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文档简介
1、1 第三章 光源的调制 3.1 光源光源 3.1.1 基础知识基础知识 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.半导体激光器半导体激光器 3.2光源的调制光源的调制 3.2.1 光源的内调制光源的内调制 3.2.2光源的外调制光源的外调制 3.3光纤通信中的线路码型光纤通信中的线路码型 3.3.1研究传输码型的必要性研究传输码型的必要性 3.3.2选择码型应满足的主要要求选择码型应满足的主要要求 3.3.3光纤通信中常用码型光纤通信中常用码型 3.4光发射机光发射机 3.4.1 对光发射机的要求对光发射机的要求 3.4.2 光发射机的组成方框图及各部光发射机的组成方框
2、图及各部 分的功能分的功能 2 第三章 光源的调制 35光检测器光检测器 3.5.1半导体的光电效应半导体的光电效应 3.5.2PIN光电二极管光电二极管 3.5.3雪崩光电二极管雪崩光电二极管 3.5.4光电检测器的特性光电检测器的特性 3.6 光接收机光接收机 3.6.1数字光纤通信接收机的基本组成数字光纤通信接收机的基本组成 3.6.2 光接收机的指标光接收机的指标灵敏度和动态范围灵敏度和动态范围 3.6.3 光接收机的噪声光接收机的噪声 3.7 光发射机设计光发射机设计 3.7.1 驱动电路驱动电路 3.7.2 可靠性可靠性 3.7.3 光频稳定及其控制光频稳定及其控制 3.7.4 光
3、频稳定及其控制光频稳定及其控制 3.7.5 反向冲击电流保护反向冲击电流保护 3 半导体激器 气体激光器 固体激光器 二氧化碳激光器 4 由物理学知识知道,物质是 由原子构成的,原子又是由原子 核及其外围电子来构成,而电子 围绕原子核运动只能有某些一定 的不连续的轨道。由于沿每个轨 道运行时就有一定相应的能量, 这些分立的能量值就称为能级。 半导体中的电子虽然是作无 规则运动,但是,从量子统计学 观点来看,电子在不同能级上占 据的几率f(E)还是有规律的,他 们服从费米-狄拉克统计分布规 律。 1 光子与光波光子与光波 经过近百年的研究(而 且,至今仍在研究),人 们认为光的一个基本性质 是它
4、既有波动性又有粒子 性。一个光子的能量E与光 波频率f之间的关系是 E=hf 式中,h=6.62610-34 Js(焦秒),称为普朗克常 量。 2 能级、费米能级、费米-狄拉克统计分布和狄拉克统计分布和 费米能级费米能级 5 即 式中,f(E) 能量为E的能级被一个电子占据的几率; E 某一能级的能量值; k 玻耳兹曼常数,k=1.3810-23J/K(焦耳/开); T 绝对温度; Ef 费米能级, kTEE r e Ef / )( 1 1 6 3 光的辐射跃迁和吸收跃迁 研究指出,光与物质间可以存在如下三种互相作用 关系。 (1)自发辐射 物质原子中的电子在没有外界影响(激发)下,高能 级E
5、 上的电子,由于不稳定,自发地向低能级E 跃迁, 多余的能量以发光的形式表现出来,这就称为自发辐射。 自发辐射的特点是:所发光的频率、相位、偏振(又称 极化方向)都不相同,是非相干光。之所以有这种特点, 原因是产生辐射是自发的,因而造成频率、相位、偏振 方向都是随机的。 7 受激吸收 处在低能级E 上的电子,当受到外来光的照射,如前所 述,光是具有能量的(E=hf),低能级上的电子吸收了光子的能 量,从低能级E 跃迁到高能级E 上。这种因受激而吸收光的过 程称为受激吸收。对于希望产生激光这个目的来说,受激吸收就 是一种相反的过程。 8 受激辐射 高能级E 上的电子,当受到频率为的光激发时,从高
6、能级E2跃 迁回到对应的低能级E 上并发出频率为f= 的光。这种过程就 称为受激辐射,其特点是: 受激辐射的发光过程不是自发的,而是受到外来光激发引的。 从以上两式可知,受激辐射所发的光,它的频率与激发光的频 率相同。 h EE 12 9 4 粒子数反转分布粒子数反转分布 当外界向某个物质提供了能量,就会使得低能级上的电子,由 于获得了能量而大量地激发到高能级上去,像一个泵不断地将低能 级上的电子“抽运”到高能级上一样。从而达到高能级上的粒子 (电子)数N2大于低能级上的粒子(电子)数N1的分布状态。这 种分布状态成为反转分布状态。 10 1 激光器的构成及激光的产生激光器的构成及激光的产生
7、激光器是1960年由美国人梅曼发明的新型光源。它是利用受激 辐射原理,并采取一定措施在某个方向上获得很强的指向性、极高 的光强、极好的相干性的一种光源。它的实现要求: 第一. 要有一个合适的激光工作物质(发光介质)。 第二. 需要一个能保证粒子反转分布的激励能源泵浦源。 第三. 加一个光学谐振腔。 要产生激光还应满足如下两个方面的条件: 光的增益和损耗间应满足平衡的条件阀值条件; 在谐振腔中,光波往复反射能得到加强,从而能够存在,应满足 的条件相位平衡条件. 激光,英文的缩写是Laser, 即Light Amplification by Emission of Radiation,其意思是通过
8、辐射的受激发射实现光波放大。 11 2 激光器的阀值条件和相位平衡条件激光器的阀值条件和相位平衡条件 在激光器的工作过程中,除了具有上面所说的放大作用,光波 还会受到其他损耗.将增益和损耗结合起来考虑,显然,只有当光 波在谐振腔内往返一次放大得到的光能密度大于或等于损失的 光能密度,激光器才能建立起稳定的激光输出.将上述两者相等的 这种关系称为阀值条件 这表明了激光器能够起振(刚开始产生激光)时,激光器小信 号增益系数G0必须满足的一个下限值. 按照物理学中谐振的理论,只有那些经过往返一周回到原来 位置时,光波的相位与初始发生的波的相位同相的光波才能因彼 此加强(即谐振)而在谐振腔中 存在.不
9、满足这种谐振关系的光波 则因得不到彼此加强,最后因腔内的损耗而消失. 这就是满足相位平衡条件时,激光器中存在光波的频率. 12 所谓本征半导体就是指没有任何外来杂质和晶格缺陷 的理想半导体,半导体的能级不是分立的而是一个能带.电子 填充能带遵守两个基本原理: 一.在确定的能级上最多只能填充自旋方向相反的两个 电子; 二.电子总是力图占据能量最低的能带.要使半导体材料 产生激光,必然要使P-N结处在粒子数反转分布状态。 掺杂就是向本征半导体材料掺入杂质元素.如果N型半 导体材料是重掺杂的,它提供的电子数多,高能级的电子就相 应的多,它的能带图中费米能级EfN就高,而且一直伸入到导 带中.P型材料
10、重掺杂情况相应的费米能级EfP必定较低,而且 一直低到P型材料能带图中的介带之中. 13 当这种N型和P型重掺杂 半导体材料形成P-N结后能带 分布发生的变化如下:N型材料 中的电子向P型材料中扩散;P 型材料中的空穴向N型材料扩 散.由于空间电荷区的存在,出 现了一个N指向P(即由正指向 负)的一个电场,称为内建电场. 最后,扩散和漂移作用达到动 态平衡,使通过边界的净电流 等于零.由于内建电场的出现, 使P区的电子电位能相对于N 区的电子电位能抬高. 14 外加的正偏压使图(b)中 P的电子电位降低,使N的电子 电位提高.随着注入载流子的 不同,在P-N结出现了两个费 米能级.在P-N结区
11、同一块材 料上就出现了高能级粒子多, 低能级粒子少的分布状况. 外加的正偏压使图(b)中P 的电子电位降低,使N的电子电 位提高.随着注入载流子的不同, 在P-N结出现了两个费米能级. 在P-N结区同一块材料上就出现 了高能级粒子多,低能级粒子少 的分布状况. 15 以上是早期研制的激光器,它的缺点是对光波和载流子的限 制不完善,从而使激光器需要的阀值电流大.为了克服上述缺点,人 们研制了一种称为单异质结激光器和双异质结激光器的半导体激 光器,简称为异质激光器. 所谓异质结就是用两种材料构成的P-N结.例如,一种材料是 GaAs,另一种材料是GaAlAs.它是在同质结的基础上,加了一层异 质结
12、材料GaAlAs,这一层的作用可以从两个方面来分析. 增加了位垒,对载流子进行了限制. 在界面上出现了n(折射率)的突变,限制了光波. 双异质结激光器是在单异质结激光器的基础上再做改进的一 种激光器,它在单异质结激光器有源区P-GaAs的左侧加了一块异 质材料N-GaAlAs.由于双异质结激光器在有源区两侧,即限制了载 流子,又限制了光波,故它的光强分布基本被约束在有源区,而且阀 值电流大大降低,实现了预期的目的. 2 异质结半导体激光器异质结半导体激光器 16 基本结构包括:工作物质,揩振腔和泵浦源.其中工作物质 和泵浦源是实现光的自发发射、受激吸收和受激发射的最 基本条件。 自发发射:大量
13、处于高能级的粒子,各自分别发射一列一 列频率为=(E2 -E1) /h的光波,但各列光波之间没有固定 的相位关系,可以有不同的偏振方向,沿所有可能的方向 传播。各光子彼此无关。 受激发射:处于高能级E2的粒子受到光子能量为的光照射 时,粒子会由于这种入射光的刺激而发射出与入射光一模 一样的光子,并跃迁到低能级E1上。有相同的偏振方向和 传播方向。 17 自发发射的同时总伴有受激发射发生。 在热平衡情况下,自发发射占绝对优势。 当外界给系统提供能量时,如采用光照(即光泵) 或电流注入(即电泵),打破热平衡状态,大量粒 子处于高能级,即粒子数反转后,在发光束方向上 的受激发射比自发发射的强度大几个
14、数量级。 总结激光发射的首要条件: 工作物质(即能实现粒子跃迁的晶体材料,如 GaAs和InGaAsP) 外界供给能量满足粒子数反转(常采用电流注 入法) 18 只有增益介质而无光 学反馈装置,便不能 形成激光。将已实现 粒子数反转分布的系 统置于严格平行的一 对反射镜之间便形成 F-P谐振腔。光在两个 反射镜之间往返多次 过程中,得到放大。 19 20 图-8 GaAlAs-GaAs激光器的输出光谱 21 2半导体激光器的工作特性 (1)发射波长 半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释 放出的能量,这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV),由式(-1) 得 hf = Eg (-5
15、) 式中, ,f (Hz)和(m)分别为发射光的频率和波长, c=3108m/s, h=6.6281034 Js,leV=1.601019 J为电子 伏特,代入式(-5)得 (m) (-6) 由于能隙与半导体材料的成分及其含量有关,因此根据这个 原理可以制成不同发射波长的激光器。 c f )eV( 24. 1 g E 22 (3)光谱特性 LD的光谱随着激励电流的变化而变化。当IIth时,发出 的是荧光,光谱很宽,如图-7(a)所示。当I Ith后,发 射光谱突然变窄,谱线中心强度急剧增加,表明发出激光, 如图-7(b)所示。 图-7 GaAlAs-GaAs激光器的光谱 23 随着驱动电流的增
16、加,纵模模数逐渐减少,谱线宽度变窄。 当驱动电流足够大时,多纵模变为单纵模,这种激光器称为 静态单纵模激光器。 普通激光器工作在直流或低码速情况下,它具有良好的单 纵模谱线,所对应的光谱只有一根谱线,如图-8(a)所示。 而在高码速调制情况下,其线谱呈现多纵模谱线。如图-8 (b)所示。 一般,用F-P谐振腔可以得到的是直流驱动的静态单纵模 激光器,要得到高速数字调制的动态单纵模激光器,必须改 变激光器的结构,例如分布反馈半导体激光器(DFB-LD)。 24 图-8 GaAlAs-GaAs激光器的输出光谱 25 转换效率和光功率特性 下图是典型激光器的光 功率特性曲线。 当IIth时,发出 的
17、是受激辐射光,光功率随 驱动电流的增加而增加 26 27 温度特性 激光器输出光功率随温度而变化有 两个原因:一是激光器的阈值电流Ith随温度 升高而增大,二是外微分子量子效率d随温 度升高而减小.温度升高时, Ith增大, d减小, 输出光功率明显下降,达到一定温度时,激光 器就不激射了. 阈值电流随温度呈指数变化: Ith=I0 exp(T/T0) 28 29 半导体激光器属于半导体二极管的范畴,除具有二极管的 一般特性外(如伏安特性),还应具有特殊的光频特性. 阀值特性 对于半导体激光器,当外加正向电流达到某一 值时, 输出光功率急剧增加,这是将产生激光振荡,这个电流值 成为阀值电流,用
18、I1表示.当II1时, 激光器才发出激光. 30 发光二极管实物图发光二极管实物图 31 发光二极管的广泛应用发光二极管的广泛应用 32 发光二极管的符发光二极管的符 号、工作电压、号、工作电压、 电流电流 发光二极管的发光二极管的 符号:符号: 发光二极管工作的条件:发光二极管工作的条件: 1、加、加正偏正偏电压电压 字母符号:字母符号:LED 2、正偏电压大于、正偏电压大于1、5V, 一般在一般在1、5V到到3V 3、工作电流为、工作电流为 1030mA为适宜为适宜 33 1LED的工作原理 发光二极管(LED)是非相干光源,是无阈值 器件,它的基本工作原理是自发辐射。 发光二极管与半导体
19、激光器差别是:发光二极 管没有光学谐振腔,不能形成激光。仅限于自发 辐射,所发出的是荧光,是非相干光。半导体激 光器是受激辐射,发出的是相干光。 34 2LED的结构 LED也多采用双异质结芯片,不同的是LED没有解理面,即 没有光学谐振腔。由于不是激光振荡,所以没有阈值。 LED分为两大类:一类是面发光型LED,另一类是边发光型 LED,其结构示意图如图-12所示。 图-12 常用的两类发光二极管(LED) 35 3LED的工作特性 (1)光谱特性 LED谱线宽度比激光器宽得多。图-13是InGaAsP LED 的输出光谱。 图-13 InGaAsP LED的发光光 谱 36 (2)输出光功
20、率特性 两种类型的LED输出光功率特性如图3-14所示。驱动电流I 较小时,P I 曲线的线性较好;当I 过大时,由于P-N结发热 而产生饱和现象,使P I 曲线的斜率减小。 图3-14 发光二极管(LED)的P I 特性 37 (3)温度特性 由于LED是无阈值器件,因此温度特性较好。 (4)耦合效率 由于LED发射出的光束的发散角较大,因此与光纤的耦合效率较 低。一般只适于短距离传输。 比较: LED与LD相比,LED输出光功率较小,谱线宽度较宽,调 制频率较低。但LED性能稳定,寿命长,使用简单,输出光功率线 性范围宽,而且制造工艺简单,价格低廉。 38 LED通常和多模光纤耦合,用于1
21、.31m或 0.85m波长的小容量、短距离的光通信系统。 LD通常和单模光纤耦合,用于1.31m或 1.55m大容量、长距离光通信系统。 分布反馈半导体激光器(DFB-LD)主要也和 单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合,用于 1.55m超大容量的新型光纤系统,这是目前光纤 通信发展的主要趋势。 39 电压:LED使用低压电源,供电电压在6-24V之间,根据产 品不同而异,所以它是一个比使用高压电源更安全的电源, 特别适用于公共场所。 效能:消耗能量较同光效的白炽灯减少80% 适用性:很小,每个单元LED小片是3-5mm的正方形,所以 可以制备成各种形状的器件,并且适合于易变的环境 稳定性:10万
22、小时,光衰为初始的50% 响应时间:其白炽灯的响应时间为毫秒级,LED灯的响应时 间为纳秒级 对环境污染:无有害金属汞 颜色:改变电流可以变色,发光二极管方便地通过化学修饰 方法,调整材料的能带结构和带隙,实现红黄绿兰橙多色发 光。如小电流时为红色的LED,随着电流的增加,可以依次 变为橙色,黄色,最后为绿色 价格:LED的价格比较昂贵,较之于白炽灯,几只LED的价 格就可以与一只白炽灯的价格相当,而通常每组信号灯需由 上300500只二极管构成。 40 (1)发光机理上:LD利用的PN结能带 间的受激辐射,LED利用的PN结能带间 的自发辐射。 (2)结构上:LD具有泵浦源、增益介质、 谐振
23、腔。LD是阈值器件。LED泵浦源、 增益介质。LED为非阈值器件。 (3)应用范围:LD适用长距离大容量数 字系统,LED短距离低速模拟、数字系统。 (4)出射光束特性上:LD发射的发散角 小的、光谱宽度小的、输出功率大的激 光。LED发射的发散角大的、光谱宽度大 的、输出功率小的荧光。 41 380nm 430nm 490nm 505nm 515nm 535nm 585nm 600nm 630nm 700nm 42 模拟信号的内调制 所谓模拟信号的内调制, 就是直接让LED的注入电流跟 随反映语音或图像等模拟量变 化,从而使LED管输出的光功 率跟随模拟信号变化,如图3- 21所示 图3-2
24、1模拟信号内调制 示意图 43 R1 R2 R3 R4 VT1 LED V+ C A 监测 图3-21是一个简单的模拟 信号内调制电路。图中VT1是提 供LED管注入电流的晶体管,当 信号从A点输入后,晶体管放大 器集电极电流就跟随模拟量而 变,并且发光二极管LED的注入 电流也跟随模拟信号变化。于是 LED的输出光功率就跟随模拟量 变化,就这样实现了对光源的内 调制。 图3-22简单的模拟信号 内调制电路 44 2数字信号的内调制 当光纤通信系统所传的信号是一系列的“0”“1”数字信号时, 用 LED管进行数字信号直接调制的原理图如图3-23(a)所示。用LED 管进行数字信号直接调制时,如
25、图3-23 (b)所示。 图3-23数字信号调制原理图 45 一种简单的LED数字信号调 制电路如图3-24所示。它只有一 级共发射极的晶体管调制电路, 晶体管用作饱和开关。晶体管的 集电极电流就是LED的注入电流。 信号由A点接入。 “0”码时晶体管不导通; “1”码时晶体管导通,于是注入 电流注入到LED管。使得LED管 发光,从而实现了数字信号调制。 图3-24 一种简单的LED 数字信号内调制电路 46 图3-25是一种较复杂的半导体激光器数字信号内调制电路。图 中电流源是由晶体管电路构成的,它的作用使晶体管VT1或 VT2产生一个固定幅度的脉冲,作为注入电流ID提供给LD。 VT3,
26、 VT4它们的作用时 使从ECL发射极耦合逻辑 电路电流来的“0”码,“1” 码输入电平移动至满足VT1, VT2和参考电压三者间所需的 电平值 图 3-25 一种较复杂的LD 数字信号内调制 47 VT1,VT2两只晶体管组成一个电流开关。当VT1的基极电位 高于VT2基极电位时,电流源的全部电流流过VT1的集电极,然而激 光管是接在VT2支路上的,故激光器不发光,相当于发“0”码。当 VT2基极电位高于VT1基极电位时,则反过来VT2导通,全部电流源 电流流过VT2的集电极支路。从而注入LD管,使LD在这段时间内发 光,发出一个光脉冲,即对应于发一个“1” 码。 ECL电路发射极耦合逻辑电
27、路,输入的调制信号经ECL电路 送至VT1基极。例如传“1”码时为1.8V;传“0”码时为0.8V。 VBB参考电压,是为设VT1,VT2按上述原则工作必须的,这 个电压接在VT4基极上,是负电压,其数值处在“0”码和“1”码的中 间值。 偏流由晶体管电路提供一个偏置电流,它接在LD管的负极上, 稍低与LD管的预置电流It,相当于传“0”码(即无光脉冲发出)的状 态。偏流加在这种位置是激光管作调制时与用发光管作调制的一个区 别点。 48 前面已介绍了对光源进行内调制的方法,这种调制方法 的优点是电路简单容易实现,.但是,若在高码速下采用这种调 制方法时,将是光源的性能变坏.在高码速强度调制直接
28、检 波的光纤通信系统,或外差光纤通信系统中,可采用对光 源的外调制方式。 目前已提出的外调制方式有电光调制,声光调制和磁光 调制。 49 1 电光调制器 电光调制的基本工作原理是晶体的线性电光效应。 2 磁光调制 磁光调制是利用法拉第效应得到的一种光外调制。入射光信号 经过起偏器,使入射光变为偏振光,这束偏振光通过YIG磁棒时, 其偏振方向随绕在上面下圈的调制信号而变化,当偏振方向与后面 的检偏器相同时,输出光强最大,当偏振方向与检偏器方向垂直时, 输出光强最小,从而使输出光强随调制信号变化,实现了光的外调 制 。 磁光调制器结构简图 电 光 调 制 器 结 构 简 图 50 声光调制器是利用
29、机制的声光效应制成。它的工作原理是, 当调制电信号变化时,由于压电效应,使压电晶体差生机械振 动形成超声波,这个声波引起声光介质的密度发生变化,使介 质折射率跟着变化,从而形成一个变化的光栅,由于光栅的变 化,使光强随之发生变化,结果使光波受到调制。 2 声光调制器 磁光调制器结构简图 电 光 调 制 器 结 构 简 图 51 半导体激光器(LD)是有谐振腔、泵浦源、 激光介质。基本原理是受激辐射。工作原 理是通过泵浦源的激励,实现半导体激光 介质的粒子数反转。在能带间跃迁发光, 用半导体晶体的解理面形成两个平行反射 镜面作为反射镜,组成谐振腔,使光振荡、 反馈、产生光的辐射放大,输出激光。
30、LED是有泵浦源、激光介质。基本原理 是自发辐射。工作原理是通过泵浦源的激 励,实现半导体激光介质的粒子数反转。 在能带间跃迁发光。 52 (1)发光机理上:LD利用的PN结能带间的受激 辐射,LED利用的PN结能带间的自发辐射。 (2)结构上:LD具有泵浦源、增益介质、谐振腔。 LD是阈值器件。LED泵浦源、增益介质。LED为 非阈值器件。 (3)应用范围:LD适用长距离大容量数字系统, LED短距离低速模拟、数字系统。 (4)出射光束特性上:LD发射的发散角小的、光 谱宽度小的、输出功率大的激光。LED发射的发 散角大的、光谱宽度大的、输出功率小的荧光。 53 在数字通信中,传输码型的选择
31、是一个必须考虑的问题。PCM 系统中的码型并不都适合在光纤数字通信系统中传输,例如HDB3 码(三阶高密度双极性码)有1,0,1三种状态,而在光纤数 字通信系统中,光源只有发光和不发光两种状态,没有发负光这种 状态。因此,在光纤系统中无法传输 HDB3 码。为此,必须将 HDB3 解码,变为单极性的“0”,“1”码。但是HDB3解码后,这种 码型所具有的误码检测等功能都将失去 。以上时需要重新编码的一 个原因。 另一方面,在光纤系统中,除了需要传输主信号外,还需增加 一些其它的功能,为此,需要在原来码速率基础上,提高一点码速率,以 增加一些信息余量(冗余度)。具体做法是在原有码流中插入脉冲,
32、这也需要重新编码。 54 t t t t t t t t t 01000011000001010二进制代码 (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) (i) 单极性(NRZ)码 ;无电压用 来表示0,而恒定的正电压表 示1 (b) 双极性(NRZ)码;1码是 正电流,0码是负电流 (c) 单极性(RZ)码;高电平和 零电平分别表示二进制码 和 (d) 双极性(RZ)码; 和 分别对应于正和负电平 (e) 差分码; (f) 交替极性码(AMI);0 传 输码中的0 1 传输码中的+1、 -1交替 (g) 三阶高密度双极性码 (HDB3); (h) 分相码; (a)(i) 信
33、号反转码(CMI)其编码 规则是“1”码交替用“11”和 “00”两位码表示;“0”码固 定地用“01”表示 55 AMI(Alternative Mark Inversion)码的全称是传号交替反转码,是通信 编码中的一种,为极性交替翻转码,分别有一个高电平课低电平表示两 个极性。 一、编码规则: 消息代码中的0 传输码中的0 消息代码中的1 传输码中的+1、-1交替 例如: 消息代码:1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 AMI码: +1 0 -1 0 +1 0 0 0 -1 0 +1 -1 +1 一、编码规则: 1 先将消息代码变换成AMI码,若AMI码中连0的个数小于4,
34、此时的 AMI码就是HDB3码; 2 若AMI码中连0的个数大于3,则将每4个连0小段的第4个0变换成与 前一个非0符号(+1或-1)同极性的符号,用表示(+1+,-1-); 3 为了不破坏极性交替反转,当相邻符号之间有偶数个非0符号时, 再将该小段的第1个0变换成B或-B,符号的极性与前一非零符号的相反, 并让后面的非零符号从符号开始再交替变化。 例如: 消息代码: 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 AMI码: +1 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 +1 -1 0 0 0 0 +1 -1 HDB3码:+1 0 0 0 +V -1 0 0 0 -V
35、+1 -1 +B 0 0 +V -1 +1 56 1mBnB码 mBnB又称分组码(Block Code),它是把输入信码流中每 m比特码分为一组,然后变换为n比特,且nm。就是说,变换 以后码组的比特数比变换前大,码流有了“富余”(冗余)。 这样就可以在原来信息之外加入与误码检测等有关的信息。并 且经过适当的编码后还可以改善定时信号的提取和直流分量的 起伏问题。 光纤通信中最常用的码型是5B6B码,这种编码方式是先将 码流中每五位码元分为一组,然后在将这组五位码变换为六位 码。由数学理论可知,由二元信号组成的六位码有64种排列, 而5B6B编码中只选用了其中“0”和“1”出现概率相同和相近的
36、 44种码组(其中包括20个含有三个“0”和三个“1”的平衡码组 以及24个含有四个“1”两个“0”和四个“0”两个“1”的不完全平 衡码组),这样由于正、负码交替使用,从而使直流分量稳定, 基线不起伏。剩下的20个码组不使用,一般称为禁字。 57 伪双极性码(CMI和DMI) 光纤通信中使用的伪双极性码使用“11”和“00”来代表双极性 码 中的1和1。CMI和DMI码的码表如表3-3 双极性码 CMI DMI +1111 001在1后用01,在1后 用10 -0000 58 插入比特码 这种码型是将信码流中每m比特划为一组,然后在这一组的 末 尾一位之后插入一个比特码,随着所插入码的功能的
37、不同,这种 码型又可分为如下三种形式。 (1) mB1P码 它是在每m比特以后插入一个奇、偶校正码,成为P码。P码 的作 用是保证每个码组内1码的个数为偶数。 例如8B1P码 若信码流中每8个码元为一组的码组为11011001,则经过编码 后,应再插入一个“1”码使码组中“1”的个数变为6(偶数),即 变 为 110110011 若信码流中每8个码元为一组的码组为00010010,则经过编码 后,应再插入一个“0”码使码组中“1”的个数仍为偶数,即变为 000100100 由于mB1P码中“1”码的个数是偶数,因此,可通过检测每组码流 中“1”码的奇偶状况来进行误码检测。 59 (2)mB1C
38、码 这种码形式将信码流每m比特分为一组,然后再其末未之 后再插入一个反码(又称补码)即C码。C码的作用是:如果 第m位码为“1”,则反码为0;反之则为“1”。 (3)mB1H码 这种码是将信码流中每m比特码分为一组,然后再其末位 之后插入一个混合码,称为H(Hybrid)码。例如8B1H码就是每 八个信号码元之后插入一个混合码元。所插入的混合码是由G 码和C码来构成的。 C是插入的反码,作误码监测用。若码流中C码的前 一个码是“1”,则C码即为“0”;反之,若C码前一个码为“0”, 则C码为“1”。 G是插入的混合码中除去C码外的码。 经过这种编码,区间通信话路可以不通过PCM复用设备,直 接
39、在中继站上、下话路,为系统带来了灵活性。 60 这是一种在同步数字体系(SDH)中广泛采用的码 型。它根据一定规则将信号码流进行扰码。经过扰码后 使线路码流中的“0”,“1”出现的概率相等,因此,采用 这种码型后在线路码流中不会出现长“0”,长“1”情况, 因为如果线路码流中出现长“0”,长“1”将会给系统中时 钟信号的提取带来困难。 在光的发射端采用加扰二进码后,在接收端还须将被 扰的码流恢复过来。 (4) 加扰二进码 61 在光纤通信系统中,光发射机的作用是把从电端机送来的电 信号经过编码、调制,再由光源变为光信号最后送入光纤。 还应指出,实际使用的光端机,并不是真有这么一个光发射机架。
40、到20世纪80年代末,实际的光端机发射机就是一块插在光端机架 中的机盘。 62 (1)光源的发光波长要合适 (2)合适的输出功率(0.01-5mw) 虽然光源送入光纤的光功率愈大,可通讯的距离就越长, 但是从理论上讲,光源送入光纤的光功率太大并非好事。因为 光功率太大就会使光纤工作在非线性状态。这种非线性效应将 会产生很强的频率转换作用和其他作用,对光纤产生不良的影 响。 (3)较好的消光比 所谓消光比(EXT)就是 作为一个被调制的好光源,希望在“0”码时没有光功率输 出,故一般要求EXT10。消光比的不足容易引起对码元的 误判等一系列问题。 (4)调制性能好 码时的平均输出功率全 码时的平
41、均输出功率全 1 0 EXT 63 实际光发射机电路图 图 3-28 光发射机原理方框图 64 (3)时钟时钟 由于解码和扰码过程都需要时中信号作依据(时间参考)。故在均衡放 大之后,由时钟电路取出PCM中的时钟信号供给解码、扰码,编码电路用。 (1)均衡放大均衡放大 由PCM端机送来的HDB3 码流,经过电缆的传输产生了衰减和畸变.所 以,在信号进入发射机时,首先要经过均衡和放大,以补偿衰减的电平、均 衡畸变的波形。 (2)解码解码 解码电路完成将HDB3这种双极性码变为单极性的“0”,“1”码。 (4)扰码扰码 如果信码流中出现长“0”,长“1”的情况,加入扰码电路可以有规律的 “破坏”长
42、“0”长“1”码流。当然,在接收端还要加入一个与扰码相反的解 扰电路,恢复信码流原来的状况。 65 (6)调制(驱动)调制(驱动) 调制电路对光源进行调制,让光源发出的光强跟随经过编码后的 信码流变化,形成相应的光脉冲送入光导纤维。 (5)编码编码 前面我们已经讨论过,信码流还需要进行编码才能便于不间断进 行误码检测,克服直流分量的波动,以便于区间通信联络等功能。 (7)自动功率控制自动功率控制 光发射机的光源经过一段时间使用将出现老化,使输出光功 率降低。另外,激光器PN结结温变化,使P-I曲线变化,也会使 输出光功率产生变化。为了使光源的输出功率稳定,在实际使用 的光发射机中常使用自动功率
43、控制(APC)电路。下面我们介绍 一种APC电路的原理方框图,如图3-31所示。 66 67 是一个典型是一个典型LD自动功率控制电路,自动功率控制电路, 其自动功率控制电路的工作原理如其自动功率控制电路的工作原理如 下所述:当由于温度原因使下所述:当由于温度原因使LD输输 出光功率降低时,流过出光功率降低时,流过PD(通常为通常为 PINPD)的电流减小,的电流减小,A1放大器反放大器反 向输入端电位增大,向输入端电位增大,A1放大器输放大器输 出端电位降低出端电位降低(即即A2放大器反向输放大器反向输 入端电位降低入端电位降低)。 68 (8)自动温度控制自动温度控制 由于半导体光源的P-
44、I特性曲线对环境温度的变化反应 很灵敏,从而使输出光功率出现变化,因此一般应在机器的发 射机盘上装有自动温度控制(ATC)电路。 (9)其他保护、检测电路其他保护、检测电路 光发射机除有上述各部分电路组成外,还有如下一些辅助 电路 LD保护电路使半导体激光器的偏流慢启动以及限制偏 流不要过大,以免烧毁激光器。 无光告警电路当光发射机电路出现故障,或输入信号 中断,或激光器失效都将使激光器较长时间不发光,这时延迟 告警电路将发出告警指示。 3.4.2 3.4.2 光发射机的组成方框图及各部分的 光发射机的组成方框图及各部分的 功能功能 69 2. 自动温度控制电路 从前面的内容可以知道,从前面的
45、内容可以知道,LD的输出特性与温的输出特性与温 度有着密切的关系。为了保证光发送机具有稳定度有着密切的关系。为了保证光发送机具有稳定 的输出特性,对的输出特性,对LD的温度特性进行控制是非常必的温度特性进行控制是非常必 要的,而且对要的,而且对LD的温度控制也是保护的温度控制也是保护LD的一项的一项 关键措施。关键措施。 70 (1)激光器的温度特性激光器的温度特性 温度对激光器输出光功率的影响主要通过阈值电流温度对激光器输出光功率的影响主要通过阈值电流Ith和和 外微分量子效率外微分量子效率d产生,如图产生,如图5.10(a)和()和(b)所示。)所示。 当温度升高,阈值电流增加,外微分量子
46、效率减小,输出当温度升高,阈值电流增加,外微分量子效率减小,输出 光脉冲幅度下降。光脉冲幅度下降。 温度对输出光脉冲的另一个影响是温度对输出光脉冲的另一个影响是“结发热效应结发热效应”。 即使环境温度不变,由于调制电流的作用,引起激光器结即使环境温度不变,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 应称为应称为“结发热效应结发热效应”。如图。如图5.11所示所示 “结发热效应结发热效应”将引起将引起 调制失真。调制失真。 71 图5.10 温度引起的光功率输出的变化 图5.11 结发热效应 72 (
47、2)光源的自动温度控制(光源的自动温度控制(ATCATC) 温度控制装置的组成温度控制装置的组成 温度控制装置由致冷器、热敏电阻和控制电路组成,图温度控制装置由致冷器、热敏电阻和控制电路组成,图 5.12示出了温度控制装置的方框图。示出了温度控制装置的方框图。 图5.12 自动温度控制原理方框图 73 的冷端和激光器的热沉接触,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 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 3040 。
48、 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。 74 自动温度控制(自动温度控制(ATC)原理)原理 图5.13 ATC电路原理 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。 T(环境) T(LD、热沉) RT I(致冷器) T(LD) 75 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TEC的电流
49、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 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的电流也增大温度降低,热沉和管芯的温度 也降低,因而保持温度恒定。 76 注:温度控制只能控制温度变化引起的输出光 功率的变化,不能控制由于器件老化而产生的输出 功率的变化。 对于短波长激光器,一般只需加自动功率控制 电路即可。 对于长波长激光器,由于其阀值电流随温度的 漂移较大,因此,一般还需加自动温度控制电路, 以使输出光功率达到稳定。 77 LED的驱动电路相对来说要简单得多,图3.26(a)
50、贺(b)分 别表示模拟和数字传输LED光驱动电路原理图。通常LED驱动电路 没有自动功率和温度控制电路,但长波长LED有时容易受到温度变 化的影响,所以需要增加热电制冷和偏流控制电路。 图3.26 LED驱动电路模拟传输 LED驱动电路驱动电路 78 数字传输 LED的驱动电路相对来说要简单得多,图3.26(a)贺(b)分 别表示模拟和数字传输LED光驱动电路原理图。通常LED驱动电路 没有自动功率和温度控制电路,但长波长LED有时容易受到温度变 化的影响,所以需要增加热电制冷和偏流控制电路。 LED驱动电路驱动电路 图3.26 LED 驱动电路 79 模拟传输LED发射机类似于线性电压电流转
51、换器,可 使用负反馈使驱动电流更线性。有时在反馈环路中增加非线 性匹配网络,用驱动电流传递函数补偿光源传递函数的非线 性。对于20MHz以上的高速光发射机,设计一个高速线性电 流源要更困难一些,因此,常常使用50欧姆的射频(RF)驱 动放大器,与LED的阻抗匹配。 80 使用半导体激光器光源的高速 光发射机要比LED光发射机电路复 杂得多。驱动电路的作用就是供给 恒定的偏流以及已调制的电信号, 同时采用自动功率和温度控制电路 使平均光功率保持恒定。 图3.28表示通过反馈控制平均 光功率的简单驱动电路。一个光电 二极管监视激光器的输出并产生控 制信号调整激光器的偏置电流。激 光器的后解理面发射
52、的光通常被用 于这种监控目的。因为激光器阈值 对工作温度很敏感,而且,因为半 导体激光器在使用中逐渐退化,阈 值电流也不断增加,所以偏流控制 就显得特别重要。 2 LD驱动电路驱动电路 81 光发射机用该能在相当长的时间按内(约10年)可靠的工 作。至今,光发射机失效的主要原因是光源本身,通常用平均 时效时间(MTTF,Mean Time to Failure)tF;来衡量激光器 的寿命,它与平均失效概率的关系是 PF exp(-t/tF ) 式中t表示使用时间。通常光源的tF应该超过105小时(约11 年)。在实际的系统中,加入光源和光纤的耦合逐渐变化,也 可使发射机失效。在发射机的可靠性设
53、计中,耦合的稳定性是 一个重要问题。 一般来说,在相同的工作条件下,LED比LD具有更长的寿 命。 82 激光器或调谐滤波器的频率不仅与设计有关,而且与与外 界的各种参数,如温度、振动、驱动电流或电流压有关。不管 是相干系统还是使用调谐滤波器的非相干系统都要采取一定的 保持稳定的措施。 实验证明,假如偏流控制在0.1mA以内变化,采用自动温 度控制后,波长稳定在几百MHz变化,这现有商用DFB激光器 就可以使用。区多商品化激光器组件包括了要求维持与值电流 相对恒定的器件,通常能够使温度稳定到0.1C。 83 图3.29表示使用反馈控制的激光器自动温度控制电路原理图。 安装在热电制冷器上的热敏电
54、阻,其阻抗与温度有关,它构成了电 阻桥的一臂。热电致冷器采用帕尔帖效应产生制冷,它的制冷效果 与施加的电流成线性关系。未防止致冷器内部发热引起性能下降, 在制冷器上加装面积足够大的散热片是必要的。 84 为了防止光源受到反向冲击电流或电压的破坏,一般在LD上 并联一路肖特基二极管,在图3.28(b)中,D1就是起反向冲击电 流保护的作用。因为肖特基二极管的结电容小,反向恢复时间短, 故不影响光源的高速工作。当反向冲击电流(或电压)出现时, 肖特基二极管D迅速导通泄放,从而保护了电源。 图3.32 LD的过流保护电路 焊接和静电保护 激光器组件在印制板 上焊接时,电烙铁要断电, 且不得在260C
55、的温度 下超过10秒钟。为了防止 静电损伤激光器,在触模 激光器的电极时,人体应 先放掉静电,再拿取激光 器。有条件时,最好在静 电工作台上操作。 85 半导体的光电效应是指如下情 况:光照射到半导体PN节上,弱 光子能量足够大,则半导体材料中 价电子吸收光子能量,从价带越过 到达导带,在导带中出现光电子, 在价带中出现光空穴,即光电子 空穴对,他们总称为光生载流子。 光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下,在外电路中 出现光电流,如下图所示。从而在电阻R上有信号电压输出。这 样就实现了输出电压跟随输入光信号变化的光电转换作用,所谓 负偏压就是指P接负N接正。 86 要注意的是高能带电高、低
56、是以电子的电位能为根据的,电 位越负能带越高。 外加负偏压产生的电场方向与内建电场方向一致,有利于耗 尽层的加宽。由前面的讨论还可以看出: 由于光子扽恩光量为hf,半导体光电材料的解禁带宽度为Eg, 那么,当光照 射在某种材料制成的半岛一光电二极管上时,若有 光电子空穴对产生,显然满足如下关 hfEg 由于c/f,故,将f换为波长,则: c=(hc/Eg) 就是说,只有波长c的入射光,才能使这种材料产生光 电效应。 87 利用上述光电效应可以制造出简单的p-n结光电二极管,但 是仔细研究将会发现在p-n结中,由于有内建电场的作用,(内 建电场使耗尽层的能带形成一个斜坡位垒),光电子和光 空穴的
57、运动速度加快。然而,在耗尽层以外产生的光电子和光 控空穴由于没有内建电场的加速作用,运动速度慢,因而响应 速度低,而且容易被复合掉,使光电换效率差,这是人们不希 望的。 为了改善光电检测器的响应速度和转换效率,显然,适当 加大耗尽层宽度是有利的。为此在制造时,在型材料和型 材料层之间加一层轻掺杂的型材料,称为i(intinsic,本征的) 层.由于是轻掺杂,故电子浓度很低,经扩散后可形成一个很宽 的耗尽层。 另外,为了降低P-N结两端的接触电阻,将两端的材料作成 重掺杂的(P+)层(N+)层。 人们将上述结构的光电二极管称为pin光电二极管。 88 在长途光纤通信系统中,仅有毫瓦数量级的光功率
58、从光发 射机输出,经过几十公里的光纤的传输衰弱,到达光接收机处 的光信号将变的十分微弱。在接收端如果采用PIN光电二极管, 那么,所输出的光电流仅几个nA为了能使数字光接收机的判决 电路正常工作,接收机的灵敏度也随之降低。 如果能使电信号进入放大器前,先在光电二极管内部进行 放大,显然就能克服PIN光电二极管的上述缺点,这就引出了 雪崩光电二极管,ADP(avalanche photo diode) 。 89 雪崩光电二极管的雪崩倍增效应,是在二极管的P-N家高反 向电压(为几十或几百伏)形成的,此时在结区域形成一个强电 场,在高场区内光生载流子被强电场加速,获得高的动能,与晶 格的原子发生碰
59、撞,使价带的电子得到能量,越过禁带到导带, 产生了新的电子-空穴对,新产生的电子-空穴对在强电场中又被 加速,再次碰撞,又激发出新的电子-空穴对如此循环下去, 向雪崩一样的发展,从而使光电留在管子内部即获得了倍增。 雪崩光电二极管 90 目前光纤通信系统中使用的雪崩光电二极管结构形式有保护环型 和拉通型,前者是在制作时淀积一层环型的n型材料,以防止在高反 压时使P-N界边缘产生雪崩击穿。下面主要介绍拉通雪崩光电二极管 。 它仍为一个p-n结的结构形式,只不过其中的p型材料由三部分构 成,光电子从p+层射入,进入i层后,在这里,材料吸收了光能并产 生了初级电子空穴对。这时,光电子在i层被耗尽层的
60、较弱的电厂加 速,移向p-n结。当光电子运动到高场区时,受到强电场的加速作用 出现雪崩碰撞效应,最后,获得雪崩倍增后的光电子到达n+层,空穴 被p+层吸收。P+做成高参杂,是为了减小接触电阻以利和电极相连。 Rapd器件将电场分为两部分,一部分是使光生载流子逐渐加速的 较低的电场,另一部分是产生雪崩倍增效应的高电场区,这种电场分 布有利于降低工作电压。但是由于雪崩效应的随机性会引来噪声。 2 雪崩光电二极管的结构及工作原理 91 以下将介绍衡量光电检测器好坏的指标 1.响应度R0和量子效率 响应度和量子效率都是描述这种器件光电转换能力的一种物理量。 响应度R0定义为: R0=Ip/P0 式中:
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