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1、强度调制直接检测IM-DD系统设计摘要目前，在种类众多的光纤传输系统中，典型应用的光纤传输系统主要有两种：1.IM-DD系统2.EDFA+WDM系统。本文将首先介绍光纤传输系统，接下来介绍IM-DD系统相关内容。1 光纤传输系统1.1 光纤光纤是光导纤维的简写，它是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。它主要是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输提供反射面和光隔阂，并在起一定的机械的保护作用。1.1.1 光纤传输光纤传输，即以光纤为介质进行传输。光纤，不仅可用来传输模拟信号和数字信号，而且可以满
2、足视频传输的需求。其数据传输率能达几千Mbps。如果在不使用中继器的情况下，传输范围能达到6-8km。1.1.2 光纤传输原理由发光二极管LED或注入型激光二极管ILD发出光信号沿光媒体传播，在另一端则有PIN或APD光电二极管作为检波器接收信号。对光载波的调制为移幅键控法，又称亮度调制。典型的做法是在给定的频率下，以光的出现和消失来表示两个二进制数字。发光二极管LED和注入型激光二极管ILD的信号都可以用这种方法调制，PIN和ILD检波器直接响应亮度调制。功率放大将光放大器置于光发送端之前，以提高入纤的光功率。使整个线路系统的光功率得到提高。在线中继放大建筑群较大或楼间距离较远时，可起中继放
3、大作用，提高光功率。前置放大在接收端的光电检测器之后将微信号进行放大，以提高接收能力。1.1.3 光纤传输特点从带宽看，很大的优势是光纤具有较大的信息容量，这意味着能够使用尺寸很小的电缆，将来就不用更新或增强传输光缆中信号。光纤电缆对诸如无线电、电机或其他相邻电缆的电磁噪声具有较大的阻抗，使其免于受电噪声的干扰。从长远维护角度来看，光缆最终的维护成本会非常低。光纤使用光脉冲沿光线路传输信息，以替代使用电脉冲沿电缆传输信息,安全性强，在易燃，易爆等场合特别适用。1.2 光源光源的功能是把电信号转换为光信号。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极管或称激光器和发光二极管或发光管，有的场合也
4、使用固体激光器。1.3 激光器主要包括激励源(泵浦系统)（或抽运）、具有亚稳态能级的工作介质(激光增益媒质)和谐振腔3部分。激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的定向性和相干性。（1）激光工作物质 是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系，有时也称为激光增益媒质，它们可以是固体（晶体、玻璃）、气体（原子气体、离子气体、分子气体）、半导体和液体等媒质。对激光工作物质
5、的主要要求，是尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转，并使这种反转在整个激光发射作用过程中尽可能有效地保持下去；为此，要求工作物质具有合适的能级结构和跃迁特性。（2）激励(泵浦)系统 是指为使激光工作物质实现并维持粒子数反转而提供能量来源的机构或装置。根据工作物质和激光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式和激励装置，常见的有以下四种。光学激励(光泵)。是利用外界光源发出的光来辐照工作物质以实现粒子数反转的，整个激励装置，通常是由气体放电光源（如氙灯、氪灯）和聚光器组成。气体放电激励。是利用在气体工作物质内发生的气体放电过程来实现粒子数反转的，整个激励装置通常由放电电极和放电
6、电源组成。 化学激励。是利用在工作物质内部发生的化学反应过程来实现粒子数反转的，通常要求有适当的化学反应物和相应的引发措施。核能激励。是利用小型核裂变反应所产生的裂变碎片、高能粒子或放射线来激励工作物质并实现粒子数反转的。（3）光学共振腔通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的两块反射镜按特定的方式组合而成。作用为：提供光学反馈能力，使受激辐射光子在腔内多次往返以形成相干的持续振荡。对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一定的定向性和单色性。1.3.1 激光光源的工作原理激光光源由工作物质、泵浦激励源和谐振腔 3部分组成。工作物质中的粒子（分子、原子或离子）在泵浦激励源的作
7、用下，被激励到高能级的激发态，造成高能级激发态上的粒子数多于低能级激发态上的粒子数，即形成粒子数反转。粒子从高能级跃迁到低能级时，就产生光子，如果光子在谐振腔反射镜的作用下，返回到工作物质而诱发出同样性质的跃迁，则产生同频率、同方向、同相位的辐射。如此靠谐振腔的反馈放大循环下去，往返振荡，辐射不断增强，最终即形成强大的激光束输出，即原子的运动状态可以分为不同的能级，当原子从高能级向低能级跃迁时，会释放出相应能量的光子（所谓自发辐射）。同样的，当一个光子入射到一个能级系统并为之吸收的话，会导致原子从低能级向高能级跃迁（所谓受激吸收）；然后，部分跃迁到高能级的原子又会跃迁到低能级并释放出光子（所谓
8、受激辐射）。这些运动不是孤立的，而往往是同时进行的。当我们创造一种条件，譬如采用适当的媒质、共振腔、足够的外部电场，受激辐射得到放大从而比受激吸收要多，那么总体而言，就会有光子射出，从而产生激光。图1-1 半导体光源的直接调制原理1.3.2 激光光源的特点 激光光源具有下列特点：单色性好。激光的颜色很纯,其单色性比普通光源的光高1010倍以上。因此，激光光源是一种优良的相干光源，可广泛用于光通信。方向性强。激光束的发散立体角很小,为毫弧度量级,比普通光或微波的发散角小23数量级。光亮度高。激光焦点处的辐射亮度比普通光高1081010倍。 2 光端机光端机包括光发射机和光接收机。2.1 光发射机
9、光发射机的作用是将从复用设备送来的HDB3信码变换成NRZ码；接着将NRZ码编为适合在光缆线路上传输的码型；最后在进行电/光转换，将电信号转换成光信号并耦合进光纤。光发射机由输入接口、光源、驱动电路、监控电路、控制电路等构成，其核心是光源及驱动电路。在数字通信中，输入电路将输入的信号（如PCM脉冲）进行整形，变换成适于线路传送的码型后通过驱动电路光源，或者送到光调制器调制光源输出的连续光波。为了稳定输出的平均光功率和工作温度，通常要设置一个自动的温度控制及功率控制电路。2.2 光接收机光接收机的功能是把光信号转换为电信号。 对光接收机的基本要求是： 信噪比(SNR)要高 幅频特性要好 带宽要宽
10、光接收机作用：是将光纤传输后的幅度被衰减、波形产生畸变的、微弱的光信号变换为电信号，并对电信号进行放大、整形、再生后，再生成与发送端相同的电信号，输入到电接收端机，并且用自动增益控制电路（AGC）保证稳定的输出。组成：光接收机中的关键器件是半导体光检测器，它和接收机中的前置放大器合称光接收机前端。前端性能是决定光接收机的主要因素。3 强度调制直接检波（IM-DD）3.1 IM-DD概念IM-DD是强度调制直接检测的简称,顾名思义,IM-DD系统是发送端用信号调制光载波的强度,接收端用检测器直接检测光信号的一种系统。或者更具体的说，是在光发送机中直接用准备传输的电信号去调制光源的某个参数，即用准
11、备传输的电信号去直接调制半导体光源的工作电流，从而实现去光强度的调制。在接收机中，直接将光信号变换为电信号，然后将其放大，判决恢复原信号。3.2 IM-DD系统构成原理IM强度调制是用电信号去调制光载波的强度，实现时有两种方式，即外调制和内调制。内调制适合于半导体光源，如LD,LED，它将要传送的信息转变为电流信号注人光源。获得相应的光信号输出，输出光波电场幅位的平方与调制信号成比例。这种内调制方法的强度调制主要是由半导体光源LD, LED的P-I特性决定。光源的输出光功举基本上与注入电流成正比，而注入电流代表了要传送的信息，因此这种强度调制确实采用了内调制方式，而且调制电流转化为光频调制是一
12、种线性调制。按调制信号的形式，内调制又可分为模拟调制和数字调制两种。模拟信号调制是直接用连续的模拟信号(如语音和视频信号)对光源进行调制，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，可以减小光信号的非线性失真。数字信号调制主要是指PCM编码调制，先将连续变化的模拟信号通过抽样、量化和编码，转换成一组二进制脉冲代码，用矩形脉冲的有(“1”码)、无(“0”码)来表示信号。3.3 IM-DD光接收机工作流程方框图如下图所示，主要包括光电检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟恢复电路、取样判决器以及自动增益控制（AGC）电路等。图3-1 IM-DD光接收机工作流程方框图3.4
13、IM-DD光发送通道 要发送的电信号经数字化处理后进人输人电接口，在这里进行电平规格化、扰码等处理，然后进人编码电路。在编码器中，将信号进行线路编码，把电信号变换为适合光信号传输的线路码型(如5B6B, 8B1C编码)，然后用此编码信号去驱动光源驱动电路。驱动电路为光源提供驱动电流，此驱动电流分为预偏置电流和信号调制电流两部分。预偏置电流的设置目的是提高光源的工作速度，另外还可以增加光源输出光功率的稳定性，由监测电路检测输出光功率，以此自动调整预偏置电流,从而稳定输出光功率。信号调制电流用以将要传输的电信号载人发射的光载波，从而实现光强度调制.3.4 IM-DD系统特点由于内调制方式本质上是电
14、领域的调制方式，所以受电调制速率的限制，当光纤通信向着大容量高速化方向发展时，则需要采用外调制。简单地说，外调制是在光源外对光源发出的光载波进行调制。具体说来，外调制是利用晶体的电光、磁光和声光效应等性质对光辐射进行调制，即在光辐射产生后在加载调制信号，其具体方法是激光器输出端外的光路上放置光调制器，在调制器上加调制电压，使通过调制器的光载波得到调制，它既适合于半导体激光器，也适合于其他类型的光源。外调制可采用铌酸锂调制器、电吸收调制器( EAM)和曾德尔干涉型调制器(MZ-M)实现。由于外调制是对光载波进行调制，改变它的可探测性质，所以外调制可以是对强度、相位、偏振和波长等的调制。这里说的采
15、用外调制的强度调制即是以光强度作为调制对象，一般用在高速大容量系统中，如孤子系统、相干系统。所以一般说来IM-DD系统中的强度调制指采用内调制方式的强度调制。因此，下面的IM-DD系统中光发送机的IM都是指采用内调制方式的强度调制。 仅有光源的信息调制，并不能有效地把信号送上光纤线路，这是因为所有的半导体光源LD, LED都有自己的特性，只有满足了光源的工作条件，才能有效地完成信息调制。因此，一个光发送机除了信息调制部分外，还应有相应的辅助部分进行恰到好处的控制。LED不仅P-I曲线的线性好，而且对温度、环境并不敏感，也不易发生老化现象，因此不需外加温控电路和功控电路即可进行有效的调制，。所以
16、采用LED的光发送机相对简单，只需有相应的驱动电路即可。与LED相比，LD的工作特性有很大的不同，因此采用LD的光发送机要复杂一些。3.5 IM-DD系统应用及相关参数IM-DD系统技术相对简单、成熟，一直是主要应用的传输系统，在将来的很长一段时间内，仍然得到广泛的应用。按目前的应用情况来看，它主要有三种应用: 点到点传输应用;广播与分配网应用;局域网应用。3.5.1点到点传输 点到点传输构成了光波系统的最简单形式，称为链路，其作用是将可用电信号形式代 表的信息从一个地方传送到另一个地方。根据不同的应用，传输长度可从小于1 km到数千千米间变化。例如.在同一建筑物内或两建筑物间连接计算机与终端的数据链路，其传输距离较短(小于
