光纤通信-第4章.

第4章光端机第4章光端机4.1光发射机4.2光接收机4.3线路编码第4章光端机4.1光发射机数字光发射机的功能是把电端机输出的数字基带电信号转换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路，电/光转换是用承载信息的数字电信号对光源进行调制来实现的。调制分为直接调制和外调制两种方式。受调制的光源特性参数有功率、幅度、频率和相位。外调制的原理如3.3.4小节所述，这里着重介绍在实际光纤通信系统得到广泛应用的直接光强(功率)调制。第4章光端机图4.1示出激光器(LD)和发光二极管(LED)直接光强数字调制原理，对LD施加了偏置电流Ib。由图可见，当激光器的驱动电流大于阈值电流Ith时，输出光功率P和驱动电流I基本上是线性关系，输出光功率和输入电流成正比，所以输出光信号反映输入电信号。第4章光端机图4.1直接光强数字调制原理(a)LED数字调制原理；(b)LD的数字调制原理第4章光端机4.1.1光发射机基本组成数字光发射机的方框图如图4.2所示，主要有光源和电路两部分。光源是实现电/光转换的关键器件，在很大程度上决定着光发射机的性能。电路的设计应以光源为依据，使输出光信号准确反映输入电信号。第4章光端机图4.2数字光发射机方框图第4章光端机1.光源对通信用光源的要求如下：(1)发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，即中心波长应在0.85μm、1.31μm和1.55μm附近。光谱单色性要好，即光谱宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。(2)电/光转换效率要高，即要求在足够低的驱动电流下，有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。发射光束的方向性要好，即远场的辐射角要小，以利于提高光源与光纤之间的耦合效率。(3)允许的调制速率要高或响应速度要快，以满足系统第4章光端机(4)器件应能在常温下以连续波方式工作，要求温度稳定性好，可靠性高，寿命长。(5)此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，以上各项中，调制速率、谱宽、输出光功率和光束方向性，直接影响光纤通信系统的传输容量和传输距离，是光源最重要的技术指标。目前，不同类型的半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)可以满足不同应用场合的要求。第4章光端机2.直接光强调制的数字光发射机主要电路有调制电路、控制电路和线路编码电路，采用激光器作光源时，还有偏置电路。对调制电路和控制电路的要求如下：(1)输出光脉冲的通断比(全“1”码平均光功率和全“0”码平均光功率的比值，或消光比的倒数)应大于10，以保证(2)输出光脉冲的宽度应远大于开通延迟(电光延迟)时间，光脉冲的上升时间、下降时间和开通延迟时间应足够短，以便在高速率调制下，输出的光脉冲能准确再现输入电脉冲的波形。第4章光端机(3)对激光器应施加足够的偏置电流，以便抑制在较高(4)应采用自动功率控制(APC)和自动温度控制(ATC)，以保证输出光功率有足够的稳定性。3.线路编码之所以必要，是因为电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码，而光源不能发射负脉冲，所以要变换为适合于光纤传输的单极性码，线路编码的其它原因见4.3节所述。第4章光端机4.1.2调制特性半导体激光器是光纤通信的理想光源，但在高速脉冲调制下，其瞬态特性仍会出现许多复杂现象，如常见的电光延迟、弛张振荡和自脉动现象。这种特性严重限制系统传输速率和通信质量，因此在电路的设计时要给予充分考虑。第4章光端机1.半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光脉冲瞬态响应波形如图4.3所示。输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，称为电光延迟时间td，其数量级一般为ns。当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡，称为弛张振荡，其振荡频率fr(=ωr/2π)一般为0.5～2GHz。这些特性与激光器有源区的电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命以及注入电流初始偏差量有关。第4章光端机图4.3光脉冲瞬态响应波形第4章光端机弛张振荡和电光延迟的后果是限制调制速率。当最高调制频率接近张弛振荡频率时，波形失真严重，会使光接收机在抽样判决时增加误码率，因此实际使用的最高调制频率应电光延迟要产生码型效应。当电光延迟时间td与数字调制的码元持续时间T/2为相同数量级时，会使“0”码过后的第一个“1”码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个“１”码丢失，这种现象称为“码型效应”。第4章光端机如图4.4，在两个接连出现的“1”码中，第一个脉冲到来前，有较长的连“0”码，由于电光延迟时间长和光脉冲上升时间的影响，因此脉冲变小。第二个脉冲到来时，由于第一个脉冲的电子复合尚未完全消失，有源区电子密度较高，因此电光延迟时间短，脉冲较大。“码型效应”的特点是，在脉冲序列中较长的连“0”码后出现的“1”码，其脉冲明显变小，而且连“0”码数目越多，调制速率越高，这种效应越明显。用适当的“过调制”补偿方法，可以消除码型效应，见图4.4(c)所示。第4章光端机图4.4(a)、(b)码型效应波形；(c)改善后波形第4章光端机为了进一步了解激光器的调制特性，应求出LD速率方程组的瞬态解。由此得到的弛张振荡频率ωr及其幅度衰减时间τo和电光延迟时间td的表达式为)1(1thphsprjjjjthspo2thspdlnjjjt(4.1)(4.3)(4.2)第4章光端机式中，τo是弛张振荡幅度衰减到初始值的1/e的时间，j和jth分别为注入电流密度和阈值电流密度。τsp和τph分别为电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命。在典型的激光器中，τsp≈10－9s，τph≈10－12s，即τspτph。由式(4.1)～式(4.3)可以看到：(1)弛张振荡频率ωr随τsp、τph的减小而增加，随j的增加而增加。这个振荡频率决定了LD的最高调制频率。第4章光端机(2)弛张振荡幅度衰减时间τo与τsp为相同数量级，并随j(3)电光延迟时间td与τsp为相同数量级，并随j的增加而减小(jjth)由此可见，增加注入电流j，有利于提高弛张振荡频率ωr，减小其幅度衰减时间τo，以及减小电光延迟时间td，因此对LD第4章光端机2.自脉动现象某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，当注入电流达到某个范围时，输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡，这种现象称为自脉动现象，如图4.5所示。自脉动频率可达2GHz，严重影响LD自脉动现象是激光器内部不均匀增益或不均匀吸收产生的，往往和LD的P-I曲线的非线性有关，自脉动发生的区域和P-I曲线扭折区域相对应。因此在选择激光器时应特别注第4章光端机图4.5激光器自脉动现象第4章光端机4.1.3调制电路和自动功率控制数字信号调制电路应采用电流开关电路，最常用的是差图4.6示出由三极管组成的共发射极驱动电路，这种简单的驱动电路主要用于以发光二极管LED作为光源的光发射机。数字信号Uin从三极管V的基极输入，通过集电极的电流驱动LED。数字信号“0”码和“1”码对应于V的截止和饱和状态，电流的大小根据对输出光信号幅度的要求确定。这种驱动电路适用于10Mb/s以下的低速率系统，更高速率系统第4章光端机图4.6共发射极驱动电路第4章光端机图4.7是常用的射极耦合驱动电路，适合于激光器系统使用。电流源为由V1和V2组成的差分开关电路，它提供了恒定的偏置电流。在V2基极上施加直流参考电压UB，V2集电极的电压取决于LD的正向电压，数字电信号Uin从V1基极输入。当信号为“0”码时，V1基极电位比UB高而抢先导通，V2截止，LD不发光；反之，当信号为“１”码时，V1基极电位比UB低，V2抢先导通，驱动LD发光。V1和V2处于轮流截止和非饱和导通状态，有利于提高调制速率。当三极管截止频率fr≥4.5GHz时，这种电路的调制速率可达300Mb/s。射极耦合电路为恒流源，电流噪声小，这种电路的缺点是动态范围小，功耗较大。第4章光端机图4.7射极耦合LD驱动电路第4章光端机激光器驱动电路的调制速率受电路所用电子器件性能的限制。采用激光器和驱动电路集成在一起的单片集成电路可以提高调制速率和改进光发射机的性能。目前，光电混合集成电路的1.5μm光发射机已能工作在5Gb/s，采用异质结双极晶体管的光发射机调制速率已达10Gb/s。第4章光端机由于温度变化和工作时间加长，LD的输出光功率会发生变化。为保证输出光功率的稳定，必须改进电路设计。图4.8是利用反馈电流使输出光功率稳定的LD驱动电路，其主体和图4.7相同，只是由V3支路为LD提供的偏置电流Ib受到激光器背向输出光平均功率和输入数字信号均值Uin的控制。把PD检测器的输出监测电压UPD、信号参考电压Uin和直流参考电压UR施加到运算放大器A1的反相输入端，经放大后，控制V3基极电压和偏置电流Ib，其控制过程如下：PLD→UPD→(UPD++UR)→UA1→Ib→PLDinU第4章光端机图4.8反馈稳定LD驱动电路第4章光端机在反馈电路中引入信号参考电压的目的，是使LD的偏置电流Ib不受码流中“0”码和“1”一个更加完善的自动功率控制(APC)电路如图4.9所示。从LD背向输出的光功率，经PD检测器检测、运算放大器A1放大后送到比较器A3的反相输入端。同时，输入信号参考电压和直流参考电压经A2比较放大后，送到A3的同相输入端。A3和V3组成直流恒流源调节LD的偏流，使输出光功率第4章光端机图4.9APC电路原理第4章光端机4.1.4温度特性和自动温度控制1.激光器的温度特性激光器的温度特性在3.1节已经讨论过，温度对激光器输出光功率的影响主要通过阈值电流Ithηd产生。图4.10(a)和(b)分别示出温度通过阈值电流和外微分量子效率引起的输出光脉冲的变化：温度升高，阈值电流增加，外微分量子效率减小，输出光脉冲幅度下降。第4章光端机图4.10(a)阈值电流变化引起的光输出的变化；(b)外微分量子效率变化引起的光输出的变化第4章光端机温度对输出光脉冲的另一个影响是“结发热效应”。即使环境温度不变，由于调制电流的作用，引起激光器结区温度的变化，因而使输出光脉冲的形状发生变化，这种效应称为“结发热效应”。如图4.11所示，设t=0时电脉冲到来，注入电流为I1，由于电流的热效应，在脉冲持续时间里，结区的温度随时间t而升高，激光器的阈值电流随t而增大，使输出光脉冲的幅度随t而减小。当t=T时电流脉冲过后，注入电流从I1减小到I0，电流散发的热量减少，结区温度随t而降低，阈值电流减小，使输出光脉冲的幅度增大。“结发热效应”将引起调制失真。与调制速率对激光器瞬态特性的影响相反，低调制速率的“结发热效应”更加明显。这是因为随着调制速率的提高，码元时间间隔缩短，使结区温度来不及发生变化。第4章光端机图4.11结发热效应第4章光端机2.自动温度控制半导体光源的输出特性受温度影响很大，特别是长波长半导体激光器对温度更加敏感。为保证输出特性的稳定，对温度控制装置一般由致冷器、热敏电阻和控制电路组成，图4.12示出温度控制装置的方框图。致冷器的冷端和激光器的热沉接触，热敏电阻作为传感器，探测激光器结区的温度，并把它传递给控制电路，通过控制电路改变致冷量，使激光器输出特性保持恒定。第4章光端机图4.12温度控制方框图第4章光端机目前，微致冷大多采用半导体致冷器，它是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的电偶来实现致冷的。用若干对电偶串联或并联组成的温差电功能器件，温度控制范围可达30～40℃。为提高致冷效率和温度控制精度，把致冷器和热敏电阻封装在激光器管壳内，温度控制精度可达±0.5℃，从而使激光器输出平均功率和发射波长保持恒定，避免调制失真。第4章光端机图4.13示出自动温度控制(ATC)电路原理图。由R1、R2、R3和热敏电阻RT组成“换能”电桥，通过电桥把温度的变化转换为电量的变化。运算放大器A的差动输入端跨接在电桥的对端，用以改变三极管V的基极电流。在设定温度(例如20℃)时，调节R3使电桥平衡，A、B两点没有电位差，传输到运算放大器A的信号为零，流过致冷器TEC的电流也为零。当环境温度升高时，LD的管芯和热沉温度也升高，使具有负温度系数的热敏电阻RT的阻值减小，电桥失去平衡。