光纖通信光源與光發(fā)射機

光纖通信光源與光發(fā)射機第一頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日主要內(nèi)容激光器原理半導(dǎo)體激光器(LD)LD的特性分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB

發(fā)光二極管LED光發(fā)射機線路編碼第二頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日光源是光發(fā)送機中的光波發(fā)生器，即光振蕩器。相干光：（激光）非相干光：（自然光）光源有產(chǎn)生的光有兩類：第三頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日

光纖通信系統(tǒng)對光源的要求：1、光源發(fā)光的峰值波長應(yīng)當與光纖的低損耗窗口一致。

2、光源的輸出功率應(yīng)當足夠大。（10uw~幾mw）3、光源應(yīng)當有高度的可靠性。（10萬小時以上）4、光源的譜線不能太寬。5、光源應(yīng)利于調(diào)制。6、電光轉(zhuǎn)換效率應(yīng)當高。7、光源體積小重量輕功耗小。第四頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日

常用光源半導(dǎo)體激光器（LD）雙異質(zhì)結(jié)激光器（DH-LD）分布反饋式激光器（DFB-LD）量子阱激光器（QW-LD）發(fā)光二極管（LED）

面發(fā)光二極管邊發(fā)光二極管第五頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日（三）LD和LED的比較LDLED工作波長1.31um,1.55um0.8~1.6um輸出功率5~10mw<1mw入纖損耗3~5dB10~20dB譜線寬度多縱模<6nm，單縱模<0.1nm60-80nm調(diào)制帶寬1GHz300MHz壽命10萬小時100萬小時用途長距離大容量短距離第六頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日§3.1激光器原理簡介2、原子的能級E原子的能級1、光子普朗克常數(shù)電子在能級的概率玻爾茲曼常數(shù)一、光與物質(zhì)的作用第七頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日3、光與物質(zhì)的三種作用形式光與物質(zhì)的轉(zhuǎn)變存在三種不同的形式：自發(fā)輻射受激吸收受激輻射（1）、自發(fā)輻射處于原子高能級的電子是不穩(wěn)定的，它將自發(fā)的向低能級躍遷，發(fā)射出一定能量的光子。E電子光子光子的能量滿足特點：各個能級上的電子都是自發(fā)的、獨立的進行躍遷，輻射的光子的頻率或相位、方向不同，是非相干光。E2E1自然光第八頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日（2）、受激吸收在入射光子的激勵下，原子低能級上的電子吸收光子的能量從低能級躍遷到高能級。E電子光子特點：這個過程不是自發(fā)的，必須有外來的光子的激勵。E2E1第九頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日第十頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日（3）、受激輻射在入射光子的激勵下，電子從高能級躍遷到低能級，同時發(fā)出一個能量為

的光子。E電子光子光子特點：（1）受激輻射必須在外來光子的能量等于躍遷時的能級差時發(fā)生，（2）產(chǎn)生的光子與原光子的頻率、相位、偏振方向相同，稱為全同光子，將使光的能量放大。光子E2E1受激輻射是激光器發(fā)光的主要原因(LASER-LightAmplificationbyStimulateEmissionofRadiation)受激輻射可能產(chǎn)生光放大第十一頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日第十二頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日二、光放大的條件在熱平衡時單位時間受激輻射的電子數(shù)+自發(fā)輻射的電子數(shù)=受激吸收的電子數(shù)受激輻射的電子數(shù)〈受激吸收的電子數(shù)自發(fā)輻射系數(shù)受激輻射系數(shù)受激吸收系數(shù)自發(fā)輻射入射光出射光入射光自發(fā)輻射受激吸收受激輻射光譜密度出射的光子數(shù)入射的光子數(shù)正常分布受激吸收受激輻射第十三頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日受激輻射的電子數(shù)受激吸收的電子數(shù)光放大：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)非熱平衡狀態(tài)有光放大能力激活物質(zhì)、增益物質(zhì)光放大器=工作物質(zhì)+泵浦源工作物質(zhì)被泵浦源激活后具有光放大作用，就是光放大器入射光受激吸收受激輻射工作物質(zhì)外在激勵泵浦源粒子數(shù)反轉(zhuǎn)出射的受激輻射光子數(shù)入射光子數(shù)光放大的條件：第十四頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日三、激光器組成正反饋諧振回路光學諧振腔光學諧振腔組成：兩個反射率為R1，R2的反射鏡作用：能量反饋，方向選擇，頻率選擇。激光器=光放大器+正反饋諧振回路Fabry-Perot電子震蕩器工作物質(zhì)泵浦激勵光放大器激光器就是一個內(nèi)部具有光發(fā)大器的光子發(fā)生器光子振蕩器=放大器+正反饋回路——法布里－珀羅（F-P）諧振腔第十五頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日光方向選擇：R1R2與中軸平行的光線不斷在同一直線上反射，反射光疊加，強度加強R1R2與中軸不平行的光多次反射后離開諧振腔結(jié)論：只有與中軸平行的光才存在，否則將在多次反射后消失第十六頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日工作物質(zhì)輻射的光的波長有一定譜線寬度光頻率的選擇：λG當反射光與入射光的相位相等或相差2π的整數(shù)倍時，發(fā)生相強的干涉，光的能量加強。干涉加強干涉減弱相位條件：結(jié)論：只有滿足相位條件的波長的光才會被加強，否則會被減弱。不滿足相位條件時，則發(fā)生相消干涉，光的能量漸漸減弱。第十七頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日激光產(chǎn)生的條件：諧振腔的衰減：工作物質(zhì)的吸收，反射鏡的吸收和透射等。諧振腔的增益：工作物質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布后受激輻射光放大的增益。結(jié)論：只有滿足以上條件時，才有功率穩(wěn)定的光存在同相激勵的相位條件：振蕩器起震的幅度條件：增益損耗第十八頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日外在激勵粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布自發(fā)輻射方向選擇受激輻射反射反饋閾值條件相位條件方向性好、功率穩(wěn)定、頻率窄的激光激光的產(chǎn)生過程第十九頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日§3.2半導(dǎo)體激光器原理SemiconductorLaserLaserDiode激光二極管LD1、半導(dǎo)體能級半導(dǎo)體是由大量原子周期有序的排列構(gòu)成的共價晶體，相鄰原子原子之間的相互作用使得電子在整個半導(dǎo)體中進行共有化運動，所處的離散能態(tài)擴展成連續(xù)分布的能帶。半導(dǎo)體電子的能帶LD是激光器的一種，主要分析工作物質(zhì)、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)及反饋回路LD的工作物質(zhì)是半導(dǎo)體材料形成的PN結(jié)第二十頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日化學鍵電子所處的能帶叫價帶比價帶高的能帶叫導(dǎo)帶能帶之間不允許電子的存在，稱為禁帶價帶（EV）導(dǎo)帶（EC）禁帶（Eg）2、直接帶隙和間接帶隙直接帶隙間接帶隙半導(dǎo)體材料的帶隙是動量k的函數(shù)，依照帶隙的形狀，可以將半導(dǎo)體分為直接帶隙材料和間接帶隙材料兩類。一個電子和一個空穴復(fù)合，隨后輻射一個光子，在最簡單和最有可能發(fā)生的復(fù)合過程中，電子和空穴具有相同的動量導(dǎo)帶最小能級和價帶最大能級有不同的動量，所以此時導(dǎo)帶與價帶之間的復(fù)合必須要有另外的粒子參與以保持動量守恒，聲子就能完成這樣的功能第二十一頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日x＝0.08的典型Ga1－xAlxAs光譜圖工作在800-900-nm光源：

使用的主要的材料是（鎵鋁砷）（砷化鋁與砷化鎵的混合材料）

工作在光源，使用的材料主要是（銦鎵砷磷）3、光源材料砷化鋁與砷化鎵的比率x決定了合金的帶隙，相應(yīng)地也就決定了其輻射光的峰值波長。通過改變有源區(qū)材料的的摩爾比率，可構(gòu)造出峰值發(fā)光波長在之間

第二十二頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日4、本征材料費米能級費米能級：是一個假象能級，電子處在該能級上的概率是1/2本征半導(dǎo)體的電子和空穴是成對出現(xiàn)

本征材料：沒有缺陷和未摻雜的理想半導(dǎo)體材料位于禁帶中央。電子在的能級上的概率小于1/2電子在的能級上的概率大于1/2第二十三頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日通過向晶體中摻微量的Ⅴ族元素,如摻雜的元素原子核的外層有五個電子，其中四個電子用來與相鄰的原子形成共價鍵，余下一個電子受到的束縛很弱，可以用來傳導(dǎo)電流，使導(dǎo)帶的電子增加。5、n型材料的費米能級導(dǎo)帶價帶n型材料的導(dǎo)帶中電子數(shù)增加，電子位于導(dǎo)帶的概率增加。摻雜濃度越高，電子位于導(dǎo)帶的概率越大，使費米能級抬高可以使得晶體的導(dǎo)電性能大為增加。第二十四頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日6、p型材料的費米能級

通過向晶體中摻微量的Ⅲ族元素，也可以使得晶體的導(dǎo)電性能增加，這些用來摻雜的元素在原子核的外層有三個電子，這三個電子與相鄰的原子形成共價鍵，同時會產(chǎn)生一個與施主電子電量相等的空穴，這樣就在價帶上方產(chǎn)生一個非占用能級（受主能級）。導(dǎo)帶價帶p型材料的價帶中空穴數(shù)增加，電子位于價帶的概率減少。摻雜濃度越高，電子位于價帶的概率越小，使費米能級降低第二十五頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日7、pn結(jié)

當p型材料和n型材料接觸時，兩種材料的電荷區(qū)相接觸，就會形成pn結(jié)，它決定了半導(dǎo)體器件的電特性。

當pn結(jié)形成后，在pn結(jié)上就形成一個內(nèi)建電場（或勢壘）由于電子和空穴都形成共價鍵結(jié)構(gòu)，所以結(jié)區(qū)就不再有移動的載流子，稱這個區(qū)域稱為耗盡區(qū)（或空間電荷區(qū)）.

空間電荷區(qū)pn結(jié)pn結(jié)電子分布第二十六頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日8、PN結(jié)正向偏置電流流過PN結(jié)，破壞了熱平衡時統(tǒng)一的費米能級，在P區(qū)和N區(qū)各自形成了準費米能級。這時，導(dǎo)帶上費米能級以下充滿了電子，價帶上費米能級以上沒有電子，因此，形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，成為激活區(qū)。

當PN結(jié)加上正向偏壓時，外加電壓的電場方向正好和內(nèi)建場的方向相反，因而削弱了內(nèi)建電場，有電流流過PN結(jié)，使導(dǎo)帶電子密度增加。電流越大，導(dǎo)帶的電子密度越大。形成光放大器第二十七頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日解理面解理面解理面解理面9、諧振腔反射面利用晶體解理面構(gòu)成反射面第二十八頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日當激光器閾值電流很大時，器件發(fā)熱，使壽命很短。如何使激光器閾值電流減少，使壽命長？采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)10、閾值電流LD要輸出激光必須要滿足以下條件：（1）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；（2）增益大于損耗。只有電流大于一定值時才能滿足以上條件。即LD存在一閾值電流才有激光產(chǎn)生。第二十九頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日同質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)載流子限制11、異質(zhì)結(jié)LD同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)單異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)(1)同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)PN結(jié)是否為同一種材料（2）異質(zhì)結(jié)的特點載流子限制與光波限制限制載流子在有源區(qū)，在電流不大時就容易達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)第三十頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日異質(zhì)結(jié)折射率分布光波限制光功率分布采用異質(zhì)結(jié)，由于載流子限制和光波限制，再配合別的工藝，使LD的閾值電流從幾百mA下降到mA。使LD可以長時連續(xù)工作。限制光波在有源區(qū)使有源光密度增加從而使光增益增加第三十一頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日§3.3半導(dǎo)體激光器（LD)特性1、輸出光功率與激光器驅(qū)動電流之間關(guān)系

外量子效應(yīng)閾值電流自發(fā)輻射光激光第三十二頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日2、激光二極管的模式在半導(dǎo)體激光器的諧振腔內(nèi)，在橫向有不同的場分布稱為橫模

在縱向有不同的場分布稱為縱模諧振腔中縱向模式。激光二極管諧振腔中的的橫模與縱模橫模：由激光器諧振腔橫向結(jié)構(gòu)決定縱模：由激光器諧振腔縱向長度決定不同的縱模對應(yīng)不同的諧振頻率第三十三頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日3、光譜特性LD輸出光功率和波長的關(guān)系（1）半導(dǎo)體材料的自發(fā)輻射發(fā)光特性（2）激光器增益和波長的關(guān)系（3）諧振腔的選頻特性有很多縱模多縱模激光器第三十四頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日考慮激光器相位關(guān)系

在多模激光器中縱模的頻率的間隔為：多縱模激光器的縱模間隔第三十五頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日例：有一GaAs，激光器工作波長為850nm,激光器腔長500μm，材料折射率n＝3.7,頻率和波長的間隔各為多少？解：第三十六頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日4、溫度特性其中是激光器對溫度敏感程度的度量的特性溫度；是一個常數(shù)。（1）溫度對閾值電流的影響（2）溫度對量子效率的影響（3）溫度輸出光譜的影響溫度升高，光譜變寬第三十七頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日電光延遲、張弛振蕩、自脈動、啁啾（1）電光延遲激光器的輸出光信號滯后于電信號td原因：有源區(qū)的電子密度必須增加到一定的閾值才會有光出來。5、瞬態(tài)特性電信號光信號電信號光信號第三十八頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日（2）張弛振蕩當電脈沖注入激光器后，輸出光脈沖有一個幅度逐漸衰減的振蕩。影響：當調(diào)制速度接近張弛振蕩的頻率時，容易產(chǎn)生誤判，影響了調(diào)制的速度。原因：光子激發(fā)與電子注入的時間延遲。通過增加偏置電流可以改善電光延遲和張弛振蕩引起的碼型效應(yīng)。電光延遲和張弛振蕩在光通信中會引起碼型效應(yīng)。碼型效應(yīng)：輸出的光信號中“1”碼的波形和碼型有關(guān)，在檢測時容易引起誤碼第三十九頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日（3）自脈動現(xiàn)象有些激光器在脈沖調(diào)制下或直流驅(qū)動下，當注入電流足夠大時，輸出的光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅的高頻振蕩。（4）啁啾（Chirp）效應(yīng)有的激光器在輸入電流變化時載波有一附加的調(diào)頻現(xiàn)象第四十頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日§3.4分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB)異質(zhì)結(jié)LDDistributedfeedbacklaser多縱模LDF-P諧振腔光譜比較寬幾個只有一個縱模光譜就很窄如何實現(xiàn)單縱模單縱模LD采用分布反饋是一種很好的方法（用反射面集中反饋）第四十一頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日（1）DFB激光器的結(jié)構(gòu)

DFB是用Brag衍射光柵代替F-P諧振腔對光進行波長的選擇，使激光器形成單縱模。Bragg波紋光柵是由于材料折射率的周期性變化而形成。第四十二頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日（2）DFB激光器的工作原理DFB激光器用布拉格（Bragg)光柵代替F-P鏡面反射。

P區(qū)N區(qū)有源區(qū)光柵布拉格反射條件第四十三頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日

布拉格反射條件

第四十四頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日DFB激光器的優(yōu)點

當光柵的周期長度為L時，只有滿足布拉格反射條件波長為的光波，才能產(chǎn)生激光振蕩，因而使激光器得到單頻輸出。由于分布饋激光器是由光柵來選擇單縱模，因而在高速調(diào)制下仍維持單縱模輸出。----DFB激光器的譜線窄，其線寬大約為普通型激光器線寬的1/10左右，如圖所示，從而使色散的影響大為降低，可以實現(xiàn)速率為Gb/s的超高速傳輸。第四十五頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日DFB的優(yōu)點：1、單縱模2、譜線窄(0.02~0.06nm),波長穩(wěn)定3、動態(tài)譜線好，啁啾小，利于高速調(diào)制4、線性好，利于調(diào)制模擬信號。DFB的應(yīng)用：2.5G以上的1550nm第三代光纖通信系統(tǒng)光纖CATV第四十六頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日3、量子阱激光器（QW-LD）量子阱：一般雙異質(zhì)結(jié)激光器的有源層的厚度為0.15um,若將有源層的厚度減少到德布羅意波長（50nm）以下，半導(dǎo)體的性質(zhì)將發(fā)生根本的改變，出現(xiàn)量子效應(yīng)，相應(yīng)的勢阱稱為量子阱。（我們將窄帶隙Eg稱為勢阱，將寬帶隙Eg稱為勢壘）量子阱激光器：將雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的有源層做到nm級，形成量子阱結(jié)構(gòu)，使之出現(xiàn)量子效應(yīng)，這樣的激光器叫做量子阱激光器。單量子阱激光器(SQW-LD)具有一個勢阱和兩個勢壘的激光器多量子阱激光器（MQW-LD）具有n個勢阱和n+1個勢壘的激光器勢壘勢阱6.3nm<Lw<50nm勢壘勢阱量子阱激光器（QW-LD）Quantum-well第四十七頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日量子阱激光器的特點：1、閾值電流低，輸出功率大。超薄的有源區(qū)使得很小的電流就可以產(chǎn)生大增益的電流。2、單縱模，譜線窄，利于調(diào)制。DH-LD高速調(diào)制時輸出光譜MQW-LD高速調(diào)制時輸出光譜3、溫度要求低。無需溫度控制，無需制冷儀器。第四十八頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日3.5發(fā)光二極管一、發(fā)光原理LED與LD的最大不同：沒有光學諧振腔反射，發(fā)出的是自發(fā)輻射光。P層N層有源層＋－低高E外電場在正向偏壓的情況下，N區(qū)的電子將向正方向擴展進入有源區(qū)，P區(qū)的空穴也將向負方向擴展進入有源區(qū)。進入有源區(qū)的電子和空穴由于勢壘的作用而被封閉在有源區(qū)，這些電子將發(fā)生自發(fā)輻射，發(fā)出自發(fā)輻射的光。只要有外加電流的作用，就會源源不斷的向有源層提供電子和空穴得到穩(wěn)定的自發(fā)輻射光。

LEDLightemittingdiode第四十九頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日二、分類邊發(fā)光二極管面發(fā)光二極管面發(fā)光二極管正面發(fā)光輻射角大輸出功率大耦合效率低第五十頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日邊發(fā)光二極管側(cè)面發(fā)光輻射角小輸出功率小耦合效率高第五十一頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日三、工作特性1、光譜特性和輻射特性沒有經(jīng)過光學諧振腔的光強反饋、方向選擇和光頻選擇，譜線寬，輻射角大，強度不大。λ

P△λ3dBⅠθ

3dBθoⅠ0Ⅰ=Ⅰ0·cosθ第五十二頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日2、P–Ⅰ特性ⅠP邊發(fā)光二極管面發(fā)光二極管無閾值自發(fā)光近似直線ⅠPⅠth（閘值電流）第五十三頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日3、溫度特性10℃20℃30℃40℃50℃ⅠP對溫度不敏感，不用ATC電路。ⅠP20℃30℃40℃60℃80℃第五十四頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日4、可靠性工作壽命長，可靠性好，達3×105小時，合34年。5、耦合效率低LED發(fā)散角大，耦合效率低。一般小于10%。四、應(yīng)用中低速數(shù)字通信和模擬通信中第五十五頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日根據(jù)LED和LD的性能，在選擇光源時應(yīng)作到技術(shù)上合理、經(jīng)濟上合理以及便于應(yīng)用。第五十六頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日§3.6光發(fā)射機光發(fā)射機實現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換。由光源、驅(qū)動器和調(diào)制器組成。功能是用電信號對光源發(fā)出的光波進行調(diào)制，成為已調(diào)光波，然后再將已調(diào)的光信號耦合到光纖或光纜去傳輸。第五十七頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日1、光纖通信的調(diào)制什么是調(diào)制：把隨信息變化的電信號加到光載波上，使光載波按信息的變化而變化，這就是調(diào)制。如何調(diào)制：模擬信號調(diào)幅AM調(diào)頻FM調(diào)相PM數(shù)字信號ASKFSKPSKQAM目前光纖通信系統(tǒng)采用那種調(diào)制：IMimmediacymodulate光的功率（強度）隨電信號變化IM-DD（immediacymodulate-directdetection）采用調(diào)制技術(shù)的主要考慮的因素：頻譜利用率（帶寬或容量）抗干擾性電路復(fù)雜性如何實現(xiàn)強度調(diào)制：內(nèi)調(diào)制（直接調(diào)制）外調(diào)制（間接調(diào)制）強度調(diào)制在接收端解調(diào)采用直接檢測IM的特點：實現(xiàn)容易，成本很低第五十八頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日內(nèi)調(diào)制（直接調(diào)制）：設(shè)備簡單，但有啁啾，不利于高速調(diào)制。LED調(diào)制IPIPLD調(diào)制直接光調(diào)制圖：偏置電流直接用電信號去驅(qū)動光源。第五十九頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日外調(diào)制（間接調(diào)制）

：調(diào)制器電信號激光器直流驅(qū)動電路光信號解決了啁啾現(xiàn)象，適于高速數(shù)字信號（SDH/SONET）、模擬CATV、軍事雷達等，并且可進行幅度、相位、頻率調(diào)制，但對光源和光調(diào)制器要求很高。利用外調(diào)制器對激光器輸出光信號進行調(diào)制。電信號激光器直流驅(qū)動電路外調(diào)制器光信號對數(shù)字信號的第六十頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日（1）、激光器的直接調(diào)制電路模擬信號調(diào)制數(shù)字信號調(diào)制2、直接調(diào)制電路第六十一頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日激光器的數(shù)字調(diào)制電路第六十二頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日偏置電流和調(diào)制電流的選擇

偏置電流的選擇直接影響激光器的高速調(diào)制性質(zhì)。選擇直流預(yù)偏置電流應(yīng)考慮以下幾個方面：

(1)加大直流偏置電流使其逼近閾值，可以大大減小電光延遲時間，同時使張弛振蕩得到一定程度的抑制。LD無偏置和有偏置時脈沖瞬態(tài)波形和光譜LD加了足夠的預(yù)偏置電流，調(diào)制電流脈沖幅度較小，預(yù)偏置后張弛振蕩大大減弱，譜線減少，光譜寬度變窄；另外，電光延遲的減小，也大大提高了調(diào)制速率。第六十三頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日

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(2)當激光器偏置在閾值附近時，較小的調(diào)制脈沖電流即能得到足夠功率的輸出光脈沖，從而可以大大減小碼型效應(yīng)。3)加大直流偏置電流會使激光器的消光比惡化。

光源的消光比將直接影響接收機的靈敏度，為了不使接收機的靈敏度明顯下降，消光如果激光器的偏置電流IB過大，勢必會使消光比惡化，降低接收機的靈敏度。通常取IB＝(0.85～0.9)Ith。驅(qū)動脈沖電流的峰-峰值Im一般取Im十IB＝(1.2～1.3)Ith，以避免結(jié)發(fā)熱和碼型效應(yīng)。消光比，是指激光器在全“l(fā)”碼時發(fā)送的光功率(P1)與全“0”碼時發(fā)射的光功率(Po)之比：第六十四頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日(4)實驗證明，異質(zhì)結(jié)激光器的散粒噪聲在閾值處出現(xiàn)最大值，如激光器正好偏置在閾值上，散粒噪聲的影響較嚴重。因此，偏置電流的選擇，要兼顧電光延遲、張弛振蕩、碼型效應(yīng)、激光器的消光比以及散粒噪聲等各方面情況，根據(jù)器件特別是激光器的具體性能和系統(tǒng)的具體要求，適當?shù)倪x擇偏置電流的大小。由于激光器的電阻較小，因此激光器的偏置電路應(yīng)是高阻恒流源調(diào)制電流幅度的選擇，應(yīng)根據(jù)激光器的特性曲線，既要有足夠的輸出光脈沖功率，又要考慮到光源的負擔。考慮到某些激光器在某些區(qū)域有自脈動現(xiàn)象發(fā)生，Im的選擇應(yīng)避應(yīng)避開這些區(qū)域。第六十五頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日（2）、LED的驅(qū)動電路驅(qū)動電流，調(diào)制電流偏置電流信號電流調(diào)制深度模擬調(diào)制數(shù)字調(diào)制第六十六頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日3、發(fā)射端機（內(nèi)調(diào)制）的組成及功能輸入接口線路編碼調(diào)制電路光源控制電路輸入接口：將電端機送來的信號做碼型變換，如將HDB3碼變換為普通二進制碼。線路編碼：將普通二進制碼變換為適合在光纖鏈路上傳輸?shù)拇a型。調(diào)制電路：為光源提供調(diào)制電流?？刂齐娐罚褐饕茿PC電路、ATC電路、光源保護電路等。光源：一般為發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。第六十七頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日自動功率控制電路(APC)自動溫度控制電路(ATC)

激光器告警電路

光源慢啟動保護電路激光器反向沖擊電流保護電路激光器過流保護電路激光器關(guān)斷電路控制電路第六十八頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日偏置點控制電路高速驅(qū)動器LiNbO3外調(diào)制器第六十九頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日一、重新編碼的原因普通二進制碼的缺點：

（1）碼流中的0、1個數(shù)隨機變化，使得直流分量也發(fā)生隨機的起伏，從而影響了判決電平。（2）隨機碼流容易出現(xiàn)長串連0和連1，使得同步時鐘的提取困難。

（3）沒有冗余碼，不利于誤碼檢測。所以必須重新進行光線路編碼。§3.7線路編碼（4）雙極性碼，不能進行光纖傳輸?shù)谄呤?，共一百二十八頁?022年，8月28日二、數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對編碼的要求：（1）減少光信號中的高頻和低頻分量。

低頻：容易導(dǎo)致基線的漂移，產(chǎn)生誤判。高頻：使得系統(tǒng)帶寬增加，加大電路設(shè)計的難度。

（2）定時信息豐富避免長的連0和連1，使0、1交替分布。（3）有適當?shù)娜哂啻a。一定的冗余碼可以用于平衡碼流，誤碼檢測，公務(wù)通信。但過多的冗余信息會降低接收機的靈敏度。第七十一頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日1、NRZ碼（非歸零碼）與RZ碼（歸零碼）NRZ碼是最簡單的碼型。NRZ碼很容易產(chǎn)生和譯碼，但它們沒有內(nèi)在的誤差監(jiān)測或糾錯能力，也沒有自有時鐘（定時）特征。三、線路碼型NRZ碼RZ碼RZ碼：每個數(shù)據(jù)比特編為兩個線路碼比特。在這些碼型中，為了提供定時信息，既可在部分的也可在全部的比特周期內(nèi)發(fā)生信號電平的變化。第七十二頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日3、mBnB分組碼

將原始二進制碼分組，m個為一組，變換后為n個一組,（m>n）

新的分組以NRZ或RZ的格式傳輸。

什么是mBnB分組碼？mBnB分組碼的特點：1、避免了長的連0和連1，定時信息豐富。2、總的0、1比例相等，基線漂移小。3、引入冗余碼，便于誤碼檢測。第七十三頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日（1）不出現(xiàn)連續(xù)4個以上的“0”碼或“1”，易于定時提取。（2）電路簡單，易于實現(xiàn)。（3)有一定的糾錯能力。當編碼規(guī)則被破壞后，即意味著誤碼產(chǎn)生，便于中繼監(jiān)測。（4)有恒定的直流分量，且低頻分量小，頻帶較寬。（5)傳輸速率為編碼前的2倍，適用于低速率的光纖傳輸系統(tǒng)。1B2B碼：CMI碼屬于二電平的不歸零（NRZ）的1B2B碼型CMI(CodedMarkInversion)碼傳號翻轉(zhuǎn)碼即“1”碼交替地用“00”和“11”表示，而“0”碼則固定用“01”表示，CMI碼碼的特點:第七十四頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日激光器原理半導(dǎo)體激光器(LD)LD的特性分布反饋LD發(fā)光二極管LED光發(fā)射機線路編碼第七十五頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日第七十六頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日二、數(shù)字直接調(diào)制中偏置電流和調(diào)制電流大小的選擇加大偏置電流使其逼近激光器閾值，可以大大減小電光延遲時間，同時使張馳振蕩得到一定程度的抑制偏置于閾值附近，較小的調(diào)制脈沖電流即可得到足夠的輸出光脈沖，I0與I0+Im的值相差不大，從而可大大減小碼型效應(yīng)和結(jié)發(fā)熱效應(yīng)的影響另一方面，加大直流偏置電流將會使光信號消光比（EX）惡化，光源消光比將直接影響接收機靈敏度，一般要求EX>10dB第七十七頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日實驗發(fā)現(xiàn)，異質(zhì)結(jié)激光器的散粒噪聲在閾值處出現(xiàn)最大值，因此偏置電流不正好偏置在閾值處由于激光器的串聯(lián)阻抗很小，因此激光器的偏置電路應(yīng)是高阻恒流源調(diào)制電流幅度Im的選擇，應(yīng)根據(jù)激光器的P-I曲線，既要有足夠的輸出光脈沖幅度，又要考慮到光源的負擔。如果激光器在某些區(qū)域有自脈動現(xiàn)象發(fā)生，則Im的選擇應(yīng)避開自脈動發(fā)生的區(qū)域三、直接調(diào)制電路要求：快的開關(guān)速度、良好的電流脈沖波形第七十八頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日四、外調(diào)制外調(diào)制器以EA、LN為主高速驅(qū)動模塊EA：驅(qū)動電壓峰-峰值~2V、偏置電壓~-1VLN：驅(qū)動電壓峰-峰值~5V、偏置電壓2~3V第七十九頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日偏置點控制電路高速驅(qū)動器LiNbO3外調(diào)制器第八十頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日五、激光器控制電路1、系統(tǒng)對光源的要求波長穩(wěn)定性要求WDM系統(tǒng)對光源發(fā)射波長的穩(wěn)定性具有較高的要求波長的漂移將導(dǎo)致信道之間的串擾第八十一頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日影響發(fā)射波長的因素對于DFB激光器，影響發(fā)射波長的因素：管芯溫度、工作電流、光反射（利用隔離器減小）管芯溫度與激射光頻的關(guān)系：呈單調(diào)直線下降，工作電流與激射光頻的關(guān)系：電流→注入載流子變化→有源區(qū)折射率下降大電流→結(jié)溫升高，正常工作時，起主導(dǎo)作用一般為-1GHz/mA左右B為DFB激光器的布拉格波長，為光柵周期，為場限制因子，n為折射率，為載流子濃度，為載流子壽命比較而言，溫度變化是波長漂移的主要因素第八十二頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日功率穩(wěn)定性要求某信道功率的漂移，不僅影響本信道的傳輸性能，而且通過EDFA的瞬態(tài)效應(yīng)影響其它信道的性能通常要求：輸出平均光功率:0~-3dBm;

不穩(wěn)定度:0.5dB(模塊表面溫度0-50C)

消光比:10dB

眼圖:符合G.957模版影響發(fā)射功率的因素管芯溫度:溫度增加--功率下降器件老化:功率下降第八十三頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日溫度控制和功率控制作用，就是消除溫度變化和器件老化影響,穩(wěn)定發(fā)射機性能，采取的穩(wěn)定方法有：溫度控制；自動功率控制窄線寬DFB激光器EA（LN）調(diào)制器精密溫度控制恒定電流控制10Gb/s電壓驅(qū)動器NRZ碼

光發(fā)射機結(jié)構(gòu)框圖第八十四頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日溫度控制：溫控電路通常由比例放大、PID（比例-積分-微分）電路、電流放大組成控制精度可到0.01C波長穩(wěn)定性可達200MHz/24小時目前N2.5Gb/s系統(tǒng)中，主要采用這一技術(shù)DFB-LD組件激光器導(dǎo)熱制冷器熱敏電阻溫度控制電路PDR1=10k，T1=298K，B=3887+/-34K第八十五頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日波長鎖定（wavelengthlocker)例：將激光器輸出波長與一標準波長（參考波長）進行比較，測得波長漂移信息，反饋控制管芯溫度，由此控制激光器的輸出波長WDMsignalWavelengthReference…...TemperatureControllerPin-PDLogAmp.Errorsignal波長穩(wěn)定性：100MHz/12小時關(guān)鍵：鎖波器（與LD集成或獨立器件）鎖波器工作原理第八十六頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日自動功率控制（APC）DFB-LD組件激光器導(dǎo)熱制冷器熱敏電阻溫度控制電路PD自動功率控制（APC）電路偏置電流峰值功率控制：偏置電流控制調(diào)制電流幅值控制平均功率控制：偏置電流控制(需與波長控制一起使用）第八十七頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日其它控制電路：光源慢啟動保護電路激光器反向沖擊電流保護電路激光器過流保護電路激光器關(guān)斷電路第八十八頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日第八十九頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日自動功率控制電路(APC)自動溫度控制電路(ATC)

激光器告警電路

光源慢啟動保護電路激光器反向沖擊電流保護電路激光器過流保護電路激光器關(guān)斷電路控制電路第九十頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日某信道功率的漂移，不僅影響本信道的傳輸性能，而且通過EDFA的瞬態(tài)效應(yīng)影響其它信道的性能自動功率控制峰值功率控制：偏置電流控制調(diào)制電流幅值控制平均功率控制：偏置電流控制通常要求：輸出平均光功率:0~-3dBm;

不穩(wěn)定度:0.5dB(模塊表面溫度0-50C)

消光比:10dB

第九十一頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日自動功率控制電路(APC)第九十二頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日5、自動功率控制電路(APC)

在使用中，LD結(jié)溫的變化以及老化都會使Ith增大，量子效率下降，從而導(dǎo)致輸出光脈沖的幅度發(fā)生變化。為了保證激光器有穩(wěn)定的輸出光功率，需要有各種輔助電路，例如功率控制電路、溫控電路、限流保護電路和各種告警電路等。

光功率自動控制有許多方法，一是自動跟蹤偏置電流，使LD偏置在最佳狀態(tài)；二是峰值功率和平均功率的自動控制；三是P-I曲線效率控制法等。最簡單的辦法是通過直接檢測光功率控制偏置電流，用這種辦法即可收到良好的效果。該辦法是利用激光器組件中的PIN光電二極管，監(jiān)測激光器背向輸出光功率的大小，若功率小于某一額定值時，通過反饋電路后驅(qū)動電流增加，并達到額定輸出功率值。反之，若光功率大于某一額定值，則使驅(qū)動電流減小，以保證激光器輸出功率基本上恒定不變第九十三頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日美國亞特蘭大光通信系統(tǒng)中光發(fā)射機的APC電路，電路是通過控制LD偏置電流大小來保持輸出光脈沖幅度的恒定。在運放的輸入端，再生信號由輸入信號再生處理后得到，它固定在0V～-lV間。LD組件中PIN管接收LD的背面輸出光，它受到與正面輸出光同樣的溫度及老化影響，從而可用來反饋控制LD輸出光功率。該PIN產(chǎn)生的信號與直流參考比較后送到放大器的同相端，直流參考通過調(diào)節(jié)Rl控制預(yù)偏置電流IB。調(diào)節(jié)R2使再生信號與PIN輸出取得平衡，使IB保持恒定。第九十四頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日當輸出光功率產(chǎn)生變化時，平衡破壞，反饋偏置電路將自動調(diào)整IB，使輸出功率恢復(fù)到原來的值，電路又恢復(fù)平衡狀態(tài)。R3Cl構(gòu)成LD的慢啟動網(wǎng)絡(luò)，當剛開啟電源或有突發(fā)的電沖擊時，由于電路的時間常數(shù)很大(～lms)，IB只能慢慢增大。這時，前面的控制電路首先進入穩(wěn)定控制狀態(tài)，然后IB緩慢增大，保護LD免受沖擊。

第九十五頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日

溫度變化引起LD輸出光功率的變化，雖然可以通過APC電路進行調(diào)節(jié)，使輸出光功率恢復(fù)正常值。但是，如果環(huán)境溫度升高較多，經(jīng)APC調(diào)節(jié)后，IB增大較多，則LD的結(jié)溫因此也升高很多，致使Ith繼續(xù)增大，造成惡性循環(huán)，從而影響了LD的使用壽命。因此，為保證激光器長期穩(wěn)定工作，必須采用自動溫度控制電路(ATC)使激光器的工作溫度始終保持在20度左右。微制冷器多采用半導(dǎo)體制冷器。它是利用半導(dǎo)體材料的珀爾帖效應(yīng)制成的。當直流電流通過兩種半導(dǎo)體組成的電偶時，出現(xiàn)一端吸熱另一端放熱的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為珀爾帖效應(yīng)。微型半導(dǎo)體制冷器的溫差可以達到30℃～40℃。6、自動溫度控制電路(ATC)

LD的溫度控制由微型制冷器、熱敏元件及控制電路組成。第九十六頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日目前實際商用的半導(dǎo)體激光器總是和其他一些部件封裝在一起，形成一個完整的LD組件，它將LD芯片、半導(dǎo)體制冷器和具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻等封裝在一個體積很小的密封盒內(nèi)，控制電路放在盒外，這屬于內(nèi)制冷方式。內(nèi)制冷方式不僅結(jié)構(gòu)緊湊，控制效率也很高，使激光器有較恒定的輸出光功率和發(fā)射波長。

外制冷方式是將外加半導(dǎo)體制冷器與山組件的密封盒緊密接觸，通過控制電路給外加制冷器加直流，達到控制LD周圍環(huán)境溫度的目的。通常內(nèi)制冷較外制冷方式更直接、有效。制冷方式分為內(nèi)制冷和外制冷兩種。第九十七頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日為半導(dǎo)體制冷器的結(jié)構(gòu)示意圖單個熱電偶是由P型和N型摻雜的半導(dǎo)體組成，它被焊接在銅連接片上，并用陶瓷面板電絕緣。當未接外電路時，跨越它兩端形成的溫度差使它的兩端產(chǎn)生一與溫度差成比例的電位差。此時將其與外電路的負載連接起來，將產(chǎn)生電流，從而輸出電功率，這就是一個熱電偶器件。

直流電流通過熱電偶將產(chǎn)生珀爾帖效應(yīng)，在它的一端吸收熱量，與之相連的物體將被冷卻；另一端排放熱量，將散熱器與之接觸，該熱電偶起到制冷器的作用。如果改變直流電流的方向，制冷器的吸熱、散熱端將互換。

第九十八頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日LD組件中的熱敏電阻具有負溫度系數(shù)，在20℃時阻值Rt＝10kΩ～12kΩ，ΔRt／ΔT≈-0．5％／℃。它與Rl，R2，R3組成橋式電路，其輸出電壓加到差分放大器的同相和反相輸入端，在某溫度下，電橋達到平衡。LD溫度升高時，Rt下降，BGl正向?qū)?，通過制冷器Rc的電流Ic加大，使LD的溫度下降。具體控制過程如下：

----T↑→Rt↓→差分放大器輸入端壓降↑→差分放大器輸出電壓↑→Ic↑→T↓。實際上激光器在連續(xù)工作時，管芯溫度會持續(xù)上升，從而使得熱敏電阻Rt總保持在Rt≠R3即電橋總不平衡，于是Ic維持一定值，即控制電路始終為致冷器提供恒定的工作電流Ic。在光發(fā)送電路中，由于采用了ATC和APC電路，使LD輸出光功率的穩(wěn)定度保持在較高的水平上。在環(huán)境溫度為十5℃～十50℃范圍內(nèi)，LD輸出光功率的不穩(wěn)定度小于5％。溫度控制電路第九十九頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日

7、激光器的保護及告警電路

光源是光發(fā)送電路的核心，它價格昂貴又較容易損壞。因此在光發(fā)送電路中必須設(shè)有保持電路，以防止意外的損壞。另外，當光發(fā)送電路出現(xiàn)故障時，告警電路應(yīng)發(fā)出相應(yīng)的聲、光告警信號，以便于工作人員維護。①光源的過流保護電路為了使光源不致因通過大電流而損壞，一般需對光源進行過流保護。②無光告警電路當光發(fā)送機電路出現(xiàn)故障，或輸入信號中斷、或激光器損壞時，都可能使LD長時間不發(fā)光。這時，無光告警電路都應(yīng)動作，發(fā)出相應(yīng)的聲光告警信號。

③壽命告警電路隨著使用時間的增長，LD閾值電流也將逐漸增大。當閾值電流增大到開始使用時的1.5倍時，就認為激光器的壽命終止。

由于IB≈Ith，所以壽命告警電路通常采用監(jiān)測偏流IB的值來判斷激光器壽命是否終止。也就是說，當IB＞1.5Itho(Itho為LD開始啟用時的閾值電流)時，壽命告警電路就發(fā)出告警指示。

第一百頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日激光器的過流保護電路T3為激光器提供偏流IB。保護電路由晶體管T4、電阻Rl組成。

正常情況下，電阻Rl上的電壓小于T4的導(dǎo)通降壓，因而T4截止，保護電路不工作。當偏流IB過大，致使Rl上的壓降VRl劇增并超過T4的導(dǎo)通壓降時，T4飽和導(dǎo)通，使Vce4≈0，從而導(dǎo)致T3截止，保護了激光器不致因偏流IB過大而被損壞。第一百零一頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日A2的反向端為直流參考電壓VD，其同相端則為代表LD輸出光功率平均值的Vf。當LD發(fā)光正常時，PIN管檢測到的光電流經(jīng)A1放大后送入A2的同相端。這時，Vf＞VD，因此A2輸出高電平，致使無光告警指示燈LED不亮。當LD不發(fā)光時，PIN管檢測不到光信號，因而Vf＜VD，A2輸出低電平，使無光告警燈發(fā)出紅色告警顯示。另一路高電平為正常、低電平為告警的無光告警信號則被送入監(jiān)控系統(tǒng)處理。無光告警原理圖第一百零二頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日T3為激光器提供偏流IB，T4、R1組成過流保護電路。由于Vl≈IBRl，所以調(diào)整電位器W使V2＝1.5IthoR1。當激光器工作正常時，IB＜1.5Itho，則Vl＜V2，A1輸出高電平，壽命告警燈不亮。如果IB＞1.5Itho，則激光器壽命終止，這時Vl＞V2，A1輸出低電平，壽命告警燈發(fā)黃色告警顯示。同樣有一路高電平正常、低電平告警的壽命告警信號送到監(jiān)控系統(tǒng)。壽命告警電路原理圖第一百零三頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日激光器組件1、激光器組件：是指在一個緊密的結(jié)構(gòu)體中，除了激光二極管（LD）以外，還配置其他的元件以實現(xiàn)LD工作必需的外圍器件。2、LD組件的構(gòu)成圖：驅(qū)動電路偏置電流信號電流監(jiān)視光電二極管LD溫度監(jiān)控ATC電子制冷器光隔離器第一百零四頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日MQW-DFB激光器第一百零五頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日摻鉺激光器第一百零六頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日第一百零七頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日§4.6線路編碼用于光纖傳輸鏈路的兩電平二進制線路碼有三種基本類型：非歸零格式（NRZ）；歸零格式（RZ）；相位編碼格式（PE）。設(shè)計光線鏈路時，要考慮的一個重要因素是傳輸光信號的格式。其重要性在于任何實際的數(shù)字光纖鏈路，其接收機的判決電路必須精確地從接收的光信號中提取定時信息。定時的三個主要目的分別是：在接收機的信噪比最大時對信號進行取樣；保持適當?shù)拿}沖間隔；指示每個時間間隔的開始和結(jié)束。另外，信號檢測過程中，信道噪聲和失真會導(dǎo)致誤碼，故光信號應(yīng)有內(nèi)在的誤碼檢測能力，這可以通過信號的重組（或編碼），引入額外的比特到數(shù)據(jù)流中來實現(xiàn)。所謂信號編碼是指使用一套規(guī)則把信號符號編排為一個特殊的格式。這個過程稱為線路編碼。線路編碼的主要功能是在數(shù)據(jù)流中引入冗余碼，其目的是為了使信道干擾引起的誤碼最小。盡管采用光纖可以獲得巨大的帶寬，但從噪聲方面考慮，較大的帶寬將導(dǎo)致較大的噪聲影響，故希望得到較小的帶寬；而要從數(shù)據(jù)流中獲得定時數(shù)據(jù)就需要較大的帶寬。通過選擇特殊的線路碼，可以在定時和噪聲帶寬之間達成折衷。第一百零八頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日一、重新編碼的原因電碼的缺點：雙極性碼，不能進行光纖傳輸

簡單二進制碼的缺點：（1）碼流中的0、1個數(shù)隨機變化，使得直流分量也發(fā)生隨機的起伏，從而影響了判決電平。（2）隨機碼流容易出現(xiàn)長串連0和連1，使得同步時鐘的提取困難。

（3）沒有冗余碼，不利于誤碼檢測。所以必須重新進行光線路編碼?！?.6線路編碼第一百零九頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日二、數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對編碼的要求：（1）減少光信號中的高頻和低頻分量。

低頻：容易導(dǎo)致基線的漂移，產(chǎn)生誤判。高頻：使得系統(tǒng)帶寬增加，加大電路設(shè)計的難度。

（2）定時信息豐富避免長的連0和連1，使0、1交替分布。（3）有適當?shù)娜哂啻a。一定的冗余碼可以用于平衡碼流，誤碼檢測，公務(wù)通信。但過多的冗余信息會降低接收機的靈敏度。第一百一十頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日1NRZ碼現(xiàn)在已有好幾種不同的NRZ碼得到了廣泛應(yīng)用，它們的帶寬可作為其它碼組的參考。最簡單的NRZ碼就是NRZ電平（NRZ-L），如圖所示。這些碼很容易產(chǎn)生和譯碼，但它們沒有內(nèi)在的誤差監(jiān)測或糾錯能力，而且也沒有自有時鐘（定時）特征。比特周期圖NRZ-L數(shù)據(jù)模式的一個例子另外，NRZ碼有最小的帶寬需求，但接收機的平均輸入功率卻依賴于數(shù)據(jù)的模式。例如很長的1碼出現(xiàn)時，接收功率的高電平將會導(dǎo)致基線漂移效應(yīng)。這種效應(yīng)是由于接收機的交流耦合濾波器的低頻特性引起脈沖拖尾的積累所造成的。當接收機在很長的連1碼后恢復(fù)到原來閾值的過程很慢，而下一個1碼到來時幅度又較低時，就有可能產(chǎn)生誤碼。三、線路碼型第一百一十一頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日接收機的單個輸入脈沖接收機的單個輸出脈沖進入接收機的“1”比特序列接收機輸出的“1”比特序列判決閾值基線漂移圖傳輸長連NRZ“1”碼時引起的接收機基線漂移效應(yīng)同時長的連1或連0，NRZ碼沒有定時信息，因為其中沒有電平變化。于是，除非系統(tǒng)的定時時鐘非常穩(wěn)定，N個同樣的長碼就有可能被誤判為N-1個或N+1個，從而導(dǎo)致誤碼。解決方法一是在系統(tǒng)中使用高穩(wěn)定的時鐘（這樣將明顯增加系統(tǒng)的成本）；另外就是采用分組碼和擾碼。第一百一十二頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日2RZ碼如果有足夠的帶寬富余度，則可將每個數(shù)據(jù)比特編為兩個光線路碼比特，這就是RZ碼的基礎(chǔ)。在這些碼型中，為了提供定時信息，既可在部分的也可在全部的比特周期內(nèi)發(fā)生信號電平的變化。下圖給出了RZ碼的一些碼型，圖(a)是基帶（NRZ-L）數(shù)據(jù)，(c)是單極RZ碼。NRZ-L基帶數(shù)據(jù)時鐘信號單極性RZ碼雙相碼或光曼切斯特碼變換圖RZ碼型：(a)NRZ-L基帶數(shù)據(jù)；(b)時鐘信號；(c)單極性RZ碼；(d)雙向碼或光曼切斯特碼；(e)曼切斯特數(shù)據(jù)在比特周期內(nèi)發(fā)生的電平轉(zhuǎn)換第一百一十三頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日單極RZ格式的一個缺點是長的連0碼會導(dǎo)致定時同步的丟失。雙相碼或光曼切斯特碼就沒有這種限制。對基帶(NRZ-L)信號和時鐘信號直接進行模二加運算即可得到光曼切斯特碼。該碼每個比特間隔的中心處都有電平轉(zhuǎn)換，負相變換表示1比特，爭相表示0比特。它易于編碼和譯碼，但需占用兩倍NRZ碼的帶寬；另外它也沒有內(nèi)在誤碼檢測和糾錯能力。第一百一十四頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日1、分組碼一種高效率的冗余二進制碼是mBnB分組碼，即將由m個二進制比特構(gòu)成的分組，轉(zhuǎn)換為由n個（n>m）二進制比特構(gòu)成的分組。新的分組以NRZ或RZ的格式傳輸。mBnB分組碼可以提供足夠的定時和檢錯信息，又因沒有長0或長1，所以沒有基線漂移問題；但使用這種格式，將面臨帶寬增加的代價，附加的冗余比特將以n/m的比率增加帶寬。3B4B分組碼如下：數(shù)字3B4B方式1方式2012345670000010100111001011101110100001101010110100110101100001010110011010101101001101011001101四、線路編碼第一百一十五頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日幾種mBnB參數(shù)對比列在表中，表中參數(shù)如下：n/m比率，代表帶寬的增加；最大的連續(xù)同符號數(shù)（較小的值更利于時鐘恢復(fù)）；累加偏差D的限度；禁用字（不使用的n比特字符）所占的百分比W（接收機非法字符的檢測可以實現(xiàn)字符重構(gòu)）。幾種mBnB碼的比較碼型n/mNmaxDW(%)3B4B1.334±3256B8B1.336±3755B6B1.206±4287B8B1.149±7279B10B1.1111±824第一百一十六頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日mBnB碼將原始二進制碼分組，m個為一組，變換后為n個一組。（m>n）編碼原理（以3B4B碼為例）3B4B00000001000001000110010100010101001100111011100010011001010101110111001101110