光发送机

第五章光发送机5.1光发送机5.2驱动电路和辅助电路5.3光功率发射和耦合5.1光发送机5.1.1光发送机的组成1.光发送机的作用把从电端机送来的电信号转变成光信号，并送入光纤线路进行传输。数字光发送机的基本组成包括均衡放大、码型变换、复用、扰码、时钟提取、光源、光源的调制电路、光源的控制电路（ATC和APC）及光源的监测和保护电路等。如图5.1。图5.1数字光发送机原理方框图2.光发送机的基本组成（1）均衡放大：补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变。（2）码型变换：将HDB3码或CMI码变化为NRZ码。（3）复用：用一个大传输信道同时传送多个低速信号的过程。（4）扰码：使信号达到“0”、“1”等概率出现，利于时钟提取。（5）时钟提取：提取PCM中的时钟信号，供给其它电路使用。（6）调制（驱动）电路：完成电/光变换任务。（7）光源：产生作为光载波的光信号。（8）温度控制和功率控制：稳定工作温度和输出的平均光功率。（9）其他保护、监测电路：如光源过流保护电路、无光告警电路、LD偏流（寿命）告警等。5.1.2光调制原理1.光调制作用把随发送数据变化的电信号加到光上去，使光随数据的变化而以一定规律变化，这一过程就叫做光的调制。调制后的光束就是光信号。2.光调制方式分类(1)按照光源与调制信号的关系分类根据光源与调制信号的关系，可以将光源的调制方式分为直接（或内部）调制方式和间接(或外部)调制方式。（1）直接调制①基本概念及调制原理直接调制就是将调制信号（电信号）直接施加在光源上，使其输出的光载波信号的强度随调制信号的变化而变化，又称为内调制。②特点：调制简单、损耗小、成本低。但存在波长(频率)的抖动。图5.2直接光强度数字调制原理（2）间接调制①基本概念及调制原理间接调制不直接调制光源，而是利用晶体的电光、磁光和声光特性对LD所发出的光载波进行调制，即光辐射之后再加载调制电压，使经过调制器的光载波得到调制，这种调制方式又称作外调制，如图5.3所示。②特点调制系统比较复杂、消光比高（13）、插损较大5~6dB、驱动电压较高~5V、难以与光源集成、偏振敏感、损耗大、而且造价也高。但谱线宽度窄，可以应用于≥2.5Gbit/s的高速大容量传输系统之中，而且传输距离也超过300km以上。图5.3间接调制激光器的结构(2)按照已调制信号的性质分类根据已调制信号的性质，可以将光源的调制方式分为模拟调制方式和数字调制方式。模拟调制方式是指已调制信号属于模拟信号，这种调制方式主要包括强度调制(IntensityModulation，IM)方式、振幅调制(AmplitudeModulation，AM)方式、双边带抑制载波(DoubleSideband/SuppressingCarrier，DSB/SC)调制方式、单边带(SingleSideband，SSB)调制方式及残余边带(VestigialSideband，VSB)调制方式。数字调制方式是指已调制信号属于数字信号，这种调制方式主要包括幅移键控(Amplitude-shiftedKeying，ASK)调制方式、频移键控(Frequency-shiftedKeying，FSK)调制方式及相移键控(Phase-shiftedKeying，PSK)调制方式等。3.已调制信号表达式由于其他调制方式应用极少，因此我们在这里仅仅给出用电场表示的、常用强度调制方式的已调制信号表达式：式中：KT为与发送光功率有关的正常数；m为调制系数(0＜m≤1)；x(t)为归一化幅度的调制信号波形；ωc为光载波角频率，φ0为初相位。（1）电光延迟和张弛振荡现象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5.4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，称为张弛振荡。张弛振荡和电光延迟的后果是限制调制速率。图5.4光脉冲瞬态响应波形4.调制特性（2）码型效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”，如图5.5（a）、（b）所示。用适当的“过调制”补偿方法，可以消除码型效应，如图5.5（c）所示。图5.5码型效应5.1.3光发送机的指标光发送机的指标很多，我们仅从应用的角度介绍其主要指标。包括平均发送光功率及其稳定度、光功率发射和耦合效率、消光比等。1.光发送机的指标(1)平均发送光功率及其稳定度平均发送光功率又称为平均输出光功率，通常是指光源“尾纤”的平均输出光功率。为了获得最佳的耦合效果，一般出厂的光源都带一段尾纤(2)耦合效率耦合效率用来度量在光源发射的全部光功率中，能耦合进光纤的光功率比例。耦合效率定义为：式中，PF为耦合进光纤的功率，PS为光源发射的功率。发射效率取决于光源连接的光纤类型和耦合的实现过程。SFPP(3)消光比消光比定义为最大平均发送光功率与最小平均发送光功率之比，通常用符号EX表示：若用相对值表示，则为（1）有合适的输出光功率光源应有合适的光功率输出，一般为0.01mW～5mW。（2）有较好的消光比一般要求EX≥10dB。（3）调制特性要好所谓调制特性好，是指光源的P−I曲线在使用范围内线性特性好，否则在调制后将产生非线性失真。（4）其他除此之外，还要求电路尽量简单、成本低、稳定性好、光源寿命长等。2.对光发送机的要求5.2驱动电路和辅助电路5.2.1驱动电路1.对驱动电路的要求一个优良的驱动电路应该满足以下条件：(1)能够提供较大的、稳定的驱动电流；(2)有足够快的响应速度，最好大于光源的驱动速度；(3)保证光源具有稳定的输出特性。2.（1）共发射极LED驱动电路能够满足上述要求的、最简单的驱动电路是共发射极驱动电路，如图5.6所示。共发射极驱动电路的工作原理如下所述：当输入数据信号为“0”时，晶体三极管VT处于截止状态，LED中没有电流流过，因此LED不发光；当输入数据信号为“1”时，晶体三极管VT工作于饱和状态，LED中有较大的电流流过，所以LED发光。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。图5.6共射极驱动电路（2）射极耦合跟随器LD驱动电路图5.7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。图5.7射极耦合LD驱动电路图（3）反馈稳定LD驱动电路图5.8是利用反馈电流使输出光功率稳定的LD驱动电路，其控制过程如下：LDbARinPDPDLD1)(PIUUUUUP图5.8反馈稳定LD驱动电路5.2.2辅助电路1.自动功率控制电路(1)自动功率控制电路的分类能够完成自动功率控制功能的电路很多，主要包括普通电参数控制电路和光电反馈控制电路。在光发送机中，光电反馈控制电路应用最多。(2)自动功率控制电路的工作原理图5.9所示是一个典型LD自动功率控制电路，其自动功率控制电路的工作原理如下所述：当由于温度原因使LD输出光功率降低时，流过PD(通常为PINPD)的电流减小，A1放大器反向输入端电位增大，A1放大器输出端电位降低(即A2放大器反向输入端电位降低)。图5.9典型的APC电路2.自动温度控制电路从前面的内容可以知道，LD的输出特性与温度有着密切的关系。为了保证光发送机具有稳定的输出特性，对LD的温度特性进行控制是非常必要的，而且对LD的温度控制也是保护LD的一项关键措施。（1）激光器的温度特性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，如图5.10（a）和（b）所示。当温度升高，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5.11所示“结发热效应”将引起调制失真。图5.10温度引起的光功率输出的变化图5.11结发热效应（2）光源的自动温度控制（ATC）①温度控制装置的组成温度控制装置由致冷器、热敏电阻和控制电路组成，图5.12示出了温度控制装置的方框图。图5.12自动温度控制原理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。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。②自动温度控制（ATC）原理图5.13ATC电路原理ATC电路主要由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。T(环境)→T(LD、热沉)→RT→I(致冷器)→T(LD)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。这时B点的电位低于A点的电位，运算放大器A的输出电压升高，V的基极电流增大，致冷器TEC的电流也增大致冷端温度降低，热沉和管芯的温度也降低，因而保持温度恒定。注：温度控制只能控制温度变化引起的输出光功率的变化，不能控制由于器件老化而产生的输出功率的变化。对于短波长激光器，一般只需加自动功率控制电路即可。对于长波长激光器，由于其阀值电流随温度的漂移较大，因此，一般还需加自动温度控制电路，以使输出光功率达到稳定。3.其他保护、监测电路（1）LD保护电路：使激光器的偏流慢启动，以防损坏激光器。（2）无光告警电路（3）激光器寿命告警电路5.3光功率发射和耦合光源-光纤、光纤-光纤的耦合各种耦合的损耗光纤的连接和光纤连接器5.3.1光纤线路耦合我们关心的问题是如何让耦合效率最高。（1）从多种类型的发光光源将光功率发射进一个特定的光纤。它与光源的尺寸、辐射强度和光功率的角分布、光纤的数字孔径、光纤的纤芯尺寸、光纤的折射率均有关系。可以通过透镜来提高光源-光纤的耦合效率。（2）通过光源供应商提供的“跳线”或“尾纤”，将光功率从一根光纤耦合进另一根光纤。它与光纤位置偏差、不同的纤芯尺寸、光纤的数字孔径、光纤的折射率剖面有关系。5.3.2改善耦合的透镜结构对于给定的光纤端面，如果光源的面积大于光纤端面，则最终耦合入纤的功率可以达到最大值；如果光源的面积小于光纤端面，则耦合效果要大打折扣。一种增大发射面的办法就是在光源和光纤中使用透镜几种不同的透镜结构透镜耦合一般用于光源发光面积小于纤芯面积的情况，其作用是扩大光源的发射面积，使之与纤芯区域匹配。圆形端面光纤非成像微球接触较大的成像球体柱状棱镜球形端面的LED和球形端面的光纤锥形端面光纤从一根光纤耦合到另一根光纤的光功率取决于每根光纤中传播的模式数量。假设所有模式功率均匀分布，光纤-光纤的功率耦合与两根光纤共有的模式数成正比。由此光纤-光纤的耦合效率为：5.3.3光纤与光纤的连接EcommFMM其中ME为发射光纤的模式数，Mcomm为两根光纤所共有的模式数。因此，耦合损耗定义为：FFLlog10多模光纤-多模光纤的两种连接情况发射光束充满接收光纤的数值孔径，因此接收光纤必须与发射光纤完全对准以减少损耗接收光纤的输入数值孔径大于发射光纤的稳态数值孔径，因此轻微的对准误差不会对连接损耗产生显著影响在稳态下的传输模式光纤中所有模式被同等激励机械对准误差由于纤芯尺寸细