光有源器件的原理与应用详解

光有源器件主要包括光发射机、光接收机、光放大器、光工作站等。

1.光发射机

光发射机的任务是将前端送来的高频电视信号转变为光信号，使之能在光纤中传输。光发射机又分直接调制光发射机与外调制光发射机。

（1）直接调制光发射机。直接调制光发射机主要由高频激励电路、调制电路和激光输出电路组成。DFB（分布反馈式激光器）直接调制光发射机电路原理框图如图3-11所示。

图3-11 DFB直接调制光发射机电路原理框图

其主要工作过程如下：从前端输入的高频电视信号经过两级放大、一级电调衰减器、一级预失真补偿电路（均衡）处理后，再经过调开关后，对DFB激光器的偏流进行电—光调制，使其光输出强度随着射频信号强度的变化而变化。从末级放大器输出端还分出一部分信号经直流放大去控制由PIN二极管组成的电调衰减器，实现自动增益控制（AGC）。

调制后光信号经过光隔离器、光耦合器、光活动接头送入光缆。由于其调制器的非线性限制了光发送机的输出功率，为了在适当的非线性失真指标下，尽量提高输出光功率，设置了预失真电路对调制器的非线性进行补偿；为了使激光器稳定地工作，在输出电路，设置了双向自动温度控制ATC电路（可使芯片工作在20℃±0.5℃）和APC电路。除此之外，为了便于使用，设置了过调、射频、偏流、致冷电流和光功率监测电路。

电路中设置光隔离器的作用是为了避免从光纤反射的光再返回激光器；光耦合器的作用则是将激光器发出的水平张角小、竖直张角大的椭圆光斑更易于进入光纤（耦合效率可达60%～90%）；导频发生器产生控制光接收机输出的电平和反向传输的基准信号，导频频率多为10.7MHz。目前生产的光发送机均采用微处理器进行编程控制，通过面板显示、调整和控制其输出功率、调制度、温度、偏流、致冷电流、工作电压等。

直接调制光发射机按工作波长不同，分为1310nm波长光发射机和1550nm波长光发射机，其外形如图3-12、图3-13所示。在1550nm近距离传输中，1550nm直调光发射机是完全可以替代昂贵的外调制光发射机，它采用了SBS抑制技术和光谱整形技术，具有较高的SBS阈值和CTB、CSO指标。同时结构简单、成本低、可靠性高。

图3-13 1550nm波长直接调制光发射机

（2）外调制光发射机。外调制光发射机将光的产生与光强度调制分别用两个器件来实现，首先产生一个稳定的等幅激光信号，然后再对这一光信号进行光强度调制。外调制AM-VBS光发射机由泵源激光产生、激光产生、电光调制及射频信号处理与线性化等部分组成。1550nm波长外调制光发射机如图3-14所示。

2.光接收机

光接收机是光纤传输的关键设备之一，也是使用较多的光设备。它的功能是接收来自光缆传输干线1550nm或1310nm波长的光信号，经过光—电转换、解调、放大等一系列“加工”变换过程，最后输出射频电视信号传输给用户分配网络。多数光接收机的输入光功率为+2～-3dBm，输出信号电平为97～102dBμV。光接收机的特有部件是光电转换器，其余部分与电缆干线放大器大同小异。光接收机又分单向光接收机和双向光接收机。

（1）单向光接收机。单向光接收机分室外型和室内型，室外型还分单路输出与多路输出。它主要由光电转换、放大电路、均衡网络、可变衰减电路以及电源电路组成，有的还预留回传发射模块、双工滤波器。常见单向光接收机的结构框图如图3-15所示，光接收机的外形如图3-16所示，光接收机的内部电路如图3-17所示。

图3-14 1550nm外调制波长光发射机

图3-15 常见单向光接收机的结构框图

图3-16 常见单向光接收机的外形图

从图3-15可以看出二端口光接收机主要由光接收组件、光功率指示、前级放大、后级功率放大、频响校正器、增益调节与均衡调节器等组成，采用上述结构的不同品牌光接收机，其主要差别在整机的工艺水平、各功能组件的布局安排，任何一台二端口光接收机都能找到上述各功能组件。

光接收组件是光接收机的核心器件，它将光探测器、低噪声前置放大器与光功率检测单元集成在一起。

（2）双向光接收机。双向光接收机与单向光接收机比较，主要增加有双向滤波器与回传光发射模块，其结构框图如图3-18所示，户外型双向光接收机的外形如图3-19，家庭用双向光接收机如图3-20所示。

图3-17 常见单向光接收机的内部电路

图3-18 双向光接收机结构框图

目前市场上的光接收机基本都是双向光接收机，但由于我国双向网还没有普及，双向光接收机内的双向滤波器都采用短路板代替，实现下行信号的直通、回传通道预留功能，双向滤波器的指标对光接收机的影响较大，它不仅要有良好的平坦度、反射损耗指标，还要有极小的插损，不同厂家的双向滤波器的插损有较大差异，插损过大将浪费光接收机的增益。

双向光接收机的回传组件一般包括回传功能放大、回传增益均衡调节及回传光发射模块等，选购回传预留的双向光接收机，一定注意对回传功能提出要求，做到所选购的产品是真正的回传预留。回传光发射组件因回传功率的差异及回传数据或图像的不同，采用不同档次的回传激光器，目前可选的回传激光器主要有FP激光器、DFB激光器两种，FP激光器通常无致冷功能，输出功率很小；DFB激光器在输出功率小于4mW时也无致冷功能，而大于4mW时，因工作电流比较大，都有温控电路。为了保证回传光功率的稳定，回传光发射组件都对激光器设有自动功率控制电路。

（3）反向光接收机。反向光接收机是安装在有线电视系统前端，它的作用是接收来自用户终端光工作站发回数字调制光信号，经过光—电转换、解调、放大等变换过程，最后输出射频数字信号传输前端设备。

GX2-RX200B×2型双路反向光接收机的光接收波长为1270～1610nm，带宽为5～200MHz，射频输出电平高达52dBmV（112dBμV）。其内部结构框图如图3-21所示。

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图3-19 户外型双向光接收机的外形图

图3-20 家庭用双向光接收机的外形图

图3-21 GX2-RX200B×2型双路反向光接收机内部结构框图

GX2-RX200B×2型双路反向光接收机的每台接收器都具备两种运行模式：手动增益控制（MGC）和关闭，并能单独控制每台接收器的运行模式。还可借助业务数据单元（SDU）、本地计算机（PC）接口和网络管理系统，设置GX2-RX200B×2型双路反向光接收机的运行模式。

手动增益控制模式：手动增益控制可用于通过改变内部PIN衰减器，以0.5dB的步长，在20dB的范围内增加或减少射频输出功率。衰减器额定值保存在节点虚拟存储空间（NVM）中，可在电源关断/接通或初始化序列完成之后恢复。

关闭模式：在关闭模式下，接收器的射频输出功率为最低，从而能够消除从上行接收器、发射机或机顶盒终端输出的信号。关闭模式还可用于禁用备用接收器的报警功能。

3.光放大器

光放大器是一种不用再生调制信号而直接放大光信号的设备。其实质是在泵浦光的作用下，用输入的光信号去激励已经实现粒子数反转的激活物质，得到强度增大的光。它与激光器的区别在于反馈量的不同，激光器反馈较强以实现光振荡，而光放大器反馈较小，要抑制光振荡。这一点非常类似电信号处理中放大器和振荡器的关系。

光放大器的基本原理是进行能量转换，利用激光物质将外界能量转化为光能量，实现对入射光信号的放大。光放大器主要有3种，即光纤放大器、喇曼光放大器和半导体激光放大器。光纤放大器就是在光纤中掺杂稀土离子（如铒、镨、铥等）作为激光活性物质。光纤放大器的优点是与光纤的连接性能好，光的偏振方向无相关性（与增益无关），可获得高的放大增益。光纤放大器有工作波长为1550nm的掺铒光纤放大器和工作波长为1310nm的掺镨光纤放大器两种。

目前实用的光纤放大器是使用掺铒（Er）元素作为激光介质。当泵浦光输入掺铒光纤时，高能级的电子经过各种碰撞后，发射出波长为1530～1560nm的荧光，这是一种自发辐射光。当波长在1550nm附近的某种信号光入射时，它会接收强输入（泵浦光）的能量，沿着掺铒光纤逐步增强，从而将该信号光放大，其原理如图3-22所示

图3-22 掺铒光纤放大器的放大原理图

当泵浦光输入掺镨（Pr）光纤时，输出光的波长为1310nm，这种光放大器虽已做过大量试验，但还没有进入实用阶段。

1550nm掺饵光纤放大器的外形如图3-23所示，拉曼/掺饵混合式光纤放大器的外形如图3-24所示，户外形1550nm掺饵光纤放大器的外形如图3-25所示。

图3-23 1550nm掺饵光纤放大器的外形

图3-24 拉曼/掺饵混合式光纤放大器的外形

4.光工作站

光工作站由光电转换模块、电放大模块、反向回传模块、网管模块、电源模块等部分组成。光工作站的核心部件是光电转换模块，其性能好坏直接关系到整机的指标优劣。在选择光工作站时要仔细确定机内所用光电转换模块的型号，常用光电转换器件有菲利浦BGE887BO、国产PT2609B、美国EO公司的PIN管等。电放大模块是将光电转换输出的下行射频信号进行放大后经输出端送入网络。多路高电平输出的光工作站下行通道采用每个端口单独由一块功率放大模块放大输出，有些节省成本的做法是由一块功率放大模块经分支分配器后多路输出。反向回传模块是将网络反向回传的上行信号汇总后经电光转换，由光纤反向回传至前端（或分前端）。网管模块对光工作站的输入光功率、上行及下行信号电平、工作电流等进行监控。电源模块是为整机提供工作电源的，按电源工作方式可分为线性电源、开关电源；按输入电源类型可分为交流220V和交流60V。

SG2000光工作站采用先进的砷化镓（GaAs）合成技术，光波长为1310（±20）～1550（±30）nm；最多可达3个光接收机，2个光发射机；有4个独立的射频输出，通过前端控制实现通道切换。正向（下行）带宽为85～860MHz，每一工作口的反向（上行）带宽为5～65MHz。其外形如图3-26所示，原理框图如图3-27所示。

图3-25 户外形1550nm掺饵光纤放大器的外形

图3-26 SG2000光工作站的外形图

图3-27 SG2000光工作站的原理框图

在使用中把光工作站的输入光功率控制在-2～-1dBmW之间。若光功率稍高，则用尾纤绕小圈的方法适当人为降低光功率。在使用时，先用无水酒精清洗尾纤端口，然后与法兰盘相连接。光工作站内设有光功率指示电路，用发光二极管指示光功率的大小。当光功率高时，发光管较亮；光功率低时，发光管变暗。

光工作站长期处于通电工作状态，特别是在夏季积温会很高，应把光工作站置于通风良好的环境中。如果把光工作站置于野外密封的箱体内，则箱体应有足够的通风措施，必要时可用小风扇进行排风，以确保散热效果。

由于光工作站内装有静电敏感器件，故整机的接地非常重要。接地好坏也关系到避雷效果。在每个光节点用长度为1.5m的接地金属棒，通过Φ10mm铜芯护套线与光工作站相连，其他需要入地的设备也接在该入地点上。