1 光端机的基本概念
（1） 光端机的功能
光端机是位于电端机和光纤之间不可缺少的设备。光端机包含发送和接收两大单元。其中，发送单元将电端机发出的电信号转换成符合一定要求的光信号后，送至光纤传输；接收单元将光纤传送过来的光信号转换成电信号后，送至电端机处理。光端机在光纤通信系统中的部位图如下：
（2）光端机基本框图
各部分功能的介绍如下：
2 光发送电路
其中发光器件使用激光二极管（LD)或发光二极管（LED)，驱动电路起调制作用，分为内调制和外调制。
起主要性能指标如下：
（1）激光二极管（LD)
LD的工作原理：
1）半导体材料的能级结构
半导体材料中的电子处于分立能级上，高能级称为导带、低能级称为价带，高、低能级之间称为禁带。则禁带宽度（称为带隙）为：
2）半导体材料中电子能态的变化
① 自发辐射
无外界作用时，电子可以从高能级自动跃迁到低能级，释放的能量转换为光子辐射出去 。自发辐射发出的光子彼此不相干（即传播方向、相位和偏振不同），称为非相干光。
② 受激辐射
在外来入射光的作用下，电子可以从高能级受激跃迁到低能级，释放的能量也是转换为光子辐射出去 。受激辐射发出的光子彼此相干（即其传播方向、频率、相位、偏振都与外来光子相同），称为相干光。激光二极管输出的就是这种相干光。
③ 受激吸收
在外来入射光的作用下，低能级上的电子可以吸收入射光子的能量而跃迁到高能级上 。
在热平衡状态下，半导体材料中同时并存以上三种物理过程，其中自发辐射的概率远大于受激辐射的概率，并且受激辐射的概率与导带上的电子总数NC成正比，受激吸收的概率与价带上的电子总数NV成正比。所以，若要受激辐射占有主导地位，就必须使导带上的电子总数NC 远大于价带上的电子总数NV ，这称为粒子数反转状态。
3）PN结的能带和电子分布
在热平衡状态下，能量为E的能级被一个电子占据的概率遵循费米（Fermi）分布，即：
4）电激励
电激励的作用是使半导体PN结产生一个增益区，使其中的导带电子数远大于价带电子数，形成粒子数反转状态，成为光放大的媒质。
5）光学谐振腔
前、后镜面之间夹有处于粒子数反转状态的PN结半导体材料，构成了光学谐振腔。其作用是使轴向（垂直于镜面方向）运动的光子在腔内来回多次反射形成光振荡，并激励已处于粒子数反转的半导体材料，不断地产生受激辐射，使放出的光子数目雪崩式地增加。称为光的正反馈。
6）LD的类型结构：
同质结LD： 由同一种半导体材料经不同掺杂构成单层PN结，称为同质结LD。
异质结LD：由不同的半导体材料经掺杂构成单层PN结或多层PN结。前者称为单异质结LD，后者称为多异质结LD。
量子阱LD：量子阱LD是由两种不同半导体的薄层材料交替堆叠构成的，其中一种是宽带隙半导体材料（如GaAlAs），另一种是窄带隙半导体材料（如GaAs）。夹在两层宽带隙半导体材料之间的窄带隙半导体材料起着载流子（电子和空穴）陷阱的作用，称为量子阱，构成有源层。量子阱LD可分为单量子阱、多量子阱以及其他结构量子阱。同质结LD、异质结LD和量子阱LD统称为法布里-珀罗激光器(FPL) 。特点为：谐振腔是平行端面反射型 ；边发光，发光波长为0.85 m,1.31m或1.55m等；属于多模LD 。
7）LD的调制特性
目前实用的光纤数字通信系统，是利用输入电脉冲信号来直接改变LD的注入电流，从而调制LD的输出光功率，以获得输出光脉冲信号。
实用中，常使用可调制频率这个指标来反映LD器件的调制性能。所谓可调制频率，是指在无误码情况下LD输入电脉冲序列中相邻码元最小允许间隔时间的倒数，数值上等于码元最大允许速率。影响LD调制性能的有以下一些失真现象，需要采取相应的措施来尽量消除。
1）电光延迟：LD输出光脉冲相对于注入电脉冲有一个纳秒数量级的时间延迟，称为电光延迟时间。可以通过对LD加直流预偏置电流，使有源区电子浓度预先达到一定的起始值来减小电光延迟时间。
2）码型效应：两个相邻的波形相同的电脉冲调制LD时输出两个光脉冲，会出现电光延迟时间不相同、光脉冲幅度不相等的现象，称为码型效应。可通过将LD偏置在Ith 附近的方法来消除码型效应。
3）弛豫振荡：LD输出光脉冲的前沿平顶出现初始过冲的衰减振荡，称为弛豫振荡。适当地加大直流预偏置电流有利于抑制弛豫振荡。
（2）发光二极管（LED）
基本结构：发光二极管有PN结（同质或异质结），无光学谐振腔，不一定需要粒子数反转。所以，LED只能发出自发辐射光。按照光输出位置的不同，LED分为面发光二极管和边发光二极管。
基本特点：
1）I-V 特性
LED工作在正向偏置条件下，有1 V左右的导通电压和小的导通电阻。
2）P-I 特性
在低注入电流范围内其线性程度比LD好，且不存在Ith。故LED适合用在光纤模拟通信系统中。
LED光功率的温度稳定性比LD好，其功率温度系数约为–1%/℃（称为负温度系数）。LED的输出光功率最大可达几个mW。
3）光谱特性
LED发出非相干光，其光谱比LD宽。
4）调制特性
LED的可调制频率比LD低。其中，面发光型LED的可调制频率仅为几十MHz，边发光型LED的可调制频率可达200MHz。
(3)驱动电路
用输入电信号来调制发光器件的正向注入电流，从而调制发出的光强，完成电信息向光信息的转换。这种驱动方式称为直接光强度调制。
LD驱动原理示意图：
这是单管集电极型LD驱动电路：
这是射极耦合电流开关型LED驱动电路：
（3）自动功率控制（APC）电路
(4) 自动温度控制电路（ATC）
这是半导体致冷型ATC电路：
3 输入电路
输入电路是介于电端机和光发送电路之间的电路单元，是上游光端机的重要组成部分。输入电路由输入接口和码型变换两个部分组成。
（1）输入接口码型
由电端机经电缆输送给光端机输入电路的PCM电信号的码型，称为输入接口码型。
ITU-T有如下规定：
（2）HDB3码
① HDB3码的构造方法
第一步：将已知的二进制信号中出现的四连“0”码，可先用“000V”代替，然后再用下述取代节来代替：
其中，B表示符合极性交替规则的传号，V表示违反极性交替规则的传号 。
第二步：将二进制信号中的“1”码和取代节中的B脉冲，依据极性交替规则，依次用B+（即正极性B脉冲）、B－（即负极性B脉冲）归零脉冲来代替。
第三步：将取代节中的V脉冲，依据极性交替的规则，分别用V+（即正极性V脉冲）、V－（即负极性V脉冲）归零脉冲来代替。
② HDB3码的特点
从HDB3码的全部码字来看，V脉冲违反极性交替规则。据此，接收端很容易从HDB3码码流中去掉相应的取代节，恢复四连“0”。
B脉冲和V脉冲分别符合极性交替规则，两相邻V脉冲之间的B+和B-的总个数为奇数。
HDB3码的最长连“0”码数为3。
线路中出现单个误码，将影响B, V脉冲的极性规律，或者使连“0”码数超过最大许可值3。据此，可作为差错检测。
（3）CMI码
CMI码是二元不归零码，可以作为输入接口码及光纤线路码。
① CMI码的构造方法：
将二进制信号中的“1”码交替用“11”和“00” 来替代，“0”码固定用“01” 来替代。
② CMI码的特点
有较多的电平跃变。
最长连码数为3，据此可用来检测差错。
从两位码元来看，“10”为禁用码组，可用来检测差错。
(4）字变换码：mBnB码（n＞m）
② mBnB码的特点
电平跃变增多，最长连“0”数少，便于提取定时信息和恢复基线。
禁字码可供差错检测使用。
引入了一定的冗余码，但这些冗余码的比特值都是固定的，不能用来传送辅助信息。
(5)mB1H码（光纤通信中使用较多）
将输入二进制码每m比特分为一组，在每组时间宽度内，按照一定的要求分别插入补码C、帧码F、公务（电话信道）码Sc、监控码M、数据码D和区间通信码S等（这些码统称为H码），即构成mB1H码。mB1H码速率是原来二进制码速率的(m+1)/m倍。
4 HDB3码输入电路
HDB3码输入电路主要组成单元的功能：
1）均衡放大
将来自电端机的遭到衰减和畸变的PCM信号（双极性HDB3码）进行频率补偿和放大，输出两路互为反相的信号。
2）双/单极性变换
将均衡放大输出的两路互为反相的信号分别经过与非门进行幅度判决，转换成单极性的HDB3+ 和HDB3― 信号。
3）定时提取
产生时钟频率的正弦波信号，经整形后得到时钟脉冲序列CP。
4）定时判决
分别输出单极性NRZ+和NRZ―信号（含B, V脉冲）。
5）V脉冲检出
6）合路：得到NRZ+B+V输出信号。
7）B, V脉冲扣除
8）扰码：使码序列随机化，从而可以减少长连“0”和长连“1”数。
9）时钟频率变换：将定时提取电路输出的时钟脉冲序列CPL变换成光线路码时钟脉冲序列CPH，两者速率关系是：
5 CMI码输入电路
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