光纤通信刘增基版第四章

第4章光纤通信系统原理4.1光发射机4.2光接收机4.3线路编码4.1光发射机•数字光发射机的功能:•用数字电信号对光源进行调制•电端机输出的数字基带电信号转换为光信号•用耦合技术注入光纤线路•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直接调制和外调制Laser•DirectModulationofLaserDiodeBias+DATAIssues--ComplexDynamicsYield•ExternalModulationofLaserDiodeLaserModulatorBiasBias+DATAIssues--AdditionalComponentpIIth直接调制的缺点：•响应带宽有限（~2.5Gb/s）•引入调制啁啾输出光信号pItIin输入电信号pI（a）LED数字调制原理输出光信号输入电信号IinIthIb(b)LD的数字调制原理•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，输出光信号反映输入电信号•加大偏置电流使其逼近激光器阈值，可以大大减小电光延迟时间，同时使张驰振荡得到一定程度的抑制.•偏置于阈值附近，较小的调制脉冲电流即可得到足够的输出光脉冲，从而可大大减小码型效应和结发热效应的影响.•另一方面，加大直流偏置电流将会使光信号消光比(EX)恶化，光源消光比将直接影响接收机灵敏度.•实验发现，异质结激光器的散粒噪声在阈值处出现最大值，因此偏置电流一般不是正好偏置在阈值处.•调制电流幅度Im的选择，应根据激光器的P-I曲线，既要有足够的输出光脉冲幅度，又要考虑到光源的负担。如果激光器在某些区域有自脉动现象发生，则Im的选择应避开自脉动发生的区域.数字直接调制中偏置电流和调制电流大小的选择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图4.2数字光发射机方框图4.1.1光发射机基本组成直接调制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。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。(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。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)应大于10，以保证足够的光接收信噪比。消光比：EXT=10lg(P全1/P全0)(dB)10dBEXT=P全0/P全110%(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。4.1.2调制特性（半导体激光器的瞬态性质）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。•半导体激光器具有电光转换效率高、响应速度快、可以进行直接调制的优点，被视为光纤通信中的理想光源。但在对半导体激光器进行脉冲调制时，激光器往往呈现出复杂的动态性质——光电瞬态响应。电光延迟张弛振荡自脉动电光延迟：激光输出与注入电脉冲之间存在一个时间延迟。自脉动：某些激光器在某些注入电流下发生的一种持续振荡。张弛振荡：当电流脉冲注入激光器以后，输出光脉冲表现出衰减式振荡。是激光器内部光电相互作用所表现出来的固有特性。光电瞬态响应波形：1.电光延迟•原因：激光输出与注入电脉冲之间存在一个时间延迟，一般为纳秒量级。•降低方法：预偏置在Ith附近。上升时间：从额定功率的10％升到90％所需的时间下降时间：从额定功率的90％降到10％所需的时间•当注入电流从零快速增大到阈值以上时，经电光延迟后产生激光输出，并在脉冲顶部出现阻尼振荡，经过几个周期后达到平衡值。•采用预偏置在Ith附近的方法，可减小张弛振荡2.张弛振荡•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的高速调制特性。3.自脉动电脉冲光脉冲图4.5激光器自脉冲动现象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。4、码型效应：由于瞬态性质，输出光脉冲会出现码型效应。码型效应起因：当第一个电流脉冲过后，存储在有源区的电荷以指数形式衰减，回到初始状态有一个时间过程sp，如果调制速率很高，脉冲间隔小于sp，会使第二个电流脉冲到来时，前一个电流脉冲注入的电荷并没有完全复合消失，有源区的存储电荷起到直流预偏置的作用，于是第二个光脉冲延迟时间减小，输出光脉冲的幅度和宽度增加。消除方法：增加直流偏置电流。电流脉冲光脉冲两个连“1”的现象码型效应在两个接连出现的“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。12电脉冲光脉冲2ns5ns2ns图4.4码型效应（a)、(b)码型效应波形；（c）改善后波形(a)(b)(c)起因：注入电流导致温升，进而引起阈值电流的变化，从而输出光功率也发生变化。在电流脉冲持续阶段，输出光功率随时间而减小；而当电流脉冲过后，输出光功率随时间而增加。消除方法：适当增加偏置电流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——结发热效应。是激光器的另一种瞬态调制效应。•激光二极管的啁啾(Chirp)特性：直接调制方式的特点是输出功率正比于调制电流，但由于调制电流的变化将引起激光器谐振腔的长度发生变化，从而引起发射激光的波长随着调制电流线性变化，这种变化被称作调制啁啾。•它实际上是一种直接调制光源无法克服的波长（频率）抖动。•啁啾的存在展宽了激光器发射光谱的带宽，导致色散增大，限制了系统的传输速率和距离。•一般情况下，在常规G.652光纤上使用时，传输距离≤100公里，传输速率≤2.5Gbit/s。•解决办法：采用外部调制器。6.啁啾现象4.1.3调制电路和自动功率控制BG1和BG2处于轮流截止和非饱和导通状态。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。自动功率控制（APC）由光检测器来感应激光器后端面辐射光功率的变化，并与参考功率相比较，然后根据比较结果自动调整直流偏置电流，最终使光功率峰值保持为一个稳定值。激光器PD自动功率控制（APC）电路偏置电流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—增设光功率控制（APC）电路。激光器组件如图3.18所示—由光检测器来感应激光器后端面辐射光功率的变化。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BG3组成直流恒流源调节LD的偏流，使输出光功率稳定。4.1.4温度特性和自动温度控制1.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Ith和外微分量子效率ηd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：PPII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20。C25。C20。C70。C•温度升高，阈值电流增大，输出光脉冲幅度下降•温度升高，外微分量子效率减小，输出光脉冲幅度下降即使环境温度不变，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图4.11结发热效应电流脉冲光脉冲I1I0t=0t=T图4.11结发热效应电流脉冲光脉冲如图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。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。图4.12温度控制方框图激光器致冷器热敏电阻控制电路热导热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻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。自动温度控制（ATC）电路：•温控电路控制精度可达0.010C•波长稳定性达到200MHz/24小时激光器导热制冷器热敏电阻温度控制电路PDDFB-LD组件－＋AR4TECtRTLDPIN24681357＋UR1R2R3BA＋UVATC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。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。－＋AR4TECtRTLDPIN24681357＋UR1R2R3BA＋UV－＋AR4TECtRTLDPIN24681357＋UR1R2R3BA＋UV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。这个控制过程可以表示如下：T(环境)→T(LD、热沉)→RT→I(致冷器)→T(LD)－＋AR4TECtRTLDP