光发射机与光接收机及光纤通信系统(4课时)

第八章光发射机与光接收机及光纤通信系统（4课时）

本章内容简介

光发射机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是将来自于

电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到

光纤或光缆去传输。光接收机是实现光/电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组成。

其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后再将这微弱的电信

号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端机去。

（一）学习者分析：

本章为光发射机与光接收机及光纤通信系统的基础知识，是光源及其驱动电路、

光探测器及其驱动电路、光通信系统的综合应用。学生学习了前面各章的知识,

应该概括起来，对光通信系统有综合的认识。

（二）教学目标：使学生掌握光发射机与光接收机及光纤通信系统的基本原理和

结构组成，以及对光纤通信系统基本参数的认识。

<（三）主要内容（重点、难点）和方法：

<光发射机与光接收机的基本原理和结构组成；

<光纤通信系统的基本原理和结构组成。

措施：通过理论知识讲授、动画演示、图形解释、例题分析使学生牢记光发射机

与光接收机的基本原理和结构组成；光纤通信系统的基本原理和结构组成。

<（四）基本要求：

<掌握光发射机与光接收机的基本原理和组成结构；

<掌握光纤通信波分复用技术的基本组成结构和原理。

（五）教学要点：

重点阐述光发射机模拟/数字调制的工作原理及各项基木指标的含义，以及有关光源各

种电路的原理；

光接收机的原理、性能指标、光纤通信波分复用技术的原理框图。

（六）教学特点：是本课程中光源、探测器、光传输等内容的综合；为本课程其

它学习内容的概括总结，为光通信系统的理解奠定基础。

(七)教学安排：第一节2课时；第二节1课时；第三节1课时。

第一节光发射机

—光纤通信系统传输的是光信号，作为光纤通信系统的光源，便成为重要

的器件之一。它的作用是产生作为光载波的光信号，作为信号传输的载体携带

信号在光纤传输线中传送。由于光纤通信系统的传输媒介是光纤，因此作为光

源的发光器件，应满足以下要求：

—(1)体积小，与光纤之间有较高的耦合效率；

—(2)发射的光波波长应位于光纤的三个低损耗窗口，即0.8511m、1.31um

和L55um波段；

—(3)可以进行光强度调制；

---(4)可靠性高，要求它工作寿命长、工作稳定性好，具有较高的功率稳定性、

波长稳定性和光谱稳定性；

—(5)发射的光功率足够高，以便可以传输较远的距离；

-一(6)温度稳定性好，即温度变化时，输出光功率以及波长变化应在允许的范

围内。

—能够满足以上要求的光源一般为半导体二极管。目前全光纤激光器作为一

种新型的激光器也有望在光纤通信系统中发挥其作用。最常用的半导体发光器

件是发光二极管(LED)和激光二极管(LD)。前者可用于短距离、低容量或模拟系

统，其成本低、可靠性高；后者适用于长距离、高速率的系统。在选用时应根

据需要综合考虑来决定，因此它们都有自己的优缺点和特性，下面就两者的性

能作系统的比较。

激光二极管发光二极管

1.输出光功率较大，几mW—几十mw。输出光功率较小，一般仅Imw

2mWo

2.带宽大，调制速率高，几百MHz一儿带宽小，调制速率低，儿十一

十GHzo200MHzo

3.光束方向性强，发散度小。方向性差，发散度大。

4.与光纤的耦合效率高，可高达80%以与光纤的耦合效率低，仅百分之

上。儿。

5.光谱较窄。光谱较宽。

6.制造工艺难度大，成本高。制造工艺难度小，成本低。

7.在要求光功率较稳定时，，需要APC可在较宽的温度范围内正常工作。

和ATCo

8.输出特性曲线的线性度较好。在大电流下易饱和。

9.有模式噪声。无模式噪声。

10.可靠性一般。可靠性较好。

11.工作寿命短。工作寿命长。

根据LED和LD的性能，在选择光源时应作到技术上合理、经济上合理以及

便于应用。

图8T为波长、通信容量、模式以及通信距离四者之间的定性关系以及光纤

通信发展的历程和趋势。

多处纤

0

单处纤

单觥纤

（色触移）

图87波长、通信容量、模式以及通信距离四者之间关系图

B8-2光发削I幡困

在数字通信中，输入电路将输入的PCM脉冲信号变换成NRZ/RZ码后，通过驱动电路调制

光源（直接调制），或送到光调制器调制光源输出的连续光波（外调制）。对直接调制，驱动电路

需给光源加一直流偏置：而外调制方式中光源的驱动为恒定电流，以保证光源输出连续光

波。自动偏置和自动温度控制电路是为了稳定输出的平均光功率和工作温度，此外，光发射

机中还有报警电路，用以检测和报警光源的工作状态。

--本节首先简要介绍光载波的调制方式，然后着重介绍光源的驱动和控制电路。

8.1.1光波的调制

8.1.2LED的驱动电路

1.LED的直接调制原理

•…图8-3为对LED进行模拟调制的原理图。连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上,

适当选择直流偏置的大小，使静态工作点位于发光管特性曲线线性段的中点，可以减小光

信号的非线性失真。调制线性的好坏取决于调制深度设调制电流幅值为AI,偏置电流

为IB,则

M

m=一

(8-1)

图8-3LED模拟调制原理图

图8-4LED数字调制原理图

2.LED的模拟驱动电路

———在模拟系统中，对驱动电路的要求是提供一定的工作点偏置电流及足够的

信号驱动电流，以使光源能够输出足够的功率，并使其输出功率随输入信号

线性变化，非线性失真小。产生的非线性失真必须低于-30dB〜-50dB。但由

于LED本身存在非线性失真，在高质量要求的信号传输中，还需要线性补偿电

路。LED对温度不很敏感，因此驱动电路中一般不采用复杂的自动功率控制

(APC)和自动温度控制(ATC)电路，较LD的驱动电路简单得多。

一一图8-5为一种简单而又具有高速特性的共发射极跨导式驱动器。它将基极

电压转变为集电极电流以驱动发光管。晶体管工作在甲类工作状态，调整基极

偏置，使晶体管和发光管都偏置在各自的线性区，并使静态集电极电流即LED

的偏置电流IB=Im/mo

图8-5LED模拟驱动电路

设Im=24mA.m=0.8,则IB=30mA,工作电流范围30±24mA,其频率响应大于100MHZ。

采用错二极管和电阻与LED并联.在大电流时起分流作用，扩大驱动电流范围，提高LED

的线性，该电路的谐波失真小于-45dB。

3.LED的数字驱动电路

-LED的数字驱动电路主要应用于二进制数字信号，驱动电路应能提供几十至几百毫安

(mA)的“开““关“电流。码速不高时，可以不加偏置；但在高码速时，需加小量的正向偏

置电流，有利于保持二极管电容上的电荷。几种典型的LED数字驱动电路见图8-6所示。

⑶简单的共射极饱和开关电路(b)低阻抗射极跟随式驱动电路⑹发射极锅台开关式驱动电

路(d)高速LED驱动电路。

图6-6LED数字驱动电路

在图8-6中，图(a)为晶体管共射驱动电路，晶体管用作饱和开关，提供电流增

益B,其两端的电压降较小，饱和压降Vcc仁0.3V。

0£

+5V

hgL8

O.lnF#25PF

图8-7TTL开关式驱动电路

8.1.3LD的驱动电路

•一由于LD通常用于高速系统，且是阈值器件，它的温度稳定性较差，与LED相比，其调制

问题要复杂的多，驱动条件的选择、调制电路的形式和工艺，都对调制性能至关重要。

1.LD的模拟调制原理

--图8-8为对LD进行模拟调制的原理图。

光信［；功率

I电信号III

p光功率》

谡制后光信号

图8-8LD模拟调制原理图

2.LD的数字调制原理

一一图8-9为对LD进行数字调制的原理图。

光信号功率

1111

P

翅

事

/

割

O

调制电信号—

t

图8-9LD数字调制原理图

3.偏置电流和调制电流的选择

--采用直接调制方式时.偏置电流的选择盲接影响激光器的高速调制性质.选择盲流预偏

置电流应考虑以下几个方面：

•一(1)加大直流偏置电流使其逼近阙值，可以大大减小电光延迟时间，同时使张弛振荡得

到一定程度的抑制。图8・10为LD无偏置和有偏置时脉冲瞬态波形和光谱。由图中可以看

出，由于LD加了足够的预偏置电流，调制电流脉冲幅度较小，预偏置后张弛振荡大大减

弱，谱线减少，光谱宽度变窄；另外，电光延迟的减小，也大大提高了调制速率。

图870LD无值量和有值量时脉冲旧玄波彩和光诣

£AT=101g^-

P。(8-2)

4.激光器的直接调制电路

图8-11单管集电极驱动电路原理图

DT工作在开关状态，图8-12为射极耦合光发送驱动电路。

的中间值。选择适当的输入电压，使晶体管不驱动到饱和状态，就能起到快速

开关作用，同时恒流源可使开关噪声很小。

5.自动功率控制电路(APC)

-在使用中,LD结温的变化以及老化都会使1th增大，量子效率下降，从而导致输出光脉

冲的幅度发生变化。为了保证激光器有稳定的输出光功率，需要有各种辅助电路，例如功率

控制电路、温控电路、限流保护电路和各种告警电路等。

图8-13LD的偏置反馈APC电路

6.自动温度控制电路(ATC)

一一温度变化引起LD输出光功率的变化，虽然可以通过APC电路进行调节，使

输出光功率恢复正常值。但是，如果环境温度升高较多，经APC调节后，IB增

大较多，则LD的结温因此也升高很多，致使1th继续增大，造成恶性循环，从

而影响了LD的使用寿命。因此，为保证激光器长期稳定工作，必须采用自动温

度控制电路(ATC)使激光器的工作温度始终保持在20度左右。LD的温度控制由

微型制冷器、热敏元件及控制电路组成，如图8T4所示。

图8T4LD的温度控制电路。

图8-15LD组件内部结构

破冷却的

物体温度Tc

铜连接片

周围空气

温度L

Q-(R)

热交换

器温度心

(a)单个小电偶结构图(b)热电偶纸件

图8/6半导体制冷器的结构示意图

图8-17是温度控制电路，LD组件中的热敏电阻具有负温度系数，在20c时阻

值Rt=10kQ〜12kQ,ARt/AT^-0.5%/℃。它与RI,R2,R3组成桥式电

路，其输出电压加到差分放大器的同相和反相输入端，在某温度下，电桥达到

平衡。LD温度升高时，Rt下降，BG1正向导通，通过制冷器Rc的电流1c加大,

使LD的温度下降。

图877温度控制电路。

7.激光器的保护及告警电路

一一光源是光发送电路的核心，它价格昂贵又较容易损坏。因此在光发送电路

中必须设有保持电路，以防止意外的损坏。另外，当光发送电路出现故障时，

告警电路应发出相应的声、光告警信号，以便于工作人员维护。

一一①光源的过流保护电路为了使光源不致因通过大电流而损坏，一般需对光

源进行过流保护。图8T8所示是激光器的过流保护电路，图中T3为激光器提

供偏流IB。保护电路由晶体管T4、电阻R1组成。

图ST8激光器的过流保护电路,

图8-19无光告警原理图。

~^3寿命告警信号

A

X

R2Vlzn

Ri丫2/U

LED#

w1-L

-5vi

图8-20寿命告警电路原理图

第二节光接收机

8.2.1概述

光纤通信系统有模拟和数字两大类，和光发射机一样，光接收机也有数字

接收机和模拟接收机两种形式，见图8-21所示。它们均由反向偏压下的光电检

测器、低噪声前置放大器及其他信号处理电路组成，是一种直接检测(DD)方式。

与模拟接收机相比，数字接收机更复杂，在主放大器后还有均衡滤波、定时提

取与判决再生、峰值检波与AGC放大电路。但因它们在高电平下工作，并不影

响对光接收机基本性能的分析。

(a)

接收机前端

接收机前端I■定时提取一1

[______I

光信j光检；器T前置放大器心通短】4丽1r匕*手决再生1(b)

■f电信号

图8-21光纤通信接收机框图

8.2.2线性通道

———由光电检测器、前置放大器、主放大器和均衡器构成的这部分电路称为线

性通道。在光接收机中，线性通道主要完成对信号的线性放大，以满足判决电

平的要求。

1.前置放大器

一一接收机的前端包括反向偏压下的光电二极管和前置放大器。光电二极管接

收由光纤耦合来的光信号。在实际电路分析中，可将光电二极管看成是一个与

其结电容Cd并联的电流源，等效电路如图8-22所示，其中RL为负载电阻。

悭8-22光电二极管等效电路。

图8-23接收机前端设计

=(2^R.C.)1(8-3)

输入电路的总电阻Ri由放大器的输入电阻Rb和光电二极管的直流负载电阻

RL并联而成。等效输入电阻Ri表示为

为二冬(8-4)

输入电路引入的热噪声表示为

理二4立单V(8-5)

由此可以看出，RL越大，带宽越小。可以采用均衡器对高频提升的办法来增加

带宽，在接收灵敏度达到要求的前提下，可以用降低Ri的办法来增加带宽，

这种前端叫作低电阻前端。但这种电路方式的热噪声较大，当然，接收灵敏度也

较低。

无源均衡器是简单的RC网络，其传递函数为:

----------------------------(8-6)

式中，。对于完全均衡，31与前置放大器的转折频率相匹配，这样放大器

带宽因均衡器而展宽到幻2。传递函数值减小了32/31倍，将其称为均衡比，

一般可达到几十。对于这种无源均衡器，高频时增益为1,对低频的衰减等于均

衡比。

(a)无源RC均衡器

(b)采用运算放大器的有源均衡器

(c)采用双极晶体管的有源均衡需

图8-24均衡器电路的几个例子,

对于图(b)(c)所示的有源均衡漉波器，其传递函数为：

一(⑼一—1+/(刃//)

匕⑹％+耳1+/3/④2)(8-7)

式中，31,32与无源均衡器相同，但k=R3/R2,即均衡器的增益决定于R3,

可与31,32独立进行选择。

一--高阻抗放大器存在的第二个问题是动态范围小。例如，在无源均衡器中，均

衡过程实质上是通过对带内低频信号的衰减来实现的。因此放大器的增益必须非

常高，以保证放大器输出至均衡器的信号足够强，而最大输出电压受电源电压

和偏置条件的限制，因此接收机的动态范围受到了限制。

一一(2)跨阻抗放大器：跨阻抗前置放大器同时具有高接收灵敏度和频带宽的特

点，与高阻抗前置放大器相比，具有较大的动态范围。在跨阻抗前置放大器设计

中，电阻RL作为一个反馈电阻跨接在反向放大器的两端。尽管RL很大，但负反

馈作用使放大器的等效输入阻抗降低G倍，G是放大器的增益，这样带宽与高阻

抗前置放大器比较增加了G倍。在大多数光接收机中，均采用跨阻抗前置放大器

的方式。

图8-25跨阻抗前置放大器的电路图。

饱和电子

接动态范围

收

光灵敏度

功

率

放大器噪声限制

反馈电阻噪声限制

高阻抗互阻抗

(Ri=8)降低Ri

图8-26接收机动态范围、灵敏度与反馈电阻的关系。

总之，与高阻抗前置放大器相比跨阻抗前置放大器有许多优点，可归纳如下:

——①放大器的总电阻小，电路的时间常数小，减小了波形失真，通常不必考

虑均衡;

----②动态范围大;

-③输出电阻小，放大器不宜感应噪声，不宜发生串话和电磁干扰；

一一④负反馈使放大器的特性容易控制，稳定性也显著提高；

一一⑤灵敏度在宽带应用时仅比高阻抗放大器低2〜3dB。

一一目前光接收机中最常用的是以场效应管(FET)构成最前端的跨阻抗前置放大

器，光电检测器一般多采用PN管。为了尽量减小引线电容等杂散电容，提高响

应速度和灵敏度，通常利用混合集成工艺，将PIN光电二极管与场效应管(FET)

前置放大器电路混合集成在一起做成PIN-FET光接收组件，使用效果较好，已

被光接收电路普遍采用。

图8-27跨阻抗接收机前端

第三节.光纤通信系统的构成

1光纤通信系统的构成

一一目前，实用光纤通信系统组成框图如图8-28所示。

图8-28光纤通信系统的组成

如图示，光纤通信系统由以下五个部分组成。

目前实用的光纤通信系统都采用直接检波系统。直接检波系统就是在发送端直接把信号调制

到光波上，而在接收端用光电检波管直接把被调治的光波检波为原信号的系统。电端机就是

一般电信号设备，例如载波机或电视图象发送与接受设备等。光端机则是把电信号转变为光

信号（发送光端机），或把光信号转变为电信号（接收光端机）的设备。发送光端机的作用

是将发送的电信号进行处理.，加在半导体激光器上，使电信号调制光波，然后将此已调制光

波送入光导纤维。已调制光波经光导纤维传送至接收光端机的半导体光电管上检波。检波后

得到的电信号经过适当处理再送接受电端机，然后按一般电信号处理。这就是整个光纤通信

的过程。这个过程和一般无线电通信过程是I•分相似的。当然光线通信的空间传输手段是光

导纤维，这与一般无线电通信在空间传输电波的情况是不同的。

直接检波系统的基本优点是构成简单，就当前光波技术水平来计现实可行。同时由于光波频

率极高，在这样系统上传送上万路电话，几I•路电视并不困难，完全可以满足目前通信的需

耍。因此直接检波系统是光纤通信当前较多采用的形式。

2基带模拟电视光纤传输系统

系统构成框图及主要技术指标

基带模拟视频信号光纤传输系统主要用于高质量的短程传输线路，他是模

拟电视光纤传输最基本的传输形式，因此通过对系统的分析可以了解有关光纤

传输系统的基本概念和基本理论。

系统构成框图如图8-29所示。最主要的技术指标是信噪比及非线性失真特性,

高质量广播级的技术指标如下所示：

图象信号：S/N（采用统一加权网络）》60dB；微分增益（DG）41%；

微分相位（DP）Wl（

伴音信号：S/N2-61dB；非线性失真系数W1%

3数字电视光纤传输系统

数字信号在传输中具有抗干扰能力强，无噪声和失真积累，不受传输距离影响,

能与多种信息业务兼容传输等优点，因而未来的电视必将从模拟电视过渡到数

字电视，但目前由于现实条件的限制，仍以模拟电视为主。

数字电视信号是将模拟电视信号经过取样、量化、编码变成数字信号，经过频带

压缩，使每路电视信号压缩至3〜lOVb/s的码率后进行传输的，因而与一般的

数字信号一样，采用同样的方式进行传输、交换和处理。数字电视光纤传输系统

组成框图如图8-30所示。在发送端，将经过整形或码形变换处理的数字视频信

号对光源进行强度调制，将电脉冲转换为光脉冲，送入光纤中传输。在接收端,

通过光检测器将光脉冲转换为电脉冲，再经放大，均衡，判决，恢复为标准的

数字脉冲信号。数字信号的传输过程与模拟信号相同，但由于所传输的是数字信

号，因而有许多与模拟信号传输要求不同之处。

整

形

或

码

变

型判决

换

输出

输入

图8-30数字电视光纤传输系统组成框图

4波分复用光纤通信系统

图8-31波分复用光纤通信系统组成框图

图8-32波分复用双向传输系统

第八章光纤通信系统小结

一、光发射机

1.光波的调制

2.直接调制

3.外调制

4.模拟调制

5.数字调制

二、光接收机

光接收机是实现光/电转换的光端机。它由光检测器利光放大器组成。其功能是

将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱

的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端机去。

1.线性通道

2.光接收机灵敏度

光接收机的灵敏度是指满足给定信噪比指标的条件下，光接收机所需要的最小接收光功率

三、光纤通信系统

光纤通信系统是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信系统。

光纤通信系统由光发信机、光收信机、光中继器、光纤连接器及耦合器的无

源器件等五个部分组成。

1.光发信机：

光发信机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能

是将来白于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再

将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。电端机就是常规的电子通信设备。

2.光收信机：

3.光纤或光缆：

光纤或光缆构成光的传输通路。其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤

或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。

4.中继器：

中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一个是补偿光

信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲近行政性。

5.光纤连接器、耦合器等无源器件：

由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有

限度的（如IKm）。因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。于是，光纤间的连

接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。

第八章习题

1光纤通信系统由以下哪几个部分组成？

A光发信机、光收信机、光纤或光缆；

B光发信机、光收信机、光纤或光缆、中继器、光纤连接器和耦合器等无源器件;

C光发信机、光收信机、光纤连接器和耦合器等无源器件；

D光纤或光缆、中继器、光纤连接器和耦合器等无源器件。

2卜面说法中正确的是：

A光发信机是实现光/电转换的光端机；

B光发信机任务