光纖通信光源與光發(fā)射機(jī)

光纖通信光源與光發(fā)射機(jī)第一頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日主要內(nèi)容激光器原理半導(dǎo)體激光器(LD)LD的特性分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB

發(fā)光二極管LED光發(fā)射機(jī)線路編碼第二頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日光源是光發(fā)送機(jī)中的光波發(fā)生器，即光振蕩器。相干光：（激光）非相干光：（自然光）光源有產(chǎn)生的光有兩類：第三頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日

光纖通信系統(tǒng)對(duì)光源的要求：1、光源發(fā)光的峰值波長應(yīng)當(dāng)與光纖的低損耗窗口一致。

2、光源的輸出功率應(yīng)當(dāng)足夠大。（10uw~幾mw）3、光源應(yīng)當(dāng)有高度的可靠性。（10萬小時(shí)以上）4、光源的譜線不能太寬。5、光源應(yīng)利于調(diào)制。6、電光轉(zhuǎn)換效率應(yīng)當(dāng)高。7、光源體積小重量輕功耗小。第四頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日

常用光源半導(dǎo)體激光器（LD）雙異質(zhì)結(jié)激光器（DH-LD）分布反饋式激光器（DFB-LD）量子阱激光器（QW-LD）發(fā)光二極管（LED）

面發(fā)光二極管邊發(fā)光二極管第五頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日（三）LD和LED的比較LDLED工作波長1.31um,1.55um0.8~1.6um輸出功率5~10mw<1mw入纖損耗3~5dB10~20dB譜線寬度多縱模<6nm，單縱模<0.1nm60-80nm調(diào)制帶寬1GHz300MHz壽命10萬小時(shí)100萬小時(shí)用途長距離大容量短距離第六頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日§3.1激光器原理簡介2、原子的能級(jí)E原子的能級(jí)1、光子普朗克常數(shù)電子在能級(jí)的概率玻爾茲曼常數(shù)一、光與物質(zhì)的作用第七頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日3、光與物質(zhì)的三種作用形式光與物質(zhì)的轉(zhuǎn)變存在三種不同的形式：自發(fā)輻射受激吸收受激輻射（1）、自發(fā)輻射處于原子高能級(jí)的電子是不穩(wěn)定的，它將自發(fā)的向低能級(jí)躍遷，發(fā)射出一定能量的光子。E電子光子光子的能量滿足特點(diǎn)：各個(gè)能級(jí)上的電子都是自發(fā)的、獨(dú)立的進(jìn)行躍遷，輻射的光子的頻率或相位、方向不同，是非相干光。E2E1自然光第八頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日（2）、受激吸收在入射光子的激勵(lì)下，原子低能級(jí)上的電子吸收光子的能量從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)。E電子光子特點(diǎn)：這個(gè)過程不是自發(fā)的，必須有外來的光子的激勵(lì)。E2E1第九頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日第十頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日（3）、受激輻射在入射光子的激勵(lì)下，電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，同時(shí)發(fā)出一個(gè)能量為

的光子。E電子光子光子特點(diǎn)：（1）受激輻射必須在外來光子的能量等于躍遷時(shí)的能級(jí)差時(shí)發(fā)生，（2）產(chǎn)生的光子與原光子的頻率、相位、偏振方向相同，稱為全同光子，將使光的能量放大。光子E2E1受激輻射是激光器發(fā)光的主要原因(LASER-LightAmplificationbyStimulateEmissionofRadiation)受激輻射可能產(chǎn)生光放大第十一頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日第十二頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日二、光放大的條件在熱平衡時(shí)單位時(shí)間受激輻射的電子數(shù)+自發(fā)輻射的電子數(shù)=受激吸收的電子數(shù)受激輻射的電子數(shù)〈受激吸收的電子數(shù)自發(fā)輻射系數(shù)受激輻射系數(shù)受激吸收系數(shù)自發(fā)輻射入射光出射光入射光自發(fā)輻射受激吸收受激輻射光譜密度出射的光子數(shù)入射的光子數(shù)正常分布受激吸收受激輻射第十三頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日受激輻射的電子數(shù)受激吸收的電子數(shù)光放大：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)非熱平衡狀態(tài)有光放大能力激活物質(zhì)、增益物質(zhì)光放大器=工作物質(zhì)+泵浦源工作物質(zhì)被泵浦源激活后具有光放大作用，就是光放大器入射光受激吸收受激輻射工作物質(zhì)外在激勵(lì)泵浦源粒子數(shù)反轉(zhuǎn)出射的受激輻射光子數(shù)入射光子數(shù)光放大的條件：第十四頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日三、激光器組成正反饋諧振回路光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔組成：兩個(gè)反射率為R1，R2的反射鏡作用：能量反饋，方向選擇，頻率選擇。激光器=光放大器+正反饋諧振回路Fabry-Perot電子震蕩器工作物質(zhì)泵浦激勵(lì)光放大器激光器就是一個(gè)內(nèi)部具有光發(fā)大器的光子發(fā)生器光子振蕩器=放大器+正反饋回路——法布里－珀羅（F-P）諧振腔第十五頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日光方向選擇：R1R2與中軸平行的光線不斷在同一直線上反射，反射光疊加，強(qiáng)度加強(qiáng)R1R2與中軸不平行的光多次反射后離開諧振腔結(jié)論：只有與中軸平行的光才存在，否則將在多次反射后消失第十六頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日工作物質(zhì)輻射的光的波長有一定譜線寬度光頻率的選擇：λG當(dāng)反射光與入射光的相位相等或相差2π的整數(shù)倍時(shí)，發(fā)生相強(qiáng)的干涉，光的能量加強(qiáng)。干涉加強(qiáng)干涉減弱相位條件：結(jié)論：只有滿足相位條件的波長的光才會(huì)被加強(qiáng)，否則會(huì)被減弱。不滿足相位條件時(shí)，則發(fā)生相消干涉，光的能量漸漸減弱。第十七頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日激光產(chǎn)生的條件：諧振腔的衰減：工作物質(zhì)的吸收，反射鏡的吸收和透射等。諧振腔的增益：工作物質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布后受激輻射光放大的增益。結(jié)論：只有滿足以上條件時(shí)，才有功率穩(wěn)定的光存在同相激勵(lì)的相位條件：振蕩器起震的幅度條件：增益損耗第十八頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日外在激勵(lì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布自發(fā)輻射方向選擇受激輻射反射反饋閾值條件相位條件方向性好、功率穩(wěn)定、頻率窄的激光激光的產(chǎn)生過程第十九頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日§3.2半導(dǎo)體激光器原理SemiconductorLaserLaserDiode激光二極管LD1、半導(dǎo)體能級(jí)半導(dǎo)體是由大量原子周期有序的排列構(gòu)成的共價(jià)晶體，相鄰原子原子之間的相互作用使得電子在整個(gè)半導(dǎo)體中進(jìn)行共有化運(yùn)動(dòng)，所處的離散能態(tài)擴(kuò)展成連續(xù)分布的能帶。半導(dǎo)體電子的能帶LD是激光器的一種，主要分析工作物質(zhì)、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)及反饋回路LD的工作物質(zhì)是半導(dǎo)體材料形成的PN結(jié)第二十頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日化學(xué)鍵電子所處的能帶叫價(jià)帶比價(jià)帶高的能帶叫導(dǎo)帶能帶之間不允許電子的存在，稱為禁帶價(jià)帶（EV）導(dǎo)帶（EC）禁帶（Eg）2、直接帶隙和間接帶隙直接帶隙間接帶隙半導(dǎo)體材料的帶隙是動(dòng)量k的函數(shù)，依照帶隙的形狀，可以將半導(dǎo)體分為直接帶隙材料和間接帶隙材料兩類。一個(gè)電子和一個(gè)空穴復(fù)合，隨后輻射一個(gè)光子，在最簡單和最有可能發(fā)生的復(fù)合過程中，電子和空穴具有相同的動(dòng)量導(dǎo)帶最小能級(jí)和價(jià)帶最大能級(jí)有不同的動(dòng)量，所以此時(shí)導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的復(fù)合必須要有另外的粒子參與以保持動(dòng)量守恒，聲子就能完成這樣的功能第二十一頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日x＝0.08的典型Ga1－xAlxAs光譜圖工作在800-900-nm光源：

使用的主要的材料是（鎵鋁砷）（砷化鋁與砷化鎵的混合材料）

工作在光源，使用的材料主要是（銦鎵砷磷）3、光源材料砷化鋁與砷化鎵的比率x決定了合金的帶隙，相應(yīng)地也就決定了其輻射光的峰值波長。通過改變有源區(qū)材料的的摩爾比率，可構(gòu)造出峰值發(fā)光波長在之間

第二十二頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日4、本征材料費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí)：是一個(gè)假象能級(jí)，電子處在該能級(jí)上的概率是1/2本征半導(dǎo)體的電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)

本征材料：沒有缺陷和未摻雜的理想半導(dǎo)體材料位于禁帶中央。電子在的能級(jí)上的概率小于1/2電子在的能級(jí)上的概率大于1/2第二十三頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日通過向晶體中摻微量的Ⅴ族元素,如摻雜的元素原子核的外層有五個(gè)電子，其中四個(gè)電子用來與相鄰的原子形成共價(jià)鍵，余下一個(gè)電子受到的束縛很弱，可以用來傳導(dǎo)電流，使導(dǎo)帶的電子增加。5、n型材料的費(fèi)米能級(jí)導(dǎo)帶價(jià)帶n型材料的導(dǎo)帶中電子數(shù)增加，電子位于導(dǎo)帶的概率增加。摻雜濃度越高，電子位于導(dǎo)帶的概率越大，使費(fèi)米能級(jí)抬高可以使得晶體的導(dǎo)電性能大為增加。第二十四頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日6、p型材料的費(fèi)米能級(jí)

通過向晶體中摻微量的Ⅲ族元素，也可以使得晶體的導(dǎo)電性能增加，這些用來摻雜的元素在原子核的外層有三個(gè)電子，這三個(gè)電子與相鄰的原子形成共價(jià)鍵，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與施主電子電量相等的空穴，這樣就在價(jià)帶上方產(chǎn)生一個(gè)非占用能級(jí)（受主能級(jí)）。導(dǎo)帶價(jià)帶p型材料的價(jià)帶中空穴數(shù)增加，電子位于價(jià)帶的概率減少。摻雜濃度越高，電子位于價(jià)帶的概率越小，使費(fèi)米能級(jí)降低第二十五頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日7、pn結(jié)

當(dāng)p型材料和n型材料接觸時(shí)，兩種材料的電荷區(qū)相接觸，就會(huì)形成pn結(jié)，它決定了半導(dǎo)體器件的電特性。

當(dāng)pn結(jié)形成后，在pn結(jié)上就形成一個(gè)內(nèi)建電場（或勢(shì)壘）由于電子和空穴都形成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，所以結(jié)區(qū)就不再有移動(dòng)的載流子，稱這個(gè)區(qū)域稱為耗盡區(qū)（或空間電荷區(qū)）.

空間電荷區(qū)pn結(jié)pn結(jié)電子分布第二十六頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日8、PN結(jié)正向偏置電流流過PN結(jié)，破壞了熱平衡時(shí)統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，在P區(qū)和N區(qū)各自形成了準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)。這時(shí)，導(dǎo)帶上費(fèi)米能級(jí)以下充滿了電子，價(jià)帶上費(fèi)米能級(jí)以上沒有電子，因此，形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，成為激活區(qū)。

當(dāng)PN結(jié)加上正向偏壓時(shí)，外加電壓的電場方向正好和內(nèi)建場的方向相反，因而削弱了內(nèi)建電場，有電流流過PN結(jié)，使導(dǎo)帶電子密度增加。電流越大，導(dǎo)帶的電子密度越大。形成光放大器第二十七頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日解理面解理面解理面解理面9、諧振腔反射面利用晶體解理面構(gòu)成反射面第二十八頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日當(dāng)激光器閾值電流很大時(shí)，器件發(fā)熱，使壽命很短。如何使激光器閾值電流減少，使壽命長？采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)10、閾值電流LD要輸出激光必須要滿足以下條件：（1）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；（2）增益大于損耗。只有電流大于一定值時(shí)才能滿足以上條件。即LD存在一閾值電流才有激光產(chǎn)生。第二十九頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日同質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)載流子限制11、異質(zhì)結(jié)LD同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)單異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)(1)同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)PN結(jié)是否為同一種材料（2）異質(zhì)結(jié)的特點(diǎn)載流子限制與光波限制限制載流子在有源區(qū)，在電流不大時(shí)就容易達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)第三十頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日異質(zhì)結(jié)折射率分布光波限制光功率分布采用異質(zhì)結(jié)，由于載流子限制和光波限制，再配合別的工藝，使LD的閾值電流從幾百mA下降到mA。使LD可以長時(shí)連續(xù)工作。限制光波在有源區(qū)使有源光密度增加從而使光增益增加第三十一頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日§3.3半導(dǎo)體激光器（LD)特性1、輸出光功率與激光器驅(qū)動(dòng)電流之間關(guān)系

外量子效應(yīng)閾值電流自發(fā)輻射光激光第三十二頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日2、激光二極管的模式在半導(dǎo)體激光器的諧振腔內(nèi)，在橫向有不同的場分布稱為橫模

在縱向有不同的場分布稱為縱模諧振腔中縱向模式。激光二極管諧振腔中的的橫模與縱模橫模：由激光器諧振腔橫向結(jié)構(gòu)決定縱模：由激光器諧振腔縱向長度決定不同的縱模對(duì)應(yīng)不同的諧振頻率第三十三頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日3、光譜特性LD輸出光功率和波長的關(guān)系（1）半導(dǎo)體材料的自發(fā)輻射發(fā)光特性（2）激光器增益和波長的關(guān)系（3）諧振腔的選頻特性有很多縱模多縱模激光器第三十四頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日考慮激光器相位關(guān)系

在多模激光器中縱模的頻率的間隔為：多縱模激光器的縱模間隔第三十五頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日例：有一GaAs，激光器工作波長為850nm,激光器腔長500μm，材料折射率n＝3.7,頻率和波長的間隔各為多少？解：第三十六頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日4、溫度特性其中是激光器對(duì)溫度敏感程度的度量的特性溫度；是一個(gè)常數(shù)。（1）溫度對(duì)閾值電流的影響（2）溫度對(duì)量子效率的影響（3）溫度輸出光譜的影響溫度升高，光譜變寬第三十七頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日電光延遲、張弛振蕩、自脈動(dòng)、啁啾（1）電光延遲激光器的輸出光信號(hào)滯后于電信號(hào)td原因：有源區(qū)的電子密度必須增加到一定的閾值才會(huì)有光出來。5、瞬態(tài)特性電信號(hào)光信號(hào)電信號(hào)光信號(hào)第三十八頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日（2）張弛振蕩當(dāng)電脈沖注入激光器后，輸出光脈沖有一個(gè)幅度逐漸衰減的振蕩。影響：當(dāng)調(diào)制速度接近張弛振蕩的頻率時(shí)，容易產(chǎn)生誤判，影響了調(diào)制的速度。原因：光子激發(fā)與電子注入的時(shí)間延遲。通過增加偏置電流可以改善電光延遲和張弛振蕩引起的碼型效應(yīng)。電光延遲和張弛振蕩在光通信中會(huì)引起碼型效應(yīng)。碼型效應(yīng)：輸出的光信號(hào)中“1”碼的波形和碼型有關(guān)，在檢測(cè)時(shí)容易引起誤碼第三十九頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日（3）自脈動(dòng)現(xiàn)象有些激光器在脈沖調(diào)制下或直流驅(qū)動(dòng)下，當(dāng)注入電流足夠大時(shí)，輸出的光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅的高頻振蕩。（4）啁啾（Chirp）效應(yīng)有的激光器在輸入電流變化時(shí)載波有一附加的調(diào)頻現(xiàn)象第四十頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日§3.4分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB)異質(zhì)結(jié)LDDistributedfeedbacklaser多縱模LDF-P諧振腔光譜比較寬幾個(gè)只有一個(gè)縱模光譜就很窄如何實(shí)現(xiàn)單縱模單縱模LD采用分布反饋是一種很好的方法（用反射面集中反饋）第四十一頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日（1）DFB激光器的結(jié)構(gòu)

DFB是用Brag衍射光柵代替F-P諧振腔對(duì)光進(jìn)行波長的選擇，使激光器形成單縱模。Bragg波紋光柵是由于材料折射率的周期性變化而形成。第四十二頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日（2）DFB激光器的工作原理DFB激光器用布拉格（Bragg)光柵代替F-P鏡面反射。

P區(qū)N區(qū)有源區(qū)光柵布拉格反射條件第四十三頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日

布拉格反射條件

第四十四頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日DFB激光器的優(yōu)點(diǎn)

當(dāng)光柵的周期長度為L時(shí)，只有滿足布拉格反射條件波長為的光波，才能產(chǎn)生激光振蕩，因而使激光器得到單頻輸出。由于分布饋激光器是由光柵來選擇單縱模，因而在高速調(diào)制下仍維持單縱模輸出。----DFB激光器的譜線窄，其線寬大約為普通型激光器線寬的1/10左右，如圖所示，從而使色散的影響大為降低，可以實(shí)現(xiàn)速率為Gb/s的超高速傳輸。第四十五頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日DFB的優(yōu)點(diǎn)：1、單縱模2、譜線窄(0.02~0.06nm),波長穩(wěn)定3、動(dòng)態(tài)譜線好，啁啾小，利于高速調(diào)制4、線性好，利于調(diào)制模擬信號(hào)。DFB的應(yīng)用：2.5G以上的1550nm第三代光纖通信系統(tǒng)光纖CATV第四十六頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日3、量子阱激光器（QW-LD）量子阱：一般雙異質(zhì)結(jié)激光器的有源層的厚度為0.15um,若將有源層的厚度減少到德布羅意波長（50nm）以下，半導(dǎo)體的性質(zhì)將發(fā)生根本的改變，出現(xiàn)量子效應(yīng)，相應(yīng)的勢(shì)阱稱為量子阱。（我們將窄帶隙Eg稱為勢(shì)阱，將寬帶隙Eg稱為勢(shì)壘）量子阱激光器：將雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的有源層做到nm級(jí)，形成量子阱結(jié)構(gòu)，使之出現(xiàn)量子效應(yīng)，這樣的激光器叫做量子阱激光器。單量子阱激光器(SQW-LD)具有一個(gè)勢(shì)阱和兩個(gè)勢(shì)壘的激光器多量子阱激光器（MQW-LD）具有n個(gè)勢(shì)阱和n+1個(gè)勢(shì)壘的激光器勢(shì)壘勢(shì)阱6.3nm<Lw<50nm勢(shì)壘勢(shì)阱量子阱激光器（QW-LD）Quantum-well第四十七頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日量子阱激光器的特點(diǎn)：1、閾值電流低，輸出功率大。超薄的有源區(qū)使得很小的電流就可以產(chǎn)生大增益的電流。2、單縱模，譜線窄，利于調(diào)制。DH-LD高速調(diào)制時(shí)輸出光譜MQW-LD高速調(diào)制時(shí)輸出光譜3、溫度要求低。無需溫度控制，無需制冷儀器。第四十八頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日3.5發(fā)光二極管一、發(fā)光原理LED與LD的最大不同：沒有光學(xué)諧振腔反射，發(fā)出的是自發(fā)輻射光。P層N層有源層＋－低高E外電場在正向偏壓的情況下，N區(qū)的電子將向正方向擴(kuò)展進(jìn)入有源區(qū)，P區(qū)的空穴也將向負(fù)方向擴(kuò)展進(jìn)入有源區(qū)。進(jìn)入有源區(qū)的電子和空穴由于勢(shì)壘的作用而被封閉在有源區(qū)，這些電子將發(fā)生自發(fā)輻射，發(fā)出自發(fā)輻射的光。只要有外加電流的作用，就會(huì)源源不斷的向有源層提供電子和空穴得到穩(wěn)定的自發(fā)輻射光。

LEDLightemittingdiode第四十九頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日二、分類邊發(fā)光二極管面發(fā)光二極管面發(fā)光二極管正面發(fā)光輻射角大輸出功率大耦合效率低第五十頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日邊發(fā)光二極管側(cè)面發(fā)光輻射角小輸出功率小耦合效率高第五十一頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日三、工作特性1、光譜特性和輻射特性沒有經(jīng)過光學(xué)諧振腔的光強(qiáng)反饋、方向選擇和光頻選擇，譜線寬，輻射角大，強(qiáng)度不大。λ

P△λ3dBⅠθ

3dBθoⅠ0Ⅰ=Ⅰ0·cosθ第五十二頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日2、P–Ⅰ特性ⅠP邊發(fā)光二極管面發(fā)光二極管無閾值自發(fā)光近似直線ⅠPⅠth（閘值電流）第五十三頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日3、溫度特性10℃20℃30℃40℃50℃ⅠP對(duì)溫度不敏感，不用ATC電路。ⅠP20℃30℃40℃60℃80℃第五十四頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日4、可靠性工作壽命長，可靠性好，達(dá)3×105小時(shí)，合34年。5、耦合效率低LED發(fā)散角大，耦合效率低。一般小于10%。四、應(yīng)用中低速數(shù)字通信和模擬通信中第五十五頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日根據(jù)LED和LD的性能，在選擇光源時(shí)應(yīng)作到技術(shù)上合理、經(jīng)濟(jì)上合理以及便于應(yīng)用。第五十六頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日§3.6光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換。由光源、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器組成。功能是用電信號(hào)對(duì)光源發(fā)出的光波進(jìn)行調(diào)制，成為已調(diào)光波，然后再將已調(diào)的光信號(hào)耦合到光纖或光纜去傳輸。第五十七頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日1、光纖通信的調(diào)制什么是調(diào)制：把隨信息變化的電信號(hào)加到光載波上，使光載波按信息的變化而變化，這就是調(diào)制。如何調(diào)制：模擬信號(hào)調(diào)幅AM調(diào)頻FM調(diào)相PM數(shù)字信號(hào)ASKFSKPSKQAM目前光纖通信系統(tǒng)采用那種調(diào)制：IMimmediacymodulate光的功率（強(qiáng)度）隨電信號(hào)變化IM-DD（immediacymodulate-directdetection）采用調(diào)制技術(shù)的主要考慮的因素：頻譜利用率（帶寬或容量）抗干擾性電路復(fù)雜性如何實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制：內(nèi)調(diào)制（直接調(diào)制）外調(diào)制（間接調(diào)制）強(qiáng)度調(diào)制在接收端解調(diào)采用直接檢測(cè)IM的特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)容易，成本很低第五十八頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日內(nèi)調(diào)制（直接調(diào)制）：設(shè)備簡單，但有啁啾，不利于高速調(diào)制。LED調(diào)制IPIPLD調(diào)制直接光調(diào)制圖：偏置電流直接用電信號(hào)去驅(qū)動(dòng)光源。第五十九頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日外調(diào)制（間接調(diào)制）

：調(diào)制器電信號(hào)激光器直流驅(qū)動(dòng)電路光信號(hào)解決了啁啾現(xiàn)象，適于高速數(shù)字信號(hào)（SDH/SONET）、模擬CATV、軍事雷達(dá)等，并且可進(jìn)行幅度、相位、頻率調(diào)制，但對(duì)光源和光調(diào)制器要求很高。利用外調(diào)制器對(duì)激光器輸出光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。電信號(hào)激光器直流驅(qū)動(dòng)電路外調(diào)制器光信號(hào)對(duì)數(shù)字信號(hào)的第六十頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日（1）、激光器的直接調(diào)制電路模擬信號(hào)調(diào)制數(shù)字信號(hào)調(diào)制2、直接調(diào)制電路第六十一頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日激光器的數(shù)字調(diào)制電路第六十二頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日偏置電流和調(diào)制電流的選擇

偏置電流的選擇直接影響激光器的高速調(diào)制性質(zhì)。選擇直流預(yù)偏置電流應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：

(1)加大直流偏置電流使其逼近閾值，可以大大減小電光延遲時(shí)間，同時(shí)使張弛振蕩得到一定程度的抑制。LD無偏置和有偏置時(shí)脈沖瞬態(tài)波形和光譜LD加了足夠的預(yù)偏置電流，調(diào)制電流脈沖幅度較小，預(yù)偏置后張弛振蕩大大減弱，譜線減少，光譜寬度變窄；另外，電光延遲的減小，也大大提高了調(diào)制速率。第六十三頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日

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(2)當(dāng)激光器偏置在閾值附近時(shí)，較小的調(diào)制脈沖電流即能得到足夠功率的輸出光脈沖，從而可以大大減小碼型效應(yīng)。3)加大直流偏置電流會(huì)使激光器的消光比惡化。

光源的消光比將直接影響接收機(jī)的靈敏度，為了不使接收機(jī)的靈敏度明顯下降，消光如果激光器的偏置電流IB過大，勢(shì)必會(huì)使消光比惡化，降低接收機(jī)的靈敏度。通常取IB＝(0.85～0.9)Ith。驅(qū)動(dòng)脈沖電流的峰-峰值Im一般取Im十IB＝(1.2～1.3)Ith，以避免結(jié)發(fā)熱和碼型效應(yīng)。消光比，是指激光器在全“l(fā)”碼時(shí)發(fā)送的光功率(P1)與全“0”碼時(shí)發(fā)射的光功率(Po)之比：第六十四頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日(4)實(shí)驗(yàn)證明，異質(zhì)結(jié)激光器的散粒噪聲在閾值處出現(xiàn)最大值，如激光器正好偏置在閾值上，散粒噪聲的影響較嚴(yán)重。因此，偏置電流的選擇，要兼顧電光延遲、張弛振蕩、碼型效應(yīng)、激光器的消光比以及散粒噪聲等各方面情況，根據(jù)器件特別是激光器的具體性能和系統(tǒng)的具體要求，適當(dāng)?shù)倪x擇偏置電流的大小。由于激光器的電阻較小，因此激光器的偏置電路應(yīng)是高阻恒流源調(diào)制電流幅度的選擇，應(yīng)根據(jù)激光器的特性曲線，既要有足夠的輸出光脈沖功率，又要考慮到光源的負(fù)擔(dān)?？紤]到某些激光器在某些區(qū)域有自脈動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生，Im的選擇應(yīng)避應(yīng)避開這些區(qū)域。第六十五頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日（2）、LED的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電流，調(diào)制電流偏置電流信號(hào)電流調(diào)制深度模擬調(diào)制數(shù)字調(diào)制第六十六頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日3、發(fā)射端機(jī)（內(nèi)調(diào)制）的組成及功能輸入接口線路編碼調(diào)制電路光源控制電路輸入接口：將電端機(jī)送來的信號(hào)做碼型變換，如將HDB3碼變換為普通二進(jìn)制碼。線路編碼：將普通二進(jìn)制碼變換為適合在光纖鏈路上傳輸?shù)拇a型。調(diào)制電路：為光源提供調(diào)制電流?？刂齐娐罚褐饕茿PC電路、ATC電路、光源保護(hù)電路等。光源：一般為發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。第六十七頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日自動(dòng)功率控制電路(APC)自動(dòng)溫度控制電路(ATC)

激光器告警電路

光源慢啟動(dòng)保護(hù)電路激光器反向沖擊電流保護(hù)電路激光器過流保護(hù)電路激光器關(guān)斷電路控制電路第六十八頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日偏置點(diǎn)控制電路高速驅(qū)動(dòng)器LiNbO3外調(diào)制器第六十九頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日一、重新編碼的原因普通二進(jìn)制碼的缺點(diǎn)：

（1）碼流中的0、1個(gè)數(shù)隨機(jī)變化，使得直流分量也發(fā)生隨機(jī)的起伏，從而影響了判決電平。（2）隨機(jī)碼流容易出現(xiàn)長串連0和連1，使得同步時(shí)鐘的提取困難。

（3）沒有冗余碼，不利于誤碼檢測(cè)。所以必須重新進(jìn)行光線路編碼?！?.7線路編碼（4）雙極性碼，不能進(jìn)行光纖傳輸?shù)谄呤?，共一百二十八頁?022年，8月28日二、數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對(duì)編碼的要求：（1）減少光信號(hào)中的高頻和低頻分量。

低頻：容易導(dǎo)致基線的漂移，產(chǎn)生誤判。高頻：使得系統(tǒng)帶寬增加，加大電路設(shè)計(jì)的難度。

（2）定時(shí)信息豐富避免長的連0和連1，使0、1交替分布。（3）有適當(dāng)?shù)娜哂啻a。一定的冗余碼可以用于平衡碼流，誤碼檢測(cè)，公務(wù)通信。但過多的冗余信息會(huì)降低接收機(jī)的靈敏度。第七十一頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日1、NRZ碼（非歸零碼）與RZ碼（歸零碼）NRZ碼是最簡單的碼型。NRZ碼很容易產(chǎn)生和譯碼，但它們沒有內(nèi)在的誤差監(jiān)測(cè)或糾錯(cuò)能力，也沒有自有時(shí)鐘（定時(shí)）特征。三、線路碼型NRZ碼RZ碼RZ碼：每個(gè)數(shù)據(jù)比特編為兩個(gè)線路碼比特。在這些碼型中，為了提供定時(shí)信息，既可在部分的也可在全部的比特周期內(nèi)發(fā)生信號(hào)電平的變化。第七十二頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日3、mBnB分組碼

將原始二進(jìn)制碼分組，m個(gè)為一組，變換后為n個(gè)一組,（m>n）

新的分組以NRZ或RZ的格式傳輸。

什么是mBnB分組碼？mBnB分組碼的特點(diǎn)：1、避免了長的連0和連1，定時(shí)信息豐富。2、總的0、1比例相等，基線漂移小。3、引入冗余碼，便于誤碼檢測(cè)。第七十三頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日（1）不出現(xiàn)連續(xù)4個(gè)以上的“0”碼或“1”，易于定時(shí)提取。（2）電路簡單，易于實(shí)現(xiàn)。（3)有一定的糾錯(cuò)能力。當(dāng)編碼規(guī)則被破壞后，即意味著誤碼產(chǎn)生，便于中繼監(jiān)測(cè)。（4)有恒定的直流分量，且低頻分量小，頻帶較寬。（5)傳輸速率為編碼前的2倍，適用于低速率的光纖傳輸系統(tǒng)。1B2B碼：CMI碼屬于二電平的不歸零（NRZ）的1B2B碼型CMI(CodedMarkInversion)碼傳號(hào)翻轉(zhuǎn)碼即“1”碼交替地用“00”和“11”表示，而“0”碼則固定用“01”表示，CMI碼碼的特點(diǎn):第七十四頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日激光器原理半導(dǎo)體激光器(LD)LD的特性分布反饋LD發(fā)光二極管LED光發(fā)射機(jī)線路編碼第七十五頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日第七十六頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日二、數(shù)字直接調(diào)制中偏置電流和調(diào)制電流大小的選擇加大偏置電流使其逼近激光器閾值，可以大大減小電光延遲時(shí)間，同時(shí)使張馳振蕩得到一定程度的抑制偏置于閾值附近，較小的調(diào)制脈沖電流即可得到足夠的輸出光脈沖，I0與I0+Im的值相差不大，從而可大大減小碼型效應(yīng)和結(jié)發(fā)熱效應(yīng)的影響另一方面，加大直流偏置電流將會(huì)使光信號(hào)消光比（EX）惡化，光源消光比將直接影響接收機(jī)靈敏度，一般要求EX>10dB第七十七頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，異質(zhì)結(jié)激光器的散粒噪聲在閾值處出現(xiàn)最大值，因此偏置電流不正好偏置在閾值處由于激光器的串聯(lián)阻抗很小，因此激光器的偏置電路應(yīng)是高阻恒流源調(diào)制電流幅度Im的選擇，應(yīng)根據(jù)激光器的P-I曲線，既要有足夠的輸出光脈沖幅度，又要考慮到光源的負(fù)擔(dān)。如果激光器在某些區(qū)域有自脈動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生，則Im的選擇應(yīng)避開自脈動(dòng)發(fā)生的區(qū)域三、直接調(diào)制電路要求：快的開關(guān)速度、良好的電流脈沖波形第七十八頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日四、外調(diào)制外調(diào)制器以EA、LN為主高速驅(qū)動(dòng)模塊EA：驅(qū)動(dòng)電壓峰-峰值~2V、偏置電壓~-1VLN：驅(qū)動(dòng)電壓峰-峰值~5V、偏置電壓2~3V第七十九頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日偏置點(diǎn)控制電路高速驅(qū)動(dòng)器LiNbO3外調(diào)制器第八十頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日五、激光器控制電路1、系統(tǒng)對(duì)光源的要求波長穩(wěn)定性要求WDM系統(tǒng)對(duì)光源發(fā)射波長的穩(wěn)定性具有較高的要求波長的漂移將導(dǎo)致信道之間的串?dāng)_第八十一頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日影響發(fā)射波長的因素對(duì)于DFB激光器，影響發(fā)射波長的因素：管芯溫度、工作電流、光反射（利用隔離器減?。┕苄緶囟扰c激射光頻的關(guān)系：呈單調(diào)直線下降，工作電流與激射光頻的關(guān)系：電流→注入載流子變化→有源區(qū)折射率下降大電流→結(jié)溫升高，正常工作時(shí)，起主導(dǎo)作用一般為-1GHz/mA左右B為DFB激光器的布拉格波長，為光柵周期，為場限制因子，n為折射率，為載流子濃度，為載流子壽命比較而言，溫度變化是波長漂移的主要因素第八十二頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日功率穩(wěn)定性要求某信道功率的漂移，不僅影響本信道的傳輸性能，而且通過EDFA的瞬態(tài)效應(yīng)影響其它信道的性能通常要求：輸出平均光功率:0~-3dBm;

不穩(wěn)定度:0.5dB(模塊表面溫度0-50C)

消光比:10dB

眼圖:符合G.957模版影響發(fā)射功率的因素管芯溫度:溫度增加--功率下降器件老化:功率下降第八十三頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日溫度控制和功率控制作用，就是消除溫度變化和器件老化影響,穩(wěn)定發(fā)射機(jī)性能，采取的穩(wěn)定方法有：溫度控制；自動(dòng)功率控制窄線寬DFB激光器EA（LN）調(diào)制器精密溫度控制恒定電流控制10Gb/s電壓驅(qū)動(dòng)器NRZ碼

光發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)框圖第八十四頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日溫度控制：溫控電路通常由比例放大、PID（比例-積分-微分）電路、電流放大組成控制精度可到0.01C波長穩(wěn)定性可達(dá)200MHz/24小時(shí)目前N2.5Gb/s系統(tǒng)中，主要采用這一技術(shù)DFB-LD組件激光器導(dǎo)熱制冷器熱敏電阻溫度控制電路PDR1=10k，T1=298K，B=3887+/-34K第八十五頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日波長鎖定（wavelengthlocker)例：將激光器輸出波長與一標(biāo)準(zhǔn)波長（參考波長）進(jìn)行比較，測(cè)得波長漂移信息，反饋控制管芯溫度，由此控制激光器的輸出波長WDMsignalWavelengthReference…...TemperatureControllerPin-PDLogAmp.Errorsignal波長穩(wěn)定性：100MHz/12小時(shí)關(guān)鍵：鎖波器（與LD集成或獨(dú)立器件）鎖波器工作原理第八十六頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日自動(dòng)功率控制（APC）DFB-LD組件激光器導(dǎo)熱制冷器熱敏電阻溫度控制電路PD自動(dòng)功率控制（APC）電路偏置電流峰值功率控制：偏置電流控制調(diào)制電流幅值控制平均功率控制：偏置電流控制(需與波長控制一起使用）第八十七頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日其它控制電路：光源慢啟動(dòng)保護(hù)電路激光器反向沖擊電流保護(hù)電路激光器過流保護(hù)電路激光器關(guān)斷電路第八十八頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日第八十九頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日自動(dòng)功率控制電路(APC)自動(dòng)溫度控制電路(ATC)

激光器告警電路

光源慢啟動(dòng)保護(hù)電路激光器反向沖擊電流保護(hù)電路激光器過流保護(hù)電路激光器關(guān)斷電路控制電路第九十頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日某信道功率的漂移，不僅影響本信道的傳輸性能，而且通過EDFA的瞬態(tài)效應(yīng)影響其它信道的性能自動(dòng)功率控制峰值功率控制：偏置電流控制調(diào)制電流幅值控制平均功率控制：偏置電流控制通常要求：輸出平均光功率:0~-3dBm;

不穩(wěn)定度:0.5dB(模塊表面溫度0-50C)

消光比:10dB

第九十一頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日自動(dòng)功率控制電路(APC)第九十二頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日5、自動(dòng)功率控制電路(APC)

在使用中，LD結(jié)溫的變化以及老化都會(huì)使Ith增大，量子效率下降，從而導(dǎo)致輸出光脈沖的幅度發(fā)生變化。為了保證激光器有穩(wěn)定的輸出光功率，需要有各種輔助電路，例如功率控制電路、溫控電路、限流保護(hù)電路和各種告警電路等。

光功率自動(dòng)控制有許多方法，一是自動(dòng)跟蹤偏置電流，使LD偏置在最佳狀態(tài)；二是峰值功率和平均功率的自動(dòng)控制；三是P-I曲線效率控制法等。最簡單的辦法是通過直接檢測(cè)光功率控制偏置電流，用這種辦法即可收到良好的效果。該辦法是利用激光器組件中的PIN光電二極管，監(jiān)測(cè)激光器背向輸出光功率的大小，若功率小于某一額定值時(shí)，通過反饋電路后驅(qū)動(dòng)電流增加，并達(dá)到額定輸出功率值。反之，若光功率大于某一額定值，則使驅(qū)動(dòng)電流減小，以保證激光器輸出功率基本上恒定不變第九十三頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日美國亞特蘭大光通信系統(tǒng)中光發(fā)射機(jī)的APC電路，電路是通過控制LD偏置電流大小來保持輸出光脈沖幅度的恒定。在運(yùn)放的輸入端，再生信號(hào)由輸入信號(hào)再生處理后得到，它固定在0V～-lV間。LD組件中PIN管接收LD的背面輸出光，它受到與正面輸出光同樣的溫度及老化影響，從而可用來反饋控制LD輸出光功率。該P(yáng)IN產(chǎn)生的信號(hào)與直流參考比較后送到放大器的同相端，直流參考通過調(diào)節(jié)Rl控制預(yù)偏置電流IB。調(diào)節(jié)R2使再生信號(hào)與PIN輸出取得平衡，使IB保持恒定。第九十四頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日當(dāng)輸出光功率產(chǎn)生變化時(shí)，平衡破壞，反饋偏置電路將自動(dòng)調(diào)整IB，使輸出功率恢復(fù)到原來的值，電路又恢復(fù)平衡狀態(tài)。R3Cl構(gòu)成LD的慢啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)剛開啟電源或有突發(fā)的電沖擊時(shí)，由于電路的時(shí)間常數(shù)很大(～lms)，IB只能慢慢增大。這時(shí)，前面的控制電路首先進(jìn)入穩(wěn)定控制狀態(tài)，然后IB緩慢增大，保護(hù)LD免受沖擊。

第九十五頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日

溫度變化引起LD輸出光功率的變化，雖然可以通過APC電路進(jìn)行調(diào)節(jié)，使輸出光功率恢復(fù)正常值。但是，如果環(huán)境溫度升高較多，經(jīng)APC調(diào)節(jié)后，IB增大較多，則LD的結(jié)溫因此也升高很多，致使Ith繼續(xù)增大，造成惡性循環(huán)，從而影響了LD的使用壽命。因此，為保證激光器長期穩(wěn)定工作，必須采用自動(dòng)溫度控制電路(ATC)使激光器的工作溫度始終保持在20度左右。微制冷器多采用半導(dǎo)體制冷器。它是利用半導(dǎo)體材料的珀?duì)柼?yīng)制成的。當(dāng)直流電流通過兩種半導(dǎo)體組成的電偶時(shí)，出現(xiàn)一端吸熱另一端放熱的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為珀?duì)柼?yīng)。微型半導(dǎo)體制冷器的溫差可以達(dá)到30℃～40℃。6、自動(dòng)溫度控制電路(ATC)

LD的溫度控制由微型制冷器、熱敏元件及控制電路組成。第九十六頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日目前實(shí)際商用的半導(dǎo)體激光器總是和其他一些部件封裝在一起，形成一個(gè)完整的LD組件，它將LD芯片、半導(dǎo)體制冷器和具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻等封裝在一個(gè)體積很小的密封盒內(nèi)，控制電路放在盒外，這屬于內(nèi)制冷方式。內(nèi)制冷方式不僅結(jié)構(gòu)緊湊，控制效率也很高，使激光器有較恒定的輸出光功率和發(fā)射波長。

外制冷方式是將外加半導(dǎo)體制冷器與山組件的密封盒緊密接觸，通過控制電路給外加制冷器加直流，達(dá)到控制LD周圍環(huán)境溫度的目的。通常內(nèi)制冷較外制冷方式更直接、有效。制冷方式分為內(nèi)制冷和外制冷兩種。第九十七頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日為半導(dǎo)體制冷器的結(jié)構(gòu)示意圖單個(gè)熱電偶是由P型和N型摻雜的半導(dǎo)體組成，它被焊接在銅連接片上，并用陶瓷面板電絕緣。當(dāng)未接外電路時(shí)，跨越它兩端形成的溫度差使它的兩端產(chǎn)生一與溫度差成比例的電位差。此時(shí)將其與外電路的負(fù)載連接起來，將產(chǎn)生電流，從而輸出電功率，這就是一個(gè)熱電偶器件。

直流電流通過熱電偶將產(chǎn)生珀?duì)柼?yīng)，在它的一端吸收熱量，與之相連的物體將被冷卻；另一端排放熱量，將散熱器與之接觸，該熱電偶起到制冷器的作用。如果改變直流電流的方向，制冷器的吸熱、散熱端將互換。

第九十八頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日LD組件中的熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，在20℃時(shí)阻值Rt＝10kΩ～12kΩ，ΔRt／ΔT≈-0．5％／℃。它與Rl，R2，R3組成橋式電路，其輸出電壓加到差分放大器的同相和反相輸入端，在某溫度下，電橋達(dá)到平衡。LD溫度升高時(shí)，Rt下降，BGl正向?qū)?，通過制冷器Rc的電流Ic加大，使LD的溫度下降。具體控制過程如下：

----T↑→Rt↓→差分放大器輸入端壓降↑→差分放大器輸出電壓↑→Ic↑→T↓。實(shí)際上激光器在連續(xù)工作時(shí)，管芯溫度會(huì)持續(xù)上升，從而使得熱敏電阻Rt總保持在Rt≠R3即電橋總不平衡，于是Ic維持一定值，即控制電路始終為致冷器提供恒定的工作電流Ic。在光發(fā)送電路中，由于采用了ATC和APC電路，使LD輸出光功率的穩(wěn)定度保持在較高的水平上。在環(huán)境溫度為十5℃～十50℃范圍內(nèi)，LD輸出光功率的不穩(wěn)定度小于5％。溫度控制電路第九十九頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日

7、激光器的保護(hù)及告警電路

光源是光發(fā)送電路的核心，它價(jià)格昂貴又較容易損壞。因此在光發(fā)送電路中必須設(shè)有保持電路，以防止意外的損壞。另外，當(dāng)光發(fā)送電路出現(xiàn)故障時(shí)，告警電路應(yīng)發(fā)出相應(yīng)的聲、光告警信號(hào)，以便于工作人員維護(hù)。①光源的過流保護(hù)電路為了使光源不致因通過大電流而損壞，一般需對(duì)光源進(jìn)行過流保護(hù)。②無光告警電路當(dāng)光發(fā)送機(jī)電路出現(xiàn)故障，或輸入信號(hào)中斷、或激光器損壞時(shí)，都可能使LD長時(shí)間不發(fā)光。這時(shí)，無光告警電路都應(yīng)動(dòng)作，發(fā)出相應(yīng)的聲光告警信號(hào)。

③壽命告警電路隨著使用時(shí)間的增長，LD閾值電流也將逐漸增大。當(dāng)閾值電流增大到開始使用時(shí)的1.5倍時(shí)，就認(rèn)為激光器的壽命終止。

由于IB≈Ith，所以壽命告警電路通常采用監(jiān)測(cè)偏流IB的值來判斷激光器壽命是否終止。也就是說，當(dāng)IB＞1.5Itho(Itho為LD開始啟用時(shí)的閾值電流)時(shí)，壽命告警電路就發(fā)出告警指示。

第一百頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日激光器的過流保護(hù)電路T3為激光器提供偏流IB。保護(hù)電路由晶體管T4、電阻Rl組成。

正常情況下，電阻Rl上的電壓小于T4的導(dǎo)通降壓，因而T4截止，保護(hù)電路不工作。當(dāng)偏流IB過大，致使Rl上的壓降VRl劇增并超過T4的導(dǎo)通壓降時(shí)，T4飽和導(dǎo)通，使Vce4≈0，從而導(dǎo)致T3截止，保護(hù)了激光器不致因偏流IB過大而被損壞。第一百零一頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日A2的反向端為直流參考電壓VD，其同相端則為代表LD輸出光功率平均值的Vf。當(dāng)LD發(fā)光正常時(shí)，PIN管檢測(cè)到的光電流經(jīng)A1放大后送入A2的同相端。這時(shí)，Vf＞VD，因此A2輸出高電平，致使無光告警指示燈LED不亮。當(dāng)LD不發(fā)光時(shí)，PIN管檢測(cè)不到光信號(hào)，因而Vf＜VD，A2輸出低電平，使無光告警燈發(fā)出紅色告警顯示。另一路高電平為正常、低電平為告警的無光告警信號(hào)則被送入監(jiān)控系統(tǒng)處理。無光告警原理圖第一百零二頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日T3為激光器提供偏流IB，T4、R1組成過流保護(hù)電路。由于Vl≈IBRl，所以調(diào)整電位器W使V2＝1.5IthoR1。當(dāng)激光器工作正常時(shí)，IB＜1.5Itho，則Vl＜V2，A1輸出高電平，壽命告警燈不亮。如果IB＞1.5Itho，則激光器壽命終止，這時(shí)Vl＞V2，A1輸出低電平，壽命告警燈發(fā)黃色告警顯示。同樣有一路高電平正常、低電平告警的壽命告警信號(hào)送到監(jiān)控系統(tǒng)。壽命告警電路原理圖第一百零三頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日激光器組件1、激光器組件：是指在一個(gè)緊密的結(jié)構(gòu)體中，除了激光二極管（LD）以外，還配置其他的元件以實(shí)現(xiàn)LD工作必需的外圍器件。2、LD組件的構(gòu)成圖：驅(qū)動(dòng)電路偏置電流信號(hào)電流監(jiān)視光電二極管LD溫度監(jiān)控ATC電子制冷器光隔離器第一百零四頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日MQW-DFB激光器第一百零五頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日摻鉺激光器第一百零六頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日第一百零七頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日§4.6線路編碼用于光纖傳輸鏈路的兩電平二進(jìn)制線路碼有三種基本類型：非歸零格式（NRZ）；歸零格式（RZ）；相位編碼格式（PE）。設(shè)計(jì)光線鏈路時(shí)，要考慮的一個(gè)重要因素是傳輸光信號(hào)的格式。其重要性在于任何實(shí)際的數(shù)字光纖鏈路，其接收機(jī)的判決電路必須精確地從接收的光信號(hào)中提取定時(shí)信息。定時(shí)的三個(gè)主要目的分別是：在接收機(jī)的信噪比最大時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行取樣；保持適當(dāng)?shù)拿}沖間隔；指示每個(gè)時(shí)間間隔的開始和結(jié)束。另外，信號(hào)檢測(cè)過程中，信道噪聲和失真會(huì)導(dǎo)致誤碼，故光信號(hào)應(yīng)有內(nèi)在的誤碼檢測(cè)能力，這可以通過信號(hào)的重組（或編碼），引入額外的比特到數(shù)據(jù)流中來實(shí)現(xiàn)。所謂信號(hào)編碼是指使用一套規(guī)則把信號(hào)符號(hào)編排為一個(gè)特殊的格式。這個(gè)過程稱為線路編碼。線路編碼的主要功能是在數(shù)據(jù)流中引入冗余碼，其目的是為了使信道干擾引起的誤碼最小。盡管采用光纖可以獲得巨大的帶寬，但從噪聲方面考慮，較大的帶寬將導(dǎo)致較大的噪聲影響，故希望得到較小的帶寬；而要從數(shù)據(jù)流中獲得定時(shí)數(shù)據(jù)就需要較大的帶寬。通過選擇特殊的線路碼，可以在定時(shí)和噪聲帶寬之間達(dá)成折衷。第一百零八頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日一、重新編碼的原因電碼的缺點(diǎn)：雙極性碼，不能進(jìn)行光纖傳輸

簡單二進(jìn)制碼的缺點(diǎn)：（1）碼流中的0、1個(gè)數(shù)隨機(jī)變化，使得直流分量也發(fā)生隨機(jī)的起伏，從而影響了判決電平。（2）隨機(jī)碼流容易出現(xiàn)長串連0和連1，使得同步時(shí)鐘的提取困難。

（3）沒有冗余碼，不利于誤碼檢測(cè)。所以必須重新進(jìn)行光線路編碼?！?.6線路編碼第一百零九頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日二、數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對(duì)編碼的要求：（1）減少光信號(hào)中的高頻和低頻分量。

低頻：容易導(dǎo)致基線的漂移，產(chǎn)生誤判。高頻：使得系統(tǒng)帶寬增加，加大電路設(shè)計(jì)的難度。

（2）定時(shí)信息豐富避免長的連0和連1，使0、1交替分布。（3）有適當(dāng)?shù)娜哂啻a。一定的冗余碼可以用于平衡碼流，誤碼檢測(cè)，公務(wù)通信。但過多的冗余信息會(huì)降低接收機(jī)的靈敏度。第一百一十頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日1NRZ碼現(xiàn)在已有好幾種不同的NRZ碼得到了廣泛應(yīng)用，它們的帶寬可作為其它碼組的參考。最簡單的NRZ碼就是NRZ電平（NRZ-L），如圖所示。這些碼很容易產(chǎn)生和譯碼，但它們沒有內(nèi)在的誤差監(jiān)測(cè)或糾錯(cuò)能力，而且也沒有自有時(shí)鐘（定時(shí)）特征。比特周期圖NRZ-L數(shù)據(jù)模式的一個(gè)例子另外，NRZ碼有最小的帶寬需求，但接收機(jī)的平均輸入功率卻依賴于數(shù)據(jù)的模式。例如很長的1碼出現(xiàn)時(shí)，接收功率的高電平將會(huì)導(dǎo)致基線漂移效應(yīng)。這種效應(yīng)是由于接收機(jī)的交流耦合濾波器的低頻特性引起脈沖拖尾的積累所造成的。當(dāng)接收機(jī)在很長的連1碼后恢復(fù)到原來閾值的過程很慢，而下一個(gè)1碼到來時(shí)幅度又較低時(shí)，就有可能產(chǎn)生誤碼。三、線路碼型第一百一十一頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日接收機(jī)的單個(gè)輸入脈沖接收機(jī)的單個(gè)輸出脈沖進(jìn)入接收機(jī)的“1”比特序列接收機(jī)輸出的“1”比特序列判決閾值基線漂移圖傳輸長連NRZ“1”碼時(shí)引起的接收機(jī)基線漂移效應(yīng)同時(shí)長的連1或連0，NRZ碼沒有定時(shí)信息，因?yàn)槠渲袥]有電平變化。于是，除非系統(tǒng)的定時(shí)時(shí)鐘非常穩(wěn)定，N個(gè)同樣的長碼就有可能被誤判為N-1個(gè)或N+1個(gè)，從而導(dǎo)致誤碼。解決方法一是在系統(tǒng)中使用高穩(wěn)定的時(shí)鐘（這樣將明顯增加系統(tǒng)的成本）；另外就是采用分組碼和擾碼。第一百一十二頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日2RZ碼如果有足夠的帶寬富余度，則可將每個(gè)數(shù)據(jù)比特編為兩個(gè)光線路碼比特，這就是RZ碼的基礎(chǔ)。在這些碼型中，為了提供定時(shí)信息，既可在部分的也可在全部的比特周期內(nèi)發(fā)生信號(hào)電平的變化。下圖給出了RZ碼的一些碼型，圖(a)是基帶（NRZ-L）數(shù)據(jù)，(c)是單極RZ碼。NRZ-L基帶數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)單極性RZ碼雙相碼或光曼切斯特碼變換圖RZ碼型：(a)NRZ-L基帶數(shù)據(jù)；(b)時(shí)鐘信號(hào)；(c)單極性RZ碼；(d)雙向碼或光曼切斯特碼；(e)曼切斯特?cái)?shù)據(jù)在比特周期內(nèi)發(fā)生的電平轉(zhuǎn)換第一百一十三頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日單極RZ格式的一個(gè)缺點(diǎn)是長的連0碼會(huì)導(dǎo)致定時(shí)同步的丟失。雙相碼或光曼切斯特碼就沒有這種限制。對(duì)基帶(NRZ-L)信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)直接進(jìn)行模二加運(yùn)算即可得到光曼切斯特碼。該碼每個(gè)比特間隔的中心處都有電平轉(zhuǎn)換，負(fù)相變換表示1比特，爭相表示0比特。它易于編碼和譯碼，但需占用兩倍NRZ碼的帶寬；另外它也沒有內(nèi)在誤碼檢測(cè)和糾錯(cuò)能力。第一百一十四頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日1、分組碼一種高效率的冗余二進(jìn)制碼是mBnB分組碼，即將由m個(gè)二進(jìn)制比特構(gòu)成的分組，轉(zhuǎn)換為由n個(gè)（n>m）二進(jìn)制比特構(gòu)成的分組。新的分組以NRZ或RZ的格式傳輸。mBnB分組碼可以提供足夠的定時(shí)和檢錯(cuò)信息，又因沒有長0或長1，所以沒有基線漂移問題；但使用這種格式，將面臨帶寬增加的代價(jià)，附加的冗余比特將以n/m的比率增加帶寬。3B4B分組碼如下：數(shù)字3B4B方式1方式2012345670000010100111001011101110100001101010110100110101100001010110011010101101001101011001101四、線路編碼第一百一十五頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日幾種mBnB參數(shù)對(duì)比列在表中，表中參數(shù)如下：n/m比率，代表帶寬的增加；最大的連續(xù)同符號(hào)數(shù)（較小的值更利于時(shí)鐘恢復(fù)）；累加偏差D的限度；禁用字（不使用的n比特字符）所占的百分比W（接收機(jī)非法字符的檢測(cè)可以實(shí)現(xiàn)字符重構(gòu)）。幾種mBnB碼的比較碼型n/mNmaxDW(%)3B4B1.334±3256B8B1.336±3755B6B1.206±4287B8B1.149±7279B10B1.1111±824第一百一十六頁，共一百二十八頁，2022年，8月28日mBnB碼將原始二進(jìn)制碼分組，m個(gè)為一組，變換后為n個(gè)一組。（m>n）編碼原理（以3B4B碼為例）3B4B00000001000001000110010100010101001100111011100010011001010101110111001101110