光发射机.pptx

本章目录本章目录4.1 4.1 光发射机光发射机4.2 4.2 光接收机光接收机4.3 4.3 线路编码线路编码数字光发射机和数字光接收机数字光发射机和数字光接收机4.1 光发射机光发射机功能功能电端机输出的数字基带电端机输出的数字基带电电电电信号转换为信号转换为光光光光信号信号用耦合技术用耦合技术注入注入注入注入光纤线路光纤线路用数字电信号对光源进行用数字电信号对光源进行调制调制调制调制4.1.1 光发射机的基本组成光发射机的基本组成数字光发射机数字光发射机主要有主要有光源光源和和电路电路两部分。两部分。光光源源是是实实现现电电/光光转转换换的的关关键键器器件件，在在很很大大程程度度上上决决定定着着光光发发射射机机的性能。的性能。电路的设计应以电路的设计应以光源光源光源光源为依据，使为依据，使输出光信号输出光信号输出光信号输出光信号准确反映准确反映输入电信号。输入电信号。输入电信号。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电信号输入光信号输出光信号输出图图4.2 数字光发射机方框图数字光发射机方框图输入输入接口接口线路线路编码编码调制调制电路电路光光源源控制电路控制电路电信号输入电信号输入图图4.2 4.2 数字光发射机方框图数字光发射机方框图1.线路编码电路线路编码电路电电端端机机输输出出的的数数字字信信号号是是适适合合电电缆缆传传输输的的双双双双极极极极性性性性码码码码，而而光光源源不不能能发发射射负负脉脉冲冲，要要变变换换为为适适合合于于光光纤纤传传输输的的单极性码单极性码单极性码单极性码输入输入接口接口线路线路编码编码调制调制电路电路光光源源控制电路控制电路电信号输入电信号输入图图4.2 4.2 数字光发射机方框图数字光发射机方框图直直接接调调制制是是对对光光源源的的驱驱动动电电流流调调制制，使使得得光光纤纤中中传传输输的的光光信信号号携带所需携带所需的信息的信息 直接调制电路的作用直接调制电路的作用LDLD的的性性能能对对温温度度非非常常敏敏感感，并并且且长长时时间间的的连连续续发发光光会会使使器器件件老老化化，控控制制电电路路就就是是用用来来消消除除温温度度变变化化和和器器件件老老化化带带来来的的影影响响，给给激激光光器器提提供供稳稳定定的的工工作作环环境境。自自动动功功率率控控制制(APC)(APC)和和自自动动温温度度控控制制(ATC)(ATC)控制电路的作用控制电路的作用2.调制电路和控制电路调制电路和控制电路3.3.光源光源对通信用光源的要求如下对通信用光源的要求如下对通信用光源的要求如下对通信用光源的要求如下(1)(1)发发射射的的光光波波长长应应和和光光纤纤低低损损耗耗“窗窗口口”一一致致，即即中中心心波波长长应应在在0.85m、1.31m和和1.55m附附近近。光光谱谱单单色色性性要要好好，即即谱谱线线宽度要窄宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。以减小光纤色散对带宽的限制。输入输入接口接口线路线路编码编码调制调制电路电路光光源源控制电路控制电路电信号输入电信号输入图图4.2 4.2 数字光发射机方框图数字光发射机方框图(3)(3)允允允允许许许许的的的的调调制制速速率率要要高高或或响响应应速速度度要要快快，以以满满足足系系统统的的大大传传输容量的要求。输容量的要求。(4)(4)器器件件应应能能在在常常温温下下以以连连续续波波方方式式工工作作，要要求求温温度度稳稳定定性性好好，可靠性高，寿命长。可靠性高，寿命长。(5)(5)此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。(2)(2)电电电电/光光光光转转转转换换换换效效效效率率率率要要高高，即即要要求求在在足足够够低低的的驱驱动动电电流流下下，有有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。发发射射光光束束的的方方方方向向向向性性性性要要要要好好好好，即即远远场场的的辐辐射射角角要要小小，以以利利于于提提高高光光源与光纤之间的源与光纤之间的耦合效率耦合效率耦合效率耦合效率。以以上上各各项项中中，调调制制速速率率、谱谱线线宽宽度度、输输出出光光功功率率和和光光束束方方向向性性，直直接接影影响响光光纤纤通通信信系系统统的的传传输输容容量量和和传传输输距距离离，是是光源最重要的技术指标。光源最重要的技术指标。输出光信号输出光信号pItIin输入电信号输入电信号pI（a）LED数字调制原理输出光信号输出光信号输入电信号输入电信号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当激光器的驱动电流大于阈值电流Ith时，时，输出光功率输出光功率P和驱动电流和驱动电流I基本上是基本上是线性关系线性关系线性关系线性关系 输出输出光功率光功率光功率光功率和和输入电流输入电流输入电流输入电流成正比，成正比，输出光信号反映输入电信号输出光信号反映输入电信号4.1.2 调制特性调制特性1 1、直接光强数字调制原理、直接光强数字调制原理 半半导导体体激激光光器器是是光光纤纤通通信信的的理理想想光光源源，但但在在高高速速脉脉冲冲调调制制下下，其其瞬瞬态态特特性性仍仍会会出出现现许许多多复复杂杂现现象象，如如常常见见的的电电光光延延迟迟、张张弛弛振振荡荡和和自自脉脉动动现现象象。这这些些特特性性严严重重限限制制系系统统传传输输速速率率和和通通信信质质量量，因此在电路的设计时要给予充分考虑。因此在电路的设计时要给予充分考虑。2.电光延迟和张弛振荡电光延迟和张弛振荡电光延迟和张弛振荡电光延迟和张弛振荡现象现象半半导导体体激激光光器器在在高高速速脉脉冲冲调调制制下下，输输出出光光脉脉冲冲瞬瞬态态响响应波形如图应波形如图4.3所示。所示。图 4.3 光脉冲瞬态响应波形 电脉冲电脉冲光脉冲光脉冲输出光脉冲和注输出光脉冲和注入电流脉冲之间入电流脉冲之间存在一个初始延存在一个初始延迟时间，称为迟时间，称为电电电电光延迟时间光延迟时间光延迟时间光延迟时间d，其数量级一般为其数量级一般为 nsns当电流脉冲注入激光器后，当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现输出光脉冲会出现幅度逐幅度逐渐衰减的振荡渐衰减的振荡，称为称为张弛张弛张弛张弛振荡振荡振荡振荡，其振荡频率，其振荡频率fr(=r/2)一般为一般为0.52 GHz这些特性与激光器有源区的这些特性与激光器有源区的电子自发复合寿命电子自发复合寿命电子自发复合寿命电子自发复合寿命和和谐振腔内光谐振腔内光谐振腔内光谐振腔内光子寿命子寿命子寿命子寿命以及以及注入电流初始偏差量注入电流初始偏差量注入电流初始偏差量注入电流初始偏差量有关。有关。电光延迟：电光延迟：当在当在PN结两端注入电流，会产生结两端注入电流，会产生“电子电子-空穴空穴”对，对，但是，只有当但是，只有当“电子电子-空穴空穴”对浓度达到一定数值后才会发生受对浓度达到一定数值后才会发生受激辐射，因此从注入电流，到有光信号输出，需要一段时间。激辐射，因此从注入电流，到有光信号输出，需要一段时间。张弛振荡张弛振荡张弛振荡张弛振荡和和电光延迟电光延迟电光延迟电光延迟的后果是的后果是限制调制速率限制调制速率限制调制速率限制调制速率。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最高调制频最高调制频最高调制频率应低于张弛振荡频率率应低于张弛振荡频率率应低于张弛振荡频率率应低于张弛振荡频率。电光延迟电光延迟电光延迟电光延迟要产生码型效应码型效应当电光延迟时间与数字调制的码元持续时间当电光延迟时间与数字调制的码元持续时间T/2为相同数量级为相同数量级时，会使时，会使“0”码过后的第一个码过后的第一个“1码的脉冲宽度变窄，幅度码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个减小，严重时可能使单个“”码丢失码丢失，这种现象称为这种现象称为“码码型效应型效应”。电脉冲电脉冲光脉冲光脉冲电光延迟时间过长电光延迟时间过长当第一个电流脉冲过后，存储在有源区的电荷以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指数形式衰减，回到初，回到初始状态有一个时间过程始状态有一个时间过程 spsp，如果调制速率很高，如果调制速率很高，脉冲间隔小于脉冲间隔小于 spsp ，会，会使第二个电流脉冲到来时，前一个电流脉冲注入的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电荷并没有完全复合消失消失，有源区的存储电荷起到直流预偏置的作用，于是第二个光，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脉冲延迟时间减小，输出光脉冲的幅度和宽度增加迟时间减小，输出光脉冲的幅度和宽度增加。电流脉冲电流脉冲光脉冲光脉冲两个连两个连“1”1”的现象的现象“码型效应码型效应”的的特点是：特点是：在脉冲序列中较长的连在脉冲序列中较长的连“0”0”码后出现的码后出现的“1”1”码，其脉冲明显变小，而且连码，其脉冲明显变小，而且连“0”0”码码数目越多，调制速率越高，这种效应越明显。用适当的数目越多，调制速率越高，这种效应越明显。用适当的“过调制过调制”补偿方法，即补充一个负脉冲，可以消除码补偿方法，即补充一个负脉冲，可以消除码型效应型效应2ns(4.1)(4.2)(4.3)式中，o是张弛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注入电流密度和阈值电流密度阈值电流密度。sp和ph分别为电子自发复合寿电子自发复合寿命命和谐振腔内光子寿命谐振腔内光子寿命。在典型的激光器中，sp109s,ph1012s，即spph。通过LD速率方程组的瞬态解得到的张张弛弛振振荡荡频频率率r及其幅幅度度衰衰减减时间时间o和电光延迟时间电光延迟时间td的表达式为：张弛振荡频率张弛振荡频率幅度衰减时间幅度衰减时间电光延迟时间电光延迟时间增加注入电流增加注入电流j，有利于提高张弛振荡频率，有利于提高张弛振荡频率r，减小其幅度衰减，减小其幅度衰减时间时间o，以及减小电光延迟时间，以及减小电光延迟时间d，因此对，因此对LD施加施加偏置电流偏置电流是是非常必要的。非常必要的。PN结两端结两端的注入电流的注入电流调制电流调制电流调制电流调制电流 保证光脉冲达到一定幅度保证光脉冲达到一定幅度偏置电流偏置电流偏置电流偏置电流 影响高速调制性能影响高速调制性能通常取通常取Ib(0.850.90)Ith3 3、自脉动现象、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围时，输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡等幅的高频振荡，这种现象称为自脉，这种现象称为自脉动现象，自脉动频率可达动现象，自脉动频率可达2GHz2GHz，严重影响，严重影响LDLD的高速调制特性。的高速调制特性。电脉冲光脉冲图4.5 激光器自脉冲动现象自自脉脉动动现现象象是是激激光光器器内内部部不不均均匀匀增增益益或或不不均均匀匀吸吸收收产产生生的的，往往往往和和LDLD的的P-IP-I曲曲线线的的非非线线性性有有关关,自自脉脉动动发发生生的的区区域域和和P-IP-I曲线扭折区域相对应。曲线扭折区域相对应。造造成成自自脉脉动动的的机机理理涉涉及及量量子子噪噪声声效效应应、有源区的缺陷及温度感应有源区的缺陷及温度感应的变化等因素。的变化等因素。抑抑制制这这种种现现象象主主要要靠靠控控制制材材料料的的质质量量，尽量减少有源区的缺陷尽量减少有源区的缺陷4.1.3 调制电路和自动功率控制调制电路和自动功率控制1 1、调制电路、调制电路作用：把一数字作用：把一数字电脉冲信号电脉冲信号，转变称，转变称脉冲光信号脉冲光信号采用的方式：采用的方式：电流开关电路电流开关电路共发射极驱动电路共发射极驱动电路 LEDLED差分电流开关电路差分电流开关电路 LDLD共发射极驱动电路共发射极驱动电路由由三极管三极管组成，这种简单的驱动电路主要用于以发光组成，这种简单的驱动电路主要用于以发光二极管二极管LEDLED作为光源的光发射机作为光源的光发射机图图 4.6 共发射极驱动电路共发射极驱动电路 数字信号数字信号Uin从三极管从三极管V V的基极输的基极输入，通过集电极的电流驱动入，通过集电极的电流驱动LEDLED。数字信号数字信号“0”0”码时码时，对应于，对应于V V的的截止截止“1”1”码时码时，对应，对应饱和饱和状态，即状态，即集电极有放大电流，对集电极有放大电流，对LEDLED施加施加了了正向电压。正向电压。这种驱动电路适用于这种驱动电路适用于10 Mb/s以以下的低速率系统，更高速率系下的低速率系统，更高速率系统应采用差分电流开关电路。统应采用差分电流开关电路。射极耦合驱动电路射极耦合驱动电路适合于激光器系统使用适合于激光器系统使用电流源为由电流源为由V V1 1和和V V2 2组成的差分开关电路，它提供了恒定的偏置电组成的差分开关电路，它提供了恒定的偏置电流。流。在在V V2 2基极上施加直流参考电压基极上施加直流参考电压U UB B，V V2 2集电极的电压取决于集电极的电压取决于LDLD的正的正向电压，数字电信号向电压，数字电信号U Uinin从从V V1 1基极基极输入。输入。V2V1Ib电流源IoUinLD当信号为当信号为“0”0”码时，码时，V V1 1基极电位比基极电位比U UB B高高,V,V1 1抢抢先导通，先导通，V V2 2截止，截止，LDLD不发光；不发光；0 0 码码图图 4.7 射极耦合射极耦合LD驱动电路图驱动电路图 当信号为当信号为“”码时，码时，V V1 1基极电位比基极电位比U UB B低，低，V V2 2抢先导通，驱动抢先导通，驱动LDLD发光。发光。1 码码V V1 1和和V V2 2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。当三极管截止频率管截止频率f fr r4.5 GHz4.5 GHz时，这种电路的调制速率可达时，这种电路的调制速率可达300 Mb/s300 Mb/s。射极耦合电路为恒流源，电流噪声小射极耦合电路为恒流源，电流噪声小动态范围小，功耗较大动态范围小，功耗较大。优缺点优缺点V2V1Ib电流源IoUinLD2 2、自动功率控制、自动功率控制由于温度变化和工作时间加长，由于温度变化和工作时间加长，LDLD的输出光功率会发生变化。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。为保证输出光功率的稳定，必须改进电路设计。利用利用反馈反馈电流使输出光功率稳定的电流使输出光功率稳定的LDLD驱动电路驱动电路由由V V3 3支路为支路为LDLD提供的提供的偏置电流偏置电流I Ib b受到激光受到激光器背向输出光平均功器背向输出光平均功率率 和输入数字信和输入数字信号均值号均值 的控制。的控制。图 4.8 反馈稳定LD驱动电路V2V1电流源IoUinV3A1CIbRf信号参考UR输出监测PD检测器LDUB1UA1Uin+图 4.8 反馈稳定LD驱动电路V2V1电流源IoUinV3A1CIbRf信号参考UR输出监测PD检测器LDUB1UA1Uin+功率控制过程功率控制过程在反馈电路中引入信号参考电压的目的，是使在反馈电路中引入信号参考电压的目的，是使LDLD的偏置电流的偏置电流I Ib b不受码流中不受码流中“0”0”码和码和“1”1”码比例变化的影响。码比例变化的影响。V2V1信号参考Uin+A1+A2+A3PD直流参考 U UV3LD一个更加完善的自动功率控制自动功率控制(APC)电路如图4.9所示图 4.9 APC电路原理 4.1.4 温度特性和自动温度控制温度特性和自动温度控制1.1.激光器的温度特性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温度对激光器输出光功率的影响主要通过阈值电流阈值电流Ith和和外微外微分量子效率分量子效率d产生产生 温度升高使得输出光脉冲的光功率降低温度升高使得输出光脉冲的光功率降低PPII 图 4.10 温度引起的光输出的变化(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 20252070 结发热效应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，这种效应称为称为“结发热效应结发热效应”I1I0t=0t=T图 4.11 结发热效应 电流脉冲光脉冲设设t=0时时电脉冲到来，注入电流为电脉冲到来，注入电流为I1，由，由于电流的热效应，在脉冲持续时间里，于电流的热效应，在脉冲持续时间里，结区的结区的温度温度随时间随时间t而升而升高高，激光器的，激光器的阈值电流阈值电流随随t t而而增大增大，使，使输出光脉冲的输出光脉冲的幅度随幅度随t t而减小而减小。当当t=T时时电流脉冲过后，注入电流从电流脉冲过后，注入电流从I1减减小到小到I0，电流散发的热量减少，结区，电流散发的热量减少，结区温温度度随随t t而而降低降低，阈值电流减小阈值电流减小，使，使输出输出光脉冲的幅度增大光脉冲的幅度增大。“结发热效应结发热效应”将引起将引起调制失真调制失真。与调制速率对激光器瞬态特性的影响相反，与调制速率对激光器瞬态特性的影响相反，低调制速低调制速率的率的“结发热效应结发热效应”更加明显更加明显。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。区温度来不及发生变化。2 2、自动温度控制、自动温度控制激光器致冷器控制电路热导热敏电阻热敏电阻图 4.12 温度控制方框图 热敏电阻作为传热敏电阻作为传热敏电阻作为传热敏电阻作为传感器，探测激光感器，探测激光感器，探测激光感器，探测激光器结区的温度器结区的温度器结区的温度器结区的温度控制电路控制电路控制电路控制电路制冷器制冷器制冷器制冷器降低结区温度，降低结区温度，降低结区温度，降低结区温度，使激光器保持稳使激光器保持稳使激光器保持稳使激光器保持稳定输出功率定输出功率定输出功率定输出功率致冷器致冷器致冷器致冷器的冷端和激光器的热沉接触的冷端和激光器的热沉接触 目目前前，微微微微致致致致冷冷冷冷大大多多采采用用半半导导体体致致冷冷器器，它它是是利利用用半半导导体体材材料料的的珀尔帖效应珀尔帖效应制成的电偶来实现致冷的制成的电偶来实现致冷的（当当直直流流电电流流通通过过两两种种半半导导体体组组成成的的电电偶偶时时，出出现现一一端端吸吸热热另另一一端端放放热热的的现现象，这种现象称为象，这种现象称为珀尔帖效应珀尔帖效应。)用用若若干干对对电电偶偶串串联联或或并并联联组组成成的的温温差差电电功功能能器器件件，温温度度控控制制范范围可达围可达 3040。为为提提高高致致冷冷效效率率和和温温度度控控制制精精度度，把把致致冷冷器器和和热热敏敏电电阻阻封封装装在在激激光光器器管管壳壳内内，温温度度控控制制精精度度可可达达0.5。从从而而使使激激光光器器输输出出平均功率和发射波长保持恒定，避免调制失真。平均功率和发射波长保持恒定，避免调制失真。+AR4TECtRTLDPIN24681357+UR1R2R3BA+UV在设定温度在设定温度(例如例如20)时，调节时，调节R R3 3使电桥平衡，使电桥平衡，A A、B B两点没有电位差，传输两点没有电位差，传输到运算放大器到运算放大器A A的信号为零，流过的信号为零，流过致冷器致冷器致冷器致冷器TECTEC的电流也为零。的电流也为零。ATCATCATCATC电电电电路路路路主主要要由由R R1 1、R R2 2、R R3 3和和热热敏敏电电阻阻RTRT组组成成“换换能能”电电桥桥，通通过过电电桥桥把把温温度度的的变变化化转转换换为为电电量量的的变变化化。运运算算放放大大器器A A的的差差动动输输入入端端跨跨接接在在电电桥桥的的对对端端，用用以改变三极管以改变三极管V V的基极电流。的基极电流。+AR4TECtRTLDPIN24681357+UR1R2R3BA+UV发射极电发射极电压升高压升高基极电压基极电压升高升高制冷制冷电桥平衡电桥平衡打破打破对调制电路和控制电路的要求如下：对调制电路和控制电路的要求如下：(1)(1)输出光脉冲的输出光脉冲的通断比应大于通断比应大于1010，以保证足够的光接收信噪比。，以保证足够的光接收信噪比。(2)输输出出光光脉脉冲冲的的宽宽度度应应远远大大于于开开开开通通通通延延延延迟迟迟迟(电电电电光光光光延延延延迟迟迟迟)时时时时间间间间，光光脉脉冲冲的的上上升升时时间间、下下降降时时间间和和开开通通延延迟迟时时间间应应足足够够短短，以以便便在在高高速速率率调调制制下下，输输出的光脉冲能准确再现输入电脉冲的波形出的光脉冲能准确再现输入电脉冲的波形(3)对对激激光光器器应应施施加加足足够够的的偏偏置置电电流流，以以便便抑抑制制在在较较高高速速率率调调制制下下可可能能出现的张弛振荡，保证发射机正常工作出现的张弛振荡，保证发射机正常工作(4)应应采采用用自自动动功功率率控控制制(APC)和和自自动动温温度度控控制制(ATC)，以以保保证证输输出出光光功率有足够的稳定性功率有足够的稳定性