光纤通信课件刘增基_西安电子科技大学出版社4.ppt

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1、第第 4 章章 光端机光端机4.1 光发射机光发射机 4.2 光接收机光接收机 4.3 线路编码线路编码返回主目录4.1 光发射机光发射机 数字光发射机数字光发射机的功能功能:电端机输出的数字基带电电电电信号转换为光光光光信号 用耦合技术注入注入注入注入光纤线路 用数字电信号对光源进行调制调制调制调制 调制分为直接调制直接调制和外调制外调制两种方式受调制的光源特性参数有：受调制的光源特性参数有：受调制的光源特性参数有：受调制的光源特性参数有：功率、功率、功率、功率、幅度、频率和相位幅度、频率和相位幅度、频率和相位幅度、频率和相位输出光信号输出光信号pItIin输入电信号输入电信号pI（a）LE

2、D数字调制原理输出光信号输出光信号输入电信号输入电信号IinIthIb(b)LD的数字调制原理 当激光器的驱动电流大于阈值电流Ith时，输出光功率P和驱动电流I基本上是线性关系线性关系线性关系线性关系 输出光功率光功率光功率光功率和输入电流输入电流输入电流输入电流成正比，输出光信号反映输入电信号输出光信号反映输入电信号4.1.1 光发射机基本组成光发射机基本组成数数字字光光发发射射机机的方框图如图4.2所示，主要有光光源源和电电路路两部分。光光源源是实现电/光转换的关键器件，在很大程度上决定着光发射机的性能。电路的设计应以光光光光源源源源为依据，使输输输输出出出出光光光光信信信信号号号号准确反

3、映输输输输入入入入电信号。电信号。电信号。电信号。发射机的结构防止防止防止防止LDLD输出的输出的输出的输出的激光反射，实激光反射，实激光反射，实激光反射，实现光的单向传现光的单向传现光的单向传现光的单向传输输输输保持保持保持保持LDLD组件内恒组件内恒组件内恒组件内恒定的温度，保证定的温度，保证定的温度，保证定的温度，保证激光参数的稳定激光参数的稳定激光参数的稳定激光参数的稳定性性性性使使使使LDLD有恒有恒有恒有恒定的光输定的光输定的光输定的光输出功率出功率出功率出功率数据数据数据数据电接口电接口电接口电接口线路线路线路线路编码编码编码编码驱动驱动驱动驱动电路电路电路电路调制器调制器调制器

4、调制器光隔离器光隔离器光隔离器光隔离器LDLD功控功控功控功控温控温控温控温控光发射机光发射机光发射机光发射机 1.光源光源对通信用光源的要求如下对通信用光源的要求如下对通信用光源的要求如下对通信用光源的要求如下 (1)发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，即中心波长应在0.85m、1.31m和1.55m附近。光光谱谱单单色色性性要要好好，即即谱谱线线宽宽度度要要窄窄，以减小光纤色散对带宽的限制。(2)电电电电/光光光光转转转转换换换换效效效效率率率率要高，即要求在足够低的驱动电流下，有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。发射光束的方方方方向向向向性性性性要要要要好好好好，即远场的辐射角要

5、小，以利于提高光源与光纤之间的耦合效率耦合效率耦合效率耦合效率。(3)允允许许的的调调制制速速率率要要高高或或响响应应速速度度要要快快，以满足系统的大传输容量的要求。(4)器件应能在常温下以连续波方式工作，要求温度稳定性好，可靠性高，寿命长。(5)此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。以上各项中，调调制制速速率率、谱谱线线宽宽度度、输输出出光光功功率率和和光光束束方方向向性性，直接影响光纤通信系统的传输容量和传输距离，是光源最重要的技术指标。2.调制电路和控制电路调制电路和控制电路直接光强调制的数字光发射机主主要要电电路路有有:调调制制电电路路、控控制制电路和线路编码电路电路和

6、线路编码电路。采用激光器激光器激光器激光器作光源时，还有偏置电路偏置电路偏置电路偏置电路。对调制电路和控制电路的要求如下：(1)输出光脉冲的通通断断比比(全“1”码平均光功率和全“0”码平均光功率的比值，或消光比的倒数)应应大大于于10，以保证足够的光接收信噪比。(2)输出光脉冲的宽度应远大于开开开开通通通通延延延延迟迟迟迟(电电电电光光光光延延延延迟迟迟迟)时时时时间间间间，光脉冲的上升时间、下降时间和开通延迟时间应足够短，以便在高速率调制下，输出的光脉冲能准确再现输入电脉冲的波形。(3)对对激激光光器器应应施施加加足足够够的的偏偏置置电电流流，以便抑制在较高速率调制下可能出现的张弛振荡，保

7、证发射机正常工作。(4)应采用自自动动功功率率控控制制(APC)和自自动动温温度度控控制制(ATC)，以保证输出光功率有足够的稳定性。3.线路编码电路线路编码电路电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码，而光源不能发射负脉冲，要变换为适合于光纤传输的单极性码单极性码单极性码单极性码。4.1.2 调制特性调制特性半导体激光器是光纤通信的理想光源，但在高速脉冲调制下，其瞬态特性仍会出现许多复杂现象，如常见的电电光光延延迟迟、张弛振荡张弛振荡和自脉动现象自脉动现象。这些特性严严重重限限制制系系统统传传输输速速率率和和通通信信质质量量，因此在电路的设计时要给予充分考虑。张弛振荡：张弛振荡：张弛振荡

8、：张弛振荡：当电流当电流当电流当电流脉冲注入激光器以脉冲注入激光器以脉冲注入激光器以脉冲注入激光器以后，输出光脉冲表后，输出光脉冲表后，输出光脉冲表后，输出光脉冲表现出衰减式振荡。现出衰减式振荡。现出衰减式振荡。现出衰减式振荡。是激光器内部光电是激光器内部光电是激光器内部光电是激光器内部光电相互作用所表现出相互作用所表现出相互作用所表现出相互作用所表现出来的固有特性。来的固有特性。来的固有特性。来的固有特性。自脉动：自脉动：自脉动：自脉动：某些激某些激某些激某些激光器在某些注入光器在某些注入光器在某些注入光器在某些注入电流下发生的一电流下发生的一电流下发生的一电流下发生的一种持续振荡。种持续振

9、荡。种持续振荡。种持续振荡。张弛振荡和自脉动张弛振荡和自脉动张弛振荡和自脉动张弛振荡和自脉动的结合。的结合。的结合。的结合。激光器激激光器激激光器激激光器激射以后，先出现一射以后，先出现一射以后，先出现一射以后，先出现一个张弛振荡的过程，个张弛振荡的过程，个张弛振荡的过程，个张弛振荡的过程，随后则开始持续自随后则开始持续自随后则开始持续自随后则开始持续自脉动。脉动。脉动。脉动。光电瞬态响应波形：光电瞬态响应波形：光电瞬态响应波形：光电瞬态响应波形：1.1.电光延迟电光延迟电光延迟电光延迟 原因：原因：原因：原因：激光输出与注入电脉冲之间存在一个时间延迟，激光输出与注入电脉冲之间存在一个时间延迟

10、，激光输出与注入电脉冲之间存在一个时间延迟，激光输出与注入电脉冲之间存在一个时间延迟，一般为纳秒量级。一般为纳秒量级。一般为纳秒量级。一般为纳秒量级。降低方法：降低方法：降低方法：降低方法：预偏置在预偏置在预偏置在预偏置在I Ithth附近。附近。附近。附近。上升时间：从额定功率的上升时间：从额定功率的上升时间：从额定功率的上升时间：从额定功率的1010升到升到升到升到9090所需的时间所需的时间所需的时间所需的时间下降时间：从额定功率的下降时间：从额定功率的下降时间：从额定功率的下降时间：从额定功率的9090降到降到降到降到1010所需的时间所需的时间所需的时间所需的时间 当注入电流从零快当

11、注入电流从零快当注入电流从零快当注入电流从零快速增大到阈值以上速增大到阈值以上速增大到阈值以上速增大到阈值以上时，经电光延迟后时，经电光延迟后时，经电光延迟后时，经电光延迟后产生激光输出，并产生激光输出，并产生激光输出，并产生激光输出，并在脉冲顶部出现阻在脉冲顶部出现阻在脉冲顶部出现阻在脉冲顶部出现阻尼振荡，经过几个尼振荡，经过几个尼振荡，经过几个尼振荡，经过几个周期后达到平衡值。周期后达到平衡值。周期后达到平衡值。周期后达到平衡值。采用预偏置在采用预偏置在采用预偏置在采用预偏置在I Ithth附附附附近的方法，可减小近的方法，可减小近的方法，可减小近的方法，可减小张弛振荡张弛振荡张弛振荡张弛

12、振荡2.2.张弛振荡张弛振荡张弛振荡张弛振荡 不同于张弛振荡，没有不同于张弛振荡，没有不同于张弛振荡，没有不同于张弛振荡，没有阻尼，脉动频率范围为阻尼，脉动频率范围为阻尼，脉动频率范围为阻尼，脉动频率范围为0.24GHz,0.24GHz,容易发生在容易发生在容易发生在容易发生在阈值附近和阈值附近和阈值附近和阈值附近和P-IP-I特性的扭特性的扭特性的扭特性的扭曲区。曲区。曲区。曲区。造成自脉动的机理涉及造成自脉动的机理涉及造成自脉动的机理涉及造成自脉动的机理涉及量子噪声效应、有源区量子噪声效应、有源区量子噪声效应、有源区量子噪声效应、有源区的缺陷及温度感应的变的缺陷及温度感应的变的缺陷及温度感

13、应的变的缺陷及温度感应的变化等因素。化等因素。化等因素。化等因素。抑制这种现象主要靠控抑制这种现象主要靠控抑制这种现象主要靠控抑制这种现象主要靠控制材料的质量，尽量减制材料的质量，尽量减制材料的质量，尽量减制材料的质量，尽量减少有源区的缺陷。少有源区的缺陷。少有源区的缺陷。少有源区的缺陷。3.3.自脉动自脉动自脉动自脉动4 4、码型效应：码型效应：码型效应：码型效应：由于瞬态性质，输出光脉冲会出现码型效应。由于瞬态性质，输出光脉冲会出现码型效应。由于瞬态性质，输出光脉冲会出现码型效应。由于瞬态性质，输出光脉冲会出现码型效应。码型效应起因：码型效应起因：码型效应起因：码型效应起因：当第一个电流脉

14、冲过后，存储在有源区的当第一个电流脉冲过后，存储在有源区的当第一个电流脉冲过后，存储在有源区的当第一个电流脉冲过后，存储在有源区的电荷以指数形式衰减，回到初始状态有一个时间过程电荷以指数形式衰减，回到初始状态有一个时间过程电荷以指数形式衰减，回到初始状态有一个时间过程电荷以指数形式衰减，回到初始状态有一个时间过程 spsp，如果调制速率很高，脉冲间隔小于如果调制速率很高，脉冲间隔小于如果调制速率很高，脉冲间隔小于如果调制速率很高，脉冲间隔小于 spsp ，会使第二个电流脉，会使第二个电流脉，会使第二个电流脉，会使第二个电流脉冲到来时，前一个电流脉冲注入的电荷并没有完全复合消冲到来时，前一个电流

15、脉冲注入的电荷并没有完全复合消冲到来时，前一个电流脉冲注入的电荷并没有完全复合消冲到来时，前一个电流脉冲注入的电荷并没有完全复合消失，有源区的存储电荷起到直流预偏置的作用，于是第二失，有源区的存储电荷起到直流预偏置的作用，于是第二失，有源区的存储电荷起到直流预偏置的作用，于是第二失，有源区的存储电荷起到直流预偏置的作用，于是第二个光脉冲延迟时间减小，输出光脉冲的幅度和宽度增加。个光脉冲延迟时间减小，输出光脉冲的幅度和宽度增加。个光脉冲延迟时间减小，输出光脉冲的幅度和宽度增加。个光脉冲延迟时间减小，输出光脉冲的幅度和宽度增加。消除方法：消除方法：消除方法：消除方法：增加直流偏置电流。增加直流偏置

16、电流。增加直流偏置电流。增加直流偏置电流。电流脉冲电流脉冲电流脉冲电流脉冲光脉冲光脉冲光脉冲光脉冲两个连两个连两个连两个连“1”1”的现的现的现的现象象象象激光二极管的啁啾(Chirp)特性：在直接调制激光二极管时，不仅输出光功率随调制电流发生变化，而且光的频率也会发生波动，即在幅度调制的同时还受到频率调制。带有频率啁啾的信号在单模光纤中传播时，在色散作用下，将增大非线性失真。随着调制速率增加，啁啾现象愈加严重。解决办法：采用外部调制器。5 5、啁啾、啁啾、啁啾、啁啾4.1.3 调制电路和自动功率控制调制电路和自动功率控制数字信号调制电路应采用电流开关电路，最常用的是差差分分电电流开关电路流开

17、关电路。图4.6示出由三极管组成的共共共共发发发发射射射射极极极极驱驱驱驱动动动动电电电电路路路路，这种简单的驱动电路主要用于以发光二极管LED作为光源的光发射机。数字信号Uin从三极管V的基极输入，通过集电极的电流驱动LED。数字信号“0”码和“1”码对应于V的截止和饱和状态，电流的大小根据对输出光信号幅度的要求确定。这种驱动电路适用于10Mb/s以下的低速率系统，更高速率系统应采用差分电流开关电路。图图 4.6 共发射极驱动电路共发射极驱动电路图4.7是常用的射射极极耦耦合合驱驱动动电电路路，适合于激光器系统使用。电流源为由V1和V2组成的差分开关电路，它提供了恒定的偏置电流。在V2基极上

18、施加直流参考电压UB，V2集电极的电压取决于LD的正向电压，数字电信号Uin从V1基极输入。当信号为“0”码时，V1基极电位比UB高而抢先导通，V2截止，LD不发光；反之，当信号为“”码时，V1基极电位比UB低，V2抢先导通，驱动LD发光。V1和V2处于轮流截止和非饱和导通状态，有利于提高调制速率。当三极管截止频率fr4.5GHz时，这种电路的调制速率可达300Mb/s。射射极极耦耦合合电电路路为为恒恒流流源源，电电流流噪噪声声小小，这这种种电电路路的的缺缺点点是是动动态范围小，功耗较大态范围小，功耗较大。图图 4.7 射极耦合射极耦合LD驱动电路图驱动电路图UB图4.8是利用反馈电流使输出光

19、功率稳定的LD驱动电路，其主体和图4.7相同，只是由V3支路为LD提供的偏置电流Ib受到激光器背向输出光平均功率和输入数字信号均值的控制。由于温度变化和工作时间加长，LD的输出光功率会发生变化。为保证输出光功率的稳定，必须改进电路设计。PLD UPD(UPD+UR)UA1 IbPLD在在反反馈馈电电路路中中引引入入信信号号参参考考电电压压的的目目的的，是是使使LD的的偏偏置置电流电流Ib不受码流中不受码流中“0”码和码和“1”码比例变化的影响。码比例变化的影响。一个更加完善的自自动动功功率率控控制制(APC)电路如图4.9所示。从LD背向输出的光功率，经PD检测器检测、运算放大器A1放大后送到

20、比较器A3的反相输入端。同时，输入信号参考电压和直流参考电压经A2比较放大后，送到A3的同相输入端。A3和V3组成直流恒流源调节LD的偏流，使输出光功率稳定。图4.9APC电路原理4.1.4 温度特性和自动温度控制温度特性和自动温度控制1.激光器的温度特性激光器的温度特性激光器的温度特性在3.1节已经讨论过，温度对激光器输出光功率的影响主要通过阈值电流阈值电流Ith和外微分量子效率外微分量子效率d产生。图4.10(a)和(b)分别示出温度通过阈值电流和外微分量子效率引起的输出光脉冲的变化：温度升高升高，阈值电流增加增加 外微分量子效率减小减小，输出光脉冲幅度下降下降 温度对输出光脉冲会产生“结

21、发热效应结发热效应”。PPII图4.10温度引起的光输出的变化(a)阈值电流变化引起的光输出的变化；(b)外微分量子效率变化引起的光输出的变化20。C25。C20。C70。C起因：起因：起因：起因：注入电流导致温升，进而引起阈值电流的变化，注入电流导致温升，进而引起阈值电流的变化，注入电流导致温升，进而引起阈值电流的变化，注入电流导致温升，进而引起阈值电流的变化，从而输出光功率也发生变化。在电流脉冲持续阶段，输从而输出光功率也发生变化。在电流脉冲持续阶段，输从而输出光功率也发生变化。在电流脉冲持续阶段，输从而输出光功率也发生变化。在电流脉冲持续阶段，输出光功率随时间而减小；而当电流脉冲过后，输

22、出光功出光功率随时间而减小；而当电流脉冲过后，输出光功出光功率随时间而减小；而当电流脉冲过后，输出光功出光功率随时间而减小；而当电流脉冲过后，输出光功率随时间而增加。率随时间而增加。率随时间而增加。率随时间而增加。消除方法：消除方法：消除方法：消除方法：适当增加偏置电流适当增加偏置电流适当增加偏置电流适当增加偏置电流结发热效应：结发热效应：结发热效应：结发热效应：半导体激光器是对温度很敏感的器件，不仅环境温度的变化会使半导体激光器是对温度很敏感的器件，不仅环境温度的变化会使半导体激光器是对温度很敏感的器件，不仅环境温度的变化会使半导体激光器是对温度很敏感的器件，不仅环境温度的变化会使激光器的阈

23、值电流以及输出光功率发生变化，注入电流的热效应也会激光器的阈值电流以及输出光功率发生变化，注入电流的热效应也会激光器的阈值电流以及输出光功率发生变化，注入电流的热效应也会激光器的阈值电流以及输出光功率发生变化，注入电流的热效应也会发生类似的变化发生类似的变化发生类似的变化发生类似的变化结发热效应。是激光器的另一种瞬态调制效应。结发热效应。是激光器的另一种瞬态调制效应。结发热效应。是激光器的另一种瞬态调制效应。结发热效应。是激光器的另一种瞬态调制效应。2.自动温度控制自动温度控制半导体光源的输出特性受温度影响很大，特别是长长长长波波波波长长长长半半半半导导导导体体体体激激激激光光光光器器器器对温

24、度更加敏感。为保证输出特性的稳定，对激光器进行温度控制是十分必要的。温度控制装置一般由致致冷冷器器、热热敏敏电电阻阻和控控制制电电路路组成，图4.12示出温度控制装置的方框图。致致致致冷冷冷冷器器器器的冷端和激光器的热沉接触，热热热热敏敏敏敏电电电电阻阻阻阻作为传感器，探测激光器结区的温度，并把它传递给控制电路，通过控控控控制制制制电电电电路路路路改变致冷量，使激光器输出特性保持恒定。图4.12温度控制方框图激光器致冷器热敏电阻热敏电阻控制电路热导热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻目前，微微微微致致致致冷冷冷冷大多采用半半导导体体致致冷冷器器，它是利用半导体材料的珀尔帖效

25、应珀尔帖效应制成的电偶来实现致冷的。用若干对电偶串联或并联组成的温差电功能器件，温度控制范围可达3040。为提高致冷效率和温度控制精度，把致冷器和热敏电阻封装在激光器管壳内，温度控制精度可达0.5。从而使激光器输出平均功率和发射波长保持恒定，避免调制失真。ATCATC电电电电路路路路主要由R1、R2、R3和热敏电阻RT组成“换换能能”电电桥桥，通过电桥把温度的变化转换为电量的变化。运算放大器A的差动输入端跨接在电桥的对端，用以改变三极管V的基极电流。T(环 境)T(LD、热 沉)RTI(致 冷 器)T(LD)4.2 光接收机光接收机 4.2.1 光接收机基本组成光接收机基本组成直接强度调制、直

26、接检测方式的数字光接收机方框图示于图4.14。主要包括：光光检检测测器器、前前置置放放大大器器、主主放放大大器器、均均衡衡器器、时时钟钟提提取电路、取样判决器取电路、取样判决器以及自动增益控制自动增益控制(AGC)电路电路。光接收机光接收机光信号光信号光信号光信号光电光电光电光电变换变换变换变换前置前置前置前置放大放大放大放大主放主放主放主放大器大器大器大器均衡均衡均衡均衡滤波滤波滤波滤波判判判判决决决决器器器器时钟恢复时钟恢复时钟恢复时钟恢复输出输出输出输出AGCAGC电路电路电路电路性能指标性能指标性能指标性能指标:接收灵敏度、接收灵敏度、接收灵敏度、接收灵敏度、误码率或信噪比误码率或信噪

27、比误码率或信噪比误码率或信噪比前端前端前端前端线性通道线性通道线性通道线性通道时钟提取与数据再生时钟提取与数据再生时钟提取与数据再生时钟提取与数据再生（CDRCDR）对对对对信号进行高增益放大与整形，信号进行高增益放大与整形，信号进行高增益放大与整形，信号进行高增益放大与整形，提高信噪比，减少误码率。提高信噪比，减少误码率。提高信噪比，减少误码率。提高信噪比，减少误码率。光接收机的前端(1)n n前端：前端：前端：前端：由光电二极管和前置放大器组成。由光电二极管和前置放大器组成。由光电二极管和前置放大器组成。由光电二极管和前置放大器组成。n n作用：作用：作用：作用：将耦合入光电检测器的光信号

28、转换为时变将耦合入光电检测器的光信号转换为时变将耦合入光电检测器的光信号转换为时变将耦合入光电检测器的光信号转换为时变电流，然后进行预放大（电流电压转换），以便电流，然后进行预放大（电流电压转换），以便电流，然后进行预放大（电流电压转换），以便电流，然后进行预放大（电流电压转换），以便后级作进一步处理。是光接收机的核心。后级作进一步处理。是光接收机的核心。后级作进一步处理。是光接收机的核心。后级作进一步处理。是光接收机的核心。n n要求：要求：要求：要求：低噪声、高灵敏度、足够的带宽低噪声、高灵敏度、足够的带宽低噪声、高灵敏度、足够的带宽低噪声、高灵敏度、足够的带宽电信号电信号电信号电信号光信

29、号光信号光信号光信号光电光电光电光电变换变换变换变换前置前置前置前置放大放大放大放大光接收机的前端(2)光检测器的选择：要视具体应用场合而定。PIN光电二极管具有良好的光电转换线性度，不需要高的工作电压，响应速度快。APD最大的优点是它具有载流子倍增效应，其探测灵敏度特别高，但需要较高的偏置电压和温度补偿电路。从简化接收机电路考虑，一般情况下多喜欢采用PIN光电二极管作光探测器。前置放大器的主要作用是保持探测的电信号不失真地放大和保证噪声最小，一般采用场效应晶体管(FET)。PIN/FET和APD/FET。光接收机的前端(3)根据不同的应用要求，前端的设计有三种不同的方案：低阻抗前端高阻抗前端

30、跨（互）阻抗前端光接收机前端的等效电路光接收机前端的等效电路光接收机前端的等效电路光接收机前端的等效电路低低低低阻抗前端阻抗前端阻抗前端阻抗前端从频带要求出发选择从频带要求出发选择从频带要求出发选择从频带要求出发选择偏置电阻偏置电阻偏置电阻偏置电阻RRL L优点：优点：优点：优点：电路简单，不电路简单，不电路简单，不电路简单，不需要或只需要很少的需要或只需要很少的需要或只需要很少的需要或只需要很少的均衡，动态范围较大均衡，动态范围较大均衡，动态范围较大均衡，动态范围较大缺点：缺点：缺点：缺点：灵敏度低，噪灵敏度低，噪灵敏度低，噪灵敏度低，噪声较高声较高声较高声较高光接收机的前端(4)高阻抗前端

31、高阻抗前端高阻抗前端高阻抗前端尽量加大偏置电阻，把噪声尽量加大偏置电阻，把噪声尽量加大偏置电阻，把噪声尽量加大偏置电阻，把噪声减至尽可能小的值减至尽可能小的值减至尽可能小的值减至尽可能小的值优点优点优点优点：噪声较低：噪声较低：噪声较低：噪声较低缺点缺点缺点缺点：动态范围小、高频分：动态范围小、高频分：动态范围小、高频分：动态范围小、高频分量损失太大量损失太大量损失太大量损失太大,对均衡电路提出对均衡电路提出对均衡电路提出对均衡电路提出很高要求很高要求很高要求很高要求.多用于低速系统多用于低速系统多用于低速系统多用于低速系统.跨跨跨跨阻抗前端阻抗前端阻抗前端阻抗前端电压并联负反馈放大器（电电压

32、并联负反馈放大器（电电压并联负反馈放大器（电电压并联负反馈放大器（电流流流流-电压转换器）电压转换器）电压转换器）电压转换器）优点：优点：优点：优点：宽频带（等效输入电宽频带（等效输入电宽频带（等效输入电宽频带（等效输入电阻很小）、低噪声（反馈电阻很小）、低噪声（反馈电阻很小）、低噪声（反馈电阻很小）、低噪声（反馈电阻可以取得很大）、灵敏度阻可以取得很大）、灵敏度阻可以取得很大）、灵敏度阻可以取得很大）、灵敏度高、动态范围大等综合优点，高、动态范围大等综合优点，高、动态范围大等综合优点，高、动态范围大等综合优点，被广泛采用。被广泛采用。被广泛采用。被广泛采用。光接收机的线性通道对主放输出的失对

33、主放输出的失对主放输出的失对主放输出的失真数字脉冲进行真数字脉冲进行真数字脉冲进行真数字脉冲进行整形，使之成为整形，使之成为整形，使之成为整形，使之成为有利于判决码间有利于判决码间有利于判决码间有利于判决码间干扰最小的升余干扰最小的升余干扰最小的升余干扰最小的升余弦波形。弦波形。弦波形。弦波形。可根据输入信号（平均值）大小自动调整放可根据输入信号（平均值）大小自动调整放可根据输入信号（平均值）大小自动调整放可根据输入信号（平均值）大小自动调整放大器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大大器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大大器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大大器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大

34、接收机的动态范围。接收机的动态范围。接收机的动态范围。接收机的动态范围。提供高的增提供高的增提供高的增提供高的增益，放大到益，放大到益，放大到益，放大到适合于判决适合于判决适合于判决适合于判决电路的电平。电路的电平。电路的电平。电路的电平。主放主放主放主放大器大器大器大器均衡均衡均衡均衡滤波滤波滤波滤波AGCAGC电路电路电路电路判决再生与时钟提取任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号为为为为确定是确定是确定是确定是“1”1”1”1”或是或是或是或是

35、“0”0”0”0”，需要对某时隙，需要对某时隙，需要对某时隙，需要对某时隙的码元作出判决。若的码元作出判决。若的码元作出判决。若的码元作出判决。若判决结果为判决结果为判决结果为判决结果为“1”1”1”1”，则，则，则，则由再生电路产生一个由再生电路产生一个由再生电路产生一个由再生电路产生一个矩形矩形矩形矩形“1”1”1”1”脉冲；若判脉冲；若判脉冲；若判脉冲；若判决结果为决结果为决结果为决结果为“0”0”0”0”，则由，则由，则由，则由再生电路重新输入一再生电路重新输入一再生电路重新输入一再生电路重新输入一个个个个“0”0”0”0”。为了精确地确定为了精确地确定为了精确地确定为了精确地确定“判

36、决时刻判决时刻判决时刻判决时刻”，需要从信号码流中提取，需要从信号码流中提取，需要从信号码流中提取，需要从信号码流中提取准确的时钟信息作为标定，准确的时钟信息作为标定，准确的时钟信息作为标定，准确的时钟信息作为标定，以保证与发送端一致。以保证与发送端一致。以保证与发送端一致。以保证与发送端一致。判判判判决决决决器器器器时钟恢复时钟恢复时钟恢复时钟恢复输出输出输出输出判决、再生过程均衡器输均衡器输均衡器输均衡器输出波形出波形出波形出波形时钟时钟时钟时钟再生后再生后再生后再生后的信号的信号的信号的信号判决电压判决电压判决电压判决电压最佳取样时间相应于最佳取样时间相应于最佳取样时间相应于最佳取样时间

37、相应于“1”1”和和和和“0”0”信号电信号电信号电信号电平相差最大的位置，可有眼图决定。平相差最大的位置，可有眼图决定。平相差最大的位置，可有眼图决定。平相差最大的位置，可有眼图决定。4.光电集成接收机光电集成接收机图4.14中除光检测器以外的所有元件都是标准的电子器件，很容易用标准的集成电路(IC)技术将它们集成在同一芯片上。不论是硅(Si)还是砷化镓(GaAs)IC技术都能够使集成电路的工作带宽超过2GHz，甚至达到10GHz。为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力开发单片光接收机，即用“光光电电集集成成电电路路(OEIC)技技术术”在同一芯片上集成包括光检测器在内的全部元件。对于工作

38、在1.31.6m波长的系统，人们需要基于InP的OEIC接收机接收机。在1991年试验成功的单路InGaAsOEIC接收机，其运行速率达5Gb/s。InGaAsOEIC接收机也可以用混合法实现混合法实现。如图4.15所示，电元件集成在GaAs基片上，而光检测器集成在InP基片上，两个部分通过接触片连接在一起。图4.15光电集成接收机4.2.2 噪声特性噪声特性光接收机的噪声有两部分：噪声有两部分：外外部部电电磁磁干干扰扰产产生生 这部分噪声的危害可以通过屏蔽或滤波加以消除；内内部部产产生生这部分噪声是在信号检测和放大过程中引入的随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制造尽可能减小，一般不可

39、能完全消除。我们要讨论的噪声是指内部产生的随机噪声随机噪声随机噪声随机噪声。光接收机噪噪噪噪声声声声的的的的主主主主要要要要来来来来源源源源是是是是:光光光光检检检检测测测测器器器器的的的的噪噪噪噪声声声声和和和和前前前前置置置置放放放放大大大大器器器器的的的的噪噪噪噪声声声声。因为前置级输入的是微弱信号，其噪声对输出信噪比影响很大，而主放大器输入的是经前置级放大的信号，只要前置级增益足够大，主放大器引入的噪声就可以忽略。图4.16光接收机的噪声等效模型图4.16示出光接收机的噪声等效模型，由光光光光检检检检测测测测器器器器和和放放放放大大大大器器器器两部分组成。iq2光检测器的量子噪声功率谱

40、密度分别表示为Sqid2暗电流噪声产生的均方噪声电流(等效噪声功率)，其相应的功率谱密度Sd ip光检测器的输出光生电流 R光检测器的偏置电阻 C光检测器的电容(结电容和其他电容)放大器分解为放大器分解为:理想放大器理想放大器 相应的功率谱密度SI等效噪声电流源等效噪声电流源i02相应的功率谱密度SE电电压压源源u02，相应的功率谱密度Rin放大器的输入电阻。光检测器等效噪声特性请参看3.2节的内容。放大器噪声特性取决于所采用的前置放大器类型，根据放大器噪声等效电路和晶体管理论可以计算。常用三种类型前置放大电路示于图4.17，其输出的等效噪声功率等效噪声功率NA为：为：场效应管场效应管(FET

41、)前置放大器前置放大器(4.5)(4.4)双极型晶体管双极型晶体管(BJT)前置放大器前置放大器跨阻型前置放大器跨阻型前置放大器-双极型晶体管双极型晶体管(4.6)跨阻型前置放大器跨阻型前置放大器-场效应管场效应管(4.7)图4.17光接收机的前置级放大电路(a)双极型晶体管；(b)场效应管；(c)跨阻型三种类型前置放大器的比较：(1)双双极极型型晶晶体体管管前前置置放放大大器器的主要特特点点是输入阻抗低，电路时间常数RC小于信号脉冲宽度T，因而码间干扰小，适用于高速率传输系统。(2)场场效效应应管管前前置置放放大大器器的主要特特点点是输入阻抗高，噪声小，高频特性较差，适用于低速率传输系统。(

42、3)跨跨阻阻型型前前置置放放大大器器最大的优优点点是改善了带宽特性和动态范围，并具有良好的噪声特性。4.2.3 误码率误码率由由于于噪噪声声的的存存在在，放放大大器器输输出出的的是是一一个个随随机机过过程程，其取样值是随机变量，因此在判决时可能发生误判，把发射的“0”码误判为“1”码，或把“1”码误判为“0”码。光接收机对码元误判的概率称为误误码码率率(在二元制的情况下，等于误比特率，BER)，用较长时间间隔内，在传输的码流中，误判的码元数和接收的总码元数的比值来表示。码元被误判的概率，可以用噪声电流(压)的概率密度函数来计算。图4.18计算误码率的示意图I1是“1”码的电流，I0是“0”码的

43、电流。Im是“”码的平均电流，而“0”码的平均电流为0。D为判决门限值，一般取D=Im/2。在在“”码码时时，如果在取样时刻带有噪声的电流I1D，则可能被误判为“”码。光光接接收收机机输输出出噪噪声声的的概概率率分分布布十分复杂，一般假设噪声电流(或电压)的瞬时值服从高斯分布，其概率密度函数为概率密度函数为:式中x是代表噪声这一高斯随机变量的取值，其均值为零，方差为2。(4.8)1.“0”码误码率在发“0”码时，平均噪声功率N0=NA，NA为前置放大器的平均噪声功率。这时没有光信号输入，光检测器的平均噪声功率ND=0(略去暗电流)。由式(4.8)得到发发“0”码的条件下噪声的概率密度函数为码的

44、条件下噪声的概率密度函数为:(4.9)根据误码率的定义，把“0”码误判为“1”码的概率，应等于I0值超过D值的概率，即式中x=I0/(4.10a)(I0D)(4.10b)2.“1”码误码率在发“1”码时，平均噪声功率N1=NA+ND。ND是在放大器输出端光检测器的平均噪声功率。这时噪声电流的幅度为I1-Im，判决门限值仍为D，则只要取样值Im-I1Im-D或I1-Im(Im-D)(4.11b)把把“1”码误判为码误判为“0”码的概率为：码的概率为：“0”码和“1”码的误码率一般是不相等的，但对于“0”码和“1”码等概率的码流而言，一一般般认认为为Pe,01=Pe,10时，可以使误码率达到最小。

45、时，可以使误码率达到最小。因此，总误码率总误码率(BER)可以表示为：(4.12)式中Q=(4.13a)Q=(4.13b)Q称为超超扰扰比比，含有信噪比的概念。它还表示在对“0”码进行取样判决时，判决门限值D超过放大器平均噪声电流的倍数。由此可见，只要知道Q值，就可根据式(4.12)的积分求出误码率，结果示于图4.19。例如：Q=6,BER10-9，Q7，BER=10-12。图4.19误码率和Q的关系Pr=10lg(4.14)4.2.4 灵敏度灵敏度灵灵敏敏度度是衡量光接收机性能的综合指标。灵灵敏敏度度Pr的的定定义义是是，在保证通信质量(限定误码率或信噪比)的条件下，光接收机所需的最小平均接

46、收光功率Pmin，并以dBm为单位。由定义得到灵灵敏敏度度表表示示光光接接收收机机调调整整到到最最佳佳状状态态时时，能能够够接接收收微微弱弱光光信号的能力。信号的能力。提高灵敏度意味着能够接收更微弱的光信号。1.理想光接收机的灵敏度理想光接收机的灵敏度假设光检测器的暗电流为零，放大器完全没有噪声，系统可以检测出单个光子形成的电子-空穴对所产生的光电流，这种接收机称为理想光接收机理想光接收机。它它的的灵灵敏敏度度只只受受到到光光检检测测器器的的量量子子噪噪声声的的限限制制，因为量子噪声是伴随光信号的随机噪声，只要有光信号输入，就有量子噪声存在。首首先先考考虑虑理理想想光光接接收收机机的的误误码码

47、率率。当光检测器没有光输入时，放大器就完全没有电流输出，因此“0”码误判为“”码的概率为0，即Pe,01=0。产生误码的惟一可能就是当一个光脉冲输入时，光检测器没有产生光电流，放大器没有电流输出。这个概率，即“1”码误判为“0”码的概率Pe,10=exp(-n)，n为一个码元的平均光子数。当当“0”码和码和“1”码等概率出现时，码等概率出现时，误码率为：误码率为：Pe=(4.15)Pe,01+Pe,10=exp(-n)现在考虑理想光接收机的灵敏度。设传输的是是非非归归零零码码(NRZ)，每个光脉冲最小平均光能量为Ed，码元宽度为Tb，一个码元平均光子数为n，那么光光接接收收机机所所需需最最小小

48、平平均均接接收收功功率率为为:式中，因子2是“0”码和“1”码功率平均的结果，h=6.62810-34Js为普朗克常数，f=c/，f、分别为光频率和光波长，c为真空中的光速。利用Tb=1/fb，fb为传输速率；并考虑光/电转换时的量子效率为。Pmin=Pr=10lg(4.17)对于数字光纤通信系统，一般要求误码率Pe10-9，根据式(4.15)得到n21。这这表表明明至至少少要要有有21个个光光子子产产生生的的光光电电流流，才才能能保保证证判判决决时时误误码率小于或等于码率小于或等于10-9。设=0.7，并把相关的常数代入式(4.17)，计算出的不同和不同fb的Pr值列于表4.1。这是光接收机

49、可能达到的最高灵敏度，这个极限值是由量子噪声决定的，所以称为量子极限量子极限。把这些关系代入式(4.16)，得到理想光接收机灵敏度理想光接收机灵敏度:-65.7-59.2-71.1-63.8灵敏度灵敏度pr/dBm14062234140速度速度fb/(Mb.s-1)1.551.31波长波长 /表表4.1理想光接收机的接收机理想光接收机的接收机2.实际光接收机的灵敏度实际光接收机的灵敏度影响实际光接收机灵敏度的因素很多，计算也十分复杂，这里只作简要介绍。利用误码率的公式(4.12)、(4.13)可以计算最小平均接收光功率最小平均接收光功率。为此，应建立超超扰扰比比Q与入入射射光光功功率率的关系。

50、在发“0”码的情况下，入射信号的光功率P0=0，输出光电流I0=0。在发“1”码的情况下，入射信号的光功率P1和光电流I1的关系为式中，g为APD倍倍增增因因子子(对于PINPD，g=1)，为光检测器的响应度，P=(P1+P0)/2为“0”码和“”码的平均光功率。（4.18）I1=gP1=2gPQ=(4.19)式中，N0和N1分别为传输“0”码和“1”码时的平平均均噪噪声声功功率率。如前所述，在略去暗电流的情况下，（4.20）在放大器输出端“”码的平均电流Im=I1A，A为放大器增益，利用式(4.13)和式(4.18)得到给定Q值，便得到限定误码率的最小平均接收光功率限定误码率的最小平均接收光