第-4-章----光端机(1)(1)..ppt

第四章光端机,4.1光发射机4.2光接收机4.3线路编码,4.1光发射机,4.1.1光发射机基本组成4.1.2调制特性4.1.3调制电路和自动功率控制4.1.4温度特性和自动温度控制,4.1发射机的结构,防止LD输出的激光反射，实现光的单向传输,保持LD组件内恒定的温度，保证激光参数的稳定性,使LD有恒定的光输出功率,4.1光发射机,数字光发射机的功能：电端机输出的数字基带电信号转换为光信号；用耦合技术注入光纤线路；用数字电信号对光源进行调制。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，成熟且广泛应用：直接光强（功率）调制（IM）。,4.1.1光源的调制方式,调制方式：直接调制间接调制（外调制）一、直接调制的特点：将要传送的信息转变为电流信号注入LD或LED调制后的光波振幅的平方比例于调制信号（强度调制）简单、经济、容易实现响应带宽有限（2.5Gb/s）引入调制啁啾,-光纤通信系统中广泛采用的调制方式。,LED的调制,模拟调制需设置偏置电流Ib，在Ib上加信号电流，保证工作在P-I曲线的线性区。,I,P,I,t,t,P,Ib,对LD施加偏置电流Ib，当激光器的驱动电流大于阈值电流Ith时，输出光功率P和驱动电流I基本上是线性关系，输出光功率和输入电流成正比，所以输出光信号反映输入电信号。,LD的调制,加大偏置电流使其逼近激光器阈值，可以大大减小电光延迟时间，同时使张驰振荡得到一定程度的抑制.偏置于阈值附近，较小的调制脉冲电流即可得到足够的输出光脉冲，从而可大大减小码型效应和结发热效应的影响.另一方面，加大直流偏置电流将会使光信号消光比(EX)恶化，光源消光比将直接影响接收机灵敏度.实验发现，异质结激光器的散粒噪声在阈值处出现最大值，因此偏置电流不正好偏置在阈值处.调制电流幅度Im的选择，应根据激光器的P-I曲线，既要有足够的输出光脉冲幅度，又要考虑到光源的负担。如果激光器在某些区域有自脉动现象发生，则Im的选择应避开自脉动发生的区域.,数字直接调制中偏置电流和调制电流大小的选择,偏置电流Ib和调制电流Iin的选择Ibtd,驰张振荡，码型效应。IbEXT恶化。一般Ib在Ith附近。根据要求的输出光功率和斜度效率选择调制电流Iin。,4.1.1光发射机基本组成,数字光发射机的构成：光源：调制电路电路控制电路线路编码电路,实现电/光转换的关键器件，在很大程度上决定着发射机的性能。,设计应以光源为依据，使输出光信号准确反映输入电信号。,4.1.1光发射机基本组成,输入接口光发射机与电发射端机的连接口。作用：将电端机输出的HDB3码或CMI码变换成二元NRZ码，送入线路编码器；从电端机输出的HDB3码或CMI码中提取出时钟，送入线路编码器。ITU-T规定：一，二，三次群电端机的输出码型为HDB3码。四次群，STM-1电端机的输出码型为CMI码。,光源,对通信用光源的要求：-发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，光谱单色性要好（即谱线宽度要窄）。-电/光转换效率要高，且线性良好；发射光束的方向性要好（即远场的辐射角要小)-允许的调制速率要高或响应速度要快。-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。-体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。,4.1.1光发射机基本组成,系统对光源的要求：(1)波长稳定性要求WDM系统对光源发射波长的稳定性具有较高的要求；波长的漂移将导致信道之间的串扰；温度变化是波长漂移的主要因素。(2)功率稳定性要求某信道功率的漂移，不仅影响本信道的传输性能，而且通过EDFA的瞬态效应影响其它信道的性能；影响发射功率的因素：管芯温度：温度增加功率下降器件老化：功率下降,光发射机的控制电路,光源的控制电路：自动温度控制(ATC)和自动功率控制电路(APC)。作用：消除温度变化和器件老化的影响，稳定发射机性能。其它的控制电路：光源慢启动保护电路、激光器反向冲击电流保护电路、激光器过流保护电路和激光器关断电路。,4.1.1光发射机基本组成,调制电路和控制电路,光发射机的调制电路,光源注入合适的偏置电流和调制电流就能发射光，也就是说可以通过直接调制电流信号从而调制光信号，这也是直接调制名称的由来。在发射机中是由驱动电路提供恒定的偏置电流和调制电流，并采用一定的机制保持光功率不变。,4.1.1光发射机基本组成,调制电路和控制电路,对调制电路和控制电路的要求,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。,4.1.1光发射机基本组成,发射机的线路编码电路,线路编码：又称信道编码，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（HDB3)，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，此外它可以消除或减少数字电信号中的直流和低频分量，以便于在光纤中传输、接收及监测。数字光纤通信系统常用的线路码型：扰码、mBnB码和插入码。,4.1.1光发射机基本组成,4.1.2调制特性,半导体激光器具有电光转换效率高、响应速度快、可以进行直接调制的优点，被视为光纤通信中的理想光源。但在对半导体激光器进行脉冲调制时，激光器往往呈现出复杂的动态性质光电瞬态响应。,电光延迟张弛振荡自脉动,张弛振荡：当电流脉冲注入激光器以后，输出光脉冲表现出衰减式振荡。是激光器内部光电相互作用所表现出来的固有特性。,自脉动：某些激光器在某些注入电流下发生的一种持续振荡。,张弛振荡和自脉动的结合。激光器激射以后，先出现一个张弛振荡的过程，随后则开始持续自脉动。,光电瞬态响应波形：,1.电光延迟,原因：激光输出与注入电脉冲之间存在一个时间延迟，一般为纳秒量级。降低方法：预偏置在Ith附近。,上升时间：从额定功率的10升到90所需的时间,下降时间：从额定功率的90降到10所需的时间,当注入电流从零快速增大到阈值以上时，经电光延迟后产生激光输出，并在脉冲顶部出现阻尼振荡，经过几个周期后达到平衡值。措施：采用预偏置在Ith附近的方法，可减小张弛振荡,2.张弛振荡,不同于张弛振荡，没有阻尼，脉动频率范围为0.24GHz,容易发生在阈值附近和P-I特性的扭曲区。造成自脉动的机理涉及量子噪声效应、有源区的缺陷及温度感应的变化等因素。抑制这种现象主要靠控制材料的质量，尽量减少有源区的缺陷。,3.自脉动,4、码型效应：由于瞬态性质，输出光脉冲会出现码型效应。,码型效应起因：当第一个电流脉冲过后，存储在有源区的电荷以指数形式衰减，回到初始状态有一个时间过程sp，如果调制速率很高，脉冲间隔小于sp，会使第二个电流脉冲到来时，前一个电流脉冲注入的电荷并没有完全复合消失，有源区的存储电荷起到直流预偏置的作用，于是第二个光脉冲延迟时间减小，输出光脉冲的幅度和宽度增加。消除方法：增加直流偏置电流。,两个连“1”的现象,起因：注入电流导致温升，进而引起阈值电流的变化，从而输出光功率也发生变化。在电流脉冲持续阶段，输出光功率随时间而减小；而当电流脉冲过后，输出光功率随时间而增加。消除方法：适当增加偏置电流,5、结发热效应：半导体激光器是对温度很敏感的器件，不仅环境温度的变化会使激光器的阈值电流以及输出光功率发生变化，注入电流的热效应也会发生类似的变化结发热效应。是激光器的另一种瞬态调制效应。,激光二极管的啁啾(Chirp)特性：在直接调制激光二极管时，不仅输出光功率随调制电流发生变化，而且光的频率也会发生波动，即在幅度调制的同时还受到频率调制。带有频率啁啾的信号在单模光纤中传播时，在色散作用下，将增大非线性失真。随着调制速率增加，啁啾现象愈加严重。解决办法：采用外部调制器。,6、啁啾,4.1.3调制电路和自动功率控制,激光器驱动电路的调制速率受电路所用电子器件性能的限制：（1）共发射极驱动电路：适合10Mb/s以下（2）射极耦合驱动电路：可达300Mb/s（3）光电混合集成电路（1.5m）：5Gb/s（4）采用异质结双极晶体管：已达10Gb/s,共发射极驱动电路（图4.6）,4.1.3调制电路和自动功率控制,共发射极驱动电路LED,C1:加速电容R2:限流电阻输入端与TTL，CMOS电平兼容,4.1.3调制电路和自动功率控制,控制IB，使其跟踪Ith,Ub直流参考电压,自动功率控制（APC）,为什么需要进行自动功率控制？1）接收机对输入光功率的要求；下限：接收机灵敏度，上限：过载光功率。2）判决阈值的要求；接收机中平均输入光功率的变化，要求判决阈值相应变化。3）其他：线路中光放大器输入光功率的要求等。因此要求光发射机输出光功率稳定。,自动功率控制（APC）,图激光器的输出光功率与温度、老化特性的关系,为保证输出光功率的稳定，必须采用APC电路。,TIth老化tIthT,td,图4.8和图4.9,自动功率控制控制Ib，使其跟踪Ith控制Im，使其跟踪D的变化反馈光一般取自LD的后向镜面的输出光,调制电路,控制电路,Im,Ib,LD,PIN,一般D变化不很敏感，通常用平均功率控制法：监测平均光功率，控制Ib。,自动功率控制（APC）,图4.9APC电路原理,控制Ib，使其跟踪Ith,4.1.4温度特性和自动温度控制,温度对数字光发射机输出光脉冲的影响：幅度下降结发热效应,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,自动温度控制（ATC）,半导体光源的输出特性受温度影响很大，当温度发生变化时，LD的P-I特性和光谱特性都要发生变化。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，在数字光发射机中需要ATC电路。电路组成：一般由致冷器、热敏电阻和控制电路构成。,自动温度控制（ATC,致冷器说明：半导体致冷器（热电致冷器，thermalelectricalrefrigerator），原理：帕尔帖效应（热电效应）,ATC电路主要由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。,自动温度控制（ATC）,数字光发射机的性能指标,平均发送光功率消光比EXT边模抑制比SMSR谱线宽度,平均发送光功率,平均发送光功率：是发送机耦合到光纤的伪随机数据序列的平均功率在光发送机的输出端值。发送机发送的光功率与传送的数据信号中“1”所占的比例有关，“1”越多发送光功率越大。当传送的数据信号是伪随机序列时，“1”和“0”大致各占一半，将这种情况下的光功率定义为平均发送光功率。通常光发送机的发送功率要有11.5dB的余量。,数字光发射机的性能指标,消光比EXT,定义：最坏反射条件时，全调制条件下，不发射光信号平均光功率与发射光信号平均光功率的比值，用公式表示为（dB）：其中，A为空号时的平均光功率，B代表传号时的平均光功率（噪声）。激光器正常工作时设置的偏置电流略小于阈值电流，以便缩短光源的导通时间，这样即使在空号时仍有相当的发光功率。,数字光发射机的性能指标,消光比直接影响接收机灵敏度。一般要求EXT10%,边模抑制比SMSR,定义：在全调制的条件下主纵模的光功率M1和最大边模光功率M2之比，即一般规定光发送机的SMSR大于30dB，即主纵模的光功率是最大边模光功率的1000倍以上。,数字光发射机的性能指标,谱线宽度,即光发送机中所用光源器件的谱线宽度。光源器件的谱宽越窄越好，因为谱宽越窄，由它引起的光纤色散就越小，就越利于进行大容量的传输。,数字光发射机的性能指标,4.2光接收机,4.2.1光接收机基本组成4.2.2噪声特性4.2.3误码率4.2.4灵敏度4.2.5自动增益控制和动态范围,4.1.1数字光接收机组成,图4.14数字光接收机方框图,前端,线性通道,再生电路/数据恢复,4.1.1光接收机基本组成,光检测器：实现光/电转换，其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。放大器：前置放大器：对电信号进行预放大，以便后级电路进一步处理。应为低噪声放大器。主放大器：一般是多级放大器，它的作用是：（1）提供足够的增益；（2）通过它实现自动增益控制(AGC)，使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。,光接收机的前端,光接收机的前端,根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案：低阻抗前端高阻抗前端跨（互）阻抗前端,光接收机的前端,高阻抗前端,尽量加大偏置电阻，把噪声减至尽可能小的值优点：噪声较低缺点：动态范围小、高频分量损失太大,对均衡电路提出很高要求.多用于低速系统.,三种类型前置放大器:：双极型晶体管：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。缺点：噪声大，使光接收机灵敏度低。场效应管：输入阻抗高，噪声小，高频特性较差，适用于低速率传输系统。跨阻型：频带宽、噪声小、灵敏度高、动态范围大,光接收机的前端,光接收机的线性通道,均衡器：（1）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。（2）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。,光接收机的线性通道,再生电路,再生电路包括：判决电路和时钟提取电路。任务是：把均衡器输出的升余弦波恢复成数字信号。为了判定每一码元是“0”还是“1”。需要从升余弦波形中提取准确的时钟信号，在最佳的取样时间对升余弦波进行取样，然后将取样幅度与判决阈值进行比较，确定码元是“0”还是“1”。,4.2.2噪声特性,光接收机的噪声是与信息无关的随机变化量。噪声有两部分：外部电磁干扰产生（可以通过屏蔽或滤波加以消除）内部产生（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）光接收机噪声的主要来源(1)光检测器的噪声(2)前置放大器的噪声,光接收机的噪声特性,光接收机的噪声将影响信噪比SNR和通信质量.主要来自光电探测器和前置放大器的噪声。分为两类：散粒噪声和热噪声。,量子噪声的产生是由于光信号入射到光检测器上时，光电子的产生和收集过程具有统计特性(泊松分布)。光电效应产生的光生载流子数是随机起伏的，这是光检测过程的基本特性，从而使当其他条件都达到最佳化时，接收机灵敏度具有一个最低极限。,暗电流噪声：当没有光信号照射光检测器时，外界的一些杂散光或热运动也会产生一些电子空穴对，光检测器还会产生一些电流，这种残留电流称为暗电流。,漏电流噪声：当光检测器表面物理状态不完善和加有偏置电压时，会引起很小的漏电流噪声，但这种噪声并非本征性噪声，可通过光检测器的合理设计，良好的结构和严格的工艺降低。,APD倍增噪声：当使用雪崩光电二极管时，倍增过程的随机特性产生附加的噪声。,热噪声：是在有限温度下，导电媒质内自由电子和振动离子间热相互作用引起的一种随机脉动。,4.2.2噪声特性,图4.16光接收机的噪声等效模型,4.2.2噪声特性,电放大器中的等效噪声,量子噪声暗电流噪声电阻中的热噪声及放大器产生的噪声放大器输入端的均方噪声电流：,iq2=2eIpg2+xB(3.22),id2=2eIdg2+xB(3.22),(3.23),InGaAs光电二极管在波长为1300nm时有如下参数：初级体暗电流ID=4nA，负载电阻RL=1000W，量子效率h=0.90，表面暗电流可以忽略，入射光功率为300nW(-35dBm)，接收机带宽为20MHz，计算接收机的各种噪声.,首先计算初级光电流：,量子噪声均方根电流：,例,光检测器暗电流：,负载均方热噪声电流为：,例(续),4.2.3误码率,光接收机的误码率定义：BER=误判的码元数/接收的总码元数,图4.18计算误码率的示意图,误码率计算,需要分别计算“0”码和“1”码的误码率：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。假设噪声电流(或电压)的瞬时值服从高斯分布，其概率密度函数为,（4.8）,2实际上代表噪声电流的平方的平均值，也是1电阻上的噪声功率,误码率计算,发“0”码时，光检测器的平均噪声功率ND=0(略去暗电流)，总平均输出噪声功率N0=NA，噪声的概率密度函数为“0”码误判为“1”码的概率，应等于I0值超过D值的概率，即,前置放大器的噪声功率,误码率计算,发“1”码的条件下，平均输出噪声功率N1=NA+ND。I1ImDIm时，“1”码误判为“0”码：,误码率计算,当时，一般认为时，BER最小：,Q超扰比,图4.19误码率和Q的关系,Q=6，BER109Q7，BER=1012,接收灵敏度(1)保证达到给定误码率的条件下，光接收机需要的最小平均光功率。(W，dBm)(2)保证达到给定误码率的条件下，光接收机需要的每一光脉冲的最低平均能量。(3)保证达到给定误码率的条件下，光接收机需要的每一光脉冲的最低平均光子数。,4.2.4灵敏度Pr,4.2.4灵敏度Pr,定义：在保证通信质量(限定误码率或信噪比)的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率min，并以dBm为单位。公式如下：灵敏度表示光接收机调整到最佳状态时，能够接收微弱光信号的能力。提高灵敏度意味着能够接收更微弱的光信号。,（4.14）,P(dBm),BER,10-10,10-9,10-8,10-7,10-6,10-5,10-4,-32,-30,-28,-26,-24,给定BER,接收灵敏度Pmin,灵敏度换算示例,某接收机在保证误码率Pe=10-9的条件下，所需接受的最小光功率为15.8nW，则灵敏度为：,4.2.4灵敏度Pr,理想光接收机的灵敏度,理想光接收机：光检测器的暗电流为零放大器完全没有噪声系统可以检测出单个光子形成的电子-空穴对所产生的光电流（量子效率100%）其灵敏度受限于：量子噪声,量子噪声是伴随光信号的随机噪声，只要有光信号输入，就有量子噪声存在。,理想光接收机的误码率计算,“0”码误判为“”码的概率：Pe,01=0（“0”码光检测器没有光输入）“1”码误判为“0”码：检测器接收到光子，却没有产生电子-空穴对。此时，光子和电子数目很小，不能再用高斯分布来近似，而应用精确的泊松分布来模拟量子噪声极限。设n是一个“1”码中的平均光子数，产生m个电子-空穴对的概率：,理想光接收机的误码率计算,“1”码误判为“0”码的概率（即m=0时的概率）：当“0”码和“1”码等概率出现时，误码率为对于数字光纤通信系统，一般要求误码率Pe109，所以要求此时n21。,(4.15),每个入射1码脉冲含有的最少平均光子数为21个。,理想光接收机的灵敏度计算,设传输的是非归零码(NRZ)，每个光脉冲最小平均光能量为Ed，码元宽度为Tb，一个码元平均光子数为n，光/电转换的量子效率为，那么光接收机所需最小平均接收功率（量子极限）为,（4.16）,（4.17）,理想接收机的灵敏度仅与码速率，光波频率，检测器的量子效率有关,理想光接收机的灵敏度计算,理想光接收机的灵敏度,对1.55m、fb=10Gbps的光接收机，灵敏度为13nW或-48.9dBm。大多数光接收机实际工作状态偏离量子极限20dB或更多，如工作于2.5Gbps的光接收机的实际灵敏度为-30-33dBm。,实际光接收机灵敏度的计算,误码率Pe超扰比Q灵敏度min不考虑噪声，在发“0”码的情况下，入射信号的光功率P0=0，光检测器输出电流IP0=0。在发“1”码的情况下，入射信号的光功率P1和光检测器输出电流IP1的关系为IP1=gP1=2gP(4.18)在主放大器输出端“”码的平均电流Im=IP1A。（A为放大器增益）利用式(4.13)和式(4.18)得到：,实际光接收机灵敏度的计算,对于PIN光电二极管，NDm，一般选取n=m+1。mBnB码有1B2B、3B4B、5B6B（三，四，五次群常用的线路码）、8B9B、17B18B等等。,mBnB码的编码原理,以3B4B码来介绍mBnB码的基本原理。3B4B码，是将输入信号码流分成3B（