1、1第三章 光源的調制3.1 光源光源 3.1.1 基礎知識基礎知識 3.1.2 激光器的一般工作原理激光器的一般工作原理 3.1.3.半導體激光器半導體激光器3.2光源的調制光源的調制 3.2.1 光源的內調制光源的內調制 3.2.2光源的外調制光源的外調制3.3光纖通信中的線路碼型光纖通信中的線路碼型 3.3.1研究傳輸碼型的必要性研究傳輸碼型的必要性 3.3.2選擇碼型應滿足的主要要求選擇碼型應滿足的主要要求 3.3.3光纖通信中常用碼型光纖通信中常用碼型3.4光發射機光發射機 3.4.1 對光發射機的要求對光發射機的要求 3.4.2 光發射機的組成方框圖及各部光發射機的組成方框圖及各部分

2、的功能分的功能2第三章 光源的調制35光檢測器光檢測器 3.5.1半導體的光電效應半導體的光電效應 3.5.2PIN光電二極管光電二極管 3.5.3雪崩光電二極管雪崩光電二極管 3.5.4光電檢測器的特性光電檢測器的特性3.6 光接收機光接收機 3.6.1數字光纖通信接收機的基本組成數字光纖通信接收機的基本組成 3.6.2 光接收機的指標光接收機的指標靈敏度和動態范圍靈敏度和動態范圍 3.6.3 光接收機的噪聲光接收機的噪聲3.7 光發射機設計光發射機設計 3.7.1 驅動電路驅動電路 3.7.2 可靠性可靠性 3.7.3 光頻穩定及其控制光頻穩定及其控制 3.7.4 光頻穩定及其控制光頻穩定

3、及其控制 3.7.5 反向沖擊電流保護反向沖擊電流保護3半導體激器氣體激光器固體激光器二氧化碳激光器4 由物理學知識知道，物質是由原子構成的，原子又是由原子核及其外圍電子來構成，而電子圍繞原子核運動只能有某些一定的不連續的軌道。由于沿每個軌道運行時就有一定相應的能量，這些分立的能量值就稱為能級。 半導體中的電子雖然是作無規則運動，但是，從量子統計學觀點來看，電子在不同能級上占據的幾率f(E)還是有規律的，他們服從費米-狄拉克統計分布規律。 1 光子與光波光子與光波 經過近百年的研究（而且，至今仍在研究），人們認為光的一個基本性質是它既有波動性又有粒子性。一個光子的能量E與光波頻率f之間的關系是

4、E=hf式中，h=6.62610-34Js(焦秒)，稱為普朗克常量。2 能級、費米能級、費米-狄拉克統計分布和狄拉克統計分布和費米能級費米能級5即式中，f（E） 能量為E的能級被一個電子占據的幾率； E 某一能級的能量值； k 玻耳茲曼常數，k=1.3810-23J/K(焦耳/開)； T 絕對溫度； Ef 費米能級， kTEEreEf/ )(1163 光的輻射躍遷和吸收躍遷 研究指出，光與物質間可以存在如下三種互相作用關系。（1）自發輻射 物質原子中的電子在沒有外界影響（激發）下，高能級E 上的電子，由于不穩定，自發地向低能級E 躍遷，多余的能量以發光的形式表現出來，這就稱為自發輻射。自發輻射

5、的特點是：所發光的頻率、相位、偏振（又稱極化方向）都不相同，是非相干光。之所以有這種特點，原因是產生輻射是自發的，因而造成頻率、相位、偏振方向都是隨機的。 7受激吸收 處在低能級E 上的電子，當受到外來光的照射，如前所述，光是具有能量的（E=hf），低能級上的電子吸收了光子的能量，從低能級E 躍遷到高能級E 上。這種因受激而吸收光的過程稱為受激吸收。對于希望產生激光這個目的來說，受激吸收就是一種相反的過程。8受激輻射 高能級E 上的電子，當受到頻率為的光激發時，從高能級E2躍遷回到對應的低能級E 上并發出頻率為f= 的光。這種過程就稱為受激輻射，其特點是： 受激輻射的發光過程不是自發的，而是受

6、到外來光激發引的。 從以上兩式可知，受激輻射所發的光，它的頻率與激發光的頻率相同。hEE1294 粒子數反轉分布粒子數反轉分布 當外界向某個物質提供了能量，就會使得低能級上的電子，由于獲得了能量而大量地激發到高能級上去，像一個泵不斷地將低能級上的電子“抽運”到高能級上一樣。從而達到高能級上的粒子（電子）數N2大于低能級上的粒子（電子）數N1的分布狀態。這種分布狀態成為反轉分布狀態。101 激光器的構成及激光的產生激光器的構成及激光的產生 激光器是1960年由美國人梅曼發明的新型光源。它是利用受激輻射原理，并采取一定措施在某個方向上獲得很強的指向性、極高的光強、極好的相干性的一種光源。它的實現要

7、求： 第一. 要有一個合適的激光工作物質（發光介質）。 第二. 需要一個能保證粒子反轉分布的激勵能源泵浦源。 第三. 加一個光學諧振腔。 要產生激光還應滿足如下兩個方面的條件: 光的增益和損耗間應滿足平衡的條件閥值條件; 在諧振腔中,光波往復反射能得到加強,從而能夠存在,應滿足的條件相位平衡條件. 激光，英文的縮寫是Laser, 即Light Amplification by Emission of Radiation,其意思是通過輻射的受激發射實現光波放大。112 激光器的閥值條件和相位平衡條件激光器的閥值條件和相位平衡條件 在激光器的工作過程中,除了具有上面所說的放大作用,光波還會受到其他

8、損耗.將增益和損耗結合起來考慮,顯然,只有當光波在諧振腔內往返一次放大得到的光能密度大于或等于損失的光能密度,激光器才能建立起穩定的激光輸出.將上述兩者相等的這種關系稱為閥值條件 這表明了激光器能夠起振(剛開始產生激光)時,激光器小信號增益系數G0必須滿足的一個下限值. 按照物理學中諧振的理論,只有那些經過往返一周回到原來位置時,光波的相位與初始發生的波的相位同相的光波才能因彼此加強(即諧振)而在諧振腔中 存在.不滿足這種諧振關系的光波則因得不到彼此加強,最后因腔內的損耗而消失. 這就是滿足相位平衡條件時,激光器中存在光波的頻率.12 所謂本征半導體就是指沒有任何外來雜質和晶格缺陷的理想半導體

9、,半導體的能級不是分立的而是一個能帶.電子填充能帶遵守兩個基本原理: 一.在確定的能級上最多只能填充自旋方向相反的兩個電子; 二.電子總是力圖占據能量最低的能帶.要使半導體材料產生激光,必然要使P-N結處在粒子數反轉分布狀態。 摻雜就是向本征半導體材料摻入雜質元素.如果N型半導體材料是重摻雜的,它提供的電子數多,高能級的電子就相應的多,它的能帶圖中費米能級EfN就高,而且一直伸入到導帶中.P型材料重摻雜情況相應的費米能級EfP必定較低,而且一直低到P型材料能帶圖中的介帶之中. 13 當這種N型和P型重摻雜半導體材料形成P-N結后能帶分布發生的變化如下:N型材料中的電子向P型材料中擴散;P型材料

10、中的空穴向N型材料擴散.由于空間電荷區的存在,出現了一個N指向P(即由正指向負)的一個電場,稱為內建電場.最后,擴散和漂移作用達到動態平衡,使通過邊界的凈電流等于零.由于內建電場的出現,使P區的電子電位能相對于N區的電子電位能抬高. 14 外加的正偏壓使圖(b)中P的電子電位降低,使N的電子電位提高.隨著注入載流子的不同,在P-N結出現了兩個費米能級.在P-N結區同一塊材料上就出現了高能級粒子多,低能級粒子少的分布狀況. 外加的正偏壓使圖(b)中P的電子電位降低,使N的電子電位提高.隨著注入載流子的不同,在P-N結出現了兩個費米能級.在P-N結區同一塊材料上就出現了高能級粒子多,低能級粒子少的

11、分布狀況.15 以上是早期研制的激光器,它的缺點是對光波和載流子的限制不完善,從而使激光器需要的閥值電流大.為了克服上述缺點,人們研制了一種稱為單異質結激光器和雙異質結激光器的半導體激光器,簡稱為異質激光器. 所謂異質結就是用兩種材料構成的P-N結.例如,一種材料是GaAs,另一種材料是GaAlAs.它是在同質結的基礎上,加了一層異質結材料GaAlAs,這一層的作用可以從兩個方面來分析. 增加了位壘,對載流子進行了限制. 在界面上出現了n(折射率)的突變,限制了光波. 雙異質結激光器是在單異質結激光器的基礎上再做改進的一種激光器,它在單異質結激光器有源區P-GaAs的左側加了一塊異質材料N-G

12、aAlAs.由于雙異質結激光器在有源區兩側,即限制了載流子,又限制了光波,故它的光強分布基本被約束在有源區,而且閥值電流大大降低,實現了預期的目的. 2 異質結半導體激光器異質結半導體激光器16 基本結構包括:工作物質,揩振腔和泵浦源.其中工作物質和泵浦源是實現光的自發發射、受激吸收和受激發射的最基本條件。 自發發射：大量處于高能級的粒子，各自分別發射一列一列頻率為=(E2 -E1) /h的光波，但各列光波之間沒有固定的相位關系，可以有不同的偏振方向，沿所有可能的方向傳播。各光子彼此無關。 受激發射：處于高能級E2的粒子受到光子能量為的光照射時，粒子會由于這種入射光的刺激而發射出與入射光一模一

13、樣的光子，并躍遷到低能級E1上。有相同的偏振方向和傳播方向。17 自發發射的同時總伴有受激發射發生。 在熱平衡情況下，自發發射占絕對優勢。 當外界給系統提供能量時，如采用光照（即光泵）或電流注入（即電泵），打破熱平衡狀態，大量粒子處于高能級，即粒子數反轉后，在發光束方向上的受激發射比自發發射的強度大幾個數量級。 總結激光發射的首要條件： 工作物質（即能實現粒子躍遷的晶體材料，如GaAs和InGaAsP） 外界供給能量滿足粒子數反轉（常采用電流注入法）18 只有增益介質而無光學反饋裝置，便不能形成激光。將已實現粒子數反轉分布的系統置于嚴格平行的一對反射鏡之間便形成F-P諧振腔。光在兩個反射鏡之間

14、往返多次過程中，得到放大。1920圖-8 GaAlAs-GaAs激光器的輸出光譜21 2半導體激光器的工作特性 （1）發射波長 半導體激光器的發射波長取決于導帶的電子躍遷到價帶時所釋放出的能量，這個能量近似等于禁帶寬度Eg(eV)，由式（-1）得 hf = Eg （-5） 式中， ，f (Hz)和(m)分別為發射光的頻率和波長，c=3108m/s， h=6.6281034 Js，leV=1.601019 J為電子伏特，代入式（-5）得 (m) （-6） 由于能隙與半導體材料的成分及其含量有關，因此根據這個原理可以制成不同發射波長的激光器。cf)eV(24. 1gE22 （3）光譜特性 LD的光

15、譜隨著激勵電流的變化而變化。當IIth時，發出的是熒光，光譜很寬，如圖-7（a）所示。當I Ith后，發射光譜突然變窄，譜線中心強度急劇增加，表明發出激光，如圖-7（b）所示。圖-7 GaAlAs-GaAs激光器的光譜23 隨著驅動電流的增加，縱模模數逐漸減少，譜線寬度變窄。當驅動電流足夠大時，多縱模變為單縱模，這種激光器稱為靜態單縱模激光器。 普通激光器工作在直流或低碼速情況下，它具有良好的單縱模譜線，所對應的光譜只有一根譜線，如圖-8（a）所示。而在高碼速調制情況下，其線譜呈現多縱模譜線。如圖-8（b）所示。 一般，用F-P諧振腔可以得到的是直流驅動的靜態單縱模激光器，要得到高速數字調制的

16、動態單縱模激光器，必須改變激光器的結構，例如分布反饋半導體激光器（DFB-LD）。24圖-8 GaAlAs-GaAs激光器的輸出光譜25 轉換效率和光功率特性 下圖是典型激光器的光功率特性曲線。 當IIth時，發出的是受激輻射光，光功率隨 驅動電流的增加而增加2627 溫度特性 激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個原因:一是激光器的閾值電流Ith隨溫度升高而增大,二是外微分子量子效率d隨溫度升高而減小.溫度升高時, Ith增大, d減小,輸出光功率明顯下降,達到一定溫度時,激光器就不激射了. 閾值電流隨溫度呈指數變化: Ith=I0 exp(T/T0)2829 半導體激光器屬于半導體二極管的范疇

17、,除具有二極管的一般特性外(如伏安特性),還應具有特殊的光頻特性. 閥值特性 對于半導體激光器,當外加正向電流達到某一值時, 輸出光功率急劇增加,這是將產生激光振蕩,這個電流值成為閥值電流,用I1表示.當II1時,激光器才發出激光. 30發光二極管實物圖發光二極管實物圖31發光二極管的廣泛應用發光二極管的廣泛應用32發光二極管的符發光二極管的符號、工作電壓、號、工作電壓、電流電流發光二極管的發光二極管的符號：符號：發光二極管工作的條件：發光二極管工作的條件：1、加、加正偏正偏電壓電壓字母符號：字母符號：LED2、正偏電壓大于、正偏電壓大于1、5V，一般在一般在1、5V到到3V3、工作電流為、工

18、作電流為1030mA為適宜為適宜33 1LED的工作原理 發光二極管（LED）是非相干光源，是無閾值器件，它的基本工作原理是自發輻射。 發光二極管與半導體激光器差別是：發光二極管沒有光學諧振腔，不能形成激光。僅限于自發輻射，所發出的是熒光，是非相干光。半導體激光器是受激輻射，發出的是相干光。34 2LED的結構 LED也多采用雙異質結芯片，不同的是LED沒有解理面，即沒有光學諧振腔。由于不是激光振蕩，所以沒有閾值。 LED分為兩大類：一類是面發光型LED，另一類是邊發光型LED，其結構示意圖如圖-12所示。圖-12 常用的兩類發光二極管（LED）35 3LED的工作特性 （1）光譜特性 LED

19、譜線寬度比激光器寬得多。圖-13是InGaAsP LED的輸出光譜。 圖-13 InGaAsP LED的發光光譜 36 （2）輸出光功率特性 兩種類型的LED輸出光功率特性如圖3-14所示。驅動電流I 較小時，P I 曲線的線性較好；當I 過大時，由于P-N結發熱而產生飽和現象，使P I 曲線的斜率減小。圖3-14 發光二極管（LED）的P I 特性37 （3）溫度特性 由于LED是無閾值器件，因此溫度特性較好。 （4）耦合效率 由于LED發射出的光束的發散角較大，因此與光纖的耦合效率較低。一般只適于短距離傳輸。 比較： LED與LD相比，LED輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調制頻率較低。但L

20、ED性能穩定，壽命長，使用簡單，輸出光功率線性范圍寬，而且制造工藝簡單，價格低廉。38 LED通常和多模光纖耦合，用于1.31m或0.85m波長的小容量、短距離的光通信系統。 LD通常和單模光纖耦合，用于1.31m或1.55m大容量、長距離光通信系統。 分布反饋半導體激光器（DFB-LD）主要也和單模光纖或特殊設計的單模光纖耦合，用于1.55m超大容量的新型光纖系統，這是目前光纖通信發展的主要趨勢。39電壓：LED使用低壓電源，供電電壓在6-24V之間，根據產品不同而異，所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所。 效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80% 適用性：很小，每個單

21、元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環境 穩定性：10萬小時，光衰為初始的50% 響應時間：其白熾燈的響應時間為毫秒級，LED燈的響應時間為納秒級 對環境污染：無有害金屬汞 顏色：改變電流可以變色，發光二極管方便地通過化學修飾方法，調整材料的能帶結構和帶隙，實現紅黃綠蘭橙多色發光。如小電流時為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變為橙色，黃色，最后為綠色 價格：LED的價格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只LED的價格就可以與一只白熾燈的價格相當，而通常每組信號燈需由上300500只二極管構成。 40380nm430nm490nm505nm515nm53

22、5nm585nm600nm630nm700nm41模擬信號的內調制 所謂模擬信號的內調制，就是直接讓LED的注入電流跟隨反映語音或圖像等模擬量變化，從而使LED管輸出的光功率跟隨模擬信號變化，如圖3-21所示圖3-21模擬信號內調制示意圖42R1R2R3R4VT1LEDV+CA監測 圖3-21是一個簡單的模擬信號內調制電路。圖中VT1是提供LED管注入電流的晶體管，當信號從A點輸入后，晶體管放大器集電極電流就跟隨模擬量而變，并且發光二極管LED的注入電流也跟隨模擬信號變化。于是LED的輸出光功率就跟隨模擬量變化，就這樣實現了對光源的內調制。圖3-22簡單的模擬信號內調制電路432數字信號的內調

23、制 當光纖通信系統所傳的信號是一系列的“0”“1”數字信號時，用LED管進行數字信號直接調制的原理圖如圖3-23(a)所示。用LED管進行數字信號直接調制時，如圖3-23 (b)所示。 圖3-23數字信號調制原理圖44 一種簡單的LED數字信號調制電路如圖3-24所示。它只有一級共發射極的晶體管調制電路，晶體管用作飽和開關。晶體管的集電極電流就是LED的注入電流。信號由A點接入。 “0”碼時晶體管不導通；“1”碼時晶體管導通，于是注入電流注入到LED管。使得LED管發光，從而實現了數字信號調制。圖3-24 一種簡單的LED數字信號內調制電路45圖3-25是一種較復雜的半導體激光器數字信號內調制

24、電路。圖中電流源是由晶體管電路構成的，它的作用使晶體管VT1或VT2產生一個固定幅度的脈沖，作為注入電流ID提供給LD。VT3, VT4它們的作用時使從ECL發射極耦合邏輯電路電流來的“0”碼，“1”碼輸入電平移動至滿足VT1，VT2和參考電壓三者間所需的電平值圖 3-25 一種較復雜的LD數字信號內調制 46 VT1，VT2兩只晶體管組成一個電流開關。當VT1的基極電位高于VT2基極電位時，電流源的全部電流流過VT1的集電極，然而激光管是接在VT2支路上的，故激光器不發光，相當于發“0”碼。當VT2基極電位高于VT1基極電位時，則反過來VT2導通，全部電流源電流流過VT2的集電極支路。從而注

25、入LD管，使LD在這段時間內發光，發出一個光脈沖，即對應于發一個“1”碼。 ECL電路發射極耦合邏輯電路，輸入的調制信號經ECL電路送至VT1基極。例如傳“1”碼時為1.8V；傳“0”碼時為0.8V。 VBB參考電壓，是為設VT1，VT2按上述原則工作必須的，這個電壓接在VT4基極上，是負電壓，其數值處在“0”碼和“1”碼的中間值。 偏流由晶體管電路提供一個偏置電流，它接在LD管的負極上，稍低與LD管的預置電流It，相當于傳“0”碼（即無光脈沖發出）的狀態。偏流加在這種位置是激光管作調制時與用發光管作調制的一個區別點。47 前面已介紹了對光源進行內調制的方法,這種調制方法的優點是電路簡單容易實

26、現,.但是,若在高碼速下采用這種調制方法時,將是光源的性能變壞.在高碼速強度調制直接檢波的光纖通信系統，或外差光纖通信系統中，可采用對光源的外調制方式。 目前已提出的外調制方式有電光調制，聲光調制和磁光調制。481 電光調制器 電光調制的基本工作原理是晶體的線性電光效應。2 磁光調制 磁光調制是利用法拉第效應得到的一種光外調制。入射光信號經過起偏器，使入射光變為偏振光，這束偏振光通過YIG磁棒時，其偏振方向隨繞在上面下圈的調制信號而變化，當偏振方向與后面的檢偏器相同時，輸出光強最大，當偏振方向與檢偏器方向垂直時，輸出光強最小，從而使輸出光強隨調制信號變化，實現了光的外調制 。磁光調制器結構簡圖

27、 電 光 調 制 器 結 構 簡 圖49 聲光調制器是利用機制的聲光效應制成。它的工作原理是，當調制電信號變化時，由于壓電效應，使壓電晶體差生機械振動形成超聲波，這個聲波引起聲光介質的密度發生變化，使介質折射率跟著變化，從而形成一個變化的光柵，由于光柵的變化，使光強隨之發生變化，結果使光波受到調制。2 聲光調制器磁光調制器結構簡圖 電 光 調 制 器 結 構 簡 圖50 半導體激光器（LD）是有諧振腔、泵浦源、激光介質。基本原理是受激輻射。工作原理是通過泵浦源的激勵，實現半導體激光介質的粒子數反轉。在能帶間躍遷發光，用半導體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋

28、、產生光的輻射放大，輸出激光。 LED是有泵浦源、激光介質。基本原理是自發輻射。工作原理是通過泵浦源的激勵，實現半導體激光介質的粒子數反轉。在能帶間躍遷發光。51 （1）發光機理上：LD利用的PN結能帶間的受激輻射，LED利用的PN結能帶間的自發輻射。 （2）結構上：LD具有泵浦源、增益介質、諧振腔。LD是閾值器件。LED泵浦源、增益介質。LED為非閾值器件。 （3）應用范圍：LD適用長距離大容量數字系統，LED短距離低速模擬、數字系統。 （4）出射光束特性上：LD發射的發散角小的、光譜寬度小的、輸出功率大的激光。LED發射的發散角大的、光譜寬度大的、輸出功率小的熒光。52 在數字通信中，傳輸

29、碼型的選擇是一個必須考慮的問題。PCM系統中的碼型并不都適合在光纖數字通信系統中傳輸，例如HDB3 碼（三階高密度雙極性碼）有1，0，1三種狀態，而在光纖數字通信系統中，光源只有發光和不發光兩種狀態，沒有發負光這種狀態。因此，在光纖系統中無法傳輸 HDB3 碼。為此，必須將HDB3 解碼，變為單極性的“0”，“1”碼。但是HDB3解碼后，這種碼型所具有的誤碼檢測等功能都將失去 。以上時需要重新編碼的一個原因。 另一方面,在光纖系統中,除了需要傳輸主信號外,還需增加一些其它的功能,為此,需要在原來碼速率基礎上,提高一點碼速率,以增加一些信息余量（冗余度）。具體做法是在原有碼流中插入脈沖,這也需要

30、重新編碼。53ttttttttt01000011000001010二進制代碼(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)單極性(NRZ)碼 ；無電壓用來表示0,而恒定的正電壓表示1(b) 雙極性(NRZ)碼；1碼是正電流,0碼是負電流 (c) 單極性(RZ)碼；高電平和零電平分別表示二進制碼 和 (d) 雙極性(RZ)碼； 和 分別對應于正和負電平 (e) 差分碼；(f) 交替極性碼(AMI)；0 傳輸碼中的0 1 傳輸碼中的+1、-1交替(g) 三階高密度雙極性碼(HDB3)；(h) 分相碼；(a)(i) 信號反轉碼(CMI)其編碼規則是“1”碼交替用“11”和“00”兩位碼表示；

31、“0”碼固定地用“01”表示 54AMI(Alternative Mark Inversion)碼的全稱是傳號交替反轉碼，是通信編碼中的一種，為極性交替翻轉碼，分別有一個高電平課低電平表示兩個極性。 一、編碼規則: 消息代碼中的0 傳輸碼中的0 消息代碼中的1 傳輸碼中的+1、-1交替 例如: 消息代碼:1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 AMI碼: +1 0 -1 0 +1 0 0 0 -1 0 +1 -1 +1 一、編碼規則: 1 先將消息代碼變換成AMI碼，若AMI碼中連0的個數小于4,此時的AMI碼就是HDB3碼; 2 若AMI碼中連0的個數大于3,則將每4個連0小段的

32、第4個0變換成與前一個非0符號(+1或-1)同極性的符號,用表示(+1+,-1-); 3 為了不破壞極性交替反轉，當相鄰符號之間有偶數個非0符號時，再將該小段的第1個0變換成B或-B,符號的極性與前一非零符號的相反，并讓后面的非零符號從符號開始再交替變化。 例如: 消息代碼: 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 AMI碼: +1 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 +1 -1 0 0 0 0 +1 -1 HDB3碼：+1 0 0 0 +V -1 0 0 0 -V +1 -1 +B 0 0 +V -1 +1 551mBnB碼 mBnB又稱分組碼（Block

33、Code），它是把輸入信碼流中每m比特碼分為一組，然后變換為n比特，且nm。就是說，變換以后碼組的比特數比變換前大，碼流有了“富余”（冗余）。這樣就可以在原來信息之外加入與誤碼檢測等有關的信息。并且經過適當的編碼后還可以改善定時信號的提取和直流分量的起伏問題。 光纖通信中最常用的碼型是5B6B碼，這種編碼方式是先將碼流中每五位碼元分為一組，然后在將這組五位碼變換為六位碼。由數學理論可知，由二元信號組成的六位碼有64種排列，而5B6B編碼中只選用了其中“0”和“1”出現概率相同和相近的44種碼組（其中包括20個含有三個“0”和三個“1”的平衡碼組以及24個含有四個“1”兩個“0”和四個“0”兩個

34、“1”的不完全平衡碼組），這樣由于正、負碼交替使用，從而使直流分量穩定，基線不起伏。剩下的20個碼組不使用，一般稱為禁字。 56偽雙極性碼（CMI和DMI） 光纖通信中使用的偽雙極性碼使用“11”和“00”來代表雙極性碼中的1和1。CMI和DMI碼的碼表如表3-3雙極性碼 CMI DMI +1111001在1后用01，在1后用10-000057插入比特碼 這種碼型是將信碼流中每m比特劃為一組，然后在這一組的末尾一位之后插入一個比特碼，隨著所插入碼的功能的不同，這種碼型又可分為如下三種形式。 (1) mB1P碼 它是在每m比特以后插入一個奇、偶校正碼，成為P碼。P碼的作 用是保證每個碼組內1碼的

35、個數為偶數。 例如8B1P碼 若信碼流中每8個碼元為一組的碼組為11011001，則經過編碼后，應再插入一個“1”碼使碼組中“1”的個數變為6（偶數），即變為110110011 若信碼流中每8個碼元為一組的碼組為00010010，則經過編碼后，應再插入一個“0”碼使碼組中“1”的個數仍為偶數，即變為000100100由于mB1P碼中“1”碼的個數是偶數，因此，可通過檢測每組碼流中“1”碼的奇偶狀況來進行誤碼檢測。58 （2）mB1C碼 這種碼形式將信碼流每m比特分為一組，然后再其末未之后再插入一個反碼（又稱補碼）即C碼。C碼的作用是：如果第m位碼為“1”，則反碼為0；反之則為“1”。 （3）m

36、B1H碼 這種碼是將信碼流中每m比特碼分為一組，然后再其末位之后插入一個混合碼，稱為H(Hybrid)碼。例如8B1H碼就是每八個信號碼元之后插入一個混合碼元。所插入的混合碼是由G碼和C碼來構成的。 C是插入的反碼，作誤碼監測用。若碼流中C碼的前一個碼是“1”，則C碼即為“0”；反之，若C碼前一個碼為“0”，則C碼為“1”。 G是插入的混合碼中除去C碼外的碼。 經過這種編碼，區間通信話路可以不通過PCM復用設備，直接在中繼站上、下話路，為系統帶來了靈活性。59 這是一種在同步數字體系（SDH）中廣泛采用的碼型。它根據一定規則將信號碼流進行擾碼。經過擾碼后使線路碼流中的“0”，“1”出現的概率相

37、等，因此，采用這種碼型后在線路碼流中不會出現長“0”，長“1”情況，因為如果線路碼流中出現長“0”，長“1”將會給系統中時鐘信號的提取帶來困難。 在光的發射端采用加擾二進碼后，在接收端還須將被擾的碼流恢復過來。(4) 加擾二進碼60 在光纖通信系統中，光發射機的作用是把從電端機送來的電信號經過編碼、調制，再由光源變為光信號最后送入光纖。還應指出，實際使用的光端機，并不是真有這么一個光發射機架。到20世紀80年代末，實際的光端機發射機就是一塊插在光端機架中的機盤。61（1）光源的發光波長要合適（2）合適的輸出功率（0.01-5mw） 雖然光源送入光纖的光功率愈大，可通訊的距離就越長，但是從理論上

38、講，光源送入光纖的光功率太大并非好事。因為光功率太大就會使光纖工作在非線性狀態。這種非線性效應將會產生很強的頻率轉換作用和其他作用，對光纖產生不良的影響。（3）較好的消光比 所謂消光比（EXT）就是 作為一個被調制的好光源，希望在“0”碼時沒有光功率輸出，故一般要求EXT10。消光比的不足容易引起對碼元的誤判等一系列問題。（4）調制性能好 碼時的平均輸出功率全碼時的平均輸出功率全10EXT62實際光發射機電路圖圖 3-28 光發射機原理方框圖63 (3)時鐘時鐘 由于解碼和擾碼過程都需要時中信號作依據（時間參考）。故在均衡放大之后，由時鐘電路取出PCM中的時鐘信號供給解碼、擾碼，編碼電路用。(

39、1)均衡放大均衡放大 由PCM端機送來的HDB3 碼流,經過電纜的傳輸產生了衰減和畸變.所以,在信號進入發射機時，首先要經過均衡和放大，以補償衰減的電平、均衡畸變的波形。(2)解碼解碼 解碼電路完成將HDB3這種雙極性碼變為單極性的“0”，“1”碼。(4)擾碼擾碼 如果信碼流中出現長“0”，長“1”的情況，加入擾碼電路可以有規律的“破壞”長“0”長“1”碼流。當然，在接收端還要加入一個與擾碼相反的解擾電路，恢復信碼流原來的狀況。64(6)調制（驅動）調制（驅動） 調制電路對光源進行調制，讓光源發出的光強跟隨經過編碼后的信碼流變化，形成相應的光脈沖送入光導纖維。(5)編碼編碼 前面我們已經討論過

40、，信碼流還需要進行編碼才能便于不間斷進行誤碼檢測，克服直流分量的波動，以便于區間通信聯絡等功能。(7)自動功率控制自動功率控制 光發射機的光源經過一段時間使用將出現老化，使輸出光功率降低。另外，激光器PN結結溫變化，使P-I曲線變化，也會使輸出光功率產生變化。為了使光源的輸出功率穩定，在實際使用的光發射機中常使用自動功率控制（APC）電路。下面我們介紹一種APC電路的原理方框圖，如圖3-31所示。6566圖3-31 自動功率控制電路圖中，調制器、LD管光發射機中半導體激光器和它的調制電路。PIN管、放大器A1 PIN是一種光電檢測器，A1是放大器。可調直流參考電壓可調的穩壓電源，它將一個作為參

41、考標準的直流電壓通過比較放大器A2送到比較放大器A3的另一輸入端。3.4.2 3.4.2 光發射機的組成方框圖及各部分的光發射機的組成方框圖及各部分的功能功能67 這樣當激光器輸出功率降低時，從A1輸出的電壓也降低，并將這個電壓送至比較放大器A3的一個輸入端；另一方面，由直流參考電路送出一參考電壓經A2送至A3的另一端作比較，然后由A3產生一個增大的輸出電壓送到電流源，是電流源輸出電流增加，從而使LD管的注入電流增加，使LD管輸出光功率維持穩定。圖3-31 自動功率控制電路68(8)自動溫度控制自動溫度控制 由于半導體光源的P-I特性曲線對環境溫度的變化反應很靈敏，從而使輸出光功率出現變化，因

42、此一般應在機器的發射機盤上裝有自動溫度控制（ATC）電路。(9)其他保護、檢測電路其他保護、檢測電路 光發射機除有上述各部分電路組成外，還有如下一些輔助電路 LD保護電路使半導體激光器的偏流慢啟動以及限制偏流不要過大，以免燒毀激光器。 無光告警電路當光發射機電路出現故障，或輸入信號中斷，或激光器失效都將使激光器較長時間不發光，這時延遲告警電路將發出告警指示。3.4.2 3.4.2 光發射機的組成方框圖及各部分的光發射機的組成方框圖及各部分的功能功能69 半導體的光電效應是指如下情況：光照射到半導體PN節上，弱光子能量足夠大，則半導體材料中價電子吸收光子能量，從價帶越過到達導帶，在導帶中出現光電

43、子，在價帶中出現光空穴，即光電子空穴對，他們總稱為光生載流子。 光生載流子在外加負偏壓和內建電場的作用下，在外電路中出現光電流，如下圖所示。從而在電阻R上有信號電壓輸出。這樣就實現了輸出電壓跟隨輸入光信號變化的光電轉換作用，所謂負偏壓就是指P接負N接正。70 要注意的是高能帶電高、低是以電子的電位能為根據的，電位越負能帶越高。 外加負偏壓產生的電場方向與內建電場方向一致，有利于耗盡層的加寬。由前面的討論還可以看出： 由于光子扽恩光量為hf，半導體光電材料的解禁帶寬度為Eg,那么，當光照 射在某種材料制成的半島一光電二極管上時，若有光電子空穴對產生，顯然滿足如下關hfEg 由于c/f,故，將f換

44、為波長，則：c=(hc/Eg) 就是說，只有波長c的入射光，才能使這種材料產生光電效應。71 利用上述光電效應可以制造出簡單的p-n結光電二極管，但是仔細研究將會發現在p-n結中，由于有內建電場的作用，(內建電場使耗盡層的能帶形成一個斜坡位壘），光電子和光空穴的運動速度加快。然而，在耗盡層以外產生的光電子和光控空穴由于沒有內建電場的加速作用，運動速度慢，因而響應速度低，而且容易被復合掉，使光電換效率差，這是人們不希望的。 為了改善光電檢測器的響應速度和轉換效率，顯然，適當加大耗盡層寬度是有利的。為此在制造時，在型材料和型材料層之間加一層輕摻雜的型材料，稱為i（intinsic，本征的）層.由于

45、是輕摻雜，故電子濃度很低，經擴散后可形成一個很寬的耗盡層。 另外，為了降低P-N結兩端的接觸電阻，將兩端的材料作成重摻雜的（P+）層（N+）層。 人們將上述結構的光電二極管稱為pin光電二極管。72 在長途光纖通信系統中，僅有毫瓦數量級的光功率從光發射機輸出，經過幾十公里的光纖的傳輸衰弱，到達光接收機處的光信號將變的十分微弱。在接收端如果采用PIN光電二極管，那么，所輸出的光電流僅幾個nA為了能使數字光接收機的判決電路正常工作，接收機的靈敏度也隨之降低。 如果能使電信號進入放大器前，先在光電二極管內部進行放大，顯然就能克服PIN光電二極管的上述缺點，這就引出了雪崩光電二極管，ADP(avala

46、nche photo diode) 。73 雪崩光電二極管的雪崩倍增效應，是在二極管的P-N家高反向電壓（為幾十或幾百伏）形成的，此時在結區域形成一個強電場，在高場區內光生載流子被強電場加速，獲得高的動能，與晶格的原子發生碰撞，使價帶的電子得到能量，越過禁帶到導帶，產生了新的電子-空穴對，新產生的電子-空穴對在強電場中又被加速，再次碰撞，又激發出新的電子-空穴對如此循環下去，向雪崩一樣的發展，從而使光電留在管子內部即獲得了倍增。 雪崩光電二極管 74 目前光纖通信系統中使用的雪崩光電二極管結構形式有保護環型和拉通型，前者是在制作時淀積一層環型的n型材料，以防止在高反壓時使P-N界邊緣產生雪崩擊

47、穿。下面主要介紹拉通雪崩光電二極管 。 它仍為一個p-n結的結構形式，只不過其中的p型材料由三部分構成，光電子從p+層射入，進入i層后，在這里，材料吸收了光能并產生了初級電子空穴對。這時，光電子在i層被耗盡層的較弱的電廠加速，移向p-n結。當光電子運動到高場區時，受到強電場的加速作用出現雪崩碰撞效應，最后，獲得雪崩倍增后的光電子到達n+層，空穴被p+層吸收。P+做成高參雜，是為了減小接觸電阻以利和電極相連。 Rapd器件將電場分為兩部分，一部分是使光生載流子逐漸加速的較低的電場，另一部分是產生雪崩倍增效應的高電場區，這種電場分布有利于降低工作電壓。但是由于雪崩效應的隨機性會引來噪聲。2 雪崩光

48、電二極管的結構及工作原理75以下將介紹衡量光電檢測器好壞的指標1.響應度R0和量子效率 響應度和量子效率都是描述這種器件光電轉換能力的一種物理量。響應度R0定義為:R0=Ip/P0 式中：Ip光電檢測器的平均輸出電流； P0光電檢測器的平均輸出功率； 量子效率定義為： =（光電子空穴對數）/入射光子數 從物理概念可知： 光電子-空穴對IP/E(E為電子電荷量) 76 入射光子數=P0/hf(hf為一個光子的能量)故： =(IP/E)/P0/hf=(Ip/P0) ( hf/E）=R0/(hf/e)即： R0=(e/hf) 這既是說，光電二極管的響應度和量子效率、入射光波頻率有關。響應度、量子效率

49、雖然都是描述器件光電轉換的能力的物理量，但是分析的角度不同。2.響應時間 響應時間是指半導體光電二極管產生的光電流跟隨入射光信號變化快慢的狀態一般用響應時間（上升時間和下降時間）來表示。從頻域來看短的響應時間即意味著個器件的帶寬寬。 77 3 .雪崩倍增因子G 在忽略暗電流的影響下，它定義為：G=IM/IP IM有雪崩倍增時光電流的平均值 IP無雪崩倍增時光電流的平均值 一般APD的倍增因子G在40-100之間。PIN光電管無雪崩倍增作用，故G=1 4. 暗電流IP 無光情況下，光電檢測器仍有電流輸出，這種電流稱之為暗電流嚴格說暗電流還包括器件表面的漏電流。 暗電流將引起光接收機的噪聲增大，因

50、此人們總希望暗電流越小越好。785. 倍增噪聲和過剩噪聲系數倍增噪聲和過剩噪聲系數F(G) 雪崩光電二極管的倍增有隨機性。有它帶來的電流起伏將帶來附加噪聲，一般稱為倍增噪聲。可用F(G)來描述。F(G)=/2=/G2 式中， g每個初始電子-空穴對因雪崩倍增效應產生的二次電子-空穴對的隨機數 是g的平均值，因此=G 產生的二次電子數平方再取平均值 2產生的二次電子數平均值再平方在使用時往往將f(g)近似表達為： F(G)=Gx79將上式代入式中則有=G2Gx=x+2 式中，x稱為過剩噪聲指數。對于Si-APD,x=0.5；對于Ge-APD,x=0.6-1.0等 由于噪聲系數表示APD因倍增作用

51、而增加的噪聲系數，所以選APD時應選x值小的管子。80 目前，光纖通信系統，在絕大多數情況下傳輸數字信號，故本節將介紹數字光纖接收機。3.6.1數字光纖通信接收機的基本組成數字光纖通信接收機的組成方框圖 (該框圖只示意的畫出光接收機的主要部分，輔助部分沒有畫。)812 框圖中各部分的功能（1）光電檢測器）光電檢測器 光電檢測器是利用光-電檢波管，將由發送光端機經光纖過來的光信號轉變為電信號。82（2）前置放大器）前置放大器 由于該放大器與光電檢測器相連故稱為前置放大器。 在一般的光纖通信系統中，經光電檢測器輸出的光電流是十分微弱的。為了保證通信質量，顯然，必須將這種微弱的電信號通過多級放大器進

52、行放大。但是多級放大在放大過程中會引入噪聲，故，對多級放大器的前級就有特殊的要求，他應是低噪聲，高增益的。 具體放大器類型如上圖所示。83（3）主放大器）主放大器 主放大器的作用有兩個方面: 將前置放大器的輸出信號放大到判決電路所需的信號點平 他還是一個增益可調節的放大器。當光電檢測器輸入的信號出現起伏時，通過光接收機的自動增益控制電路對主放大器的增益進行調整，以使主放大器的輸出信號幅度在一定范圍內不受輸入信號的影響。一般主放大器的峰峰值輸出是幾伏數量級。 下圖為主放大器電路框圖。84（4）均衡器）均衡器 沒有均衡器將出現的問題: 若無均衡器，信號在經過前幾級的器件后，將會產生嚴重的拖尾現象，

53、將會使前、后碼原的波型重疊，產生碼間干擾，嚴重時造成判決電路誤判，產生誤碼。85 均衡器的作用: 它的作用是使經過均衡器以后的波形成有利于判決的波形。經過均衡以后的波形，在本碼判決時刻，波形的瞬時值應為最大值；而這個本碼波形的拖尾在鄰碼判決時刻的瞬時值應為零。這樣，即使經過均衡后的輸出波形仍有拖尾，但是這個拖尾在關鍵時刻為零，從而不干擾對鄰碼的判決。86（5）判決器和時鐘恢復電路）判決器和時鐘恢復電路 判決有判決電路和碼形成電路構成。判決器和時鐘恢復電路和起來構成再生電路。其作用是將均衡器輸出的信號，恢復為“0”或“1”的數字信號。 為了能從均衡器的輸出信號判決出是“0”碼還是“1”，首先要設

54、法知道應在什么事可進行判決。亦即應將“混在”信號中的時鐘信號（又稱定時信號）提取出來。接著再根據給定的判決門限電平，按照時鐘信號所“指定”的瞬間來判決由均衡器送過來的信號。若信號電平超過判決門限電平，則判為“1”碼，低于門限電平則被判為“0”碼。 實用的時鐘恢復電路有很多種，下面介紹其中一種方案的框圖見上圖均衡器箝位、整形非線性處理調諧放大限幅整形移相時鐘恢復電路方框圖87 箝衛、整形、非線性處理經過光接收機均衡后輸出的信碼為升余弦頻譜脈沖，但是波形經箝位整形后得到的是不為零碼。但是有通信原理知道，不歸零碼的功率譜密度分布如圖所示，其中在fb的位置上功率譜密度為零，即是說NRZ碼功率譜密度中不

55、含時鐘頻率成分因此無法從中提取時鐘頻率成分。為此，需通過一套邏輯電路對NRZ碼進行非線性處理，得到非歸零碼，其功率譜密度如圖，由圖可看出，在這種波形的頻譜密度分布中，時鐘成分 fb較大，從而有可能從時鐘恢復電路中提取時鐘信號。 W(fb)088 非線性處理電路有多種類型，左圖是一種簡單的電路， 將不歸零碼通過RC電路進行微分，在通過一個非門產生歸零碼。調諧放大他的作用是用非線性處理后的波形來激勵調諧放大器，然后在他的諧振回路中選出時鐘頻率fb簡諧波。限幅經過限幅，就將上述簡諧信號波形變為梯形波。 整形、移項整形電路將經限幅后的波形變為矩形脈沖；移項網絡在將這矩形脈沖串的相位調整到最佳判決時所需

56、要的相位。89脈沖再生電路原理方框圖如下圖所示90( (6）光接收機動態范圍和自動增益控制）光接收機動態范圍和自動增益控制 光纖通信接收機工作時，所接受光信號的強弱可能是不同的。 接收機正常工作時，信號不能太弱，否則會造成過大的誤碼。但也不能太強，否則將會使接收機放大器過載而造成失真。因此光接收機在正常工作時，光信號應有一個范圍，這個范圍稱為光接收機的動態范圍。 光接收機的自動增益控制（AGC），就是用反饋環路來控制住放大器的增益，當信號強時，則通過反饋環路使上述增益降低；當信號變弱時，則通過反饋環路使上述增益提高，從而達到使送到判決器的信號穩定，以利判決的目的。原理框圖如下圖所示。 91（7

57、）解碼、解擾電路）解碼、解擾電路 為了使信碼流能夠并有利于在光纖系統中傳輸，光發射機輸出的信號是經過編碼處理的。為了使從光接收機輸出的信號能在PCM系統內傳輸，還需將信號進行一系列復原工作。首先通過解碼電路將mBnB或mBlH等碼型恢復為編碼之前的碼型。然后再經解擾電路將發送端“擾亂”的碼恢復為被擾亂前的狀況，最后再由編碼器將解擾后的碼變為適于在PCM系統中傳輸的HDB3碼。上述過程參見下圖。92溫度補償電路 為了減少溫度變化對雪崩管的影響，加上溫度補償電路，是雪崩管的偏壓隨溫度相應變化。（8）輔助電路）輔助電路箝位電路 為了使輸入判決器的信號穩定，在判決器前面還加有箝位電路，他將已均衡波的幅

58、度底部箝制在一個固定的電位上。告警電路 當輸入光接收機的光信號太弱或無時，由告警電路輸出一個告警信號至告警盤。93 光接收機靈敏度是描述接收機被調整到最佳狀態時，在滿足給定的誤碼率指標下，光接收機接受微弱信號的能力。 上述這種能力可以用三種物理量來體現 （1）最低接受平均光功率 （2）每個光脈沖最低接收光子的能量 （3）每個光脈沖最低接收平均光子數 本書將采用最低平均光功率。光接收機在滿足給定的誤碼率指標 下，最低接收平均光功率Pmin。 工程上常用相對值來表示，即用dBm來表示 Sr10lg(Pmin/10-3) dBm式中，Pmin在滿足給定的誤碼率指標下以瓦表示最低接收光功率10-3 指

59、1mW光功率94 從物理概念上來看，上述這種靈敏度定義也是容易理解的：如果一部光接收在滿足給定的誤碼率指標下，所要求的最低平均光功率低，說明這部接收機在微弱的輸入光條件下就能正常工作，顯然，在這部接收機的性能是良好的，是靈敏的。 限制接收機的靈敏度的主要因素是噪聲，由于接收機存在噪聲，因而為了保證正常接收就需要有足夠大的輸入功率。95 光接收機的動態范圍D，是在保證系統的誤碼率指標要求下，接收機的最低輸入光功率（用dBm來描述）和最大允許輸入光功率（用dBm來描述）之差（dB）即 D=10Lg（Pmax/10-3）10Lg（Pmin/10-3）=10Lg (Pmax / Pmin) 10Lg

60、(Pmax / Pmin)就是上面所講的接收機靈敏度。之所以要求光接收機有一個動態范圍，是因為當環境溫度變化時，光纖的損耗將產生變化； 隨著時間的增長，光源輸出的光功率亦將變化；也可能因一個標準化設計的光接收機工作在不同的系統中，從而引起接收光功率不同。因此要求接收機有一個動態的范圍，低于這個工態范圍的下限（即靈敏度），如前所說將產生過大的誤碼；高于這個動態范圍的上限，在判決時已將造成過大的誤碼。顯然，一臺質量好的接收機應有較寬的動態范圍。 961.研究光接收機噪聲的目的 在一個完整的光纖通信系統中，光接收機是他的重要組成部分。在滿足誤碼率（或信噪比）指標要求下，如果需要輸入接收機的光功率低，