第4章光源的调制和光发射机课件.ppt

第4章光源的调制和光发射机第1页，此课件共32页哦一、光源的直接调制 这种调制方式又称为“内调制”。直接调制常用的三种方法 模拟强度调制（AIM）这种方式与基带传输相似。脉冲位置调制（PPM）这种方式适应光源和检测管的特性，实际仍属于模拟调制。数字调制，如PCMIM，这是常用方式。模拟信号的直接调制 这种调制方法就是直接让LED的注入电流跟随反映语音或图像等模拟量变化，从而使LED管的输出光功率跟随模拟信号变化(如图4.1)。由图可见，这了使已调制的光波信号的非线性失真小，应适当选择直流偏置注入电流的大小。第2页，此课件共32页哦数字信号的直接调制数字信号的直接调制LD和LED直接光强数字调制原理如图4.2所示：It：阈值电流IB：偏置电流ID：注入调制电流 由图可见，当LD激光器的驱动电流I大于阈值It电流时，输出光功率P和驱动电流I基本上是线性关系，输出光功率正比于输入电流，所以输出光信号反映输入电信号。第3页，此课件共32页哦二、光源的间接调制 如图4.3所示，它是根据某些“电/光”或“声/光”晶体的光波传输特性随电压或声压等外界因素的变化而变化的物理现象而提出的一种调制方式。对光源的直接调制，具有简单方便等优点，但这种调制方法会使得激光器的动态谱线增宽，造成在传输时色散增大，从而限制了通信容量和传输速率。采用间接调制可克服上述缺点，尤其在调制速率上，至少可提高一个数量级。第4页，此课件共32页哦下面简单介绍常用的二种间接调制器。1、电/光调制器 电光调制器的基本工作原理是晶体的线性电光效应，电光效应是指：电场引起晶体折射率变化的现象。能够产生电光效应的晶体称为电光晶体。如令为电光晶体折射率由外加电场 引起的变化，它可随 成线性变化，也可随E成平方变化（非线性）。在调制器中，主要利用电光晶体的线性变化项，称帕克耳帕克耳效应。（Pockels effect）。第5页，此课件共32页哦 2、声/光调制器 声/光调制器是利用介质的声光效应制成。所谓声光效应，是由于声波在介质中传播时，介质受声波压强作用而产生应变，这种应变使得介质的折射率发生变化，从而影响光波传输特性，这就是声光效应。将钛（Ti）扩散到铌酸锂（Li Nb O2）基底材料上，用光刻法制出波导的具体尺寸，可构成光波导调制器，它具有体积小，重量轻，有利于光集成等特点。具有代表性的光波导调制器包括：1光波相位调制器2行波方向耦合型光波导调制器3干涉型光波导调制器4衍射型光波导调制器第6页，此课件共32页哦三、光源的调制特性 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，张驰振荡和自脉动现象。这种特性严重限制系统传输速率和通信质量，在电路的设计时，要给予充分考虑。1、电光延迟和张驰振荡现象 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4.4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，称光电延迟时间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，称为张驰振荡，其频率 一般为 0.52GHz。这些特性与激光器有源区的电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命以及注入电流初始偏差量有关。第7页，此课件共32页哦 张驰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驰振荡频率时(f调maxfr)，波形失真严重，会使接收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驰振荡频率。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“码型效应”如图4.5所示。用适当的“过调制”补偿方法，如图4.5（C）所示，可以消除型效应。第8页，此课件共32页哦 2、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调频振荡，这种现象称自脉动现象（如图4.6所示）。频率可达2GHZ，严重影响LD的高速调制特性。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PI曲线的非线性有关，自脉动发生的区域和PI曲线扭折区域相对应，因此，选择激光器时应特别注意。第9页，此课件共32页哦4-2 光发射机光发射机 在光纤通信中，光发射机的作用是把从电端机送来的电信号转变成光信号，送入光纤路进行传输。一、对光发射机的要求1、有合适的输出光功率 光发射机的输出光功率，通常是指耦合进光纤的功率，亦称入纤功率。入纤功率越大，可通信的距离就越长，但太大也会使系统工作于非线性状态，对通信产生不良影响，甚至烧坏光接机的PIN管，这要根据实际情况进行设计，同时要求光功率稳定度在510%。第10页，此课件共32页哦2、有较好的消比Ext定义：Ext 对已调制的光源，希望在“0”码时，没有光功率输出，否则它将使系统产生噪声，从而使接收机灵敏度下降，一般要求Ext10%。3、调制特性好 即要求调制效率和调制频率要高，以满足大容量、高速率光纤通信系统的要求。4、其它 要求电路简单，成本低，光源寿命长，运行稳定可行等。第11页，此课件共32页哦二、光发射机的组成 数字光发射机的原理框图如下：第12页，此课件共32页哦光发射机主要由光源和电路两部分组成，各部分功能如下：1、光源对通信用光源的要求如下（1）发射的光波长和光纤低损耗“窗口”一致，即中心波长应在0.85m,1.31m和1.55m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，以满足系统大传输容量的要求。（4）器件能在常温下以连续波方式工作，要求温度稳定性好，可靠、长寿命。（5）其它：体积小，重量轻，安装方便，价低。第13页，此课件共32页哦2、电路光发射机的电路主要有：调制电路、控制电路、线路编码电路。三、调制电路和自动功率控制（APC）1、LED光源的驱动电路 如图4.8所示，由三极管组成的共发射极驱动电路，这种简单的驱动电路主要用于用LED作为光源的光发射机。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，数字信号的“0”，“1”码对应着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，这种驱动电路适用于10Mb/s以下的低速率系统，更高速率应采用差分电流开关电路。第14页，此课件共32页哦 2、LD光源的调制驱动电路 如图4.9所示电路，是适用于激光器系统使用的射极耦合驱动电路。1）工作原理（调制驱动电路）电流源为由V1、V2组成的差分开关电路提供了恒定的偏置电流，在的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，数字信号Uin从V1 基极输入，当信号为“1”码时，V1(Ub1高于UB)导通，V2截止，LD不发光，反之，当输入“0”码时，V2导通，而V1截止，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。当三极管V1、V2的截止频率fr4.5GHZ时，这种电路的调制速率可达300Mb/s。第15页，此课件共32页哦V Vinin+V+VV Vbbbbi is sT T1 1T T2 2LDLDI I1 1I I2 2-V-VLD驱动电路驱动电路 图图4.94.9为射极耦合为射极耦合LD驱动电路驱动电路T1T1和和T2T2组成差分开关电路组成差分开关电路 .当当V VininVVbbbb I I2 2=0 LD=0 LD不发光不发光 “0 0”码码.当当V VininVVbbbb I I1 1=0 LD=0 LD发光发光 “1 1”码码第16页，此课件共32页哦 射极耦合电路为恒流源，电流噪声小，此电路缺点是动态范围小，功耗大。激光器驱动电路的调制速率受电路所用电子器件性能限制，采用LD和驱动电路集成在一起的单片集成电路可以提高调制速率和改进光发射机的性能。第17页，此课件共32页哦 2）自动功率控制（APC）(06*3)由于工作时间加长和温度的变化，LD的输出功率会发生变化。为保证输出光功率的稳定，图4.10所示电路是利用反馈电流使输出光功率稳定的LD驱动电路。第18页，此课件共32页哦 由图4.10可见，主体电路同上，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，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：P PLDLDUUpdpd(U(Updpd+V+VR2R2+V+VR R)UUA AIIb bPPLDLD 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。第19页，此课件共32页哦 一个更加完善的APC电路如图所示，从LD背向输出的光功率，经PD检测器检测、运放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V3组成直流恒流源调节LD的偏流，使输出光功率稳定。第20页，此课件共32页哦V VininV VbbbbT T1 1T T2 2A1A1LDLDA2A2A3A3-V-V-V-VT T3 3C CPiNPiN.自动功率控制自动功率控制(APC)(APC)电路电路 .因老化因老化 P P光光A1A1 A3A3偏置电流偏置电流P P光光 .A2.A2的作用防止当无信号或长的作用防止当无信号或长“0 0”码时，因码时，因APCAPC电路使电路使 LDLD管注入电流增加，引起误码。管注入电流增加，引起误码。第21页，此课件共32页哦 四、温度特性和自动温度控制（ATC）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It和外微分量变化产生（如图4.12）。第22页，此课件共32页哦 外微分量子效率：在门限值以上，每秒钟注入的电子数的变化所引起的接收到的光子数的变化 ，:外微分量子效率，:结电压，我们将电流的变化量 所引起的输出功率的变化量 ，称外微分量子。第23页，此课件共32页哦2、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，因而使输出形状发生变化，这种效应叫结发热效应。设t=0时脉冲到来，注入电流I1，由于电流的热效应，在脉冲持续时间内，结区的温度随t而升高，It而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减小到了I0，电流散发的热量减小，使输出的光脉冲幅度增大。结发热效应将引起调制失真。第24页，此课件共32页哦3、自动温度控制（ATC）温度控制装置一般由致冷器、热敏电阻和控制电路组成，原理框图如图4.14第25页，此课件共32页哦 制冷器的冷端和激光器的热层接触，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，通过控制电路改变制冷量，使激光器输出特性保持恒定。目前，微制冷大多采用半导体制冷器，它是利用半导体材料的珀尔帖效应珀尔帖效应制成的电偶来实现制冷的，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3040，为提高制冷效率和温度控制精度，把制冷器和热敏电阻封装在激光器管壳内，温控精度可达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。第26页，此课件共32页哦图4.15给出了ATC电原理图 由R1、R2、R3和RT组成换能电桥，通过电桥把温度的变化转换成电量的变化，由运放A的差动输入端跨接在电桥的对瑞，用以改变三极管V的基极电流。在设定温度时（例20），调节R3使电桥平衡，A、B两端没有电位差，传输到运放A的信号为零。流过制冷器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，UBUA，运放A的输出电压升高，V1的基极电流增大，制冷器TEC的正向电流也增大，致冷端温度降低，热沉及管芯的温度也降低，因而保持温度恒定。反之亦然。第27页，此课件共32页哦控制过程如下：T（环境）T（LD热沉）RTI（TEC）T（LD）ATC的制冷器、热敏电阻、APC的PINPD封装在LD的管壳内构成组件如图：第28页，此课件共32页哦教材上的电路教材上的电路A AT T1 1自动温度控制（自动温度控制（ATCATC）电路）电路 半导体制冷器半导体制冷器T T是一个热电偶，加压后，在一端吸热另一端放热，是一个热电偶，加压后，在一端吸热另一端放热，实现制冷实现制冷(使使LDLD管芯的温度恒定在管芯的温度恒定在20 20 左右）。左右）。.TTTTLDLDRtI TRtI TLDLD-V-VLDLDR R1 1R2R2R R3 3R Rt tT T+V第29页，此课件共32页哦五、辅助电路（如图五、辅助电路（如图4.17）光源过流保护电路 可在光源二极管上反向并联一只肖特基二极管，以防止反向冲击电流过大。无光告警电路 当激光器“较长时间“不发光，这时延迟电路将发出告警指示。LD偏流（寿命）告警 一般当偏流大于原始值的34倍时，LD寿命完结，所以应设置上限，越限告警，且偏流要有慢启动保护。(07*)第30页，此课件共32页哦4-3光源与光纤的耦合光源与光纤的耦合 在发射机中，应尽可能地将光源耦合进入光纤中，以增强发射光功率，光源与光纤的耦合效率与光源的类型（LED或LD）及光纤的类型（多模或单模）有关，LD与单模光纤的耦合效率可以达到3050%，而LED与单模光纤的耦合效率可能小于10%。一般来说，光源在封装过程中都带有一段耦合好的尾纤，尾纤与传输光纤的连接可以采用熔接或活动光纤连接器，在一些光源的封装中，直接将活动光纤连接器的套筒与光源利用透镜进行光学耦合，传输光纤可以直接插在套筒上。第31页，此课件共32页哦 光源与光纤的耦合，一般采用两种方式，即直接耦合与透镜耦合。直接耦合方式中1将经处理的光纤端面尽可能地靠近光源的发光面，当调整到耦合效率最高时，用粘接剂（或金属化封装）将光纤与光源的相对位置固定。2光纤端面可以处理成平面，也可以采用拉锥烧球的方法在光纤端面形成一个透镜以增加耦合效率，如图4.18所示。第32页，此课件共32页哦