光端機(jī)解析課件

第4章光端機(jī)

光端機(jī)包括光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)，它們是光纖通信系統(tǒng)的基本部件。光發(fā)射機(jī)是實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。光接收機(jī)是實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。第4章光端機(jī)1本章重點(diǎn)要求：

1、光源的調(diào)制；2、光發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理；3．光接收機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理。本章難點(diǎn)：光波的調(diào)制本章重點(diǎn)要求：24.1光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)是實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。它由光源、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器組成。如圖其功能是將來(lái)自于電端機(jī)的電信號(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。如圖4.1光發(fā)射機(jī)3一、光源

光源是光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵器件，其功能是把電信號(hào)電流轉(zhuǎn)換為光信號(hào)功率,即實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換。

目前光纖通信廣泛使用的光源主要有半導(dǎo)體激光二極管或稱激光器(LD）、分布反饋激光器（DFB)和發(fā)光二極管或稱發(fā)光管(LED)。

LD-DFB

LD-LED

一、光源4對(duì)光源性能的基本要求1、光源發(fā)光波長(zhǎng)必須與三個(gè)低損耗窗口相符石英光纖的損耗特性有三個(gè)低損耗窗口，其中心波長(zhǎng)分別為

850nm、1310nm

和

1550nm因此，光源的發(fā)光波長(zhǎng)應(yīng)與三個(gè)低損耗窗口相符。對(duì)光源性能的基本要求5光端機(jī)解析課件62、足夠的光輸出功率在室溫下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的光源，必須按光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，能提供足夠的光輸出功率。目前激光二極管能提供500微瓦到10毫瓦的輸出光功率；發(fā)光二極管可提供10微瓦到1毫瓦的輸出光功率。2、足夠的光輸出功率73、可靠性高、壽命長(zhǎng)現(xiàn)在的激光二極管可靠性比較高，壽命長(zhǎng)。激光二極管壽命105小時(shí)，發(fā)光二極管壽命107小時(shí)。3、可靠性高、壽命長(zhǎng)84、溫度穩(wěn)定性好

器件應(yīng)能在常溫下以連續(xù)波方式工作，要求溫度穩(wěn)定性好。如圖LD、LED。5、調(diào)制特性好允許的調(diào)制速率要高或響應(yīng)速度要快，以滿足系統(tǒng)的大傳輸容量的要求。4、溫度穩(wěn)定性好96、光譜寬度要窄

光譜單色性要好，即譜線寬度要窄，以減小光纖色散對(duì)帶寬的限制。

LD線寬<2nm；

LED

線寬在100nm左右。6、光譜寬度要窄107、與光纖之間的耦合效率高

光源發(fā)出的光最終要耦合進(jìn)光纖才能進(jìn)行傳輸，因此希望光源與光纖之間有較高的耦合效率，使入纖功率大，中繼間距加大。

目前一般激光的耦合效率為

20%~30%

較高水平的耦合效率可超過(guò)

50%7、與光纖之間的耦合效率高11二、光源的調(diào)制方式在光纖通信系統(tǒng)中，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，這就是光波的調(diào)制。從調(diào)制方式與光源的關(guān)系上來(lái)分，強(qiáng)度調(diào)制的方法有兩種：直接調(diào)制和外調(diào)制。從調(diào)制信號(hào)的形式來(lái)分，光調(diào)制又分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。

二、光源的調(diào)制方式121、直接調(diào)制

直接調(diào)制是用電信號(hào)直接調(diào)制光源器件的偏置電流，使光源發(fā)出的光功率隨信號(hào)而變化。

光源直接調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、容易實(shí)現(xiàn)，但調(diào)制速率受載流子壽命及高速率下的性能退化的限制。光纖通信中光源多采用直接調(diào)制方式。如圖1、直接調(diào)制132、外調(diào)制

外調(diào)制一般是基于電光、磁光、聲光效應(yīng)，讓光源輸出的連續(xù)光載波通過(guò)光調(diào)制器，光信號(hào)通過(guò)調(diào)制器實(shí)現(xiàn)對(duì)光載波的調(diào)制。如圖

外調(diào)制方式需要調(diào)制器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但可獲得優(yōu)良的調(diào)制性能，特別適合高速率光通信系統(tǒng)。

2、外調(diào)制143、模擬調(diào)制

模擬調(diào)制可分為兩類，一類是利用模擬基帶信號(hào)直接對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制；另一類采用連續(xù)或脈沖的射頻波作副載波，模擬基帶信號(hào)先對(duì)它進(jìn)行調(diào)制，再用已調(diào)制的副載波去調(diào)制光載波。由于模擬調(diào)制的調(diào)制速率較低，均使用直接調(diào)制方式。

3、模擬調(diào)制154、數(shù)字調(diào)制

數(shù)字調(diào)制主要指PCM脈碼調(diào)制。先將連續(xù)的模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣、量化、編碼，轉(zhuǎn)化成一組二進(jìn)制脈沖代碼，對(duì)光信號(hào)進(jìn)行通斷調(diào)制。

數(shù)字調(diào)制也可使用直接調(diào)制和外調(diào)制。

4、數(shù)字調(diào)制16三、光源的直接調(diào)制原理1、LD模擬調(diào)制原理，如圖三、光源的直接調(diào)制原理172、LD數(shù)字調(diào)制原理，如圖2、LD數(shù)字調(diào)制原理，如圖18四、消光比

消光比的定義：激光器在全“1”碼時(shí)發(fā)射的光功率P1與全“0”碼時(shí)發(fā)射的光功率P0之比，即若用dB表示為四、消光比若用dB表示為19

消光比又稱為光脈沖的通斷比。光源的消光比將直接影響光接收機(jī)的靈敏度，為了不使光接收機(jī)靈敏度明顯下降，消光比一般要求或1010dB消光比又稱為光脈沖的通斷比。光源的消光比將直接影響光20

4.2.1光接收機(jī)基本組成

直接強(qiáng)度調(diào)制、直接檢測(cè)方式的數(shù)字光接收機(jī)方框圖如圖所示，主要包括光檢測(cè)器、前置放大器、主放大器、均衡器、時(shí)鐘提取電路、取樣判決器以及自動(dòng)增益控制(AGC)電路。4.2光接收機(jī)4.2.1光接收機(jī)基本組成4.2光接收機(jī)21數(shù)字光接收機(jī)方框圖數(shù)字光接收機(jī)方框圖22光檢測(cè)器

光檢測(cè)器是光接收機(jī)實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，其性能特別是響應(yīng)度和噪聲直接影響光接收機(jī)的靈敏度。光檢測(cè)器23在光纖通信系統(tǒng)中，光-檢測(cè)器主要采用半導(dǎo)體PIN光電二極管和雪崩光電二極管（APD)。PINAPD

在光纖通信系統(tǒng)中，光-檢測(cè)器主要采用半導(dǎo)體P24一、PIN光電二極管1、PIN光電二極管結(jié)構(gòu)一、PIN光電二極管25基于異質(zhì)結(jié)的PIN光電二極管基于異質(zhì)結(jié)的PIN光電二極管262、PIN光電二極管工作原理2、PIN光電二極管工作原理27PIN光電二極管工作原理

當(dāng)光從P區(qū)一側(cè)入射，則光能量在被吸收的同時(shí)仍繼續(xù)向N區(qū)一側(cè)延伸吸收，在經(jīng)過(guò)耗盡層時(shí)，由于吸收光子能量，電子從價(jià)帶被激勵(lì)到導(dǎo)帶而產(chǎn)生電子空穴對(duì)（即光生載流子），并且在耗盡層空間電場(chǎng)作用下，分別向N型區(qū)和P型區(qū)相互逆方向作漂移運(yùn)動(dòng)，并在外部電路形成光電流。PIN光電二極管工作原理當(dāng)光從P區(qū)28

然而，在耗盡層以外的區(qū)域因?yàn)闆](méi)有電場(chǎng)作用，所以由光電效應(yīng)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)，在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)中相遇發(fā)生復(fù)合，從而消失。由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與漂移運(yùn)動(dòng)相比是一慢過(guò)程，因而由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的光電流不能快速響應(yīng)輸入光強(qiáng)的變化，減少了光電二極管的頻率響應(yīng)。然而，在耗盡層以外的區(qū)域因?yàn)闆](méi)有電場(chǎng)作用，所以29二、雪崩光電二極管(APD)

雪崩光電二極管(APD)的的結(jié)構(gòu)與PIN不同表現(xiàn)在增加了一個(gè)附加層，以實(shí)現(xiàn)碰撞電離產(chǎn)生二次電子—空穴對(duì)，在反向時(shí)夾在I層和N層間的P層中存在高電場(chǎng)，該層稱為倍增區(qū)或增益區(qū)雪崩區(qū)),耗盡層仍為I層，起產(chǎn)生一次電子-空穴對(duì)的作用。二、雪崩光電二極管(APD)301

雪崩光電二極管(APD)的的結(jié)構(gòu)

目前光纖通信系統(tǒng)中，更多的是采用吸收區(qū)與雪崩倍增區(qū)相互分離的APD管，這種APD管稱為SAM-APD。如圖

SAM-APD管有四層結(jié)構(gòu)：1、高摻雜的N+型半導(dǎo)體，為接觸層；2、型半導(dǎo)體，為倍增層（或稱雪崩區(qū)）；3、輕摻雜半導(dǎo)體I層，為漂移區(qū)（光吸收區(qū)）；4、高摻雜的P+型半導(dǎo)體，為接觸層。1雪崩光電二極管(APD)的的結(jié)構(gòu)31吸收區(qū)與雪崩倍增區(qū)相互分離的APD管的四層結(jié)構(gòu)吸收區(qū)與雪崩倍增區(qū)相互分離的APD管的四層結(jié)構(gòu)322雪崩光電二極管(APD)的工作原理

當(dāng)外加的反向偏壓(約100V-150V)比PIN情況下高得多時(shí)，這個(gè)電壓幾乎都降到PN結(jié)上。特別是在高阻的PN結(jié)附近，電場(chǎng)強(qiáng)度可高達(dá)，已經(jīng)高出碰撞電離的電場(chǎng)。SAM-APD管在外加的反向偏壓(約50V-150V)下的場(chǎng)分布如圖所示。2雪崩光電二極管(APD)的工作原理當(dāng)外332雪崩光電二極管(APD)的工作原理

此時(shí)若光從P區(qū)照射，則和PIN一樣，大部分光子將在較厚的I層被吸收，因而產(chǎn)生電子、空穴對(duì)。2雪崩光電二極管(APD)的工作原理34

入射光功率產(chǎn)生的電子空穴對(duì)經(jīng)過(guò)高場(chǎng)區(qū)時(shí)不斷被加速而獲得很高的能量，這些高能量的電子或空穴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與價(jià)帶中的束縛電子碰撞，使晶格中的原子電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)。入射光功率產(chǎn)生的電子空穴對(duì)經(jīng)過(guò)高場(chǎng)區(qū)時(shí)不斷被35

新的電子空穴對(duì)受到同樣加速運(yùn)動(dòng)，又與原子碰撞電離，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，稱為二次電子空穴對(duì)。如此重復(fù)，使強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域中的電子和空穴成倍的增加，載流子和反向光生電流迅速增大，產(chǎn)生雪崩現(xiàn)象,這個(gè)物理過(guò)程稱為雪崩倍增效應(yīng)。雪崩過(guò)程倍增了一次光生電流，因此，在雪崩光電二極管內(nèi)部就產(chǎn)生了放大作用。雪崩光電二極管就是這樣既可以檢測(cè)光信號(hào)，又能放大光信號(hào)電流。新的電子空穴對(duì)受到同樣加速運(yùn)動(dòng)，又與原子碰撞36三.放大器前置放大器應(yīng)是低噪聲放大器，它的噪聲對(duì)光接收機(jī)的靈敏度影響很大。前放的噪聲取決于放大器的類型，目前有三種類型的前放可供選擇。三.放大器37三種類型前置放大器的比較：1、雙極型晶體管前置放大器的主要特點(diǎn)是輸入阻抗低，電路時(shí)間常數(shù)RC小于信號(hào)脈沖寬度T，因而碼間干擾小，適用于高速率傳輸系統(tǒng)。2、場(chǎng)效應(yīng)管前置放大器的主要特點(diǎn)是輸入阻抗高，噪聲小，高頻特性較差，適用于低速率傳輸系統(tǒng)。三種類型前置放大器的比較：38三種類型前置放大器的比較：3、跨阻型前置放大器最大的優(yōu)點(diǎn)是改善了帶寬特性和動(dòng)態(tài)范圍，并具有良好的噪聲特性。三種類型前置放大器的比較：39

光接收機(jī)的前置級(jí)放大電路(a)雙極型晶體管；(b)場(chǎng)效應(yīng)管；(c)跨阻型光接收機(jī)的前置404.2.2誤碼率

由于噪聲的存在，放大器輸出的是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，其取樣值是隨機(jī)變量，因此在判決時(shí)可能發(fā)生誤判，把發(fā)射的“0”碼誤判為“1”碼，或把“1”碼誤判為“0”碼。光接收機(jī)對(duì)碼元誤判的概率稱為誤碼率，用較長(zhǎng)時(shí)間間隔內(nèi)，在傳輸?shù)拇a流中，誤判的碼元數(shù)和接收的總碼元數(shù)的比值來(lái)表示。4.2.2誤碼率41誤碼率=一般數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼率要求為10-9以上，誤碼率為10-3~10-6時(shí)通信質(zhì)量將受到較嚴(yán)重的影響，超過(guò)10-3時(shí)通信會(huì)中斷。誤碼率=一般數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼率要求為10-9以上，42計(jì)算誤碼率的示意圖計(jì)算誤碼率的示意圖434.2.3靈敏度

靈敏度是衡量光接收機(jī)性能的綜合指標(biāo)。靈敏度Pr

的定義是，在保證通信質(zhì)量(限定誤碼率或信噪比)的條件下，光接收機(jī)所需的最小平均接收光功率Pmin，并以dBm