【正文】 量子噪聲電流 ， 如式 ()和式()所示 。 為此 ， 應建立超擾比 Q與入射光功率的關系 。 這是光接收機可能達到的最高靈敏度 ， 這個極限值是由量子噪聲決定的 ， 所以稱為量子極限 。 利用 Tb=1/fb， fb為傳輸速率； 并考慮光 /電轉換時的量子效率為 η。 這個概率 ， 即 “ 1” 碼誤判為 “ 0” 碼的概率 Pe, 10=exp(n)， n為一個碼元的平均光子數 。 它的靈敏度只受到光檢測器的量子噪聲的限制 ， 因為量子噪聲是伴隨光信號的隨機噪聲 ， 只要有光信號輸入 ， 就有量子噪聲存在 。 靈敏度 Pr的定義是 ， 在保證通信質量 (限定誤碼率或信噪比 )的條件下 ， 光接收機所需的最小平均接收光功率 〈 P〉 min， 并以 dBm為單位 。 它還表示在對 “ 0”碼進行取樣判決時 ， 判決門限值 D超過放大器平均噪聲電流 的倍數 。 這時噪聲電流的幅度為I1Im， 判決門限值仍為 D， 則只要取樣值 ImI1ImD或 I1ImDIm， 就可能把 “ １ ” 碼誤判為 “ 0” 碼 。 在發(fā) “ 0” 碼時 ， 平均噪聲功率 N0=NA， NA為前置放大器的平均噪聲功率 。 圖 計算誤碼率的示意圖 tIsImI1( t )I0( t )判決門限 D0 在 “ １ ” 碼時 ， 如果在取樣時刻帶有噪聲的電流 I1D， 則可能被誤判為 “ 0” 碼；在 “ 0” 碼時 ， 如果在取樣時刻帶有噪聲的電流 I0D， 則可能被誤判為 “ １ ” 碼 。 碼元被誤判的概率 ， 可以用噪聲電流 (壓 )的概率密度函數來計算 。 (2) 場效應管前置放大器的主要特點是輸入阻抗高 ， 噪聲小 ， 高頻特性較差 ， 適用于低速率傳輸系統(tǒng) 。 放大器分解為理想放大器和等效噪聲電流源 〈 i20〉 和電壓源 〈 u20〉 ， 其相應的功率譜密度分別表示為 SI和 SE， Rin是放大器的輸入電阻 。 因為前置級輸入的是微弱信號 ， 其噪聲對輸出信噪比影響很大 ， 而主放大器輸入的是經前置級放大的信號 ， 只要前置級增益足夠大 ， 主放大器引入的噪聲就可以忽略 。 如圖 ， 電元件集成在 GaAs基片上 ， 而光檢測器集成在 InP基片上 ， 兩個部分通過接觸片連接在一起 。 這樣的完全集成對于 GaAs接收機 (即工作在短波長的接收機 )是比較容易的 ， 而且早已得到實現 。 再生電路包括判決電路和時鐘提取電路 ， 它的功能是從放大器輸出的信號與噪聲混合的波形中提取碼元時鐘 ， 并逐個地對碼元波形進行取樣判決 ， 以得到原發(fā)送的碼流 。 前放的噪聲取決于放大器的類型 ， 目前有三種類型的前放可供選擇 (參看 )。 1. 光檢測器是光接收機實現光 /電轉換的關鍵器件 ， 其性能特別是響應度和噪聲直接影響光接收機的靈敏度 。 當環(huán)境溫度升高時 ， LD的管芯和熱沉溫度也升高 ， 使具有負溫度系數的熱敏電阻 RT的阻值減小 ， 電橋失去平衡 。 圖 (ATC)電路原理圖 。 圖 溫度控制方框圖 激光器致冷器熱敏電阻 控制電路熱導 目前 ， 微致冷大多采用半導體致冷器 ， 它是利用半導體材料的珀爾帖效應制成的電偶來實現致冷的 。 圖 結發(fā)熱效應 電流脈沖光脈沖t ＝ 0 t ＝ TI1I0 2. 半導體光源的輸出特性受溫度影響很大 ， 特別是長波長半導體激光器對溫度更加敏感 。 當 t=T時電流脈沖過后 ， 注入電流從I1減小到 I0， 電流散發(fā)的熱量減少 ， 結區(qū)溫度隨 t而降低 ， 閾值電流減小 ， 使輸出光脈沖的幅度增大 。圖 (a)和 (b)分別示出溫度通過閾值電流和外微分量子效率引起的輸出光脈沖的變化：溫度升高 ， 閾值電流增加 ， 外微分量子效率減小 ， 輸出光脈沖幅度下降 。 從LD背向輸出的光功率 ， 經 PD檢測器檢測 、 運算放大器 A1放大后送到比較器 A3的反相輸入端 。 為保證輸出光功率的穩(wěn)定 ， 必須改進電路設計 。 V1和 V2處于輪流截止和非飽和導通狀態(tài) ， 有利于提高調制速率 。 圖 共發(fā)射極驅動電路 UCR2LEDC1R1UinV 圖 ， 適合于激光器系統(tǒng)使用 。 圖 ， 這種簡單的驅動電路主要用于以發(fā)光二極管 [WTBZ]LED作為光源的光發(fā)射機 。 自脈動頻率可達 2GHz， 嚴重影響 LD的高速調制特性 。 (2) 張弛振蕩幅度衰減時間 τo與 τsp為相同數量級 ， 并隨 j的增加而減小 。 τsp和 τph分別為電子自發(fā)復合壽命和諧振腔內光子壽命 。 圖 碼型效應 （ a) 、 (b)碼效應波形；（ c）改善后波形 電脈沖光脈沖2 n s 5 n s 2 n s( a ) ( b ) ( c )1 2 “ 碼型效應 ” 的特點是 ， 在脈沖序列中較長的連 “ 0” 碼后出現的 “ 1” 碼 ， 其脈沖明顯變小 ， 而且連 “ 0” 碼數目越多 ，調制速率越高 ， 這種效應越明顯 。 電光延遲要產生碼型效應 。 當電流脈沖注入激光器后 ， 輸出光脈沖會出現幅度逐漸衰減的振蕩 ， 稱為張弛振蕩 ， 其振蕩頻率 fr(=ωr/2π)一般為 ~2 GHz。 半導體激光器是光纖通信的理想光源 ， 但在高速脈沖調制下 ， 其瞬態(tài)特性仍會出現許多復雜現象 ， 如常見的電光延遲 、 張弛振蕩和自脈動現象 。 (2) 輸出光脈沖的寬度應遠大于開通延遲 (電光延遲 )時間 ， 光脈沖的上升時間 、 下降時間和開通延遲時間應足夠短 ， 以便在高速率調制下 ， 輸出的光脈沖能準確再現輸入電脈沖的波形 。 以上各項中 ， 調制速率 、 譜線寬度 、 輸出光功率和光束方向性 ， 直接影響光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量和傳輸距離 ， 是光源最重要的技術指標 。 發(fā)射光束的方向性要好 ， 即遠場的輻射角要小 ， 以利于提高光源與光纖之間的耦合效率 。 電路的設計應以光源為依據 ， 使輸出光信號準確反映輸入電信號 。 圖 (LD)和發(fā)光二極管 (LED)直接光強數字調制原理 ， 對 LD施加了偏置電流 Ib。 第 4 章 光發(fā)射機 光接收機 線路編碼 返回主目錄 第 4 章光端機 數字光發(fā)射機的功能是把電端機輸出的數字基帶電信號轉換為光信號 ， 并用耦合技術有效注入光纖線路 ， 電 /光轉換是用承載信息的數字電信號對光源進行調制來實現的 。 目前技術上成熟并在實際光纖通信系統(tǒng)得到廣泛應用的是直接光強 (功率 )調制 。 光源是實現電 /光轉換的關鍵器件 ， 在很大程度上決定著光發(fā)射機的性能 。 圖 光脈沖瞬態(tài)響應波形 (2) 電 /光轉換效率要高 ， 即要求在足夠低的驅動電流下 ， 有足夠大而穩(wěn)定的輸出光功率 ， 且線性良好 。 (5) 此外 ， 要求器件體積小 ， 重量輕 ， 安裝使用方便 ， 價格便宜 。 對調制電路和控制電路的要求如下： (1) 輸出光脈沖的通斷比 (全 “ 1” 碼平均光功率和全 “ 0”碼平均光功率的比值 ， 或消光比的倒數 )應大于 10， 以保證足夠的光接收信噪比 。 3. 線路編碼之所以必要 ， 是因為電端機輸出的數字信號是適合電纜傳輸的雙極性碼 ， 而光源不能發(fā)射負脈沖 ， 所以要變換為適合于光纖傳輸的單極性碼 ， 線路編碼的其它原因見 。 輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在一個初始延遲時間 ， 稱為電光延遲時間 td， 其數量級一般為 ns。 當最高調制頻率接近張弛振蕩頻率時 ， 波形失真嚴重 ， 會使光接收機在抽樣判決時增加誤碼率 ， 因此實際使用的最高調制頻率應低于張弛振蕩頻率 。第二個脈沖到來時 ， 由于第一個脈沖的電子復合尚未完全消失 ，有源區(qū)電子密度較高 ， 因此電光延遲時間短 ， 脈沖較大 。 由此得到的張弛振蕩頻率 ωr及其幅度衰減時間 τo和電光延遲時間 td的表達式為： 21)]1(1[ ??thphsp jjw??? jjthspo ?? 2?thspd jjj?? ln? 式中 ， τo是張弛振蕩幅度衰減到初始值的 1/e的時間 ， j和 jth分別為注入電流密度和閾值電流密度 。 這個振蕩頻率決定了 LD的最高調制頻率 。 2. 某些激光器在脈沖調制甚至直流驅動下 ， 當注入電流達到某個范圍時 ， 輸出光脈沖出現持續(xù)等幅的高頻振蕩 ， 這種現象稱為自脈動現象 ， 如圖 。 數字信號調制電路應采用電流開關電路 ， 最常用的是差分電流開關電路 。 這種驅動電路適用于 10 Mb/s以下的低速率系統(tǒng) ， 更高速率系統(tǒng)應采用差分電流開關電路 。 當信號為 “ 0” 碼時 ， V1基極電位比 UB高而搶先導通 ， V2截止 ， LD不發(fā)光；反之 ， 當信號為 “ １ ” 碼時 ， V1基極電位比UB低 ， V2搶先導通 ， 驅動 LD發(fā)光 。 圖 射極耦合 LD驅動電路圖 V2V1Ib電流源Io－ UEUinLD 由于溫度變化和工作時間加長 ， LD的輸出光功率會發(fā)生變化 。 反饋穩(wěn)定 LD驅動電路 V2V1電流源IoUin＋ UV3－＋A