第三章光端機(jī)

1、1第三章 光源的調(diào)制3.1 光源光源 3.1.1 基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí) 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.半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器3.2光源的調(diào)制光源的調(diào)制 3.2.1 光源的內(nèi)調(diào)制光源的內(nèi)調(diào)制 3.2.2光源的外調(diào)制光源的外調(diào)制3.3光纖通信中的線路碼型光纖通信中的線路碼型 3.3.1研究傳輸碼型的必要性研究傳輸碼型的必要性 3.3.2選擇碼型應(yīng)滿足的主要要求選擇碼型應(yīng)滿足的主要要求 3.3.3光纖通信中常用碼型光纖通信中常用碼型3.4光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 3.4.1 對光發(fā)射機(jī)的要求對光發(fā)射機(jī)的要求 3.4.2 光發(fā)射機(jī)的組成方框圖及各部光發(fā)射機(jī)的組成方框圖及各部分

2、的功能分的功能2第三章 光源的調(diào)制35光檢測器光檢測器 3.5.1半導(dǎo)體的光電效應(yīng)半導(dǎo)體的光電效應(yīng) 3.5.2PIN光電二極管光電二極管 3.5.3雪崩光電二極管雪崩光電二極管 3.5.4光電檢測器的特性光電檢測器的特性3.6 光接收機(jī)光接收機(jī) 3.6.1數(shù)字光纖通信接收機(jī)的基本組成數(shù)字光纖通信接收機(jī)的基本組成 3.6.2 光接收機(jī)的指標(biāo)光接收機(jī)的指標(biāo)靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍 3.6.3 光接收機(jī)的噪聲光接收機(jī)的噪聲3.7 光發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)光發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì) 3.7.1 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路 3.7.2 可靠性可靠性 3.7.3 光頻穩(wěn)定及其控制光頻穩(wěn)定及其控制 3.7.4 光頻穩(wěn)定及其控制光頻穩(wěn)定

3、及其控制 3.7.5 反向沖擊電流保護(hù)反向沖擊電流保護(hù)3半導(dǎo)體激器氣體激光器固體激光器二氧化碳激光器4 由物理學(xué)知識(shí)知道，物質(zhì)是由原子構(gòu)成的，原子又是由原子核及其外圍電子來構(gòu)成，而電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)只能有某些一定的不連續(xù)的軌道。由于沿每個(gè)軌道運(yùn)行時(shí)就有一定相應(yīng)的能量，這些分立的能量值就稱為能級(jí)。 半導(dǎo)體中的電子雖然是作無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，但是，從量子統(tǒng)計(jì)學(xué)觀點(diǎn)來看，電子在不同能級(jí)上占據(jù)的幾率f(E)還是有規(guī)律的，他們服從費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律。 1 光子與光波光子與光波 經(jīng)過近百年的研究（而且，至今仍在研究），人們認(rèn)為光的一個(gè)基本性質(zhì)是它既有波動(dòng)性又有粒子性。一個(gè)光子的能量E與光波頻率f之間的關(guān)系是

4、E=hf式中，h=6.62610-34Js(焦秒)，稱為普朗克常量。2 能級(jí)、費(fèi)米能級(jí)、費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)分布和狄拉克統(tǒng)計(jì)分布和費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí)5即式中，f（E） 能量為E的能級(jí)被一個(gè)電子占據(jù)的幾率； E 某一能級(jí)的能量值； k 玻耳茲曼常數(shù)，k=1.3810-23J/K(焦耳/開)； T 絕對溫度； Ef 費(fèi)米能級(jí)， kTEEreEf/ )(1163 光的輻射躍遷和吸收躍遷 研究指出，光與物質(zhì)間可以存在如下三種互相作用關(guān)系。（1）自發(fā)輻射 物質(zhì)原子中的電子在沒有外界影響（激發(fā)）下，高能級(jí)E 上的電子，由于不穩(wěn)定，自發(fā)地向低能級(jí)E 躍遷，多余的能量以發(fā)光的形式表現(xiàn)出來，這就稱為自發(fā)輻射。自發(fā)輻射

5、的特點(diǎn)是：所發(fā)光的頻率、相位、偏振（又稱極化方向）都不相同，是非相干光。之所以有這種特點(diǎn)，原因是產(chǎn)生輻射是自發(fā)的，因而造成頻率、相位、偏振方向都是隨機(jī)的。 7受激吸收 處在低能級(jí)E 上的電子，當(dāng)受到外來光的照射，如前所述，光是具有能量的（E=hf），低能級(jí)上的電子吸收了光子的能量，從低能級(jí)E 躍遷到高能級(jí)E 上。這種因受激而吸收光的過程稱為受激吸收。對于希望產(chǎn)生激光這個(gè)目的來說，受激吸收就是一種相反的過程。8受激輻射 高能級(jí)E 上的電子，當(dāng)受到頻率為的光激發(fā)時(shí)，從高能級(jí)E2躍遷回到對應(yīng)的低能級(jí)E 上并發(fā)出頻率為f= 的光。這種過程就稱為受激輻射，其特點(diǎn)是： 受激輻射的發(fā)光過程不是自發(fā)的，而是受

6、到外來光激發(fā)引的。 從以上兩式可知，受激輻射所發(fā)的光，它的頻率與激發(fā)光的頻率相同。hEE1294 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 當(dāng)外界向某個(gè)物質(zhì)提供了能量，就會(huì)使得低能級(jí)上的電子，由于獲得了能量而大量地激發(fā)到高能級(jí)上去，像一個(gè)泵不斷地將低能級(jí)上的電子“抽運(yùn)”到高能級(jí)上一樣。從而達(dá)到高能級(jí)上的粒子（電子）數(shù)N2大于低能級(jí)上的粒子（電子）數(shù)N1的分布狀態(tài)。這種分布狀態(tài)成為反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。101 激光器的構(gòu)成及激光的產(chǎn)生激光器的構(gòu)成及激光的產(chǎn)生 激光器是1960年由美國人梅曼發(fā)明的新型光源。它是利用受激輻射原理，并采取一定措施在某個(gè)方向上獲得很強(qiáng)的指向性、極高的光強(qiáng)、極好的相干性的一種光源。它的實(shí)現(xiàn)要

7、求： 第一. 要有一個(gè)合適的激光工作物質(zhì)（發(fā)光介質(zhì)）。 第二. 需要一個(gè)能保證粒子反轉(zhuǎn)分布的激勵(lì)能源泵浦源。 第三. 加一個(gè)光學(xué)諧振腔。 要產(chǎn)生激光還應(yīng)滿足如下兩個(gè)方面的條件: 光的增益和損耗間應(yīng)滿足平衡的條件閥值條件; 在諧振腔中,光波往復(fù)反射能得到加強(qiáng),從而能夠存在,應(yīng)滿足的條件相位平衡條件. 激光，英文的縮寫是Laser, 即Light Amplification by Emission of Radiation,其意思是通過輻射的受激發(fā)射實(shí)現(xiàn)光波放大。112 激光器的閥值條件和相位平衡條件激光器的閥值條件和相位平衡條件 在激光器的工作過程中,除了具有上面所說的放大作用,光波還會(huì)受到其他

8、損耗.將增益和損耗結(jié)合起來考慮,顯然,只有當(dāng)光波在諧振腔內(nèi)往返一次放大得到的光能密度大于或等于損失的光能密度,激光器才能建立起穩(wěn)定的激光輸出.將上述兩者相等的這種關(guān)系稱為閥值條件 這表明了激光器能夠起振(剛開始產(chǎn)生激光)時(shí),激光器小信號(hào)增益系數(shù)G0必須滿足的一個(gè)下限值. 按照物理學(xué)中諧振的理論,只有那些經(jīng)過往返一周回到原來位置時(shí),光波的相位與初始發(fā)生的波的相位同相的光波才能因彼此加強(qiáng)(即諧振)而在諧振腔中 存在.不滿足這種諧振關(guān)系的光波則因得不到彼此加強(qiáng),最后因腔內(nèi)的損耗而消失. 這就是滿足相位平衡條件時(shí),激光器中存在光波的頻率.12 所謂本征半導(dǎo)體就是指沒有任何外來雜質(zhì)和晶格缺陷的理想半導(dǎo)體

9、,半導(dǎo)體的能級(jí)不是分立的而是一個(gè)能帶.電子填充能帶遵守兩個(gè)基本原理: 一.在確定的能級(jí)上最多只能填充自旋方向相反的兩個(gè)電子; 二.電子總是力圖占據(jù)能量最低的能帶.要使半導(dǎo)體材料產(chǎn)生激光,必然要使P-N結(jié)處在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。 摻雜就是向本征半導(dǎo)體材料摻入雜質(zhì)元素.如果N型半導(dǎo)體材料是重?fù)诫s的,它提供的電子數(shù)多,高能級(jí)的電子就相應(yīng)的多,它的能帶圖中費(fèi)米能級(jí)EfN就高,而且一直伸入到導(dǎo)帶中.P型材料重?fù)诫s情況相應(yīng)的費(fèi)米能級(jí)EfP必定較低,而且一直低到P型材料能帶圖中的介帶之中. 13 當(dāng)這種N型和P型重?fù)诫s半導(dǎo)體材料形成P-N結(jié)后能帶分布發(fā)生的變化如下:N型材料中的電子向P型材料中擴(kuò)散;P型材料

10、中的空穴向N型材料擴(kuò)散.由于空間電荷區(qū)的存在,出現(xiàn)了一個(gè)N指向P(即由正指向負(fù))的一個(gè)電場,稱為內(nèi)建電場.最后,擴(kuò)散和漂移作用達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,使通過邊界的凈電流等于零.由于內(nèi)建電場的出現(xiàn),使P區(qū)的電子電位能相對于N區(qū)的電子電位能抬高. 14 外加的正偏壓使圖(b)中P的電子電位降低,使N的電子電位提高.隨著注入載流子的不同,在P-N結(jié)出現(xiàn)了兩個(gè)費(fèi)米能級(jí).在P-N結(jié)區(qū)同一塊材料上就出現(xiàn)了高能級(jí)粒子多,低能級(jí)粒子少的分布狀況. 外加的正偏壓使圖(b)中P的電子電位降低,使N的電子電位提高.隨著注入載流子的不同,在P-N結(jié)出現(xiàn)了兩個(gè)費(fèi)米能級(jí).在P-N結(jié)區(qū)同一塊材料上就出現(xiàn)了高能級(jí)粒子多,低能級(jí)粒子少的

11、分布狀況.15 以上是早期研制的激光器,它的缺點(diǎn)是對光波和載流子的限制不完善,從而使激光器需要的閥值電流大.為了克服上述缺點(diǎn),人們研制了一種稱為單異質(zhì)結(jié)激光器和雙異質(zhì)結(jié)激光器的半導(dǎo)體激光器,簡稱為異質(zhì)激光器. 所謂異質(zhì)結(jié)就是用兩種材料構(gòu)成的P-N結(jié).例如,一種材料是GaAs,另一種材料是GaAlAs.它是在同質(zhì)結(jié)的基礎(chǔ)上,加了一層異質(zhì)結(jié)材料GaAlAs,這一層的作用可以從兩個(gè)方面來分析. 增加了位壘,對載流子進(jìn)行了限制. 在界面上出現(xiàn)了n(折射率)的突變,限制了光波. 雙異質(zhì)結(jié)激光器是在單異質(zhì)結(jié)激光器的基礎(chǔ)上再做改進(jìn)的一種激光器,它在單異質(zhì)結(jié)激光器有源區(qū)P-GaAs的左側(cè)加了一塊異質(zhì)材料N-G

12、aAlAs.由于雙異質(zhì)結(jié)激光器在有源區(qū)兩側(cè),即限制了載流子,又限制了光波,故它的光強(qiáng)分布基本被約束在有源區(qū),而且閥值電流大大降低,實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目的. 2 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器16 基本結(jié)構(gòu)包括:工作物質(zhì),揩振腔和泵浦源.其中工作物質(zhì)和泵浦源是實(shí)現(xiàn)光的自發(fā)發(fā)射、受激吸收和受激發(fā)射的最基本條件。 自發(fā)發(fā)射：大量處于高能級(jí)的粒子，各自分別發(fā)射一列一列頻率為=(E2 -E1) /h的光波，但各列光波之間沒有固定的相位關(guān)系，可以有不同的偏振方向，沿所有可能的方向傳播。各光子彼此無關(guān)。 受激發(fā)射：處于高能級(jí)E2的粒子受到光子能量為的光照射時(shí)，粒子會(huì)由于這種入射光的刺激而發(fā)射出與入射光一模一

13、樣的光子，并躍遷到低能級(jí)E1上。有相同的偏振方向和傳播方向。17 自發(fā)發(fā)射的同時(shí)總伴有受激發(fā)射發(fā)生。 在熱平衡情況下，自發(fā)發(fā)射占絕對優(yōu)勢。 當(dāng)外界給系統(tǒng)提供能量時(shí)，如采用光照（即光泵）或電流注入（即電泵），打破熱平衡狀態(tài)，大量粒子處于高能級(jí)，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后，在發(fā)光束方向上的受激發(fā)射比自發(fā)發(fā)射的強(qiáng)度大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 總結(jié)激光發(fā)射的首要條件： 工作物質(zhì)（即能實(shí)現(xiàn)粒子躍遷的晶體材料，如GaAs和InGaAsP） 外界供給能量滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（常采用電流注入法）18 只有增益介質(zhì)而無光學(xué)反饋裝置，便不能形成激光。將已實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的系統(tǒng)置于嚴(yán)格平行的一對反射鏡之間便形成F-P諧振腔。光在兩個(gè)反射鏡之間

14、往返多次過程中，得到放大。1920圖-8 GaAlAs-GaAs激光器的輸出光譜21 2半導(dǎo)體激光器的工作特性 （1）發(fā)射波長 半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長取決于導(dǎo)帶的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)所釋放出的能量，這個(gè)能量近似等于禁帶寬度Eg(eV)，由式（-1）得 hf = Eg （-5） 式中， ，f (Hz)和(m)分別為發(fā)射光的頻率和波長，c=3108m/s， h=6.6281034 Js，leV=1.601019 J為電子伏特，代入式（-5）得 (m) （-6） 由于能隙與半導(dǎo)體材料的成分及其含量有關(guān)，因此根據(jù)這個(gè)原理可以制成不同發(fā)射波長的激光器。cf)eV(24. 1gE22 （3）光譜特性 LD的光

15、譜隨著激勵(lì)電流的變化而變化。當(dāng)IIth時(shí)，發(fā)出的是熒光，光譜很寬，如圖-7（a）所示。當(dāng)I Ith后，發(fā)射光譜突然變窄，譜線中心強(qiáng)度急劇增加，表明發(fā)出激光，如圖-7（b）所示。圖-7 GaAlAs-GaAs激光器的光譜23 隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加，縱模模數(shù)逐漸減少，譜線寬度變窄。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流足夠大時(shí)，多縱模變?yōu)閱慰v模，這種激光器稱為靜態(tài)單縱模激光器。 普通激光器工作在直流或低碼速情況下，它具有良好的單縱模譜線，所對應(yīng)的光譜只有一根譜線，如圖-8（a）所示。而在高碼速調(diào)制情況下，其線譜呈現(xiàn)多縱模譜線。如圖-8（b）所示。 一般，用F-P諧振腔可以得到的是直流驅(qū)動(dòng)的靜態(tài)單縱模激光器，要得到高速數(shù)字調(diào)制的

16、動(dòng)態(tài)單縱模激光器，必須改變激光器的結(jié)構(gòu)，例如分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB-LD）。24圖-8 GaAlAs-GaAs激光器的輸出光譜25 轉(zhuǎn)換效率和光功率特性 下圖是典型激光器的光功率特性曲線。 當(dāng)IIth時(shí)，發(fā)出的是受激輻射光，光功率隨 驅(qū)動(dòng)電流的增加而增加2627 溫度特性 激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個(gè)原因:一是激光器的閾值電流Ith隨溫度升高而增大,二是外微分子量子效率d隨溫度升高而減小.溫度升高時(shí), Ith增大, d減小,輸出光功率明顯下降,達(dá)到一定溫度時(shí),激光器就不激射了. 閾值電流隨溫度呈指數(shù)變化: Ith=I0 exp(T/T0)2829 半導(dǎo)體激光器屬于半導(dǎo)體二極管的范疇

17、,除具有二極管的一般特性外(如伏安特性),還應(yīng)具有特殊的光頻特性. 閥值特性 對于半導(dǎo)體激光器,當(dāng)外加正向電流達(dá)到某一值時(shí), 輸出光功率急劇增加,這是將產(chǎn)生激光振蕩,這個(gè)電流值成為閥值電流,用I1表示.當(dāng)II1時(shí),激光器才發(fā)出激光. 30發(fā)光二極管實(shí)物圖發(fā)光二極管實(shí)物圖31發(fā)光二極管的廣泛應(yīng)用發(fā)光二極管的廣泛應(yīng)用32發(fā)光二極管的符發(fā)光二極管的符號(hào)、工作電壓、號(hào)、工作電壓、電流電流發(fā)光二極管的發(fā)光二極管的符號(hào)：符號(hào)：發(fā)光二極管工作的條件：發(fā)光二極管工作的條件：1、加、加正偏正偏電壓電壓字母符號(hào)：字母符號(hào)：LED2、正偏電壓大于、正偏電壓大于1、5V，一般在一般在1、5V到到3V3、工作電流為、工

18、作電流為1030mA為適宜為適宜33 1LED的工作原理 發(fā)光二極管（LED）是非相干光源，是無閾值器件，它的基本工作原理是自發(fā)輻射。 發(fā)光二極管與半導(dǎo)體激光器差別是：發(fā)光二極管沒有光學(xué)諧振腔，不能形成激光。僅限于自發(fā)輻射，所發(fā)出的是熒光，是非相干光。半導(dǎo)體激光器是受激輻射，發(fā)出的是相干光。34 2LED的結(jié)構(gòu) LED也多采用雙異質(zhì)結(jié)芯片，不同的是LED沒有解理面，即沒有光學(xué)諧振腔。由于不是激光振蕩，所以沒有閾值。 LED分為兩大類：一類是面發(fā)光型LED，另一類是邊發(fā)光型LED，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖-12所示。圖-12 常用的兩類發(fā)光二極管（LED）35 3LED的工作特性 （1）光譜特性 LED

19、譜線寬度比激光器寬得多。圖-13是InGaAsP LED的輸出光譜。 圖-13 InGaAsP LED的發(fā)光光譜 36 （2）輸出光功率特性 兩種類型的LED輸出光功率特性如圖3-14所示。驅(qū)動(dòng)電流I 較小時(shí)，P I 曲線的線性較好；當(dāng)I 過大時(shí)，由于P-N結(jié)發(fā)熱而產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使P I 曲線的斜率減小。圖3-14 發(fā)光二極管（LED）的P I 特性37 （3）溫度特性 由于LED是無閾值器件，因此溫度特性較好。 （4）耦合效率 由于LED發(fā)射出的光束的發(fā)散角較大，因此與光纖的耦合效率較低。一般只適于短距離傳輸。 比較： LED與LD相比，LED輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低。但L

20、ED性能穩(wěn)定，壽命長，使用簡單，輸出光功率線性范圍寬，而且制造工藝簡單，價(jià)格低廉。38 LED通常和多模光纖耦合，用于1.31m或0.85m波長的小容量、短距離的光通信系統(tǒng)。 LD通常和單模光纖耦合，用于1.31m或1.55m大容量、長距離光通信系統(tǒng)。 分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB-LD）主要也和單模光纖或特殊設(shè)計(jì)的單模光纖耦合，用于1.55m超大容量的新型光纖系統(tǒng)，這是目前光纖通信發(fā)展的主要趨勢。39電壓：LED使用低壓電源，供電電壓在6-24V之間，根據(jù)產(chǎn)品不同而異，所以它是一個(gè)比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所。 效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80% 適用性：很小，每個(gè)單

21、元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境 穩(wěn)定性：10萬小時(shí)，光衰為初始的50% 響應(yīng)時(shí)間：其白熾燈的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)，LED燈的響應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí) 對環(huán)境污染：無有害金屬汞 顏色：改變電流可以變色，發(fā)光二極管方便地通過化學(xué)修飾方法，調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，實(shí)現(xiàn)紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。如小電流時(shí)為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變?yōu)槌壬?，黃色，最后為綠色 價(jià)格：LED的價(jià)格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只LED的價(jià)格就可以與一只白熾燈的價(jià)格相當(dāng)，而通常每組信號(hào)燈需由上300500只二極管構(gòu)成。 40380nm430nm490nm505nm515nm53

22、5nm585nm600nm630nm700nm41模擬信號(hào)的內(nèi)調(diào)制 所謂模擬信號(hào)的內(nèi)調(diào)制，就是直接讓LED的注入電流跟隨反映語音或圖像等模擬量變化，從而使LED管輸出的光功率跟隨模擬信號(hào)變化，如圖3-21所示圖3-21模擬信號(hào)內(nèi)調(diào)制示意圖42R1R2R3R4VT1LEDV+CA監(jiān)測 圖3-21是一個(gè)簡單的模擬信號(hào)內(nèi)調(diào)制電路。圖中VT1是提供LED管注入電流的晶體管，當(dāng)信號(hào)從A點(diǎn)輸入后，晶體管放大器集電極電流就跟隨模擬量而變，并且發(fā)光二極管LED的注入電流也跟隨模擬信號(hào)變化。于是LED的輸出光功率就跟隨模擬量變化，就這樣實(shí)現(xiàn)了對光源的內(nèi)調(diào)制。圖3-22簡單的模擬信號(hào)內(nèi)調(diào)制電路432數(shù)字信號(hào)的內(nèi)調(diào)

23、制 當(dāng)光纖通信系統(tǒng)所傳的信號(hào)是一系列的“0”“1”數(shù)字信號(hào)時(shí)，用LED管進(jìn)行數(shù)字信號(hào)直接調(diào)制的原理圖如圖3-23(a)所示。用LED管進(jìn)行數(shù)字信號(hào)直接調(diào)制時(shí)，如圖3-23 (b)所示。 圖3-23數(shù)字信號(hào)調(diào)制原理圖44 一種簡單的LED數(shù)字信號(hào)調(diào)制電路如圖3-24所示。它只有一級(jí)共發(fā)射極的晶體管調(diào)制電路，晶體管用作飽和開關(guān)。晶體管的集電極電流就是LED的注入電流。信號(hào)由A點(diǎn)接入。 “0”碼時(shí)晶體管不導(dǎo)通；“1”碼時(shí)晶體管導(dǎo)通，于是注入電流注入到LED管。使得LED管發(fā)光，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)調(diào)制。圖3-24 一種簡單的LED數(shù)字信號(hào)內(nèi)調(diào)制電路45圖3-25是一種較復(fù)雜的半導(dǎo)體激光器數(shù)字信號(hào)內(nèi)調(diào)制

24、電路。圖中電流源是由晶體管電路構(gòu)成的，它的作用使晶體管VT1或VT2產(chǎn)生一個(gè)固定幅度的脈沖，作為注入電流ID提供給LD。VT3, VT4它們的作用時(shí)使從ECL發(fā)射極耦合邏輯電路電流來的“0”碼，“1”碼輸入電平移動(dòng)至滿足VT1，VT2和參考電壓三者間所需的電平值圖 3-25 一種較復(fù)雜的LD數(shù)字信號(hào)內(nèi)調(diào)制 46 VT1，VT2兩只晶體管組成一個(gè)電流開關(guān)。當(dāng)VT1的基極電位高于VT2基極電位時(shí)，電流源的全部電流流過VT1的集電極，然而激光管是接在VT2支路上的，故激光器不發(fā)光，相當(dāng)于發(fā)“0”碼。當(dāng)VT2基極電位高于VT1基極電位時(shí)，則反過來VT2導(dǎo)通，全部電流源電流流過VT2的集電極支路。從而注

25、入LD管，使LD在這段時(shí)間內(nèi)發(fā)光，發(fā)出一個(gè)光脈沖，即對應(yīng)于發(fā)一個(gè)“1”碼。 ECL電路發(fā)射極耦合邏輯電路，輸入的調(diào)制信號(hào)經(jīng)ECL電路送至VT1基極。例如傳“1”碼時(shí)為1.8V；傳“0”碼時(shí)為0.8V。 VBB參考電壓，是為設(shè)VT1，VT2按上述原則工作必須的，這個(gè)電壓接在VT4基極上，是負(fù)電壓，其數(shù)值處在“0”碼和“1”碼的中間值。 偏流由晶體管電路提供一個(gè)偏置電流，它接在LD管的負(fù)極上，稍低與LD管的預(yù)置電流It，相當(dāng)于傳“0”碼（即無光脈沖發(fā)出）的狀態(tài)。偏流加在這種位置是激光管作調(diào)制時(shí)與用發(fā)光管作調(diào)制的一個(gè)區(qū)別點(diǎn)。47 前面已介紹了對光源進(jìn)行內(nèi)調(diào)制的方法,這種調(diào)制方法的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單容易實(shí)

26、現(xiàn),.但是,若在高碼速下采用這種調(diào)制方法時(shí),將是光源的性能變壞.在高碼速強(qiáng)度調(diào)制直接檢波的光纖通信系統(tǒng)，或外差光纖通信系統(tǒng)中，可采用對光源的外調(diào)制方式。 目前已提出的外調(diào)制方式有電光調(diào)制，聲光調(diào)制和磁光調(diào)制。481 電光調(diào)制器 電光調(diào)制的基本工作原理是晶體的線性電光效應(yīng)。2 磁光調(diào)制 磁光調(diào)制是利用法拉第效應(yīng)得到的一種光外調(diào)制。入射光信號(hào)經(jīng)過起偏器，使入射光變?yōu)槠窆?，這束偏振光通過YIG磁棒時(shí)，其偏振方向隨繞在上面下圈的調(diào)制信號(hào)而變化，當(dāng)偏振方向與后面的檢偏器相同時(shí)，輸出光強(qiáng)最大，當(dāng)偏振方向與檢偏器方向垂直時(shí)，輸出光強(qiáng)最小，從而使輸出光強(qiáng)隨調(diào)制信號(hào)變化，實(shí)現(xiàn)了光的外調(diào)制 。磁光調(diào)制器結(jié)構(gòu)簡圖

27、 電 光 調(diào) 制 器 結(jié) 構(gòu) 簡 圖49 聲光調(diào)制器是利用機(jī)制的聲光效應(yīng)制成。它的工作原理是，當(dāng)調(diào)制電信號(hào)變化時(shí)，由于壓電效應(yīng)，使壓電晶體差生機(jī)械振動(dòng)形成超聲波，這個(gè)聲波引起聲光介質(zhì)的密度發(fā)生變化，使介質(zhì)折射率跟著變化，從而形成一個(gè)變化的光柵，由于光柵的變化，使光強(qiáng)隨之發(fā)生變化，結(jié)果使光波受到調(diào)制。2 聲光調(diào)制器磁光調(diào)制器結(jié)構(gòu)簡圖 電 光 調(diào) 制 器 結(jié) 構(gòu) 簡 圖50 半導(dǎo)體激光器（LD）是有諧振腔、泵浦源、激光介質(zhì)。基本原理是受激輻射。工作原理是通過泵浦源的激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光介質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。在能帶間躍遷發(fā)光，用半導(dǎo)體晶體的解理面形成兩個(gè)平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋

28、、產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光。 LED是有泵浦源、激光介質(zhì)。基本原理是自發(fā)輻射。工作原理是通過泵浦源的激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光介質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。在能帶間躍遷發(fā)光。51 （1）發(fā)光機(jī)理上：LD利用的PN結(jié)能帶間的受激輻射，LED利用的PN結(jié)能帶間的自發(fā)輻射。 （2）結(jié)構(gòu)上：LD具有泵浦源、增益介質(zhì)、諧振腔。LD是閾值器件。LED泵浦源、增益介質(zhì)。LED為非閾值器件。 （3）應(yīng)用范圍：LD適用長距離大容量數(shù)字系統(tǒng)，LED短距離低速模擬、數(shù)字系統(tǒng)。 （4）出射光束特性上：LD發(fā)射的發(fā)散角小的、光譜寬度小的、輸出功率大的激光。LED發(fā)射的發(fā)散角大的、光譜寬度大的、輸出功率小的熒光。52 在數(shù)字通信中，傳輸

29、碼型的選擇是一個(gè)必須考慮的問題。PCM系統(tǒng)中的碼型并不都適合在光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸，例如HDB3 碼（三階高密度雙極性碼）有1，0，1三種狀態(tài)，而在光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中，光源只有發(fā)光和不發(fā)光兩種狀態(tài)，沒有發(fā)負(fù)光這種狀態(tài)。因此，在光纖系統(tǒng)中無法傳輸 HDB3 碼。為此，必須將HDB3 解碼，變?yōu)閱螛O性的“0”，“1”碼。但是HDB3解碼后，這種碼型所具有的誤碼檢測等功能都將失去 。以上時(shí)需要重新編碼的一個(gè)原因。 另一方面,在光纖系統(tǒng)中,除了需要傳輸主信號(hào)外,還需增加一些其它的功能,為此,需要在原來碼速率基礎(chǔ)上,提高一點(diǎn)碼速率,以增加一些信息余量（冗余度）。具體做法是在原有碼流中插入脈沖,這也需要

30、重新編碼。53ttttttttt01000011000001010二進(jìn)制代碼(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)單極性(NRZ)碼 ；無電壓用來表示0,而恒定的正電壓表示1(b) 雙極性(NRZ)碼；1碼是正電流,0碼是負(fù)電流 (c) 單極性(RZ)碼；高電平和零電平分別表示二進(jìn)制碼 和 (d) 雙極性(RZ)碼； 和 分別對應(yīng)于正和負(fù)電平 (e) 差分碼；(f) 交替極性碼(AMI)；0 傳輸碼中的0 1 傳輸碼中的+1、-1交替(g) 三階高密度雙極性碼(HDB3)；(h) 分相碼；(a)(i) 信號(hào)反轉(zhuǎn)碼(CMI)其編碼規(guī)則是“1”碼交替用“11”和“00”兩位碼表示；

31、“0”碼固定地用“01”表示 54AMI(Alternative Mark Inversion)碼的全稱是傳號(hào)交替反轉(zhuǎn)碼，是通信編碼中的一種，為極性交替翻轉(zhuǎn)碼，分別有一個(gè)高電平課低電平表示兩個(gè)極性。 一、編碼規(guī)則: 消息代碼中的0 傳輸碼中的0 消息代碼中的1 傳輸碼中的+1、-1交替 例如: 消息代碼:1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 AMI碼: +1 0 -1 0 +1 0 0 0 -1 0 +1 -1 +1 一、編碼規(guī)則: 1 先將消息代碼變換成AMI碼，若AMI碼中連0的個(gè)數(shù)小于4,此時(shí)的AMI碼就是HDB3碼; 2 若AMI碼中連0的個(gè)數(shù)大于3,則將每4個(gè)連0小段的

32、第4個(gè)0變換成與前一個(gè)非0符號(hào)(+1或-1)同極性的符號(hào),用表示(+1+,-1-); 3 為了不破壞極性交替反轉(zhuǎn)，當(dāng)相鄰符號(hào)之間有偶數(shù)個(gè)非0符號(hào)時(shí)，再將該小段的第1個(gè)0變換成B或-B,符號(hào)的極性與前一非零符號(hào)的相反，并讓后面的非零符號(hào)從符號(hào)開始再交替變化。 例如: 消息代碼: 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 AMI碼: +1 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 +1 -1 0 0 0 0 +1 -1 HDB3碼：+1 0 0 0 +V -1 0 0 0 -V +1 -1 +B 0 0 +V -1 +1 551mBnB碼 mBnB又稱分組碼（Block

33、Code），它是把輸入信碼流中每m比特碼分為一組，然后變換為n比特，且nm。就是說，變換以后碼組的比特?cái)?shù)比變換前大，碼流有了“富余”（冗余）。這樣就可以在原來信息之外加入與誤碼檢測等有關(guān)的信息。并且經(jīng)過適當(dāng)?shù)木幋a后還可以改善定時(shí)信號(hào)的提取和直流分量的起伏問題。 光纖通信中最常用的碼型是5B6B碼，這種編碼方式是先將碼流中每五位碼元分為一組，然后在將這組五位碼變換為六位碼。由數(shù)學(xué)理論可知，由二元信號(hào)組成的六位碼有64種排列，而5B6B編碼中只選用了其中“0”和“1”出現(xiàn)概率相同和相近的44種碼組（其中包括20個(gè)含有三個(gè)“0”和三個(gè)“1”的平衡碼組以及24個(gè)含有四個(gè)“1”兩個(gè)“0”和四個(gè)“0”兩個(gè)

34、“1”的不完全平衡碼組），這樣由于正、負(fù)碼交替使用，從而使直流分量穩(wěn)定，基線不起伏。剩下的20個(gè)碼組不使用，一般稱為禁字。 56偽雙極性碼（CMI和DMI） 光纖通信中使用的偽雙極性碼使用“11”和“00”來代表雙極性碼中的1和1。CMI和DMI碼的碼表如表3-3雙極性碼 CMI DMI +1111001在1后用01，在1后用10-000057插入比特碼 這種碼型是將信碼流中每m比特劃為一組，然后在這一組的末尾一位之后插入一個(gè)比特碼，隨著所插入碼的功能的不同，這種碼型又可分為如下三種形式。 (1) mB1P碼 它是在每m比特以后插入一個(gè)奇、偶校正碼，成為P碼。P碼的作 用是保證每個(gè)碼組內(nèi)1碼的

35、個(gè)數(shù)為偶數(shù)。 例如8B1P碼 若信碼流中每8個(gè)碼元為一組的碼組為11011001，則經(jīng)過編碼后，應(yīng)再插入一個(gè)“1”碼使碼組中“1”的個(gè)數(shù)變?yōu)?（偶數(shù)），即變?yōu)?10110011 若信碼流中每8個(gè)碼元為一組的碼組為00010010，則經(jīng)過編碼后，應(yīng)再插入一個(gè)“0”碼使碼組中“1”的個(gè)數(shù)仍為偶數(shù)，即變?yōu)?00100100由于mB1P碼中“1”碼的個(gè)數(shù)是偶數(shù)，因此，可通過檢測每組碼流中“1”碼的奇偶狀況來進(jìn)行誤碼檢測。58 （2）mB1C碼 這種碼形式將信碼流每m比特分為一組，然后再其末未之后再插入一個(gè)反碼（又稱補(bǔ)碼）即C碼。C碼的作用是：如果第m位碼為“1”，則反碼為0；反之則為“1”。 （3）m

36、B1H碼 這種碼是將信碼流中每m比特碼分為一組，然后再其末位之后插入一個(gè)混合碼，稱為H(Hybrid)碼。例如8B1H碼就是每八個(gè)信號(hào)碼元之后插入一個(gè)混合碼元。所插入的混合碼是由G碼和C碼來構(gòu)成的。 C是插入的反碼，作誤碼監(jiān)測用。若碼流中C碼的前一個(gè)碼是“1”，則C碼即為“0”；反之，若C碼前一個(gè)碼為“0”，則C碼為“1”。 G是插入的混合碼中除去C碼外的碼。 經(jīng)過這種編碼，區(qū)間通信話路可以不通過PCM復(fù)用設(shè)備，直接在中繼站上、下話路，為系統(tǒng)帶來了靈活性。59 這是一種在同步數(shù)字體系（SDH）中廣泛采用的碼型。它根據(jù)一定規(guī)則將信號(hào)碼流進(jìn)行擾碼。經(jīng)過擾碼后使線路碼流中的“0”，“1”出現(xiàn)的概率相

37、等，因此，采用這種碼型后在線路碼流中不會(huì)出現(xiàn)長“0”，長“1”情況，因?yàn)槿绻€路碼流中出現(xiàn)長“0”，長“1”將會(huì)給系統(tǒng)中時(shí)鐘信號(hào)的提取帶來困難。 在光的發(fā)射端采用加擾二進(jìn)碼后，在接收端還須將被擾的碼流恢復(fù)過來。(4) 加擾二進(jìn)碼60 在光纖通信系統(tǒng)中，光發(fā)射機(jī)的作用是把從電端機(jī)送來的電信號(hào)經(jīng)過編碼、調(diào)制，再由光源變?yōu)楣庑盘?hào)最后送入光纖。還應(yīng)指出，實(shí)際使用的光端機(jī)，并不是真有這么一個(gè)光發(fā)射機(jī)架。到20世紀(jì)80年代末，實(shí)際的光端機(jī)發(fā)射機(jī)就是一塊插在光端機(jī)架中的機(jī)盤。61（1）光源的發(fā)光波長要合適（2）合適的輸出功率（0.01-5mw） 雖然光源送入光纖的光功率愈大，可通訊的距離就越長，但是從理論上

38、講，光源送入光纖的光功率太大并非好事。因?yàn)楣夤β侍缶蜁?huì)使光纖工作在非線性狀態(tài)。這種非線性效應(yīng)將會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的頻率轉(zhuǎn)換作用和其他作用，對光纖產(chǎn)生不良的影響。（3）較好的消光比 所謂消光比（EXT）就是 作為一個(gè)被調(diào)制的好光源，希望在“0”碼時(shí)沒有光功率輸出，故一般要求EXT10。消光比的不足容易引起對碼元的誤判等一系列問題。（4）調(diào)制性能好 碼時(shí)的平均輸出功率全碼時(shí)的平均輸出功率全10EXT62實(shí)際光發(fā)射機(jī)電路圖圖 3-28 光發(fā)射機(jī)原理方框圖63 (3)時(shí)鐘時(shí)鐘 由于解碼和擾碼過程都需要時(shí)中信號(hào)作依據(jù)（時(shí)間參考）。故在均衡放大之后，由時(shí)鐘電路取出PCM中的時(shí)鐘信號(hào)供給解碼、擾碼，編碼電路用。(

39、1)均衡放大均衡放大 由PCM端機(jī)送來的HDB3 碼流,經(jīng)過電纜的傳輸產(chǎn)生了衰減和畸變.所以,在信號(hào)進(jìn)入發(fā)射機(jī)時(shí)，首先要經(jīng)過均衡和放大，以補(bǔ)償衰減的電平、均衡畸變的波形。(2)解碼解碼 解碼電路完成將HDB3這種雙極性碼變?yōu)閱螛O性的“0”，“1”碼。(4)擾碼擾碼 如果信碼流中出現(xiàn)長“0”，長“1”的情況，加入擾碼電路可以有規(guī)律的“破壞”長“0”長“1”碼流。當(dāng)然，在接收端還要加入一個(gè)與擾碼相反的解擾電路，恢復(fù)信碼流原來的狀況。64(6)調(diào)制（驅(qū)動(dòng)）調(diào)制（驅(qū)動(dòng)） 調(diào)制電路對光源進(jìn)行調(diào)制，讓光源發(fā)出的光強(qiáng)跟隨經(jīng)過編碼后的信碼流變化，形成相應(yīng)的光脈沖送入光導(dǎo)纖維。(5)編碼編碼 前面我們已經(jīng)討論過

40、，信碼流還需要進(jìn)行編碼才能便于不間斷進(jìn)行誤碼檢測，克服直流分量的波動(dòng)，以便于區(qū)間通信聯(lián)絡(luò)等功能。(7)自動(dòng)功率控制自動(dòng)功率控制 光發(fā)射機(jī)的光源經(jīng)過一段時(shí)間使用將出現(xiàn)老化，使輸出光功率降低。另外，激光器PN結(jié)結(jié)溫變化，使P-I曲線變化，也會(huì)使輸出光功率產(chǎn)生變化。為了使光源的輸出功率穩(wěn)定，在實(shí)際使用的光發(fā)射機(jī)中常使用自動(dòng)功率控制（APC）電路。下面我們介紹一種APC電路的原理方框圖，如圖3-31所示。6566圖3-31 自動(dòng)功率控制電路圖中，調(diào)制器、LD管光發(fā)射機(jī)中半導(dǎo)體激光器和它的調(diào)制電路。PIN管、放大器A1 PIN是一種光電檢測器，A1是放大器。可調(diào)直流參考電壓可調(diào)的穩(wěn)壓電源，它將一個(gè)作為參

41、考標(biāo)準(zhǔn)的直流電壓通過比較放大器A2送到比較放大器A3的另一輸入端。3.4.2 3.4.2 光發(fā)射機(jī)的組成方框圖及各部分的光發(fā)射機(jī)的組成方框圖及各部分的功能功能67 這樣當(dāng)激光器輸出功率降低時(shí)，從A1輸出的電壓也降低，并將這個(gè)電壓送至比較放大器A3的一個(gè)輸入端；另一方面，由直流參考電路送出一參考電壓經(jīng)A2送至A3的另一端作比較，然后由A3產(chǎn)生一個(gè)增大的輸出電壓送到電流源，是電流源輸出電流增加，從而使LD管的注入電流增加，使LD管輸出光功率維持穩(wěn)定。圖3-31 自動(dòng)功率控制電路68(8)自動(dòng)溫度控制自動(dòng)溫度控制 由于半導(dǎo)體光源的P-I特性曲線對環(huán)境溫度的變化反應(yīng)很靈敏，從而使輸出光功率出現(xiàn)變化，因

42、此一般應(yīng)在機(jī)器的發(fā)射機(jī)盤上裝有自動(dòng)溫度控制（ATC）電路。(9)其他保護(hù)、檢測電路其他保護(hù)、檢測電路 光發(fā)射機(jī)除有上述各部分電路組成外，還有如下一些輔助電路 LD保護(hù)電路使半導(dǎo)體激光器的偏流慢啟動(dòng)以及限制偏流不要過大，以免燒毀激光器。 無光告警電路當(dāng)光發(fā)射機(jī)電路出現(xiàn)故障，或輸入信號(hào)中斷，或激光器失效都將使激光器較長時(shí)間不發(fā)光，這時(shí)延遲告警電路將發(fā)出告警指示。3.4.2 3.4.2 光發(fā)射機(jī)的組成方框圖及各部分的光發(fā)射機(jī)的組成方框圖及各部分的功能功能69 半導(dǎo)體的光電效應(yīng)是指如下情況：光照射到半導(dǎo)體PN節(jié)上，弱光子能量足夠大，則半導(dǎo)體材料中價(jià)電子吸收光子能量，從價(jià)帶越過到達(dá)導(dǎo)帶，在導(dǎo)帶中出現(xiàn)光電

43、子，在價(jià)帶中出現(xiàn)光空穴，即光電子空穴對，他們總稱為光生載流子。 光生載流子在外加負(fù)偏壓和內(nèi)建電場的作用下，在外電路中出現(xiàn)光電流，如下圖所示。從而在電阻R上有信號(hào)電壓輸出。這樣就實(shí)現(xiàn)了輸出電壓跟隨輸入光信號(hào)變化的光電轉(zhuǎn)換作用，所謂負(fù)偏壓就是指P接負(fù)N接正。70 要注意的是高能帶電高、低是以電子的電位能為根據(jù)的，電位越負(fù)能帶越高。 外加負(fù)偏壓產(chǎn)生的電場方向與內(nèi)建電場方向一致，有利于耗盡層的加寬。由前面的討論還可以看出： 由于光子扽恩光量為hf，半導(dǎo)體光電材料的解禁帶寬度為Eg,那么，當(dāng)光照 射在某種材料制成的半島一光電二極管上時(shí)，若有光電子空穴對產(chǎn)生，顯然滿足如下關(guān)hfEg 由于c/f,故，將f換

44、為波長，則：c=(hc/Eg) 就是說，只有波長c的入射光，才能使這種材料產(chǎn)生光電效應(yīng)。71 利用上述光電效應(yīng)可以制造出簡單的p-n結(jié)光電二極管，但是仔細(xì)研究將會(huì)發(fā)現(xiàn)在p-n結(jié)中，由于有內(nèi)建電場的作用，(內(nèi)建電場使耗盡層的能帶形成一個(gè)斜坡位壘），光電子和光空穴的運(yùn)動(dòng)速度加快。然而，在耗盡層以外產(chǎn)生的光電子和光控空穴由于沒有內(nèi)建電場的加速作用，運(yùn)動(dòng)速度慢，因而響應(yīng)速度低，而且容易被復(fù)合掉，使光電換效率差，這是人們不希望的。 為了改善光電檢測器的響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)換效率，顯然，適當(dāng)加大耗盡層寬度是有利的。為此在制造時(shí)，在型材料和型材料層之間加一層輕摻雜的型材料，稱為i（intinsic，本征的）層.由于

45、是輕摻雜，故電子濃度很低，經(jīng)擴(kuò)散后可形成一個(gè)很寬的耗盡層。 另外，為了降低P-N結(jié)兩端的接觸電阻，將兩端的材料作成重?fù)诫s的（P+）層（N+）層。 人們將上述結(jié)構(gòu)的光電二極管稱為pin光電二極管。72 在長途光纖通信系統(tǒng)中，僅有毫瓦數(shù)量級(jí)的光功率從光發(fā)射機(jī)輸出，經(jīng)過幾十公里的光纖的傳輸衰弱，到達(dá)光接收機(jī)處的光信號(hào)將變的十分微弱。在接收端如果采用PIN光電二極管，那么，所輸出的光電流僅幾個(gè)nA為了能使數(shù)字光接收機(jī)的判決電路正常工作，接收機(jī)的靈敏度也隨之降低。 如果能使電信號(hào)進(jìn)入放大器前，先在光電二極管內(nèi)部進(jìn)行放大，顯然就能克服PIN光電二極管的上述缺點(diǎn)，這就引出了雪崩光電二極管，ADP(avala

46、nche photo diode) 。73 雪崩光電二極管的雪崩倍增效應(yīng)，是在二極管的P-N家高反向電壓（為幾十或幾百伏）形成的，此時(shí)在結(jié)區(qū)域形成一個(gè)強(qiáng)電場，在高場區(qū)內(nèi)光生載流子被強(qiáng)電場加速，獲得高的動(dòng)能，與晶格的原子發(fā)生碰撞，使價(jià)帶的電子得到能量，越過禁帶到導(dǎo)帶，產(chǎn)生了新的電子-空穴對，新產(chǎn)生的電子-空穴對在強(qiáng)電場中又被加速，再次碰撞，又激發(fā)出新的電子-空穴對如此循環(huán)下去，向雪崩一樣的發(fā)展，從而使光電留在管子內(nèi)部即獲得了倍增。 雪崩光電二極管 74 目前光纖通信系統(tǒng)中使用的雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)形式有保護(hù)環(huán)型和拉通型，前者是在制作時(shí)淀積一層環(huán)型的n型材料，以防止在高反壓時(shí)使P-N界邊緣產(chǎn)生雪崩擊

47、穿。下面主要介紹拉通雪崩光電二極管 。 它仍為一個(gè)p-n結(jié)的結(jié)構(gòu)形式，只不過其中的p型材料由三部分構(gòu)成，光電子從p+層射入，進(jìn)入i層后，在這里，材料吸收了光能并產(chǎn)生了初級(jí)電子空穴對。這時(shí)，光電子在i層被耗盡層的較弱的電廠加速，移向p-n結(jié)。當(dāng)光電子運(yùn)動(dòng)到高場區(qū)時(shí)，受到強(qiáng)電場的加速作用出現(xiàn)雪崩碰撞效應(yīng)，最后，獲得雪崩倍增后的光電子到達(dá)n+層，空穴被p+層吸收。P+做成高參雜，是為了減小接觸電阻以利和電極相連。 Rapd器件將電場分為兩部分，一部分是使光生載流子逐漸加速的較低的電場，另一部分是產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng)的高電場區(qū)，這種電場分布有利于降低工作電壓。但是由于雪崩效應(yīng)的隨機(jī)性會(huì)引來噪聲。2 雪崩光

48、電二極管的結(jié)構(gòu)及工作原理75以下將介紹衡量光電檢測器好壞的指標(biāo)1.響應(yīng)度R0和量子效率 響應(yīng)度和量子效率都是描述這種器件光電轉(zhuǎn)換能力的一種物理量。響應(yīng)度R0定義為:R0=Ip/P0 式中：Ip光電檢測器的平均輸出電流； P0光電檢測器的平均輸出功率； 量子效率定義為： =（光電子空穴對數(shù)）/入射光子數(shù) 從物理概念可知： 光電子-空穴對IP/E(E為電子電荷量) 76 入射光子數(shù)=P0/hf(hf為一個(gè)光子的能量)故： =(IP/E)/P0/hf=(Ip/P0) ( hf/E）=R0/(hf/e)即： R0=(e/hf) 這既是說，光電二極管的響應(yīng)度和量子效率、入射光波頻率有關(guān)。響應(yīng)度、量子效率

49、雖然都是描述器件光電轉(zhuǎn)換的能力的物理量，但是分析的角度不同。2.響應(yīng)時(shí)間 響應(yīng)時(shí)間是指半導(dǎo)體光電二極管產(chǎn)生的光電流跟隨入射光信號(hào)變化快慢的狀態(tài)一般用響應(yīng)時(shí)間（上升時(shí)間和下降時(shí)間）來表示。從頻域來看短的響應(yīng)時(shí)間即意味著個(gè)器件的帶寬寬。 77 3 .雪崩倍增因子G 在忽略暗電流的影響下，它定義為：G=IM/IP IM有雪崩倍增時(shí)光電流的平均值 IP無雪崩倍增時(shí)光電流的平均值 一般APD的倍增因子G在40-100之間。PIN光電管無雪崩倍增作用，故G=1 4. 暗電流IP 無光情況下，光電檢測器仍有電流輸出，這種電流稱之為暗電流嚴(yán)格說暗電流還包括器件表面的漏電流。 暗電流將引起光接收機(jī)的噪聲增大，因

50、此人們總希望暗電流越小越好。785. 倍增噪聲和過剩噪聲系數(shù)倍增噪聲和過剩噪聲系數(shù)F(G) 雪崩光電二極管的倍增有隨機(jī)性。有它帶來的電流起伏將帶來附加噪聲，一般稱為倍增噪聲?？捎肍(G)來描述。F(G)=/2=/G2 式中， g每個(gè)初始電子-空穴對因雪崩倍增效應(yīng)產(chǎn)生的二次電子-空穴對的隨機(jī)數(shù) 是g的平均值，因此=G 產(chǎn)生的二次電子數(shù)平方再取平均值 2產(chǎn)生的二次電子數(shù)平均值再平方在使用時(shí)往往將f(g)近似表達(dá)為： F(G)=Gx79將上式代入式中則有=G2Gx=x+2 式中，x稱為過剩噪聲指數(shù)。對于Si-APD,x=0.5；對于Ge-APD,x=0.6-1.0等 由于噪聲系數(shù)表示APD因倍增作用

51、而增加的噪聲系數(shù)，所以選APD時(shí)應(yīng)選x值小的管子。80 目前，光纖通信系統(tǒng)，在絕大多數(shù)情況下傳輸數(shù)字信號(hào)，故本節(jié)將介紹數(shù)字光纖接收機(jī)。3.6.1數(shù)字光纖通信接收機(jī)的基本組成數(shù)字光纖通信接收機(jī)的組成方框圖 (該框圖只示意的畫出光接收機(jī)的主要部分，輔助部分沒有畫。)812 框圖中各部分的功能（1）光電檢測器）光電檢測器 光電檢測器是利用光-電檢波管，將由發(fā)送光端機(jī)經(jīng)光纖過來的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。82（2）前置放大器）前置放大器 由于該放大器與光電檢測器相連故稱為前置放大器。 在一般的光纖通信系統(tǒng)中，經(jīng)光電檢測器輸出的光電流是十分微弱的。為了保證通信質(zhì)量，顯然，必須將這種微弱的電信號(hào)通過多級(jí)放大器進(jìn)

52、行放大。但是多級(jí)放大在放大過程中會(huì)引入噪聲，故，對多級(jí)放大器的前級(jí)就有特殊的要求，他應(yīng)是低噪聲，高增益的。 具體放大器類型如上圖所示。83（3）主放大器）主放大器 主放大器的作用有兩個(gè)方面: 將前置放大器的輸出信號(hào)放大到判決電路所需的信號(hào)點(diǎn)平 他還是一個(gè)增益可調(diào)節(jié)的放大器。當(dāng)光電檢測器輸入的信號(hào)出現(xiàn)起伏時(shí)，通過光接收機(jī)的自動(dòng)增益控制電路對主放大器的增益進(jìn)行調(diào)整，以使主放大器的輸出信號(hào)幅度在一定范圍內(nèi)不受輸入信號(hào)的影響。一般主放大器的峰峰值輸出是幾伏數(shù)量級(jí)。 下圖為主放大器電路框圖。84（4）均衡器）均衡器 沒有均衡器將出現(xiàn)的問題: 若無均衡器，信號(hào)在經(jīng)過前幾級(jí)的器件后，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的拖尾現(xiàn)象，

53、將會(huì)使前、后碼原的波型重疊，產(chǎn)生碼間干擾，嚴(yán)重時(shí)造成判決電路誤判，產(chǎn)生誤碼。85 均衡器的作用: 它的作用是使經(jīng)過均衡器以后的波形成有利于判決的波形。經(jīng)過均衡以后的波形，在本碼判決時(shí)刻，波形的瞬時(shí)值應(yīng)為最大值；而這個(gè)本碼波形的拖尾在鄰碼判決時(shí)刻的瞬時(shí)值應(yīng)為零。這樣，即使經(jīng)過均衡后的輸出波形仍有拖尾，但是這個(gè)拖尾在關(guān)鍵時(shí)刻為零，從而不干擾對鄰碼的判決。86（5）判決器和時(shí)鐘恢復(fù)電路）判決器和時(shí)鐘恢復(fù)電路 判決有判決電路和碼形成電路構(gòu)成。判決器和時(shí)鐘恢復(fù)電路和起來構(gòu)成再生電路。其作用是將均衡器輸出的信號(hào)，恢復(fù)為“0”或“1”的數(shù)字信號(hào)。 為了能從均衡器的輸出信號(hào)判決出是“0”碼還是“1”，首先要設(shè)

54、法知道應(yīng)在什么事可進(jìn)行判決。亦即應(yīng)將“混在”信號(hào)中的時(shí)鐘信號(hào)（又稱定時(shí)信號(hào)）提取出來。接著再根據(jù)給定的判決門限電平，按照時(shí)鐘信號(hào)所“指定”的瞬間來判決由均衡器送過來的信號(hào)。若信號(hào)電平超過判決門限電平，則判為“1”碼，低于門限電平則被判為“0”碼。 實(shí)用的時(shí)鐘恢復(fù)電路有很多種，下面介紹其中一種方案的框圖見上圖均衡器箝位、整形非線性處理調(diào)諧放大限幅整形移相時(shí)鐘恢復(fù)電路方框圖87 箝衛(wèi)、整形、非線性處理經(jīng)過光接收機(jī)均衡后輸出的信碼為升余弦頻譜脈沖，但是波形經(jīng)箝位整形后得到的是不為零碼。但是有通信原理知道，不歸零碼的功率譜密度分布如圖所示，其中在fb的位置上功率譜密度為零，即是說NRZ碼功率譜密度中不

55、含時(shí)鐘頻率成分因此無法從中提取時(shí)鐘頻率成分。為此，需通過一套邏輯電路對NRZ碼進(jìn)行非線性處理，得到非歸零碼，其功率譜密度如圖，由圖可看出，在這種波形的頻譜密度分布中，時(shí)鐘成分 fb較大，從而有可能從時(shí)鐘恢復(fù)電路中提取時(shí)鐘信號(hào)。 W(fb)088 非線性處理電路有多種類型，左圖是一種簡單的電路， 將不歸零碼通過RC電路進(jìn)行微分，在通過一個(gè)非門產(chǎn)生歸零碼。調(diào)諧放大他的作用是用非線性處理后的波形來激勵(lì)調(diào)諧放大器，然后在他的諧振回路中選出時(shí)鐘頻率fb簡諧波。限幅經(jīng)過限幅，就將上述簡諧信號(hào)波形變?yōu)樘菪尾ā?整形、移項(xiàng)整形電路將經(jīng)限幅后的波形變?yōu)榫匦蚊}沖；移項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)在將這矩形脈沖串的相位調(diào)整到最佳判決時(shí)所需

56、要的相位。89脈沖再生電路原理方框圖如下圖所示90( (6）光接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍和自動(dòng)增益控制）光接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍和自動(dòng)增益控制 光纖通信接收機(jī)工作時(shí)，所接受光信號(hào)的強(qiáng)弱可能是不同的。 接收機(jī)正常工作時(shí)，信號(hào)不能太弱，否則會(huì)造成過大的誤碼。但也不能太強(qiáng)，否則將會(huì)使接收機(jī)放大器過載而造成失真。因此光接收機(jī)在正常工作時(shí)，光信號(hào)應(yīng)有一個(gè)范圍，這個(gè)范圍稱為光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。 光接收機(jī)的自動(dòng)增益控制（AGC），就是用反饋環(huán)路來控制住放大器的增益，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)時(shí)，則通過反饋環(huán)路使上述增益降低；當(dāng)信號(hào)變?nèi)鯐r(shí)，則通過反饋環(huán)路使上述增益提高，從而達(dá)到使送到判決器的信號(hào)穩(wěn)定，以利判決的目的。原理框圖如下圖所示。 91（7

57、）解碼、解擾電路）解碼、解擾電路 為了使信碼流能夠并有利于在光纖系統(tǒng)中傳輸，光發(fā)射機(jī)輸出的信號(hào)是經(jīng)過編碼處理的。為了使從光接收機(jī)輸出的信號(hào)能在PCM系統(tǒng)內(nèi)傳輸，還需將信號(hào)進(jìn)行一系列復(fù)原工作。首先通過解碼電路將mBnB或mBlH等碼型恢復(fù)為編碼之前的碼型。然后再經(jīng)解擾電路將發(fā)送端“擾亂”的碼恢復(fù)為被擾亂前的狀況，最后再由編碼器將解擾后的碼變?yōu)檫m于在PCM系統(tǒng)中傳輸?shù)腍DB3碼。上述過程參見下圖。92溫度補(bǔ)償電路 為了減少溫度變化對雪崩管的影響，加上溫度補(bǔ)償電路，是雪崩管的偏壓隨溫度相應(yīng)變化。（8）輔助電路）輔助電路箝位電路 為了使輸入判決器的信號(hào)穩(wěn)定，在判決器前面還加有箝位電路，他將已均衡波的幅

58、度底部箝制在一個(gè)固定的電位上。告警電路 當(dāng)輸入光接收機(jī)的光信號(hào)太弱或無時(shí)，由告警電路輸出一個(gè)告警信號(hào)至告警盤。93 光接收機(jī)靈敏度是描述接收機(jī)被調(diào)整到最佳狀態(tài)時(shí)，在滿足給定的誤碼率指標(biāo)下，光接收機(jī)接受微弱信號(hào)的能力。 上述這種能力可以用三種物理量來體現(xiàn) （1）最低接受平均光功率 （2）每個(gè)光脈沖最低接收光子的能量 （3）每個(gè)光脈沖最低接收平均光子數(shù) 本書將采用最低平均光功率。光接收機(jī)在滿足給定的誤碼率指標(biāo) 下，最低接收平均光功率Pmin。 工程上常用相對值來表示，即用dBm來表示 Sr10lg(Pmin/10-3) dBm式中，Pmin在滿足給定的誤碼率指標(biāo)下以瓦表示最低接收光功率10-3 指

59、1mW光功率94 從物理概念上來看，上述這種靈敏度定義也是容易理解的：如果一部光接收在滿足給定的誤碼率指標(biāo)下，所要求的最低平均光功率低，說明這部接收機(jī)在微弱的輸入光條件下就能正常工作，顯然，在這部接收機(jī)的性能是良好的，是靈敏的。 限制接收機(jī)的靈敏度的主要因素是噪聲，由于接收機(jī)存在噪聲，因而為了保證正常接收就需要有足夠大的輸入功率。95 光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍D，是在保證系統(tǒng)的誤碼率指標(biāo)要求下，接收機(jī)的最低輸入光功率（用dBm來描述）和最大允許輸入光功率（用dBm來描述）之差（dB）即 D=10Lg（Pmax/10-3）10Lg（Pmin/10-3）=10Lg (Pmax / Pmin) 10Lg

60、(Pmax / Pmin)就是上面所講的接收機(jī)靈敏度。之所以要求光接收機(jī)有一個(gè)動(dòng)態(tài)范圍，是因?yàn)楫?dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，光纖的損耗將產(chǎn)生變化； 隨著時(shí)間的增長，光源輸出的光功率亦將變化；也可能因一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的光接收機(jī)工作在不同的系統(tǒng)中，從而引起接收光功率不同。因此要求接收機(jī)有一個(gè)動(dòng)態(tài)的范圍，低于這個(gè)工態(tài)范圍的下限（即靈敏度），如前所說將產(chǎn)生過大的誤碼；高于這個(gè)動(dòng)態(tài)范圍的上限，在判決時(shí)已將造成過大的誤碼。顯然，一臺(tái)質(zhì)量好的接收機(jī)應(yīng)有較寬的動(dòng)態(tài)范圍。 961.研究光接收機(jī)噪聲的目的 在一個(gè)完整的光纖通信系統(tǒng)中，光接收機(jī)是他的重要組成部分。在滿足誤碼率（或信噪比）指標(biāo)要求下，如果需要輸入接收機(jī)的光功率低，