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第 4 章 光端机 4.1 光发射机 4.2 光接收机 4.3 线路编码. 第 4 章光端机. 4.1 光发射机 数字光发射机 的 功能 是把电端机输出的数字基带电信号转换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路，电 / 光转换是用承载信息的数字电信号对光源进行调制来实现的。调制分为 直接调制 和 外调制 两种方式。受调制的光源特性参数有 功率 、 幅度 、 频率 和 相位 。目前技术上成熟并在实际光纤通信系统得到广泛应用的是 直接光强 ( 功率 ) 调制 。 .
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第 4 章 光端机 4.1 光发射机 4.2 光接收机 4.3 线路编码
第 4 章光端机 4.1光发射机 数字光发射机的功能是把电端机输出的数字基带电信号转换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路，电/光转换是用承载信息的数字电信号对光源进行调制来实现的。调制分为直接调制和外调制两种方式。受调制的光源特性参数有功率、 幅度、频率和相位。目前技术上成熟并在实际光纤通信系统得到广泛应用的是直接光强(功率)调制。
图 4.1直接光强数字调制原理 (a) LED数字调制原理； (b) LD的数字调制原理
4.1.1光发射机基本组成 数字光发射机的方框图如图4.2所示，主要有光源和电路两部分。光源是实现电/光转换的关键器件，在很大程度上决定着光发射机的性能。电路的设计应以光源为依据，使输出光信号准确反映输入电信号。 1. 光源 对通信用光源的要求如下： (1) 发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，即中心波长应在0.85 μm、 1.31 μm和1.55 μm附近。光谱单色性要好， 即谱线宽度要窄， 以减小光纤色散对带宽的限制。
(2) 电/光转换效率要高，即要求在足够低的驱动电流下， 有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。发射光束的方向性要好，即远场的辐射角要小，以利于提高光源与光纤之间的耦合效率。 (3) 允许的调制速率要高或响应速度要快， 以满足系统的大传输容量的要求。 (4) 器件应能在常温下以连续波方式工作， 要求温度稳定性好， 可靠性高，寿命长。 (5) 此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。
以上各项中，调制速率、谱线宽度、输出光功率和光束方向性，直接影响光纤通信系统的传输容量和传输距离，是光源最重要的技术指标。目前，不同类型的半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)可以满足不同应用场合的要求。 2. 调制电路和控制电路 直接光强调制的数字光发射机主要电路有调制电路、控制电路和线路编码电路，采用激光器作光源时，还有偏置电路。 对调制电路和控制电路的要求如下： (1) 输出光脉冲的通断比(全“1”码平均光功率和全“0”码平均光功率的比值，或消光比的倒数)应大于10，以保证足够的光接收信噪比。
(2) 输出光脉冲的宽度应远大于开通延迟(电光延迟)时间， 光脉冲的上升时间、下降时间和开通延迟时间应足够短，以便在高速率调制下，输出的光脉冲能准确再现输入电脉冲的波形。 (3) 对激光器应施加足够的偏置电流，以便抑制在较高速率调制下可能出现的张弛振荡，保证发射机正常工作。 (4) 应采用自动功率控制(APC)和自动温度控制(ATC)， 以保证输出光功率有足够的稳定性。
3. 线路编码电路 线路编码之所以必要，是因为电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码，而光源不能发射负脉冲，所以要变换为适合于光纤传输的单极性码，线路编码的其它原因见4.3节所述。
4.1.2调制特性 半导体激光器是光纤通信的理想光源，但在高速脉冲调制下，其瞬态特性仍会出现许多复杂现象，如常见的电光延迟、 张弛振荡和自脉动现象。这种特性严重限制系统传输速率和通信质量，因此在电路的设计时要给予充分考虑。 1. 电光延迟和弛张振荡现象 半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，称为电光延迟时间td，其数量级一般为ns。当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡， 称为弛张振荡，其振荡频率fr(=ωr/2π)一般为0.5~2 GHz。这些特性与激光器有源区的电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命以及注入电流初始偏差量有关。
弛张振荡和电光延迟的后果是限制调制速率。当最高调制频率接近弛张振荡频率时，波形失真严重，会使光接收机在抽样判决时增加误码率，因此实际使用的最高调制频率应低于张弛振荡频率。 电光延迟要产生码型效应。当电光延迟时间td与数字调制的码元持续时间T/2为相同数量级时，会使“0”码过后的第一个“1码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个“１”码丢失， 这种现象称为“码型效应”。 如图4.4，在两个接连出现的“1”码中，第一个脉冲到来前，有较长的连“0”码， 由于电光延迟时间长和光脉冲上升时间的影响，因此脉冲变小。第二个脉冲到来时，由于第一个脉冲的电子复合尚未完全消失，有源区电子密度较高，因此电光延迟时间短， 脉冲较大。
图4.4 码型效应 （a) 、(b)码效应波形；（c）改善后波形
“码型效应”的特点是， 在脉冲序列中较长的连“0”码后出现的“1”码，其脉冲明显变小，而且连“0”码数目越多，调制速率越高，这种效应越明显。用适当的“过调制”补偿方法， 可以消除码型效应，见图4.4(c)所示。 为了进一步了解激光器的调制特性，应求出LD速率方程组的瞬态解。由此得到的弛张振荡频率ωr及其幅度衰减时间τo和电光延迟时间td的表达式为：
式中，τo是张弛振荡幅度衰减到初始值的1/e的时间，j和jth分别为注入电流密度和阈值电流密度。τsp和τph分别为电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命。在典型的激光器中，τsp≈10-9s,τph≈10-12s，即τsp >>τph。由式(4.1)~式(4.3)可以看到： (1)弛张振荡频率ωr随τsp、τph的减小而增加，随j的增加而增加。这个振荡频率决定了LD的最高调制频率。 (2)弛张振荡幅度衰减时间τo与τsp为相同数量级，并随j的增加而减小。
(2) 电光延迟时间td与τsp为相同数量级，并随j的增加而减小(j>jth)。 由此可见，增加注入电流j，有利于提高张弛振荡频率ωr，减小其幅度衰减时间τo，以及减小电光延迟时间td，因此对LD施加偏置电流是非常必要的。 2. 自脉动现象 某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，当注入电流达到某个范围时，输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡，这种现象称为自脉动现象，如图4.5所示。 自脉动频率可达2GHz，严重影响LD的高速调制特性。
自脉动现象是激光器内部不均匀增益或不均匀吸收产生的， 往往和LD的P - I曲线的非线性有关，自脉动发生的区域和P - I曲线扭折区域相对应。因此在选择激光器时应特别注意。
4.1.3调制电路和自动功率控制 数字信号调制电路应采用电流开关电路， 最常用的是差分电流开关电路。 图4.6示出由三极管组成的共发射极驱动电路，数字信号Uin从三极管V的基极输入，通过集电极的电流驱动LED。数字信号“0”码和“1”码对应于V的截止和饱和状态，电流的大小根据对输出光信号幅度的要求确定。这种驱动电路适用于10 Mb/s以下的低速率系统，更高速率系统应采用差分电流开关电路。
图4.7是常用的射极耦合驱动电路，适合于激光器系统使用。电流源为由V1和V2组成的差分开关电路，它提供了恒定的偏置电流。在V2基极上施加直流参考电压UB， V2集电极的电压取决于LD的正向电压，数字电信号Uin从V1基极输入。 当信号为“0”码时，V1基极电位比UB高而抢先导通，V2截止， LD不发光；反之，当信号为“１”码时，V1基极电位比UB低， V2抢先导通，驱动LD发光。V1和V2处于轮流截止和非饱和导通状态，有利于提高调制速率。当三极管截止频率fr≥4.5 GHz时，这种电路的调制速率可达300 Mb/s。射极耦合电路为恒流源，电流噪声小，这种电路的缺点是动态范围小，功耗较大。
UB 图 4.7 射极耦合LD驱动电路图
由于温度变化和工作时间加长，LD的输出光功率会发生变化。为保证输出光功率的稳定， 必须改进电路设计。图4.8是利用反馈电流使输出光功率稳定的LD驱动电路，其主体和图4.7相同，只是由V3支路为LD提供的偏置电流Ib受到激光器背向输出光平均功率和输入数字信号均值Uin的控制。把PD检测器的输出监测电压UPD、信号参考电压Uin和直流参考电压UR施加到运算放大器A1的反相输入端，经放大后，控制V3基极电压和偏置电流Ib，其控制过程如下： PLD→UPD→(UPD+ +UR)→UA1→Ib→PLD 在反馈电路中引入信号参考电压的目的，是使LD的偏置电流Ib不受码流中“0”码和“1”码比例变化的影响。
UPD 4.8 反馈稳定LD驱动电路
4.1.4温度特性和自动温度控制 1. 激光器的温度特性 激光器的温度特性在3.1节已经讨论过，温度对激光器输出光功率的影响主要通过阈值电流Ith和外微分量子效率ηd产生。图4.10 (a)和(b)分别示出温度通过阈值电流和外微分量子效率引起的输出光脉冲的变化：温度升高，阈值电流增加，外微分量子效率减小，输出光脉冲幅度下降。
图 4.10温度引起的光输出的变化 (a) 阈值电流变化引起的光输出的变化； (b) 外微分量子效率变化引起的光输出的变化
即使环境温度不变，由于调制电流的作用，引起激光器结区温度的变化，因而使输出光脉冲的形状发生变化，这种效应称为“结发热效应”。如图4.11所示，设t=0时电脉冲到来， 注入电流为I1，由于电流的热效应，在脉冲持续时间里，结区的温度随时间t而升高，激光器的阈值电流随t而增大，使输出光脉冲的幅度随t而减小。当t=T时电流脉冲过后，注入电流从I1减小到I0，电流散发的热量减少，结区温度随t而降低，阈值电流减小，使输出光脉冲的幅度增大。“结发热效应”将引起调制失真。 与调制速率对激光器瞬态特性的影响相反，低调制速率的“结发热效应”更加明显。这是因为随着调制速率的提高，码元时间间隔缩短，使结区温度来不及发生变化。
2. 自动温度控制 半导体光源的输出特性受温度影响很大，特别是长波长半导体激光器对温度更加敏感。为保证输出特性的稳定，对激光器进行温度控制是十分必要的。 温度控制装置一般由致冷器、热敏电阻和控制电路组成， 图4.12示出温度控制装置的方框图。致冷器的冷端和激光器的热沉接触，热敏电阻作为传感器，探测激光器结区的温度，并把它传递给控制电路，通过控制电路改变致冷量，使激光器输出特性保持恒定。
目前，微致冷大多采用半导体致冷器，它是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的电偶来实现致冷的。用若干对电偶串联或并联组成的温差电功能器件，温度控制范围可达 30~40 ℃。为提高致冷效率和温度控制精度，把致冷器和热敏电阻封装在激光器管壳内，温度控制精度可达±0.5 ℃，从而使激光器输出平均功率和发射波长保持恒定，避免调制失真。 图4.13示出自动温度控制(ATC)电路原理图。由R1、R2、 R3和热敏电阻RT组成“换能”电桥，通过电桥把温度的变化转换为电量的变化。运算放大器A的差动输入端跨接在电桥的对端，用以改变三极管V的基极电流。
在设定温度(例如20 ℃)时，调节R3使电桥平衡，A、B两点没有电位差，传输到运算放大器A的信号为零，流过致冷器TEC的电流也为零。当环境温度升高时，LD的管芯和热沉温度也升高，使具有负温度系数的热敏电阻RT的阻值减小，电桥失去平衡。这时B点的电位低于A点的电位，运算放大器A的输出电压升高，V的基极电流增大，致冷器TEC的电流也增大 致冷端温度降低，热沉和管芯的温度也降低，因而保持温度恒定。这个控制过程可以表示如下： T(环境)→T(LD、热沉)→RT→I(致冷器)→T(LD)
4.2 光接收机 4.2.1光接收机基本组成 直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机主要包括光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、 时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电路。 1. 光检测器 光检测器是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。对光检测器的要求如下： (1) 波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85 μm、 1.31 μm和1.55 μm)兼容；
(2) 响应度要高， 在一定的接收光功率下， 能产生最大的光电流； (3) 噪声要尽可能低， 能接收极微弱的光信号； (4) 性能稳定， 可靠性高， 寿命长， 功耗和体积小。 目前， 适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。 2. 放大器 前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。前放的噪声取决于放大器的类型，目前有三种类型的前放可供选择。
主放大器一般是多级放大器，它的作用是提供足够的增益， 并通过它实现自动增益控制(AGC)，以使输入光信号在一定范围内变化时， 输出电信号保持恒定。主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。 3. 均衡和再生 均衡的目的是对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变(失真)的电信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决(一般用具有升余弦谱的码元脉冲波形)，以消除码间干扰，减 小误码率。 再生电路包括判决电路和时钟提取电路，它的功能是从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个地对码元波形进行取样判决，以得到原发送的码流。
4. 光电集成接收机 图4.14中除光检测器以外的所有元件都是标准的电子器件， 很容易用标准的集成电路(IC)技术将它们集成在同一芯片上。 不论是硅(Si)还是砷化镓(GaAs)IC技术都能够使集成电路的工作带宽超过2 GHz，甚至达到10 GHz。 为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力开发单片光接收机，即用“光电集成电路(OEIC)技术”在同一芯片上集成包括光检测器在内的全部元件。 这样的完全集成对于GaAs接收机(即工作在短波长的接收机)是比较容易的，而且早已得到实现。 然而，对于工作在1.3~1.6 μm波长的系统，人们需要基于InP的OEIC接收机。在1991年试验成功的单路InGaAs OEIC接收机，其运行速率达5 Gb/s。
InGaAs OEIC接收机也可以用混合法实现。如图4.15所示， 电元件集成在GaAs基片上，而光检测器集成在InP基片上，两个部分通过接触片连接在一起。
4.2.2噪声特性 光接收机的噪声有两部分：一部分是外部电磁干扰产生的， 这部分噪声的危害可以通过屏蔽或滤波加以消除；另一部分是内部产生的，这部分噪声是在信号检测和放大过程中引入的随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制造尽可能减小， 一般不可能完全消除。我们下面要讨论的噪声是指内部产生的随机噪声。 光接收机噪声的主要来源是光检测器的噪声和前置放大器的噪声。因为前置级输入的是微弱信号，其噪声对输出信噪比影响很大，而主放大器输入的是经前置级放大的信号，只要前置级增益足够大，主放大器引入的噪声就可以忽略。
图4.16示出光接收机的噪声等效模型， 由光检测器和放大器两部分组成。图中〈i2q〉和〈i2d〉分别为光检测器的量子噪声和暗电流噪声产生的均方噪声电流(等效噪声功率)， 其相应的功率谱密度分别表示为Sq和Sd。ip、R和C分别为光检测器的输出光生电流、偏置电阻和电容(结电容和其他电容)。放大器分解为理想放大器和等效噪声电流源〈i20〉和电压源〈u20〉，其相应的功率谱密度分别表示为SI和SE，Rin是放大器的输入电阻。
放大器噪声特性取决于所采用的前置放大器类型， 根据放大器噪声等效电路和晶体管理论可以计算。常用三种类型前置放大电路示于图4.17， 三种类型前置放大器的比较： (1) 双极型晶体管前置放大器的主要特点是输入阻抗低， 电路时间常数RC小于信号脉冲宽度T，因而码间干扰小，适用于高速率传输系统。 (2) 场效应管前置放大器的主要特点是输入阻抗高， 噪声小，高频特性较差，适用于低速率传输系统。 (3) 跨阻型前置放大器最大的优点是改善了带宽特性和动态范围，并具有良好的噪声特性。
图 4.17光接收机的前置级放大电路 (a) 双极型晶体管； (b) 场效应管； (c) 跨阻型
4.2.3误码率 由于噪声的存在，放大器输出的是一个随机过程， 其取样值是随机变量，因此在判决时可能发生误判，把发射的“0”码误判为“1”码，或把“1”码误判为“0”码。光接收机对码元误判的概率称为误码率(在二元制的情况下，等于误比特率，BER)， 用较长时间间隔内，在传输的码流中，误判的码元数和接收的总码元数的比值来表示。 码元被误判的概率， 可以用噪声电流(压)的概率密度函数来计算。如图4.18所示，I1是“1”码的电流，I0是“0”码的电流。 Im是“１”码的平均电流，而“0”码的平均电流为0。D为判决门限值，一般取D=Im/2。
