光源调制和光发射机.ppt
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1、第四章第四章 光源的调制和光发射机光源的调制和光发射机关于光源的调制和光发射机第一张,PPT共三十五页,创作于2022年6月第四章第四章 光源的调制和光发射机光源的调制和光发射机一、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
2、真小,应适当选择直流偏置注入电流的大小。第二张,PPT共三十五页,创作于2022年6月第四章第四章 光源的调制和光发射机光源的调制和光发射机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。第三张,PPT共三十五页,创作于2022年6月第四章第四章 光源的调制和光发射机光源的调制和光发射机二、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
3、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。第四张,PPT共三十五页,创作于2022年6月第四章第四章 光源的调制和光发射机光源的调制和光发射机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,
4、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)。第五张,PPT共三十五页,创作于2022年6月第四章第四章 光源的调制和光发射机光源的调制和光发射机 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
5、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六张,PPT共三十五页,创作于2022年6月第四章第四章 光源的调制和光发射机光源的调制和光发射机三、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
6、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。第七张,PPT共三十五页,创作于2022年6月第四章第四章 光源的调制和光发射机光源的调制和光发射机 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
7、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。第八张,PPT共三十五页,创作于2022年6月第四章第四章 光源的调制和光发射机光源的调制和光发射机 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
8、此,选择激光器时应特别注意。第九张,PPT共三十五页,创作于2022年6月第四章第四章 光源的调制和光发射机光源的调制和光发射机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%。第十张,PPT共三十五页,创作于2022年6月第四章第四章 光源的调制和光发射机光
9、源的调制和光发射机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。第十一张,PPT共三十五页,创作于2022年6月第四章第四章 光源的调制和光发射机光源的调制和光发射机二、光发射机的组成 数字光发射机的原理框图如下:第十二张,PPT共三十五页,创作于2022年6月第四章第四章 光源的调制和光发射机光源的调制和光发射机光发射机主要由光源和电路两部
10、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。第十三张,PPT共三十五页,创作于
11、2022年6月第四章第四章 光源的调制和光发射机光源的调制和光发射机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。第十四张,PPT共三十五页,创作于2022年6月第四章第四章 光
12、源的调制和光发射机光源的调制和光发射机 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。
13、第十五张,PPT共三十五页,创作于2022年6月第四章第四章 光源的调制和光发射机光源的调制和光发射机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9/17/202216第十六张,PPT共三十五页,创作于2022年6月
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