第三章 光端机.ppt

1、1,第三章 光源的调制,3.1 光源 3.1.1 基础知识 3.1.2 激光器的一般工作原理 3.1.3.半导体激光器 3.2光源的调制 3.2.1 光源的内调制 3.2.2光源的外调制,3.3光纤通信中的线路码型 3.3.1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 3.3.3光纤通信中常用码型 3.4光发射机 3.4.1 对光发射机的要求 3.4.2 光发射机的组成方框图及各部分的功能,返回,2,第三章 光源的调制,35光检测器 3.5.1半导体的光电效应 3.5.2PIN光电二极管 3.5.3雪崩光电二极管 3.5.4光电检测器的特性 3.6 光接收机 3.6.1数字光纤通

2、信接收机的基本组成 3.6.2 光接收机的指标灵敏度和动态范围 3.6.3 光接收机的噪声,3.7 光发射机设计 3.7.1 驱动电路 3.7.2 可靠性 3.7.3 光频稳定及其控制 3.7.4 光频稳定及其控制 3.7.5 反向冲击电流保护,3,3.1.1 基础知识,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

3、分布规律。,1 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既有波动性有粒子性。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=6.62610-34Js(焦秒)，称为普朗克常量。,2 能级、费米-狄拉克统计分布和费米能级,4,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，,3.1.1 基础知识,5,3 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

4、界影响（激发）下，高能级E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。,3.1.1 基础知识,6,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。,3.1.1 基础知识,7,受激辐射 高能级

5、E上的电子，当受到频率为的光激发时，从高能级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起的。 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。,3.1.1 基础知识,8,4 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。,3.1.1 基础知识,9,3.1.2 激

6、光器的一般工作原理,1 激光器的构成及激光的产生 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 Emissi

7、on of Radiation,其意思是通过辐射的受激发射实现光波放大。,10,2 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

8、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.,3.1.2 激光器的一般工作原理,11,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

9、到导带中.P型材料重掺杂情况相应的费米能级必定较低,而且一直低到P型材料能带图中的介带之中.,3.1.3.半导体激光器,1 半导体激光器的发光机理,12,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.,3.1.3.半导体激光器,13,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

10、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.,3.1.3.半导体激光器,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.,14,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

11、种材料是GaAlAs.它是在同质结的基础上,加了一层异质结材料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,3.1.3.半导体激光器,15,3.1.3.半导体激光器,半导体激光器属于半导体二极管的范畴,除具有二极管

12、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I1表示.当II1时,激光器才发出激光.,3 半导体激光器的工作特性,16,光谱特性 当II1后,发射光谱突然变窄.激光器产生的激光有多模和单模.单模激光器是指激光二极管发出的激光是单纵模,它所对应的光谱只有一根谱线,.当谱线有很多,即为多纵模激光器.温度特性 激光器,的阀值电流和光输出功率随温度变化的特性为温度特性.阀值电流随温度的升高而加大,另外,阀值电流也和使用时间有关. 转换效率 半导体激光器实质上是把电功率直

13、接转换成光功率的器件,衡量转换效率的高低常用功率转换效率来表示.,3.1.3.半导体激光器,17,所谓动态单纵模激光器,就是指在高速调制下仍然能单纵模工作的半导体激光器.光信号在光纤长距离、大容量的传输中,由于多纵摸的存在将使光纤中的色散增加,因而,在光纤通信中,希望激光器处在单纵摸工作状态 目前,比较成熟的单纵模激光器有分布反馈激光器和耦合腔激光器.分布反馈半导体激光器(Distributed-Feedback Semiconductor Laser DFB Laser),它是在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近,刻上波绞状的周期的光栅来构成的.,光纤通信中的三个低损耗窗口分别为短波长段

14、的0.85和长波长波段的1.31与1.55.在短波长波段,激光器一般采用GaAlAs/GaAs-LD;在长波长波段,通常采用InGaAsP-LD.,4 光纤通信在不同工作波段所使用的激光器,5 动态单纵模激光器,3.1.3.半导体激光器,18,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，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，以及发光二极管LED的注入电流跟随模拟信号变化。,3.2光源的调制,图3

15、-21简单的模拟信号内调制电路,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。从放大器工作原理上看，这个晶体管应工作在甲类。在B点可进行检测。,3.2.1 光源的内调制,19,2数字信号的内调制 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,3.2.1 光源的内调制,20,图3-25是一种较复

16、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,VD1它们的作用时使从ECL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,3.2.1 光源的内调制,21,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

17、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。,3.2.1 光源的内调制,22

18、,3.2.2光源的外调制,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。,23,1 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

19、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,3.2.2光源的外调制,24,声光调制器是利用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,3.2.2光源的外调制,磁光调制器结构简图,电光调制器结构简图,25,3.3 光纤通信中的线路码型,在数字通信中，传输码型的选择是一个必须考虑的问题。PCM系统中的码型并不

20、都适合在光纤数字通信系统中传输，例如HDB3 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,这也需要重新编码。,3.3.1研究传输码型的必要性,26,1mBnB码 mBnB又称

21、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“

22、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。,3.3.3光纤通信中常用码型,27,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3-3,3.3.3光纤通信中常用码型,28,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

23、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,3.3.3光纤通信中常用码型,29,（2）mB1C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

24、”，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，直接在中继站上、下话路，为系统带来了灵活性。,3.3.3光纤通信中常用码型,30,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

25、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,3.3.3光纤通信中常用码型,31,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。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,3.4 光发射机,32,

26、（1）光源的发光波长要合适 （2）合适的输出功率 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 （4）调制性能好,3.4.1 对光发射机的要求,33,实际光发射机电路图,图 3-28 光发射机原理方框图,3.4.2 光发射机的组成方框图及各部分的功能,34,(3)时钟 由于解码和扰码过程都需要时中信号

27、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。,3.4.2 光发射机的组成方框图及各部分的功能,(1)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 解码电路完成将HDB3这种双极性码变为单极性的“0”，“1”码,(4)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“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。,35,(6)调制（驱动） 调制电

28、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 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 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,3.4.2 光发射机的组成方框图及各部分的功能,36,图3-31 自动功率控制电路,图

29、中， 调制器、LD管光发射机中半导体激光器和它的调制电路。 PIN管、放大器A1PIN是一种光电检测器。A1是放大器 可调直流参考电压可调的稳压电源，它将一个作为参考标准的直流电压通过比较放大器A2送到比较放大器A3的另一输入端,3.4.2 光发射机的组成方框图及各部分的功能,37,这样当激光器输出功率降低时，从A1输出的电压也降低，并将这个电压送至比较放大器A3的一个输入端；另一方面，由直流参考电路送出一参考电压经A2送至A3的另一端作比较，然后由A3产生一个增大的输出电压送到电流源，是电流源输出电流增加，从而使LD管的注入电流增加，使LD管输出光功率维持稳定。,图3-31 自动功率控制电路

30、,3.4.2 光发射机的组成方框图及各部分的功能,38,(8)自动温度控制 由于半导体光源的P-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 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 光发射机的组成方框图及各部分的功能,39,半导体的光电效应是指如下情况：光照射到

31、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。,3.5 光电检测器,3.5.1 半导体的光电效应,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。,40,要注意的是高能带电高、低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，

32、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。,3.5.1 半导体的光电效应,41,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

33、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。,3.5.2 PIN光电二极管,42,在长途光纤通信系统中，仅有毫瓦数量级的光功率从光发射机输出，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

34、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) .,3.5.3 雪崩光电二极管,43,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

35、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,3.5.3 雪崩光电二极管,44,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

36、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,3.5.3 雪崩光电二极管,45,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：Ip光电检测器的平均输出电流； P0光电检测器的平均输出功率； 量子效率定义为： =（光

37、电子空穴对数）/入射光子数 从物理概念可知： 光电子-空穴对IP/E(E为电子电荷量),3.5.4 光电检测器的特性,46,入射光子数=P0/hf(hf为一个光子的能量) 故： =(IP/E)/P0/hf=(Ip/P0) ( hf/E）=R0/(hf/e) 即： R0=(e/hf) 这既是说，光电二极管的响应度和量子效率、入射光波频率有关。响应度、量子效率虽然都是描述器件光电转换的能力的物理量，但是分析的角度不同。,响应时间 响应时间是指半导体光电二极管产生的光电流跟随入射光信号变化快慢的状态一般用响应时间（上升时间和下降时间）来表示。从频域来看短的响应时间即意味着个器件的带宽宽。,3.5.4

38、 光电检测器的特性,47,3 .雪崩倍增因子G 在忽略暗电流的影响下，它定义为： G=IM/IP IM有雪崩倍增时光电流的平均值 IP无雪崩倍增时光电流的平均值 一般APD的倍增因子G在40-100之间。PIN光电管无雪崩倍增作用，故G=1,4. 暗电流IP 无光情况下，光电检测器仍有电流输出，这种电流称之为暗电流严格说暗电流还包括器件表面的漏电流。 暗电流将引起光接收机的噪声增大，因此人们总希望暗电流越小越好。,3.5.4 光电检测器的特性,48,5. 倍增噪声和过剩噪声系数F(G),雪崩光电二极管的倍增有随机性。有它带来的电流起伏将带来附加噪声，一般称为倍增噪声。可用F(G)来描述。 F(

39、G)=/2=/G2 式中， g每个初始电子-空穴对因雪崩倍增效应产生的二次电子-空穴对的随即数 是g的平均值，因此=G 产生的二次电子数平方再取平均值 2产生的二次电子数平均值再平方 在使用时往往将f(g)近似表达为： F(G)=Gx,3.5.4 光电检测器的特性,49,将上式代入式中则有 =G2Gx=x+2 式中，x称为过剩噪声指数。对于Si-APD,x=0.5；对于Ge-APD,x=0.6-1.0等 由于噪声系数表示APD因倍增作用而增加的噪声系数，所以选APD时应选x值小的管子。,3.5.4 光电检测器的特性,50,36 光接收机,目前，光纤通信系统，在绝大多数情况下传输数字信号，故本节

40、将介绍数字光纤接收机。,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组成方框图 (该框图只示意的画出光接收机的主要部分，辅助部分没有画。),51,3.6.1数字光纤通信接收机的基本组成,2 框图中各部分的功能 （1）光电检测器 光电检测器是利用光-电检波管，将由发送光端机经光纤过来的光信号转变为电信号。,52,（2）前置放大器 由于该放大器与光电检测器相连故称为前置放大器。 在一般的光纤通信系统中，经光电检测器输出的光电流是十分微弱的。为了保证通信质量，显然，必须将这种微弱的电信号通过多级放大器进行放大。但是多级放大在放大过程中会引入噪声，故，对多级放大器的前级就有特殊的要求，

41、他应是低噪声，高增益的。 具体放大器类型如上图所示。,3.6.1数字光纤通信接收机的基本组成,53,（3）主放大器 主放大器的作用有两个方面: 将前置放大器的输出信号放大到判决电路所需的信号点平 他还是一个增益可调节的放大器。当光电检测器输入的信号出现起伏时，通过光接收机的自动增益控制电路对主放大器的增益进行调整，以使主放大器的输出信号幅度在一定范围内不受输入信号的影响。一般主放大器的峰峰值输出是几伏数量级。 下图为主放大器电路框图。,3.6.1数字光纤通信接收机的基本组成,54,（4）均衡器 没有均衡器将出现的问题: 若无均衡器，信号在经过前几级的器件后，将会产生严重的拖尾现象，将会使前、后

42、码原的波型重叠，产生码间干扰，严重时造成判决电路误判，产生误码。,3.6.1数字光纤通信接收机的基本组成,55, 均衡器的作用: 它的作用是使经过均衡器以后的波形成有利于判决的波形。经过均衡以后的波形，在本码判决时刻，波形的瞬时值应为最大值；而这个本码波形的拖尾在邻码判决时刻的瞬时值应为零。这样，即使经过均衡后的输出波形仍有拖尾，但是这个拖尾在关键时刻为零，从而不干扰对邻码的判决。,3.6.1数字光纤通信接收机的基本组成,56,（5）判决器和时钟恢复电路 判决有判决电路和码形成电路构成。判决器和时钟恢复电路和起来构成再生电路。其作用是将均衡器输出的信号，恢复为“0”或“1”的数字信号。 为了能

43、从均衡器的输出信号判决出是“0”码还是“1”，首先要设法知道应在什么事可进行判决。亦即应将“混在”信号中的时钟信号（又称定时信号）提取出来。接着再根据给定的判决门限电平，按照时钟信号所“指定”的瞬间来判决由均衡器送过来的信号。若信号电平超过判决门限电平，则判为“1”码，低于门限电平则被判为“0”码。 实用的时钟恢复电路有很多种，下面介绍其中一种方案的框图见上图,3.6.1数字光纤通信接收机的基本组成,时钟恢复电路方框图,57,箝卫、整形、非线性处理经过光接收机均衡后输出的信码为升余弦频谱脉冲，但是波形经箝位整形后得到的是不为零码。但是有通信原理知道，不归零码的功率谱密度分布如图所示，其中在fb

44、的位置上功率谱密度为零，即是说NRZ码功率谱密度中不含时钟频率成分因此无法从中提取时钟频率成分。为此，需通过一套逻辑电路对NRZ码进行非线性处理，得到非归零码，其功率谱密度如图，由图可看出，在这种波形的频谱密度分布中，时钟成分 fb较大，从而有可能从时钟恢复电路中提取时钟信号。,3.6.1数字光纤通信接收机的基本组成,W(fb)0,58,非线性处理电路有多种类型，左图是一种简单的电路，,将不归零码通过RC电路进行微分，在通过一个非门产生归零码。 调谐放大他的作用是用非线性处理后的波形来激励调谐放大器，然后在他的谐振回路中选出时钟频率fb简谐波。 限幅经过限幅，就将上述简谐信号波形变为梯形波。,

45、整形、移项整形电路将经限幅后的波形变为矩形脉冲；移项网络在将这矩形脉冲串的相位调整到最佳判决时所需要的相位。,3.6.1数字光纤通信接收机的基本组成,59,脉冲再生电路原理方框图如下图所示,3.6.1数字光纤通信接收机的基本组成,60,(6）光接收机动态范围和自动增益控制 光纤通信接收机工作时，所接受光信号的强弱可能是不同的。 接收机正常工作时，信号不能太弱，否则会造成过大的误码。但也不能太强，否则将会使接收机放大器过载而造成失真。因此光接收机在正常工作时，光信号应有一个范围，这个范围称为光接收机的动态范围。,光接收机的自动增益控制（AGC），就是用反馈环路来控制住放大器的增益，当信号强时，则

46、通过反馈环路使上述增益降低；当信号变弱时，则通过反馈环路使上述增益提高，从而达到使送到判决器的信号稳定，以利判决的目的。原理框图如下图所示。,3.6.1数字光纤通信接收机的基本组成,61,（7）解码、解扰电路 为了使信码流能够并有利于在光纤系统中传输，光发射机输出的信号是经过编码处理的。为了使从光接收机输出的信号能在PCM系统内传输，还需将信号进行一系列复原工作。首先通过解码电路将mBnB或mBlH等码型恢复为编码之前的码型。然后再经解扰电路将发送端“扰乱”的码恢复为被扰乱前的状况，最后再由编码器将解扰后的码变为适于在PCM系统中传输的HDB3码。上述过程参见上图。,3.6.1数字光纤通信接收

47、机的基本组成,62,温度补偿电路 为了减少温度变化对雪崩管的影响，加上温度补偿电路，是雪崩管的偏压随温度相应变化。,（8）辅助电路,箝位电路 为了使输入判决器的信号稳定，在判决器前面还加有箝位电路，他将已均衡波的幅度底部箝制在一个固定的电位上。,告警电路 当输入光接收机的光信号太弱或无时，由告警电路输出一个告警信号至告警盘。,3.6.1数字光纤通信接收机的基本组成,63,光接收机灵敏度是描述接收机被调整到最佳状态时，在满足给定的误码率指标下，光接收机接受微弱信号的能力。 上述这种能力可以用三种物理量来体现 （1）最低接受平均光功率 （2）每个光脉冲最低接收光子的能量 （3）每个光脉冲最低接收平

48、均光子数 本书将采用最低平均光功率。光接收机在满足给定的误码率指标下，最低接收平均光功率Pmin。 工程上常用相对值来表示，即用dBm来表示 Sr10lg(Pmin/10-3) dBm 式中，Pmin在满足给定的误码率指标下以瓦表示最低接收光功率 10-3 指1mW光功率,3.6.2 光接收机的指标,光接收机的灵敏度,64,从物理概念上来看，上述这种灵敏度定义也是容易理解的：如果一部光接收在满足给定的误码率指标下，所要求的最低平均光功率低，说明这部接收机在微弱的输入光条件下就能正常工作，显然，在这部接收机的性能是良好的，是灵敏的。 限制接收机的灵敏度的主要因素是噪声，由于接收机存在噪声，因而为

49、了保证正常接收就需要有足够大的输入功率。,3.6.2 光接收机的指标,65,光接收机的动态范围D，是在保证系统的误码率指标要求下，接收机的最低输入光功率（用dBm来描述）和最大允许输入光功率（用dBm来描述）之差（dB）即 D=10Lg（Pmax/10-3）10Lg（Pmin/10-3）=10Lg (Pmax / Pmin) 10Lg (Pmax / Pmin)就是上面所讲的接收机灵敏度。 之所以要求光接收机有一个动态范围，是因为当环境温度变化时，光纤的损耗将产生变化；,3.6.2 光接收机的指标,2 接收机的动态范围,随着时间的增长，光源输出的光功率亦将变化；也可能因一个标准化设计的光接收机

50、工作在不同的系统中，从而引起接收光功率不同。因此要求接收机有一个动态的范围，低于这个工态范围的下限（即灵敏度），如前所说将产生过大的误码；高于这个动态范围的上限，在判决时已将造成过大的误码。显然，一台质量好的接收机应有较宽的动态范围。,66,1.研究光接收机噪声的目的,在一个完整的光纤通信系统中，光接收机是他的重要组成部分。在满足误码率（或信噪比）指标要求下，如果需要输入接收机的光功率低，则表明这个光接收机的灵敏度高，性能好。,3.6.3 光接收机的噪声,67,（1）光电检测器引入的噪声 光电检测器在工作时，一方面将接收到的光信息量转变为点的信息量；另一方面，在上述的转变过程中，又将一系列与信

51、息无关的随机变化的量代入到信息量中，随机变化量主要有以下三种量子噪声、光电检测器的暗电流、雪崩管倍增噪声。,光接收机的主要来源,3.6.3 光接收机的噪声,68,在强度调制系统的光接收机中，把光信号变为电信号之后，还要经过一系列的电的放大等电路系统。在这些电路中，电阻将引入热噪声；晶体管亦将引入噪声尤其是前置放大器晶体管引入的噪声影响更为严重。在一个多级放大器中，每一级放大器都可能引入附加的噪声，而且在每一级放大器里，噪声和信号都将同样的被放大。在这种情况下多级放大器的第一级就显得至关重要。只要第一级放大器的增益足够高，后面各级放大器对噪声的影响就比较小。所以我们关心的是前置放大器的噪声。,（

52、2）光接收机的电路噪声,光接收机的主要来源,3.6.3 光接收机的噪声,69,如前所述，限制光接收机灵明度的因素是噪声。如果要对光接收机灵敏度进行定量计算，那么，首先应对光接收机的上述噪声进行定量计算。但是这种计算过程将是十分繁杂的，这个计算过程和结果都已超出本书要求，在此不再赘述。,计算光接收机噪声的说明,3.6.3 光接收机的噪声,70,计算光接收机灵敏度的说明,光接收机的灵敏度时可以根据公式进行定量计算的。这个计算公式是根据光接收机灵敏度的定义推导出来的接收机噪声的计算公式，并认为上述噪声在近似呈高斯分布的条件下，参照美国学者S.D.Personic提出的计算办法，经过十分复杂的推导，最后得到：PIN光接收机的灵敏度的计算公式以