光纖通信光源與光發(fā)射機

光源與光發(fā)射機第三章當前1頁，總共131頁。主要內容激光器原理半導體激光器(LD)LD的特性分布反饋半導體激光器DFB

發(fā)光二極管LED光發(fā)射機線路編碼當前2頁，總共131頁。光源是光發(fā)送機中的光波發(fā)生器，即光振蕩器。相干光：（激光）非相干光：（自然光）光源有產生的光有兩類：當前3頁，總共131頁。光纖通信系統(tǒng)對光源的要求：1、光源發(fā)光的峰值波長應當與光纖的低損耗窗口一致。

2、光源的輸出功率應當足夠大。（10uw~幾mw）3、光源應當有高度的可靠性。（10萬小時以上）4、光源的譜線不能太寬。5、光源應利于調制。6、電光轉換效率應當高。7、光源體積小重量輕功耗小。當前4頁，總共131頁。常用光源半導體激光器（LD）雙異質結激光器（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)光二極管當前5頁，總共131頁。（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調制帶寬1GHz300MHz壽命10萬小時100萬小時用途長距離大容量短距離當前6頁，總共131頁?！?.1激光器原理簡介2、原子的能級E原子的能級1、光子普朗克常數(shù)電子在能級的概率玻爾茲曼常數(shù)一、光與物質的作用當前7頁，總共131頁。3、光與物質的三種作用形式光與物質的轉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的電子是不穩(wěn)定的，它將自發(fā)的向低能級躍遷，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：各個能級上的電子都是自發(fā)的、獨立的進行躍遷，輻射的光子的頻率或相位、方向不同，是非相干光。E2E1自然光當前8頁，總共131頁。（2）、受激吸收在入射光子的激勵下，原子低能級上的電子吸收光子的能量從低能級躍遷到高能級。E電子光子特點：這個過程不是自發(fā)的，必須有外來的光子的激勵。E2E1當前9頁，總共131頁。當前10頁，總共131頁。（3）、受激輻射在入射光子的激勵下，電子從高能級躍遷到低能級，同時發(fā)出一個能量為

的光子。E電子光子光子特點：（1）受激輻射必須在外來光子的能量等于躍遷時的能級差時發(fā)生，（2）產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)受激輻射可能產生光放大當前11頁，總共131頁。當前12頁，總共131頁。二、光放大的條件在熱平衡時單位時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當前13頁，總共131頁。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)反轉非熱平衡狀態(tài)有光放大能力激活物質、增益物質光放大器=工作物質+泵浦源工作物質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外在激勵泵浦源粒子數(shù)反轉出射的受激輻射光子數(shù)入射光子數(shù)光放大的條件：當前14頁，總共131頁。三、激光器組成正反饋諧振回路光學諧振腔光學諧振腔組成：兩個反射率為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泵浦激勵光放大器激光器就是一個內部具有光發(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）諧振腔當前15頁，總共131頁。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，強度加強R1R2與中軸不平行的光多次反射后離開諧振腔結論：只有與中軸平行的光才存在，否則將在多次反射后消失當前16頁，總共131頁。工作物質輻射的光的波長有一定譜線寬度光頻率的選擇：λG當反射光與入射光的相位相等或相差2π的整數(shù)倍時，發(fā)生相強的干涉，光的能量加強。干涉加強干涉減弱相位條件：結論：只有滿足相位條件的波長的光才會被加強，否則會被減弱。不滿足相位條件時，則發(fā)生相消干涉，光的能量漸漸減弱。當前17頁，總共131頁。激光產生的條件：諧振腔的衰減：工作物質的吸收，反射鏡的吸收和透射等。諧振腔的增益：工作物質粒子數(shù)反轉分布后受激輻射光放大的增益。結論：只有滿足以上條件時，才有功率穩(wěn)定的光存在同相激勵的相位條件：振蕩器起震的幅度條件：增益損耗當前18頁，總共131頁。外在激勵粒子數(shù)反轉分布自發(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生過程當前19頁，總共131頁。§3.2半導體激光器原理SemiconductorLaserLaserDiode激光二極管LD1、半導體能級半導體是由大量原子周期有序的排列構成的共價晶體，相鄰原子原子之間的相互作用使得電子在整個半導體中進行共有化運動，所處的離散能態(tài)擴展成連續(xù)分布的能帶。半導體電子的能帶LD是激光器的一種，主要分析工作物質、粒子數(shù)反轉及反饋回路LD的工作物質是半導體材料形成的PN結當前20頁，總共131頁?；瘜W鍵電子所處的能帶叫價帶比價帶高的能帶叫導帶能帶之間不允許電子的存在，稱為禁帶價帶（EV）導帶（EC）禁帶（Eg）2、直接帶隙和間接帶隙直接帶隙間接帶隙半導體材料的帶隙是動量k的函數(shù)，依照帶隙的形狀，可以將半導體分為直接帶隙材料和間接帶隙材料兩類。一個電子和一個空穴復合，隨后輻射一個光子，在最簡單和最有可能發(fā)生的復合過程中，電子和空穴具有相同的動量導帶最小能級和價帶最大能級有不同的動量，所以此時導帶與價帶之間的復合必須要有另外的粒子參與以保持動量守恒，聲子就能完成這樣的功能當前21頁，總共131頁。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，可構造出峰值發(fā)光波長在之間

當前22頁，總共131頁。4、本征材料費米能級費米能級：是一個假象能級，電子處在該能級上的概率是1/2本征半導體的電子和空穴是成對出現(xiàn)

本征材料：沒有缺陷和未摻雜的理想半導體材料位于禁帶中央。電子在的能級上的概率小于1/2電子在的能級上的概率大于1/2當前23頁，總共131頁。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電子，其中四個電子用來與相鄰的原子形成共價鍵，余下一個電子受到的束縛很弱，可以用來傳導電流，使導帶的電子增加。5、n型材料的費米能級導帶價帶n型材料的導帶中電子數(shù)增加，電子位于導帶的概率增加。摻雜濃度越高，電子位于導帶的概率越大，使費米能級抬高可以使得晶體的導電性能大為增加。當前24頁，總共131頁。6、p型材料的費米能級

通過向晶體中摻微量的Ⅲ族元素，也可以使得晶體的導電性能增加，這些用來摻雜的元素在原子核的外層有三個電子，這三個電子與相鄰的原子形成共價鍵，同時會產生一個與施主電子電量相等的空穴，這樣就在價帶上方產生一個非占用能級（受主能級）。導帶價帶p型材料的價帶中空穴數(shù)增加，電子位于價帶的概率減少。摻雜濃度越高，電子位于價帶的概率越小，使費米能級降低當前25頁，總共131頁。7、pn結

當p型材料和n型材料接觸時，兩種材料的電荷區(qū)相接觸，就會形成pn結，它決定了半導體器件的電特性。當pn結形成后，在pn結上就形成一個內建電場（或勢壘）由于電子和空穴都形成共價鍵結構，所以結區(qū)就不再有移動的載流子，稱這個區(qū)域稱為耗盡區(qū)（或空間電荷區(qū)）.

空間電荷區(qū)pn結pn結電子分布當前26頁，總共131頁。8、PN結正向偏置電流流過PN結，破壞了熱平衡時統(tǒng)一的費米能級，在P區(qū)和N區(qū)各自形成了準費米能級。這時，導帶上費米能級以下充滿了電子，價帶上費米能級以上沒有電子，因此，形成了粒子數(shù)反轉分布，成為激活區(qū)。當PN結加上正向偏壓時，外加電壓的電場方向正好和內建場的方向相反，因而削弱了內建電場，有電流流過PN結，使導帶電子密度增加。電流越大，導帶的電子密度越大。形成光放大器當前27頁，總共131頁。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成反射面當前28頁，總共131頁。當激光器閾值電流很大時，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？采用異質結結構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；（2）增益大于損耗。只有電流大于一定值時才能滿足以上條件。即LD存在一閾值電流才有激光產生。當前29頁，總共131頁。同質結異質結載流子限制11、異質結LD同質結結構單異質結結構雙異質結結構(1)同質結與異質結PN結是否為同一種材料（2）異質結的特點載流子限制與光波限制限制載流子在有源區(qū)，在電流不大時就容易達到粒子數(shù)反轉當前30頁，總共131頁。異質結折射率分布光波限制光功率分布采用異質結，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當前31頁，總共131頁。§3.3半導體激光器（LD)特性1、輸出光功率與激光器驅動電流之間關系

外量子效應閾值電流自發(fā)輻射光激光當前32頁，總共131頁。2、激光二極管的模式在半導體激光器的諧振腔內，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構決定縱模：由激光器諧振腔縱向長度決定不同的縱模對應不同的諧振頻率當前33頁，總共131頁。3、光譜特性LD輸出光功率和波長的關系（1）半導體材料的自發(fā)輻射發(fā)光特性（2）激光器增益和波長的關系（3）諧振腔的選頻特性有很多縱模多縱模激光器當前34頁，總共131頁。考慮激光器相位關系

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當前35頁，總共131頁。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：當前36頁，總共131頁。4、溫度特性其中是激光器對溫度敏感程度的度量的特性溫度；是一個常數(shù)。（1）溫度對閾值電流的影響（2）溫度對量子效率的影響（3）溫度輸出光譜的影響溫度升高，光譜變寬當前37頁，總共131頁。電光延遲、張弛振蕩、自脈動、啁啾（1）電光延遲激光器的輸出光信號滯后于電信號td原因：有源區(qū)的電子密度必須增加到一定的閾值才會有光出來。5、瞬態(tài)特性電信號光信號電信號光信號當前38頁，總共131頁。（2）張弛振蕩當電脈沖注入激光器后，輸出光脈沖有一個幅度逐漸衰減的振蕩。影響：當調制速度接近張弛振蕩的頻率時，容易產生誤判，影響了調制的速度。原因：光子激發(fā)與電子注入的時間延遲。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。電光延遲和張弛振蕩在光通信中會引起碼型效應。碼型效應：輸出的光信號中“1”碼的波形和碼型有關，在檢測時容易引起誤碼當前39頁，總共131頁。（3）自脈動現(xiàn)象有些激光器在脈沖調制下或直流驅動下，當注入電流足夠大時，輸出的光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅的高頻振蕩。（4）啁啾（Chirp）效應有的激光器在輸入電流變化時載波有一附加的調頻現(xiàn)象當前40頁，總共131頁?！?.4分布反饋半導體激光器（DFB)異質結LDDistributedfeedbacklaser多縱模LDF-P諧振腔光譜比較寬幾個只有一個縱模光譜就很窄如何實現(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）當前41頁，總共131頁。（1）DFB激光器的結構

DFB是用Brag衍射光柵代替F-P諧振腔對光進行波長的選擇，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。當前42頁，總共131頁。（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當前43頁，總共131頁。

布拉格反射條件

當前44頁，總共131頁。DFB激光器的優(yōu)點

當光柵的周期長度為L時，只有滿足布拉格反射條件波長為的光波，才能產生激光振蕩，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，可以實現(xiàn)速率為Gb/s的超高速傳輸。當前45頁，總共131頁。DFB的優(yōu)點：1、單縱模2、譜線窄(0.02~0.06nm),波長穩(wěn)定3、動態(tài)譜線好，啁啾小，利于高速調制4、線性好，利于調制模擬信號。DFB的應用：2.5G以上的1550nm第三代光纖通信系統(tǒng)光纖CATV當前46頁，總共131頁。3、量子阱激光器（QW-LD）量子阱：一般雙異質結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，半導體的性質將發(fā)生根本的改變，出現(xiàn)量子效應，相應的勢阱稱為量子阱。（我們將窄帶隙Eg稱為勢阱，將寬帶隙Eg稱為勢壘）量子阱激光器：將雙異質結半導體激光器的有源層做到nm級，形成量子阱結構，使之出現(xiàn)量子效應，這樣的激光器叫做量子阱激光器。單量子阱激光器(SQW-LD)具有一個勢阱和兩個勢壘的激光器多量子阱激光器（MQW-LD）具有n個勢阱和n+1個勢壘的激光器勢壘勢阱6.3nm<Lw<50nm勢壘勢阱量子阱激光器（QW-LD）Quantum-well當前47頁，總共131頁。量子阱激光器的特點：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生大增益的電流。2、單縱模，譜線窄，利于調制。DH-LD高速調制時輸出光譜MQW-LD高速調制時輸出光譜3、溫度要求低。無需溫度控制，無需制冷儀器。當前48頁，總共131頁。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展進入有源區(qū)，P區(qū)的空穴也將向負方向擴展進入有源區(qū)。進入有源區(qū)的電子和空穴由于勢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當前49頁，總共131頁。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當前50頁，總共131頁。邊發(fā)光二極管側面發(fā)光輻射角小輸出功率小耦合效率高當前51頁，總共131頁。三、工作特性1、光譜特性和輻射特性沒有經過光學諧振腔的光強反饋、方向選擇和光頻選擇，譜線寬，輻射角大，強度不大。λ

P△λ3dBⅠθ

3dBθoⅠ0Ⅰ=Ⅰ0·cosθ當前52頁，總共131頁。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）當前53頁，總共131頁。3、溫度特性10℃20℃30℃40℃50℃ⅠP對溫度不敏感，不用ATC電路。ⅠP20℃30℃40℃60℃80℃當前54頁，總共131頁。4、可靠性工作壽命長，可靠性好，達3×105小時，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、應用中低速數(shù)字通信和模擬通信中當前55頁，總共131頁。根據(jù)LED和LD的性能，在選擇光源時應作到技術上合理、經濟上合理以及便于應用。當前56頁，總共131頁。§3.6光發(fā)射機光發(fā)射機實現(xiàn)電/光轉換。由光源、驅動器和調制器組成。功能是用電信號對光源發(fā)出的光波進行調制，成為已調光波，然后再將已調的光信號耦合到光纖或光纜去傳輸。當前57頁，總共131頁。1、光纖通信的調制什么是調制：把隨信息變化的電信號加到光載波上，使光載波按信息的變化而變化，這就是調制。如何調制：模擬信號調幅AM調頻FM調相PM數(shù)字信號ASKFSKPSKQAM目前光纖通信系統(tǒng)采用那種調制：IMimmediacymodulate光的功率（強度）隨電信號變化IM-DD（immediacymodulate-directdetection）采用調制技術的主要考慮的因素：頻譜利用率（帶寬或容量）抗干擾性電路復雜性如何實現(xiàn)強度調制：內調制（直接調制）外調制（間接調制）強度調制在接收端解調采用直接檢測IM的特點：實現(xiàn)容易，成本很低當前58頁，總共131頁。內調制（直接調制）：設備簡單，但有啁啾，不利于高速調制。LED調制IPIPLD調制直接光調制圖：偏置電流直接用電信號去驅動光源。當前59頁，總共131頁。外調制（間接調制）

：調制器電信號激光器直流驅動電路光信號解決了啁啾現(xiàn)象，適于高速數(shù)字信號（SDH/SONET）、模擬CATV、軍事雷達等，并且可進行幅度、相位、頻率調制，但對光源和光調制器要求很高。利用外調制器對激光器輸出光信號進行調制。電信號激光器直流驅動電路外調制器光信號對數(shù)字信號的當前60頁，總共131頁。（1）、激光器的直接調制電路模擬信號調制數(shù)字信號調制2、直接調制電路當前61頁，總共131頁。激光器的數(shù)字調制電路當前62頁，總共131頁。偏置電流和調制電流的選擇

偏置電流的選擇直接影響激光器的高速調制性質。選擇直流預偏置電流應考慮以下幾個方面：

(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間，同時使張弛振蕩得到一定程度的抑制。LD無偏置和有偏置時脈沖瞬態(tài)波形和光譜LD加了足夠的預偏置電流，調制電流脈沖幅度較小，預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，也大大提高了調制速率。當前63頁，總共131頁。

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(2)當激光器偏置在閾值附近時，較小的調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。3)加大直流偏置電流會使激光器的消光比惡化。

光源的消光比將直接影響接收機的靈敏度，為了不使接收機的靈敏度明顯下降，消光如果激光器的偏置電流IB過大，勢必會使消光比惡化，降低接收機的靈敏度。通常取IB＝(0.85～0.9)Ith。驅動脈沖電流的峰-峰值Im一般取Im十IB＝(1.2～1.3)Ith，以避免結發(fā)熱和碼型效應。消光比，是指激光器在全“l(fā)”碼時發(fā)送的光功率(P1)與全“0”碼時發(fā)射的光功率(Po)之比：當前64頁，總共131頁。(4)實驗證明，異質結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、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?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是高阻恒流源調制電流幅度的選擇，應根據(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擔?？紤]到某些激光器在某些區(qū)域有自脈動現(xiàn)象發(fā)生，Im的選擇應避應避開這些區(qū)域。當前65頁，總共131頁。（2）、LED的驅動電路驅動電流，調制電流偏置電流信號電流調制深度模擬調制數(shù)字調制當前66頁，總共131頁。3、發(fā)射端機（內調制）的組成及功能輸入接口線路編碼調制電路光源控制電路輸入接口：將電端機送來的信號做碼型變換，如將HDB3碼變換為普通二進制碼。線路編碼：將普通二進制碼變換為適合在光纖鏈路上傳輸?shù)拇a型。調制電路：為光源提供調制電流。控制電路：主要是APC電路、ATC電路、光源保護電路等。光源：一般為發(fā)光二極管或半導體激光器，實現(xiàn)光電轉換。當前67頁，總共131頁。自動功率控制電路(APC)自動溫度控制電路(ATC)

激光器告警電路

光源慢啟動保護電路激光器反向沖擊電流保護電路激光器過流保護電路激光器關斷電路控制電路當前68頁，總共131頁。偏置點控制電路高速驅動器LiNbO3外調制器當前69頁，總共131頁。一、重新編碼的原因普通二進制碼的缺點：

（1）碼流中的0、1個數(shù)隨機變化，使得直流分量也發(fā)生隨機的起伏，從而影響了判決電平。（2）隨機碼流容易出現(xiàn)長串連0和連1，使得同步時鐘的提取困難。（3）沒有冗余碼，不利于誤碼檢測。所以必須重新進行光線路編碼。§3.7線路編碼（4）雙極性碼，不能進行光纖傳輸當前70頁，總共131頁。二、數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對編碼的要求：（1）減少光信號中的高頻和低頻分量。低頻：容易導致基線的漂移，產生誤判。高頻：使得系統(tǒng)帶寬增加，加大電路設計的難度。（2）定時信息豐富避免長的連0和連1，使0、1交替分布。（3）有適當?shù)娜哂啻a。一定的冗余碼可以用于平衡碼流，誤碼檢測，公務通信。但過多的冗余信息會降低接收機的靈敏度。當前71頁，總共131頁。1、NRZ碼（非歸零碼）與RZ碼（歸零碼）NRZ碼是最簡單的碼型。NRZ碼很容易產生和譯碼，但它們沒有內在的誤差監(jiān)測或糾錯能力，也沒有自有時鐘（定時）特征。三、線路碼型NRZ碼RZ碼RZ碼：每個數(shù)據(jù)比特編為兩個線路碼比特。在這些碼型中，為了提供定時信息，既可在部分的也可在全部的比特周期內發(fā)生信號電平的變化。當前72頁，總共131頁。3、mBnB分組碼

將原始二進制碼分組，m個為一組，變換后為n個一組,（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：1、避免了長的連0和連1，定時信息豐富。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。當前73頁，總共131頁。（1）不出現(xiàn)連續(xù)4個以上的“0”碼或“1”，易于定時提取。（2）電路簡單，易于實現(xiàn)。（3)有一定的糾錯能力。當編碼規(guī)則被破壞后，即意味著誤碼產生，便于中繼監(jiān)測。（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)碼傳號翻轉碼即“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:當前74頁，總共131頁。激光器原理半導體激光器(LD)LD的特性分布反饋LD發(fā)光二極管LED光發(fā)射機線路編碼當前75頁，總共131頁。當前76頁，總共131頁。二、數(shù)字直接調制中偏置電流和調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間，同時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和結發(fā)熱效應的影響另一方面，加大直流偏置電流將會使光信號消光比（EX）惡化，光源消光比將直接影響接收機靈敏度，一般要求EX>10dB當前77頁，總共131頁。實驗發(fā)現(xiàn)，異質結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是高阻恒流源調制電流幅度Im的選擇，應根據(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擔。如果激光器在某些區(qū)域有自脈動現(xiàn)象發(fā)生，則Im的選擇應避開自脈動發(fā)生的區(qū)域三、直接調制電路要求：快的開關速度、良好的電流脈沖波形當前78頁，總共131頁。四、外調制外調制器以EA、LN為主高速驅動模塊EA：驅動電壓峰-峰值~2V、偏置電壓~-1VLN：驅動電壓峰-峰值~5V、偏置電壓2~3V當前79頁，總共131頁。偏置點控制電路高速驅動器LiNbO3外調制器當前80頁，總共131頁。五、激光器控制電路1、系統(tǒng)對光源的要求波長穩(wěn)定性要求WDM系統(tǒng)對光源發(fā)射波長的穩(wěn)定性具有較高的要求波長的漂移將導致信道之間的串擾當前81頁，總共131頁。影響發(fā)射波長的因素對于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激射光頻的關系：呈單調直線下降，工作電流與激射光頻的關系：電流→注入載流子變化→有源區(qū)折射率下降大電流→結溫升高，正常工作時，起主導作用一般為-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當前82頁，總共131頁。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:功率下降當前83頁，總共131頁。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)射機性能，采取的穩(wěn)定方法有：溫度控制；自動功率控制窄線寬DFB激光器EA（LN）調制器精密溫度控制恒定電流控制10Gb/s電壓驅動器NRZ碼光發(fā)射機結構框圖當前84頁，總共131頁。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200MHz/24小時目前N2.5Gb/s系統(tǒng)中，主要采用這一技術DFB-LD組件激光器導熱制冷器熱敏電阻溫度控制電路PDR1=10k，T1=298K，B=3887+/-34K當前85頁，總共131頁。波長鎖定（wavelengthlocker)例：將激光器輸出波長與一標準波長（參考波長）進行比較，測得波長漂移信息，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小時關鍵：鎖波器（與LD集成或獨立器件）鎖波器工作原理當前86頁，總共131頁。自動功率控制（APC）DFB-LD組件激光器導熱制冷器熱敏電阻溫度控制電路PD自動功率控制（APC）電路偏置電流峰值功率控制：偏置電流控制調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）當前87頁，總共131頁。其它控制電路：光源慢啟動保護電路激光器反向沖擊電流保護電路激光器過流保護電路激光器關斷電路當前88頁，總共131頁。當前89頁，總共131頁。自動功率控制電路(APC)自動溫度控制電路(ATC)

激光器告警電路

光源慢啟動保護電路激光器反向沖擊電流保護電路激光器過流保護電路激光器關斷電路控制電路當前90頁，總共131頁。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)效應影響其它信道的性能自動功率控制峰值功率控制：偏置電流控制調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

當前91頁，總共131頁。自動功率控制電路(APC)當前92頁，總共131頁。5、自動功率控制電路(APC)

在使用中，LD結溫的變化以及老化都會使Ith增大，量子效率下降，從而導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、限流保護電路和各種告警電路等。

光功率自動控制有許多方法，一是自動跟蹤偏置電流，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)測激光器背向輸出光功率的大小，若功率小于某一額定值時，通過反饋電路后驅動電流增加，并達到額定輸出功率值。反之，若光功率大于某一額定值，則使驅動電流減小，以保證激光器輸出功率基本上恒定不變當前93頁，總共131頁。美國亞特蘭大光通信系統(tǒng)中光發(fā)射機的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。在運放的輸入端，再生信號由輸入信號再生處理后得到，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PIN產生的信號與直流參考比較后送到放大器的同相端，直流參考通過調節(jié)Rl控制預偏置電流IB。調節(jié)R2使再生信號與PIN輸出取得平衡，使IB保持恒定。當前94頁，總共131頁。當輸出光功率產生變化時，平衡破壞，反饋偏置電路將自動調整IB，使輸出功率恢復到原來的值，電路又恢復平衡狀態(tài)。R3Cl構成LD的慢啟動網絡，當剛開啟電源或有突發(fā)的電沖擊時，由于電路的時間常數(shù)很大(～lms)，IB只能慢慢增大。這時，前面的控制電路首先進入穩(wěn)定控制狀態(tài)，然后IB緩慢增大，保護LD免受沖擊。

當前95頁，總共131頁。

溫度變化引起LD輸出光功率的變化，雖然可以通過APC電路進行調節(jié)，使輸出光功率恢復正常值。但是，如果環(huán)境溫度升高較多，經APC調節(jié)后，IB增大較多，則LD的結溫因此也升高很多，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體制冷器。它是利用半導體材料的珀爾帖效應制成的。當直流電流通過兩種半導體組成的電偶時，出現(xiàn)一端吸熱另一端放熱的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為珀爾帖效應。微型半導體制冷器的溫差可以達到30℃～40℃。6、自動溫度控制電路(ATC)

LD的溫度控制由微型制冷器、熱敏元件及控制電路組成。當前96頁，總共131頁。目前實際商用的半導體激光器總是和其他一些部件封裝在一起，形成一個完整的LD組件，它將LD芯片、半導體制冷器和具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻等封裝在一個體積很小的密封盒內，控制電路放在盒外，這屬于內制冷方式。內制冷方式不僅結構緊湊，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，達到控制LD周圍環(huán)境溫度的目的。通常內制冷較外制冷方式更直接、有效。制冷方式分為內制冷和外制冷兩種。當前97頁，總共131頁。為半導體制冷器的結構示意圖單個熱電偶是由P型和N型摻雜的半導體組成，它被焊接在銅連接片上，并用陶瓷面板電絕緣。當未接外電路時，跨越它兩端形成的溫度差使它的兩端產生一與溫度差成比例的電位差。此時將其與外電路的負載連接起來，將產生電流，從而輸出電功率，這就是一個熱電偶器件。

直流電流通過熱電偶將產生珀爾帖效應，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。

當前98頁，總共131頁。LD組件中的熱敏電阻具有負溫度系數(shù)，在20℃時阻值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，電橋達到平衡。LD溫度升高時，Rt下降，BGl正向導通，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↓。實際上激光器在連續(xù)工作時，管芯溫度會持續(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，LD輸出光功率的不穩(wěn)定度小于5％。溫度控制電路當前99頁，總共131頁。

7、激光器的保護及告警電路

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

③壽命告警電路隨著使用時間的增長，LD閾值電流也將逐漸增大。當閾值電流增大到開始使用時的1.5倍時，就認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)測偏流IB的值來判斷激光器壽命是否終止。也就是說，當IB＞1.5Itho(Itho為LD開始啟用時的閾值電流)時，壽命告警電路就發(fā)出告警指示。

當前100頁，總共131頁。激光器的過流保護電路T3為激光器提供偏流IB。保護電路由晶體管T4、電阻Rl組成。

正常情況下，電阻Rl上的電壓小于T4的導通降壓，因而T4截止，保護電路不工作。當偏流IB過大，致使Rl上的壓降VRl劇增并超過T4的導通壓降時，T4飽和導通，使Vce4≈0，從而導致T3截止，保護了激光器不致因偏流IB過大而被損壞。當前101頁，總共131頁。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LD發(fā)光正常時，PIN管檢測到的光電流經A1放大后送入A2的同相端。這時，Vf＞VD，因此A2輸出高電平，致使無光告警指示燈LED不亮。當LD不發(fā)光時，PIN管檢測不到光信號，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則被送入監(jiān)控系統(tǒng)處理。無光告警原理圖當前102頁，總共131頁。T3為激光器提供偏流IB，T4、R1組成過流保護電路。由于Vl≈IBRl，所以調整電位器W使V2＝1.5IthoR1。當激光器工作正常時，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送到監(jiān)控系統(tǒng)。壽命告警電路原理圖當前103頁，總共131頁。激光器組件1、激光器組件：是指在一個緊密的結構體中，除了激光二極管（LD）以外，還配置其他的元件以實現(xiàn)LD工作必需的外圍器件。2、LD組件的構成圖：驅動電路偏置電流信號電流監(jiān)視光電二極管LD溫度監(jiān)控ATC電子制冷器光隔離器當前104頁，總共131頁。MQW-DFB激光器當前105頁，總共131頁。摻鉺激光器當前106頁，總共131頁。當前107頁，總共131頁?！?.6線路編碼用于光纖傳輸鏈路的兩電平二進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）。設計光線鏈路時，要考慮的一個重要因素是傳輸光信號的格式。其重要性在于任何實際的數(shù)字光纖鏈路，其接收機的判決電路必須精確地從接收的光信號中提取定時信息。定時的三個主要目的分別是：在接收機的信噪比最大時對信號進行取樣；保持適當?shù)拿}沖間隔；指示每個時間間隔的開始和結束。另外，信號檢測過程中，信道噪聲和失真會導致誤碼，故光信號應有內在的誤碼檢測能力，這可以通過信號的重組（或編碼），引入額外的比特到數(shù)據(jù)流中來實現(xiàn)。所謂信號編碼是指使用一套規(guī)則把信號符號編排為一個特殊的格式。這個過程稱為線路編碼。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，可以在定時和噪聲帶寬之間達成折衷。當前108頁，總共131頁。一、重新編碼的原因電碼的缺點：雙極性碼，不能進行光纖傳輸簡單二進制碼的缺點：（1）碼流中的0、1個數(shù)隨機變化，使得直流分量也發(fā)生隨機的起伏，從而影響了判決電平。（2）隨機碼流容易出現(xiàn)長串連0和連1，使得同步時鐘的提取困難。（3）沒有冗余碼，不利于誤碼檢測。所以必須重新進行光線路編碼。§4.6線路編碼當前109頁，總共131頁。二、數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對編碼的要求：（1）減少光信號中的高頻和低頻分量。低頻：容易導致基線的漂移，產生誤判。高頻：使得系統(tǒng)帶寬增加，加大電路設計的難度。（2）定時信息豐富避免長的連0和連1，使0、1交替分布。（3）有適當?shù)娜哂啻a。一定的冗余碼可以用于平衡碼流，誤碼檢測，公務通信。但過多的冗余信息會降低接收機的靈敏度。當前110頁，總共131頁。1NRZ碼現(xiàn)在已有好幾種不同的NRZ碼得到了廣泛應用，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。這些碼很容易產生和譯碼，但它們沒有內在的誤差監(jiān)測或糾錯能力，而且也沒有自有時鐘（定時）特征。比特周期圖NRZ-L數(shù)據(jù)模式的一個例子另外，NRZ碼有最小的帶寬需求，但接收機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，接收功率的高電平將會導致基線漂移效應。這種效應是由于接收機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。當接收機在很長的連1碼后恢復到原來閾值的過程很慢，而下一個1碼到來時幅度又較低時，就有可能產生誤碼。三、線路碼型當前111頁，總共131頁。接收機的單個輸入脈沖接收機的單個輸出脈沖進入接收機的“1”比特序列接收機輸出的“1”比特序列判決閾值基線漂移圖傳輸長連NRZ“1”碼時引起的接收機基線漂移效應同時長的連1或連0，NRZ碼沒有定時信息，因為其中沒有電平變化。于是，除非系統(tǒng)的定時時鐘非常穩(wěn)定，N個同樣的長碼就有可能被誤判為N-1個或N+1個，從而導致誤碼。解決方法一是在系統(tǒng)中使用高穩(wěn)定的時鐘（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。當前112頁，總共131頁。2RZ碼如果有足夠的帶寬富余度，則可將每個數(shù)據(jù)比特編為兩個光線路碼比特，這就是RZ碼的基礎。在這些碼型中，為了提供定時信息，既可在部分的也可在全部的比特周期內發(fā)生信號電平的變化。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)時鐘信號單極性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)時鐘信號；(c)單極性RZ碼；(d)雙向碼或光曼切斯特碼；(e)曼切斯特數(shù)據(jù)在比特周期內發(fā)生的電平轉換當前113頁，總共131頁。單極RZ格式的一個缺點是長的連0碼會導致定時同步的丟失。雙相碼或光曼切斯特碼就沒有這種限制。對基帶(NRZ-L)信號和時鐘信號直接進行模二加運算即可得到光曼切斯特碼。該碼每個比特間隔的中心處都有電平轉換，負相變換表示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；另外它也沒有內在誤碼檢測和糾錯能力。當前114頁，總共131頁。1、分組碼一種高效率的冗余二進制碼是mBnB分組碼，即將由m個二進制比特構成的分組，轉換為由n個（n>m）二進制比特構成的分組。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和檢錯信息，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，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、線路編碼當前115頁，總共131頁。幾種mBnB參數(shù)對比列在表中，表中參數(shù)如下：n/m比率，代表帶寬的增加；最大的連續(xù)同符號數(shù)（較小的值更利于時鐘恢復）；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（接收機非法字符的檢測可以實現(xiàn)字符重構）。幾種mBnB碼的比較碼型n/mNmaxDW(%)3B4B1.334±3256B8B1.336±3755B6B1.206±4287B8B1.149±7279B10B1.1111±824當前116頁，總共131頁。mBnB碼將原始二進制碼分組，m個為一組，變換后為n個一組。（m>n）編碼原理（以3B4B碼為例）3B4B0000000100000100011001010001010100110011101110001001100101010111011100110111011101111111輸入：8種碼字輸出：16種碼字怎么從16個碼字中選出8個碼字表示原始碼？當前117頁，總共131頁。并串PROM串并組別變換輸出4B碼流組別交換變前時針輸入3B碼變換時針3B4B碼的編碼原理圖：當前118頁，總共131頁。mBnB碼的優(yōu)點：1、避免了長的連0和連1，定時信息豐富。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。當前119頁，總共131頁。優(yōu)點：改善了0、1分布，使連0連1的情況改善。缺點：*不能完全控制連0連1的情況。*無冗余碼來監(jiān)控誤碼情況。*直流分量沒有改善，不能解決基線的漂移。

當前120頁，總共131頁。其他常用的mBnB碼