光再生中繼器

光再生中繼器是一種用來接收光數字信號並能按規定要求再生光數字信號的光纖中繼器，在設計光再生中繼器時應該要滿足性能穩定、可靠性高、工作壽命長、功能完善、維護方便、成本合理。

在長途光纖通信線路中，為了使發送出去的脈衝在接收端能夠正確的被判決，應當在適當的傳輸間隔內設置再生中繼器。傳統數字光纖通信中的再生中繼器是光電檢測器、放大器（包括前置放大和主放大）、均衡器、判決再生電路、光源與驅動電路、APC和AGC電路等組成的所謂光/電/光中繼器，其基本功能是均衡放大、時鐘提取和識別再生。取這三個功能的英文字頭，統稱為“3R”功能。把因衰減和失真而惡化的脈衝放大到能夠判決的程度的過程稱為均衡放大；把設定判決時刻的過程稱為時鐘提取；把測定波形的幅度，並當其值超過某判決電平時就產生脈衝的過程稱為識別再生。經再生後的輸出脈衝，完全消除了附加的噪聲和畸變，即使在線路中由多個中繼器組成的系統中，再生和畸變也不會積累，這就是數字通信長距離傳輸時的優點。另外，一種直接可對光信號進行放大的摻鉺光纖放大器（EDFA）已廣泛應用在WDM系統中，它可以作為IR繼中器（僅放大）來代替上述再生中繼器構成全光通信系統；或應用在超長距離、高速光通信系統中，並可與傳統3R中繼器構成混合中繼方式，簡化系統結構，降低成本 ^[1]  。

在光纖傳輸線路上，除有光纜外，還有線路的中間設備，即光再生中繼器。由於光纖的固有吸收和散射，會造成光能量的衰減。同時光纖在模式、材料和結構上的色散，會使信號脈衝產生展寬畸變，從而增加傳輸線路的噪聲和誤碼，使信息傳輸質量降低、距離縮短。因而在長距離光纖傳輸系統中，每隔一定距離需設置一個再生中繼器 ^[2]  。

光再生中繼器的功能是補償光能的衰減，恢復信號脈衝的形狀。採用光-電-光的轉換方式，即先將接收光纖的已衰減光信號用光電檢測器接收，經放大和定時再恢復原來數字電信號，再對光源進行驅動，產生光信號送入光纖 ^[2]  。

光端機是產生和發送光波、檢測和接收光波的設備，由光發送機和光接收機組成，其主要作用是進行電/光及光/電的轉換，還包括一些信號變換和處理電路以及為使系統穩定工作而設的自動控制電路和監測電路。光再生中繼器除了沒有接口設備和碼型變換以及控制設備以外，其他部件與光端機相同。

1.光發送機的作用

光發送機的作用是將電信號轉換為光信號，將光信號射入光纖。其核心器件是將電信號轉換為光信號的器件：發光二極管（LED）和激光二極管（LD） ^[3]  。

2.對發送機的要求是：

（1）有合適的輸出光功率。光發送機的輸出功率是指耦合進光纖的功率，又稱為入纖功率。光源應有合適的光功率輸出，一般為0.01~5mW ^[3]  。

（2）有較好的消光比（EXT）。消光比的定義為全“1”碼平均發送光功率與全“0”碼平均發送光功率之比。一般要求EXT不小於10dB ^[3]  。

（3）調製特性好，所謂調製特性是指待傳輸的電信號與光功率之間有較好的線性關係。即光源的P-I曲線在使用的範圍內線性特性好，否則在調製後將產生非線性失真 ^[3]  。

除此之外，還要求電路簡單、成本低、穩定性好和光源的壽命長等 ^[3]  。

3.光發送機的構成

數字光發送機的基本組成包括：均衡放大、複用、擾碼、時鐘提取、光源及光源的調製電路、光源的控制電路（ATC和APC）、光源的監測和保護電路等 ^[3]  。

（1）均衡放大：來自電端機的信號首先經過均衡放大電路，簡稱均放。其作用是補償由電纜傳輸所造成的衰減和畸變。

（2）複用（又稱為復接）：將多個低速信號複用到一個高速通道上傳輸，並加入開銷消息，以提高信道的利用率和對設備的監控和管理。複用的方式有PDH準同步數字體系和SDH同步數字體系。

（3）擾碼：有規律地破壞長連“0”和長連“1”的碼流，使信號達到“0”、“1”等概率出現，利於時鐘提取。

（4）時鐘提取提取數字碼流中的時鐘信號，供給其他電路使用。

（5）調製（驅動）電路：完成電/光轉換。經過擾碼後的數字信號對光源進行調製。使光源發出的光信號隨電信號碼流變化，形成相應的光脈衝送入光纖。依據光源不同調制電路的結構和原理不同。它是發送機的核心電路。

（6）光源：產生作為光載波的信號。用於光纖通信的光源主要是發光二極管（LED）和半導體激光器（LD）。

（7）温度控制和功率控制：LD器件對温度比較敏感，温度和老化的作用使輸出光功率發生變化，影響了光通信的質量，因此，設有自動温度控制電路（ATC）和自動功率控制電路（APC），穩定LD的工作温度和輸出的平均光功率。

（8）其它保護、監測電路：用於對光源的保護與維修的電路。如光源過流保護電路、無光告警電路、LD偏流（壽命）告警電路等 ^[3]  。

按照調製信號的形式，光調製可分為兩大類：模擬調製和數字調製。模擬調製又有兩類：一類是用模擬基帶信號對光源進行強度調製；另一類是採用連續或脈衝的射頻波作為副載波，模擬基帶信號先對它的幅度、頻率或相位等進行調製，再用該受調製的副載波對光源進行強度調製。按照調製方式與光源的關係來分，光調製又可分為直接調製和間接調製兩種。

（1）直接調製

直接調製就是將電信號直接注入光源，使其輸出的光載波信號的強度隨調製信號的變化而變化，即直接調製半導體激光器的注入電流。直接調製是光纖通信中最常用的通信方式，又稱為內調製。直接調製方式原理簡單、實現方便，在光纖通信系統中得到最廣泛的應用。然而由於光源的發光及調製都集中在PN結區完成，使載流子和光子的作用關係變的更加複雜。調製的瞬態變化會影響到諧振腔的振盪性能，引起明顯的動態光譜展寬 ^[4]  。

（2）間接調製

間接調製是利用晶體的電光效應、磁光效應和聲光效應等性質來實現對激光輻射的調製。這種調製方式適應於各種類型的激光光源 ^[4]  。

間接調製與直接調製的本質區別在於光源的發光和調製功能是分離進行的，即在激光形成以後才加載調製信號，兩者只有光路的連接而沒有電路之間的互相影響，因此，不會因為調製而影響到激光器的工作 ^[4]  。

1.分類

光接收機分為模擬光接收機和數字光接收機兩種。模擬光接收機主要用於接收模擬信號，如光纖CATV信號。當前的通信系統大多采用數字信號，因而主要用的是數字光接收機 ^[5]  。

2.組成

光接收機可以分為以下三部分：

（1）光檢測器和前置放大器合起來稱為接收機前段；

（2）主放大器、均衡濾波器和自動增益控制組成的線性通道；

（3）判決器、譯碼器和時鐘恢復組成光接收機的時鐘提取與數據再生部分 ^[5]  。

關於光再生中繼器的結構要求視安裝地點而不同。

（1）安裝於機房的光再生中繼器在結構上應與機房原有的光傳輸設備配套。供電電源種類，引出線端子設置，設備工作環境要求也應統一 ^[2]  。

（2）埋設於地下人孔和架空線路上的無人維護光再生中繼器要求箱體密封、防水、防腐蝕等。光中繼器應有遠供接收設備、遙測、遙控等性能，還有能和有人維護站進行業務聯絡的功能。應能滿足無人維護的要求。

如果光再生中繼器在直埋狀態下，則要求更嚴格 ^[2]  。

現在，工程中應用的光再生中繼器採用集成結構的光收發模塊，並能監控納入網格管理系統，其結構簡單、維護方便 ^[2]  。