光发射机与光接收机及光纤通信系统

1第八章光发射机与光接收机及光纤通信系统（4课时）韦文生本章内容简介光发射机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。光接收机是实现光/电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组成。其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，然后再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端机去。（一）学习者分析：本章为光发射机与光接收机及光纤通信系统的基础知识，是光源及其驱动电路、光探测器及其驱动电路、光通信系统的综合应用。学生学习了前面各章的知识，应该概括起来，对光通信系统有综合的认识。（二）教学目标：使学生掌握光发射机与光接收机及光纤通信系统的基本原理和结构组成，以及对光纤通信系统基本参数的认识。（三）主要内容（重点、难点）和方法：光发射机与光接收机的基本原理和结构组成；光纤通信系统的基本原理和结构组成。措施：通过理论知识讲授、动画演示、图形解释、例题分析使学生牢记光发射机与光接收机的基本原理和结构组成；光纤通信系统的基本原理和结构组成。（四）基本要求：掌握光发射机与光接收机的基本原理和组成结构；掌握光纤通信波分复用技术的基本组成结构和原理。（五）教学要点：重点阐述光发射机模拟/数字调制的工作原理及各项基本指标的含义，以及有关光源各种电路的原理；光接收机的原理、性能指标、光纤通信波分复用技术的原理框图。2（六）教学特点：是本课程中光源、探测器、光传输等内容的综合；为本课程其它学习内容的概括总结，为光通信系统的理解奠定基础。（七）教学安排：第一节2课时；第二节1课时；第三节1课时。第一节光发射机---光纤通信系统传输的是光信号，作为光纤通信系统的光源，便成为重要的器件之一。它的作用是产生作为光载波的光信号，作为信号传输的载体携带信号在光纤传输线中传送。由于光纤通信系统的传输媒介是光纤，因此作为光源的发光器件，应满足以下要求：---(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，即0.85μm、1.31μm和1.55μm波段；---(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，具有较高的功率稳定性、波长稳定性和光谱稳定性；---(5)发射的光功率足够高，以便可以传输较远的距离；---(6)温度稳定性好，即温度变化时，输出光功率以及波长变化应在允许的范围内。---能够满足以上要求的光源一般为半导体二极管。目前全光纤激光器作为一种新型的激光器也有望在光纤通信系统中发挥其作用。最常用的半导体发光器件是发光二极管(LED)和激光二极管(LD)。前者可用于短距离、低容量或模拟系统，其成本低、可靠性高；后者适用于长距离、高速率的系统。在选用时应根据需要综合考虑来决定，因此它们都有自己的优缺点和特性，下面就两者的性能作系统的比较。3激光二极管发光二极管1．输出光功率较大，几mW一几十mw。输出光功率较小，一般仅1mw一2mW。2．带宽大，调制速率高，几百MHz一几十GHz。带宽小，调制速率低，几十一200MHz。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，可高达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。-根据LED和LD的性能，在选择光源时应作到技术上合理、经济上合理以及便于应用。图8-l为波长、通信容量、模式以及通信距离四者之间的定性关系以及光纤通信发展的历程和趋势。图8-l波长、通信容量、模式以及通信距离四者之间关系图4----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，如图8-2所示。在数字通信中，输入电路将输入的PCM脉冲信号变换成NRZ／RZ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)。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，此外，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。---本节首先简要介绍光载波的调制方式，然后着重介绍光源的驱动和控制电路。8.1.1光波的调制----在光纤通信系统中，把随信息变化的电信号加到光载波上，使光载波按信息的变化而变化，这就是光波的调制。从本质上讲，光载波调制和无线电波载波调制一样，可以携带信号的振幅、强度、频率、相位和偏振等参数使光波携带信息，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，在光频段多采用光的强度调制方式。----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。直接调制是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；外调制一般是基于电光、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。光源直接调制的优点是简单、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。外调制方式需要调制器，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。5---从调制信号的形式来分，光调制又分为模拟调制和数字调制。模拟调制又可分为两类，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。由于模拟调制的调制速率较低，均使用直接调制方式。----数字调制主要指PCM脉码调制。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，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。8.1.2LED的驱动电路---在小型模拟或低速、短距离数字光纤通信系统中，可以采用LED作为系统光源。但不论那种通信系统，用LED作光源时，均采用直接强度调制方式，即通过改变LED的注入电流调制输出光功率。下面分别介绍模拟系统及数字系统的驱动电路。1．LED的直接调制原理----图8-3为对LED进行模拟调制的原理图。连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上，适当选择直流偏置的大小，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(8-1)图8-3LED模拟调制原理图6----LED的数字调制原理图如图8-4所示。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。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，下面分别加以讨论。图8-4LED数字调制原理图2．LED的模拟驱动电路----在模拟系统中，对驱动电路的要求是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，并使其输出功率随输入信号线性变化，非线性失真小。产生的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，因此驱动电路中一般不采用复杂的自动功率控制(APC)和自动温度控制(ATC)电路，较LD的驱动电路简单得多。----图8-5为一种简单而又具有高速特性的共发射极跨导式驱动器。它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，并使静态集电极电流即LED的偏置电流IB＝Im／m。7图8-5LED模拟驱动电路设Im＝24mA，m＝0.8，则IB＝30mA，工作电流范围30±24mA,其频率响应大于100MHZ。采用锗二极管和电阻与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，该电路的谐波失真小于-45dB。3．LED的数字驱动电路----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。几种典型的LED数字驱动电路见图8-6所示。(a)简单的共射极饱和开关电路(b)低阻抗射极跟随式驱动电路(c)发射极锅台开关式驱动电路(d)高速LED驱动电路。图6-6LED数字驱动电路8在图8-6中，图(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(b)中的达林顿结构因高电流增益，降低了输出阻抗。这一电路可从具有180pF的电容的发光管上得到2.5ns的光上升时间，可传输100Mb／s的数字信号。但由于发射极输出的负载不是纯电阻，可能使电路发生振荡。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。----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(d)为高速LED驱动电路，当LED为面发光管时，可传输2Gb／s以上的数字信号。该电路的脉冲前后沿为0.35ns，预偏置为15mA，电流峰值为100mW。图8-7为TTL开关式驱动电路实例。图8-7TTL开关式驱动电路8.1.3LD的驱动电路----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，其调制问题要复杂的多，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。91．LD的模拟调制原理----图8-8为对LD进行模拟调制的原理图。图8-8LD模拟调制原理图2．LD的数字调制原理----图8-9为对LD进行数字调制的原理图。图8-9LD数字调制原理图3．偏置电流和调制电流的选择----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：10----(1)加大直流偏置电流使其逼近阙值，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。图8-10为LD无偏置和有偏置时脉冲瞬态波形和光谱。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；另外，电光延迟的减小，也大大提高了调制速率。----(2)当激光器偏置在阈值附近时，较小的调制脉冲电流即能得到足够功率的输出光脉冲，从而可以大大减小码型效应。----(3)加大直流偏置电流会使激光器的消光比恶化。所谓消光比，是指激光器在全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：----------------------------------------(8-2)----光源的消光比将直接影响接收机的灵敏度，为了不使接收机的灵敏度明显下降，消光比一般应大于10dB，如果激光器的偏置电流IB过大，势必会使消光比恶化，降低接收机的灵敏度。通常取IB＝(0.85～0.9)Ith。驱动脉冲电流的峰-峰值Im一般取Im十IB＝(1.2～1.3)Ith，以避免结发热和码型效应。----结发热效应表现在阈值和输出光功率随结温的变化。稳态时，体现在其输出特性随温度的变化，瞬态时，调制电流Im的出现也会使结温在阈值时发生一定波动。这种波动也将引起阈值电流