第八章光發射機與光接收機內容摘要：光發射機的構成和功能由光源、驅動器和調制器組成。功能是將來自于電端機的信號對光源發出的光進行調制，再將已調的光信號耦合到光纖或光纜去傳輸。2.光接收機構成和功能由(光放大器)光檢測器和放大電路組成。功能是將光纖或光纜傳輸來的光信號，經光檢測器轉變為電信號，經放大電路放大，送到接收端的電端機。本章重點：

理解掌握光發射機、光接收機的功能、電路工作原理。一、光發射機應滿足的技術要求

(1)體積小，與光纖之間有較高的耦合效率；

(2)發射的光波波長應位于光纖的三個低損耗窗口；(3)可以進行光強度調制；

(4)可靠性高，要求它工作壽命長、工作穩定性好（功率、偏振、光譜、溫度）；(5)發射的光功率足夠高，以便可以傳輸較遠的距離。

第一節光發射機激光二極管發光二極管1．光功率較大，100mW——101

mw光功率較小，僅1mw——2mW2．帶寬大、調制速率高，102MHz——101

GHz帶寬小、調制速率低，101——102MHz。3．光束方向性強，發散度小。方向性差，發散度大。4．與光纖的耦合效率高，可達80％以上。與光纖的耦合效率低，僅百分之幾。5．光譜較窄。光譜較寬。6．制造工藝難度大，成本高。制造工藝難度小，成本低。7．在要求光功率較穩定時，需要APC和ATC。可在較寬的溫度范圍內正常工作。8．輸出特性曲線的線性度較好。在大電流下易飽和。9．有模式噪聲。無模式噪聲。10．可靠性一般?？煽啃暂^好。11．工作壽命短。工作壽命長。二、光發送原理

在光纖通信系統中，由于信息由LED和LD發出的光波攜帶，因此光發射機主要有調制電路和控制電路組成。光發送系統說明:在數字通信中，輸入電路將輸入的PCM脈沖信號變換成NRZ碼后，通過驅動電路調制光源(直接調制)，或送到光調制器調制光源輸出的連續光波(外調制)，加載到光源上。對直接調制，驅動電路需給光源加一直流偏置；而外調制方式中光源的驅動為恒定電流，以保證光源輸出連續光波。

自動偏置和自動溫度控制電路是為了穩定輸出的平均光功率和工作溫度。光發射機中還有報警電路，用以檢測和報警光源的工作狀態。

----從本質上講，光載波調制和無線電波載波調制一樣，也即有調幅、調強、調頻、調相、調偏等多種調制方式。但為了便于解調，在光頻段多采用強度調制。----從調制方式與光源的關系上來分，強度調制的方法有兩種：直接調制和外調制。直接調制——用電信號直接調制光源器件的偏置電流，使光源發出的光功率隨信號而變化。優點是簡單、經濟、容易實現，但調制速率受載流子壽命及高速率下的性能退化的限制。外調制——基于電光、磁光、聲光效應，讓光源輸出的連續光載波通過光調制器，光信號通過調制器實現對光載波的調制。需要調制器，結構復雜，但可獲得優良的調制性能，特別適合高速率光通信系統。---三、光波的調制

模擬調制：連續的模擬信號電流疊加在直流偏置電流上，選擇適當直流偏置的大小，使靜態工作點位于發光管特性曲線線性段的中點，可以減小光信號的非線性失真。

調制線性的好壞取決于調制深度m。設調制電流幅值為ΔI，偏置電流為IB，則m定義為：

(8-1)四．LED的直接調制原理數字調制：信號電流為單向二進制數字信號，用單向脈沖電流的“有”、“無”(“1”碼和“0”碼)控制發光管的發光與否。直接調制時，模擬系統或數字系統都是通過控制流經發光管電流的辦法達到調制輸出光功率的目的。但由于二者功率不同，對驅動與偏置電路也不同。1．LED的模擬驅動電路在模擬系統中，驅動電路提供一定的工作點偏置電流及足夠的信號驅動電流，以使光源能夠輸出足夠的功率。

非線性失真必須低于-30dB～-50dB。但由于LED本身存在非線性失真，在高質量要求的信號傳輸中，還需要線性補償電路。LED對溫度不很敏感，因此一般不采用APC和ATC電路。五．光源的驅動電路LED的數字驅動電路主要應用于二進制數字信號。驅動電路應能提供幾十至幾百毫安（mA）的“開”“關”電流。

碼速不高時，可以不加偏置；但在高碼速時，需加小量的正向偏置電流，有利于保持二極管電容上的電荷。

2．LED的數字驅動電路圖8-6(a)為晶體管共射驅動電路，晶體管用作飽和開關，提供電流增益β，其兩端的電壓降較小，飽和壓降Vcc≈0.3V。圖(c)為發射極耦合開關式驅動電路，可傳輸300Mb／s以上的數字信號。

晶體管Tl和T2是發射極耦合式開關，T3為恒流源。發光管的驅動電流由恒流源決定。這種電路類似線性差分放大器，實際作開關用。由于它超越了線性范圍工作，輸入端過激勵時；仍沒有達到飽和，所以開關速率更高。圖(b)中的達林頓結構使電路得到2.5ns的光上升時間，可傳輸100Mb／s的數字信號。但發射極的負載不是純電阻，電路發生振蕩。RlCl并聯串接于發射極電路，組成發射極跟隨電路，提供電壓階躍，以補償驅動電流開始時，對發光管電容充電所造成的光驅動電流的下降，從而使驅動器可工作在高碼速情況下。

由于LD通常用于高速系統，且是閾值器件，它的溫度穩定性較差，與LED相比，其調制技術要復雜的多，驅動條件的選擇、調制電路的形式和工藝，都對調制性能至關重要。為了保證LD有穩定的輸出光功率、光譜、消光比，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。

4.LD的驅動電路

(2)太大的直流偏置會使激光器的消光比惡化。消光比——激光器在全"l"碼時發送的光功率(P1)與全"0"碼時發射的光功率(Po)之比，用dB表示為：光源的消光比將直接影響接收機的靈敏度。

為保證一定的靈敏度，消光比一般應大于10dB。激光器的偏置電流IB過大，會使消光比惡化，降低接收機的靈敏度。通常取IB＝(0.85～0.90)Ith。驅動脈沖電流的峰-峰值ΔIm一般取Im十IB＝(1.2～1.3)Ith。

激光器的直接調制電路有許多種，但概括起來有兩類：一類是單管集電極驅動電路，另一類是射極耦合開關電路。圖中，三極管的輸出特性在放大區表現為恒流源，可以用集電極電流驅動光源。DT為驅動管，當電信號加在DT基極時，即可驅動集電極電路中的激光器，使之輸出的光功率隨信號的變化而變化。DT工作在開關狀態。激光器的直接調制電路TTL開關式驅動電路

下圖中晶體管BG2和BG3為發射極耦合對，組成非飽和電流選擇開關。當BG2基極電位高于BG3基極電位時，BG2導通，恒流源的驅動電流Im全部流過BG2，故流過LD的電流為零。反之，當BG2基極電位低于BG3基極電位時，BG3導通，所有驅動電流都通過LD。電流開關的轉換過程由輸入數字信號轉換成ECL電平來控制，ECL電平"l"碼時，輸出為-1.8V，"0"碼時，輸出為十0.8V，經過BGl和D1電平移動后加到BG2基極，而BG3基極電平固定在-2.6V，它由溫度補償的參考電平Vbb經BG4和D2電平移動得到。Vbb＝-1.31V是"l"碼和"0"碼電平的中間值。選擇適當的輸入電壓，使晶體管不驅動到飽和狀態，就能起到快速開關作用，同時恒流源可使開關噪聲很小。利用LD組件中的PIN光電二極管，監測LD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LD輸出功率基本上恒定不變。

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Rl控制預偏置電流IB。

調節R2使再生信號與PIN輸出取得平衡，使IB保持恒定。

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。IB圖8-13的原理：控制LD偏置電流——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Rl控制預偏置電流IB。調節R2使再生信號與PIN輸出取得平衡，使IB保持恒定。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。

R3Cl構成LD的慢啟動網絡，開啟電源或有突發的電沖擊時，由于電路的時間常數很大(～lms)，IB只能慢慢增大。前面的控制電路首先進入穩定控制狀態，然后IB緩慢增大，保護LD免受沖擊。圖8-17是溫度控制電路，LD組件中的熱敏電阻具有負溫度系數，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。Rt

T↑→Rt(電壓下降)

↓→差分放大器輸入端壓降↑→差分放大器輸出電壓↑→Ic↑→T↓

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，出現一端吸熱另一端放熱的現象，這種現象稱為珀爾帖效應。微型半導體制冷器的溫差可以達到30℃～40℃。吸熱放熱

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工作時，管芯溫度會持續上升，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。在光發送電路中，由于采用了ATC和APC電路，使LD輸出光功率

的穩定度保持在較高的水平上。在環境溫度為十5℃～十50℃范圍內，LD輸出光功率的不穩定度小于5％。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，需對光源進行過流保護。圖8-18所示是激光器的過流保護電路，圖中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。激光器的保護及告警電路當偏流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，激光器不因IB過大而被損壞。②無光告警電路

----圖8-19所示為無光告警原理圖。圖中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控系統處理。③壽命告警電路當閾值電流增大到開始使用時的1.5倍時，就認為LD的壽命終止。所以壽命告警電路通常采用監測偏流IB的值來判斷激光器壽命是否終止。即當IB＞1.5Itho(Itho為LD開始啟用時的閾值電流)時，壽命告警電路就告警。

----圖8-20所示為壽命告警電路原理圖。圖中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LD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控系統。光接收機的任務是以最小的附加噪聲及失真恢復出由光纖傳輸、光載波所攜帶的信息。其輸出特性綜合反映了整個光纖通信系統的性能。本章重點討論接收機前端的噪聲特性、模擬及數字接收機的性能，如信噪比或誤碼率、接收機靈敏度等。第二節光接收機光接收機也有數字接收機和模擬接收機兩種形式，見上圖所示。它們均由反向偏壓下的光電檢測器、低噪聲前置放大器及其他信號處理電路組成，是一種直接檢測(DD)方式。與模擬接收機(a)相比，數字接收機(b)更復雜，在主放大器后還有均衡濾波、定時提取與判決再生、峰值檢波與AGC放大電路。它們在高電平下工作，不影響對光接收機基本性能的分析。一、光接收機的構造

模擬式數字式光電檢測器是光接收機的第一個關鍵部件，其作用是把接收到的光信號轉化成電信號。目前在光纖通信系統中廣泛使用的光電檢測器是PIN光電二極管和雪崩光電二極管APD。(1)PIN管比較簡單，只需10V～20V的偏壓即可工作，且不需偏壓控制，但它沒有增益。因此使用PIN管的接收機的靈敏度不如APD管的高；(2)AFD管具有10～200倍的內部電流增益，可提高光接收機的靈敏度。但使用APD管比較復雜，需要幾十到200V的偏壓。1、光電檢測器溫度變化較嚴重地影響APD管的增益特性。通常需對APD管的偏壓進行控制以保持其增益不變，或采用溫度補償措施以保持其增益不變。

對光檢測器的基本要求是高的轉換效率、低的附加噪聲和快速的響應。

由于光檢測器產生的光電流非常微弱(nA～μA)，必須先經前置放大器進行低噪聲放大，光電檢測器和前置放大器合起來叫做接收機前端，其性能的優劣決定接收靈敏度的主要因素。經光電檢測器檢測而得的微弱信號電流，流經負載電阻轉換成電壓信號后，由前置放大器加以放大。但前置放大器在將信號進行放大的同時，也會引入放大器本身電阻的熱噪聲和晶體管的散彈噪聲。主放大器在放大前置放大器的輸出信號時，也會將前置放大器產生的噪聲一起放大。前置放大器的性能優劣對接收機的靈敏度有十分重要的影響。為此，前置放大器必須是低噪聲、寬頻帶放大器。

----主放大器主要用來提供高的增益，將前置放大器的輸出信號放大到適合于判決電路所需的電平。前置放大器的輸出信號電乎一般為mV量級，而主放大器的輸出信號一般為1V～3V(峰／峰值)。2、前置放大器均衡器的作用是對主放大器輸出的失真的數字脈沖信號進行整形，使之成為最有利于判決、碼間干擾最小的升余弦波形。均衡器的輸出信號通常分為兩路，一路經峰值檢波電路變換成與輸入信號的峰值成比例的直流信號，送入自動增益控制電路，用以控制主放大器的增益；另一路送入判決再生電路，將均衡器輸出的升余弦信號恢復為“0”或“1”的數字信號。3、均衡器

定時提取電路用來恢復采樣所需的時鐘。

衡量接收機性能的主要指標是接收靈敏度。在接收機的理論中，中心的問題是如何降低輸入端的噪聲，提高接收靈敏度。光接收機靈敏度主要取決于光電檢測器的響應度以及檢測器和放大器的噪聲。由光電檢測器、前置放大器、主放大器和均衡器構成的這部分電路稱為線性通道。線性通道主要完成對信號的線性放大，以滿足判決電平的要求。1．前置放大器

接收機的前端包括反向偏壓下的光電二極管和前置放大器。光電二極管接收由光纖耦合來的光信號。在實際電路分析中，可將光電二極管看成是一個與其結電容Cd并聯的電流源，等效電路如右圖所示，其中RL為負載電阻。二、線性通道接收機前端的設計需要綜合考慮接收靈敏度和帶寬兩個因素，一般來說有三種不同的方式，即低阻抗、高阻抗和跨阻抗前端，如右圖所示。圖中Ci為總的輸入電容，其中包括光電二極管的結電容和前置放大器的晶體管引起的電容。右圖為接收機前端設計。1、接收機前端在高阻抗前置放大器中，由于輸入電路的總電阻Ri較大，優點：增大前置放大器的輸入電壓，較大的Ri值也可以降低熱噪聲和增加接收靈敏度；缺點是帶寬Δf較窄。這種電路的帶寬可表示為（6-3）

輸入電路的總電阻Ri由放大器的輸入電阻Rb和光電二極管的直流負載電阻RL并聯而成。等效輸入電阻Ri表示為

（6-4）

輸入電路引入的熱噪聲表示為

（6-5）由此可見：RL越大，帶寬越小?？梢圆捎镁馄鲗Ω哳l提升的辦法來增加帶寬，在接收靈敏度達到要求的前提下，

可以用降低Ri的辦法來增加帶寬，

這種前端叫作低電阻前端。但這種電路方式的熱噪聲較大，當然，接收靈敏度也較低。(1)高阻抗放大器的均衡：要解決高阻抗放大器帶寬窄、信號脈沖失真嚴重引起的碼間干擾，必須用很強的均衡。通過微分網絡補償高頻分量的滾降，使接收機的頻響特性在要求的帶寬內變為平直，以改善輸出脈沖的波形。但嚴格的均衡是很困難的，因放大器的輸入導納主要取決于總的輸入電容且又隨晶體管的不同及雜散電容大小而變化。右圖為均衡器電路的幾個例子。(a)為無源均衡器；(b)為采用運算放大器的均衡器；(c)雙極晶體管的有源均衡器。無源均衡器是簡單的RC網絡，其傳遞函數為：

--------------------------(6-6)

式中,。對于完全均衡，ω1與前置放大器的轉折頻率相匹配，

這樣放大器帶寬因均衡器而展寬到ω2。傳遞函數值減小了ω2/ω1倍，將其稱為均衡比，一般可達到幾十。對于這種無源均衡器，高頻時增益為1，對低頻的衰減等于均衡比。

對于圖(b)、(c)中的有源均衡濾波器，其傳遞函數為：(6-7)

式中ω1、ω2與無源均衡器相同，但k＝R3/R2，即均衡器的增益決定于R3，可與ω1、ω2獨立進行選擇。高阻抗放大器存在的第二個問題是動態范圍小。例如，在無源均衡器中，均衡過程實質上是通過對帶內低頻信號的衰減來實現的。因此放大器的增益必須非常高，以保證放大器輸出至均衡器的信號足夠強，而最大輸出電壓受電源電壓和偏置條件的限制，因此接收機的動態范圍受到了限制。(2)跨阻抗放大器跨阻抗前置放大器同時具有高接收靈敏度和頻帶寬的特點，與高阻抗前置放大器相比，具有較大的動態范圍。在跨阻抗前置放大器設計中，電阻RL作為一個反饋電阻跨接在反向放大器的兩端。盡管RL很大，但負反饋作用使放大器的等效輸入阻抗降低G倍，G是放大器的增益，這樣帶寬與高阻抗前置放大器比較增加了G倍。因此在大多數光接收機中，均采用跨阻抗前置放大器的方式。圖6-25為跨阻抗前置放大器的電路圖。圖中Rf為并聯反饋電阻；Cf為漏散電容；Rb為光電檢測器及晶體管的偏置電阻；C為并聯電容。如光電檢測器與接收放大器直流耦合，則反饋電阻又可作光電檢測器的負載電阻，Rb可不用，該電路的傳遞函數為:實用中Rb>>Rf，A>>l。則放大器的頻響特性如圖8-27(b)所示，其3dB帶寬為：(6-9)

若漏散電容Cf很小，CfA??C，則2=A/RfC。與高阻抗放大器相比跨阻抗前置放大器帶寬要寬得多，至少展寬了A倍，而且通過跨阻的增加，帶寬還會進一步擴展，這時接收機可以不需均衡，或只要少量均衡，動態范圍增大了等于均衡比的量。雖然跨阻抗放大器的帶寬比高阻抗放大器提高了A倍，但也不能通過無限增大開環增益來不斷提高帶寬。因為它受到了兩個限制：一是隨著A的增加，漏電容的影響也隨之增加，最后變為主要的影響；二是為了達到高A，必須增加并聯反饋環內的放大級數，對寬帶應用來說，會引起附加的傳播延遲及相位漂移，使噪聲及相位的富裕度減小，引起不穩定。因此反饋環內的放大級數限于三級以下(＞100MHz)或僅一級(>1GHZ)。

當然反饋電阻的引進，在高阻放大器上增加了一個熱噪聲源，其譜密度為：

（6-10）

當時，放大器反饋電阻Rf的熱噪聲將起主要作用。隨著Rf的增加，該項噪聲隨之減小，但帶寬也減小，二者必須折中考慮。右圖反映了接收機動態范圍、