光发射机与光接收机.ppt

第八章第八章 光发射机与光接收机光发射机与光接收机 内容摘要：内容摘要：1.光发射机的构成和功能光发射机的构成和功能 由光源、驱动器和调制器组成。功能是将来自于电端机由光源、驱动器和调制器组成。功能是将来自于电端机的信号对光源发出的光进行调制，再将已调的光信号耦的信号对光源发出的光进行调制，再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。合到光纤或光缆去传输。2.光接收机构成和功能光接收机构成和功能 由由(光放大器光放大器)光检测器和放大电路组成。功能是将光纤光检测器和放大电路组成。功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，经或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，经放大电路放大，送到接收端的电端机。放大电路放大，送到接收端的电端机。本章重点：本章重点：理解掌握光发射机、光接收机的功能、电路工作原理。理解掌握光发射机、光接收机的功能、电路工作原理。一、光一、光发发射机射机应满应满足的技足的技术术要求要求 (1)体体积积小，与光小，与光纤纤之之间间有有较较高的耦合效率；高的耦合效率；(2)发发射的光波波射的光波波长应长应位于光位于光纤纤的三个低的三个低损损耗窗口；耗窗口；(3)可以可以进进行光行光强强度度调调制；制；(4)可靠性高，要求它工作寿命可靠性高，要求它工作寿命长长、工作、工作稳稳定性好定性好 （功率、偏振、光（功率、偏振、光谱谱、温度）；、温度）；(5)发发射的光功率足射的光功率足够够高，以便可以高，以便可以传输较远传输较远的距离。的距离。第一节第一节 光发射机光发射机激光二极管激光二极管发光二极管发光二极管1 1光功率较大，光功率较大，100mW mW 101 mwmw光功率较小，仅光功率较小，仅1mw 1mw 2mW2mW2 2带带宽宽大大、调调制制速速率率高高，102 MHzMHz101 GHzGHz带带宽宽小小、调调制制速速率率低低，10110102 2 MHzMHz。3 3光束方向性强，发散度小。光束方向性强，发散度小。方向性差，发散度大。方向性差，发散度大。4 4与光纤的耦合效率高，可达与光纤的耦合效率高，可达8080以上。以上。与光纤的耦合效率低，仅百分之几。与光纤的耦合效率低，仅百分之几。5 5光谱较窄。光谱较窄。光谱较宽。光谱较宽。6 6制造工艺难度大，成本高。制造工艺难度大，成本高。制造工艺难度小，成本低。制造工艺难度小，成本低。7 7在在要要求求光光功功率率较较稳稳定定时时，需需要要APCAPC和和ATCATC。可在较宽的温度范围内正常工作。可在较宽的温度范围内正常工作。8 8输出特性曲线的线性度较好。输出特性曲线的线性度较好。在大电流下易饱和。在大电流下易饱和。9 9有模式噪声。有模式噪声。无模式噪声。无模式噪声。1010可靠性一般。可靠性一般。可靠性较好。可靠性较好。1111工作寿命短。工作寿命短。工作寿命长。工作寿命长。光源发光的波长、通信容量、模式以及通信距光源发光的波长、通信容量、模式以及通信距离四者之间的定性关系离四者之间的定性关系:二、光发送原理二、光发送原理 在在光光纤纤通通信信系系统统中中，由由于于信信息息由由LED和和LD发发出出的的光光波波携携带带，因因此此光光发发射射机机主主要要有有调调制制电电路路和和控控制制电路组成。电路组成。光发送系统说明光发送系统说明:在在数数字字通通信信中中，输输入入电电路路将将输输入入的的PCM脉脉冲冲信信号号变变换换成成NRZ码码后后，通通过过驱驱动动电电路路调调制制光光源源(直直接接调调制制)，或或送送到到光光调调制制器器调调制制光光源源输输出出的的连连续续光光波波(外外调调制制)，加载到光源上。，加载到光源上。对对直直接接调调制制，驱驱动动电电路路需需给给光光源源加加一一直直流流偏偏置置；而而外外调调制制方方式式中中光光源源的的驱驱动动为为恒恒定定电电流流，以以保保证证光光源源输出连续光波。输出连续光波。自自动动偏偏置置和和自自动动温温度度控控制制电电路路是是为为了了稳稳定定输输出出的平均光功率和工作温度。的平均光功率和工作温度。光光发发射射机机中中还还有有报报警警电电路路，用用以以检检测测和和报报警警光光源源的工作状态。的工作状态。-从本质上讲，光载波调制和无线电波载波调制一样，也即从本质上讲，光载波调制和无线电波载波调制一样，也即有有调幅、调强、调频、调相、调偏调幅、调强、调频、调相、调偏等多种调制方式。但为了便等多种调制方式。但为了便于解调，在光频段多采用于解调，在光频段多采用强度调制强度调制。-从调制方式与光源的关系上来分，强度调制的方法有两种：从调制方式与光源的关系上来分，强度调制的方法有两种：直接调制和外调制。直接调制和外调制。直接调制直接调制用电信号直接调制光源器件的偏置电流，使光源用电信号直接调制光源器件的偏置电流，使光源发出的光功率随信号而变化。优点是简单、经济、容易实现，发出的光功率随信号而变化。优点是简单、经济、容易实现，但调制速率受载流子寿命及高速率下的性能退化的限制。但调制速率受载流子寿命及高速率下的性能退化的限制。外外 调调 制制基于电光、磁光、声光效应，让光源输出的连续基于电光、磁光、声光效应，让光源输出的连续光载波通过光调制器，光信号通过调制器实现对光载波的调制。光载波通过光调制器，光信号通过调制器实现对光载波的调制。需要调制器，结构复杂，但可获得优良的调制性能，特别适合需要调制器，结构复杂，但可获得优良的调制性能，特别适合高速率光通信系统。高速率光通信系统。-三、光波的调制三、光波的调制模拟调制和数字调制（按调制信号的形式来分）：模拟调制和数字调制（按调制信号的形式来分）：1.1.模拟调制模拟调制，分为两类：一类是利用模拟基带信号，分为两类：一类是利用模拟基带信号直接对光源进行调制；另一类采用连续或脉冲的直接对光源进行调制；另一类采用连续或脉冲的射频波作副载波，模拟基带信号先对它进行调制，射频波作副载波，模拟基带信号先对它进行调制，再用该已调制的副载波去调制光载波。再用该已调制的副载波去调制光载波。模拟调制的调制速率较低，均使用直接调制模拟调制的调制速率较低，均使用直接调制方式。方式。-2.2.数字调制数字调制,主要指主要指PCM脉码调制。即先将连续的脉码调制。即先将连续的模拟信号进行抽样、量化、编码，转化成一组二模拟信号进行抽样、量化、编码，转化成一组二进制脉冲代码，再对光信号进行通断调制。进制脉冲代码，再对光信号进行通断调制。数字调制也可使用直接调制和外调制。数字调制也可使用直接调制和外调制。模拟调制：模拟调制：连连续续的的模模拟拟信信号号电电流流叠叠加加在在直直流流偏偏置置电电流流上上，选选择择适适当当直直流流偏偏置置的的大大小小，使使静静态态工工作作点点位位于于发发光光管管特特性性曲曲线线线线性性段段的的中中点点，可以减小光信号的非线性失真。可以减小光信号的非线性失真。调调制制线线性性的的好好坏坏取取决决于于调调制制深深度度m m。设设调调制制电电流流幅幅值值为为II，偏置电流为偏置电流为I IB B，则则m m定义为：定义为：(8-1)(8-1)四四LEDLED的直接调制原理的直接调制原理数字调制：数字调制：信信号号电电流流为为单单向向二二进进制制数数字字信信号号，用用单单向向脉脉冲冲电电流流的的“有有”、“无无”(“1 1”码码和和“0 0”码码)控控制制发发光光管管的的发发光与否。光与否。直直接接调调制制时时，模模拟拟系系统统或或数数字字系系统统都都是是通通过过控控制制流流经经发发光光管管电电流流的的办办法法达达到到调调制制输输出出光光功功率率的的目目的的。但但由由于于二二者者功功率率不不同同，对对驱驱动动与与偏置电路也不同。偏置电路也不同。1LED的模拟驱动电路的模拟驱动电路 在模拟系统中，在模拟系统中，驱动电路驱动电路提供一定的工作点偏置电流及提供一定的工作点偏置电流及足够的信号驱动电流，以使光足够的信号驱动电流，以使光源能够输出足够的功率。源能够输出足够的功率。非线性失真必须低于非线性失真必须低于-30dB-50dB。但由于但由于LED本本身存在非线性失真，在高质量身存在非线性失真，在高质量要求的信号传输中，还需要线要求的信号传输中，还需要线性补偿电路。性补偿电路。LED对温度不对温度不很敏感，因此一般不采用很敏感，因此一般不采用 APC和和ATC电路。电路。五五光源光源的驱动电路的驱动电路 锗二极管和电阻串联后与锗二极管和电阻串联后与LED并联，在大电流时并联，在大电流时起分流作用，扩大驱动电流范围，提高起分流作用，扩大驱动电流范围，提高LED的线性。的线性。图为一种简单而又具图为一种简单而又具有高速特性的有高速特性的共发射极跨共发射极跨导式驱动器导式驱动器。将基极电压转变为集将基极电压转变为集电极电流以驱动发光管。电极电流以驱动发光管。晶体管工作在甲类工作状晶体管工作在甲类工作状态，调整基极偏置，使晶态，调整基极偏置，使晶体管和发光管都偏置在各体管和发光管都偏置在各自的线性区。自的线性区。LEDLED的数字驱动电路主要应用于二进制数字的数字驱动电路主要应用于二进制数字信号。信号。驱动电路应能提供几十至几百毫安（驱动电路应能提供几十至几百毫安（mAmA）的的“开开”“关关”电流。电流。码速不高时，可以不加偏置；码速不高时，可以不加偏置；但在高码速但在高码速时，需加小量的正向偏置电流，有利于保持二时，需加小量的正向偏置电流，有利于保持二极管电容上的电荷。极管电容上的电荷。2 2LEDLED的数字驱动电路的数字驱动电路 图图8-6(a)为为晶晶体体管管共共射射驱驱动动电电路路，晶晶体体管管用用作作饱饱和和开开关关，提提供供电电流流增增益益，其其两两端端的的电电压压降降较较小小，饱饱和和压压降降Vcc0.3V。图图(c)为为发发射射极极耦耦合合开开关关式式驱驱动动电电路路，可可传传输输300Mbs以以上上的的数数字字信信号号。晶晶体体管管Tl和和T2是是发发射射极极耦耦合合式式开开关关，T3为为恒恒流流源源。发发光光管管的的驱驱动动电电流流由由恒恒流流源源决决定定。这这种种电电路路类类似似线线性性差差分分放放大大器器，实实际际作作开开关关用用。由由于于它它超超越越了了线线性性范范围围工工作作，输输入入端端过过激激励励时时；仍仍没没有有达达到到饱饱和和，所以开关速率更高。所以开关速率更高。图图(b)(b)中中的的达达林林顿顿结结构构使使电电路路得得到到2.5ns2.5ns的的光光上上升升时时间间，可可传传输输100Mb100Mbs s 的的数数字字信信号号。但但发发射射极极的的负负载载不不是是纯纯电电阻阻，电电路路发发生生振振荡荡。R Rl lC Cl l并并联联串串接接于于发发射射极极电电路路，组组成成发发射射极极跟跟随随电电路路，提提供供电电压压阶阶跃跃，以以补补偿偿驱驱动动电电流流开开始始时时，对对发发光光管管电电容容充充电电所所造造成成的的光光驱驱动动电电流流的的下下降降，从从而而使使驱驱动动器器可可工工作在高码速情况下。作在高码速情况下。由由于于LDLD通通常常用用于于高高速速系系统统，且且是是阈阈值值器器件件，它它的的温温度度稳稳定定性性较较差差，与与LEDLED相相比比，其其调调制制技技术术要要复复杂杂的的多多，驱驱动动条条件件的的选选择择、调调制制电电路路的的形形式式和和工工艺艺，都对调制性能至关重要。都对调制性能至关重要。为为了了保保证证LDLD有有稳稳定定的的输输出出光光功功率率、光光谱谱、消消光光比比，需需要要有有各各种种辅辅助助电电路路，例例如如功功率率控控制制电电路路、温温控控 电电 路路、限限 流流 保保 护护 电电 路路 和和 各各 种种 告告 警警 电电 路路 等等。4.LD4.LD的驱动电路的驱动电路 采用直接调制方式时，偏置电流的选择直接影响激光采用直接调制方式时，偏置电流的选择直接影响激光器的高速调制性质。选择直流预偏置电流应考虑以下几个器的高速调制性质。选择直流预偏置电流应考虑以下几个方面：方面：(1)(1)加大直流偏置电流使其逼近阈值，可以大大减小电光加大直流偏置电流使其逼近阈值，可以大大减小电光延迟时间，延迟时间，同时使张弛振荡得到一定程度的抑制。同时使张弛振荡得到一定程度的抑制。偏置电流和调制电流的选择偏置电流和调制电流的选择 由图中可以看出，由图中可以看出，由于由于 LD LD 加了足够的预加了足够的预偏置电流，偏置电流，调制电流脉调制电流脉冲幅度较小冲幅度较小；预偏置后预偏置后张弛振荡大大减弱张弛振荡大大减弱；谱；谱线减少，光谱宽度变窄；线减少，光谱宽度变窄；电光延迟的减小电光延迟的减小。(2)2)太太大大的的直直流流偏偏置置会会使使激激光光器器的的消消光光比比恶恶化化。消消光光比比激激光光器器在在全全ll码码时时发发送送的的光光功功率率(P(P1 1)与与全全00码时发射的光功率码时发射的光功率(Po)(Po)之比，用之比，用dBdB表示为：表示为：光源的消光比将直接影响接收机的灵敏度。光源的消光比将直接影响接收机的灵敏度。为保证一定的灵敏度，消光比一般应大于为保证一定的灵敏度，消光比一般应大于10dB。激激光光器器的的偏偏置置电电流流IB过过大大，会会使使消消光光比比恶恶化化，降低接收机的灵敏度。降低接收机的灵敏度。通通常常取取IB(0.850.90)Ith。驱驱动动脉脉冲冲电电流流的的峰峰-峰值峰值Im一般取一般取Im十十IB(1.21.3)Ith。激激光光器器的的直直接接调调制制电电路路有有许许多多种种，但但概概括括起起来来有有两两类类：一一类类是是单单管管集集电电极极驱驱动动电电路路，另另一一类类是是射射极极耦耦合合开开关关电电路路。图图中中，三三极极管管的的输输出出特特性性在在放放大大区区表表现现为为恒恒流流源源，可可以以用用集集电电极极电电流流驱驱动动光光源源。DTDT为为驱驱动动管管，当当电电信信号号加加在在DTDT基基极极时时，即即可可驱驱动动集集电电极极电电路路中中的的激激光光器器，使使之之输输出出的的光光功功率率随随信信号号的的变变化化而而变变化化。DTDT工工作作在在开开关关状态。状态。激光器的直接调制电路激光器的直接调制电路TTLTTL开关式驱动电路开关式驱动电路 下图中晶体管下图中晶体管BGBG2 2和和BGBG3 3为发射极耦合对，组成非饱和电流选择为发射极耦合对，组成非饱和电流选择开关。开关。当当BGBG2 2基极电位高于基极电位高于BGBG3 3基极电位时，基极电位时，BGBG2 2导通，恒流源的驱动导通，恒流源的驱动电流电流ImIm全部流过全部流过BGBG2 2，故流过故流过LDLD的电流为零。的电流为零。反之，当反之，当BGBG2 2基极电位基极电位低于低于BGBG3 3基极电位时，基极电位时，BGBG3 3导通，所有驱动电流都通过导通，所有驱动电流都通过LDLD。电电流流开开关关的的转转换换过过程程由由输输入入数数字字信信号号转转换换成成ECL电电平平来来控控制制，ECL电电平平l码码时时，输输出出为为-1.8V，0码码时时，输输出出为为十十0.8V，经经过过BGl和和D1电电平平移移动动后后加加到到BG2基基极极，而而BG3基基极极电电平平固固定定在在-2.6V，它它由由温温度度补补偿偿的的参参考考电电平平Vbb经经BG4和和D2电电平平移移动动得得到到。Vbb-1.31V是是l码码和和0码码电电平平的的中中间间值值。选选择择适适当当的的输输入入电电压压，使使晶晶体体管管不不驱驱动动到到饱饱和和状状态态，就就能能起起到到快快速速开开关关作作用用，同同时时恒恒流源可使开关噪声很小。流源可使开关噪声很小。在使用中，在使用中，LDLD结温的变化以及老化都会结温的变化以及老化都会使使I Ithth增大，量子效率下降，导致输出光脉冲增大，量子效率下降，导致输出光脉冲的幅度发生变化。的幅度发生变化。光功率自动控制有许多方法：光功率自动控制有许多方法：一是自动一是自动跟踪偏置电流，使跟踪偏置电流，使LDLD偏置在最佳状态偏置在最佳状态；二是二是峰值功率和平均功率的自动控制峰值功率和平均功率的自动控制；三是三是P-IP-I曲曲线效率控制法等线效率控制法等。最简的是通过直接检测光功率控制偏置电最简的是通过直接检测光功率控制偏置电流。流。自动功率控制电路自动功率控制电路(APC)利利用用LDLD组组件件中中的的PINPIN光光电电二二极极管管，监监测测LDLD背背向向输输出出光光功功率率的大小。的大小。若若功功率率小小于于某某一一额额定定值值时时，通通过过反反馈馈电电路路后后驱驱动动电电流流增增加加，并并达达到到额额定定输输出出功功率率值值。反反之之，若若光光功功率率大大于于某某一一额额定定值，则使驱动电流减小，以保证值，则使驱动电流减小，以保证LDLD输出功率基本上恒定不变。输出功率基本上恒定不变。该该PIN产产生生的的信信号号与与直直流流参参考考比比较较后后送送到到放放大大器器的的同同相端，相端，直流参考通过调节直流参考通过调节Rl控制预偏置电流控制预偏置电流IB。调调节节R2使使再再生生信信号号与与PIN输输出出取取得得平平衡衡，使使IB保保持持恒恒定。定。当当输输出出光光功功率率产产生生变变化化时时，平平衡衡破破坏坏，反反馈馈偏偏置置电电路路将将自自动动调调整整IB，使使输输出出功功率率恢恢复复到到原原来来的的值值，电电路路又又恢恢复复平衡状态。平衡状态。IB 图图8-138-13的的原原理理：控控制制LDLD偏偏置置电电流流保保持持输输出出光光脉脉冲冲幅幅度度的恒定。的恒定。在在运运放放的的输输入入端端，再再生生信信号号由由输输入入信信号号再再生生处处理理后后得得到到，它它固固定定在在0V0V-lVlV间间。LDLD组组件件中中PINPIN管管接接收收LDLD的的背背面面输输出出光光，它它受受到到与与正正面面输输出出光光同同样样的的温温度度及及老老化化影影响响，从从而而可可用用来来反反馈馈控控制制LDLD输出光功率。输出光功率。该该PINPIN产产生生的的信信号号与与直直流流参参考考比比较较后后送送到到放放大大器器的的同同相相端端，直直流流参参考考通通过过调调节节R Rl l控控制制预预偏偏置置电电流流I IB B。调调节节R R2 2使使再再生生信信号号与与PINPIN输输出出取取得得平平衡衡，使使I IB B保保持持恒恒定定。当当输输出出光光功功率率产产生生变变化化时时，平平衡衡破破坏坏，反反馈馈偏偏置置电电路路将将自自动动调调整整I IB B，使使输输出出功功率率恢恢复复到到原原来的值，电路又恢复平衡状态。来的值，电路又恢复平衡状态。R R3 3C Cl l构构成成LDLD的的慢慢启启动动网网络络，开开启启电电源源或或有有突突发发的的电电冲冲击击时时，由由于于电电路路的的时时间间常常数数很很大大(l l ms)ms)，I IB B只只能能慢慢慢慢增增大大。前前面面的的控控制制电电路路首首先先进进入入稳稳定定控控制制状状态态，然然后后I IB B缓缓慢慢增增大大，保保护护LDLD免免受冲击。受冲击。温温度度变变化化引引起起LD输输出出光光功功率率的的变变化化，虽虽然然可可以以通通过过APC电电路路进进行行调调节节，使使输输出出光光功功率率恢恢复复正正常常值值。但但是是，如如果果环环境境温温度度升升高高较较多多，经经APC调调节节后后，IB增增大大较较多多，则则LD的的结结温温因因此此也也升升高高很很多多，致致使使Ith继继续续增增大大，造造成成恶恶性性循循环环，从从而而影影响响了了LD的使用寿命。的使用寿命。自动温度控制电路自动温度控制电路(ATC)(ATC)因因此此，为为保保证证激激光光器器长长期期稳稳定定工工作作，必必须须采采用用自自动动温温度度控控制制电电路路(ATC)使使激激光光器器的的工工作作温温度度始始终终保保持持在在20摄摄氏氏度度左左右右。LD的的温温度度控控制制由由微微型型制制冷冷器器、热热敏敏元元件件及及控控制制电电路路组组成成，如图所示。如图所示。图图8-178-17是是温温度度控控制制电电路路，LDLD组组件件中中的的热热敏敏电电阻阻具具有有负负温温度度系系数数，在在2020时时阻阻值值 RtRt10k10k12k12k，RtRtT-0T-05 5。它它与与RlRl，R2R2，R3R3组组成成桥桥式式电电路路，其其输输出出电电压压加加到到差差分分放放大大器器的的同同相相和和反反相相输输入入端端，在在某某温温度度下下，电电桥桥达达到到平平衡衡。LDLD温温度度升升高高时时，RtRt下下降降，BGlBGl正正向向导导通通，通通过过制制冷冷器器RcRc的的电电流流IcIc加大，使加大，使LDLD的温度下降。的温度下降。RtTRt(电电压下降压下降)差差分分放放大大器器输入端压降输入端压降差差分分放放大大器器输出电压输出电压IcT 微制冷器多采用微制冷器多采用半导体制冷器半导体制冷器。它是利用半导体材料的。它是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。当直流电流通过两种半导体组成的电偶珀尔帖效应制成的。当直流电流通过两种半导体组成的电偶时，出现一端吸热另一端放热的现象，这种现象称为时，出现一端吸热另一端放热的现象，这种现象称为珀尔帖珀尔帖效应效应。微型半导体制冷器的。微型半导体制冷器的温差可以达到温差可以达到3040。吸热吸热放热放热 不论内制冷还是外制冷半导体制冷器都是非常重要的。图不论内制冷还是外制冷半导体制冷器都是非常重要的。图8-16为半导体制冷器的结构示意图。图中为半导体制冷器的结构示意图。图中(a)为单个热电偶的为单个热电偶的结构简图，结构简图，(b)为热电偶组件，它是由多个热电偶按电学上串为热电偶组件，它是由多个热电偶按电学上串联、热学上并联的方式组成的。联、热学上并联的方式组成的。单个热电偶是由单个热电偶是由P型和型和N型掺杂的半导体组成，它被焊接型掺杂的半导体组成，它被焊接在铜连接片上，并用陶瓷面板将铜连接片与外表面电绝缘。当在铜连接片上，并用陶瓷面板将铜连接片与外表面电绝缘。当未接外电路时，跨越它两端形成的温度差使它的两端产生一与未接外电路时，跨越它两端形成的温度差使它的两端产生一与温度差成比例的电位差。此时将其与外电路的负载连接起来，温度差成比例的电位差。此时将其与外电路的负载连接起来，将产生电流，从而输出电功率，这就是一个热电偶器件。将产生电流，从而输出电功率，这就是一个热电偶器件。将热电偶与直流电源相连，如图将热电偶与直流电源相连，如图(a)所示，直流电流通过所示，直流电流通过热电偶将产生珀尔帖效应，在它的一端吸收热量，与之相连的热电偶将产生珀尔帖效应，在它的一端吸收热量，与之相连的物体将被冷却；另一端排放热量，将散热器与之接触，该热电物体将被冷却；另一端排放热量，将散热器与之接触，该热电偶起到制冷器的作用。如果改变直流电流的方向，制冷器的吸偶起到制冷器的作用。如果改变直流电流的方向，制冷器的吸热、散热端将互换。热、散热端将互换。由于热电偶堆是由多个热电偶串联起来的，由于热电偶堆是由多个热电偶串联起来的，热电偶的个热电偶的个数越多，制冷量越大，在实际使用过程中，可根据所需的温差，数越多，制冷量越大，在实际使用过程中，可根据所需的温差，选择不同的热电偶堆。选择不同的热电偶堆。-制冷方式分为内制冷和外制冷两种。半导体制冷方式分为内制冷和外制冷两种。半导体LDLD总是和其总是和其他一些部件封装在一起，形成一个完整的他一些部件封装在一起，形成一个完整的LDLD组件，其内部结组件，其内部结构如图构如图8-158-15所示，它将所示，它将LDLD芯片、半导体制冷器和具有负温度芯片、半导体制冷器和具有负温度系数的热敏电阻等封装在一个体积很小的密封盒内，控制电系数的热敏电阻等封装在一个体积很小的密封盒内，控制电路放在盒外，这属于内制冷方式。内制冷方式结构紧凑、控路放在盒外，这属于内制冷方式。内制冷方式结构紧凑、控制效率高、使激光器有较恒定的输出光功率和发射波长。通制效率高、使激光器有较恒定的输出光功率和发射波长。通常内制冷较外制冷方式更直接、有效。常内制冷较外制冷方式更直接、有效。-外制冷方式是将外加半导体制冷器与山组件的密封盒紧外制冷方式是将外加半导体制冷器与山组件的密封盒紧密接触，通过控制电路给外加制冷器加直流，密接触，通过控制电路给外加制冷器加直流，达到控制达到控制LDLD周围环境温度的目的。周围环境温度的目的。具体控制过程如下：具体控制过程如下：TRt差差分分放放大大器器输输入入端端压压降降差差分分放放大大器器输输出电压出电压IcT。实实际际上上激激光光器器在在连连续续工工作作时时，管管芯芯温温度度会会持持续续上上升升，从从而而使使得得热热敏敏电电阻阻Rt总总保保持持在在RtR3即即电电桥桥总总不不平平衡衡，于于是是Ic维维持持一一定定值值，即即控控制制电电路路始始终终为为致冷器提供恒定的工作电流致冷器提供恒定的工作电流Ic。在在光光发发送送电电路路中中，由由于于采采用用了了ATC 和和 APC电电路路，使使LD输输出出光光功功率率 的的稳稳定定度度保保持持在在较较高高的的水水平平上上。在在环环境境温温度度为为十十5十十50范范围围内内，LD输输出出光光功功率的不稳定度小于率的不稳定度小于5。光源的过流保护电路光源的过流保护电路 为了使光源不致因通过大电流而损坏，需对光源进行过流为了使光源不致因通过大电流而损坏，需对光源进行过流保护。图保护。图8-18所示是激光器的过流保护电路，图中所示是激光器的过流保护电路，图中T3为激光器为激光器提供偏流提供偏流IB。保护电路由晶体管保护电路由晶体管T4、电阻电阻Rl组成。组成。-正常情况下，电阻正常情况下，电阻Rl上的电压小于上的电压小于T4的导通降压，因而的导通降压，因而T4截止，保护电路不工作。截止，保护电路不工作。激光器的保护及告警电路激光器的保护及告警电路当当偏偏流流IB过过大大，致致使使Rl上上的的压压降降VRl剧剧增增，并并超超过过T4的的导导通通压压降降时时，T4饱饱和和导导通通，使使Vce40，从从而而导导致致T3截截止止，激激光光器器不不因因IB过大而被损坏。过大而被损坏。无光告警电路无光告警电路 -图图8-198-19所示为无光告警原理图。所示为无光告警原理图。图中图中A2A2的反向端为直的反向端为直流参考电压流参考电压V VD D，其同相端则为代表其同相端则为代表LDLD输出光功率平均值的输出光功率平均值的V Vf f。当。当LDLD发光正常时，发光正常时，PINPIN管检测到的光电流经管检测到的光电流经A1A1放大后送放大后送入入A2A2的同相端。这时，的同相端。这时，V Vf fV VD D，因此因此A A2 2输出高电平，输出高电平，致使致使无光告警指示灯无光告警指示灯LEDLED不亮。当不亮。当LDLD不发光时，不发光时，PINPIN管检测不到管检测不到光信号，因而光信号，因而V Vf fV VD D，A A2 2输出低电平，输出低电平，使无光告警灯发出使无光告警灯发出红色告警显示。另一路高电平为正常、低电平为告警的无红色告警显示。另一路高电平为正常、低电平为告警的无光告警信号则被送入监控系统处理。光告警信号则被送入监控系统处理。寿命告警电路寿命告警电路 当阈值电流增大到开始使用时的当阈值电流增大到开始使用时的1.51.5倍时，就认为倍时，就认为LDLD的寿的寿命终止。所以寿命告警电路通常采用监测偏流命终止。所以寿命告警电路通常采用监测偏流IBIB的值来判断的值来判断激光器寿命是否终止。即当激光器寿命是否终止。即当I IB B1.5I1.5Ithotho(I(Ithotho为为LDLD开始启用时开始启用时的阈值电流的阈值电流)时，寿命告警电路就告警。时，寿命告警电路就告警。-图图8-208-20所示为寿命告警电路原理图。图中所示为寿命告警电路原理图。图中T3T3为激光器提为激光器提供偏流供偏流I IB B，T T4 4、R R1 1组成过流保护电路。由于组成过流保护电路。由于VlIVlIB BR Rl l，所以调所以调整电位器整电位器W W使使V V2 21.5I1.5IthothoR R1 1。当。当LDLD工作正常时，工作正常时，I IB B1.5I1.5Ithotho，则则V Vl lV V2 2，A A1 1输出高电平，寿命告输出高电平，寿命告警灯不亮。如果警灯不亮。如果I IB B1.5I1.5Ithotho，则激则激光器寿命终止，这时光器寿命终止，这时V Vl lV V2 2，A A1 1输输出低电平，寿命告警灯发黄色告警出低电平，寿命告警灯发黄色告警显示。显示。同样有一路高电平正常、同样有一路高电平正常、低电平告警的寿命告警信号送到监低电平告警的寿命告警信号送到监控系统。控系统。光光接接收收机机的的任任务务是是以以最最小小的的附附加加噪噪声声及及失失真真恢恢复复出出由由光光纤纤传传输输、光光载载波波所所携携带带的信息的信息。其其输输出出特特性性综综合合反反映映了了整整个个光光纤纤通通信信系系统统的的性性能能。本本章章重重点点讨讨论论接接收收机机前前端端的的噪噪声声特特性性、模模拟拟及及数数字字接接收收机机的的性性能能，如如信噪比或误码率、接收机灵敏度信噪比或误码率、接收机灵敏度等。等。第二节第二节 光接收机光接收机 光光接接收收机机也也有有数数字字接接收收机机和和模模拟拟接接收收机机两两种种形形式式，见见上上图图所所示示。它它们们均均由由反反向向偏偏压压下下的的光光电电检检测测器器、低低噪噪声声前前置置放放大大器器及其他信号处理电路组成，是一种直接检测及其他信号处理电路组成，是一种直接检测(DD)方式。方式。与与模模拟拟接接收收机机(a)相相比比，数数字字接接收收机机(b)更更复复杂杂，在在主主放放大大器器后后还还有有均均衡衡滤滤波波、定定时时提提取取与与判判决决再再生生、峰峰值值检检波波与与AGC放放大大电电路路。它它们们在在高高电电平平下下工工作作，不不影影响响对对光光接接收收机机基基本本性性能能的的分析。分析。一、光接收机的构造一、光接收机的构造模拟式模拟式数字式数字式 光电检测器是光接收机的第一个关键部件，其作用光电检测器是光接收机的第一个关键部件，其作用是把接收到的是把接收到的光信号转化成电信号光信号转化成电信号。目前在光纤通信系统中广泛使用的光电检测器是目前在光纤通信系统中广泛使用的光电检测器是PIN光电二极管和雪崩光电二极管光电二极管和雪崩光电二极管APD。(1)PIN管比较简单，只需管比较简单，只需10V20V的偏压即可工作，的偏压即可工作，且不需偏压控制，但它没有增益。因此使用且不需偏压控制，但它没有增益。因此使用PIN管的管的接收机的灵敏度不如接收机的灵敏度不如APD管的高；管的高；(2)AFD管具有管具有10200倍的内部电流增益，可提高光倍的内部电流增益，可提高光接收机的灵敏度。但使用接收机的灵敏度。但使用APD管比较复杂，需要几十管比较复杂，需要几十到到200V的偏压。的偏压。1 1、光电检测器、光电检测器 温度变化较严重地影响温度变化较严重地影响APD管的增益特性。管的增益特性。通常需对通常需对APD管的偏压进行控制以保持其增管的偏压进行控制以保持其增益不变，或采用温度补偿措施以保持其增益不变。益不变，或采用温度补偿措施以保持其增益不变。对光检测器的基本要求是对光检测器的基本要求是高的转换效率、低高的转换效率、低的附加噪声和快速的响应。的附加噪声和快速的响应。由于光检测器产生的光电流非常微弱由于光检测器产生的光电流非常微弱(nAA)，必须先经必须先经前置放大器进行低噪声放大前置放大器进行低噪声放大，光电，光电检测器和前置放大器合起来叫做接收机前端，其检测器和前置放大器合起来叫做接收机前端，其性能的优劣决定接收灵敏度的主要因素。性能的优劣决定接收灵敏度的主要因素。经光电检测器检测而得的微弱信号电流，流经负载电经光电检测器检测而得的微弱信号电流，流经负载电阻转换成电压信号后，由前置放大器加以放大。但前置放阻转换成电压信号后，由前置放大器加以放大。但前置放大器在将信号进行放大的同时，也会引入放大器本身电阻大器在将信号进行放大的同时，也会引入放大器本身电阻的的热噪声热噪声和晶体管的和晶体管的散弹噪声散弹噪声。主放大器在放大前置放大器的输出信号时，也会将前主放大器在放大前置放大器的输出信号时，也会将前置放大器产生的噪声一起放大。前置放大器的性能优劣对置放大器产生的噪声一起放大。前置放大器的性能优劣对接收机的灵敏度有十分重要的影响。为此，接收机的灵敏度有十分重要的影响。为此，前置放大器必前置放大器必须是低噪声、宽频带放大器。须是低噪声、宽频带放大器。-主放大器主要用来提供高的增益主放大器主要用来提供高的增益，将前置放大器的，将前置放大器的输出信号放大到适合于判决电路所需的电平。前置放大器输出信号放大到适合于判决电路所需的电平。前置放大器的输出信号电乎一般为的输出信号电乎一般为mV量级，而主放大器的输出信号量级，而主放大器的输出信号一般为一般为1V3V(峰峰值峰峰值)。2、前置放大器前置放大器 均均衡衡器器的的作作用用是是对对主主放放大大器器输输出出的的失失真真的的数数字字脉脉冲冲信信号号进进行行整整形形，使使之之成成为为最最有有利利于于判判决决、码间干扰最小的升余弦波形。码间干扰最小的升余弦波形。均均衡衡器器的的输输出出信信号号通通常常分分为为两两路路，一一路路经经峰峰值值检检波波电电路路变变换换成成与与输输入入信信号号的的峰峰值值成成比比例例的的直直流流信信号号，送送入入自自动动增增益益控控制制电电路路，用用以以控控制制主主放放大大器器的的增增益益；另另一一路路送送入入判判决决再再生生电电路路，将将均均衡衡器器输输出出的的升升余余弦弦信信号号恢恢复复为为“0”或或“1”的的数数字字信号。信号。3、均衡器均衡器 定时提取电路用来恢复采样所需的时钟。定时提取电路用来恢复采样所需的时钟。衡量衡量接收机性能的主要指标是接收灵敏度。接收机性能的主要指标是接收灵敏度。在接收机的理论中，中心的问题是如何降低输在接收机的理论中，中心的问题是如何降低输入端的噪声，提高接收灵敏度。入端的噪声，提高接收灵敏度。光接收机灵敏度主要取决于光电检测器的光接收机灵敏度主要取决于光电检测器的响应度响应度以及检测器和放大器的以及检测器和放大器的噪声噪声。由由光电检测器、前置放大器、主放大器和均衡光电检测器、前置放大器、主放大器和均衡器器构成的这部分电路称为线性通道。线性通道主要构成的这部分电路称为线性通道。线性通道主要完成对信号的线性放大，以满足判决电平的要求。完成对信号的线性放大，以满足判决电平的要求。1 1前置放大器前置放大器 接收机的前端包括反向接收机的前端包括反向偏压下的光电二极管和前置偏压下的光电二极管和前置放大器。光电二极管接收由放大器。光电二极管接收由光纤耦合来的光信号。在实光纤耦合来的光信号。在实际电路分析中，可将光电二际电路分析中，可将光电二极管看成是一个与其结电容极管看成是一个与其结电容C Cd d并联的并联的电流源电流源，等效电路，等效电路如右图所示，其中如右图所示，其中R RL L为负载为负载电阻电阻。二、线性通道二、线性通道 接收机前端的设计接收机前端的设计需要综合考虑需要综合考虑接收灵敏接收灵敏度度和和带宽带宽两个因素，一两个因素，一般来说有三种不同的方般来说有三种不同的方式，即式，即低阻抗、高阻抗低阻抗、高阻抗和跨阻抗和跨阻抗前端，如右图前端，如右图所示。所示。图中图中C Ci i为总的输为总的输入电容，其中包括光电入电容，其中包括光电二极管的结电容和前置二极管的结电容和前置放大器的晶体管引起的放大器的晶体管引起的电容。右电容。右图图为为接收机前接收机前端设计。端设计。1 1、接收机前端、接收机前端 在高阻抗前置放大器中，由于输入电路的总电阻在高阻抗前置放大器中，由于输入电路的总电阻R Ri i较较大，优点：大，优点：增大前置放大器的输入电压增大前置放大器的输入电压，较大的，较大的Ri值也可值也可以以降低热噪声降低热噪声和和增加接收灵敏度增加接收灵敏度；缺点是；缺