41光发射机

第4章光端机4.1光发射机数字光发射机的功能:•电端机输出的数字基带电信号转换为光信号•用耦合技术有效注入光纤线路电/光转换：用承载信息的数字电信号对光源进行调制来实现。光源调制器驱动电路放大器光电二极管判决器光纤光纤中继器光发射机将电信号转变为光信号第4章光端机4.1.1光源的调制方式(1)直接调制：直接调制方式适用于电流注入型的半导体光源器件（LD和LED），通过把要传递的信息转变为驱动电流控制光源的发光过程，从而获得输出功率的变化以实现调制响应，由于调制后的光波电场振幅的平方比例于调制信号，因此这是一种光强度调制（IM：IntensityModulate）的方法。第4章光端机4.1.1光源的调制方式(2)间接调制间接调制是利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射的调制，这种方式既适应于半导体激光器，也适应于其他类型的激光器。间接调制与直接调制的本质区别在于光源的发光和调制功能是分离进行的，即在激光形成以后才加载调制信号，二者只有光路的连接而没有电路的之间相互影响，因此，不会因为调制而影响到激光器的工作。第4章光端机光弹性效应偏振片2有机玻璃模型偏振片1施压应力双折射显示的偏振光干涉条纹施压方向形成光轴双折射与应力成正比用于应力分析研究光弹性效应机械应力作用产生的各向异性应力双折射第4章光端机克尔效应电致双折射2.克尔效应偏振片1偏振片2接入极间电压，使两极板间产生电场，液体变成各向异性媒质，并产生双折射，系统末端有光输出，其响应极快，信号频率可高达10Hz,能用作高速“光阀门”。10第4章光端机•电光效应：电压施加于某些晶体上，导致晶体折射率发生变化，引起通过该晶体的光波特性发生变化。普科尔(Pocket)效应/线性电光效应：晶体折射率与外加电场幅度成线形变化。克尔(Kerr)效应/二次电光效应：晶体折射率与外加电场幅度的平方成比例变化。光调制器就是利用线性电光效应实现的。•磁光效应：法拉第电磁偏转效应。•声光效应：声波作用于某晶体，产生光弹性作用，使折射率发生变化，从而达到调制的目的。第4章光端机•输出光功率和输入电流成正比，输出光信号反映输入电信号。•为适应高速率、大容量、长距离通信的要求，目前的光纤通信以采用LD光源的数字调制系统为主。4.1.2光源的直接调制原理第4章光端机4.1.3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、张弛振荡、码型效应、自脉动现象和结发热效应。这些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.电光延迟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。第4章光端机张弛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低于张弛振荡频率。对激光器加直流预偏置电流是缩短电光延迟时间、提高调制速率的重要途径。同时，张弛振荡现象也得到一定程度的抑制。2.张弛振荡当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲顶部会出现幅度逐渐衰减的阻尼振荡，称为张弛振荡，其振荡频率fr(ωr/2π)一般为0.5～2GHz。张弛振荡是激光器内部光电相互作用表现出来的固有特性。第4章光端机3.码型效应在实际的光纤通信系统中，传输的是有一定宽度的随机脉冲序列。用这样的脉冲序列对半导体激光器调制时，输出光脉冲会出现码型效应。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”。12电脉冲光脉冲2ns5ns2ns（a)、(b)码型效应波形；（c）改善后波形(a)(b)(c)消除码型效应的方法：①最简单的方法是增加直流偏置电流；②用双脉冲信号进行调制，即在每一个正脉冲后面跟随一个负脉冲，见图(c)所示，但负脉冲的幅度不能过大，以免激光器的PN结被反向击穿。第4章光端机4.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，如图所示。自脉动频率可达2GHz，严重影响LD的高速调制特性。电脉冲光脉冲激光器自脉冲动现象自脉动振荡的区域第4章光端机5.结发热效应半导体激光器是对温度很敏感的器件，不仅环境温度的变化会使激光器的阈值电流以及输出光功率发生变化，注入电流的热效应也会发生类似的变化，这种现象叫做激光器的结发热效应。消除方法：适当增加偏置电流第4章光端机6．啁啾•激光二极管的啁啾(Chirp)特性：在直接调制激光二极管时，不仅输出光功率随调制电流发生变化，而且光的频率也会发生波动，即在幅度调制的同时还受到频率调制。•带有频率啁啾的信号在单模光纤中传播时，在色散作用下，将增大非线性失真。•随着调制速率增加，啁啾现象愈加严重。•解决办法：采用外部调制器。第4章光端机4.1.4光发射机基本组成防止LD输出的激光反射，实现光的单向传输保持LD组件内恒定的温度，保证激光参数的稳定性使LD有恒定的光输出功率数据电接口线路编码驱动电路调制器光隔离器LD功控温控光发射机第4章光端机直接光强调制的数字光发射机的方框图如图所示，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。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。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。输入接口线路编码调制电路光源控制电路电信号输入光信号输出第4章光端机1.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，即谱线宽度要窄，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。第4章光端机(3)允许的调制速率要高或响应速度要快，以满足系统的大传输容量的要求。(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，价格便宜。以上各项中，调制速率、谱线宽度、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和发光二极管可以满足不同应用场合的要求。第4章光端机2.对调制电路和控制电路的要求如下：(1)输出光脉冲的消光比(全“1”码平均光功率和全“0”码平均光功率的比值)应大于10，以保证足够的光接收信噪比。)dB(lg100011PPEXTP11为全“1”码时的平均光功率；P00为全“0”码时的平均光功率。第4章光端机(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。(3)对激光器应施加足够的偏置电流，以便抑制在较高速率调制下可能出现的张弛振荡，保证发射机正常工作。(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。第4章光端机3.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，要变换为适合于光纤传输的单极性码。单极性信号正值010110110光信号正值01011负值0110电信号双极性信号第4章光端机4.1.5调制电路数字信号调制电路应采用电流开关电路，最常用的是差分电流开关电路。（1）共发射极LED驱动电路下图所示为由三极管组成的共发射极驱动电路，这种驱动电路主要用于以LED作为光源的数字光发射机。适用于10Mbit/s以下的低速率系统。共发射极驱动电路UCR2LEDC1R1UinV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。第4章光端机（2）射极耦合跟随器LD驱动电路下图是射极耦合跟随器LD驱动电路，适合于LD系统使用。这种电路为恒流源，电流噪声小，缺点是动态范围小，功耗较大。射极耦合LD驱动电路图V2V1Ib电流源Io－UEUinLD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。第4章光端机4.1.6自动功率控制电路（反馈稳定LD驱动电路）要控制激光器的输出功率，可以探测激光器发射的平均功率，以此作为反馈信号控制偏置电流，从而维持输出光功率稳定。图是利用反馈电流使输出光功率稳定的LD驱动电路，其主体和上图相同，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的控制。inU第4章光端机把PD检测器的输出监测电压UPD、信号参考电压和直流参考电压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：inU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”码比例变化的影响。1()LDPDPDinRAbLDPUUUUUIP第4章光端机4.1.7温度特性和自动温度控制1.温度对激光器输出光功率的影响主要通过阈值电流Ith和外微分量子效率ηd产生。图(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•温度对输出光脉冲会产生“结发热效应”第4章光端机PPII(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20。C25。C20。C70。C第4章光端机即使环境温度不变，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”。I1I0t=0t=T结发热效应电流脉冲光脉冲设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。第4章光端机2.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，对激光器进行温度控制是十分必要的。温度控制装置一般由致冷器、热敏电阻和控制电路组成，图示出温度控制装置的方框图。温度控制方框图激光器导热致冷器热敏电阻温度控制电路LDDFB-LD组件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章光端机为提高致冷效率和温度控制精度，通常采用内致冷方式，即把（微型）致冷器和热敏电阻（热敏元件）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。）目前，微型致冷器大多采用的是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的半导体热电致冷器（TEC）。当电流通过两种半导体（P型和N型）组成的电偶时，可以使一端吸热（致冷）而另一端放热，这种现象称为珀尔帖效应。实际制冷器是由许多对温差电偶组合而成，目的是提高致冷能力。（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）C第4章光端机－＋AR4TECtRTLDPIN