图4-10 改变光纤损耗系数系统性能眼图及Q值

由上图示随损耗系数的增加，系统眼图信号电压变小，失真程度变大，判决门限变低，系统对定时误差的敏感程度变差。由此可知在光纤类型一定，波长一定的情况下，系统性能随参数的增加而变差。但光纤损耗系数是对于选定的光纤来说是固定的，它只是光纤的一个具体参数，耗损只存在于选择光纤类型和传输波长。目前在三个损耗相对较低的窗口，即0.85?m、1.31?m、1.55?m，1.31?m处光纤损耗在0.3~0.4dB/km范围内，1.55?m处光纤损耗已低于0.2dB/km。

当系统参数同上不变时，当当光纤损耗为0.2dB/km时，改变如图4-11所示的色散系数Dispersion的值，观察光纤色散系数对系统性能的影响，如图4-12示。

图4-11 光纤参数的色散系数

图4-12 a)光纤色散系数为16.75

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图4-12 b)光纤色散系数为50

图4-12 c)光纤色散系数为100

图4-12 改变光纤色散系数系统性能眼图及Q值

由图4-12示随着色散系数的增加，系统眼图信号电压则会变小，失真程度会变大，判决门限变低，系统对定时误差的敏感程度变差。与光纤损耗相似，在光纤类型一定，波长一定的情况下，光纤色散系数也是固定的，这是光纤的一个具体参数。它和损耗系数一样都会影响光纤通信的系统性能，对其参数的选择实际是对光纤类型的选择。即选择同时满足这两方面的光纤类型。

4.2.4 光放大器对系统性能的影响

在光纤通信系统中，信号的传输是有一定距离限制的，这是因为光纤存在色散和损耗，而光放大器可以缓解这种弊端。

放大器最主要的参数之一是信号增益G，其定义为：

G?Ps.out (4-13) Ps.in17

等式中Ps,in和Ps,out放大的光信号输入功率和输出功率。

在光子能量为hv时，辐射强度与穿过发射激光腔的呈指数规律变化，可以得到激活介质中的单程增益为：

G?exp?gm-?L?exp?g?z?L? (4-14) 等式中，?是激光腔中的光限制因子，gm是材料增益系数，?是光路中材料的有效吸收系数，L是放大器长度，g（z）是单位长度上的总增益。由上式可以看出，放大器的增益随着其长度的增加而增加。然而，放大器的内部增益会受到增益饱和的限制。

图4.5示系统中信号在发射机、传输信道和放大器之后的脉冲波形如图4-13示。

????

图4-13 a) 发射机脉冲波形 图4-13 b) 传输信道的脉冲波形

图4-13 c) 放大器的脉冲波形

从图4-13(b)可以看出信号经过传输信道后，与图(a)相比信号能量衰减了，从图(c)可以得出，放大器的确放大了信号能量，但同时也放大了噪声能量。导致了在光接收机中除了光检测器的热噪声之外，还有三种不同的噪声成分。这是因为光电流中除了信号场和自发辐射场的平方之外，还包括信号和光噪声场之间的许多差拍信

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号。这些信号会影响光接收机的信噪比，所以要在光检测器之前放置一个光滤波器。

4.3 接收系统模型的建立

4.3.1 数字模型建立

光接收机的作用是把经光纤传输后幅度被衰减，波形被展宽的微弱光信号转换为电信号， 并处理放大，

恢复为原发射的数字序列。若要对接收机各组成部分进行分析、优化， 则每一部分须分别建模。

光检测器模块。光纤通信中最常用的光电检测器是光电二极管和雪崩二极管(PIN和APD)。APD比PIN有较高的灵敏度，但其倍增噪声较大，需要高偏置电压。对于APD模型，电流i(t)应写成：

i(t)?e?gll?1n?t (4-15)

式(4-15)中，g l 为在时间?t内产生的n个一次电子-空穴对倍增后所产生的二次电子空穴对数( 包括一次电子空穴对在内)，也是一个随机变量。APD的模型按式(1) 产生的随机数序列来模拟。

放大器模块。放大器包括前置放大器和主放大器两部分。前置放大器对接收机的性能起决定性的作用。主放大器主要用来提供高增益， 将前放的输出放大到适合于判决电路所需的电平。求出放大器的脉冲

传递函数，可得到输入、输出序列之间的关系，建立其模型。

均衡器模块。它的作用是补偿对经光纤传输、光电转换和放大后产生的失真的电信号，使输出的信号的波形适合于判决，以消除码间干扰。通常输出波形被均衡成升余弦频谱。对于均衡器优化设计，可按式( 6) 最后均衡成升余弦频谱，来导出均衡器传输函数：

H????Hcos(?) (4-16)

Hp(?)Hf???Ha???式中，H(?)是均衡网络的传递函数、Hcos (?)为升余弦频谱函数，Hp (?)、Hf (?)、Ha (?)分别是发送脉冲、光纤、放大器的频谱。

判决电路模块。判决电路由判决器和时钟恢复电路组成，其作用是将均衡输出的脉冲波形恢复为标准的数字脉冲信号。时钟恢复电路是把信号中的定时信号提取出来，使判决电路进行定时判决，判决由均衡器发来信号，最佳的判决时间应是升余弦的正负峰值，若输入信号大于判决门限的电平，则判为1!码，低于判决的电平，则判为0!码。在系统仿真中，判决电路视为电压比较器，满足如下关系：

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V（nT11,min0.max）?(Vout?Vout) n?1,3,5... (4-17) 221,min0,max其中，Vout为1 码对应的最小输出电平，Vout为0码对应的最大输出电平。

4.3.2 光电检测器与系统性能关系的仿真分析

光检测器的工作特性可以用工作参数来表示，这些参数最主要有响应度和量子效率、响应时间、暗电流等。

响应度和量子效率都是描述光电转换能力的物理量。响应度R0定义为

R0?IpP0A/W (4-18)

其中IP为光电检测器的输出电流， P0光电检测器的平均输入功率。 量子效率?定义为??光生电子-空穴对数 (4-19)

入射光子数响应度和量子效率虽然都是描述光电转换能力，但分析角度不同。PIN和APD的响应度与波长有关，Si-PIN和Si-APD的波长响应范围为600~1000nm，对检测0.85?m的光非常有效。Ge-PIN和Ge-APD范围为1000~1650nm，可以接收1310nm和1550nm的光信号。

响应时间表征光检测器对光信号变化响应速度的快慢。它受三个因素的影响：渡越时间?d，扩散时间?i和光电检测电路的上升时间?RC。总的上升时间为：

22????RC??d??i2?12 (4-20)

对于设计较好的光电检测器，Si-PIN上升时间?可达500ps以下，Ge-PIN上升时间?可达100ps以下。

暗电流：指在PIN规定的反向电压或者APD的90%击穿电压时，在无入射光的情况下期间内部的反向电压。由于它可以引起光接收机的噪声增大，所以越小越好。

在不同的系统中，PIN和APD有着不同的应用。为了提高光电检测器的响应速度和光电转换效率，设计出了PIN光电二极管，为使光电检测器有较大的输出电流，利用半导体的雪崩倍增效应制成了APD雪崩二极管。在图4-14示的系统中，设定传输速率为10Gb/s其他参数一定的情况下，比较了PIN和APD的性能。

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