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第八章光发射机与光接收机内容摘要：1.光发射机的构成和功能由光源、驱动器和调制器组成。功能是将来自于电端机的信号对光源发出的光进行调制，再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。2.光接收机构成和功能由(光放大器)光检测器和放大电路组成。功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，经放大电路放大，送到接收端的电端机。本章重点：理解掌握光发射机、光接收机的功能、电路工作原理。一、光发射机应满足的技术要求(1)体积小，与光纤之间有较高的耦合效率；(2)发射的光波波长应位于光纤的三个低损耗窗口；(3)可以进行光强度调制；(4)可靠性高，要求它工作寿命长、工作稳定性好（功率、偏振、光谱、温度）；(5)发射的光功率足够高，以便可以传输较远的距离。第一节光发射机激光二极管发光二极管1．光功率较大，100mW——101mw光功率较小，仅1mw——2mW2．带宽大、调制速率高，102MHz——101GHz带宽小、调制速率低，101——102MHz。3．光束方向性强，发散度小。方向性差，发散度大。4．与光纤的耦合效率高，可达80％以上。与光纤的耦合效率低，仅百分之几。5．光谱较窄。光谱较宽。6．制造工艺难度大，成本高。制造工艺难度小，成本低。7．在要求光功率较稳定时，需要APC和ATC。可在较宽的温度范围内正常工作。8．输出特性曲线的线性度较好。在大电流下易饱和。9．有模式噪声。无模式噪声。10．可靠性一般。可靠性较好。11．工作寿命短。工作寿命长。光源发光的波长、通信容量、模式以及通信距离四者之间的定性关系:二、光发送原理在光纤通信系统中，由于信息由LED和LD发出的光波携带，因此光发射机主要有调制电路和控制电路组成。光发送系统说明:在数字通信中，输入电路将输入的PCM脉冲信号变换成NRZ码后，通过驱动电路调制光源(直接调制)，或送到光调制器调制光源输出的连续光波(外调制)，加载到光源上。对直接调制，驱动电路需给光源加一直流偏置；而外调制方式中光源的驱动为恒定电流，以保证光源输出连续光波。自动偏置和自动温度控制电路是为了稳定输出的平均光功率和工作温度。光发射机中还有报警电路，用以检测和报警光源的工作状态。----从本质上讲，光载波调制和无线电波载波调制一样，也即有调幅、调强、调频、调相、调偏等多种调制方式。但为了便于解调，在光频段多采用强度调制。----从调制方式与光源的关系上来分，强度调制的方法有两种：直接调制和外调制。直接调制——用电信号直接调制光源器件的偏置电流，使光源发出的光功率随信号而变化。优点是简单、经济、容易实现，但调制速率受载流子寿命及高速率下的性能退化的限制。外调制——基于电光、磁光、声光效应，让光源输出的连续光载波通过光调制器，光信号通过调制器实现对光载波的调制。需要调制器，结构复杂，但可获得优良的调制性能，特别适合高速率光通信系统。---三、光波的调制模拟调制和数字调制（按调制信号的形式来分）：1.模拟调制，分为两类：一类是利用模拟基带信号直接对光源进行调制；另一类采用连续或脉冲的射频波作副载波，模拟基带信号先对它进行调制，再用该已调制的副载波去调制光载波。模拟调制的调制速率较低，均使用直接调制方式。----2.数字调制,主要指PCM脉码调制。即先将连续的模拟信号进行抽样、量化、编码，转化成一组二进制脉冲代码，再对光信号进行通断调制。数字调制也可使用直接调制和外调制。模拟调制：连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上，选择适当直流偏置的大小，使静态工作点位于发光管特性曲线线性段的中点，可以减小光信号的非线性失真。调制线性的好坏取决于调制深度m。设调制电流幅值为ΔI，偏置电流为IB，则m定义为：(8-1)四．LED的直接调制原理数字调制：信号电流为单向二进制数字信号，用单向脉冲电流的“有”、“无”(“1”码和“0”码)控制发光管的发光与否。直接调制时，模拟系统或数字系统都是通过控制流经发光管电流的办法达到调制输出光功率的目的。但由于二者功率不同，对驱动与偏置电路也不同。1．LED的模拟驱动电路在模拟系统中，驱动电路提供一定的工作点偏置电流及足够的信号驱动电流，以使光源能够输出足够的功率。非线性失真必须低于-30dB～-50dB。但由于LED本身存在非线性失真，在高质量要求的信号传输中，还需要线性补偿电路。LED对温度不很敏感，因此一般不采用APC和ATC电路。五．光源的驱动电路锗二极管和电阻串联后与LED并联，在大电流时起分流作用，扩大驱动电流范围，提高LED的线性。图为一种简单而又具有高速特性的共发射极跨导式驱动器。将基极电压转变为集电极电流以驱动发光管。晶体管工作在甲类工作状态，调整基极偏置，使晶体管和发光管都偏置在各自的线性区。LED的数字驱动电路主要应用于二进制数字信号。驱动电路应能提供几十至几百毫安（mA）的“开”“关”电流。码速不高时，可以不加偏置；但在高码速时，需加小量的正向偏置电流，有利于保持二极管电容上的电荷。2．LED的数字驱动电路图8-6(a)为晶体管共射驱动电路，晶体管用作饱和开关，提供电流增益β，其两端的电压降较小，饱和压降Vcc≈0.3V。图(c)为发射极耦合开关式驱动电路，可传输300Mb／s以上的数字信号。晶体管Tl和T2是发射极耦合式开关，T3为恒流源。发光管的驱动电流由恒流源决定。这种电路类似线性差分放大器，实际作开关用。由于它超越了线性范围工作，输入端过激励时；仍没有达到饱和，所以开关速率更高。图(b)中的达林顿结构使电路得到2.5ns的光上升时间，可传输100Mb／s的数字信号。但发射极的负载不是纯电阻，电路发生振荡。RlCl并联串接于发射极电路，组成发射极跟随电路，提供电压阶跃，以补偿驱动电流开始时，对发光管电容充电所造成的光驱动电流的下降，从而使驱动器可工作在高码速情况下。由于LD通常用于高速系统，且是阈值器件，它的温度稳定性较差，与LED相比，其调制技术要复杂的多，驱动条件的选择、调制电路的形式和工艺，都对调制性能至关重要。为了保证LD有稳定的输出光功率、光谱、消光比，需要有各种辅助电路，例如功率控制电路、温控电路、限流保护电路和各种告警电路等。4.LD的驱动电路采用直接调制方式时，偏置电流的选择直接影响激光器的高速调制性质。选择直流预偏置电流应考虑以下几个方面：(1)加大直流偏置电流使其逼近阈值，可以大大减小电光延迟时间，同时使张弛振荡得到一定程度的抑制。偏置电流和调制电流的选择由图中可以看出，由于LD加了足够的预偏置电流，调制电流脉冲幅度较小；预偏置后张弛振荡大大减弱；谱线减少，光谱宽度变窄；电光延迟的减小。(2)太大的直流偏置会使激光器的消光比恶化。消光比——激光器在全l码时发送的光功率(P1)与全0码时发射的光功率(Po)之比，用dB表示为：光源的消光比将直接影响接收机的灵敏度。为保证一定的灵敏度，消光比一般应大于10dB。激光器的偏置电流IB过大，会使消光比恶化，降低接收机的灵敏度。通常取IB＝(0.85～0.90)Ith。驱动脉冲电流的峰-峰值ΔIm一般取Im十IB＝(1.2～1.3)Ith。激光器的直接调制电路有许多种，但概括起来有两类：一类是单管集电极驱动电路，另一类是射极耦合开关电路。图中，三极管的输出特性在放大区表现为恒流源，可以用集电极电流驱动光源。DT为驱动管，当电信号加在DT基极时，即可驱动集电极电路中的激光器，使之输出的光功率随信号的变化而变化。DT工作在开关状态。激光器的直接调制电路TTL开关式驱动电路下图中晶体管BG2和BG3为发射极耦合对，组成非饱和电流选择开关。当BG2基极电位高于BG3基极电位时，BG2导通，恒流源的驱动电流Im全部流过BG2，故流过LD的电流为零。反之，当BG2基极电位低于BG3基极电位时，BG3导通，所有驱动电流都通过LD。电流开关的转换过程由输入数字信号转换成ECL电平来控制，ECL电平l码时，输出为-1.8V，0码时，输出为十0.8V，经过BGl和D1电平移动后加到BG2基极，而BG3基极电平固定在-2.6V，它由温度补偿的参考电平Vbb经BG4和D2电平移动得到。Vbb＝-1.31V是l码和0码电平的中间值。选择适当的输入电压，使晶体管不驱动到饱和状态，就能起到快速开关作用，同时恒流源可使开关噪声很小。在使用中，LD结温的变化以及老化都会使Ith增大，量子效率下降，导致输出光脉冲的幅度发生变化。光功率自动控制有许多方法：一是自动跟踪偏置电流，使LD偏置在最佳状态；二是峰值功率和平均功率的自动控制；三是P-I曲线效率控制法等。最简的是通过直接检测光功率控制偏置电流。自动功率控制电路(APC)利用LD组件中的PIN光电二极管，监测LD背向输出光功率的大小。若功率小于某一额定值时，通过反馈电路后驱动电流增加，并达到额定输出功率值。反之，若光功率大于某一额定值，则使驱动电流减小，以保证LD输出功率基本上恒定不变。该PIN产生的信号与直流参考比较后送到放大器的同相端，直流参考通过调节Rl控制预偏置电流IB。调节R2使再生信号与PIN输出取得平衡，使IB保持恒定。当输出光功率产生变化时，平衡破坏，反馈偏置电路将自动调整IB，使输出功率恢复到原来的值，电路又恢复平衡状态。IB图8-13的原理：控制LD偏置电流——保持输出光脉冲幅度的恒定。在运放的输入端，再生信号由输入信号再生处理后得到，它固定在0V～-lV间。LD组件中PIN管接收LD的背面输出光，它受到与正面输出光同样的温度及老化影响，从而可用来反馈控制LD输出光功率。该PIN产生的信号与直流参考比较后送到放大器的同相端，直流参考通过调节Rl控制预偏置电流IB。调节R2使再生信号与PIN输出取得平衡，使IB保持恒定。当输出光功率产生变化时，平衡破坏，反馈偏置电路将自动调整IB，使输出功率恢复到原来的值，电路又恢复平衡状态。R3Cl构成LD的慢启动网络，开启电源或有突发的电冲击时，由于电路的时间常数很大(～lms)，IB只能慢慢增大。前面的控制电路首先进入稳定控制状态，然后IB缓慢增大，保护LD免受冲击。温度变化引起LD输出光功率的变化，虽然可以通过APC电路进行调节，使输出光功率恢复正常值。但是，如果环境温度升高较多，经APC调节后，IB增大较多，则LD的结温因此也升高很多，致使Ith继续增大，造成恶性循环，从而影响了LD的使用寿命。自动温度控制电路(ATC)因此，为保证激光器长期稳定工作，必须采用自动温度控制电路(ATC)使激光器的工作温度始终保持在20摄氏度左右。LD的温度控制由微型制冷器、热敏元件及控制电路组成，如图所示。图8-17是温度控制电路，LD组件中的热敏电阻具有负温度系数，在20℃时阻值Rt＝10kΩ～12kΩ，ΔRt／ΔT≈-0．5／℃。它与Rl，R2，R3组成桥式电路，其输出电压加到差分放大器的同相和反相输入端，在某温度下，电桥达到平衡。LD温度升高时，Rt下降，BGl正向导通，通过制冷器Rc的电流Ic加大，使LD的温度下降。RtT↑→Rt(电压下降)↓→差分放大器输入端压降↑→差分放大器输出电压↑→Ic↑→T↓微制冷器多采用半导体制冷器。它是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。当直流电流通过两种半导体组成的电偶时，出现一端吸热另一端放热的现象，这种现象称为珀尔帖效应。微型半导体制冷器的温差可以达到30℃～40℃。吸热放热不论内制冷还是外制冷半导体制冷器都是非常重要的。图8-16为半导体制冷器的结构示意图。图中(a)为单个热电偶的结构简图，(b)为热电偶组件，它是由多个热电偶按电学上串联、热学上并联的方式组成的。单个热电偶是由P型和N型掺杂的半导体组成，它被焊接在铜连接片上，并用陶瓷面板将铜连接片与外表面电绝缘。当未接外电路时，跨越它两端形成的温度差使它的两端产生一与温度差成比例的电位差。此时将其与外电路的负载连接起来，将产生电流，从而输出电功率，这就是一个热电偶器件。将热电偶与直流电源相连，如图(a)所示，直流电流通过热电偶将产生珀尔帖效应，在它的一端吸收热量，与之相连的物体将被冷却；另一端排放热量，将散热器与之接触，该热电偶起