阮林波，张忠兵
（西北核技术研究所，陕西 西安710024）
摘要：文章主要介绍了利用单根光纤同时进行数据双向发送与接收功能的收发模块设计，它所能达到的最大传输速率为650Mbit/s，传输距离15 km.文
中给出了整个模块的设计过程及其测试结果.
关键词：双向传输；光发射；光接收
在现代社会中，光纤由于其在传输速率和容量上的优势，目前已成为通信网中不可替代的传输媒体.在最初的光纤传输系统中，进行数据传输时往往需
要两根光纤，一根用于发送数据而另一根用于接收数据.我们设计的单光纤双向模块，集发送数据的电光转换与接收数据的光电转换于一体，实现了发送与接收数据
同时在一根光纤上传输，可以在现有的基础上将传输容量增加一倍.
1 工作原理和结构
单根光纤传输双向数据，是指本地激光器发送的光信号与对端传输来的光信号同时在同一根光纤上传输.要实现这一功能，就必须将半导体激光器（LD
）和光电转换器（PIN）在光路上合为一体，同时保证发射光与接收光互不干扰.我们利用波分复用技术将激光器和光电换器集成到一起，实现了单纤双向通信.图1
是这种双向激光器的结构示意图.
在它的内部，激光二极管所在平面和光电二极管所在平面互相垂直，在两个平面之间安置了一个半透明的分光镜.激光器(LD)产生的光可以透过分光镜
耦合到光纤上输出.而从光纤上接收到的对端光信号经分光镜反射到接收光电二极管，产生电流输出.发射光与接收光互不干扰，从而实现了内部光路的分离.
2 双向模块电路设计
2.1光发射电路设计
光发射电路是将数据信号转变为光信号送入光纤进行传输.它主要包括信号的调制、静态工作点调节和自动功率控制（APC）等子电路.图2是它的工作
原理图.
数据通信中的数据信号通常是电压信号，而驱动LD需要电流信号，因而需要将电压信号调制成电流信号输出，这通常利用三级管的开关特性来实现.为
了使激光器正常工作，还必须在它静态工作时加上一偏置电流，如果缺少这一环节，激光器将工作在荧光区，此时输出的功率将很小，信号将严重失真，调整激光
器的静态电流保证数据的正常输出至关重要.
LD输出光功率很容易受到温度和激光器老化的影响，为了获得稳定的光功率，APC是必不可少的.在模块中LD的同一基片上有背向光电探测器PIN，用来
监测LD的光功率，通过它的光反馈自动调节偏置电流，可保持输出的光功率稳定.同时当光信号低于一定阈值时告警电路将发出指示.
2.2光接收电路设计
光接收电路的功能是将光纤传输中的微弱光信号转变为电信号.它主要由前放、后放以及判决电路组成(见图3).
从光电转换器PIN获得的电信号十分微弱，通常为μA或nA量级，我们采用跨阻型放大器作为前置放大器将电流信号转变为电压信号.由于跨阻型放大器
适用于宽带光传输，所以它有较大的动态范围，一般不需要附加均衡器 ,而且有良好的噪声特性.整个模块的接收灵敏度也主要由跨阻放大器的噪声系数决定，它满
足以下关系：
式中，P表示最小接收光功率；h为普朗克(Plank)常数；c为光速；λ为光波波长；B为工作带宽；Z为前置放大器噪声系数.
由于前置放大器受放大倍数的限制，输出信号的幅度往往较小，不能满足判决电路的输入要求，因而需要再进行放大.后放电路只要满足一定放大倍数
和适合的带宽即可.判决电路是将不规则的后放信号进行电平判决，整形后输出标准的PECL信号.
2.3模块的结构设计
由于整个模块中将LD的发射部分和PIN的接收部分集成为一体.设计时要克服近端串扰问题，同时需对信号进行合理的布局.
近端串扰主要是光发射信号传输到远端的同时，通过某种途径影响到本地端的接收电路，产生了干扰.采取的措施是对光发射电路与光接收电路空间位
置进行隔离，多点分离接地，利用隔离的滤波网络供电，可以较好地解决近端串扰问题.另外在整个模块中既有大信号（TTL和ECL）又有μA级小信号，它的电路板
（PCB）设计将关系到整个系统的性能，我们采用多层板和微带电路的设计方法对信号线进行布局，较好地实现了微弱信号的电路设计.
3 系统性能测试
整个模块的主要测试项目包括误码率、接收灵敏度、动态范围和工作带宽.图4是进行综合测试的原理图.
利用TEK公司的误码测试仪TEKGB700，产生7位、15位或21位的伪随机码（NRZ）进行性能测试.在NRZ为215-1 PRBS，误码率（BER）＝1×10-12下模块
的灵敏度为-15 dB.图5为带宽622 Mbit/s时用15位NRZ测试的发射和接收眼图.
4 结束语
本双向数据光纤传输模块很好地实现了单根光纤的数据发送和接收，它的性能指标能满足传输距离为15 km的光纤通信的要求.可以用于局域网和数据
通信的光纤传输网络，节省现有设备资源.
参考文献
［1］赵梓森.光纤通信工程（修订本）[M].北京：人民邮电出版社，1994.
［2］江涛，唐储飞. 小型化光发射模块 [J]. 半导体光电，2000(4):2023.
［3］缪庆元，黄德修.SDH光接收模块及其接口电路的高速板设计 [J].光通信研究，1999(2):1518.[LM]
摘自 光通信研究
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