAsP激光器，在溫度升高時(shí)，其輸出光波向長波長方向，一般漂移2／℃左右；InGaAsP激光器，其變化率一般為4～5／℃左右。因此有必要對(duì)LD使用溫度控制電路。返回下一頁上一頁5.1光發(fā)送機(jī)6.自動(dòng)溫度控制返回下一頁上一頁225.1光發(fā)送機(jī)（2）溫度控制方法在光發(fā)送機(jī)中，溫度控制電路也是一種必要的輔助電路。LD溫度控制的方法主要有環(huán)境溫度控制法和自動(dòng)溫度控制（ATC）。環(huán)境溫度控制法是一種非自動(dòng)溫度控制法，主要的措施是對(duì)通信機(jī)房進(jìn)行空調(diào)控制。但這種方法勢(shì)必會(huì)增加成本，并且不是根本的技術(shù)手段。目前在光纖通信系統(tǒng)中，多采用半導(dǎo)體致冷器控制方式，這是一種自動(dòng)溫度控制方式。（3）自動(dòng)溫度控制自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)一般由致冷器、熱敏電阻和控制電路等部件組成。如圖5-9所示，為自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)的框圖。返回下一頁上一頁5.1光發(fā)送機(jī)（2）溫度控制方法返回下一頁上一頁23返回圖5-9自動(dòng)溫度控系統(tǒng)框圖

圖5-9自動(dòng)溫度控系統(tǒng)框圖返回圖5-9自動(dòng)溫度控系統(tǒng)框圖圖5-9自動(dòng)溫度控系245.1光發(fā)送機(jī)在這個(gè)系統(tǒng)中，將致冷器的冷端和作為溫度傳感器的熱敏電阻，均貼在LD的熱沉上，這樣LD的溫度變化信息會(huì)被熱敏電阻傳遞給控制電路，再由控制電路控制通過致冷器的電流就可以控制LD的工作溫度，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫度控制。很明顯，這種系統(tǒng)是利用了珀?duì)柼?yīng)的機(jī)理。（4）自動(dòng)溫度控制電路如圖5-10，是自動(dòng)溫度控制電路。該電路中，電阻R1、R2、R3和熱敏電阻RT構(gòu)成了一個(gè)電橋，它與運(yùn)放A1、A2一起構(gòu)成了溫度控制電路，通過將非電量的溫度的變化轉(zhuǎn)換成電量的變化，去調(diào)整控制致冷器的直流電流。這里的RT是一個(gè)具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。返回下一頁上一頁5.1光發(fā)送機(jī)在這個(gè)系統(tǒng)中，將致冷器的冷端和作為溫度傳感器25返回圖5-10自動(dòng)溫度控制圖5-10自動(dòng)溫度控制返回圖5-10自動(dòng)溫度控制圖5-10自動(dòng)溫度控制265.1光發(fā)送機(jī)基本工作原理：當(dāng)電橋處于平衡狀態(tài)時(shí)，運(yùn)放A1兩個(gè)輸入端的壓差為0,運(yùn)放A1的輸出電壓也為0,不對(duì)致冷器進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)LD組件內(nèi)的溫度升高時(shí)，運(yùn)算放大器Al的反相輸入端的電平降低（熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，且運(yùn)放正相輸入端的電位沒有變化），使運(yùn)放A1輸出端的電平升高，三極管T的電流增加，即致冷器的致冷電流增加，其致冷端溫度下降，吸走增加的熱量，使LD組件內(nèi)的溫度下降，經(jīng)過這樣的調(diào)節(jié)后，達(dá)到熱動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，使LD組件內(nèi)的溫度維持在LD所需要的環(huán)境溫度。返回下一頁上一頁5.1光發(fā)送機(jī)基本工作原理：當(dāng)電橋處于平衡狀態(tài)時(shí)，運(yùn)放A1275.1光發(fā)送機(jī)5.1.2光發(fā)送機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)1.輸出光功率及其穩(wěn)定性輸出光功率是指耦合進(jìn)光纖的功率，即出纖功率，一般為0.0101mW～5mW。穩(wěn)定性要求是指當(dāng)環(huán)境溫度變化或器件老化過程中，輸出光功率要保持恒定。2.平均發(fā)光功率P平均發(fā)光功率是指光發(fā)送機(jī)在“0”、“1”碼等概率調(diào)制情況下的光功率，單位為dBm。它與激光器最大發(fā)送光功率Pmax的關(guān)系是3.譜寬譜寬是指光發(fā)送機(jī)中光源器件的譜線寬度。譜寬越窄越好。譜寬越窄，則由它引起的光纖色散越小，有利于進(jìn)行大容量的信息傳輸。返回下一頁上一頁5.1光發(fā)送機(jī)5.1.2光發(fā)送機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)返回下一頁上28返回單縱模譜寬

圖5-11單縱模譜寬返回單縱模譜寬圖5-11單縱模譜寬295.1光發(fā)送機(jī)4.光源器件的壽命要求光源器件的壽命越長越好，一般為數(shù)萬小時(shí)以上。5.消光比消光比指標(biāo)的提出，是因?yàn)楣庠丛趯?shí)際運(yùn)行過程中，當(dāng)輸入電信號(hào)為“0”時(shí)，仍然會(huì)發(fā)光－“熒光”，所以利用消光比的概念來描述信號(hào)為“0”時(shí)光功率的損失程度。消光比的定義：電信號(hào)為全“1”時(shí)發(fā)送機(jī)光功率與電信號(hào)為全“0”時(shí)發(fā)送機(jī)光功率的比值，即EXT=101gp1/P2(dB)式中表示全“1”時(shí)發(fā)送機(jī)光功率、表示全“0”時(shí)發(fā)送機(jī)光功率

返回上一頁5.1光發(fā)送機(jī)4.光源器件的壽命返回上一頁305.2數(shù)字光接收機(jī)5.2.1數(shù)字光接收機(jī)在光端機(jī)中，除了光發(fā)送機(jī)外，還有光接收機(jī)。數(shù)字光接收機(jī)在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中具有作用的地位。在光纖通信系統(tǒng)中，光脈沖信號(hào)經(jīng)過長距離的傳輸后，由于損耗、色散等因素的影響，到達(dá)光接收機(jī)的時(shí)候，變得很微弱，此時(shí)光接收機(jī)就是將衰減、變形的微弱光脈沖信號(hào)，通過光-電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，并進(jìn)行放大、均衡與再生處理，將其還原成為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字脈沖信號(hào)。其組成框圖如圖5-12所示1.數(shù)字光接收機(jī)的組成從圖5-12可以看出，數(shù)字光接收機(jī)是由光電檢測(cè)器、前置放大器、主放大器、自動(dòng)增益控制電路（AGC）、均衡與時(shí)鐘提取及判決電路組成的。返回下一頁5.2數(shù)字光接收機(jī)5.2.1數(shù)字光接收機(jī)返回下一頁31返回圖5-12光接收機(jī)組成框圖

圖5-12光接收機(jī)組成框圖返回圖5-12光接收機(jī)組成框圖圖5-12光接收機(jī)組325.2數(shù)字光接收機(jī)（1）光電檢測(cè)器光電檢測(cè)器是數(shù)字光接收機(jī)的核心器件，它和接收機(jī)中的前置放大器一起被稱為光接收機(jī)前端，其性能是決定光接收機(jī)性能的關(guān)鍵因素之一。光電檢測(cè)器的功能是將接收到的光信號(hào)變換為電信號(hào),以實(shí)現(xiàn)電子放大。常用的光檢測(cè)器主要有PIN光電二極管和雪崩光電二極管（APD）。PIN光電二極管沒有倍增，使用簡單，工作偏壓低，而且可以固定不變，不需要任何控制。APD具有很高的內(nèi)部倍增因子，它與合理設(shè)計(jì)的電子放大器結(jié)合，可以使APD工作在最佳倍增工作狀態(tài)（使接收機(jī)的接收靈敏度比采用PIN光電二極管的高出約10dB）。

返回下一頁上一頁5.2數(shù)字光接收機(jī)（1）光電檢測(cè)器返回下一頁上一頁335.2數(shù)字光接收機(jī)（2）前置放大器前置放大器是將光電檢測(cè)器產(chǎn)生的微弱光電流進(jìn)行預(yù)放大。它與光電檢測(cè)器要合理匹配，從而使輸出信號(hào)的信噪比盡可能大。經(jīng)過光電檢測(cè)器放大輸出的脈沖信號(hào)一般為mV數(shù)量級(jí)。前置放大器的噪聲性能對(duì)光接收機(jī)的靈敏度有較大影響。關(guān)于前置放大器的噪聲，稍后介紹。（3）主放大器主放大器是一個(gè)高增益的寬帶放大器，其作用是對(duì)來自于前置放大器的微弱信號(hào)進(jìn)行放大。其增益一般在50dB以上，輸出脈沖幅度一般在1～3V（峰-峰值），這樣可滿足判決再生電路對(duì)判決電平的要求。返回下一頁上一頁5.2數(shù)字光接收機(jī)（2）前置放大器返回下一頁上一頁345.2數(shù)字光接收機(jī)（4）均衡器均衡器是一個(gè)信號(hào)波形的再處理電路，主要是對(duì)主放大器的輸出脈沖信號(hào)進(jìn)行均衡處理，使其碼間干擾最小、能量集中，有利于進(jìn)行判決的升余弦頻譜波形，同時(shí)通過均衡可以合理壓縮主放大器過寬的帶寬，減少數(shù)字光接收放大器的噪聲，提高其輸出信噪比。均衡器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)匹配濾波器。經(jīng)過均衡器電路處理后，可以得到最佳判決，從而得到理想的接收靈敏度。（5）判決與時(shí)鐘提取判決再生電路的作用是對(duì)均衡器輸出的脈沖信號(hào)，逐個(gè)進(jìn)行判決，并再生成波形整齊的脈沖碼流。返回下一頁上一頁5.2數(shù)字光接收機(jī)（4）均衡器返回下一頁上一頁355.2數(shù)字光接收機(jī)（6）自動(dòng)增益控制自動(dòng)增益控制就是通過反饋，控制前置放大器和主放大器的增益，使光接收機(jī)工作在規(guī)定的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。（7）檢測(cè)器偏壓檢測(cè)器偏壓電路是一個(gè)直流變換器。它將設(shè)備的直流工作電壓轉(zhuǎn)換成為直流高壓，從而向APD提供反向偏壓（PIN管偏壓較低，約為10～20V，因此不需要檢測(cè)器偏壓電路）。檢測(cè)器偏壓電路受到AGC的控制，能自動(dòng)調(diào)節(jié)向APD提供的高壓值。返回下一頁上一頁5.2數(shù)字光接收機(jī)（6）自動(dòng)增益控制返回下一頁上一頁365.2數(shù)字光接收機(jī)2.數(shù)字光接收機(jī)的噪聲數(shù)字光接收機(jī)的噪聲主要來自兩個(gè)方面，即：光電檢測(cè)器的噪聲和放大器的噪聲。光電檢測(cè)器的噪聲包括量子噪聲、暗電流噪聲和倍增噪聲；電路噪聲主要是前置放大器的噪聲。前置放大器的噪聲包括電阻熱噪聲及晶體管組件內(nèi)部噪聲。（1）光電檢測(cè)器的噪聲光電檢測(cè)器的噪聲是由于光電倍增過程的隨機(jī)性和暗電流的起伏引起的，其概率分布為泊松分布。量子噪聲。暗電流噪聲。倍增噪聲。返回下一頁上一頁5.2數(shù)字光接收機(jī)2.數(shù)字光接收機(jī)的噪聲返回下一頁上一頁375.2數(shù)字光接收機(jī)（2）電路噪聲電路噪聲主要是前置放大器的噪聲。一個(gè)放大器的噪聲主要是由前置放大器的噪聲決定的，這是因?yàn)榍爸梅糯笃鳟a(chǎn)生的噪聲即使很小，在主放大器的輸出端也會(huì)由于主放大器的增益作用變得很大。因此一般在討論放大器噪聲的時(shí)候，只討論前置放大器的噪聲就可以了。電阻熱噪聲。由于隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)使電阻兩端電壓發(fā)生起伏，稱為電阻的熱噪聲。晶體管組件內(nèi)部噪聲。晶體管組件內(nèi)部噪聲包括晶體管的熱噪聲、散粒噪聲（通過PN結(jié)擴(kuò)散時(shí)載流子數(shù)量上的隨機(jī)起伏引起的噪聲）等返回下一頁上一頁5.2數(shù)字光接收機(jī)（2）電路噪聲返回下一頁上一頁38返回5.2數(shù)字光接收機(jī)上一頁

下一頁5.2.2數(shù)字光接收機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)1.光接收機(jī)靈敏度光接收機(jī)靈敏度是指在保證給定的誤碼率(如10-9)條件下，所需的最小平均接收光功率（），即（5-5）式中表示光接收機(jī)的靈敏度、表示光接收機(jī)平均接收光功率（W）。一般地，是在隨機(jī)碼情況下的接收平均光功率。（1）APD光接收機(jī)的靈敏度計(jì)算（5-6）返回5.2數(shù)字光接收機(jī)上一頁下一頁5.2.2數(shù)字光接39返回5.2數(shù)字光接收機(jī)上一頁

（2）PIN光接收機(jī)的靈敏度計(jì)算（5-7）靈敏度是最能反映接收機(jī)綜合性能的指標(biāo)，靈敏度的值（）越小，光接收機(jī)的質(zhì)量越高。2.光接收機(jī)過載光功率光接收機(jī)過載光功率是指在保證給定的誤碼率條件下，光接收機(jī)所允許的最大光功率3.動(dòng)態(tài)范圍（5-8）返回5.2數(shù)字光接收機(jī)上一頁（2）PIN光接收機(jī)的靈敏405.3光中繼器光信號(hào)在光纖中進(jìn)行傳輸過程中，光纖的損耗特性會(huì)造成光信號(hào)的衰減、其色散特性使光脈沖展寬，造成波形失真，這些因素不僅影響光信號(hào)的傳輸距離，還會(huì)造成碼間干擾，增加誤碼率，因此為了滿足長距離通信，必須在傳輸線路中加光中繼器以補(bǔ)償光的衰減并對(duì)波形失真的脈沖進(jìn)行整形再生。5.3.1光中繼器的類型光中繼器，可分為光-電-光中繼器和全光中繼器兩大類。光-電-光中繼器比較復(fù)雜，它包括了光接收機(jī)的光／電變換和光發(fā)送機(jī)的電／光變換的主要部件。目前的光纖通信系統(tǒng)、還是普遍采用光-電-光中繼器。

返回下一頁5.3光中繼器光信號(hào)在光纖中進(jìn)行傳輸過程中，光纖的損耗特性415.3光中繼器5.3.2光-電-光中繼器1.光-電-光中繼器的組成光-電-光中繼器的組成框圖如圖5-13所示。它主要由光電檢測(cè)器、放大器、均衡器、自動(dòng)增益控制、判決、調(diào)制電路、光源等組成，涉及了光發(fā)送機(jī)和光接收機(jī)的主要部分。2.光-電-光中繼器的功能從中繼器的組成上可以概括其主要功能，即均衡放大-將輸入的已失真的小信號(hào)加以均衡放大。定時(shí)提取-從輸入信號(hào)中提取時(shí)鐘頻率，并得到定時(shí)脈沖。返回下一頁上一頁5.3光中繼器5.3.2光-電-光中繼器返回下一頁上一頁42返回圖5-13光-電-光中繼器組成框圖

圖5-13光-電-光中繼器組成框圖返回圖5-13光-電-光中繼器組成框圖圖5-13光435.3光中繼器5.3.3全光中繼器全光中繼器，即光放大器，其特點(diǎn)是直接放大光信號(hào)，不需要光電、電光轉(zhuǎn)換，對(duì)信號(hào)的格式、速率具有高度的透明性（因?yàn)楣夥糯笃髦皇欠糯笏盏降男盘?hào)，所以支持任何比特率和信號(hào)格式），使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、靈活。光放大器主要包括半導(dǎo)體光放大器和光纖放大器兩種。半導(dǎo)體光放大器（SOA）是由半導(dǎo)體材料制成的，如果將半導(dǎo)體激光器兩端的反射去除，即變成沒有反饋的半導(dǎo)體行波光放大器，它能適合不同波長的光放大。光纖放大器又包括兩種，即非線性光纖放大器和摻雜光纖放大器（如摻鉺光纖放大器（EDFA））返回下一頁上一頁5.3光中繼器5.3.3全光中繼器返回下一頁上一頁445.3光中繼器1.摻鉺光纖放大器（EDFA）的特點(diǎn)工作波長在1.53～1.56μm范圍；泵浦功率低，僅需幾十毫瓦；增益高、噪聲低、輸出功率大，它的增益可達(dá)40dB，噪聲系數(shù)可低至3～4dB（意味著可級(jí)聯(lián)多個(gè)放大器），輸出功率可達(dá)14～20dBm；連接損耗低，因?yàn)槭枪饫w型放大器，因此與光纖連接比較容易，連接損耗可低至0.1dB。2.摻鉺光纖放大器的能級(jí)與光輻射（1）能級(jí)摻鉺光纖中的鉺離子是個(gè)三價(jià)離子，即Er3+，其外層電子三能級(jí)結(jié)構(gòu)，如圖5-14所示，其中E1是基態(tài)，E2是亞穩(wěn)態(tài)，E3是高能態(tài)。返回下一頁上一頁5.3光中繼器1.摻鉺光纖放大器（EDFA）的特點(diǎn)返回下45返回圖5-14Er3+離子的能級(jí)

圖5-14Er3+離子的能級(jí)返回圖5-14Er3+離子的能級(jí)圖5-14Er3+465.3光中繼器（2）輻射原理泵浦源作用到摻鉺光纖時(shí)，Er3+離子的電子從基態(tài)E1被大量激發(fā)到高能態(tài)E3上。由于其高能態(tài)的不穩(wěn)定，鉺離子進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)E2（無輻射躍遷（即不釋放光子））。而E2是一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)的能帶，在該能級(jí)上，粒子的存活壽命較長（大約10ms）。受到泵浦光激勵(lì)的粒子，以非輻射躍遷的形式不斷地向該能級(jí)匯集，從而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。當(dāng)入射光信號(hào)通過這段摻鉺光纖時(shí)，亞穩(wěn)態(tài)的粒子受入射光子的激發(fā)，以受激輻射的形式躍遷到基態(tài)，并產(chǎn)生出與入射信號(hào)光子完全相同的光子，從而大大增加了信號(hào)光中的光子數(shù)量，即實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光在摻鉺光纖傳輸過程中的不斷被放大的功能。返回下一頁上一頁5.3光中繼器（2）輻射原理返回下一頁上一頁475.3光中繼器3.摻鉺光纖放大器基本結(jié)構(gòu)摻鉺光纖放大器基本結(jié)構(gòu)如圖5-15所示，它是由摻鉺光纖、光耦合器、光隔離器、泵浦激光器、分光器、光探測(cè)器等部分構(gòu)成。其中，光耦合器是將信號(hào)光和泵浦光耦合；泵浦激光器是將鉺離子從低能級(jí)泵浦到高能級(jí)，從而形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；分光器是將主通道上的光信號(hào)分出一小部分光信號(hào)送入光探測(cè)器以實(shí)現(xiàn)對(duì)主通道中光功率的監(jiān)測(cè)功能；光探測(cè)器是將接收的光功率通過光/電轉(zhuǎn)換變成光電流，從而對(duì)EDFA模塊的輸入、輸出光功率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。返回下一頁上一頁5.3光中繼器3.摻鉺光纖放大器基本結(jié)構(gòu)返回下一頁上一頁48返回圖5-15摻鉺光纖放大器基本結(jié)構(gòu)

圖5-15摻鉺光纖放大器基本結(jié)構(gòu)返回圖5-15摻鉺光纖放大器基本結(jié)構(gòu)圖5-15摻鉺光纖495.3光中繼器4.摻鉺光纖放大器應(yīng)用類型根據(jù)摻鉺光纖放大器在系統(tǒng)中的位置及作用，可以分成以下三種類型，即：功率放大器-處于合波器之后，用于對(duì)合波以后的多個(gè)波長信號(hào)進(jìn)行功率提升，然后再進(jìn)行傳輸，由于合波后的信號(hào)功率一般都比較大，所以，對(duì)一功率放大器的噪聲指數(shù)、增益要求并不是很高，但要求放大后，有比較大的輸出功率。線路放大器-處于功率放大器之后，用于周期性地補(bǔ)償線路傳輸損耗，一般要求比較小的噪聲指數(shù)，較大的輸出光功率。返回上一頁5.3光中繼器4.摻鉺光纖放大器應(yīng)用類型返回上一頁505.4線路碼型簡介線路碼型是指信道碼型（與信源碼型不同），它是將二進(jìn)制的數(shù)字串變換為適合于特定傳輸媒介傳輸?shù)男问?。如在?shù)字電纜、微波通信中，可使用HDB3碼型。對(duì)于數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，在分析其傳輸媒介-光纖的特性及光電轉(zhuǎn)換器件（即光源器件和光檢測(cè)器件）的特性基礎(chǔ)上，選擇適合光纖傳輸?shù)木€路碼型。1.對(duì)光纖傳輸線路碼型的選擇的要求（1）比特序列的獨(dú)立性比特序列的獨(dú)立性是指無論輸入什么樣序列的二進(jìn)制碼流，在接收端進(jìn)行解碼時(shí)，能唯一正確地恢復(fù)原信號(hào)。（2）提供足夠的定時(shí)信息數(shù)字光纖傳輸時(shí)，只傳送信碼，而不傳送時(shí)鐘，因此在接收端，要從收到的碼流中提取定時(shí)信號(hào)。返回下一頁5.4線路碼型簡介線路碼型是指信道碼型（與信源碼型不同），515.4線路碼型簡介（3）減少功率譜密度中的高低頻分量低頻分量小，說明“0”、“1”分布比較均勻，直流電平比較恒定，有利于接收端的判決。（4）誤碼倍增小線路傳輸中發(fā)生的一個(gè)誤碼，往往使接收端的解碼發(fā)生多個(gè)錯(cuò)誤，這就是誤碼倍增。由于誤碼倍增，使光接收機(jī)要達(dá)到原要求的誤碼性能指標(biāo)，必須付出光功率代價(jià)，即光接收機(jī)靈敏度劣化。（5）便于實(shí)現(xiàn)不中斷業(yè)務(wù)的誤碼監(jiān)測(cè)（6）易于在傳送主信息（業(yè)務(wù)信息）的同時(shí)，傳送監(jiān)控、公務(wù)、數(shù)據(jù)等維護(hù)管理信息。返回下一頁上一頁5.4線路碼型簡介（3）減少功率譜密度中的高低頻分量返回下525.4線路碼型簡介2.線路碼型設(shè)計(jì)方法在光纖通信系統(tǒng)中，其線路碼型的設(shè)計(jì)方法，是將標(biāo)準(zhǔn)碼率提高一些，進(jìn)行適當(dāng)?shù)木幋a，來適應(yīng)光纖傳輸?shù)囊?。由于提高了碼率，所以可實(shí)現(xiàn)平衡碼流（減少連續(xù)多個(gè)“0”,使“0”、“1”等概出現(xiàn)）、誤碼檢測(cè)和公務(wù)聯(lián)絡(luò)等。3.常用線路碼型（1）mBnB碼：mBnB碼就是將原信號(hào)碼元，以m個(gè)bit為一組，按照一定的規(guī)則（變換表），變換為n個(gè)bit的輸出碼字（編碼后的碼字）。m、n均為正整數(shù)、n>m，一般取n=m+1。從表5-1可以發(fā)現(xiàn)，輸入碼字共個(gè)，輸出的碼字可能有個(gè)。另外8個(gè)輸出碼字中，在變換表中未使用的有011、101和111，這3個(gè)未用的碼字稱為禁用碼。返回下一頁上一頁5.4線路碼型簡介2.線路碼型設(shè)計(jì)方法返回下一頁上一頁53返回表5-12B3B碼變換表

表5-12B3B碼變換表輸入碼字輸出碼字模式1模式200001001010100101010010011110000返回表5-12B3B碼變換表表5-12B3B碼變換545.4線路碼型簡介（2）CMI碼CMI碼即傳號(hào)反轉(zhuǎn)碼，它是一種1B2B碼。這種碼型被ITU-TG.703規(guī)定為139264kbit/s和155520kbit/s的物理/電氣接口的碼型。碼型變換表如表5-2所示。從表5-2可見，CMI碼的變換規(guī)則是輸入碼“0”，變換為輸出碼“01”，輸入碼“1”，變換為輸出碼“00”或“11”交替代替。（3）mB1P碼在mB1P碼型中，將輸入碼每m個(gè)bit為一個(gè)碼字，檢查其傳號(hào)的奇偶性，依據(jù)奇偶校驗(yàn)規(guī)則，再插入1個(gè)bit的校驗(yàn)位，構(gòu)成mB1P輸出碼字。如：若采用奇校驗(yàn)，當(dāng)輸入碼字（mB）中“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)時(shí)，則插入的一個(gè)bit-“0”，作為校驗(yàn)位,否則,插入“1”，如表5-3所示。返回下一頁上一頁5.4線路碼型簡介（2）CMI碼返回下一頁上一頁55返回表5-2CMI碼變換表表5-2CMI碼變換表輸入碼字輸出碼字模式1模式20010110011返回表5-2CMI碼變換表表5-2CMI碼變換表輸入碼字56返回表5-3mB1P碼變換表

mB碼(m=3)輸出碼字(mB1P)奇校驗(yàn)偶校驗(yàn)00000010000001001000110100100010111011011100表5-3mB1P碼變換表

返回表5-3mB1P碼變換表mB碼(m=3)輸出碼字(m575.4線路碼型簡介（4）mB1C碼mB1C碼是在mB碼后插入前i位的反碼，而不是校驗(yàn)位。一般取i=1,2。（5）mB1H碼mB1H碼是由mB1C碼演變而成的，即在mB1C碼中，扣除部分C碼，并在相應(yīng)的碼位上插入一個(gè)混合碼（H碼），所以稱為mB1H碼。所插入的H碼可以根據(jù)不同用途分為三類：第一類是C碼，它是第m位碼的反碼，用于在線誤碼率監(jiān)測(cè)；第二類是L碼，用于區(qū)間通信；第三類是G碼，用于幀同步、公務(wù)、數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)等信息的傳輸。原郵電部規(guī)定了幾種在公用網(wǎng)上使用的碼型：5B6B、CMI、1B1H以及565Mbit/s光纖傳輸系統(tǒng)用的8B1H等。返回上一頁5.4線路碼型簡介（4）mB1C碼返回上一頁58第五章光端機(jī)

5.1光發(fā)送機(jī)

5.2數(shù)字光接收機(jī)

5.3光中繼器

5.4線路碼型簡介

第五章光端機(jī)5.1光發(fā)送機(jī)595.1光發(fā)送機(jī)5.1.1.光發(fā)送機(jī)光發(fā)送機(jī)構(gòu)成如圖5-1所示。它是由電信號(hào)輸入接口、碼型變換電路、預(yù)處理電路、驅(qū)動(dòng)電路、自動(dòng)功率控制電路（APC）和自動(dòng)溫度控制電路（ATC）、光源器件等組成的。1.輸入接口電端機(jī)送來的電信號(hào)一般是PCM信號(hào)，該信號(hào)電平通常是三電平，即+12V、0V和-12V，而光發(fā)送機(jī)一般選擇的是歸零碼（RZ碼）或者不歸零碼（NRZ碼），因此要通過輸入接口進(jìn)行PCM碼到RZ或者NRZ的碼型轉(zhuǎn)換。2.碼型變換光發(fā)送機(jī)的輸入數(shù)字脈沖信號(hào)的碼型選擇與整個(gè)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)有關(guān)，一般在中速數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中采用RZ碼型，而在高速或超高速的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中采用NRZ碼型。返回下一頁5.1光發(fā)送機(jī)5.1.1.光發(fā)送機(jī)返回下一頁60返回圖5-1光發(fā)送機(jī)構(gòu)成框圖

圖5-1光發(fā)送機(jī)構(gòu)成框圖返回圖5-1光發(fā)送機(jī)構(gòu)成框圖圖5-1光發(fā)送機(jī)構(gòu)成框615.1光發(fā)送機(jī)在光發(fā)送機(jī)中，若采用RZ碼作為輸入信號(hào)，則必須將NRZ碼變換成RZ碼，該碼型變換電路如圖5-2所示，圖中的CP信號(hào)為輸入時(shí)鐘脈沖。另外在實(shí)用的光纖通信系統(tǒng)中，往往會(huì)通過碼型變換電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)光纖通信的誤碼監(jiān)測(cè)、公務(wù)聯(lián)絡(luò)等功能（如在PDH通信系統(tǒng)中，SDH則不需要該變換功能）。3.預(yù)處理預(yù)處理的功能就是對(duì)碼型信號(hào)進(jìn)行波形的整形處理（如占空比等），以適應(yīng)光發(fā)送機(jī)的要求。4.驅(qū)動(dòng)電路及光源該部分是光發(fā)送機(jī)的核心組件，其作用是將電信號(hào)變成光信號(hào)。該組件影響著光發(fā)送機(jī)的性能指標(biāo)。返回下一頁上一頁5.1光發(fā)送機(jī)在光發(fā)送機(jī)中，若采用RZ碼作為輸入信號(hào)，則62返回圖5-2碼型變換電路

圖5-2碼型變換電路返回圖5-2碼型變換電路圖5-2碼型變換電路635.1光發(fā)送機(jī)按照光纖通信系統(tǒng)采用光源的不同，其驅(qū)動(dòng)電路分為半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）驅(qū)動(dòng)電路和半導(dǎo)體激光器（LD）驅(qū)動(dòng)電路。（1）半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）驅(qū)動(dòng)電路①對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電路的要求由于LED是通過其有源區(qū)，利用自發(fā)輻射機(jī)理發(fā)光的，即只要給它加上電流，就會(huì)發(fā)出熒光，因此LED驅(qū)動(dòng)電路比較簡單。由LED的特性可知，LED的輸出功率隨工作電流呈線性變化的，且在工作電流保持不變的情況下，其輸出光功率隨溫度的升高而下降的幅度不大（如從室溫升高到100℃時(shí)，功率下降為50%），通過電路設(shè)計(jì)就可將該下降控制在可容忍的范圍內(nèi)。因此在LED驅(qū)動(dòng)電路中不需要直流偏置調(diào)整電路，其直流偏置可以選擇在零點(diǎn)，即輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出功率就為零。返回下一頁上一頁5.1光發(fā)送機(jī)按照光纖通信系統(tǒng)采用光源的不同，其驅(qū)動(dòng)電路分645.1光發(fā)送機(jī)按照上面的分析，光纖通信系統(tǒng)對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電路的要求為：LED的驅(qū)動(dòng)電路能提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流；能夠滿足響應(yīng)速度的要求。②LED驅(qū)動(dòng)電路舉例·集成元件驅(qū)動(dòng)器，如圖5-3所示。它是利用74S140集成元件構(gòu)成的LED驅(qū)動(dòng)電路。該電路中，電阻R起限流作用，電容C起加速作用，以便獲得相應(yīng)響應(yīng)速率的光脈沖信號(hào)?；竟ぷ髟恚寒?dāng)輸入的碼型信號(hào)為高電平時(shí)，LED中無加載電流，則LED不發(fā)光；當(dāng)輸入碼型信號(hào)為低電平時(shí)，LED被加載工作電流，則LED發(fā)光。由于74S140的特性，決定了該電路可以提供的最大驅(qū)動(dòng)電流為60mA。返回下一頁上一頁5.1光發(fā)送機(jī)按照上面的分析，光纖通信系統(tǒng)對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電路65返回圖5-3集成元件LED驅(qū)動(dòng)電路圖5-3集成元件LED驅(qū)動(dòng)電路返回圖5-3集成元件LED驅(qū)動(dòng)電路圖5-3集成元件LED665.1光發(fā)送機(jī)由于74S140的特性，決定了該電路可以提供的最大驅(qū)動(dòng)電流為60mA?！と龢O管單管驅(qū)動(dòng)電路，如圖5-4所示。它是采用雙極型三極管構(gòu)成的單管LED驅(qū)動(dòng)電路。在該電路中，利用三極管T作為電子開關(guān)，可以獲得β倍的電流增益，電阻R2為限流電阻，電阻R1和電容C1起加速作用，可控制開關(guān)速度。通過三極管T、電阻R1、R2和電容C1的選型,可使LED工作在合理的狀態(tài)。因?yàn)閂EE是較小的負(fù)電位，因此在電路中使用肖特基二極管D來控制負(fù)偏的深度。基本工作原理：當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，三極管T處于導(dǎo)通狀態(tài)，VCC提供的電流，流經(jīng)電阻R2、三極管T和VEE構(gòu)成的回路，不能被有效加載到到LED上，則LED不發(fā)光；當(dāng)輸入信號(hào)為低電平時(shí)，三極管T處于截止?fàn)顟B(tài)，VCC經(jīng)電阻R2向LED提供工作電流，則LED發(fā)光。返回下一頁上一頁5.1光發(fā)送機(jī)由于74S140的特性，決定了該電路可以提供67返回圖5-4三極管單管LED驅(qū)動(dòng)電路

圖5-4三極管單管LED驅(qū)動(dòng)電路返回圖5-4三極管單管LED驅(qū)動(dòng)電路圖5-4三極管685.1光發(fā)送機(jī)射極耦合驅(qū)動(dòng)電路，如圖5-5所示。它也是采用三極管構(gòu)成的，晶體管工作在非飽和與非深截止?fàn)顟B(tài)，工作速率較高，負(fù)載穩(wěn)定，容易調(diào)整，便于與LD驅(qū)動(dòng)電路兼容。電路中的VBB為固定輸入的參考電壓?；竟ぷ髟恚涸撾娐房瓷先ハ褚粋€(gè)線性差分放大器，實(shí)際上是一個(gè)電流開關(guān)電路，當(dāng)輸入信號(hào)為高電平（>VBB）時(shí)，三極管T1導(dǎo)通，T2截止，則LED不發(fā)光；當(dāng)輸入信號(hào)為低電平(<VBB)時(shí)，三極管T1截止，T2導(dǎo)通，則LED發(fā)光。射極耦合驅(qū)動(dòng)電路開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間短、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)控簡便，被廣泛用作數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中的LED驅(qū)動(dòng)。單管驅(qū)動(dòng)電路和射極耦合驅(qū)動(dòng)電路均可獲得較大的驅(qū)動(dòng)電流（一般可達(dá)120mA）。返回下一頁上一頁5.1光發(fā)送機(jī)射極耦合驅(qū)動(dòng)電路，如圖5-5所示。它也是采用69返回圖5-5射極耦合LED驅(qū)動(dòng)電路

圖5-5射極耦合LED驅(qū)動(dòng)電路返回圖5-5射極耦合LED驅(qū)動(dòng)電路圖5-5射極耦合705.1光發(fā)送機(jī)（2）半導(dǎo)體激光器（LD）驅(qū)動(dòng)電路①對(duì)LD驅(qū)動(dòng)電路的要求在光發(fā)射機(jī)中，半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電路是利用輸入的電信號(hào)，調(diào)制激光器的發(fā)光強(qiáng)度，保證發(fā)射光的光功率及足夠快的響應(yīng)速度，因此要求其驅(qū)動(dòng)電路能夠做到高速調(diào)制響應(yīng)。②LD驅(qū)動(dòng)電路舉例·LD單管驅(qū)動(dòng)電路，如圖5-6所示。基本工作原理：結(jié)合上述電路的原理，讀者可自行分析，這里不再贅述。返回下一頁上一頁5.1光發(fā)送機(jī)（2）半導(dǎo)體激光器（LD）驅(qū)動(dòng)電路返回下一頁71返回圖5-6LD單管驅(qū)動(dòng)電路

圖5-6LD單管驅(qū)動(dòng)電路返回圖5-6LD單管驅(qū)動(dòng)電路圖5-6LD單管驅(qū)動(dòng)電725.1光發(fā)送機(jī)該電路可獲得較大的驅(qū)動(dòng)電流，但對(duì)電源要求較高。·射極耦合驅(qū)動(dòng)電路。該電路的結(jié)構(gòu)及原理，請(qǐng)參考LED相關(guān)的內(nèi)容。·雙端輸入驅(qū)動(dòng)電路，如圖5-7所示。該電路是采用雙端反相輸入，Ib是為LD提供的直流偏置電流，T3構(gòu)成的是恒流源。基本工作原理：當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，T1基極為低電平，使T1截止；T2基極被加載高電平，使T2導(dǎo)通，此時(shí)，LD發(fā)光。反之，則LD不發(fā)光。該驅(qū)動(dòng)電路，由于是采用恒流源、雙端反相輸入的結(jié)構(gòu)，在T1和T2的基極上所加的信號(hào)是大小相等、相位相反的，使其開關(guān)速度提高，具有較好的溫度穩(wěn)定性和抗電源干擾能力。恒流源的應(yīng)用，可加強(qiáng)負(fù)反饋，提高了電路的共模抑制比，使LD能夠穩(wěn)定工作。返回下一頁上一頁5.1光發(fā)送機(jī)該電路可獲得較大的驅(qū)動(dòng)電流，但對(duì)電源要求較高73返回圖5-7雙端輸入驅(qū)動(dòng)電路

圖5-7雙端輸入驅(qū)動(dòng)電路返回圖5-7雙端輸入驅(qū)動(dòng)電路圖5-7雙端輸入驅(qū)動(dòng)電745.1光發(fā)送機(jī)5.自動(dòng)光功率控制LD的輸出特性受環(huán)境溫度和老化效應(yīng)的影響較大，主要表現(xiàn)在對(duì)LD閾值和微分量子效率的影響上。按照第三章的式（3-17）的描述，溫度升高，則閾值電流變大，輸出光功率下降，如圖5-8所示。另外微分量子效率也同樣受到類似的影響。其影響程度見下式∮d=∮0e-T/T0（5-1）式中T0稱為特征溫度，∮0為T0為時(shí)的微分量子效率。返回下一頁上一頁5.1光發(fā)送機(jī)5.自動(dòng)光功率控制返回下一頁上一頁75返回圖5-8閾值電流變化對(duì)光功率的影響圖5-8閾值電流變化對(duì)光功率的影響返回圖5-8閾值電流變化對(duì)光功率的影響圖5-8閾值電流變765.1光發(fā)送機(jī)式（5-1）說明，溫度升高，則LD的微分量子效率變小（電－光轉(zhuǎn)換斜率變?。?，即LD的P-I曲線斜率減小。其結(jié)果是當(dāng)LD驅(qū)動(dòng)電流不變的情況下，輸出的光脈沖的幅度將下降，并低于通信系統(tǒng)允許的值。若LD驅(qū)動(dòng)電流本來就較小，則溫度的影響，會(huì)導(dǎo)致LD無法發(fā)光。因此為了穩(wěn)定光功率的輸出，必須在光發(fā)送機(jī)中，設(shè)計(jì)功率控制電路。比較適用的、簡單的方法是調(diào)整LD的直流偏置電流，即：使直流偏置電流隨LD的閾值電流變化而變化，從而保證LD的輸出光功率不變。返回下一頁上一頁5.1光發(fā)送機(jī)式（5-1）說明，溫度升高，則LD的微分量子775.1光發(fā)送機(jī)（1）光功率控制的主要作用光功率控制的主要作用是對(duì)LD因?yàn)榄h(huán)境溫度變化或老化效應(yīng)導(dǎo)致的光功率變化，進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，使光功率輸出保持在系統(tǒng)要求的范圍內(nèi)。另外，通過光功率控制，自動(dòng)控制光發(fā)送機(jī)的輸入信號(hào)中連續(xù)“0”或無信號(hào)輸入時(shí)，使LD不發(fā)光。（2）光功率控制電路如圖5-8所示為帶有反饋的光功率控制的LD驅(qū)動(dòng)電路。該電路中采用射極耦合電路驅(qū)動(dòng)LD，利用檢測(cè)器（PD）、運(yùn)放A1和三極管T3構(gòu)成的電路作為光功率補(bǔ)償控制電路。UR為直流參考電壓。返回下一頁上一頁5.1光發(fā)送機(jī)（1）光功率控制的主要作用返回下一頁上一頁78返回圖5-8自動(dòng)光功率控制LD驅(qū)動(dòng)電路

圖5-8自動(dòng)光功率控制LD驅(qū)動(dòng)電路返回圖5-8自動(dòng)光功率控制LD驅(qū)動(dòng)電路圖5-8自動(dòng)795.1光發(fā)送機(jī)6.自動(dòng)溫度控制（1）溫度控制的作用在前面的光功率自動(dòng)控制部分中，介紹了當(dāng)環(huán)境溫度升高、輸出光功率下降后，利用其光功率自動(dòng)控制電路，使輸出光功率保持恒定的辦法，但在這種情況下，LD是工作在高溫環(huán)境下的，勢(shì)必影響其壽命。另外，溫度的升高還會(huì)影響LD反射光的波長，如：A1GaAsP激光器，在溫度升高時(shí)，其輸出光波向長波長方向，一般漂移2／℃左右；InGaAsP激光器，其變化率一般為4～5／℃左右。因此有必要對(duì)LD使用溫度控制電路。返回下一頁上一頁5.1光發(fā)送機(jī)6.自動(dòng)溫度控制返回下一頁上一頁805.1光發(fā)送機(jī)（2）溫度控制方法在光發(fā)送機(jī)中，溫度控制電路也是一種必要的輔助電路。LD溫度控制的方法主要有環(huán)境溫度控制法和自動(dòng)溫度控制（ATC）。環(huán)境溫度控制法是一種非自動(dòng)溫度控制法，主要的措施是對(duì)通信機(jī)房進(jìn)行空調(diào)控制。但這種方法勢(shì)必會(huì)增加成本，并且不是根本的技術(shù)手段。目前在光纖通信系統(tǒng)中，多采用半導(dǎo)體致冷器控制方式，這是一種自動(dòng)溫度控制方式。（3）自動(dòng)溫度控制自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)一般由致冷器、熱敏電阻和控制電路等部件組成。如圖5-9所示，為自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)的框圖。返回下一頁上一頁5.1光發(fā)送機(jī)（2）溫度控制方法返回下一頁上一頁81返回圖5-9自動(dòng)溫度控系統(tǒng)框圖

圖5-9自動(dòng)溫度控系統(tǒng)框圖返回圖5-9自動(dòng)溫度控系統(tǒng)框圖圖5-9自動(dòng)溫度控系825.1光發(fā)送機(jī)在這個(gè)系統(tǒng)中，將致冷器的冷端和作為溫度傳感器的熱敏電阻，均貼在LD的熱沉上，這樣LD的溫度變化信息會(huì)被熱敏電阻傳遞給控制電路，再由控制電路控制通過致冷器的電流就可以控制LD的工作溫度，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫度控制。很明顯，這種系統(tǒng)是利用了珀?duì)柼?yīng)的機(jī)理。（4）自動(dòng)溫度控制電路如圖5-10，是自動(dòng)溫度控制電路。該電路中，電阻R1、R2、R3和熱敏電阻RT構(gòu)成了一個(gè)電橋，它與運(yùn)放A1、A2一起構(gòu)成了溫度控制電路，通過將非電量的溫度的變化轉(zhuǎn)換成電量的變化，去調(diào)整控制致冷器的直流電流。這里的RT是一個(gè)具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。返回下一頁上一頁5.1光發(fā)送機(jī)在這個(gè)系統(tǒng)中，將致冷器的冷端和作為溫度傳感器83返回圖5-10自動(dòng)溫度控制圖5-10自動(dòng)溫度控制返回圖5-10自動(dòng)溫度控制圖5-10自動(dòng)溫度控制845.1光發(fā)送機(jī)基本工作原理：當(dāng)電橋處于平衡狀態(tài)時(shí)，運(yùn)放A1兩個(gè)輸入端的壓差為0,運(yùn)放A1的輸出電壓也為0,不對(duì)致冷器進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)LD組件內(nèi)的溫度升高時(shí)，運(yùn)算放大器Al的反相輸入端的電平降低（熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，且運(yùn)放正相輸入端的電位沒有變化），使運(yùn)放A1輸出端的電平升高，三極管T的電流增加，即致冷器的致冷電流增加，其致冷端溫度下降，吸走增加的熱量，使LD組件內(nèi)的溫度下降，經(jīng)過這樣的調(diào)節(jié)后，達(dá)到熱動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，使LD組件內(nèi)的溫度維持在LD所需要的環(huán)境溫度。返回下一頁上一頁5.1光發(fā)送機(jī)基本工作原理：當(dāng)電橋處于平衡狀態(tài)時(shí)，運(yùn)放A1855.1光發(fā)送機(jī)5.1.2光發(fā)送機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)1.輸出光功率及其穩(wěn)定性輸出光功率是指耦合進(jìn)光纖的功率，即出纖功率，一般為0.0101mW～5mW。穩(wěn)定性要求是指當(dāng)環(huán)境溫度變化或器件老化過程中，輸出光功率要保持恒定。2.平均發(fā)光功率P平均發(fā)光功率是指光發(fā)送機(jī)在“0”、“1”碼等概率調(diào)制情況下的光功率，單位為dBm。它與激光器最大發(fā)送光功率Pmax的關(guān)系是3.譜寬譜寬是指光發(fā)送機(jī)中光源器件的譜線寬度。譜寬越窄越好。譜寬越窄，則由它引起的光纖色散越小，有利于進(jìn)行大容量的信息傳輸。返回下一頁上一頁5.1光發(fā)送機(jī)5.1.2光發(fā)送機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)返回下一頁上86返回單縱模譜寬

圖5-11單縱模譜寬返回單縱模譜寬圖5-11單縱模譜寬875.1光發(fā)送機(jī)4.光源器件的壽命要求光源器件的壽命越長越好，一般為數(shù)萬小時(shí)以上。5.消光比消光比指標(biāo)的提出，是因?yàn)楣庠丛趯?shí)際運(yùn)行過程中，當(dāng)輸入電信號(hào)為“0”時(shí)，仍然會(huì)發(fā)光－“熒光”，所以利用消光比的概念來描述信號(hào)為“0”時(shí)光功率的損失程度。消光比的定義：電信號(hào)為全“1”時(shí)發(fā)送機(jī)光功率與電信號(hào)為全“0”時(shí)發(fā)送機(jī)光功率的比值，即EXT=101gp1/P2(dB)式中表示全“1”時(shí)發(fā)送機(jī)光功率、表示全“0”時(shí)發(fā)送機(jī)光功率

返回上一頁5.1光發(fā)送機(jī)4.光源器件的壽命返回上一頁885.2數(shù)字光接收機(jī)5.2.1數(shù)字光接收機(jī)在光端機(jī)中，除了光發(fā)送機(jī)外，還有光接收機(jī)。數(shù)字光接收機(jī)在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中具有作用的地位。在光纖通信系統(tǒng)中，光脈沖信號(hào)經(jīng)過長距離的傳輸后，由于損耗、色散等因素的影響，到達(dá)光接收機(jī)的時(shí)候，變得很微弱，此時(shí)光接收機(jī)就是將衰減、變形的微弱光脈沖信號(hào)，通過光-電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，并進(jìn)行放大、均衡與再生處理，將其還原成為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字脈沖信號(hào)。其組成框圖如圖5-12所示1.數(shù)字光接收機(jī)的組成從圖5-12可以看出，數(shù)字光接收機(jī)是由光電檢測(cè)器、前置放大器、主放大器、自動(dòng)增益控制電路（AGC）、均衡與時(shí)鐘提取及判決電路組成的。返回下一頁5.2數(shù)字光接收機(jī)5.2.1數(shù)字光接收機(jī)返回下一頁89返回圖5-12光接收機(jī)組成框圖

圖5-12光接收機(jī)組成框圖返回圖5-12光接收機(jī)組成框圖圖5-12光接收機(jī)組905.2數(shù)字光接收機(jī)（1）光電檢測(cè)器光電檢測(cè)器是數(shù)字光接收機(jī)的核心器件，它和接收機(jī)中的前置放大器一起被稱為光接收機(jī)前端，其性能是決定光接收機(jī)性能的關(guān)鍵因素之一。光電檢測(cè)器的功能是將接收到的光信號(hào)變換為電信號(hào),以實(shí)現(xiàn)電子放大。常用的光檢測(cè)器主要有PIN光電二極管和雪崩光電二極管（APD）。PIN光電二極管沒有倍增，使用簡單，工作偏壓低，而且可以固定不變，不需要任何控制。APD具有很高的內(nèi)部倍增因子，它與合理設(shè)計(jì)的電子放大器結(jié)合，可以使APD工作在最佳倍增工作狀態(tài)（使接收機(jī)的接收靈敏度比采用PIN光電二極管的高出約10dB）。

返回下一頁上一頁5.2數(shù)字光接收機(jī)（1）光電檢測(cè)器返回下一頁上一頁915.2數(shù)字光接收機(jī)（2）前置放大器前置放大器是將光電檢測(cè)器產(chǎn)生的微弱光電流進(jìn)行預(yù)放大。它與光電檢測(cè)器要合理匹配，從而使輸出信號(hào)的信噪比盡可能大。經(jīng)過光電檢測(cè)器放大輸出的脈沖信號(hào)一般為mV數(shù)量級(jí)。前置放大器的噪聲性能對(duì)光接收機(jī)的靈敏度有較大影響。關(guān)于前置放大器的噪聲，稍后介紹。（3）主放大器主放大器是一個(gè)高增益的寬帶放大器，其作用是對(duì)來自于前置放大器的微弱信號(hào)進(jìn)行放大。其增益一般在50dB以上，輸出脈沖幅度一般在1～3V（峰-峰值），這樣可滿足判決再生電路對(duì)判決電平的要求。返回下一頁上一頁5.2數(shù)字光接收機(jī)（2）前置放大器返回下一頁上一頁925.2數(shù)字光接收機(jī)（4）均衡器均衡器是一個(gè)信號(hào)波形的再處理電路，主要是對(duì)主放大器的輸出脈沖信號(hào)進(jìn)行均衡處理，使其碼間干擾最小、能量集中，有利于進(jìn)行判決的升余弦頻譜波形，同時(shí)通過均衡可以合理壓縮主放大器過寬的帶寬，減少數(shù)字光接收放大器的噪聲，提高其輸出信噪比。均衡器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)匹配濾波器。經(jīng)過均衡器電路處理后，可以得到最佳判決，從而得到理想的接收靈敏度。（5）判決與時(shí)鐘提取判決再生電路的作用是對(duì)均衡器輸出的脈沖信號(hào)，逐個(gè)進(jìn)行判決，并再生成波形整齊的脈沖碼流。返回下一頁上一頁5.2數(shù)字光接收機(jī)（4）均衡器返回下一頁上一頁935.2數(shù)字光接收機(jī)（6）自動(dòng)增益控制自動(dòng)增益控制就是通過反饋，控制前置放大器和主放大器的增益，使光接收機(jī)工作在規(guī)定的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。（7）檢測(cè)器偏壓檢測(cè)器偏壓電路是一個(gè)直流變換器。它將設(shè)備的直流工作電壓轉(zhuǎn)換成為直流高壓，從而向APD提供反向偏壓（PIN管偏壓較低，約為10～20V，因此不需要檢測(cè)器偏壓電路）。檢測(cè)器偏壓電路受到AGC的控制，能自動(dòng)調(diào)節(jié)向APD提供的高壓值。返回下一頁上一頁5.2數(shù)字光接收機(jī)（6）自動(dòng)增益控制返回下一頁上一頁945.2數(shù)字光接收機(jī)2.數(shù)字光接收機(jī)的噪聲數(shù)字光接收機(jī)的噪聲主要來自兩個(gè)方面，即：光電檢測(cè)器的噪聲和放大器的噪聲。光電檢測(cè)器的噪聲包括量子噪聲、暗電流噪聲和倍增噪聲；電路噪聲主要是前置放大器的噪聲。前置放大器的噪聲包括電阻熱噪聲及晶體管組件內(nèi)部噪聲。（1）光電檢測(cè)器的噪聲光電檢測(cè)器的噪聲是由于光電倍增過程的隨機(jī)性和暗電流的起伏引起的，其概率分布為泊松分布。量子噪聲。暗電流噪聲。倍增噪聲。返回下一頁上一頁5.2數(shù)字光接收機(jī)2.數(shù)字光接收機(jī)的噪聲返回下一頁上一頁955.2數(shù)字光接收機(jī)（2）電路噪聲電路噪聲主要是前置放大器的噪聲。一個(gè)放大器的噪聲主要是由前置放大器的噪聲決定的，這是因?yàn)榍爸梅糯笃鳟a(chǎn)生的噪聲即使很小，在主放大器的輸出端也會(huì)由于主放大器的增益作用變得很大。因此一般在討論放大器噪聲的時(shí)候，只討論前置放大器的噪聲就可以了。電阻熱噪聲。由于隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)使電阻兩端電壓發(fā)生起伏，稱為電阻的熱噪聲。晶體管組件內(nèi)部噪聲。晶體管組件內(nèi)部噪聲包括晶體管的熱噪聲、散粒噪聲（通過PN結(jié)擴(kuò)散時(shí)載流子數(shù)量上的隨機(jī)起伏引起的噪聲）等返回下一頁上一頁5.2數(shù)字光接收機(jī)（2）電路噪聲返回下一頁上一頁96返回5.2數(shù)字光接收機(jī)上一頁

下一頁5.2.2數(shù)字光接收機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)1.光接收機(jī)靈敏度光接收機(jī)靈敏度是指在保證給定的誤碼率(如10-9)條件下，所需的最小平均接收光功率（），即（5-5）式中表示光接收機(jī)的靈敏度、表示光接收機(jī)平均接收光功率（W）。一般地，是在隨機(jī)碼情況下的接收平均光功率。（1）APD光接收機(jī)的靈敏度計(jì)算（5-6）返回5.2數(shù)字光接收機(jī)上一頁下一頁5.2.2數(shù)字光接97返回5.2數(shù)字光接收機(jī)上一頁

（2）PIN光接收機(jī)的靈敏度計(jì)算（5-7）靈敏度是最能反映接收機(jī)綜合性能的指標(biāo)，靈敏度的值（）越小，光接收機(jī)的質(zhì)量越高。2.光接收機(jī)過載光功率光接收機(jī)過載光功率是指在保證給定的誤碼率條件下，光接收機(jī)所允許的最大光功率3.動(dòng)態(tài)范圍（5-8）返回5.2數(shù)字光接收機(jī)上一頁（2）PIN光接收機(jī)的靈敏985.3光中繼器光信號(hào)在光纖中進(jìn)行傳輸過程中，光纖的損耗特性會(huì)造成光信號(hào)的衰減、其色散特性使光脈沖展寬，造成波形失真，這些因素不僅影響光信號(hào)的傳輸距離，還會(huì)造成碼間干擾，增加誤碼率，因此為了滿足長距離通信，必須在傳輸線路中加光中繼器以補(bǔ)償光的衰減并對(duì)波形失真的脈沖進(jìn)行整形再生。5.3.1光中繼器的類型光中繼器，可分為光-電-光中繼器和全光中繼器兩大類。光-電-光中繼器比較復(fù)雜，它包括了光接收機(jī)的光／電變換和光發(fā)送機(jī)的電／光變換的主要部件。目前的光纖通信系統(tǒng)、還是普遍采用光-電-光中繼器。

返回下一頁5.3光中繼器光信號(hào)在光纖中進(jìn)行傳輸過程中，光纖的損耗特性995.3光中繼器5.3.2光-電-光中繼器1.光-電-光中繼器的組成光-電-光中繼器的組成框圖如圖5-13所示。它主要由光電檢測(cè)器、放大器、均衡器、自動(dòng)增益控制、判決、調(diào)制電路、光源等組成，涉及了光發(fā)送機(jī)和光接收機(jī)的主要部分。2.光-電-光中繼器的功能從中繼器的組成上可以概括其主要功能，即均衡放大-將輸入的已失真的小信號(hào)加以均衡放大。定時(shí)提取-從輸入信號(hào)中提取時(shí)鐘頻率，并得到定時(shí)脈沖。返回下一頁上一頁5.3光中繼器5.3.2光-電-光中繼器返回下一頁上一頁100返回圖5-13光-電-光中繼器組成框圖

圖5-13光-電-光中繼器組成框圖返回圖5-13光-電-光中繼器組成框圖圖5-13光1015.3光中繼器5.3.3全光中繼器全光中繼器，即光放大器，其特點(diǎn)是直接放大光信號(hào)，不需要光電、電光轉(zhuǎn)換，對(duì)信號(hào)的格式、速率具有高度的透明性（因?yàn)楣夥糯笃髦皇欠糯笏盏降男盘?hào)，所以支持任何比特率和信號(hào)格式），使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、靈活。光放大器主要包括半導(dǎo)體光放大器和光纖放大器兩種。半導(dǎo)體光放大器（SOA）是由半導(dǎo)體材料制成的，如果將半導(dǎo)體激光器兩端的反射去除，即變成沒有反饋的半導(dǎo)體行波光放大器，它能適合不同波長的光放大。光纖放大器又包括兩種，即非線性光纖放大器和摻雜光纖放大器（如摻鉺光纖放大器（EDFA））返回下一頁上一頁5.3光中繼器5.3.3全光中繼器返回下一頁上一頁1025.3光中繼器1.摻鉺光纖放大器（EDFA）的特點(diǎn)工作波長在1.53～1.56μm范圍；泵浦功率低，僅需幾十毫瓦；增益高、噪聲低、輸出功率大，它的增益可達(dá)40dB，噪聲系數(shù)可低至3～4dB（意味著可級(jí)聯(lián)多個(gè)放大器），輸出功率可達(dá)14～20dBm；連接損耗低，因?yàn)槭枪饫w型放大器，因此與光纖連接比較容易，連接損耗可低至0.1dB。2.摻鉺光纖放大器的能級(jí)與光輻射（1）能級(jí)摻鉺光纖中的鉺離子是個(gè)三價(jià)離子，即Er3+，其外層電子三能級(jí)結(jié)構(gòu)，如圖5-14所示，其中E1是基態(tài)，E2是亞穩(wěn)態(tài)，E3是高能態(tài)。返回下一頁上一頁5.3光中繼器1.摻鉺光纖放大器（EDFA）的特點(diǎn)返回下103返回圖5-14Er3+離子的能級(jí)

圖5-14Er3+離子的能級(jí)返回圖5-14Er3+離子的能級(jí)圖5-14Er3+1045.3光中繼器（2）輻射原理泵浦源作用到摻鉺光纖時(shí)，Er3+離子的電子從基態(tài)E1被大量激發(fā)到高能態(tài)E3上。由于其高能態(tài)的不穩(wěn)定，鉺離子進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)E2（無輻射躍遷（即不釋放光子））。而E2是一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)的能帶，在該能級(jí)上，粒子的存活壽命較長（大約10ms）。受到泵浦光激勵(lì)的粒子，以非輻射躍遷的形式不斷地向該能級(jí)匯集，從而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。當(dāng)入射光信號(hào)通過這段摻鉺光纖時(shí)，亞穩(wěn)態(tài)的粒子受入射光子的激發(fā)，以受激輻射的形式躍遷到基態(tài)，并產(chǎn)生出與入射信號(hào)光子完全相同的光子，從而大大增加了信號(hào)光中的光子數(shù)量，即實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光在摻鉺光纖傳輸過程中的不斷被放大的功能。返回下一頁上一頁5.3光中繼器（2）輻射原理返回下一頁上一頁1055.3光中繼器3.摻鉺光纖放大器基本結(jié)構(gòu)摻鉺光纖放大器基本結(jié)構(gòu)如圖5-15所示