第六章：光端机第六章：光端机 6.1光源与光纤的耦合光源与光纤的耦合 6.2光调制光调制 6.3光发射机光发射机 6.4光接收机光接收机 6.5光接收机噪声分析光接收机噪声分析 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接收灵敏度6.7光中继器光中继器 6.1光源与光纤的耦合光源与光纤的耦合l 从从光光源源发发射射出出来来的的光光功功率率尽尽可可能能多多地地送送入入光光纤纤中中传传输输，这这就就是是光光源源与与光光纤纤的的耦合问题。耦合问题。l 衡衡量量光光源源与与光光纤纤耦耦合合的的质质量量可可以以用用耦耦合合效率效率，它定义为，它定义为l =P=PF F/P/PS S (6-1-1) (6-1-1)l式中：式中： P PF F耦合进入光纤的光功率耦合进入光纤的光功率l P PS S光源发射的功率。光源发射的功率。l光源与光纤的耦合效率：光源与光纤的耦合效率：l与与光光源源的的类类型型(LED或或LD)及及光光纤纤的的类类型型(多模光纤或模光纤多模光纤或模光纤)有关。有关。lLD与与单单模模光光纤纤的的耦耦合合效效率率较较高高，可可以以达达到到3050%，而而LED与与单单模模光光纤纤的的耦耦合合效率较低，可能小于效率较低，可能小于1%。 l光源与光纤的耦合方法，光源与光纤的耦合方法，l一般采用下面两种：一般采用下面两种：l直接耦合和透镜耦合直接耦合和透镜耦合光源与光纤的透镜耦合如图所示光源与光纤的透镜耦合如图所示l一一个个理理想想的的微微透透镜镜耦耦合合结结构构应应用用下下列列四四个特征：个特征：l 足够大的数值孔径收集激光辐射足够大的数值孔径收集激光辐射l 焦距完全匹配于激光器和光纤的模式焦距完全匹配于激光器和光纤的模式l 无球差无球差l 端面应增透镀覆以消除反射。端面应增透镀覆以消除反射。6.2 光调制光调制l要要实实现现光光纤纤通通信信，首首先先要要解解决决的的问问题题是是如如何何将将电电信信号号加加载载到到光光源源的的发发射射光光束束上上，即需要进行光调制。即需要进行光调制。l根根据据调调制制与与光光源源的的关关系系，光光调调制制可可分分为为：直接调制和间接调制。直接调制和间接调制。 1光源的直接调制光源的直接调制l直直接接调调制制就就是是将将调调制制信信号号直直接接作作用用在在光光源源上上，把把要要传传送送的的信信息息转转变变为为电电源源信信号号注注入入到到LD或或LED，获获得得相相应应的的光光信信号号。这这种种方方法法调调制制的的是是光源的发光强度调制光源的发光强度调制(IM)。l直直接接调调制制具具有有简简单单、经经济济、容容易易实实现现等等优优点点，是是光光纤纤通通信信系系统统中中广广泛泛采采用用的的调调制制方方式式。l从从调调制制信信号号的的形形式式来来说说，光光源源的的直直接接调调制制又又可可分为模拟信号调制和数字信号调制分为模拟信号调制和数字信号调制2LD调制特性调制特性lLD的的直直接接调调制制具具有有许许多多突突出出的的特特点点，它它在在光光纤纤通信系统中应用极其广泛。通信系统中应用极其广泛。lLD的调制特性如下：的调制特性如下：l(1) (1) 电光延迟电光延迟l(2) (2) 张驰振荡张驰振荡l(3) 小信号输入的频率响应小信号输入的频率响应l(4) (4) 频率啁啾频率啁啾3光源的外部调制光源的外部调制l光光源源内内调调制制的的优优点点是是电电路路简简单单容容易易实实现现，但但是是，在在高高码码速速下下将将使使光光源源的的性性能能变变坏坏，因此需要对光源的外调制方式。因此需要对光源的外调制方式。l目前使用的外调制方式有：目前使用的外调制方式有：l (1) 电光调制电光调制l（2）声光调制）声光调制l （3）磁光调制）磁光调制6.3 光发射机光发射机 l1对光发射机性能的要求对光发射机性能的要求l 光光发发射射机机的的作作用用是是把把电电端端机机送送来来的的电信号变为光信号送入光纤中传输。电信号变为光信号送入光纤中传输。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)调制特性调制特性l (3)输出特性输出特性2光发射机的组成光发射机的组成l目目前前使使用用的的光光发发射射机机大大多多数数是是直直接接调调制制的光发射机，它的原理如图的光发射机，它的原理如图6-3-1所示。所示。3输入电路输入电路l输入电路由图输入电路由图6-3-3所示电路组成所示电路组成6.4光接收机光接收机l1 1光接收机的组成光接收机的组成l光光接接收收机机的的作作用用是是把把接接收收来来的的光光信信号号转转变变为为原原来来的的电电信信号号，它它的的性性能能的的优优劣劣直直接影响整个光纤通信系统的性能。接影响整个光纤通信系统的性能。l光光纤纤通通信信系系统统有有模模拟拟和和数数字字两两大大类类，光光接接收收机机也也相相应应的的有有两两大大类类，即即模模拟拟接接收收机和数字接收机。机和数字接收机。l直接检测数字光纤通信接收机一般由三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：通道和数据恢复。如图所示：2 2光接收机前端光接收机前端l光光接接收收机机前前端端的的作作用用是是将将光光纤纤线线路路末末端端耦耦合合到到光光电电检检测测器器的的光光比比特特流流转转变变为为时时变变电电流流，然然后后进行预放大，以便后一级进一步处理。进行预放大，以便后一级进一步处理。l (1) (1) 光电检测器光电检测器l一一般般采采用用PINPIN光光电电二二极极管管或或APDAPD雪雪崩崩光光电电二二极极管管，它们性能的优劣直接影响整个光接收机的性能它们性能的优劣直接影响整个光接收机的性能l (2) (2) 前置放大器前置放大器l光光电电检检测测器器输输出出的的光光电电流流是是十十分分微微弱弱的的，需需要要多多级级放放大大器器进进行行放放大大，多多级级放放大大器器的的前前级级为为前前置放大器。置放大器。l一一台台性性能能优优良良的的光光接接收收机机，应应具具有有无无失失真真地地检检测测和和恢恢复复微微弱弱信信号号的的能能力力，这这首首先先要要求求其其前前端端应有低噪声，高灵敏度和足够的带宽。应有低噪声，高灵敏度和足够的带宽。l根根据据不不同同的的应应用用要要求求，前前端端的的设设计计有有三三种种不不同同的方案：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。3线性能道线性能道l 光光接接收收机机的的线线性性通通道道由由一一个个高高增增益益的的主主放放大大器器和和一一个个均均衡衡滤滤波波器器组组成成，还还应应包包括括峰峰值值检检测测和和自自动动增增益益控控制制(AGC)电电路路，用用来来控控制放大器增益。制放大器增益。l主放大器的作用有两个方面：主放大器的作用有两个方面：l 将将前前置置放放大大器器输输出出的的信信号号放放大大到到判判决决电电路路所所需要的信号电平。需要的信号电平。l 它它还还是是一一个个增增益益可可调调节节的的放放大大器器，当当光光电电检检测测器器输输出出的的信信号号出出现现起起伏伏时时，通通过过光光接接收收机机的的自自动动增增益益控控制制电电路路对对主主放放大大器器的的增增益益进进行行调调整整，以以使使主主放放大大器器的的输输出出信信号号幅幅度度在在一一定定范范围围不不受受输输入入信信号号的的影影响响，一一般般主主放放大大器器的的峰峰-峰峰值值输输出出是是几几伏伏数数量量级级。对对于于APD的的光光接接收收机机还还通通过过控制控制APD的偏压来控制雪崩倍增管的雪崩增益。的偏压来控制雪崩倍增管的雪崩增益。l 均均衡衡滤滤波波器器的的作作用用是是均均衡衡波波形形有有利利判判决决。均衡滤波器是必不可少的。均衡滤波器是必不可少的。l 没有均衡滤波器将出现这些现象没有均衡滤波器将出现这些现象l将将会会使使前前、后后码码元元的的波波形形重重叠叠，产产生生码码间间干干扰扰，严重时造成判决电路误判，产生误码。严重时造成判决电路误判，产生误码。l 有均衡滤波器的波形有均衡滤波器的波形l均均衡衡滤滤波波器器是是使使经经过过均均衡衡器器以以后后的的波波形形成成为为有有利于判决的波形。例如，成为升余弦频谱脉冲。利于判决的波形。例如，成为升余弦频谱脉冲。l均均衡衡滤滤波波器器是是使使经经过过均均衡衡器器以以后后的的波波形形成为有利于判决的波形。成为有利于判决的波形。l4数据恢复数据恢复l数数据据恢恢复复电电路路由由判判决决电电路路和和时时钟钟恢恢复复电电路路组组成成，如如果果需需要要与与电电端端机机接接口口，还还需需要解码、解扰和编码电路要解码、解扰和编码电路l判判决决电电路路和和时时钟钟恢恢复复电电路路的的任任务务是是把把线线性性通通道道输输出出的的升升余余弦弦波波形形恢恢复复成成数数字字信信号。号。 l5辅助电路辅助电路l光光接接收收机机除除上上面面介介绍绍的的若若干干部部分分外外，还还有一些辅助电路，如：有一些辅助电路，如：l(1)钳位电路。钳位电路。 l(2)温度补偿电路。温度补偿电路。 l(3)告警电路。告警电路。l6集成光接收机集成光接收机l 光光接接收收机机的的组组成成部部件件，除除了了光光电电二二极极管管外外，都都是是标标准准的的电电子子元元器器件件，采采用用标标准准集集成成电电路路(IC)工工艺艺技技术术，很很容容易易集集成成在同一芯片上，做成集成光接收机。在同一芯片上，做成集成光接收机。l 在在高高比比特特工工作作时时，这这种种集集成成光光接接收收机机具具有有很很多多优优点点。90年年代代末末用用Si和和GaAs集集成成电电路路工工艺艺已已制制成成带带宽宽超超过过2GHz的的集集成成光光接接收收机机，现现在在带带宽宽超超过过10GHz的的集集成成光接收机也已用于光波实验系统。光接收机也已用于光波实验系统。6.5 光接收机噪声分析光接收机噪声分析l1数字光纤通信系统的信号变换特点数字光纤通信系统的信号变换特点l 在在数数字字光光纤纤通通信信系系统统中中，传传输输的的是是由由“0”和和“1”组组成成的的二二进进制制光光脉脉冲冲信信号号，这这是是一一种种单单极极性性码码，即即光光功功率率在在“接接通通”(“1”码码)和和“断断开开”(“0”码码)两两个个电平上变动。电平上变动。l 按按照照“1”码码时时码码元元周周期期T的的大大小小，分分为为归归零零码码(RZ码码)与与非非归归零零码码(NRZ码码)两两种。种。l图图6-5-2为数字光纤通信系统中数字脉冲为数字光纤通信系统中数字脉冲传输过程的变换特点传输过程的变换特点l2光接收机的噪声源光接收机的噪声源l 光光接接收收机机的的噪噪声声是是与与信信息息无无关关的的随随机机变变化化量量，噪噪声声源源从从引引入入过过程程来来分分，可可分分为为两两类类，即即与与信信号号光光电电检检测测器器有有关关的的噪噪声和与光电接收机电路有关的噪声。声和与光电接收机电路有关的噪声。l 与与信信号号光光电电检检测测器器有有关关的的噪噪声声包包括括：量量子子噪噪声声、雪雪崩崩倍倍增增噪噪声声、暗暗电电流流及及漏漏电流噪声和背景噪声等等。电流噪声和背景噪声等等。l 与与光光接接收收机机电电路路有有关关的的噪噪声声包包括括：放放大器噪声、负载电阻热噪声等。大器噪声、负载电阻热噪声等。 l3噪声的评价方法噪声的评价方法l 噪噪声声是是一一种种随随机机性性的的起起伏伏量量，是是电电信信号号中中不不需需要要的的成成分分，它它干干扰扰实实际际系系统统中中信信号号的的传传输输和和处处理理，影影响响和和限限制制了了系系统的性能。统的性能。l(1)噪声的大小可以用均方值来表示噪声的大小可以用均方值来表示l (2)信噪比信噪比(SNR)l SNR=平均信号功率平均信号功率/噪声功率噪声功率 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接收灵敏度l 光接收机的误码率和灵敏度是描述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光接收机准确检测光信号能力的性能指标。标。1光接收机的误码率光接收机的误码率l光接收机的误码率光接收机的误码率BER定义为：定义为：lBER=错误接收的码元数错误接收的码元数/传输的码元总数传输的码元总数l那么光接收机的误码是如何产生的那么光接收机的误码是如何产生的?l如图如图6-6-1所示：所示：l若若IID，采采样样值值为为“1”，若若IID，采采样值则为样值则为“0”。l如如果果传传输输的的信信码码为为“1”，可可是是IID，则则发生错误。发生错误。l同同样样传传输输的的信信码码为为“0”，可可是是IID，则则同同样样发发生生错错误误，这这两两个个错错误误都都将将引引起起误误码。码。 l2光接收机的灵敏度和动态范围光接收机的灵敏度和动态范围l光光接接收收机机的的灵灵敏敏度度可可以以用用满满足足给给定定的的误误码码率率指指标标条条件件下下而而可可靠靠工工作作所所需需要要的的最最小平均光功率小平均光功率Pmin来表示。来表示。l最最小小平平均均光光功功率率Pmin,在在国国际际单单位位制制中中，它的单位是瓦它的单位是瓦(W)。l工工程程上上，光光接接收收机机的的灵灵敏敏率率常常用用光光功功率率相对值来表示，单位是分贝毫瓦相对值来表示，单位是分贝毫瓦(dBm)。 l光接收机的动态范围：光接收机的动态范围：l是是在在保保证证系系统统的的误误码码率率指指标标要要求求下下，光光接接收收机机最最低低输输入入光光功功率率Pmin和和最最大大允允许许光光功功率率Pmax的的变变化化范范围围。这这个个范范围围用用D来来表表示示，一一般般在在工工程程上上用用二二者者(用用dBm描描述述)之差来表示。之差来表示。l一一台台质质量量好好的的光光接接收收机机应应有有较较宽宽的的动动态态范围。范围。 6.7 光中继器光中继器l 在在光光纤纤通通信信线线路路上上，光光纤纤的的吸吸收收和和散散射射导导致致光光信信号号衰衰减减，光光纤纤的的色色散散将将使使光光脉脉冲冲信信号号畸畸变。变。l 导导致致信信息息传传输输质质量量降降低低，误误码码率率增增高高，限限制制了了通通信信距距离离。为为了了满满足足长长距距离离通通信信的的需需要要，必必须须在在光光纤纤传传输输线线路路上上每每隔隔一一定定距距离离加加入入一一个个中中继继器器，以以补补偿偿光光信信号号的的衰衰减减和和对对畸畸变变信信号号进进行整形，然后继续向终端传送。行整形，然后继续向终端传送。l通常有两种中继方法：通常有两种中继方法：l一一种种是是传传统统方方法法，采采用用光光-电电-光光转转换换方方式，亦称光电光混合中继器；式，亦称光电光混合中继器；l另另一一种种采采用用光光放放大大器器对对光光信信号号进进行行直直接接放大的中继器。放大的中继器。 l光光-电电-光光中中继继器器，在在光光纤纤通通信信系系统统中中，光光中中继继器器作作为为一一种种系系统统的的基基本本单单元元，除除了了没没有有接接口口码码型型转转换换和和控控制制部部分分外外，在在原原理理、组组成成元元件件与与主主要特性方面与光接收机与光发射机相同。要特性方面与光接收机与光发射机相同。