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3.1 光源 3.2 光源的调制 3.3 光纤通信中的线路码型 3.4 光发射机 3.5光电检测器 3.6光接收机
第3章 光端机 3.1 光源 3.2 光源的调制 3.3 光纤通信中的线路码型 3.4 光发射机 3.5光电检测器 3.6光接收机
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第3章 光端机 作为一个完整的光纤通信系统，无疑光端机是它的一个重要组成部分．
第3章 光端机 作为一个完整的光纤通信系统，无疑光端机是它的一个重要组成部分． 在光的发送端应包括：光源（即器件是怎样会发光的）、光源的调制（即怎样将需要传输的信号载在光波上）、光发射机的构成，在光的接收这一端，应包括完成光电转换作用的光电检测器、光接收机等．这些就是本章将讨论的内容． 此外，本章还将讨论与光端机有关的光纤通信中的码型、光接收机噪声等问题．
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3.1光源 光源是光纤通信系统中光发射机的重要组成部件，其主要作用是将电信号转换为光信号送入光纤。
目前用于光纤通信的光源包括半导体激光器（Laser Diode，LD）和半导体发光二极管（Light Emitting Diode，LED）。
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3.1.1 基础知识 1、光子的概念 光是由能量为hf的光量子组成的，其中h=6.626×10-34J·S，称为普朗克常数；f是光波频率。
人们将这些光量子称为光子。 不同频率的光子具有不同的能量。 光具有波、粒两重性。
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3.1.1 基础知识 2.能级、费米-狄拉克统计分布和费米能级 （1）原子能级的概念
物质是由原子组成的，而原子是由原子核和核外电子构成的。 当物质中原子的内部能量变化时，可能产生光波。 电子在原子中围绕原子核按一定轨道运动，而且只能有某些允许的轨道。由于在每一个轨道内运动，就相应具有一定的电子能量，因此，电子运动的能量只能有某些允许的数值。 这些所允许的能量值因轨道不同，都是一个个地分开的，即是不连续的。我们把这些分立的能量值称为原子的不同能级。
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3.1.1 基础知识 （2）费米-狄拉克统计分布 电子按能量大小的分布确有一定的规律。
电子占据能级的概率遵循费米能级统计规律：在热平衡条件下，能量为E的能级被一个电子占据的概率为 费米统计规律是物质粒子能级分布的基本规律，它反映了物质中的电子按一定规律占据能级。
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3.1.1 基础知识 ①T>0K时 当E<Ef 则f(E)>1/2.说明这种能级E被占据的几率大于50%。
结论：热平衡情况下，占据低能级的电子多，占据高能级的电子少
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3.1.1 基础知识 ②T=0k时 若E>Ef ，则 ,于是得到f(E)=0 若E<Ef ，则 , 于是得到f(E)=1
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3.1.1 基础知识 ③费米能级 在绝对零度时，费米能级Ef可以理解为能级基本被占满（f(E)=1）和基本空着（f(E)=0）的分界线。
费米能级是一个表明电子占据能级状况的一个标志。
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3.1.1 基础知识 3.光的辐射跃迁和吸收跃迁 光可以被物质吸收，也可以从物质中发射。
在研究光与物质的相互作用时，爱因斯坦指出，这里存在着三种不同的基本过程，即自发辐射、受激吸收以及受激辐射。
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3.1.1 基础知识 （1）自发辐射 在末受到外界激发的情况下，高能级的电子自发地跃迁到低能级，在跃迁过程中，发射出光子。 发射光子的频率
自发辐射的特点如下： ① 这个过程是在没有外界作用的条件 下自发产生的，是自发跃迁。 ② 辐射光子的频率亦不同，频率范围很宽。 ③ 光子的发射方向和相位也是各不相同的， 是非相干光。 图3-1原子的自发辐射
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3.1.1 基础知识 （2）受激吸收 物质在外来光子的激发下，低能级上的电子吸收了外来光子的能量，而跃迁到高能级上，这个过程叫做受激吸收。 受激吸收的特点如下。 ① 这个过程必须在外来光子的激发 下才会产生，因此是受激跃迁。 ② 外来光子的能量要等于电子跃迁 的能级之差。 ③ 受激跃迁的过程不是放出能量， 而是消耗外来光能。 图3-2 原子的受激吸收
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3.1.1 基础知识 （3）受激辐射 处于高能级E2的电子，当受到外来光子的激发而跃迁到低能级E1时，放出一个能量为hf的光子。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，因此叫做受激辐射。 受激辐射的特点如下。 ① 外来光子的能量等于跃迁的能级之差。 ② 受激过程中发射出来的光子与外来光子 不仅频率相同，而且相位、偏振方向和 传播方向都相同，因此称它们是全同光子。 ③ 这个过程可以使光得到放大。 图3-3原子的受激辐射
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3.1.1 基础知识 4.粒子数反转分布 在热平衡条件下，粒子数正常分布，即N1>N2，此时，即使有光照射，受激吸收>受激辐射，物质不可能有光放大作用 要想物质能够产生光的放大，就必须使受激辐射作用大于受激吸收作用，也就是必须使N2>N1。 这种粒子数一反常态的分布，称为粒子数反转分布。 要实现粒子数反转分布，必须有泵浦源。 粒子数反转分布状态是使物质产生光放大的必要条件。
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3.1.1 基础知识 5.光放大 当物质在外部能源（泵浦原）作用下达到粒子数反转分布，高能级上的大量电子就会受到外来入射光子的激发下，同步发射与入射光子的频率、相位、偏振方向、传播方向完全相同的激发光。这样，就实现了用一个弱的入射光来激发出一个强的出射光的光放大作用。
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3.1.2．激光器的工作原理 1.激光器的构成及激光的产生 （1）激光振荡器必须包括以下三个部分：
能够产生激光的工作物质，（物质须有三个以上能级） 能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源（泵浦源）， 能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。
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3.1.2．激光器的工作原理 （2） 光学谐振腔的结构。
在增益物质两端，适当的位置，放置两个反射镜M1和M2互相平行，就构成了最简单的光学谐振腔。 如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是球面镜，则称为球面腔。 对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，如M1的反射系数R=1；另一个为部分反射，如M2的反射系数R<1，产生的激光由此射出。
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3.1.2．激光器的工作原理 （3）光学谐振腔的作用 图3-5 激光器示意图 由于有了光学谐振腔，其中沿着光学谐振腔轴线传播的光，就可以在两个反射镜之间往复传播，在这个过程中一边传播一边激发高能级上的电子跃迁到低能级上发光．这种由于光学谐振腔而产生的往复传播作用，相当于延长了激光工作物质的长度，从而使其中的光能密度不断增加．这样可以使受激辐射的几率远大于自发辐射的几率，从而使得沿光学谐振腔轴线传播的光，在粒子数反转分布的前提下，受激辐射占了绝对优势．
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3.1.2．激光器的工作原理 综合上述分析可知，要构成一个激光器，必须具备以下三个组成部分：工作物质、泵浦源和光学谐振腔。
工作物质在泵浦源的作用下发生粒子数反转分布，成为激活物质，从而有光的放大作用。 激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。
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3.1.2．激光器的工作原理 2.激光器的阈值条件和相位平衡条件 （1）阈值条件
只有当光波在谐振腔内往返一次放大得到的光能密度大于或等于损失掉的光能密度，激光器才能建立起稳定的激光输出．将上述两者相等的这种关系称为阈值条件． 阈值条件为 其中G0称为阈值增益系数。 激光器的阈值条件只决定于光学谐振腔的固有损耗。损耗越小，阈值条件越低，激光器就越容易起振。
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3.1.2．激光器的工作原理 （2）相位平衡条件 按照物理学谐振腔的理论，只有那些经过往返一周回到原来位置时，光波的相位与初始发生的波的相位同相。 即 的光波才能因此加强（即谐振）而在谐振腔中存在。 ——相位平衡条件
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3.1.2．激光器的工作原理 谐振波长 谐振频率
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3.1.2．激光器的工作原理 通过上面分析可以得出 ①谐振腔中不是只存在一个频率。但是也只有那些有增益，并且小信号增益大于平均损耗系数的光波才能存在。 ②光学谐振腔中，不同q的一系列取值对应于沿谐振腔纵方向（轴向）一系列不同的电磁场分布状态。一种分布就是一个激光器的纵模。 ③激光器的谐振腔中，在垂直于轴线的横向也有一系列不同的电磁场分布，它被称为激光器的横模。
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半导体激光器 自1960年激光器问世以来，已经研制出了多种类型的激光器，如固体激光器、气体激光器、半导体激光器等。由于半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、较高的稳定性、调制方便、调制速度高、频带宽等优点，在光纤通信中得到使用。下面，根据上述讨论的激光器的工作原理，研究半导体激光器是怎样产生激光的，以及它的工作特性。
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3.1.3 半导体激光器 1.半导体激光器的发光机理 （1）本征半导体的能带分布 本征半导体：就是指没有任何外来杂质和晶格缺陷的理想导体。
半导体激光器 1.半导体激光器的发光机理 （1）本征半导体的能带分布 本征半导体：就是指没有任何外来杂质和晶格缺陷的理想导体。 由于半导体是固体，原子之间结合紧密，各原子最外层电子的轨道互相重叠，从而，使半导体的能级不是分立的而是一个能带。 图3-5 本征半导体的能带分布
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3.1.3 半导体激光器 满带——能带中能量最低的能带，它是被电子占满的。满带中的电子不起导电作用。
半导体激光器 满带——能带中能量最低的能带，它是被电子占满的。满带中的电子不起导电作用。 价带——相应于价电子（原子最外层电子）所填充的能带。它可能被占满，也可能被占据了一部分。 导带——最高的末被电子填满的能带。导带中的电子起导电作用。 禁带——导带的底与价带的顶这段能带宽度称为禁带，用Eg表示，禁带是电子不能占据的能带。
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3.1.3 半导体激光器 （2）N型半导体和P型半导体重掺杂的能带图 ①N型半导体材料重掺杂时的能带分布
半导体激光器 （2）N型半导体和P型半导体重掺杂的能带图 ①N型半导体材料重掺杂时的能带分布 掺杂就是向本征半导体材料掺入杂质元素，从而，给半导体材料提供导电的电子或空穴。 通常把提供电子的杂质元素称为施主杂质，含有这种杂质的半导体是属于电子导电型的，称为N型半导体。
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3.1.3 半导体激光器 ②P型半导体材料重掺杂时的能带分布
半导体激光器 ②P型半导体材料重掺杂时的能带分布 如果向本征半导体材料掺入的是提供空穴的杂质元素，那么，这种半导体材料就是属于空穴导电型的，称为p型半导体。
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3.1.3 半导体激光器 (3)重掺杂情况下P-N结的能带分布 ①扩散 空间电荷区的形成
半导体激光器 (3)重掺杂情况下P-N结的能带分布 ①扩散 空间电荷区的形成 P型材料中空穴浓度高，电子很少；N型材料中电子浓度高，空穴很少，当N,P这两块半导体材料形成P-N结后， N型材料中的电子向P型材料扩散；P型材料中的空穴向N型材料扩散，当P区空穴扩散到N区后，在P区留下带负电的离子；当N区的电子扩散到P区后，在N区留下带正电的离子．上述结果在P-N结附近P区一侧出现了一个负电荷区域；在P-N结附近N区一侧出现了一个正电荷区域，通常把上述区域称为空间电荷区．
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半导体激光器 ②内建电场 由于空间电荷区的存在，出现了一个N指向P（即由正指向负）的一个电场，称为内建电场．这个电场的作用是使P区的电子移向N区；将N区的空穴移向P区，这种与扩散相反的作用称为漂移作用．同时．由于内建电场的存在使P型材料的电子电位高于N型材料的电子电位（注意，不是正电荷电位，两者是相反的．），这个电场还起着阻止N区的电子和P区的空穴继续越过边界向对方扩散的作用． 最后，上述扩散和漂移作用达到动态平衡，使通过边界的净电流等于零， ③P-N结形成后的能带分布
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3.1.3 半导体激光器 (4) P-N结外加正偏压后的能带分布以及激光的产生。 P-N结外加正偏压（即P接正，N接负） ①能带分布
半导体激光器 (4) P-N结外加正偏压后的能带分布以及激光的产生。 P-N结外加正偏压（即P接正，N接负） ①能带分布 ②P-N结区出现粒子对数反转分布的解释 N区——在( EfN——EcN)之间各能级电子占据的概率大于1/2，即表示电子多，而且，此时还是高能级． P区——在( EfP——EVP)之间各能级电子占据的概率小于1/2，即电子少，而且处在低能级． 将上述出现的两方面情况结合起来，对照图3.9可以看出：在P-N结区同一块材料上就出现了高能级粒子多，低能级粒子少的分布状况． 显然，这就是前面所说的粒子数反转分布状态， 图3-9 外加正偏压后P-N结的能带分布
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半导体激光器 ③激光的产生 当P-N结上外加的正偏压足够大，使注入结区的电子足够多时，由于出现了粒子数反转分布状态，使得P-N结区将出现受激辐射大于受激吸收的情况．这时，在与高能级相应的光子的激发下，就将使得高能级上的大量电子跃迁回低能级，同时放出大量的全同光子的光波，这个光波在由P-N结构成的光学谐振腔中来回反射，光强不断增加，经谐振腔选频作用，从而形成激光．谐振腔的两个反射镜，是由半导体材料的天然解理面抛光而成的， 以上就是半导体激光器产生激光的机理．
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3.1.3 半导体激光器 2．异质结半导体激光器 (1)同质结激光器存在的问题
半导体激光器 2．异质结半导体激光器 (1)同质结激光器存在的问题 前面讨论的简单的P-N结半导体激光器，又称同质结半导体激光器 ,它的缺点是对光波和载流子的限制不完善，从而使激光器需要的阈值电流大，这显然是不利的．
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3.1.3 半导体激光器 (2)单异质结激光器 所谓异质结就是用两种材料构成的P-N结． 例如，一种材料是GaAs．
半导体激光器 (2)单异质结激光器 所谓异质结就是用两种材料构成的P-N结． 例如，一种材料是GaAs． 另一种材料是GaAlAs． 单异质结激光器的结构的结构图、能带分布、折射率分布以及光强分布如图3-10(b)所示．
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半导体激光器 (3)双异质结激光器 双异质结激光器是在单异质结激光器的基础上再作改进的一种激光器，它在单异质结激光器有源区P-GaAs的左侧加了一块异质材料N-GaAIAs．这种激光器的结构图、能带分布、折射率分布以及光强分布如图3-10(d)所示．
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3.1.3 半导体激光器 3.半导体激光器的工作特性 （1）阈值特性
半导体激光器 3.半导体激光器的工作特性 （1）阈值特性 对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流值称为阈值电流，用It表示。 当I<It时，激光器发出的荧光，当I>It时，激光器才发出激光 为了使光纤通信系统稳定可靠地工作，阈值电流越小越好 图3-11 激光器输出特性曲线
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3.1.3 半导体激光器 （2）光谱特性 半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变化。
半导体激光器 （2）光谱特性 半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变化。 I<It时，激光器发出的是荧光，光谱很宽。当I>It后，激光器才发出激光，光谱突然变窄。 图3-12 GaAs激光器的光谱
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3.1.3 半导体激光器 激光器产生的激光有多模和单模。 在长距离、大容量的光纤通信中，希望激光器能够处在单纵模工作状态.
半导体激光器 激光器产生的激光有多模和单模。 在长距离、大容量的光纤通信中，希望激光器能够处在单纵模工作状态. 图3-13GaAlAs/GaAs激光器的典型输出光谱
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3.1.3 半导体激光器 （3）温度特性 激光器的阈值电流和光输出功率随温度变化的特性为温度特性。 阈值电流随温度的升高而加大。
半导体激光器 （3）温度特性 激光器的阈值电流和光输出功率随温度变化的特性为温度特性。 阈值电流随温度的升高而加大。 阈值电流随着激光器的使用时间 的增加也会逐渐加大。 图3-14激光器阈值电流随温度变化的曲线
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3.1.3 半导体激光器 半导体激光器是把电功率直接转换成光功率的器件，衡量转换效率的高低常用功率转换效率来表示。
半导体激光器 （4）转换效率 半导体激光器是把电功率直接转换成光功率的器件，衡量转换效率的高低常用功率转换效率来表示。 激光器的功率转换效率定义为输出光功率与消耗的电功率之比，用ηP表示。
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3.1.3 半导体激光器(LD) 4.光纤通信在不同工作波段所使用的激光器 在短波长波段，一般采用GaAlAs/GaAs-LD.
在长波长波段,一般采用InGaAsP-LD，它发射功率较大（毫瓦数量级），谱线较窄（约3nm)，与光纤耦合效率较高（可达50%左右）。
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3.1.3 半导体激光器(LD) 5.动态单纵模激光器 动态单纵模激光器：就是指在高速调制下仍然能单纵模工作的半导体激光器。
在光纤通信中，希望激光器处在单纵模工作状态。 目前，比较成熟的单纵模激光器有分布反馈半导体激光器 及耦合腔激光器。
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3.1.3 半导体激光器(LD) 分布反馈半导体激光器（DFB）是在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近，刻有波纹状的周期光栅而构成的。
图3-15 分布反馈半导体激光器结构示意图
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3.1.4 半导体发光二极管（LED) LED除了没有光学谐振腔以外，其他方面与激光器相同，它是无阈值器件.
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3.1.4半导体发光二极管(LED) 半导体发光二极管LED的工作特性 （1）光谱谱线较宽 （2）P-I特性曲线的线性度好
（3）与光纤的耦合效率低 （4）使用简单，价格低，寿命长 （5）温度特性好 LED的应用范围 适用于中、低速率短距离的光纤数字通信系统和光纤模拟信号传输系统中。
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3.2 光源的调制 调制——把信息加载到光波上的过程 从光源与调制器之间关系来看，可分为：
3.2 光源的调制 调制——把信息加载到光波上的过程 从光源与调制器之间关系来看，可分为： （1）光源的内调制：将调制信号直接作用在光源上，对光源进行 调制，故又将这种调制方式又称为直接调制。 （2）光源的外调制：光源本身不被调制，当光从光源射出以后在其传输的通道上被调制器利用物质的电光、声光、磁光等效应对光波进行调制，故有所谓的电光调制器，声光调制器，磁光调制器等，这种调制方式又称为间接调制。
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3.2.1 光源的内调制 内调制又称直接调制，它可用于半导体激光器或半导体发光二极管这类光源．
光源的内调制 内调制又称直接调制，它可用于半导体激光器或半导体发光二极管这类光源． 在半导体激光器P-I曲线中，注入电流超过阈值电流Ith以后，P-I曲线基本是直线，而半导体发光二极管的P-I曲线亦基本呈直线。这样，只要在呈直线的部位加入调制信号（即加入跟随输入信号变化的注入电流），则输出的光功率P就跟随输入信号变化。于是，信号就调制到光波上了。
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光源的内调制 1、模拟信号的内调制（以发光二极管为例） t P I I0 图3-20LED模拟信号内调制原理图
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光源的内调制 2.数字信号的内调制 P I I t 图3-22 LED数字信号内调制原理图
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光源的内调制
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3.2.2 光源的外调制 在高码速强度调制–直接检波的光纤通信系统，或外差光纤通信系统中，可采用对光源的外调制方式。
光源的外调制 在高码速强度调制–直接检波的光纤通信系统，或外差光纤通信系统中，可采用对光源的外调制方式。 目前已提出的外调制方式有电光调制、声光调制和磁光调制。 1.电光调制 电光调制的基本工作原理是晶体的线性电光效应，即电场引起晶体折射率变化的现象，能够产生电光效应的晶体称为电光晶体。 电光调制器分为电光强度调制、电光频率调制和电光相位调制。 2.声光调制 声光调制器是利用介质的声光效应制成。它的工作原理是，当调制电信号变化时，由于压电效应，使压电晶体产生机械振动形成超声波，这个声波引起声光介质的密度发生变化，使介质折射率跟着变化，从而形成一个变化的光栅，由于光栅的变化，使光强随之发生变化，结果对光波进行调制。 3.磁光调制 磁光调制是利用法拉第效应得到的一种光外调制。入射光信号经过起偏器，使入射光变为偏振光，这束偏振光通过YIG磁棒时，其偏振方向随绕在上面线圈的调制信号而变化，当偏振方向与后面的检偏器相同时，输出光强最大，当偏振方向与检偏器方向垂直时，输出光强最小。从而使输出光强随调制信号变化，实现了光的外调制。
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3.3光纤通信中的线路码型 3.3.1研究传输码型的必要性
在数字光纤通信系统中所传输的信号是数字信号，而由交换机送来的电信号符合ITU-T所规定的脉冲编码调制(PCM)通信系统中的接口码速率和码型 ，如表所示
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3.3.1研究传输码型的必要性 PCM系统中的这些码型并不都适于在数字光纤通信系统中传输。因为光源不可能发射负光脉冲，因此必须进行码型变换，以适合于数字光纤通信系统传输的要求。数字光纤通信系统普遍采用二进制二电平码，即“有光脉冲”表示“１”码， “无光脉冲”表示“0”码。 在光纤通信系统中需要重新编码，通常称为线路编码
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3.3.2选择码型应满足的主要要求 选择码型应满足的主要要求： （1）避免信码流中出现长“0”和长“1”码 （2）能进行不中断业务的误码监测 （3）尽量减少信码流中直流分量的起伏 在光纤通信系统中，常使用的线路编码有分组码(mBnB)、伪双极性码（CMI、DMI）、插入比特码和加扰二进码。
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3.3.3光纤通信中的常用码型 1. mBnB码（分组码）
把输入码流中每m比特码分为一组，然后插入冗余比特，使之变换为n比特，且n>m.一般选取n=m+1。 mBnB码有1B2B、3B4B、5B6B、 8B9B、 17B18B等等。 下面以5B6B码为例介绍分组码的编码规则 （1）编码的情况 五位码的排列数：25=32种 六位码的排列数：26=64种
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3.3.3光纤通信中的常用码型 （2）码流平衡情况的分析
①六位码中含有3个“0”和3个“1”的平衡码组共有20个。这些码组在信码流中对保持码流中直流分量的稳定是有利的。 ②六位码中含有2个“0”和4个“1”或4个“0”和2个“1”的不完全平衡码组共有30个 ③六位码中含有1个“0”和5个“1”或5个“0”和1个“1”的非平衡码组共有14个。 （3）码组的选用 ①选六位码中含有3个“0”和3个“1”的平衡码组共有20个。 ②选六位码中含有2个“0”和4个“1”或4个“0”和2个“1”的不完全平衡码组各12个，共24个。 ③六位码中含有1个“0”和5个“1”或5个“0”和1个“1”的非平衡码组为禁字。
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3.3.3光纤通信中的常用码型 2.伪双极性码（CMI和DMI）
光纤通信中使用的伪双极性码是用“11”和“00"来代表双极性玛中的+l和一1．从而使信码流中“0”和“l”出现的概率均等．这样就可消除信码流中直流分量的起伏．CMI和DMI码的码表如表3-3．
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3.3.3光纤通信中的常用码型 3.插入比特码 插入比特码是把输入二进制原始码流分成每m比特(mB)划为一组，然后在每组mB码末尾按一定规律插入一个码，组成m+1个码为一组的线路码流。 根据插入码的规律，可以分为mB1C码、mB1H码和mB1P码。 （1） mB1P码 在每m比特为一组的基础上，在这一组的末尾一位之后插入一个奇偶校正码，称为P码。P码的作用是保证每码组内1码的个数为偶数。 例如： 8B1P码
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3.3.3光纤通信中的常用码型 （2） mB1C码 在每m比特后插入一个反码 ，称为C码。
（3） mB1H码 在每m比特一组后，插入一个混合码，称为H码。它可以同时来做几路区间通信、公务联络、数据传输及误码监测等功能 4.加扰二进制码 在系统光发射机的调制器前， 附加一个扰码器，将原始的二进制码序列加以变换，使其接近于随机序列。相应地，在光接收机的判决器之后，附加一个解扰器，以恢复原始序列。 这是一种在同步数字体系（SDH）中广泛采用的码型
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3.4 光发射机 3.4.1 对光发射机的要求 ① 光源的发光波长要合适：0.85μm、1.31μm、1.55μm
3.4 光发射机 3.4.1 对光发射机的要求 ① 光源的发光波长要合适：0.85μm、1.31μm、1.55μm ② 合适的输出光功率：较小，影响中继距离。较大，光纤产生非线性效应 ③ 较好的消光比 EXT=全“0”码时的平均输出光功率/全“1”码时的平均输出光功率 消光比指标：要求EXT ≤10 ℅ ④ 调制特性好 此外还希望光发射机的稳定性好，光源的寿命长等。
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3.4.2 光发射机的组成方框图及各部分功能 图3-28 光数字发射机原理图
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3.4.2 光发射机的组成方框图及各部分功能 （1）均衡放大:补偿衰减的电平、均衡畸变的波形
（2）解码：将HDB3码变为单极性的“0”、“1”码 （3）扰码：避免所传信号码流中出现长“0”或长“1”的现象。 （4）时钟：在均衡放大之后，由时钟电路提取PCM中的时钟信号供给解码、扰码、编码电路用。 （5）编码 ：为了便于不间断进行误码监测，克服直流分量的波动，以至于便于区间通信联络等功能，在实际的光纤通信系统中，还要对经解码、扰码的信码流再进行编码以满足上述要求．
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3.4.2 光发射机的组成方框图及各部分功能 （6）调制(驱动):经过扰码后的数字信号通过调制电路对光源进行调制，让光源发出的光信号强度跟随信号码流的变化，形成相应的光脉冲送入光纤。 (7)自动功率控制:由于老化等因素的影响，使得光发射机的光源在使用一段时间之后，出现输出光功率降低的现象。 图3-29激光器老化使输出光功率降低
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3.4.2 光发射机的组成方框图及各部分功能 另外，激光器P-N结结温变化，使P-I曲线变化，亦会使输出光功率产生变化。
图3-30 激光器温度变化引起输出功率的变化 因此，为了使光源的输出功率稳定，在实际使用的光发射机中常使用自动功率控制（APC）电路．
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3.4.2 光发射机的组成方框图及各部分功能 （8）自动温度控制 特性曲线对环境温度的变化反映很灵敏，使输出光功率的大小随温度出现变化。
在环境温度发生变化时，为了能使激光器的输出特性保持稳定，在发射机盘上需安装自动温度控制(ATC)电路。 图3-32 环境温度变化引起输出光功率的变化
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3.4.2 光发射机的组成方框图及各部分功能 （9）其他保护、监测电路
LD保护电路：它的功能是使半导体激光器的偏流慢启动以及限制偏流不要过大．由于激光器老化以后输出功率将降低，自动功率控制电路将使激光器偏流不断增加，如果不限制偏流就可能烧毁激光器. 无光告警电路 ：当光发射机电路出现故障，或输入信号中断，或激光器失效都将使激光器较长时间不发光，这时延迟告警电路将发出告警指示．
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3.4.2 光发射机的组成方框图及各部分功能 3.4.3实际光发射机电路图
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3.5 光电检测器 光电检测器是光纤通信系统中接收端机中的第一个部件，由光纤传输来的光信号通过它转换为电信号。它是利用材料的光电效应实现光电转换的。 目前在光纤通信系统中，常用的半导体光电检测器有两种，一种是PIN光电二极管，另一种是APD雪崩光电二极管。
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3.5.1 半导体的光电效应 半导体材料的光电效应是指如下这种情况：光照射到半导体的P-N结上，若光子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即光电子—空穴对，又称光生载流子。 光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下，在外电路中出现光电流，从而在电阻R上有信号电压产生。 图3 -38半导体材料的光电效应
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3.5.1 半导体的光电效应 当光照射在某种材料制成的半导体光电二极管上时，若有光电子—空穴对产生，显然必须满足hf≥Eg关系，即
λc称为截止波长，fc称为截止频率。 只有λ<λc的入射光，才能使材料产生光生载流子
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PIN光电二极管 简单的P-N结光电二极管 ，在P-N结中，由于有内建电场的作用使光电子和光空穴的运动速度加快，从而，使光电流能快速地跟着光信号变化，即响应速度快．然而，在耗尽层以外产生的光电子和光空穴由于没有内建电场的加速作用，运动速度慢，因而响应速度低，而且容易被复合掉，使光电转换效率差，这是人们所不希望的． 为了改善光电检测器的响应速度和转换效率，显然，适当加大耗尽层宽度是有利的，为此在制造时，在P型材料和N型材料之间加一层轻掺杂的N型材料，称为I（Intrinsic，本征的）层，加图3-39所示．由于是轻掺杂，故电子浓度很低，经扩散作用后可形成一个很宽的耗尽层， 另外，为了降低P-N结两端的接触电阻，以便与外电路联接，将两端的材料做成重掺杂的P+层和N+层．
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PIN光电二极管 图3-39 PIN光电二极管能带图
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PIN光电二极管 图3-40 PIN光电二极管结构示意图（剖面图）
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雪崩光电二极管 如果能使电信号进入放大器之前，先在光电二极管内部进行放大，这就引出了一种另外类型的光电二极管，即雪崩光电二极管，又称APD（Avalanche Photo Diode）。 它不但具有光/电转换作用，而且具有内部放大作用，其内部放大作用是靠管子内部的雪崩倍增效应而完成的。
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3.5.3 雪崩光电二极管 1.雪崩光电二极管的雪崩倍增效应
雪崩光电二极管 1.雪崩光电二极管的雪崩倍增效应 是在二极管的结上加高反向电压，在结区形成一个强电场;在高场区内光生载流子被强电场加速， 获得高的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到了能量；越过禁带到导带，产生新的电子-空穴对；新产生的电子-空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子-空穴对…….如此循环下去，像雪崩一样地发展，从而使光电流在管子内部获得了倍增
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3.5.3 雪崩光电二极管 图(a)是纵向剖面的结构示意图； 2.雪崩光电二极管的结构及其工作原理
雪崩光电二极管 2.雪崩光电二极管的结构及其工作原理 目前光纤通信系统中，使用的雪崩光电二极管结构型式，有保护环型和拉通（又称通达）型。 雪崩光电二极管随使用的材料不同有几种：Si—APD（工作在短波长区）；Ge—APD，InGaAs—APD等（工作在长波长区）。 图(a)是纵向剖面的结构示意图； 图(b)是将纵向剖面顺时针转900的示意图；
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雪崩光电二极管 雪崩光电二极管的工作原理 光子从P+层射人，进入I层后，在这里，材料吸收了光能并产生了初级电子一空穴对．这时，光电子在I层被耗尽层的较弱的电场加速，移向P-N结．当光电子运动到高场区时，受到强电场的加速作用出现雪崩碰撞效应，最后，获得雪崩倍增后的光电子到达N+层，空穴被P+层吸收．P+之所以做成高掺杂，是为了减小接触电阻以利与电极相连。
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3.5.4 光电检测器的特性 1．响应度R0和量子效率η 响应度和量子效率都是描述这种器件光电转换能力的一种物理量． 响应度Ro定义为
式中，IP——光电检测器的平均输出电流;P0——光电检测器的平均输入功率， 量子效率η定义为 从物理概念可知： 光生电子-空穴对= （e为电子电荷量） 入射光子数= （hf为一个光子的能量） 故 即
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3.5.4 光电检测器的特性 2．响应时间 响应时间是指半导体光电二极管产生的光电流随入射光信号变化快慢的状态。
一般用响应时间（上升时间和下降时间）来表示。 一个快速响应的光电检测器，它的响应时间一定是短的。 上面讨论的响应时间是从时域角度来看的，若从频域角度看，短的响应时间即意味这个器件的带宽宽。
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3.5.4 光电检测器的特性 3．暗电流ID 定义：理想条件下，当没有光照射时，光电检测器应无光电流输出。但是实际上由于热激励、宇宙射线或放射性物质的激励，在无光情况下，光电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流。 严格地说，暗电流还应包括器件表面的漏电流。 由理论研究可知，暗电流将引起光接收机噪声增大。因此，器件的暗电流越小越好。
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3.5.4 光电检测器的特性 4．雪崩倍增因子G 雪崩光电二极管还有一个与雪崩倍增效应对应的参量—雪崩倍增因子。
在忽略暗电流影响条件下，它定义为 IM：有雪崩倍增时光电流的平均值 Ip ：无雪崩倍增时光电流的平均值 一般APD的倍增因子G在40～100之间。PIN光电管因无雪崩倍增作用，所以G=1。
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3.5.4 光电检测器的特性 5．倍增噪声和过剩噪声系数F（G） 从物理概念上容易理解，雪崩光电二极管的倍增是具有随机性的。
这种随机性的电流起伏将带来附加噪声，一般称为倍增噪声。 倍增噪声可以用过剩噪声系数F（G）来描述为 式中，g——每个初始电子一空穴对因雪崩倍增效应产生二次电子一空穴对的随机数 <g>——是g的平均值，因此<g>=G； < g2>一 产生的二次电子数平方再取平均值； <g>2——产生的二次电子数平均值再平方，
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3.5.4 光电检测器的特性 在实际使用时，往往将F(G)近似表达为 F(G)=Gx （3-14）
式中 ，X称为过剩噪声指数．对于Si - APD，X=0.5；对于Ge - APD，X=0.6～1.0，砷化镓类APD:X= 等， 选APD时，应选X值小的管子．
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3.6 光接收机 3.6.1数字光纤通信接收光端机的基本组成 1.数字光纤通信接收光端机方框图 图3-43 数字光纤通信接收光端机方框图
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3.6.1数字光纤通信接收光端机的基本组成 2.方框图中各部分的功能 （1）光电检测器 光电检测器的作用是将由发送光端机经光纤传过来的光信号转变为电信号，即具有光/电转换功能。 目前广泛使用的光电检波管是PIN管和雪崩光电二极管，前者称为半导体光电二极管后者又称为APD管。后者具有信号放大的作用。
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3.6.1数字光纤通信接收光端机的基本组成 （2） 前置放大器 由于这个放大器与光电检测器紧紧相连，故称前置放大器。
对多数放大器的前级提出特别的要求是非常必要的，它应具有低噪声、高增益的特性，这样才能得到较大的信噪比。 由于跨阻型前置放大器不仅具有宽频带、低噪声的优点，而且其动态范围也比高阻型前置放大器改善很多，因此在光纤通信中得到广泛的使用。
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一般主放大器的峰—峰值输出是几伏数量级。
3.6.1数字光纤通信接收光端机的基本组成 （3） 主放大器 主放大器的作用有下述两个方面。 将前置放大器输出的信号放大到判决电路所需要的信号电平。 它还是一个增益可调节的放大器。 一般主放大器的峰—峰值输出是几伏数量级。
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3.6.1数字光纤通信接收光端机的基本组成 （4） 均衡器
①没有均衡器将出现的问题：产生拖尾现象，拖尾现象将会使前、后码元的波形重叠，产生码间干扰，严重时造成判决电路误判，产生误码。 图3-48未经均衡出现的脉冲拖尾现象
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3.6.1数字光纤通信接收光端机的基本组成 ②均衡器的作用：
采用均衡器来使经过其后的波形，在本码判决时刻，其瞬时值应为最大值；而这个本码波形的拖尾在邻码判决时刻的瞬时值应为零。这样，即使经过均衡后的输出波形仍有拖尾，但是这个拖尾在邻码判决的这个关键时刻为零，从而不干扰对邻码的判决。 图3-49单个脉冲均衡前后波形的比较
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3.6.1数字光纤通信接收光端机的基本组成 （5） 判决器和时钟恢复电路 判决器由判决电路和码形成电路构成。 判决器和时钟恢复电路合起来构成脉冲再生电路。 脉冲再生电路的作用是将均衡器输出的信号恢复成理想的数字信号 ，例如，升余弦频谱脉冲，恢复为“0"或“1”的数字信号．
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3.6.1数字光纤通信接收光端机的基本组成 图3-50 信号再生示意图
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3.6.1数字光纤通信接收光端机的基本组成 时钟恢复电路的作用：为了能从均衡器的输出信号判决出是“0”码还是“l”码，首先要设法知道应在什么时刻进行判决．时钟恢复电路应将“混在”信号中的时钟信号（又称定时信号）提取出来。 实用的时钟恢复电路有多种，下面简单介绍其中一种方案的方框图 。 图3-51时钟恢复电路方框图
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3.6.1数字光纤通信接收光端机的基本组成 图3-52 时钟恢复电路波形图 均衡后输出的信码为升余弦频谱脉冲，如图（a）所示的波形
经箝位整形后得到如图（b）的波形，是不为零码 NRZ 对NRZ码进行非线性处理，得到如图(c)所示的波形图，这种波形是归零码(RZ). 用非线性处理后的波形来激励调谐放大器，然后在它的谐振回路中选出时钟频率fb的简谐波，经调谐放大后的波形如图(d)所示。 经过限幅，可将上述简谐信号波形变为如图(e)所示的波形。
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3.6.1数字光纤通信接收光端机的基本组成 整形、移相——整形电路将经限幅后的波形变为矩形脉冲；移相网络再将此矩形脉冲串的相位调整到最佳判决时所需要的相位，最后得到如图3-52(f)所示的时钟信号。 图3-57 脉冲再生电路原理方框图
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3.6.1数字光纤通信接收光端机的基本组成 （6） 光接收机的动态范围和自动增益控制 光接收机的动态范围：
光纤通信接收机工作时，所接收光信号的强弱可能不同。接收机正常工作时，信号不能太弱，否则会造成过大的误码。但也不能太强，否则将会使接收机放大器过载造成失真等问题。因此，光接收机正常工作时，光信号应有 一个范围，这个范围就称为光接收机的动态范围。
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3.6.1数字光纤通信接收光端机的基本组成 光接收机的自动增益控制(AGC)：
就是用反馈环路来控制主放大器的增益，在采用雪崩管的光接收机中还通过控制雪崩管的高压来控制雪崩管的雪崩增益。当信号强时，则通过反馈环路使 上述增益降低；当信号弱时，则通过反馈环路使上述增益提高，从而达到使送到判决器的信号稳定，以利判决的目的。 自动增益控制的作用是增加了光接收机的动态范围。 图3-58自动增益控制工作原理方框图
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因为在光发射机中进行了码型变换和对数字码流进行扰码处理。所以在接收机中需将判决器输出的信号进行解码、解扰和码型变换处理以恢复原码流。
3.6.1数字光纤通信接收光端机的基本组成 （7） 解码、解扰电路 因为在光发射机中进行了码型变换和对数字码流进行扰码处理。所以在接收机中需将判决器输出的信号进行解码、解扰和码型变换处理以恢复原码流。 HDB3 解码 解扰 编码 来自判决器 图3-59 解码、解扰、编码过程方框示意图
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3.6.1数字光纤通信接收光端机的基本组成 （8） 辅助电路 辅助电路包括箝位电路、温度补偿电路和告警电路等。
①箝位电路：为了使输入判决器的信号稳定，在判决器前面还加有箝位电路，它将已均衡波的幅度底箝制在一个固定的电位上。 ②温度补偿电路：由于光接收机环境温度变化时，雪崩二极管的增益将发生变化，由此，使接收机的灵敏度变化。为了尽可能减少这种变化，就需给雪崩二极管的偏压加温度补偿电路，使雪崩二极管偏压随温度相应地变化。 ③告警电路：当输入光接收机的光信号太弱或无光信号时，则由告警电路输出一个告警信号至告警盘。
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光接收机的指标——灵敏度和动态范围 1．光接收机灵敏度 光接收机灵敏度这个指标，是描述接收机被调整到最佳状态时，在满足给定的误码率指标条件下，接收机接收微弱信号的能力． 工程常用最低平均光功率这个物理量来描述。 光接收机的灵敏度：是在满足给定的误码率指标条件下，最低接收平均光功率Pmin． 工程上光接收机灵敏度中的光功率常用相对值来描述，即用dBm来表示 式中，Pmin——在满足给定的误码率指标条件下以瓦表示的最低接收光功率； 10-3——指lmW光功率．
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3.6.2 光接收机的指标——灵敏度和动态范围 2．接收机的动态范围
光接收机的指标——灵敏度和动态范围 2．接收机的动态范围 光接收机的动态范围D：是在保证系统的误码率指标要求下，光接收机的最低输入光功率(用dBm来描述)和最大允许输入光功率(用dBm描述)之差，其单位为dB。 一台好的接收机应有较宽的动态范围。
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光接收机的噪声 1.研究光接收机噪声的目的 在满足误码率（或信噪比）指标要求下，如果需要输入接收机的光功率低，则表明这个光接收机的灵敏度高，性能好． 那么为什么光接收机的输入功率不能无限制地降低呢？显然，是受到了系统中噪声的限制．为了研究光接收机的性能，就需研究光纤通信系统的噪声，
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3.6.3 光接收机的噪声 2．光接收机噪声的主要来源 (1)光电检测器引入的噪声
光接收机的噪声 2．光接收机噪声的主要来源 (1)光电检测器引入的噪声 光电检测器在工作时，一方面将接收到的光信息量转变为电的信息量；另一方面，在上述这种转变过程中，又将一系列与信息无关的随机变化的量带人信息量中，这种随机变化量主要有以下三种。 ①量子噪声．出现这种噪声的原因可以这样来解释：由于光波的传播是由大量光量子（光子）传播来进行的．例如：1mw频率为f=1015Hz的光功率，所对应的每秒钟接收到的光子数n应为 式中，h f = 一个光子具有的能量； h=普朗确常数． 这样大量的光量子其相位和幅度都是随机的，因此，光电检测器在某个时刻实际接收到的光子数，是在一个统计平均值附近浮动，因而产生了噪声．从噪声产生的过程看出，这种噪声是顽固地依附在信号上的，用增加发射光功率，或采用低噪声放大器都不能减少它的影响．因而，它限制了光接收机的灵敏度指标．
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光接收机的噪声 ②光电检测器的暗电流噪声．当没有光照射时，在理想条件下，光电检测器应没有光电流输出．但是,实际上由于热激励、宇宙射线或放射性物质的激励，在无光的情况下，光电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流． 又因上述各种激励条件是随机的，因此，暗电流亦是随机浮动的，从而形成了暗电流噪声． ③雪崩管倍增噪声．由于雪崩管的光电倍增作用是随机的，是一个十分复杂的过程．这种随机性，必然要引起雪崩管输出信号的浮动，从而引入噪声．
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光接收机的噪声 (2)光接收机的电路噪声 在强度调制系统的光接收机中，把光信号变为电信号之后，还要经过一系列电的放大等电路系统，在这些电路中，电阻将引入热噪声；晶体管亦将引入噪声 。
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