第六章：光端机
6.1光源与光纤的耦合
6.2光调制
6.3光发射机
6.4光接收机
6.5光接收机噪声分析
6.6光接收机的误码率和接收灵敏度
6.7光中继器
6.1光源与光纤的耦合
? 从光源发射出来的光功率尽可能多地
送入光纤中传输, 这就是光源与光纤的
耦合问题 。
? 衡量光源与光纤耦合的质量可以用耦合
效率 η,它定义为
? η=PF/PS (6-1-1)
? 式中,PF—耦合进入光纤的光功率
? PS—光源发射的功率 。
? 光源与光纤的耦合效率,
? 与光源的类型 (LED或 LD)及光纤的类型
(多模光纤或模光纤 )有关 。
? LD与单模光纤的耦合效率较高, 可以达
到 30～ 50%,而 LED与单模光纤的耦合
效率较低, 可能小于 1%。
?光源与光纤的耦合方法,
?一般采用下面两种,
?直接耦合和透镜耦合
光源与光纤的透镜耦合如图所示
? 一个理想的微透镜耦合结构应用下列四
个特征,
? 足够大的数值孔径收集激光辐射
? 焦距完全匹配于激光器和光纤的模式
? 无球差
? 端面应增透镀覆以消除反射 。
6.2 光调制
? 要实现光纤通信, 首先要解决的问题是
如何将电信号加载到光源的发射光束上,
即需要进行光调制 。
? 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 。
1 光源的直接调制
? 直接调制就是将调制信号直接作用在光源上,
把要传送的信息转变为电源信号注入到 LD或
LED,获得相应的光信号 。 这种方法调制的是
光源的发光强度调制 (IM)。
? 直接调制具有简单, 经济, 容易实现等优点,
是光纤通信系统中广泛采用的调制方式 。
? 从调制信号的形式来说, 光源的直接调制又可
分为模拟信号调制和数字信号调制
2 LD调制特性
? LD的直接调制具有许多突出的特点, 它在光纤
通信系统中应用极其广泛 。
? LD的调制特性如下,
? (1) 电光延迟
? (2) 张驰振荡
? (3) 小信号输入的频率响应
? (4) 频率啁啾
3 光源的外部调制
? 光源内调制的优点是电路简单容易实现,
但是, 在高码速下将使光源的性能变坏,
因此需要对光源的外调制方式 。
? 目前使用的外调制方式有,
? (1) 电光调制
? （ 2） 声光调制
? （ 3） 磁光调制
6.3 光发射机
?1 对光发射机性能的要求
? 光发射机的作用是把电端机送来的
电信号变为光信号送入光纤中传输 。
? 包括以下方面,
? (1)光源特性
? (2)调制特性
? (3)输出特性
2 光发射机的组成
? 目前使用的光发射机大多数是直接调制
的光发射机, 它的原理如图 6-3-1所示 。
3 输入电路
? 输入电路由图 6-3-3所示电路组成
6.4光接收机
?1 光接收机的组成
? 光接收机的作用是把接收来的光信号转
变为原来的电信号, 它的性能的优劣直
接影响整个光纤通信系统的性能 。
? 光纤通信系统有模拟和数字两大类, 光
接收机也相应的有两大类, 即模拟接收
机和数字接收机 。
? 直接检测数字光纤通信接收机一般由三
个部分组成，即光接收机的前端、线性
通道和数据恢复。如图所示,
2 光接收机前端
? 光接收机前端的作用是将光纤线路末端耦合到
光电检测器的光比特流转变为时变电流, 然后
进行预放大, 以便后一级进一步处理 。
? (1) 光电检测器
? 一般采用 PIN光电二极管或 APD雪崩光电二极管,
它们性能的优劣直接影响整个光接收机的性能
? (2)
? 光电检测器输出的光电流是十分微弱的, 需要
多级放大器进行放大, 多级放大器的前级 为前
置放大器 。
? 一台性能优良的光接收机, 应具有无失真地检
测和恢复微弱信号的能力, 这首先要求其前端
应有低噪声, 高灵敏度和足够的带宽 。
? 根据不同的应用要求, 前端的设计有三种不同
的方案,
? (1)低阻抗前端
? (2)高阻抗前端 。
? (3)跨 (互 )阻抗前端 。
3 线性能道
? 光接收机的线性通道由一个
高增益的主放大器和一个均衡滤
波器组成, 还应包括峰值检测和
自动增益控制 (AGC)电路, 用来
控制放大器增益 。
?
? ① 将前置放大器输出的信号放大到判决电路所
需要的信号电平 。
? ② 它还是一个增益可调节的放大器, 当光电检
测器输出的信号出现起伏时, 通过光接收机的
自动增益控制电路对主放大器的增益进行调整,
以使主放大器的输出信号幅度在一定范围不受
输入信号的影响, 一般主放大器的峰 -峰值输
出是几伏数量级 。 对于 APD的光接收机还通过
控制 APD的偏压来控制雪崩倍增管的雪崩增益 。
? 均衡滤波器的作用是均衡波形有利判决 。
均衡滤波器是必不可少的 。
? ①
? 将会使前, 后码元的波形重叠, 产生码间干扰,
严重时造成判决电路误判, 产生误码 。
? ②
? 均衡滤波器是使经过均衡器以后的波形成为有
利于判决的波形 。 例如, 成为升余弦频谱脉冲 。
? 均衡滤波器是使经过均衡器以后的波形
成为有利于判决的波形 。
?4 数据恢复
? 数据恢复电路由判决电路和时钟恢复电
路组成, 如果需要与电端机接口, 还需
要解码, 解扰和编码电路
? 判决电路和时钟恢复电路的任务是把线
性通道输出的升余弦波形恢复成数字信
号 。
?5 辅助电路
? 光接收机除上面介绍的若干部分外, 还
有一些辅助电路,
? (1)钳位电路 。
? (2)温度补偿电路 。
? (3)告警电路 。
?6
? 光接收机的组成部件, 除了光电二极
管外, 都是标准的电子元器件, 采用标
准集成电路 (IC)工艺技术, 很容易集成
在同一芯片上, 做成集成光接收机 。
? 在高比特工作时, 这种集成光接收机
具有很多优点 。 90年代末用 Si和 GaAs集
成电路工艺已制成带宽超过 2GHz的集成
光接收机, 现在带宽超过 10GHz的集成
光接收机也已用于光波实验系统 。
6.5 光接收机噪声分析
? 1 数字光纤通信系统的信号变换特点
? 在数字光纤通信系统中, 传输的是由
,0”和, 1”组成的二进制光脉冲信号,
这是一种单极性码, 即光功率在, 接
通, (“1”码 )和, 断开, (“0”码 )两个电平
上变动 。
? 按照, 1”码时码元周期 T的大小, 分
为归零码 (RZ码 )与非归零码 (NRZ码 )两
种 。
? 图 6-5-2为数字光纤通信系统中数字脉冲
传输过程的变换特点
? 2 光接收机的噪声源
? 光接收机的噪声是与信息无关的随机
变化量, 噪声源从引入过程来分, 可分
为两类, 即与信号光电检测器有关的噪
声和与光电接收机电路有关的噪声 。
? 与信号光电检测器有关的噪声包括：
量子噪声, 雪崩倍增噪声, 暗电流及漏
电流噪声和背景噪声等等 。
? 与光接收机电路有关的噪声包括：放
大器噪声, 负载电阻热噪声等 。
? 3 噪声的评价方法
? 噪声是一种随机性的起伏量, 是电
信号中不需要的成分, 它干扰实际系统
中信号的传输和处理, 影响和限制了系
统的性能 。
? (1)
? (2)信噪比 (SNR)
? SNR=平均信号功率 /噪声功率
6.6光接收机的误码率和接收灵敏度
? 光接收机的误码率和灵敏度是描述
光接收机准确检测光信号能力的性能指
标。
1 光接收机的误码率
? 光接收机的误码率 BER定义为,
? BER=错误接收的码元数 /传输的码元总数
? 那么光接收机的误码是如何产生的?
? 如图 6-6-1所示,
? 若 I＞ ID,采样值为, 1”,若 I＜ ID,采样
值则为, 0”。
? 如果传输的信码为, 1”,可是 I＜ ID,则
发生错误 。
? 同样传输的信码为, 0”,可是 I＞ ID,则
同样发生错误, 这两个错误都将引起误
码 。
? 2 光接收机的灵敏度和动态范围
? 光接收机的灵敏度可以用满足给定的误
码率指标条件下而可靠工作所需要的最
小平均光功率 Pmin来表示 。
? 最小平均光功率 Pmin,在国际单位制中,
它的单位是瓦 (W)。
? 工程上, 光接收机的灵敏率常用光功率
相对值来表示, 单位是分贝毫瓦 (dBm)。
? 光接收机的动态范围,
? 是在保证系统的误码率指标要求下, 光
接收机最低输入光功率 Pmin和最大允许光
功率 Pmax的变化范围 。 这个范围用 D来表
示, 一般在工程上用二者 (用 dBm描述 )之
差来表示 。
? 一台质量好的光接收机应有较宽的动态
范围 。
6.7 光中继器
? 在光纤通信线路上, 光纤的吸收和散射导
致光信号衰减, 光纤的色散将使光脉冲信号畸
变 。
? 导致信息传输质量降低, 误码率增高, 限
制了通信距离 。 为了满足长距离通信的需要,
必须在光纤传输线路上每隔一定距离加入一个
中继器, 以补偿光信号的衰减和对畸变信号进
行整形, 然后继续向终端传送 。
? 通常有两种中继方法,
? 一种是传统方法, 采用光 -电 -光转换方式,
亦称光电光混合中继器；
? 另一种采用光放大器对光信号进行直接
放大的中继器 。
? 光 -电 -光中继器, 在光纤通信系统中, 光中继
器作为一种系统的基本单元, 除了没有接口码
型转换和控制部分外, 在原理, 组成元件与主
要特性方面与光接收机与光发射机相同 。
6.1光源与光纤的耦合
6.2光调制
6.3光发射机
6.4光接收机
6.5光接收机噪声分析
6.6光接收机的误码率和接收灵敏度
6.7光中继器
6.1光源与光纤的耦合
? 从光源发射出来的光功率尽可能多地
送入光纤中传输, 这就是光源与光纤的
耦合问题 。
? 衡量光源与光纤耦合的质量可以用耦合
效率 η,它定义为
? η=PF/PS (6-1-1)
? 式中,PF—耦合进入光纤的光功率
? PS—光源发射的功率 。
? 光源与光纤的耦合效率,
? 与光源的类型 (LED或 LD)及光纤的类型
(多模光纤或模光纤 )有关 。
? LD与单模光纤的耦合效率较高, 可以达
到 30～ 50%,而 LED与单模光纤的耦合
效率较低, 可能小于 1%。
?光源与光纤的耦合方法,
?一般采用下面两种,
?直接耦合和透镜耦合
光源与光纤的透镜耦合如图所示
? 一个理想的微透镜耦合结构应用下列四
个特征,
? 足够大的数值孔径收集激光辐射
? 焦距完全匹配于激光器和光纤的模式
? 无球差
? 端面应增透镀覆以消除反射 。
6.2 光调制
? 要实现光纤通信, 首先要解决的问题是
如何将电信号加载到光源的发射光束上,
即需要进行光调制 。
? 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 。
1 光源的直接调制
? 直接调制就是将调制信号直接作用在光源上,
把要传送的信息转变为电源信号注入到 LD或
LED,获得相应的光信号 。 这种方法调制的是
光源的发光强度调制 (IM)。
? 直接调制具有简单, 经济, 容易实现等优点,
是光纤通信系统中广泛采用的调制方式 。
? 从调制信号的形式来说, 光源的直接调制又可
分为模拟信号调制和数字信号调制
2 LD调制特性
? LD的直接调制具有许多突出的特点, 它在光纤
通信系统中应用极其广泛 。
? LD的调制特性如下,
? (1) 电光延迟
? (2) 张驰振荡
? (3) 小信号输入的频率响应
? (4) 频率啁啾
3 光源的外部调制
? 光源内调制的优点是电路简单容易实现,
但是, 在高码速下将使光源的性能变坏,
因此需要对光源的外调制方式 。
? 目前使用的外调制方式有,
? (1) 电光调制
? （ 2） 声光调制
? （ 3） 磁光调制
6.3 光发射机
?1 对光发射机性能的要求
? 光发射机的作用是把电端机送来的
电信号变为光信号送入光纤中传输 。
? 包括以下方面,
? (1)光源特性
? (2)调制特性
? (3)输出特性
2 光发射机的组成
? 目前使用的光发射机大多数是直接调制
的光发射机, 它的原理如图 6-3-1所示 。
3 输入电路
? 输入电路由图 6-3-3所示电路组成
6.4光接收机
?1 光接收机的组成
? 光接收机的作用是把接收来的光信号转
变为原来的电信号, 它的性能的优劣直
接影响整个光纤通信系统的性能 。
? 光纤通信系统有模拟和数字两大类, 光
接收机也相应的有两大类, 即模拟接收
机和数字接收机 。
? 直接检测数字光纤通信接收机一般由三
个部分组成，即光接收机的前端、线性
通道和数据恢复。如图所示,
2 光接收机前端
? 光接收机前端的作用是将光纤线路末端耦合到
光电检测器的光比特流转变为时变电流, 然后
进行预放大, 以便后一级进一步处理 。
? (1) 光电检测器
? 一般采用 PIN光电二极管或 APD雪崩光电二极管,
它们性能的优劣直接影响整个光接收机的性能
? (2)
? 光电检测器输出的光电流是十分微弱的, 需要
多级放大器进行放大, 多级放大器的前级 为前
置放大器 。
? 一台性能优良的光接收机, 应具有无失真地检
测和恢复微弱信号的能力, 这首先要求其前端
应有低噪声, 高灵敏度和足够的带宽 。
? 根据不同的应用要求, 前端的设计有三种不同
的方案,
? (1)低阻抗前端
? (2)高阻抗前端 。
? (3)跨 (互 )阻抗前端 。
3 线性能道
? 光接收机的线性通道由一个
高增益的主放大器和一个均衡滤
波器组成, 还应包括峰值检测和
自动增益控制 (AGC)电路, 用来
控制放大器增益 。
?
? ① 将前置放大器输出的信号放大到判决电路所
需要的信号电平 。
? ② 它还是一个增益可调节的放大器, 当光电检
测器输出的信号出现起伏时, 通过光接收机的
自动增益控制电路对主放大器的增益进行调整,
以使主放大器的输出信号幅度在一定范围不受
输入信号的影响, 一般主放大器的峰 -峰值输
出是几伏数量级 。 对于 APD的光接收机还通过
控制 APD的偏压来控制雪崩倍增管的雪崩增益 。
? 均衡滤波器的作用是均衡波形有利判决 。
均衡滤波器是必不可少的 。
? ①
? 将会使前, 后码元的波形重叠, 产生码间干扰,
严重时造成判决电路误判, 产生误码 。
? ②
? 均衡滤波器是使经过均衡器以后的波形成为有
利于判决的波形 。 例如, 成为升余弦频谱脉冲 。
? 均衡滤波器是使经过均衡器以后的波形
成为有利于判决的波形 。
?4 数据恢复
? 数据恢复电路由判决电路和时钟恢复电
路组成, 如果需要与电端机接口, 还需
要解码, 解扰和编码电路
? 判决电路和时钟恢复电路的任务是把线
性通道输出的升余弦波形恢复成数字信
号 。
?5 辅助电路
? 光接收机除上面介绍的若干部分外, 还
有一些辅助电路,
? (1)钳位电路 。
? (2)温度补偿电路 。
? (3)告警电路 。
?6
? 光接收机的组成部件, 除了光电二极
管外, 都是标准的电子元器件, 采用标
准集成电路 (IC)工艺技术, 很容易集成
在同一芯片上, 做成集成光接收机 。
? 在高比特工作时, 这种集成光接收机
具有很多优点 。 90年代末用 Si和 GaAs集
成电路工艺已制成带宽超过 2GHz的集成
光接收机, 现在带宽超过 10GHz的集成
光接收机也已用于光波实验系统 。
6.5 光接收机噪声分析
? 1 数字光纤通信系统的信号变换特点
? 在数字光纤通信系统中, 传输的是由
,0”和, 1”组成的二进制光脉冲信号,
这是一种单极性码, 即光功率在, 接
通, (“1”码 )和, 断开, (“0”码 )两个电平
上变动 。
? 按照, 1”码时码元周期 T的大小, 分
为归零码 (RZ码 )与非归零码 (NRZ码 )两
种 。
? 图 6-5-2为数字光纤通信系统中数字脉冲
传输过程的变换特点
? 2 光接收机的噪声源
? 光接收机的噪声是与信息无关的随机
变化量, 噪声源从引入过程来分, 可分
为两类, 即与信号光电检测器有关的噪
声和与光电接收机电路有关的噪声 。
? 与信号光电检测器有关的噪声包括：
量子噪声, 雪崩倍增噪声, 暗电流及漏
电流噪声和背景噪声等等 。
? 与光接收机电路有关的噪声包括：放
大器噪声, 负载电阻热噪声等 。
? 3 噪声的评价方法
? 噪声是一种随机性的起伏量, 是电
信号中不需要的成分, 它干扰实际系统
中信号的传输和处理, 影响和限制了系
统的性能 。
? (1)
? (2)信噪比 (SNR)
? SNR=平均信号功率 /噪声功率
6.6光接收机的误码率和接收灵敏度
? 光接收机的误码率和灵敏度是描述
光接收机准确检测光信号能力的性能指
标。
1 光接收机的误码率
? 光接收机的误码率 BER定义为,
? BER=错误接收的码元数 /传输的码元总数
? 那么光接收机的误码是如何产生的?
? 如图 6-6-1所示,
? 若 I＞ ID,采样值为, 1”,若 I＜ ID,采样
值则为, 0”。
? 如果传输的信码为, 1”,可是 I＜ ID,则
发生错误 。
? 同样传输的信码为, 0”,可是 I＞ ID,则
同样发生错误, 这两个错误都将引起误
码 。
? 2 光接收机的灵敏度和动态范围
? 光接收机的灵敏度可以用满足给定的误
码率指标条件下而可靠工作所需要的最
小平均光功率 Pmin来表示 。
? 最小平均光功率 Pmin,在国际单位制中,
它的单位是瓦 (W)。
? 工程上, 光接收机的灵敏率常用光功率
相对值来表示, 单位是分贝毫瓦 (dBm)。
? 光接收机的动态范围,
? 是在保证系统的误码率指标要求下, 光
接收机最低输入光功率 Pmin和最大允许光
功率 Pmax的变化范围 。 这个范围用 D来表
示, 一般在工程上用二者 (用 dBm描述 )之
差来表示 。
? 一台质量好的光接收机应有较宽的动态
范围 。
6.7 光中继器
? 在光纤通信线路上, 光纤的吸收和散射导
致光信号衰减, 光纤的色散将使光脉冲信号畸
变 。
? 导致信息传输质量降低, 误码率增高, 限
制了通信距离 。 为了满足长距离通信的需要,
必须在光纤传输线路上每隔一定距离加入一个
中继器, 以补偿光信号的衰减和对畸变信号进
行整形, 然后继续向终端传送 。
? 通常有两种中继方法,
? 一种是传统方法, 采用光 -电 -光转换方式,
亦称光电光混合中继器；
? 另一种采用光放大器对光信号进行直接
放大的中继器 。
? 光 -电 -光中继器, 在光纤通信系统中, 光中继
器作为一种系统的基本单元, 除了没有接口码
型转换和控制部分外, 在原理, 组成元件与主
要特性方面与光接收机与光发射机相同 。
