1、主要内容激光器原理半导体激光器(LD)LD的特性常用光源光发射机光源是光发送机中的光波发生器，即光振荡器。相干光相干光：（激光）非相干光非相干光：（自然光）光源有产生的光有两类： 光纤通信系统对光源的要求：1、光源发光的峰值波长应当与光纤的低损耗窗口一致。 2、光源的输出功率应当足够大。（10uw几mw）3、光源应当有高度的可靠性。（10万小时以上）4、光源的谱线不能太宽。5、光源应利于调制。6、电光转换效率应当高。7、光源体积小重量轻功耗小。 常用光源半导体激光器（LD）双异质结激光器（DH-LD）分布反馈式激光器（DFB-LD）量子阱激光器（QW-LD）发光二极管（LED） 面发光二极管边
2、发光二极管（三）LD和LED的比较 LD LED工作波长1.31um,1.55um0.81.6um输出功率510mw1mw入纤损耗35dB1.520dB谱线宽度多纵模5nm，单纵模 Eg/h的光通过时 ，就可以得到放大。fE粒子数翻转PN解理面解理面解理面解理面L半导体激光器是利用在有源区中受激而发射光的光器件。只有在工作电流超过闻值电流的情况下，才会输出激光(相干光)，因而是有阈值的器件。thII 当激光器阈值电流很大时，器件发热，使寿命很短如何使激光器阈值电流减少，使寿命长采用异质结结构GaAspGaAsnGaAlAsp GaAlAspGaAsnGaAlAspGaAspGaAlAsnGaA
3、sn同质结结构单异质结结构双异质结结构GaAspGaAsnAlGaAsnAlGaAspGaAspPNNP同质结异质结载流子限制载流子限制AlGaAsnAlGaAspGaAspNP异质结折射率分布光波限制光波限制3.3半导体激光器（LD)的P-I特性 1、输出光功率与激光器驱动电流之间关系、输出光功率与激光器驱动电流之间关系 外量子效应外量子效应外量子效率定义为超过阈值时每个外量子效率定义为超过阈值时每个电子空穴对的辐射性复合所产生电子空穴对的辐射性复合所产生的光子数。的光子数。gEh是带隙能量是带隙能量)(thextIIehP注入的电子数输出的光子数exteIhP/阈值电流2、激光二极管的模式
4、、激光二极管的模式在半导体激光器的谐振腔内，辐射光建立起的电磁场模式称为谐振腔模式，在半导体激光器的谐振腔内，辐射光建立起的电磁场模式称为谐振腔模式，它们可划分为横电（它们可划分为横电（TE）和横磁（）和横磁（TM）模式两种。每类模式都能通过沿）模式两种。每类模式都能通过沿谐振腔主轴分布的纵向电磁场、水平横向电磁场以及垂直横向电磁场的半谐振腔主轴分布的纵向电磁场、水平横向电磁场以及垂直横向电磁场的半正弦变化来进行描述。其中，纵向模式与谐振腔的长度正弦变化来进行描述。其中，纵向模式与谐振腔的长度L相关，并决定辐相关，并决定辐射光的主要光谱结构，由于射光的主要光谱结构，由于L远大于激光波长（远大于
5、激光波长（ ），因此在谐振腔中会），因此在谐振腔中会有许多纵模。有许多纵模。1 m水平横向模分布在水平横向模分布在pn结平面内，它取决于谐振腔的宽度和腔壁的情况，同结平面内，它取决于谐振腔的宽度和腔壁的情况，同时该模式又决定激光束的水平横向分布特性。垂直横向模与时该模式又决定激光束的水平横向分布特性。垂直横向模与pn结垂直方向结垂直方向上的电磁场和波形相关。以上三种模式分布在很大程度决定激光器的特性。上的电磁场和波形相关。以上三种模式分布在很大程度决定激光器的特性。谐振腔中纵向模式。谐振腔中纵向模式。激光二极管的横模与纵模激光二极管的横模与纵模3、光谱特性考虑激光器相位关系考虑激光器相位关系
6、1,2, 3.2mmcmLn如果只考虑纵向模式，在多模激光器中频率和波长如果只考虑纵向模式，在多模激光器中频率和波长的间隔为：的间隔为：1222, 2mmcLnccvvLn 22mL nmL2例：有一例：有一GaAs，激光器工作波长为激光器工作波长为850nm,激光器腔长激光器腔长500m500m，材料折射率，材料折射率n n3.7,3.7,频率和波长的间隔各为多少？频率和波长的间隔各为多少？108.1 10 ()2cvHzLn 2921048.5 101.953( )0.2()22 5 103.7mnmLn 在半导体激光器的应用中，一个值得考虑的重要因素是温度对阈值电流的影响，经验公式可粗略
7、的表示为：4、温度特性 0/( )T TthzITI e其中 是激光器对温度敏感程度的度量的特性温度； 是一个常数。0TzI 方向性半导体激光器发出的激光与光纤或光器件进行耦合，要求激光器的方向性要强。155电光延迟、张弛振荡、自脉动、啁啾（1）电光延迟激光器的输出光信号 滞后于电信号的现象。td原因： 有源区的电子密度必须增加到一定的闸值才会有光出来。影响：出现码型效应码型效应，限制调制速度。5、瞬态特性（2）张弛振荡当电脉冲注入激光器后， 输出光脉冲有一个幅度逐渐衰减的振荡。 影响：当调制速度接近张弛振荡的频率时， 容易产生误判， 影响了调制的速度。 原因： 光子激发与电子注入的时间延迟。
8、通过增加偏置电流可以改善电光延迟和张弛振荡。（3）自脉动现象有些激光器再脉冲调制下或直流驱动下，当注入电流足够大时，输出的光脉冲出现持续等幅的高频振荡。 啁啾（Chirp）效应3.4分布反馈半导体激光器（分布反馈半导体激光器（DFB)与与LED多纵模LD-F-P 双异质结LD分布反馈半导体激光器（分布反馈半导体激光器（DFB)量子阱激光器（QW-LD）发光二极管发光二极管LED常用光源Distributed feedback laserLight emitting diodeQuantum-well2、分布反馈半导体激光器（、分布反馈半导体激光器（DFB) DFB激光器的结构激光器的结构 DF
9、B是用Brag衍射光栅代替F-P谐振腔对光进行波长的选择，是激光器形成单纵模。DFB激光器的工作原理 DFB激光器用布拉格（Bragg)光栅代替F-P镜面反射。 Bragg波纹光栅是由于材料折射率的周期性变化而形成。P区N区有源区光栅 布拉格反射条件 DFB激光器的分布反馈是 的布拉格反射,这时有源区的光在栅条间来回振荡。此时的布拉格条件为： 2 DFB激光器的优点当光栅的周期长度为 L时， 只有满足布拉格反射条件波长为 的光波，才能产生激光振荡，因而使激光器得到单频输出。由于分布馈激光器是由光栅来选择单纵模，因而在高速调制下仍维持单纵模输出。 -DFB激光器的谱线窄，其线宽大约为普通型激光器
10、线宽的1/10左右，如图所示，从而使色散的影响大为降低，可以实现速率为Gb/s的超高速传输。0DFB的优点：1、 单纵模2、 谱线窄，波长稳定3、动态谱线好，啁啾小， 利于高速调制4、线性好，利于调制模拟信号。 DFB的应用：2.5G以上的1550nm第三代光纤通信系统光纤CATV3、量子阱激光器（QW-LD）量子阱量子阱：一般双异质结激光器的有源层的厚度为0.15um,若将有源层的厚度减少到德布罗意 波长（50nm）以下，半导体的性质将发生根本的改变，出现量子效应，相应的势阱称为量子阱。（我们将窄带隙Eg称为势阱，将宽带隙Eg称为势垒）量子阱激光器量子阱激光器：将双异质结半导体激光器的有源层
11、做到nm级，形成量子阱结构，使之出现量子效应，这样的激光器叫做量子阱激光器。单量子阱激光器(SQW-LD)具有一个势阱和两个势垒的激光器多量子阱激光器（MQW-LD）具有n个势阱和n+1个势垒的激光器势垒势阱6.3nmLw10dB0110lg10PPEXorPPEXT实验发现，异质结激光器的散粒噪声在阈值处出现最大值，实验发现，异质结激光器的散粒噪声在阈值处出现最大值，因此偏置电流不正好偏置在阈值处因此偏置电流不正好偏置在阈值处由于激光器的串联阻抗很小，因此激光器的偏置电路应是由于激光器的串联阻抗很小，因此激光器的偏置电路应是高阻恒流源高阻恒流源调制电流幅度调制电流幅度Im的选择，应根据激光器
12、的的选择，应根据激光器的P-I曲线，既要有曲线，既要有足够的输出光脉冲幅度，又要考虑到光源的负担。如果激足够的输出光脉冲幅度，又要考虑到光源的负担。如果激光器在某些区域有自脉动现象发生，则光器在某些区域有自脉动现象发生，则Im的选择应避开自的选择应避开自脉动发生的区域脉动发生的区域三、直接调制电路三、直接调制电路要求：快的开关速度、要求：快的开关速度、良好的电流脉冲波形良好的电流脉冲波形四、外调制四、外调制外调制器以外调制器以EA、LN为主为主高速驱动模块高速驱动模块EA：驱动电压峰：驱动电压峰-峰值峰值2V、偏置电压、偏置电压-1VLN：驱动电压峰：驱动电压峰-峰值峰值5V、偏置电压、偏置电
13、压23V Optical Transmission, dB-40-30-20-100Modulator“On”Modulator“Off”Transmission, %1000V-VApplied Voltage, VQuadrature偏置点控制电路偏置点控制电路高速驱动器高速驱动器LiNbO3外调制器五、激光器控制电路五、激光器控制电路1、系统对光源的要求、系统对光源的要求波长稳定性要求波长稳定性要求WDM系统对光源发射波长系统对光源发射波长 的稳定性具有较高的要求的稳定性具有较高的要求波长的漂移将导致信道之波长的漂移将导致信道之 间的串扰间的串扰影响发射波长的因素影响发射波长的因素对于对
14、于DFB 激光器，影响发射波长的因素：管芯温度、工作电流、激光器，影响发射波长的因素：管芯温度、工作电流、 光反射（利用隔离器减小）光反射（利用隔离器减小）管芯温度与激射光频的关系：呈单调直线下降，管芯温度与激射光频的关系：呈单调直线下降，CGHzdtdf0/12工作电流与激射光频的关系：工作电流与激射光频的关系：theffBthBIIdIdTdTdnndIdIIeVddndId22电流电流注入载流子变化注入载流子变化有源区折射率下降有源区折射率下降大电流大电流结温升高，正常工作时，起主导作用结温升高，正常工作时，起主导作用一般为一般为-1GHz/mA左右左右 B为为DFB激光器的布拉格波长，
15、激光器的布拉格波长， 为光栅周期，为光栅周期， 为场限制因子，为场限制因子，n为折射率，为折射率， 为载流子浓度，为载流子浓度， 为载流子寿命为载流子寿命比较而言，温度变化是波长漂移的主要因素比较而言，温度变化是波长漂移的主要因素功率稳定性要求功率稳定性要求某信道功率的漂移，不仅影响本信道的传输性能，而且某信道功率的漂移，不仅影响本信道的传输性能，而且通过通过EDFA的瞬态效应影响其它信道的性能的瞬态效应影响其它信道的性能通常要求：输出平均光功率通常要求：输出平均光功率: 0 -3dBm; 不稳定度不稳定度: 0.5dB(模块表面温度模块表面温度 0-50 C) 消光比消光比: 10dB 眼图
16、眼图: 符合符合 G.957模版模版影响发射功率的因素影响发射功率的因素管芯温度管芯温度:温度增加温度增加-功率下降功率下降器件老化器件老化:功率下降功率下降温度控制和功率控制作用，就是消除温度变化和器件老化影响温度控制和功率控制作用，就是消除温度变化和器件老化影响,稳定发射机性能，采取的稳定方法有：温度控制；自动功率控稳定发射机性能，采取的稳定方法有：温度控制；自动功率控制制窄线宽窄线宽 DFB DFB 激光器激光器EAEA（LNLN）调制器）调制器精密精密温度控制温度控制恒定恒定电流控制电流控制10Gb/s10Gb/s电压驱动器电压驱动器NRZNRZ码码 光发射机结构框图光发射机结构框图温
17、度控制：温度控制：温控电路通常由比例放大、温控电路通常由比例放大、PID（比例（比例-积分积分-微分）电路、微分）电路、 电流放电流放大组成大组成控制精度可到控制精度可到0.01C波长稳定性可达波长稳定性可达 200MHz/24小时小时目前目前N 2.5Gb/s系统中，主要采用系统中，主要采用这一技术这一技术DFB-LD组件组件激光器激光器导热导热制冷器制冷器热敏电阻热敏电阻温度控制电路温度控制电路PD111exp1TTBRRR1=10k，T1=298K，B=3887+/-34K波长锁定（波长锁定（wavelength locker)例：将激光器输出波长与一标准波长（参考波长）进行比较，例：将
18、激光器输出波长与一标准波长（参考波长）进行比较，测得波长漂移信息，反馈控制管芯温度，由此控制激光器的测得波长漂移信息，反馈控制管芯温度，由此控制激光器的输出波长输出波长WDM signalWavelengthReference.TemperatureControllerPin-PDLog Amp.Error signal波长稳定性：波长稳定性： 100MHz/12小时小时关键：锁波器（与关键：锁波器（与LD集成或独立器件）集成或独立器件）锁波器工作原理锁波器工作原理自动功率控制（自动功率控制（APC）DFB-LD组件组件激光器激光器导热导热制冷器制冷器热敏电阻热敏电阻温度控制电路温度控制电路P
19、D自动功率控制（自动功率控制（APC）电路）电路偏置电流偏置电流峰值功率控制：偏置电流控制峰值功率控制：偏置电流控制 调制电流幅值控制调制电流幅值控制平均功率控制：偏置电流控制平均功率控制：偏置电流控制(需与波长控制一起使用）需与波长控制一起使用）其它控制电路：其它控制电路：光源慢启动保护电路光源慢启动保护电路激光器反向冲击电流保护电路激光器反向冲击电流保护电路激光器过流保护电路激光器过流保护电路激光器关断电路激光器关断电路2、光波的调制 在光纤通信系统中，把随信息变化的电信号加到光载波上，使光载波按信息的变化而变化，这就是光波的调制。在发射端采用光的幅度、频率、相位调制，在接收端采用相干检测
20、的光调制解调的方式叫相干光通信。从本质上讲，光载波调制和无线电波载波调制一样，可以利用光波的振幅、强度、频率、 相位和偏振随信号变化携带信息， 也即有调幅、调强、调频、调相、调偏等多种调制方式。在光频段多采用光的强度调制方式。IM immediacy modulate直接调制直接调制将要传送的信息转变为电流信号注入将要传送的信息转变为电流信号注入LD或或LED调制后的光波振幅的平方比例于调制信号（强度调制）调制后的光波振幅的平方比例于调制信号（强度调制）仅适应于半导体光源仅适应于半导体光源简单、经济、容易实现简单、经济、容易实现响应带宽有限（响应带宽有限（2.5Gb/s）引入调制啁啾（正啁啾）
21、引入调制啁啾（正啁啾）内调制外调制光强度调制：以信号去改变光的功率大小。接收端直接检波IM-DD（immediacy modulate-direct detection）方式调制方式内调制（直接调制）：直接用电信号去驱动光源。设备简单，但有啁啾，不利于高速调制。LED调制IPIPLD调制直接光调制图：偏置电流)(thextIIehP外调制：利用外调制器对激光器输出直流光信号进行调制。（间接调制）调制器电信号激光器直流驱动电路光信号解决了啁啾现象， 适于高速数字信号（SDH / SONET）、模拟CATV、军事雷达等，并且可进 行幅度、相位、频率调制，但对光源和光调制器要求很高。 3、LED的（
22、模拟信号调制）驱动电路 连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上，适当选择直流偏置的大小，使静态工作点位于发光管特性曲线线性段的中点，可以减小光信号的非线性失真。调制线性的好坏取决于调制深度m。设调制电流幅值为I，偏置电流为IB，则LED的数字驱动电路的数字驱动电路LED的数字驱动电路主要应用于二进制数字信号，驱动电路应能提供几十至几百毫安（mA）的“开”“关”电流。码速不高时，可以不加偏置；但在高码速时，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。几种典型的LED数字驱动电路简单的共射极饱和开关电路低阻抗射极跟随式驱动电路发射极开关式驱动电路高速LED驱动电路4、激光器的直接调制电
23、路 偏置电流和调制电流的选择偏置电流和调制电流的选择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方面：(1)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， 同时使张弛振荡得到一定程度的抑制。LD无偏置和有偏置时脉冲瞬态波形和光谱LD 加了足够的预偏置电流，调制电流脉冲幅度较小，预偏置后张弛振荡大大减弱，谱线减少，光谱宽度变窄；另外，电光延迟的减小，也大大提高了调制速率。- - (2)当激光器偏置在阈值附近时， 较小的调制脉冲电流即能得到足够功率的输出光脉冲，从而可以大大减小码型效应。3)加大直流偏置电流会使激光器的消光比恶化。 光源
24、的消光比将直接影响接收机的灵敏度，为了不使接收机的灵敏度明显下降，消光如果激光器的偏置电流IB过大，势必会使消光比恶化，降低接收机的灵敏度。通常取IB(0.850.9)Ith。驱动脉冲电流的峰-峰值Im一般取Im十IB(1.21.3)Ith，以避免结发热和码型效应。所谓消光比，是指激光器在全“l”码时发送的光功率(P1)与全“0”码时发射的光功率(Po)之比，用dB表示为：(4)实验证明，异质结激光器的散粒噪声在阈值处出现最大值，如激光器正好偏置在阈值上，散粒噪声的影响较严重。因此，偏置电流的选择，要兼顾电光延迟、张弛振荡、码型效应、激光器的消光比以及散粒噪声等各方面情况，根据器件特别是激光器
25、的具体性能和系统的具体要求，适当的选择偏置电流的大小。由于激光器的电阻较小，因此激光器的偏置电路应是高阻恒流源调制电流幅度的选择，应根据激光器的特性曲线，既要有足够的输出光脉冲功率，又要 考虑到光源的负担。 考虑到某些激光器在某些区域有自脉动现象发生，Im的选择应避应避开这些区域。自动功率控制电路自动功率控制电路(APC)自动温度控制电路自动温度控制电路(ATC)激光器告警电路激光器告警电路光源慢启动保护电路光源慢启动保护电路激光器反向冲击电流保护电路激光器反向冲击电流保护电路激光器过流保护电路激光器过流保护电路激光器关断电路激光器关断电路控制电路控制电路某信道功率的漂移，不仅影响本信道的传输
26、性能，而某信道功率的漂移，不仅影响本信道的传输性能，而且通过且通过EDFA的瞬态效应影响其它信道的性能的瞬态效应影响其它信道的性能自动功率控制自动功率控制峰值功率控制：偏置电流控制峰值功率控制：偏置电流控制 调制电流幅值控制调制电流幅值控制平均功率控制：偏置电流控制平均功率控制：偏置电流控制通常要求：输出平均光功率通常要求：输出平均光功率: 0 -3dBm; 不稳定度不稳定度: 0.5dB(模块表面温度模块表面温度 0-50 C) 消光比消光比: 10dB自动功率控制电路自动功率控制电路(APC)5、自动功率控制电路、自动功率控制电路(APC)在使用中，LD结温的变化以及老化都会使Ith增大，
27、量子效率下降，从而导致输出光脉冲的幅度发生变化。为了保证激光器有稳定的输出光功率，需要有各种辅助电路，例如功率控制电路、温控电路、限流保护电路和各种告警电路等。光功率自动控制有许多方法， 一是自动跟踪偏置电流，使LD偏置在最佳状态； 二是峰值功率和平均功率的自动控制； 三是P-I曲线效率控制法等。最简单的办法是通过直接检测光功率控制偏置电流，用这种办法即可收到良好的效果。该办法是利用激光器组件中的PIN光电二极管，监测激光器背向输出光功率的大小， 若功率小于某一额定值时，通过反馈电路后驱动电流增加，并达到额定输出功率值。反之，若光功率大于某一额定值，则使驱动电流减小，以保证激光器输出功率基本上
28、恒定不变美国亚特兰大光通信系统中光发射机的APC电路，电路是通过控制LD偏置电流大小来保持输出光脉冲幅度的恒定。在运放的输入端，再生信号由输入信号再生处理后得到， 它固定在0V-lV间。 LD组件中PIN管接收LD的背面输出光，它受到与正面输出光同样的温度及老化影响，从而可用来反馈控制LD输出光功率。该PIN产生的信号与直流参考比较后送到放大器的同相端，直流参考通过调节Rl控制预偏置电流IB。 调节R2使再生信号与PIN输出取得平衡，使IB保持恒定。当输出光功率产生变化时，平衡破坏，反馈偏置电路将自动调整IB， 使输出功率恢复到原来的值，电路又恢复平衡状态。R3Cl构成LD的慢启动网络， 当刚
29、开启电源或有突发的电冲击时，由于电路的时间常数很大(l ms)，IB只能慢慢增大。这时，前面的控制电路首先进入稳定控制状态，然后IB缓慢增大，保护LD免受冲击。温度变化引起LD输出光功率的变化，虽然可以通过APC电路进行调节，使输出光功率恢复正常值。但是，如果环境温度升高较多，经APC调节后，IB增大较多，则LD的结温因此也升高很多，致使Ith继续增大，造成恶性循环，从而影响了LD的使用寿命。因此，为保证激光器长期稳定工作，必须采用自动温度控制电路(ATC)使激光器的工作温度始终保持在20度左右。微制冷器多采用半导体制冷器。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
30、偶时，出现一端吸热另一端放热的现象，这种现象称为珀尔帖效应。微型半导体制冷器的温差可以达到3040。6、自动温度控制电路、自动温度控制电路(ATC)LD的温度控制由微型制冷器、热敏元件及控制电路组成。目前实际商用的半导体激光器总是和其他一些部件封装在一起，形成一个完整的LD组件，它将LD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，控制电路放在盒外，这属于内制冷方式。内制冷方式不仅结构紧凑，控制效率也很高，使激光器有较恒定的输出光功率和发射波长。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， 达到控制LD周围环境温度的目的
31、。 通常内制冷较外制冷方式更直接、有效。制冷方式分为内制冷和外制冷两种。为半导体制冷器的结构示意图单个热电偶是由P型和N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。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，制冷器的吸热、散热端将互换。LD组件中的热敏电阻具有负温度系数，在20时阻值 Rt10k12k
32、，RtT-05。它与Rl，R2，R3组成桥式电路，其输出电压加到差分放大器的同相和反相输入端， 在某温度下，电桥达到平衡。 LD温度升高时，Rt下降，BGl正向导通，通过制冷器Rc的电流Ic加大，使LD的温度下降。具体控制过程如下：-TRt差分放大器输入端压降差分放大器输出电压IcT。实际上激光器在连续工作时，管芯温度会持续上升，从而使得热敏电阻Rt总保持在RtR3即电桥总不平衡，于是Ic维持一定值，即控制电路始终为致冷器提供恒定的工作电流Ic。在光发送电路中，由于采用了ATC 和 APC电路，使LD输出光功率 的稳定度保持在较高的水平上。在环境温度为十5十50范围内，LD输出光功率的不稳定度
33、小于5。温度控制电路7、激光器的保护及告警电路、激光器的保护及告警电路光源是光发送电路的核心，它价格昂贵又较容易损坏。因此在光发送电路中必须设有保持电路，以防止意外的损坏。另外，当光发送电路出现故障时，告警电路应发出相应的声、光告警信号，以便于工作人员维护。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，一般需对光源进行过流保护。无光告警电路 当光发送机电路出现故障，或输入信号中断、或激光器损坏时，都可能使LD长时间不发光。这时，无光告警电路都应动作，发出相应的声光告警信号。寿命告警电路随着使用时间的增长，LD阈值电流也将逐渐增大。当阈值电流增大到开始使用时的1.5倍时，就认为激光器的寿
34、命终止。由于IBIth， 所以寿命告警电路通常采用监测偏流IB的值来判断激光器寿命是否终止。也就是说，当IB1.5Itho(Itho为LD开始启用时的阈值电流)时，寿命告警电路就发出告警指示。激光器的过流保护电路T3为激光器提供偏流IB。保护电路由晶体管T4、电阻Rl组成。正常情况下，电阻Rl上的电压小于T4的导通降压，因而T4截止，保护电路不工作。当偏流IB过大， 致使Rl上的压降VRl剧增并超过T4的导通压降时， T4饱和导通，使Vce40，从而导致T3截止，保护了激光器不致因偏流IB过大而被损坏。A2的反向端为直流参考电压VD，其同相端则为代表LD输出光功率平均值的Vf。当LD发光正常时
35、，PIN管检测到的光电流经A1放大后送入A2的同相端。这时， VfVD，因此A2输出高电平， 致使无光告警指示灯LED不亮。当LD不发光时，PIN管检测不到光信号，因而VfVD， A2输出低电平， 使无光告警灯发出红色告警显示。另一路高电平为正常、低电平为告警的无光告警信号则被送入监控系统处理。无光告警原理图T3为激光器提供偏流IB，T4、R1组成过流保护电路。由于VlIBRl，所以调整电位器W使V21.5IthoR1。当激光器工作正常时， IB1.5Itho，则VlV2，A1输出高电平，寿命告警灯 不亮。如果IB1.5Itho，则激光器寿命终止，这时VlV2， A1输出低电平，寿命告警灯发黄
36、色告警显示。 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控系统。寿命告警电路原理图激光器组件1、激光器组件：是指在一个紧密的结构体中，除了激光二极管（LD）以外， 还配置其他的元件以实现LD工作必需的外围器件。2、LD 组件的构成图：驱动电路偏置电流信号电流监视光电二极管LD温度监控ATC电子制冷器光隔离器MQW-DFB激光器掺铒激光器一、重新编码的原因电码的缺点：双极性码，不能进行光纤传输 简单二进制码的缺点：（1）码流中的0、1个数随机变化，使得直流分量也发生随机的起伏，从而影响了判决电平。（2）随机码流容易出现长串连0和连1，使得同步时钟的提取困难。 （3）没有冗余码，不利于误
37、码检测。 所以必须重新进行光线路编码。4.6 线路编码 二、数字光纤通信系统对编码的要求：（1）减少光信号中的高频和低频分量。 低频：容易导致基线的漂移，产生误判。高频：使得系统带宽增加， 加大电路设计的难度。 （2）定时信息丰富避免长的连0和连1，使0、1交替分布。（3）有适当的冗余码。 一定的冗余码可以用于平衡码流，误码检测，公务通信。但过多的冗余信息会降低接收机的灵敏度。 1 NRZ码（非归零码） NRZ码是最简单的码型。NRZ码很容易产生和译码，但它们没有内在的误差监测或纠错能力，也没有自有时钟（定时）特征。 比 特 周期三、线路码型 2 RZ码（归零码） 如果有足够的带宽富余度，则可
38、将每个数据比特编为两个线路码比特，这就是RZ码的基础。在这些码型中，为了提供定时信息，既可在部分的也可在全部的比特周期内发生信号电平的变化。3、 mBnB分组码 将原始二进制码分组，m个 为一组，变换后为n个一组。（mn） 新的分组以NRZ或RZ的格式传输。 mBnB分组码可以提供足够的定时和检错信息，又因没有长0或长1，所以没有基线漂移问题；但使用这种格式，将面临带宽增加的代价，附加的冗余比特将以n/m的比率增加带宽。3B4B码 3B 4B 000 0000 1000 0010001 1001 0100010 1010 0110011 1011 1000100 1100 1010101 11
39、01 1100110 1110 1110111 1111输入： 8种码字 输出：16种码字 mBnB码的优点：1、避免了长的连0和连1，定时信息丰富。2、总的0、1比例相等，基 线漂移小。3、引入冗余码，便于误码检测。优点：改善了0、1分布，使连0连1的情况改善。 缺点：*不能完全控制连0连1的情况。 *无冗余码来监控误码情况 。 *直流分量没有改善，不能解决基线的漂移。 其他常用的mBnB码：1、 1B2B 码：光纤中采用CMI码（传号反转码）：编码表：二元码CMI（正码组）CMI（负码组） 0 01 01 1 00 10应用：三次群以下的系统。特点； 编解码电路简单，但码速提高一倍。2、5
40、B6B码：4.6 线路编码 用于光纤传输链路的两电平二进制线路码有三种基本类型：非归零格式（NRZ）；归零格式（RZ）；相位编码格式（PE）。设计光线链路时，要考虑的一个重要因素是传输光信号的格式。其重要性在于任何实际的数字光纤链路，其接收机的判决电路必须精确地从接收的光信号中提取定时信息。定时的三个主要目的分别是：在接收机的信噪比最大时对信号进行取样；保持适当的脉冲间隔；指示每个时间间隔的开始和结束。另外，信号检测过程中，信道噪声和失真会导致误码，故光信号应有内在的误码检测能力，这可以通过信号的重组（或编码），引入额外的比特到数据流中来实现。所谓信号编码是指使用一套规则把信号符号编排为一个特
41、殊的格式。这个过程称为线路编码。线路编码的主要功能是在数据流中引入冗余码，其目的是为了使信道干扰引起的误码最小。尽管采用光纤可以获得巨大的带宽，但从噪声方面考虑，较大的带宽将导致较大的噪声影响，故希望得到较小的带宽；而要从数据流中获得定时数据就需要较大的带宽。通过选择特殊的线路码，可以在定时和噪声带宽之间达成折衷。一、重新编码的原因电码的缺点：双极性码，不能进行光纤传输 简单二进制码的缺点： （1）码流中的0、1个数随机变化，使得直流分量也发生随机的起伏，从而影响了判决电平。（2）随机码流容易出现长串连0和连1，使得同步时钟的提取困难。 （3）没有冗余码，不利于误码检测。 所以必须重新进行光线
42、路编码。4.6 线路编码 二、数字光纤通信系统对编码的要求：（1）减少光信号中的高频和低频分量。 低频：容易导致基线的漂移，产生误判。高频：使得系统带宽增加， 加大电路设计的难度。 （2）定时信息丰富避免长的连0和连1，使0、1交替分布。（3）有适当的冗余码。 一定的冗余码可以用于平衡码流，误码检测，公务通信。但过多的冗余信息会降低接收机的灵敏度。 1 NRZ码 现在已有好几种不同的NRZ码得到了广泛应用，它们的带宽可作为其它码组的参考。最简单的NRZ码就是NRZ电平（NRZ-L），如图所示。这些码很容易产生和译码，但它们没有内在的误差监测或纠错能力，而且也没有自有时钟（定时）特征。 比 特
43、周期图 NRZ-L数据模式的一个例子另外，NRZ码有最小的带宽需求，但接收机的平均输入功率却依赖于数据的模式。例如很长的1码出现时，接收功率的高电平将会导致基线漂移基线漂移效应。这种效应是由于接收机的交流耦合滤波器的低频特性引起脉冲拖尾的积累所造成的。当接收机在很长的连1码后恢复到原来阈值的过程很慢，而下一个1码到来时幅度又较低时，就有可能产生误码。 三、线路码型接收机的单个输入脉冲接收机的单个输出脉冲进入接收机的“1”比特序列接收机输出的“1”比特序列判决阈值基线漂移图 传输长连NRZ “1”码时引起的接收机基线漂移效应同时长的连1或连0，NRZ码没有定时信息，因为其中没有电平变化。于是，除
44、非系统的定时时钟非常稳定，N个同样的长码就有可能被误判为N-1个或N+1个，从而导致误码。解决方法一是在系统中使用高稳定的时钟（这样将明显增加系统的成本）；另外就是采用分组码和扰码。 2 RZ码 如果有足够的带宽富余度，则可将每个数据比特编为两个光线路码比特，这就是RZ码的基础。在这些码型中，为了提供定时信息，既可在部分的也可在全部的比特周期内发生信号电平的变化。下图给出了RZ码的一些码型，图 (a)是基带（NRZ-L）数据，(c)是单极RZ码。 NRZ-L基带数据时钟信号单极性RZ码双相码或光曼切斯特码变换图 RZ码型：(a)NRZ-L基带数据；(b)时钟信号；(c)单极性RZ码；(d)双向
45、码或光曼切斯特码；(e)曼切斯特数据在比特周期内发生的电平转换单极RZ格式的一个缺点是长的连0码会导致定时同步的丢失。双相码或光曼切斯特码就没有这种限制。对基带(NRZ-L)信号和时钟信号直接进行模二加运算即可得到光曼切斯特码。该码每个比特间隔的中心处都有电平转换，负相变换表示1比特，争相表示0比特。它易于编码和译码，但需占用两倍NRZ码的带宽；另外它也没有内在误码检测和纠错能力。 1、分组码 一种高效率的冗余二进制码是mBnB分组码，即将由m个二进制比特构成的分组，转换为由n个（nm）二进制比特构成的分组。新的分组以NRZ或RZ的格式传输。mBnB分组码可以提供足够的定时和检错信息，又因没有
46、长0或长1，所以没有基线漂移问题；但使用这种格式，将面临带宽增加的代价，附加的冗余比特将以n/m的比率增加带宽。3B4B分组码如下：数字3B4B方式1方式2012345670000010100111001011101110100001101010110100110101100001010110011010101101001101011001101四、线路编码几种mBnB参数对比列在表中，表中参数如下：n/m比率，代表带宽的增加；最大的连续同符号数（较小的值更利于时钟恢复）；累加偏差D的限度；禁用字（不使用的n比特字符）所占的百分比W（接收机非法字符的检测可以实现字符重构）。几种mBnB码的比较
47、 码型码型n/mNmaxDW(%)3B4B1.3343256B8B1.3363755B6B1.2064287B8B1.1497279B10B1.1111824mBnB码将原始二进制码分组，m个 为一组，变换后为n个一组。（mn）编码原理（以3B4B码为例） 3B 4B 000 0000 1000 0010001 1001 0100010 1010 0110011 1011 1000100 1100 1010101 1101 1100110 1110 1110111 1111输入： 8种码字 输出：16种码字 怎么从16个码字中选出8个码字表示原始码？并 串PROM串 并组别变换输出4B码流组别
48、交换变前时针输入3B码变换时针3B4B码的编码原理图：mBnB码的优点：1、避免了长的连0和连1，定时信息丰富。2、总的0、1比例相等，基 线漂移小。3、引入冗余码，便于误码检测。优点：改善了0、1分布，使连0连1的情况改善。 缺点：*不能完全控制连0连1的情况。 *无冗余码来监控误码情况 。 *直流分量没有改善，不能解决基线的漂移。 其他常用的mBnB码：1、 1B2B 码：光纤中采用CMI码（编号反转码）：编码表：二元码CMI（正码组）CMI（负码组） 0 01 01 1 00 10应用：三次群以下的系统。特点； 编解码电路简单，但码速提高一倍。2、5B6B码：是码速提高，设备简单的折中。
49、应用在我国的3次群和4次群系统。 2、插入码：1、 编码原理将信码中每m比特分为一组，每组的末尾插入一个比特码。按插入码的功能可以分为：（1）mB1P码 ：在m个比特后插入一个比特作为奇偶校验使用。奇校验码：插入码和信息码之和为奇数偶校验码：插入码和信息码之和为偶数如：P为奇校验码时： mB码为：100 000 001 110 mB1P码为：1000 0001 0010 1101优点： 接收端可以通过码字模二加和实现误码检测。（2）mB1C码：把每个比特分为一组，然后在其未位之后再插入一个反码（C码）。如：100 110 001 101 1001 1101 0010 1010 优点： 改善了0
50、、1分布，并具有误码检测功能（3）mBiH 码将信号码中每m个比特分为一组，在未位周期性的插入一个混合码，称为H码。第一类：C码，作误码监测使用；第二类：L码，用以区间通信；第三类：G码，用以公务通话，同步，线路测试，告警作用。BLBGBLBCBLBHB如：1B1H码帧结构GLBL码（区间通信1）L码（区间通信2）C码（误码检测） 同步告警公务测试 同步告警公务测试编码框图（4B1H 码）：缓存器D4D3D2D1写入时序（四分频）读出时序（）42960Kbps4B1H34368KbpsNRZ42960KHzCP34368KHzH3、 纠错 对于高速宽带网络，网络提供的数据传输可靠性可能要比应用
