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温度升高，阈值电流增加，外微分量子效率减小，输出 光脉冲幅度下降。
I1 I0 t＝ 0 t＝ T 电 流脉 冲
光 脉冲
图 4.11 结发热效应 设t=0时电脉冲到来， 注入电流为I1，由于电流的热效应，在 脉冲持续时间里，结区的温度随时间t而升高，激光器的阈值 电流随t而增大，使输出光脉冲的幅度随t而减小。当t=T时电流 脉冲过后，注入电流从I1 减小到I0 ，电流散发的热量减少，结 区温度随t而降低，阈值电流减小，使输出光脉冲的幅度增大。 “结发热效应”将引起调制失真。
电流源为由V1 和V2 组成的差分开关电路，它提
LD Ib Uin V1 Io V2 电流源 －UE
供了恒定的偏置电流。在V2 基极上施加直流参 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“１”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fr≥4.5 GHz时，这种电路的调制速率可达300 Mb/s。
射极耦合电路为恒流源，电流噪声小，这种电
路的缺点是动态范围小，功耗较大。
图 4.7 射极耦合LD驱动电路图
＋U PD Ib UB1 Uin V1 Io V2 电流源 Rf 检测器 输出监测 A1 － ＋LD NhomakorabeaV3
UA 1
C
UR
信号参考
Uin
反馈稳定LD驱动电路
利用反馈电流使输出光功率稳定的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Uin 的控制。把PD检测器的输出监测电压UPD、信号参考电压Uin和直流参考电压UR 施加到运算放大器A1的反相输入端，经放大后，控制V3基极电压和偏置电流Ib，
如图4.4，在两个接连出现的“1”码中，第一个脉冲到来前，有 较长的连“0”码， 由于电光延迟时间长和光脉冲上升时间的影 响，因此脉冲变小。第二个脉冲到来时，由于第一个脉冲的电 子复合尚未完全消失，有源区电子密度较高，因此电光延迟时 间短， 脉冲较大。
图4.4 码型效应
（a) 、(b)码效应波形；（c）改善后波形
4.1.4 温度特性和自动温度控制
1. 激光器的温度特性 温度对激光器输出光功率的影响主要通过阈值电 流Ith和外微分量子效率ηd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：
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
4. 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 2 GHz，甚至达到10 GHz。
第 4 章 光端机
4.1 光发射机 4.2 光接收机 4.3 线路编码
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第 4 章
光 端 机
4.1 光发射机
数字光发射机的功能: •把电端机输出的数字基带电信号转换为光信号，并 用耦合技术有效注入光纤线路 •电/光转换是用承载信息的数字电信号对光源进行调 制来实现的。
• 调制分为直接调制和外调制两种方式。 • 受调制的光源特性参数有 功率 幅度 频率 相位 目前技术上成熟并在实际光纤通信系统得到 广泛应用的是直接光强(功率)调制。
“码型效应”的特点是， 在脉冲序列中较长的连“0”码后 出现的“1”码，其脉冲明显变小，而且连“0”码数目越多， 调制速率越高，这种效应越明显。用适当的“过调制”补偿方 法， 可以消除码型效应，见图4.4(c)所示。
2. 自脉动现象
某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，当注入电流达
到某个范围时，输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡，这种现
(3) 噪声要尽可能低， 能接收极微弱的光信号；
(4) 性能稳定， 可靠性高， 寿命长， 功耗和体积
小。
目前， 适合于光纤通信系统应用的光检测器有
PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。
2. 放大器
前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收
机的灵敏度影响很大。前放的噪声取决于放大器的类
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“光电集成电路 (OEIC)技术”在同一芯片上集成包括光检测器 在内的全部元件。 这样的完全集成对于GaAs 接收机(即工作在短波长的接收机)是比较容易 的，而且早已得到实现。 然而，对于工作在 1.3~1.6 μm波长的系统，人们需要基于InP的 OEIC接收机。
－1)
km 损耗 / (dB·
实验
红外 吸收
瑞利散射 紫外吸收 波导缺陷
0 .8
1 .0
1 .2 波长 / m
1 .4
1 .6
(2) 电/光转换效率要高，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。发射光束的方向性要好，即远 场的辐射角要小，以利于提高光源与光纤之
间的耦合效率。
(2) 输出光脉冲的宽度应远大于开通延迟(电光延迟)
时间， 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) 对激光器应施加足够的偏置电流，以便抑制 在较高速率调制下可能出现的张弛振荡，保证
发射机正常工作。
(4) 应采用自动功率控制(APC)和自动温度控制 (ATC)， 以保证输出光功率有足够的稳定性。
2. 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 长波长半导体激光器对温度更加敏感。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。
激光器
热导
热敏电阻
控制电路
致冷器
图 4.12
温度控制方框图
＋U R3 B ＋ R2
R4 － A 1 t RT 2
＋U
R1 A
V 3 TEC 4 LD 6 5 7 PIN
图 4.1直接光强数字调制原理 (a) LED数字调制原理； (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，输出光功率和输入电流成正比，所以输出光信号反映输入电信号。
4.1.1 光发射机基本组成
主要有光源和电路两部分。光源是实现电/光转换的关键器件， 在很大程度上决定着光发射机的性能。电路的设计应以光源 为依据，使输出光信号准确反映输入电信号。
目前，不同类型的半导体激光器(LD)和发 光二极管(LED)可以满足不同应用场合的要求。
2. 调制电路和控制电路
直接光强调制的数字光发射机主要电路有 调制电路、控制电路和线路编码电路，采用激 光器作光源时，还有偏置电路。
对调制电路和控制电路的要求如下： (1) 输出光脉冲的通断比(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)应大于10，以保证足够的光接收信噪比。
(3) 允许的调制速率要高或响应速度要快，
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，调制速率、谱线宽度、输出光 功率和光束方向性，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。
PD LD
－A 1 ＋ －A 3 ＋
Ib
Uin
V1
V2 信号参考 －U 直流参考 －A 2 ＋
V3
－U
图 4.9
APC电路原理
一个更加完善的自动功率控制(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。
4.2 光接收机
4.2.1光接收机基本组成
光信号 光检测器
前置放大器
主放大器 再生码流 均衡器 判决器
偏压控制
AGC 电路
时钟 提取
图 4.14 数字光接收机方框图
直接检测方式的数字光接收机方框，主要包括光检测器、前置 放大器、主放大器、均衡器、 时钟提取电路、取样判决器以 及自动增益控制(AGC)电路。
1. 电光延迟和张弛振荡现象
输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，称 为电光延迟时间td，其数量级一般为ns。
当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减 的振荡， 称为张弛振荡，其振荡频率fr(=ωr/2π)一般为0.5~2 GHz。
电光延迟要产生码型效应。当电光延迟时间td与数字调制 的码元持续时间T/2为相同数量级时，会使“0”码过后的第一 个“1码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个“１” 码丢失， 这种现象称为“码型效应”。
1. 光源
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0.85μm、 1.31 μm和 1.55 μm附近。光谱单色性要好， 即谱线宽度 要窄， 以减小光纤色散对带宽的限制。
1 00 50 10 5 1 0 .5 0 .1 0 .0 5 0 .0 1
型，目前有三种类型的前放可供选择。
偏压
偏压
偏压
Rf
(a)