光纤通信课件第4章光源及光发射机2

光源及光发射机光纤通信技术第四章2021/10/10星期日1第四章激光器及光发射机4.3半导体发光二极管LED及工作特性2021/10/10星期日24.2发光二极管(LED)原理：外加电场实现粒子数反转，大量电子-空穴对的自发复 合导致发光为什么要使用LED：1.驱动电路简单低压低于2伏2.不需要温控电路3.成本低、产量高缺点：4.输出功率不高：几个毫瓦5.谱宽很宽：几十个纳米到上百纳米应用场合：短距离传输2021/10/10星期日34.3发光二极管LED半导体激光器除去谐振腔半导体发光二极管2021/10/10星期日4发光二极管工作原理

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。2021/10/10星期日5 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，其结构示意图如图所示。发光二极管结构 在光纤通信系统中，发光二极管可以用同质结制造，也可以用异质结制造，只不过在实际中多采用异质结结构。2021/10/10星期日6面发光二极管优点：LED到光纤的耦合效率高P(q)=P0cosq载流子注入25mm5mm2021/10/10星期日7面发光二极管面发光二极管由N―P―P双异质结构成。这种LED发射面积限定在一个小区域内，该区域的横向尺寸与光纤尺寸相近。利用腐蚀的方法在衬底材料正对有源区的地方腐蚀出一个凹陷的区域，使光纤可以与发射面靠近，同时，在凹陷的区域注入环氧树脂，并在光纤末端放置透镜或形成球透镜，以提高光纤的接收效率。面发光二极管输出的功率较大，一般注入100mA电流时，就可达几个毫瓦，但光发散角大，水平和垂直发散角都可达到120°，与光纤的耦合效率低。2021/10/10星期日8面发光二极管为提高面发光LED与光纤的耦合效率：在井中放置一个截球透镜；或者将光纤末端形成球透镜。2021/10/10星期日9优点：与面发光LED比，光出射方向性好缺点：需要较大的驱动电流、发光功率低载流子注入50~70mm100~150mm30º120º边发光二极管2021/10/10星期日10边发光二极管边发光二极管，也采用双异质结结构。利用SiO2掩模技术，在P面形成垂直于端面的条形接触电极（约40~50μm），从而限定了有源区的宽度；同时，增加光波导层，进一步提高光的限定能力，把有源区产生的光辐射导向发光面，以提高与光纤的耦合效率。其有源区一端镀高反射膜，另一端镀增透膜，以实现单向出光。在垂直于结平面方向，发散角约为30°，具有比面发光二极管高的输出耦合效率。2021/10/10星期日11发光二极管应用LED稳定、可靠、寿命长、驱动电路简单、功率对温度不敏感，广泛用作中、短距离（铁路、电力、交通、公安等）光通信系统的光源。GaAlAs－GaAs面发光管的带宽为10～20兆赫，适用于二次群光通信系统(可传输120路电话),传输距离大于5公里。GaAlAs-GaAs快速边发光管带宽50～100兆赫，适用于三级群光通信系统(可传输480路电话)，传输距离数公里。InGaAsP-InPLED可用于更长距离(大于10公里)的传输系统。2021/10/10星期日12发光二极管的P―I特性 发光二极管的P―I特性是指输出的光功率随注入电流的变化关系，其P―I曲线如下图所示。当注入电流较小时，线性度非常好；但当注入电流比较大时，由于PN结的发热，发光效率降低，出现了饱和现象。在同样的注入电流下，面发光二极管的输出功率要比边发光二极管大2.5~3倍，这是由于边发光二极管受到更多的吸收和界面复合的影响。2021/10/10星期日13发光二极管的P―I特性驱动电流较小->LEDP-I特性线性度好驱动电流较大->pn结发热产生饱和现象->曲线斜率减小通常，LED工作电流为50~100mA，输出光功率为几毫瓦，入纤光功率只有几百uW2021/10/10星期日14发光二极管的P―I特性在通常应用条件下，发光二极管的工作电流为50~150mA，输出功率为几个毫瓦，但因其与光纤的耦合效率很低，入纤功率要小得多。温度对发光二极管的P―I特性也有影响，当温度升高时，同一电流下的发射功率要降低，如上图所示。发光二极管的温度特性相对较好（与LD相比较），在实际应用中，一般可以不加温度控制。2021/10/10星期日15发光二极管的输出谱线特性 由于发光二极管是自发辐射发光，并且没有谐振腔实现对波长的选择，因此发光谱线较宽。定义光强下降一半的波长变化为输出谱线宽度（半功率点全宽FWHP），这就是光源的线宽Δλ。一般短波长GaAlAs―GaAs发光二极管的谱线宽度约为25~40nm，长波长InGaAsPInP发光二极管的谱线宽度约为75~100nm。2021/10/10星期日16发光二极管的输出谱线特性光源线宽2021/10/10星期日17发光二极管的输出谱线特性发光二极管的谱线宽度反映了有源区材料的导带与价带内的载流子分布。

线宽随有源区掺杂浓度的增加而增加。面发光二极管一般是重掺杂，而边发光二极管为轻掺杂，因此面发光二极管的线宽就较宽。而且，重掺杂时，发射波长还向长波长方向移动。同时，温度的变化会使线宽加宽，载流子的能量分布变化也会引起线宽的变化。2021/10/10星期日18发光二极管的输出谱线特性LED的谱线特性2021/10/10星期日19特点：1.自发辐射光->LED谱线较宽

2.面发光二极管的谱线要比边发光二极管的宽

3.长波长光源谱宽比短光源宽

-短波长GaAlAs/GaAs谱宽30~50nm

-长波长InGaAsP/InP谱宽60~120nm发光二极管的输出谱线特性2021/10/10星期日20发光二极管的发光效率发光效率单位时间内产生的光子数

ηI=单位时间内注入的电子—空穴对数ηT=输出的光子数

注入的总电子数

内量子效率代表有源区内产生光子数与注入的电子—空穴对数之比:发光二极管的外量子效率:2021/10/10星期日21发光二极管的发光效率由于内部吸收、空气－半导体界面的反射，只有在圆锥角内界面的反射，光功率才能从LED表面逸出，外量子效率通常很小（百分之几）。用双异质结制作LED可以降低内部吸收。2021/10/10星期日22发光二极管的调制 根据P―I特性可以看出，改变发光二极管的注入电流就可以改变其输出光功率。LED的数字调制(a)及模拟调制(b)2021/10/10星期日23发光二极管的调制把这种直接改变光源注入电流实现调制的方式称为直接调制或内调制。需要注意的是，在图示的模拟调制中，首先要给发光二极管直流偏置，以防止当信号为负时，可能会因反偏而造成的损坏。显然，对于模拟调制P―I关系的非线性会使调制信号产生失真（如下图），在需要的情况下，可以利用线性补偿电路来进行改善。2021/10/10星期日24发光二极管的调制光源非线性谐波的产生2021/10/10星期日25发光二极管其它特性温度特性由于LED是无阈值器件，因此温度特性较好。

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。

调制特性调制频率较低。在一般工作条件下，面发光型LED截止频率为20MHz～30MHz，边发光型LED截止频率为100MHz～150MHz。2021/10/10星期日26输出光功率线性范围宽(P-I特性)性能稳定寿命长制造工艺简单、价格低廉输出光功率较小谱线宽度较宽调制频率较低这种器件在小容量、短距离系统中发挥了重要作用关于LED的小结2021/10/10星期日27

LED通常和多模光纤耦合，用于1.3μm(或0.85μm)波长的小容量短距离系统。因为LED发光面积和光束辐射角较大，而多模光纤具有较大的芯径和数值孔径，有利于提高耦合效率，增加入纤功率。LED用于1310nm或850nm波长的小容量、短距离的光通信系统。

LD通常和G.652或G.653规范的单模光纤耦合，用于1.3μm或1.55μm大容量长距离系统。这是目前光纤通信发展的主要趋势。

分布反馈激光器(DFB-LD)主要和G.653或G.654规范的单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于超大容量的新型光纤系统。LED与LD的比较2021/10/10星期日28第四章激光器及光发射机4.3光源-光纤的耦合2021/10/10星期日29光源与光纤的耦合在光发射机中，光源发出的光信号要送入光纤中去，这就涉及到光源与光纤的耦合问题，如下图。光源与光纤的耦合效率与光源的类型和光纤的类型有关。一般说来，LD与单模光纤的耦合效率可以达到30%~50%，LED与单模光纤的耦合效率非常低，只有百分之几甚至更小。光源与光纤耦合示意图2021/10/10星期日30光源至光纤的功率发射耦合效率：耦合进光纤的光功率(PF)与光源发射的总功率(Ps)之比：那么，我们关心的问题是如何让耦合效率最高。2021/10/10星期日31影响耦合效率的主要因素是光源的发散角和光纤的数值孔径。发散角大，耦合效率低；数值孔径大，耦合效率高。此外，光源发光面和光纤端面的尺寸、形状及两者之间的距离都会影响到耦合效率。光源与光纤的耦合一般采用两种方法，即直接耦合与透镜耦合。直接耦合是将光纤端面直接对准光源发光面进行耦合的方法。当光源发光面积小于纤芯面积时，这是一种唯一有效的方法。这种直接耦合的方法结构简单，但耦合效率低。光源与光纤的耦合2021/10/10星期日32当光源发光面积大于纤芯面积时，可在光源与光纤之间放置透镜，使更多的发散光线会聚进入光纤来提高耦合效率，如下图。面发光二极管与光纤的透镜耦合(a)光纤端部做成球透镜、(b)采用截头透镜、4.31(c)采用集成微透镜光源与光纤的耦合2021/10/10星期日33对于发散光束非对称的边发光二极管和半导体激光器可以利用圆柱透镜的方法，如下图(a)、(b)所示。或者利用大数值孔径的自聚焦透镜（GRIN），其耦合效率可以提高到60%，甚至更高。单模光纤和半导体激光器的耦合可以采用如下图(c)所示自聚焦透镜或者在光纤端面用电弧放电形成半球透镜的方法。光源与光纤的透镜耦合光源与光纤的耦合2021/10/10星期日34第四章激光器及光发射机4.5光发射机2021/10/10星期日35光发射机结构

光发送机的构成：输入接口光源驱动电路监控电路控制电路等构成核心：光源及驱动电路2021/10/10星期日36光发射机（数字）框图光发射机由输入接口、光源、驱动电路、监控电路、控制电路等构成，其核心是光源及驱动电路。在数字通信中，输入电路将输入的信号（如PCM脉冲）进行整形，变换成适于线路传送的码型后通过驱动电路光源，或者送到光调制器调制光源输出的连续光波。为了稳定输出的平均光功率和工作温度，通常要设置一个自动的温度控制及功率控制电路。2021/10/10星期日37对光发射机性能要求光发射机的作用是把电端机送来的电信号变为光信号送入光纤中传输。包括以下方面：(1)光源特性(2)调制特性(3)输出特性2021/10/10星期日38对光发送机的要求：（1）有合适的输出光功率光发送机的输出光功率，是指耦合进光纤的功率，亦称入纤功率。光源应有合适的光功率输出，一般为0.01mW～5mW。

（2）有较好的消光比消光比的定义为全“1”码平均发送光功率与全“0”码平均发送光功率之比。可用下式表示

式中，P11为全“1”码时的平均光功率；P00为全“0”码时的平均光功率。一般要求EXT≥10dB。光发射机性能要求2021/10/10星期日39

（3）调制特性要好所谓调制特性好，是指光源的P−I曲线在使用范围内线性特性好，否则在调制后将产生非线性失真。除此之外，还要求电路尽量简单、成本低、稳定性好、光源寿命长等。光发射机性能要求2021/10/10星期日40光源的调制把信息加载到光波上的过程就是调制。调制信号分类：模拟调制、数字调制模拟调制有可分为：强度调制和副载波调制。强度调制是用模拟基带信号直接对光源进行强度调制。副载波调制是利用连续或脉冲的射频波作为副载波，模拟基带信号先对它的幅度、频率或相位等进行调制，再用该受调制的副载波去强度调制光源。模拟调制：设备简单，占有带宽较窄，但它的抗干扰性能差，中继时噪声累积。2021/10/10星期日41光源的调制数字调制：光纤通信的主要调制方式，将模拟信号抽样量化后，以二进制数字信号“1”或“0”对光载波进行通断调制，并进行脉冲编码（PCM）。数字调制：抗干扰能力强，中继时噪声及色散的影响不积累，因此可实现长距离传输，它的缺点是需要较宽的频带，设备也复杂。2021/10/10星期日42光源的调制按调制方式与光源的关系来分：

直接调制和外调制2021/10/10星期日43

直接调制

一、内调制或直接调制--将调制信号直接注入激光器（调制激光器驱动电流），而实现激光输出光强度等参数的调制。Bias+DATALaser

DirectModulationofLaserDiode2021/10/10星期日44二、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）引入调制啁啾光源的调制2021/10/10星期日45输出光信号pItIin输入电信号pI（a）

LED数字调制原理输出光信号输入电信号IinIthIb(b)LD的数字调制原理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，输出光信号反映输入电信号直接调制基本依据：P-I曲线LD的调制是通过改变其驱动电流的办法实现的2021/10/10星期日46直接调制技术：信号啁啾LD内调制->改变LD驱动电流

->谐振腔内载流子浓度发生变化

->谐振腔折射率发生变化

->谐振腔相位条件选频特性发生改变

->LD输出光的中心波长发生漂移 ->信号啁啾啁啾的直接后果是导致系统色散性能的恶化2021/10/10星期日47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.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2021/10/10星期日48间接调制（外调制）一、外调制（强度调制、相位调制、偏振调制等）--用调制信号控制激光器后接的外调制器，利用调制器的电光、声光等物理效应使其输出光的参数随信号而变

ExternalModulationofLaserDiodeLaserModulatorBiasBias+DATA外调制方便，且比内调的调制速率高(约一个数量级)，调制带宽要宽得多，故倍受重视。2021/10/10星期日49外调制（间接调制）二、特点：调制信号啁啾小。外调制器以电光调制和电致吸收为主。目前光纤通信系统中应用最多的是光源的基带直接强度调制、副载波强度调制及数字调制，高速率是采用外调制。2021/10/10星期日50光调制器光调制就是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上,完成这一过程的器件称为调制器。调制器能使载波光波的参数随外加信号变化而变化，这些参数包括光波的振幅、位相、频率、偏振、波长等。承载信息的调制光波在光纤中传输，再由光探测器系统解调，然后检测出所需要的信息。2021/10/10星期日51光源的外调制技术调制信号不直接施加在LD上，而是施加在光调制器上。外调制技术分类：电光效应Electro-opticEffects电致吸收效应Electro-AbsorptionEffects磁光效应Magneto-opticEffects声光效应AcousticEffects

*电光调制和电致吸收最为常用Modulator2021/10/10星期日52电光效应光调制器电光效应：电压施加于某些电光晶体(LiNbO3)

，导致晶体折射率发生变化，引起通过该晶体的光波特性发生变化。折射率变化

n与外加电场E有着复杂的关系，可近似地认为

n与(r

E

orR

E

2)成正比。电光调制器主要利用普科尔(Pocket)效应.普科尔(Pocket)效应：晶体折射率与外加电场幅度成线形变化克尔(Kerr)效应：晶体折射率与外加电场幅度的平方成比例变化2021/10/10星期日53电光效应光调制器2021/10/10星期日54u

/2u

ut调制电压透射光强半波电压u

是把调制器从最小光强转换到最大光强所需的电压电光模拟调制的透过率(调制器被偏置在u

/2点上)2021/10/10星期日55LD的外调制技术：马赫-曾德调制器00p02021/10/10星期日56外调制得到的NRZ信号0p0NRZ

input2021/10/10星期日57光调制器的种类电光效应驰豫的时间很短，仅有10-11s量级，外场的施加或撤销导致的折射率变化或恢复瞬间即可完成，因而可用作高速调制器、高速开关等。电光效应光调制器常用材料：铌酸锂LiNbO3、砷化钾GaAs、钽酸锂LiTaO32021/10/10星期日58电致吸收光调制器Franz-Keldysh效应：半导体材料在电场作用下吸收边红移。原理：改变调制器上的偏压，使多量子阱(MQW)的吸收边界波长发生变化，进而改变光束的通断，实现调制。当调制器无偏压时，调制器为通状态当调制器有偏压时，调制器为断状态是一种损耗器件无偏压有偏压2021/10/10星期日5940Gb/sEAModulator电致吸收光调制器2021/10/10星期日60声光效应光调制器声光效应： 超声波是纵向波,在介质中传播时，使介质产生弹性形变，引起介质的密度呈疏密相间的交替分布，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。这如同一个光学“相位光栅”，光栅常数等于声波长

s。当光波通过此介质时，会产生光的衍射。衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。2021/10/10星期日61声光效应光调制器声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。调制信号是以电信号(调辐)形式作用于电-声换能器上，电-声换能器将相应的电信号转化为变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。2021/10/10星期日62声光效应光调制器特点：消光比高（~30dB）、驱动功率较低、带宽窄。常用材料：压电晶体(石英、铌酸锂)或压电半导体(CdS、

ZnO)2021/10/10星期日63磁光调制主要是应用法拉第旋转效应，使一束线偏振光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋转：式中V为韦尔德系数，H

为沿光束传播方向的磁场强度，L为光在介质中的传播长度。磁光效应光调制器2021/10/10星期日64磁光体调制器的组成如图所示。为了获得线性调制，在垂直于光传播的方向上加一恒定磁场Hdc，其强度足以使晶体饱和磁化；而总的磁化强度矢量（由恒定磁场和线圈磁场所引起）可以改变方向。

z

zHdc45

入射光起偏器调制信号检偏器

YIG棒图磁光调制示意图YIG:钇铁石榴石磁光效应光调制器2021/10/10星期日65工作时，高频信号电流通过线圈就会感生出平行于光传播方向的磁场，入射光通过YIG晶体时，由于法拉第旋转效应，其偏振面发生旋转，旋转角正比于磁场强度H。

s：是单位长度饱和法拉第旋转角；是调制磁场。如果再通过检偏器，就可以获得一定强度变化的调制光。2021/10/10星期日66磁光效应光调制器由于起偏器与检偏器的透光轴相互平行，当调制电流为零时，透过检偏器的光强最大；随着电流逐渐最大，旋转角加大，透过检偏器的光强逐渐下降。常用材料：钇铁柘榴石(YIG)或掺镓YIG晶体2021/10/10星期日67系统对光源的要求是很高的，包括：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。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瞬态效应影响其它信道的性能。数字光发射机对光源的要求2021/10/10星期日68数字光发射机对光源的要求2021/10/10星期日69数字光发射机各部分功能输入接口电路各部分功能2021/10/10星期日70数字光发射机各部分功能输入接口电路各部分功能2021/10/10星期日71数字光发射机各部分功能输入接口电路各部分功能2021/10/10星期日72数字光发射机各部分功能输入接口电路各部分功能2021/10/10星期日73数字光发射机各部分功能输入接口电路各部分功能2021/10/10星期日74数字光发射机各部分功能输入接口电路各部分功能2021/10/10星期日75数字光发射机各部分功能光源的数字调制与驱动2021/10/10星期日76数字光发射机各部分功能光源的数字调制与驱动2021/10/10星期日77数字光发射机各部分功能光源的数字调制与驱动2021/10/10星期日78数字光发射机各部分功能光源的数字调制与驱动2021/10/10星期日79数字光发射机各部分功能光源的数字调制与驱动2021/10/10星期日80数字光发射机各部分功能光源的数字调制与驱动2021/10/10星期日81驱动电路自动功率控制电路自动温度控制电路告警电路和保护电路光发射机的电路2021/10/10星期日82 驱动电路作用：将电功率转换成光功率，并将要传输的电信号调制到光源的输出上。 LED的驱动电路比较简单，而LD的驱动电路相当的复杂。 驱动电路应该能对光源同时提供偏置电流和随信号而变化的调制电流。 大多数光纤通信系统采用数字调制方式。模拟驱动电路：保证光源的输出光功率随信号电压的幅度、相位成线性地变化。驱动电路2021/10/10星期日83目的：稳定激光器的输出功率，需要在发射机中具有自动功率控制（APC）电路。机理：APC电路一般利用一只与LD封装在一起的PIN监测LD后向输出的光，根据PIN输出的大小而自动地改变对LD的偏置电流，使其输出光功率保持恒定。可能引起激光器输出功率变化的两个因素：是芯片温度的变化和激光器的老化效应。自动功率控制电路2021/10/10星期日84 半导体激光器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，因此在光发射机中需要自动温度控制（ATC）电路以保证激光器在恒定温度下工作。 一般说来，在实用化的半导体激光器封装中，都带有一个半导体致冷器和一只能够监测激光器芯片温度变化的热敏电阻。自动温度控制电路2021/10/10星期日85自动温度控制电路自动温度控制方框图激光器致冷器热敏电阻控制电路热导热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻2021/10/10星期日86 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。自动温度控制电路2021/10/10星期日87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。自动温度控制电路2021/10/10星期日88光源的保护和告警

光源的保护是指保护光源不要因为外界因素而受到损害。由于光源特别是LD是易损器件，要求温度、电流必须在一定的范围内才能正常工作，否则会降低器件寿命甚至损坏器件，因此必须采取保护措施。光源的保护包括两个方面：温度和电流。上面介绍的自动温度控制实际上也是温度保护。电流保护包括电流接通时的保护，工作过程中的过流保护以及反向冲击电流保护等。告警电路和保护电路2021/10/10星期日89a、电流接通时的保护电流接通时的保护是为了防止在系统开机接通电源瞬间，由于电路因素引起的冲击电流可能对LD造成的损坏。实际系统中LD的驱动部分与其它电路是共用一个电源，因此光源的偏置电流必须缓慢增加，以起到保护作用。b、工作过程中的过流保护工作过程中的过流保护的方法很多，基本思想是利用反馈控制使通过光源的电流不超过某一限定值，从而起到保护的作用。告警电路和保护电路2021/10/10星期日90c、反向冲击电流保护为防止光源受到反向冲击电流或电压的破坏，一般在光源上并联一个肖特基二极管。这样当反向冲击电流或电压出现时，肖特基二极管迅速导通，就可以实现对光源的保护。完整的光发射机除了上述各种控制、保护之外，还应包括告警电路，在系统出现故障或工作不正常时及时发送告警信号，提醒设备维护人员及时进行相应的处理。一般包括无光告警、寿命告警、温度告警等告警电路和保护电路2021/10/10星期日91电端机电发射端机主要任务是PCM编码和信号的多路复用。

多路复用是指将多路信号组合在一条物理信道上进行传输，到接收端再用专门的设备将各路信号分离出来，多路复用可以极大地提高通信线路的利用率。电发射端机2021/10/10星期日92脉冲编码调制的基本原理模拟信号数字信号在数字电话通信中，人们的说话声音信号是模拟信号，那么在发话端就要先经过变换器（称作模/数转换器或叫A/D转换器）把它们变成数字信号送入传输设备、传输线路。在接收端再由反变换器（称作数/模转换器或叫D/A转换器）变成模拟（话音）信号。数字信号有各种调制方法。常见的有以下两种：（1）脉冲编码调制简称脉码调制，即PCM（PulseCodeModulation）。是一种将模拟语音信号变换成数字信号的编码方式，主要包括：抽样，量化，编码。（2）增量调制，又叫△M。利用信号处理技术，提高语音信号的特征参量，再变换为数字代码。该调制的优点是电路简单，缺点是在话音质量上不如PCM，因而也不如PCM用的普遍。2021/10/10星期日93脉冲编码调制的基本原理1.模拟信号的抽样和抽样定理模拟信号变成数字信号的第一步就是要对模拟信号进行抽样。所谓“抽样”是用很窄的矩形脉冲按一定周期读取模拟信号的瞬间值。那么需要以多高的抽样频率进行抽样才能在接受端恢复成原来的信号呢？这个问题由著名的抽样定理给予回答：传送某一带宽的有限时间连续信号（模拟信号）时，只要传送信号的某个抽样值（脉冲）的序列就足够了，这样抽样值的幅度等于连续信号在该时刻的瞬间值，而重复频率至少等于所传交流信号的2倍（奈奎斯特抽样定理）。通常的通话频带的带宽是4kHz（话音频带规定为300-3400Hz）。因此抽样频率取定在8000Hz就足够了。2021/10/10星期日94脉冲编码调制的基本原理2.模拟信号的量化量化，就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。抽样所得的信号幅度是无限多的，让这些幅度无限多的连续样值信号通过一个量化器，四舍五入，使这些幅度变为有限的M种（M为整数。由于在量化的过程中幅度取了整数，所以量化后的信号与抽样信号之间有一个差值（称为量化误差），使接收端的信号与原信号间有一定的误差，这种误差表现为接收噪声，称为量化噪声。码位数M越多，分级就越细，误差越小，量化噪声也越小。2021/10/10星期日95脉冲编码调制的基本原理3.编码编码：就是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。然而，实际上量化是在编码过程中同时完成的，故编码过程也称为模/数变换，可记作A/D。每种信号都可以由N个2二进制数来表示，M和N满足M=2N。例如如果量化后的幅值有8种（0，1……7），则编码时每个幅值都需要用3个二进制的序列来表示。需要注意的是，此处的编码仅指信源编码，这和后面提到的信道编码是有所区别的。现以话音为例来说明这个过程。我们知道话音的频率范围是300～3,400Hz，在抽样的时候，要遵循所谓的奈奎斯特抽样率，实际中按8,000Hz的速率进行抽样。为了保证通话的质量，在长途干线话路中采用的是8位码（28=256个码组）。这样量化值有256种，每一种量化值都需要用8位二进制码编码，那么每一个话路的话音信号速率为8×8＝64kbps。2021/10/10星期日96时隙和帧抽样重复频率为8kHz，也就是每隔125s抽样一次。对每一个话路来说，每次抽样值经过量化以后可编成8位PCM码组，这就是一个“时隙”。在30/32路PCM系统中，32路复用，即在125s范围内要有32个时隙，每一个时隙占125s/32＝3.9s。而32路合起来的125s时间内由32个时隙合成一个“帧”。16帧合成一个“复帧”。一个帧占时125s，一个复帧占时125s×16＝2ms。2021/10/10星期日97时隙和帧2021/10/10星期日98数字信号传输速率调制速率，又称波特率。单位为波特（Baud），简写Bd。波特率＝信元数/单位时间。如一个信元占时20ms，即1s有50个信元，波特率＝50/1＝50Bd数据率，数据信号速率。单位为比特/秒，简写为b/s或bps，表示单位时间内能传输的代码个数。数据率＝信元数/单位时间×log2n，其中n为信元状态数。如一个信元占时20ms，即1s有50个信元，状态数为2，则其数据率＝50×log22＝50bps；状态数为4，则其数据率＝50×log24＝100bps2021/10/10星期日99数字信号传输速率从码率上讲，抽样重复频率为8kHz，也就是每秒传送8000帧，每帧有32×8＝256bit，所以PCM30/32路系统的总数码率是256bit/帧×8000帧/s＝2048kbit/s=2.048Mbit/s。对于每个话路来说，每秒钟8000时隙，每时隙8bit，所以可得8bit×8000＝64kbit/s。2021/10/10星期日100数字信号传输格式 数字光纤通信系统普遍采用二进制二电平码，即“有光脉冲”表示“１”码，“无光脉冲”表示“0”码。

常用的光信号的传输格式包括：NRZ、(CS)RZ

2021/10/10星期日101NRZ（不归零）特点：使用一个充满完整周期的光脉冲代表1，没有光代表02021/10/10星期日102优点：码型产生简单，频谱效率较高，容易解码缺点：长连0或1时不容易提取同步信息，容易产生基线漂移

增大判决难度，且没有内在差错检测(纠错)能力NRZ的优缺点抗非线性能力差2021/10/10星期日103RZ(归零)特点：比特1的光脉冲仅占比特周期的一部分，典型的有33%RZ和50%RZ产生：NRZ信号乘以一个频率为信号比特率的时钟信号2021/10/10星期日104RZ优缺点优点：长连1仍带有时钟信息，抗非线性效应能力