第五章-光端机课件

第五章光端机

5.1光发送机

5.2数字光接收机

5.3光中继器

5.4线路码型简介

第五章光端机5.1光发送机15.1光发送机5.1.1.光发送机光发送机构成如图5-1所示。它是由电信号输入接口、码型变换电路、预处理电路、驱动电路、自动功率控制电路（APC）和自动温度控制电路（ATC）、光源器件等组成的。1.输入接口电端机送来的电信号一般是PCM信号，该信号电平通常是三电平，即+12V、0V和-12V，而光发送机一般选择的是归零码（RZ码）或者不归零码（NRZ码），因此要通过输入接口进行PCM码到RZ或者NRZ的码型转换。2.码型变换光发送机的输入数字脉冲信号的码型选择与整个数字光纤通信系统的总体设计有关，一般在中速数字光纤通信系统中采用RZ码型，而在高速或超高速的数字光纤通信系统中采用NRZ码型。返回下一页5.1光发送机5.1.1.光发送机返回下一页2返回图5-1光发送机构成框图

图5-1光发送机构成框图返回图5-1光发送机构成框图图5-1光发送机构成框35.1光发送机在光发送机中，若采用RZ码作为输入信号，则必须将NRZ码变换成RZ码，该码型变换电路如图5-2所示，图中的CP信号为输入时钟脉冲。另外在实用的光纤通信系统中，往往会通过码型变换电路的设计，实现光纤通信的误码监测、公务联络等功能（如在PDH通信系统中，SDH则不需要该变换功能）。3.预处理预处理的功能就是对码型信号进行波形的整形处理（如占空比等），以适应光发送机的要求。4.驱动电路及光源该部分是光发送机的核心组件，其作用是将电信号变成光信号。该组件影响着光发送机的性能指标。返回下一页上一页5.1光发送机在光发送机中，若采用RZ码作为输入信号，则4返回图5-2码型变换电路

图5-2码型变换电路返回图5-2码型变换电路图5-2码型变换电路55.1光发送机按照光纤通信系统采用光源的不同，其驱动电路分为半导体发光二极管（LED）驱动电路和半导体激光器（LD）驱动电路。（1）半导体发光二极管（LED）驱动电路①对LED驱动电路的要求由于LED是通过其有源区，利用自发辐射机理发光的，即只要给它加上电流，就会发出荧光，因此LED驱动电路比较简单。由LED的特性可知，LED的输出功率随工作电流呈线性变化的，且在工作电流保持不变的情况下，其输出光功率随温度的升高而下降的幅度不大（如从室温升高到100℃时，功率下降为50%），通过电路设计就可将该下降控制在可容忍的范围内。因此在LED驱动电路中不需要直流偏置调整电路，其直流偏置可以选择在零点，即输入信号为零时，输出功率就为零。返回下一页上一页5.1光发送机按照光纤通信系统采用光源的不同，其驱动电路分65.1光发送机按照上面的分析，光纤通信系统对LED驱动电路的要求为：LED的驱动电路能提供足够的驱动电流；能够满足响应速度的要求。②LED驱动电路举例·集成元件驱动器，如图5-3所示。它是利用74S140集成元件构成的LED驱动电路。该电路中，电阻R起限流作用，电容C起加速作用，以便获得相应响应速率的光脉冲信号。基本工作原理：当输入的码型信号为高电平时，LED中无加载电流，则LED不发光；当输入码型信号为低电平时，LED被加载工作电流，则LED发光。由于74S140的特性，决定了该电路可以提供的最大驱动电流为60mA。返回下一页上一页5.1光发送机按照上面的分析，光纤通信系统对LED驱动电路7返回图5-3集成元件LED驱动电路图5-3集成元件LED驱动电路返回图5-3集成元件LED驱动电路图5-3集成元件LED85.1光发送机由于74S140的特性，决定了该电路可以提供的最大驱动电流为60mA。·三极管单管驱动电路，如图5-4所示。它是采用双极型三极管构成的单管LED驱动电路。在该电路中，利用三极管T作为电子开关，可以获得β倍的电流增益，电阻R2为限流电阻，电阻R1和电容C1起加速作用，可控制开关速度。通过三极管T、电阻R1、R2和电容C1的选型,可使LED工作在合理的状态。因为VEE是较小的负电位，因此在电路中使用肖特基二极管D来控制负偏的深度。基本工作原理：当输入信号为高电平时，三极管T处于导通状态，VCC提供的电流，流经电阻R2、三极管T和VEE构成的回路，不能被有效加载到到LED上，则LED不发光；当输入信号为低电平时，三极管T处于截止状态，VCC经电阻R2向LED提供工作电流，则LED发光。返回下一页上一页5.1光发送机由于74S140的特性，决定了该电路可以提供9返回图5-4三极管单管LED驱动电路

图5-4三极管单管LED驱动电路返回图5-4三极管单管LED驱动电路图5-4三极管105.1光发送机射极耦合驱动电路，如图5-5所示。它也是采用三极管构成的，晶体管工作在非饱和与非深截止状态，工作速率较高，负载稳定，容易调整，便于与LD驱动电路兼容。电路中的VBB为固定输入的参考电压。基本工作原理：该电路看上去像一个线性差分放大器，实际上是一个电流开关电路，当输入信号为高电平（>VBB）时，三极管T1导通，T2截止，则LED不发光；当输入信号为低电平(<VBB)时，三极管T1截止，T2导通，则LED发光。射极耦合驱动电路开关转换时间短、响应速度快、结构简单、调控简便，被广泛用作数字光纤通信系统中的LED驱动。单管驱动电路和射极耦合驱动电路均可获得较大的驱动电流（一般可达120mA）。返回下一页上一页5.1光发送机射极耦合驱动电路，如图5-5所示。它也是采用11返回图5-5射极耦合LED驱动电路

图5-5射极耦合LED驱动电路返回图5-5射极耦合LED驱动电路图5-5射极耦合125.1光发送机（2）半导体激光器（LD）驱动电路①对LD驱动电路的要求在光发射机中，半导体激光器的驱动电路是利用输入的电信号，调制激光器的发光强度，保证发射光的光功率及足够快的响应速度，因此要求其驱动电路能够做到高速调制响应。②LD驱动电路举例·LD单管驱动电路，如图5-6所示。基本工作原理：结合上述电路的原理，读者可自行分析，这里不再赘述。返回下一页上一页5.1光发送机（2）半导体激光器（LD）驱动电路返回下一页13返回图5-6LD单管驱动电路

图5-6LD单管驱动电路返回图5-6LD单管驱动电路图5-6LD单管驱动电145.1光发送机该电路可获得较大的驱动电流，但对电源要求较高。·射极耦合驱动电路。该电路的结构及原理，请参考LED相关的内容。·双端输入驱动电路，如图5-7所示。该电路是采用双端反相输入，Ib是为LD提供的直流偏置电流，T3构成的是恒流源。基本工作原理：当输入信号为高电平时，T1基极为低电平，使T1截止；T2基极被加载高电平，使T2导通，此时，LD发光。反之，则LD不发光。该驱动电路，由于是采用恒流源、双端反相输入的结构，在T1和T2的基极上所加的信号是大小相等、相位相反的，使其开关速度提高，具有较好的温度稳定性和抗电源干扰能力。恒流源的应用，可加强负反馈，提高了电路的共模抑制比，使LD能够稳定工作。返回下一页上一页5.1光发送机该电路可获得较大的驱动电流，但对电源要求较高15返回图5-7双端输入驱动电路

图5-7双端输入驱动电路返回图5-7双端输入驱动电路图5-7双端输入驱动电165.1光发送机5.自动光功率控制LD的输出特性受环境温度和老化效应的影响较大，主要表现在对LD阈值和微分量子效率的影响上。按照第三章的式（3-17）的描述，温度升高，则阈值电流变大，输出光功率下降，如图5-8所示。另外微分量子效率也同样受到类似的影响。其影响程度见下式∮d=∮0e-T/T0（5-1）式中T0称为特征温度，∮0为T0为时的微分量子效率。返回下一页上一页5.1光发送机5.自动光功率控制返回下一页上一页17返回图5-8阈值电流变化对光功率的影响图5-8阈值电流变化对光功率的影响返回图5-8阈值电流变化对光功率的影响图5-8阈值电流变185.1光发送机式（5-1）说明，温度升高，则LD的微分量子效率变小（电－光转换斜率变小），即LD的P-I曲线斜率减小。其结果是当LD驱动电流不变的情况下，输出的光脉冲的幅度将下降，并低于通信系统允许的值。若LD驱动电流本来就较小，则温度的影响，会导致LD无法发光。因此为了稳定光功率的输出，必须在光发送机中，设计功率控制电路。比较适用的、简单的方法是调整LD的直流偏置电流，即：使直流偏置电流随LD的阈值电流变化而变化，从而保证LD的输出光功率不变。返回下一页上一页5.1光发送机式（5-1）说明，温度升高，则LD的微分量子195.1光发送机（1）光功率控制的主要作用光功率控制的主要作用是对LD因为环境温度变化或老化效应导致的光功率变化，进行自动补偿，使光功率输出保持在系统要求的范围内。另外，通过光功率控制，自动控制光发送机的输入信号中连续“0”或无信号输入时，使LD不发光。（2）光功率控制电路如图5-8所示为带有反馈的光功率控制的LD驱动电路。该电路中采用射极耦合电路驱动LD，利用检测器（PD）、运放A1和三极管T3构成的电路作为光功率补偿控制电路。UR为直流参考电压。返回下一页上一页5.1光发送机（1）光功率控制的主要作用返回下一页上一页20返回图5-8自动光功率控制LD驱动电路

图5-8自动光功率控制LD驱动电路返回图5-8自动光功率控制LD驱动电路图5-8自动215.1光发送机6.自动温度控制（1）温度控制的作用在前面的光功率自动控制部分中，介绍了当环境温度升高、输出光功率下降后，利用其光功率自动控制电路，使输出光功率保持恒定的办法，但在这种情况下，LD是工作在高温环境下的，势必影响其寿命。另外，温度的升高还会影响LD反射光的波长，如：A1GaAsP激光器，在温度升高时，其输出光波向长波长方向，一般漂移2／℃左右；InGaAsP激光器，其变化率一般为4～5／℃左右。因此有必要对LD使用温度控制电路。返回下一页上一页5.1光发送机6.自动温度控制返回下一页上一页225.1光发送机（2）温度控制方法在光发送机中，温度控制电路也是一种必要的辅助电路。LD温度控制的方法主要有环境温度控制法和自动温度控制（ATC）。环境温度控制法是一种非自动温度控制法，主要的措施是对通信机房进行空调控制。但这种方法势必会增加成本，并且不是根本的技术手段。目前在光纤通信系统中，多采用半导体致冷器控制方式，这是一种自动温度控制方式。（3）自动温度控制自动温度控制系统一般由致冷器、热敏电阻和控制电路等部件组成。如图5-9所示，为自动温度控制系统的框图。返回下一页上一页5.1光发送机（2）温度控制方法返回下一页上一页23返回图5-9自动温度控系统框图

图5-9自动温度控系统框图返回图5-9自动温度控系统框图图5-9自动温度控系245.1光发送机在这个系统中，将致冷器的冷端和作为温度传感器的热敏电阻，均贴在LD的热沉上，这样LD的温度变化信息会被热敏电阻传递给控制电路，再由控制电路控制通过致冷器的电流就可以控制LD的工作温度，从而实现自动温度控制。很明显，这种系统是利用了珀尔帖效应的机理。（4）自动温度控制电路如图5-10，是自动温度控制电路。该电路中，电阻R1、R2、R3和热敏电阻RT构成了一个电桥，它与运放A1、A2一起构成了温度控制电路，通过将非电量的温度的变化转换成电量的变化，去调整控制致冷器的直流电流。这里的RT是一个具有负温度系数的热敏电阻。返回下一页上一页5.1光发送机在这个系统中，将致冷器的冷端和作为温度传感器25返回图5-10自动温度控制图5-10自动温度控制返回图5-10自动温度控制图5-10自动温度控制265.1光发送机基本工作原理：当电桥处于平衡状态时，运放A1两个输入端的压差为0,运放A1的输出电压也为0,不对致冷器进行调节；当LD组件内的温度升高时，运算放大器Al的反相输入端的电平降低（热敏电阻具有负温度系数，且运放正相输入端的电位没有变化），使运放A1输出端的电平升高，三极管T的电流增加，即致冷器的致冷电流增加，其致冷端温度下降，吸走增加的热量，使LD组件内的温度下降，经过这样的调节后，达到热动态平衡状态，使LD组件内的温度维持在LD所需要的环境温度。返回下一页上一页5.1光发送机基本工作原理：当电桥处于平衡状态时，运放A1275.1光发送机5.1.2光发送机主要技术指标1.输出光功率及其稳定性输出光功率是指耦合进光纤的功率，即出纤功率，一般为0.0101mW～5mW。稳定性要求是指当环境温度变化或器件老化过程中，输出光功率要保持恒定。2.平均发光功率P平均发光功率是指光发送机在“0”、“1”码等概率调制情况下的光功率，单位为dBm。它与激光器最大发送光功率Pmax的关系是3.谱宽谱宽是指光发送机中光源器件的谱线宽度。谱宽越窄越好。谱宽越窄，则由它引起的光纤色散越小，有利于进行大容量的信息传输。返回下一页上一页5.1光发送机5.1.2光发送机主要技术指标返回下一页上28返回单纵模谱宽

图5-11单纵模谱宽返回单纵模谱宽图5-11单纵模谱宽295.1光发送机4.光源器件的寿命要求光源器件的寿命越长越好，一般为数万小时以上。5.消光比消光比指标的提出，是因为光源在实际运行过程中，当输入电信号为“0”时，仍然会发光－“荧光”，所以利用消光比的概念来描述信号为“0”时光功率的损失程度。消光比的定义：电信号为全“1”时发送机光功率与电信号为全“0”时发送机光功率的比值，即EXT=101gp1/P2(dB)式中表示全“1”时发送机光功率、表示全“0”时发送机光功率

返回上一页5.1光发送机4.光源器件的寿命返回上一页305.2数字光接收机5.2.1数字光接收机在光端机中，除了光发送机外，还有光接收机。数字光接收机在数字光纤通信系统中具有作用的地位。在光纤通信系统中，光脉冲信号经过长距离的传输后，由于损耗、色散等因素的影响，到达光接收机的时候，变得很微弱，此时光接收机就是将衰减、变形的微弱光脉冲信号，通过光-电转换，转换为电脉冲信号，并进行放大、均衡与再生处理，将其还原成为标准的数字脉冲信号。其组成框图如图5-12所示1.数字光接收机的组成从图5-12可以看出，数字光接收机是由光电检测器、前置放大器、主放大器、自动增益控制电路（AGC）、均衡与时钟提取及判决电路组成的。返回下一页5.2数字光接收机5.2.1数字光接收机返回下一页31返回图5-12光接收机组成框图

图5-12光接收机组成框图返回图5-12光接收机组成框图图5-12光接收机组325.2数字光接收机（1）光电检测器光电检测器是数字光接收机的核心器件，它和接收机中的前置放大器一起被称为光接收机前端，其性能是决定光接收机性能的关键因素之一。光电检测器的功能是将接收到的光信号变换为电信号,以实现电子放大。常用的光检测器主要有PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。PIN光电二极管没有倍增，使用简单，工作偏压低，而且可以固定不变，不需要任何控制。APD具有很高的内部倍增因子，它与合理设计的电子放大器结合，可以使APD工作在最佳倍增工作状态（使接收机的接收灵敏度比采用PIN光电二极管的高出约10dB）。

返回下一页上一页5.2数字光接收机（1）光电检测器返回下一页上一页335.2数字光接收机（2）前置放大器前置放大器是将光电检测器产生的微弱光电流进行预放大。它与光电检测器要合理匹配，从而使输出信号的信噪比尽可能大。经过光电检测器放大输出的脉冲信号一般为mV数量级。前置放大器的噪声性能对光接收机的灵敏度有较大影响。关于前置放大器的噪声，稍后介绍。（3）主放大器主放大器是一个高增益的宽带放大器，其作用是对来自于前置放大器的微弱信号进行放大。其增益一般在50dB以上，输出脉冲幅度一般在1～3V（峰-峰值），这样可满足判决再生电路对判决电平的要求。返回下一页上一页5.2数字光接收机（2）前置放大器返回下一页上一页345.2数字光接收机（4）均衡器均衡器是一个信号波形的再处理电路，主要是对主放大器的输出脉冲信号进行均衡处理，使其码间干扰最小、能量集中，有利于进行判决的升余弦频谱波形，同时通过均衡可以合理压缩主放大器过宽的带宽，减少数字光接收放大器的噪声，提高其输出信噪比。均衡器实质上是一个匹配滤波器。经过均衡器电路处理后，可以得到最佳判决，从而得到理想的接收灵敏度。（5）判决与时钟提取判决再生电路的作用是对均衡器输出的脉冲信号，逐个进行判决，并再生成波形整齐的脉冲码流。返回下一页上一页5.2数字光接收机（4）均衡器返回下一页上一页355.2数字光接收机（6）自动增益控制自动增益控制就是通过反馈，控制前置放大器和主放大器的增益，使光接收机工作在规定的动态范围内。（7）检测器偏压检测器偏压电路是一个直流变换器。它将设备的直流工作电压转换成为直流高压，从而向APD提供反向偏压（PIN管偏压较低，约为10～20V，因此不需要检测器偏压电路）。检测器偏压电路受到AGC的控制，能自动调节向APD提供的高压值。返回下一页上一页5.2数字光接收机（6）自动增益控制返回下一页上一页365.2数字光接收机2.数字光接收机的噪声数字光接收机的噪声主要来自两个方面，即：光电检测器的噪声和放大器的噪声。光电检测器的噪声包括量子噪声、暗电流噪声和倍增噪声；电路噪声主要是前置放大器的噪声。前置放大器的噪声包括电阻热噪声及晶体管组件内部噪声。（1）光电检测器的噪声光电检测器的噪声是由于光电倍增过程的随机性和暗电流的起伏引起的，其概率分布为泊松分布。量子噪声。暗电流噪声。倍增噪声。返回下一页上一页5.2数字光接收机2.数字光接收机的噪声返回下一页上一页375.2数字光接收机（2）电路噪声电路噪声主要是前置放大器的噪声。一个放大器的噪声主要是由前置放大器的噪声决定的，这是因为前置放大器产生的噪声即使很小，在主放大器的输出端也会由于主放大器的增益作用变得很大。因此一般在讨论放大器噪声的时候，只讨论前置放大器的噪声就可以了。电阻热噪声。由于随机热运动使电阻两端电压发生起伏，称为电阻的热噪声。晶体管组件内部噪声。晶体管组件内部噪声包括晶体管的热噪声、散粒噪声（通过PN结扩散时载流子数量上的随机起伏引起的噪声）等返回下一页上一页5.2数字光接收机（2）电路噪声返回下一页上一页38返回5.2数字光接收机上一页

下一页5.2.2数字光接收机主要技术指标1.光接收机灵敏度光接收机灵敏度是指在保证给定的误码率(如10-9)条件下，所需的最小平均接收光功率（），即（5-5）式中表示光接收机的灵敏度、表示光接收机平均接收光功率（W）。一般地，是在随机码情况下的接收平均光功率。（1）APD光接收机的灵敏度计算（5-6）返回5.2数字光接收机上一页下一页5.2.2数字光接39返回5.2数字光接收机上一页

（2）PIN光接收机的灵敏度计算（5-7）灵敏度是最能反映接收机综合性能的指标，灵敏度的值（）越小，光接收机的质量越高。2.光接收机过载光功率光接收机过载光功率是指在保证给定的误码率条件下，光接收机所允许的最大光功率3.动态范围（5-8）返回5.2数字光接收机上一页（2）PIN光接收机的灵敏405.3光中继器光信号在光纤中进行传输过程中，光纤的损耗特性会造成光信号的衰减、其色散特性使光脉冲展宽，造成波形失真，这些因素不仅影响光信号的传输距离，还会造成码间干扰，增加误码率，因此为了满足长距离通信，必须在传输线路中加光中继器以补偿光的衰减并对波形失真的脉冲进行整形再生。5.3.1光中继器的类型光中继器，可分为光-电-光中继器和全光中继器两大类。光-电-光中继器比较复杂，它包括了光接收机的光／电变换和光发送机的电／光变换的主要部件。目前的光纤通信系统、还是普遍采用光-电-光中继器。

返回下一页5.3光中继器光信号在光纤中进行传输过程中，光纤的损耗特性415.3光中继器5.3.2光-电-光中继器1.光-电-光中继器的组成光-电-光中继器的组成框图如图5-13所示。它主要由光电检测器、放大器、均衡器、自动增益控制、判决、调制电路、光源等组成，涉及了光发送机和光接收机的主要部分。2.光-电-光中继器的功能从中继器的组成上可以概括其主要功能，即均衡放大-将输入的已失真的小信号加以均衡放大。定时提取-从输入信号中提取时钟频率，并得到定时脉冲。返回下一页上一页5.3光中继器5.3.2光-电-光中继器返回下一页上一页42返回图5-13光-电-光中继器组成框图

图5-13光-电-光中继器组成框图返回图5-13光-电-光中继器组成框图图5-13光435.3光中继器5.3.3全光中继器全光中继器，即光放大器，其特点是直接放大光信号，不需要光电、电光转换，对信号的格式、速率具有高度的透明性（因为光放大器只是放大所收到的信号，所以支持任何比特率和信号格式），使系统的结构简单、灵活。光放大器主要包括半导体光放大器和光纤放大器两种。半导体光放大器（SOA）是由半导体材料制成的，如果将半导体激光器两端的反射去除，即变成没有反馈的半导体行波光放大器，它能适合不同波长的光放大。光纤放大器又包括两种，即非线性光纤放大器和掺杂光纤放大器（如掺铒光纤放大器（EDFA））返回下一页上一页5.3光中继器5.3.3全光中继器返回下一页上一页445.3光中继器1.掺铒光纤放大器（EDFA）的特点工作波长在1.53～1.56μm范围；泵浦功率低，仅需几十毫瓦；增益高、噪声低、输出功率大，它的增益可达40dB，噪声系数可低至3～4dB（意味着可级联多个放大器），输出功率可达14～20dBm；连接损耗低，因为是光纤型放大器，因此与光纤连接比较容易，连接损耗可低至0.1dB。2.掺铒光纤放大器的能级与光辐射（1）能级掺铒光纤中的铒离子是个三价离子，即Er3+，其外层电子三能级结构，如图5-14所示，其中E1是基态，E2是亚稳态，E3是高能态。返回下一页上一页5.3光中继器1.掺铒光纤放大器（EDFA）的特点返回下45返回图5-14Er3+离子的能级

图5-14Er3+离子的能级返回图5-14Er3+离子的能级图5-14Er3+465.3光中继器（2）辐射原理泵浦源作用到掺铒光纤时，Er3+离子的电子从基态E1被大量激发到高能态E3上。由于其高能态的不稳定，铒离子进入亚稳态E2（无辐射跃迁（即不释放光子））。而E2是一个亚稳态的能带，在该能级上，粒子的存活寿命较长（大约10ms）。受到泵浦光激励的粒子，以非辐射跃迁的形式不断地向该能级汇集，从而实现粒子数反转分布。当入射光信号通过这段掺铒光纤时，亚稳态的粒子受入射光子的激发，以受激辐射的形式跃迁到基态，并产生出与入射信号光子完全相同的光子，从而大大增加了信号光中的光子数量，即实现了信号光在掺铒光纤传输过程中的不断被放大的功能。返回下一页上一页5.3光中继器（2）辐射原理返回下一页上一页475.3光中继器3.掺铒光纤放大器基本结构掺铒光纤放大器基本结构如图5-15所示，它是由掺铒光纤、光耦合器、光隔离器、泵浦激光器、分光器、光探测器等部分构成。其中，光耦合器是将信号光和泵浦光耦合；泵浦激光器是将铒离子从低能级泵浦到高能级，从而形成粒子数反转；分光器是将主通道上的光信号分出一小部分光信号送入光探测器以实现对主通道中光功率的监测功能；光探测器是将接收的光功率通过光/电转换变成光电流，从而对EDFA模块的输入、输出光功率进行监测。返回下一页上一页5.3光中继器3.掺铒光纤放大器基本结构返回下一页上一页48返回图5-15掺铒光纤放大器基本结构

图5-15掺铒光纤放大器基本结构返回图5-15掺铒光纤放大器基本结构图5-15掺铒光纤495.3光中继器4.掺铒光纤放大器应用类型根据掺铒光纤放大器在系统中的位置及作用，可以分成以下三种类型，即：功率放大器-处于合波器之后，用于对合波以后的多个波长信号进行功率提升，然后再进行传输，由于合波后的信号功率一般都比较大，所以，对一功率放大器的噪声指数、增益要求并不是很高，但要求放大后，有比较大的输出功率。线路放大器-处于功率放大器之后，用于周期性地补偿线路传输损耗，一般要求比较小的噪声指数，较大的输出光功率。返回上一页5.3光中继器4.掺铒光纤放大器应用类型返回上一页505.4线路码型简介线路码型是指信道码型（与信源码型不同），它是将二进制的数字串变换为适合于特定传输媒介传输的形式。如在数字电缆、微波通信中，可使用HDB3码型。对于数字光纤通信系统，在分析其传输媒介-光纤的特性及光电转换器件（即光源器件和光检测器件）的特性基础上，选择适合光纤传输的线路码型。1.对光纤传输线路码型的选择的要求（1）比特序列的独立性比特序列的独立性是指无论输入什么样序列的二进制码流，在接收端进行解码时，能唯一正确地恢复原信号。（2）提供足够的定时信息数字光纤传输时，只传送信码，而不传送时钟，因此在接收端，要从收到的码流中提取定时信号。返回下一页5.4线路码型简介线路码型是指信道码型（与信源码型不同），515.4线路码型简介（3）减少功率谱密度中的高低频分量低频分量小，说明“0”、“1”分布比较均匀，直流电平比较恒定，有利于接收端的判决。（4）误码倍增小线路传输中发生的一个误码，往往使接收端的解码发生多个错误，这就是误码倍增。由于误码倍增，使光接收机要达到原要求的误码性能指标，必须付出光功率代价，即光接收机灵敏度劣化。（5）便于实现不中断业务的误码监测（6）易于在传送主信息（业务信息）的同时，传送监控、公务、数据等维护管理信息。返回下一页上一页5.4线路码型简介（3）减少功率谱密度中的高低频分量返回下525.4线路码型简介2.线路码型设计方法在光纤通信系统中，其线路码型的设计方法，是将标准码率提高一些，进行适当的编码，来适应光纤传输的要求。由于提高了码率，所以可实现平衡码流（减少连续多个“0”,使“0”、“1”等概出现）、误码检测和公务联络等。3.常用线路码型（1）mBnB码：mBnB码就是将原信号码元，以m个bit为一组，按照一定的规则（变换表），变换为n个bit的输出码字（编码后的码字）。m、n均为正整数、n>m，一般取n=m+1。从表5-1可以发现，输入码字共个，输出的码字可能有个。另外8个输出码字中，在变换表中未使用的有011、101和111，这3个未用的码字称为禁用码。返回下一页上一页5.4线路码型简介2.线路码型设计方法返回下一页上一页53返回表5-12B3B码变换表

表5-12B3B码变换表输入码字输出码字模式1模式200001001010100101010010011110000返回表5-12B3B码变换表表5-12B3B码变换545.4线路码型简介（2）CMI码CMI码即传号反转码，它是一种1B2B码。这种码型被ITU-TG.703规定为139264kbit/s和155520kbit/s的物理/电气接口的码型。码型变换表如表5-2所示。从表5-2可见，CMI码的变换规则是输入码“0”，变换为输出码“01”，输入码“1”，变换为输出码“00”或“11”交替代替。（3）mB1P码在mB1P码型中，将输入码每m个bit为一个码字，检查其传号的奇偶性，依据奇偶校验规则，再插入1个bit的校验位，构成mB1P输出码字。如：若采用奇校验，当输入码字（mB）中“1”的个数为奇数时，则插入的一个bit-“0”，作为校验位,否则,插入“1”，如表5-3所示。返回下一页上一页5.4线路码型简介（2）CMI码返回下一页上一页55返回表5-2CMI码变换表表5-2CMI码变换表输入码字输出码字模式1模式20010110011返回表5-2CMI码变换表表5-2CMI码变换表输入码字56返回表5-3mB1P码变换表

mB码(m=3)输出码字(mB1P)奇校验偶校验00000010000001001000110100100010111011011100表5-3mB1P码变换表

返回表5-3mB1P码变换表mB码(m=3)输出码字(m575.4线路码型简介（4）mB1C码mB1C码是在mB码后插入前i位的反码，而不是校验位。一般取i=1,2。（5）mB1H码mB1H码是由mB1C码演变而成的，即在mB1C码中，扣除部分C码，并在相应的码位上插入一个混合码（H码），所以称为mB1H码。所插入的H码可以根据不同用途分为三类：第一类是C码，它是第m位码的反码，用于在线误码率监测；第二类是L码，用于区间通信；第三类是G码，用于帧同步、公务、数据、监测等信息的传输。原邮电部规定了几种在公用网上使用的码型：5B6B、CMI、1B1H以及565Mbit/s光纤传输系统用的8B1H等。返回上一页5.4线路码型简介（4）mB1C码返回上一页58第五章光端机

5.1光发送机

5.2数字光接收机

5.3光中继器

5.4线路码型简介

第五章光端机5.1光发送机595.1光发送机5.1.1.光发送机光发送机构成如图5-1所示。它是由电信号输入接口、码型变换电路、预处理电路、驱动电路、自动功率控制电路（APC）和自动温度控制电路（ATC）、光源器件等组成的。1.输入接口电端机送来的电信号一般是PCM信号，该信号电平通常是三电平，即+12V、0V和-12V，而光发送机一般选择的是归零码（RZ码）或者不归零码（NRZ码），因此要通过输入接口进行PCM码到RZ或者NRZ的码型转换。2.码型变换光发送机的输入数字脉冲信号的码型选择与整个数字光纤通信系统的总体设计有关，一般在中速数字光纤通信系统中采用RZ码型，而在高速或超高速的数字光纤通信系统中采用NRZ码型。返回下一页5.1光发送机5.1.1.光发送机返回下一页60返回图5-1光发送机构成框图

图5-1光发送机构成框图返回图5-1光发送机构成框图图5-1光发送机构成框615.1光发送机在光发送机中，若采用RZ码作为输入信号，则必须将NRZ码变换成RZ码，该码型变换电路如图5-2所示，图中的CP信号为输入时钟脉冲。另外在实用的光纤通信系统中，往往会通过码型变换电路的设计，实现光纤通信的误码监测、公务联络等功能（如在PDH通信系统中，SDH则不需要该变换功能）。3.预处理预处理的功能就是对码型信号进行波形的整形处理（如占空比等），以适应光发送机的要求。4.驱动电路及光源该部分是光发送机的核心组件，其作用是将电信号变成光信号。该组件影响着光发送机的性能指标。返回下一页上一页5.1光发送机在光发送机中，若采用RZ码作为输入信号，则62返回图5-2码型变换电路

图5-2码型变换电路返回图5-2码型变换电路图5-2码型变换电路635.1光发送机按照光纤通信系统采用光源的不同，其驱动电路分为半导体发光二极管（LED）驱动电路和半导体激光器（LD）驱动电路。（1）半导体发光二极管（LED）驱动电路①对LED驱动电路的要求由于LED是通过其有源区，利用自发辐射机理发光的，即只要给它加上电流，就会发出荧光，因此LED驱动电路比较简单。由LED的特性可知，LED的输出功率随工作电流呈线性变化的，且在工作电流保持不变的情况下，其输出光功率随温度的升高而下降的幅度不大（如从室温升高到100℃时，功率下降为50%），通过电路设计就可将该下降控制在可容忍的范围内。因此在LED驱动电路中不需要直流偏置调整电路，其直流偏置可以选择在零点，即输入信号为零时，输出功率就为零。返回下一页上一页5.1光发送机按照光纤通信系统采用光源的不同，其驱动电路分645.1光发送机按照上面的分析，光纤通信系统对LED驱动电路的要求为：LED的驱动电路能提供足够的驱动电流；能够满足响应速度的要求。②LED驱动电路举例·集成元件驱动器，如图5-3所示。它是利用74S140集成元件构成的LED驱动电路。该电路中，电阻R起限流作用，电容C起加速作用，以便获得相应响应速率的光脉冲信号。基本工作原理：当输入的码型信号为高电平时，LED中无加载电流，则LED不发光；当输入码型信号为低电平时，LED被加载工作电流，则LED发光。由于74S140的特性，决定了该电路可以提供的最大驱动电流为60mA。返回下一页上一页5.1光发送机按照上面的分析，光纤通信系统对LED驱动电路65返回图5-3集成元件LED驱动电路图5-3集成元件LED驱动电路返回图5-3集成元件LED驱动电路图5-3集成元件LED665.1光发送机由于74S140的特性，决定了该电路可以提供的最大驱动电流为60mA。·三极管单管驱动电路，如图5-4所示。它是采用双极型三极管构成的单管LED驱动电路。在该电路中，利用三极管T作为电子开关，可以获得β倍的电流增益，电阻R2为限流电阻，电阻R1和电容C1起加速作用，可控制开关速度。通过三极管T、电阻R1、R2和电容C1的选型,可使LED工作在合理的状态。因为VEE是较小的负电位，因此在电路中使用肖特基二极管D来控制负偏的深度。基本工作原理：当输入信号为高电平时，三极管T处于导通状态，VCC提供的电流，流经电阻R2、三极管T和VEE构成的回路，不能被有效加载到到LED上，则LED不发光；当输入信号为低电平时，三极管T处于截止状态，VCC经电阻R2向LED提供工作电流，则LED发光。返回下一页上一页5.1光发送机由于74S140的特性，决定了该电路可以提供67返回图5-4三极管单管LED驱动电路

图5-4三极管单管LED驱动电路返回图5-4三极管单管LED驱动电路图5-4三极管685.1光发送机射极耦合驱动电路，如图5-5所示。它也是采用三极管构成的，晶体管工作在非饱和与非深截止状态，工作速率较高，负载稳定，容易调整，便于与LD驱动电路兼容。电路中的VBB为固定输入的参考电压。基本工作原理：该电路看上去像一个线性差分放大器，实际上是一个电流开关电路，当输入信号为高电平（>VBB）时，三极管T1导通，T2截止，则LED不发光；当输入信号为低电平(<VBB)时，三极管T1截止，T2导通，则LED发光。射极耦合驱动电路开关转换时间短、响应速度快、结构简单、调控简便，被广泛用作数字光纤通信系统中的LED驱动。单管驱动电路和射极耦合驱动电路均可获得较大的驱动电流（一般可达120mA）。返回下一页上一页5.1光发送机射极耦合驱动电路，如图5-5所示。它也是采用69返回图5-5射极耦合LED驱动电路

图5-5射极耦合LED驱动电路返回图5-5射极耦合LED驱动电路图5-5射极耦合705.1光发送机（2）半导体激光器（LD）驱动电路①对LD驱动电路的要求在光发射机中，半导体激光器的驱动电路是利用输入的电信号，调制激光器的发光强度，保证发射光的光功率及足够快的响应速度，因此要求其驱动电路能够做到高速调制响应。②LD驱动电路举例·LD单管驱动电路，如图5-6所示。基本工作原理：结合上述电路的原理，读者可自行分析，这里不再赘述。返回下一页上一页5.1光发送机（2）半导体激光器（LD）驱动电路返回下一页71返回图5-6LD单管驱动电路

图5-6LD单管驱动电路返回图5-6LD单管驱动电路图5-6LD单管驱动电725.1光发送机该电路可获得较大的驱动电流，但对电源要求较高。·射极耦合驱动电路。该电路的结构及原理，请参考LED相关的内容。·双端输入驱动电路，如图5-7所示。该电路是采用双端反相输入，Ib是为LD提供的直流偏置电流，T3构成的是恒流源。基本工作原理：当输入信号为高电平时，T1基极为低电平，使T1截止；T2基极被加载高电平，使T2导通，此时，LD发光。反之，则LD不发光。该驱动电路，由于是采用恒流源、双端反相输入的结构，在T1和T2的基极上所加的信号是大小相等、相位相反的，使其开关速度提高，具有较好的温度稳定性和抗电源干扰能力。恒流源的应用，可加强负反馈，提高了电路的共模抑制比，使LD能够稳定工作。返回下一页上一页5.1光发送机该电路可获得较大的驱动电流，但对电源要求较高73返回图5-7双端输入驱动电路

图5-7双端输入驱动电路返回图5-7双端输入驱动电路图5-7双端输入驱动电745.1光发送机5.自动光功率控制LD的输出特性受环境温度和老化效应的影响较大，主要表现在对LD阈值和微分量子效率的影响上。按照第三章的式（3-17）的描述，温度升高，则阈值电流变大，输出光功率下降，如图5-8所示。另外微分量子效率也同样受到类似的影响。其影响程度见下式∮d=∮0e-T/T0（5-1）式中T0称为特征温度，∮0为T0为时的微分量子效率。返回下一页上一页5.1光发送机5.自动光功率控制返回下一页上一页75返回图5-8阈值电流变化对光功率的影响图5-8阈值电流变化对光功率的影响返回图5-8阈值电流变化对光功率的影响图5-8阈值电流变765.1光发送机式（5-1）说明，温度升高，则LD的微分量子效率变小（电－光转换斜率变小），即LD的P-I曲线斜率减小。其结果是当LD驱动电流不变的情况下，输出的光脉冲的幅度将下降，并低于通信系统允许的值。若LD驱动电流本来就较小，则温度的影响，会导致LD无法发光。因此为了稳定光功率的输出，必须在光发送机中，设计功率控制电路。比较适用的、简单的方法是调整LD的直流偏置电流，即：使直流偏置电流随LD的阈值电流变化而变化，从而保证LD的输出光功率不变。返回下一页上一页5.1光发送机式（5-1）说明，温度升高，则LD的微分量子775.1光发送机（1）光功率控制的主要作用光功率控制的主要作用是对LD因为环境温度变化或老化效应导致的光功率变化，进行自动补偿，使光功率输出保持在系统要求的范围内。另外，通过光功率控制，自动控制光发送机的输入信号中连续“0”或无信号输入时，使LD不发光。（2）光功率控制电路如图5-8所示为带有反馈的光功率控制的LD驱动电路。该电路中采用射极耦合电路驱动LD，利用检测器（PD）、运放A1和三极管T3构成的电路作为光功率补偿控制电路。UR为直流参考电压。返回下一页上一页5.1光发送机（1）光功率控制的主要作用返回下一页上一页78返回图5-8自动光功率控制LD驱动电路

图5-8自动光功率控制LD驱动电路返回图5-8自动光功率控制LD驱动电路图5-8自动795.1光发送机6.自动温度控制（1）温度控制的作用在前面的光功率自动控制部分中，介绍了当环境温度升高、输出光功率下降后，利用其光功率自动控制电路，使输出光功率保持恒定的办法，但在这种情况下，LD是工作在高温环境下的，势必影响其寿命。另外，温度的升高还会影响LD反射光的波长，如：A1GaAsP激光器，在温度升高时，其输出光波向长波长方向，一般漂移2／℃左右；InGaAsP激光器，其变化率一般为4～5／℃左右。因此有必要对LD使用温度控制电路。返回下一页上一页5.1光发送机6.自动温度控制返回下一页上一页805.1光发送机（2）温度控制方法在光发送机中，温度控制电路也是一种必要的辅助电路。LD温度控制的方法主要有环境温度控制法和自动温度控制（ATC）。环境温度控制法是一种非自动温度控制法，主要的措施是对通信机房进行空调控制。但这种方法势必会增加成本，并且不是根本的技术手段。目前在光纤通信系统中，多采用半导体致冷器控制方式，这是一种自动温度控制方式。（3）自动温度控制自动温度控制系统一般由致冷器、热敏电阻和控制电路等部件组成。如图5-9所示，为自动温度控制系统的框图。返回下一页上一页5.1光发送机（2）温度控制方法返回下一页上一页81返回图5-9自动温度控系统框图

图5-9自动温度控系统框图返回图5-9自动温度控系统框图图5-9自动温度控系825.1光发送机在这个系统中，将致冷器的冷端和作为温度传感器的热敏电阻，均贴在LD的热沉上，这样LD的温度变化信息会被热敏电阻传递给控制电路，再由控制电路控制通过致冷器的电流就可以控制LD的工作温度，从而实现自动温度控制。很明显，这种系统是利用了珀尔帖效应的机理。（4）自动温度控制电路如图5-10，是自动温度控制电路。该电路中，电阻R1、R2、R3和热敏电阻RT构成了一个电桥，它与运放A1、A2一起构成了温度控制电路，通过将非电量的温度的变化转换成电量的变化，去调整控制致冷器的直流电流。这里的RT是一个具有负温度系数的热敏电阻。返回下一页上一页5.1光发送机在这个系统中，将致冷器的冷端和作为温度传感器83返回图5-10自动温度控制图5-10自动温度控制返回图5-10自动温度控制图5-10自动温度控制845.1光发送机基本工作原理：当电桥处于平衡状态时，运放A1两个输入端的压差为0,运放A1的输出电压也为0,不对致冷器进行调节；当LD组件内的温度升高时，运算放大器Al的反相输入端的电平降低（热敏电阻具有负温度系数，且运放正相输入端的电位没有变化），使运放A1输出端的电平升高，三极管T的电流增加，即致冷器的致冷电流增加，其致冷端温度下降，吸走增加的热量，使LD组件内的温度下降，经过这样的调节后，达到热动态平衡状态，使LD组件内的温度维持在LD所需要的环境温度。返回下一页上一页5.1光发送机基本工作原理：当电桥处于平衡状态时，运放A1855.1光发送机5.1.2光发送机主要技术指标1.输出光功率及其稳定性输出光功率是指耦合进光纤的功率，即出纤功率，一般为0.0101mW～5mW。稳定性要求是指当环境温度变化或器件老化过程中，输出光功率要保持恒定。2.平均发光功率P平均发光功率是指光发送机在“0”、“1”码等概率调制情况下的光功率，单位为dBm。它与激光器最大发送光功率Pmax的关系是3.谱宽谱宽是指光发送机中光源器件的谱线宽度。谱宽越窄越好。谱宽越窄，则由它引起的光纤色散越小，有利于进行大容量的信息传输。返回下一页上一页5.1光发送机5.1.2光发送机主要技术指标返回下一页上86返回单纵模谱宽

图5-11单纵模谱宽返回单纵模谱宽图5-11单纵模谱宽875.1光发送机4.光源器件的寿命要求光源器件的寿命越长越好，一般为数万小时以上。5.消光比消光比指标的提出，是因为光源在实际运行过程中，当输入电信号为“0”时，仍然会发光－“荧光”，所以利用消光比的概念来描述信号为“0”时光功率的损失程度。消光比的定义：电信号为全“1”时发送机光功率与电信号为全“0”时发送机光功率的比值，即EXT=101gp1/P2(dB)式中表示全“1”时发送机光功率、表示全“0”时发送机光功率

返回上一页5.1光发送机4.光源器件的寿命返回上一页885.2数字光接收机5.2.1数字光接收机在光端机中，除了光发送机外，还有光接收机。数字光接收机在数字光纤通信系统中具有作用的地位。在光纤通信系统中，光脉冲信号经过长距离的传输后，由于损耗、色散等因素的影响，到达光接收机的时候，变得很微弱，此时光接收机就是将衰减、变形的微弱光脉冲信号，通过光-电转换，转换为电脉冲信号，并进行放大、均衡与再生处理，将其还原成为标准的数字脉冲信号。其组成框图如图5-12所示1.数字光接收机的组成从图5-12可以看出，数字光接收机是由光电检测器、前置放大器、主放大器、自动增益控制电路（AGC）、均衡与时钟提取及判决电路组成的。返回下一页5.2数字光接收机5.2.1数字光接收机返回下一页89返回图5-12光接收机组成框图

图5-12光接收机组成框图返回图5-12光接收机组成框图图5-12光接收机组905.2数字光接收机（1）光电检测器光电检测器是数字光接收机的核心器件，它和接收机中的前置放大器一起被称为光接收机前端，其性能是决定光接收机性能的关键因素之一。光电检测器的功能是将接收到的光信号变换为电信号,以实现电子放大。常用的光检测器主要有PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。PIN光电二极管没有倍增，使用简单，工作偏压低，而且可以固定不变，不需要任何控制。APD具有很高的内部倍增因子，它与合理设计的电子放大器结合，可以使APD工作在最佳倍增工作状态（使接收机的接收灵敏度比采用PIN光电二极管的高出约10dB）。

返回下一页上一页5.2数字光接收机（1）光电检测器返回下一页上一页915.2数字光接收机（2）前置放大器前置放大器是将光电检测器产生的微弱光电流进行预放大。它与光电检测器要合理匹配，从而使输出信号的信噪比尽可能大。经过光电检测器放大输出的脉冲信号一般为mV数量级。前置放大器的噪声性能对光接收机的灵敏度有较大影响。关于前置放大器的噪声，稍后介绍。（3）主放大器主放大器是一个高增益的宽带放大器，其作用是对来自于前置放大器的微弱信号进行放大。其增益一般在50dB以上，输出脉冲幅度一般在1～3V（峰-峰值），这样可满足判决再生电路对判决电平的要求。返回下一页上一页5.2数字光接收机（2）前置放大器返回下一页上一页925.2数字光接收机（4）均衡器均衡器是一个信号波形的再处理电路，主要是对主放大器的输出脉冲信号进行均衡处理，使其码间干扰最小、能量集中，有利于进行判决的升余弦频谱波形，同时通过均衡可以合理压缩主放大器过宽的带宽，减少数字光接收放大器的噪声，提高其输出信噪比。均衡器实质上是一个匹配滤波器。经过均衡器电路处理后，可以得到最佳判决，从而得到理想的接收灵敏度。（5）判决与时钟提取判决再生电路的作用是对均衡器输出的脉冲信号，逐个进行判决，并再生成波形整齐的脉冲码流。返回下一页上一页5.2数字光接收机（4）均衡器返回下一页上一页935.2数字光接收机（6）自动增益控制自动增益控制就是通过反馈，控制前置放大器和主放大器的增益，使光接收机工作在规定的动态范围内。（7）检测器偏压检测器偏压电路是一个直流变换器。它将设备的直流工作电压转换成为直流高压，从而向APD提供反向偏压（PIN管偏压较低，约为10～20V，因此不需要检测器偏压电路）。检测器偏压电路受到AGC的控制，能自动调节向APD提供的高压值。返回下一页上一页5.2数字光接收机（6）自动增益控制返回下一页上一页945.2数字光接收机2.数字光接收机的噪声数字光接收机的噪声主要来自两个方面，即：光电检测器的噪声和放大器的噪声。光电检测器的噪声包括量子噪声、暗电流噪声和倍增噪声；电路噪声主要是前置放大器的噪声。前置放大器的噪声包括电阻热噪声及晶体管组件内部噪声。（1）光电检测器的噪声光电检测器的噪声是由于光电倍增过程的随机性和暗电流的起伏引起的，其概率分布为泊松分布。量子噪声。暗电流噪声。倍增噪声。返回下一页上一页5.2数字光接收机2.数字光接收机的噪声返回下一页上一页955.2数字光接收机（2）电路噪声电路噪声主要是前置放大器的噪声。一个放大器的噪声主要是由前置放大器的噪声决定的，这是因为前置放大器产生的噪声即使很小，在主放大器的输出端也会由于主放大器的增益作用变得很大。因此一般在讨论放大器噪声的时候，只讨论前置放大器的噪声就可以了。电阻热噪声。由于随机热运动使电阻两端电压发生起伏，称为电阻的热噪声。晶体管组件内部噪声。晶体管组件内部噪声包括晶体管的热噪声、散粒噪声（通过PN结扩散时载流子数量上的随机起伏引起的噪声）等返回下一页上一页5.2数字光接收机（2）电路噪声返回下一页上一页96返回5.2数字光接收机上一页

下一页5.2.2数字光接收机主要技术指标1.光接收机灵敏度光接收机灵敏度是指在保证给定的误码率(如10-9)条件下，所需的最小平均接收光功率（），即（5-5）式中表示光接收机的灵敏度、表示光接收机平均接收光功率（W）。一般地，是在随机码情况下的接收平均光功率。（1）APD光接收机的灵敏度计算（5-6）返回5.2数字光接收机上一页下一页5.2.2数字光接97返回5.2数字光接收机上一页

（2）PIN光接收机的灵敏度计算（5-7）灵敏度是最能反映接收机综合性能的指标，灵敏度的值（）越小，光接收机的质量越高。2.光接收机过载光功率光接收机过载光功率是指在保证给定的误码率条件下，光接收机所允许的最大光功率3.动态范围（5-8）返回5.2数字光接收机上一页（2）PIN光接收机的灵敏985.3光中继器光信号在光纤中进行传输过程中，光纤的损耗特性会造成光信号的衰减、其色散特性使光脉冲展宽，造成波形失真，这些因素不仅影响光信号的传输距离，还会造成码间干扰，增加误码率，因此为了满足长距离通信，必须在传输线路中加光中继器以补偿光的衰减并对波形失真的脉冲进行整形再生。5.3.1光中继器的类型光中继器，可分为光-电-光中继器和全光中继器两大类。光-电-光中继器比较复杂，它包括了光接收机的光／电变换和光发送机的电／光变换的主要部件。目前的光纤通信系统、还是普遍采用光-电-光中继器。

返回下一页5.3光中继器光信号在光纤中进行传输过程中，光纤的损耗特性995.3光中继器5.3.2光-电-光中继器1.光-电-光中继器的组成光-电-光中继器的组成框图如图5-13所示。它主要由光电检测器、放大器、均衡器、自动增益控制、判决、调制电路、光源等组成，涉及了光发送机和光接收机的主要部分。2.光-电-光中继器的功能从中继器的组成上可以概括其主要功能，即均衡放大-将输入的已失真的小信号加以均衡放大。定时提取-从输入信号中提取时钟频率，并得到定时脉冲。返回下一页上一页5.3光中继器5.3.2光-电-光中继器返回下一页上一页100返回图5-13光-电-光中继器组成框图

图5-13光-电-光中继器组成框图返回图5-13光-电-光中继器组成框图图5-13光1015.3光中继器5.3.3全光中继器全光中继器，即光放大器，其特点是直接放大光信号，不需要光电、电光转换，对信号的格式、速率具有高度的透明性（因为光放大器只是放大所收到的信号，所以支持任何比特率和信号格式），使系统的结构简单、灵活。光放大器主要包括半导体光放大器和光纤放大器两种。半导体光放大器（SOA）是由半导体材料制成的，如果将半导体激光器两端的反射去除，即变成没有反馈的半导体行波光放大器，它能适合不同波长的光放大。光纤放大器又包括两种，即非线性光纤放大器和掺杂光纤放大器（如掺铒光纤放大器（EDFA））返回下一页上一页5.3光中继器5.3.3全光中继器返回下一页上一页1025.3光中继器1.掺铒光纤放大器（EDFA）的特点工作波长在1.53～1.56μm范围；泵浦功率低，仅需几十毫瓦；增益高、噪声低、输出功率大，它的增益可达40dB，噪声系数可低至3～4dB（意味着可级联多个放大器），输出功率可达14～20dBm；连接损耗低，因为是光纤型放大器，因此与光纤连接比较容易，连接损耗可低至0.1dB。2.掺铒光纤放大器的能级与光辐射（1）能级掺铒光纤中的铒离子是个三价离子，即Er3+，其外层电子三能级结构，如图5-14所示，其中E1是基态，E2是亚稳态，E3是高能态。返回下一页上一页5.3光中继器1.掺铒光纤放大器（EDFA）的特点返回下103返回图5-14Er3+离子的能级

图5-14Er3+离子的能级返回图5-14Er3+离子的能级图5-14Er3+1045.3光中继器（2）辐射原理泵浦源作用到掺铒光纤时，Er3+离子的电子从基态E1被大量激发到高能态E3上。由于其高能态的不稳定，铒离子进入亚稳态E2（无辐射跃迁（即不释放光子））。而E2是一个亚稳态的能带，在该能级上，粒子的存活寿命较长（大约10ms）。受到泵浦光激励的粒子，以非辐射跃迁的形式不断地向该能级汇集，从而实现粒子数反转分布。当入射光信号通过这段掺铒光纤时，亚稳态的粒子受入射光子的激发，以受激辐射的形式跃迁到基态，并产生出与入射信号光子完全相同的光子，从而大大增加了信号光中的光子数量，即实现了信号光在掺铒光纤传输过程中的不断被放大的功能。返回下一页上一页5.3光中继器（2）辐射原理返回下一页上一页1055.3光中继器3.掺铒光纤放大器基本结构掺铒光纤放大器基本结构如图5-15所示