光发射电路讨论.ppt

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1、光发射电路讨论模块开发部传输组主讲人：刘继军2005/5/201主要内容主要内容光发射电路构成LD驱动电路简介LD的瞬态特性自动功率控制电路(APC)自动温度控制电路(ATC)LD两种典型驱动电路单管和射极耦合LED模拟驱动电路简介MAX3869驱动电路应用2光发射电路光发射电路在光纤通信系统中，光发射机是将电信号转变为光信号，并把发出的光有效的耦合至光纤。光发射电路主要由光源驱动器、光源（主要是半导体光源包括LED、LD等）、自动光功率控制电路（APC）、检测器、自动温度控制电路（ATC）以及告警电路等部分组成3光模块激光管分类光模块激光管分类类型类型工作波工作波长长(nm)特点特点LEDL

2、ightEmitting850低成本，性能一般，只能用于100M左右低速传输FPFabry-PerotLaser1310通用，性能尚可，可用于中距离高速传输DFBDistribution-FeedbackLeaser1310，1550成本较高，能提供较高功率，用于长途传输VCSELVericalCavitySufaceEmittingLaser850，1310生产成本低，短距离传输，可用于高速EMLElectro-AbsorptionModulatorwithLaser1310，1550成本很高，且需要提供较高的电压，但可传输100KM以上的距离MZMach-ZenderModulator使用

3、很少，工艺复杂可传输;可传输640KM以上的距离4LD驱动电路简介驱动电路简介LD驱动电路:激光器内的光源LD(激光二极管)只有注入偏置电流Io和调制电流Im才能发射光.所谓的驱动电路就是提供恒定的偏置电流和调制信号,并采用伺服回路以保持平均输出光功率恒定的电路.驱动电路的组成:主要由调制电路和控制电路组成驱动电路的作用控制电路的作用是消除温度变化和光源器件老化导致的输出光信号的变化；调制电路的作用是如何将光信号加载到光源的发射光束上驱动电路的调制分类:按调制信号的形式分为模拟调制和数字调制按调制和光源关系分为直接调制和间接调制两种5简单模拟调制电路该电路主要用于以LED为光源的光发射机。模拟

4、信号Uin从三极管V的基极输入，通过集电极的电流驱动LED发光。模拟信号分别对应于V的截止和饱和状态，电流的大小根据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。(a)简单的模拟调制电路R2 R1 C1 Uin Uc v LED R36数字调制电路该电路适合激光器系统使用。电流源由V1和V2组成的差分开关电路，它提供恒定的偏置电流。在V2基极上施加直流参考电压UB，V2集电极的电压取决于LD的正向偏压，数字电信号Uin从V1的基极输入。当信号为“1”时，V1的基极电位比UB高而先导通，V2截止，LD不发光。当信号为“0”时，V1的基极电位比UB低，而V2先导通，驱动

5、LD发光。V1和V2轮流处于截止和非饱和导通状态，有利于提高调制速率。该电路的调制速率可达到300Mb/s,电流噪声小，但动态范围小，功耗较大。(b)数字调制电路电流源I0 v1 v2 LDIb-Ue Rvcc UB Uin(b)数字调制电路7LD的瞬态特性的瞬态特性电光延迟张弛振荡现象自脉动现象结发热效应8电光延迟 电光延迟激光器在高速调制下，输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在的一个初始延迟时间。其数量级一般为ns。电光延迟会引入码型效应。当电光延迟时间与数字调制信号的码元持续时间为相同数量级时，会使“0”码后的第一个“1”码脉冲宽度变窄，幅度变小，严重时使单个“1”码丢失，这种现象即“码型效

6、应”。码型效应的特点是在脉冲序列中较多的“0”之后出现的“1”码，其脉冲明显变小，而且连“0”数越多，调制速率越高，该效应越明显。消除码型效应的方法很多，最简易行的是增加直流偏置电流9张弛振荡现象张弛振荡现象当电流脉冲注入激光器时，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡现象。其振荡频率一般为0.5到2GHz。该现象和电光延迟都会影响调制速率。当最高调制频率接近张弛振荡频率时，波形严重失真，会使接收机在抽样判决时增加误码率，故实际调制频率应小于张弛振荡频率。10 电光延迟 、张弛振荡频率 和幅度衰减时间 的表达式为：(a)(b)(c)其中 是电子复合寿命，是谐振腔内光子寿命，是注入电流密度，是阈值电

7、流密度，是张弛振荡幅度衰减到初始值的1/e时的时间。11从(c)式可知，电光延迟时间与自发复合的寿命时间处在同一数量级上，并随注入电流的加大而减少。可见对LD调制时,减少行之有效的方法是加直流预偏电流。直流预偏电流在脉冲到来之前已将有源区里的电子密度提高到一定的程度，从而使脉冲到来时，大大减少，而且张驰振荡现象也得到一定程度的抑制。12自脉动现象自脉动现象当注入电流达到某个范围时，输 出光脉冲出现持续等幅高频振荡的现象。它是由于激光器内部不均匀增益或不均匀吸 收产生的，与P-I特性的扭折区域相对应。自脉动频率可达2GHz，严重影响LD的高速调 制。自脉动频率随注入电流的增加而升高13结发热效应

8、注入电流的热效应会使LD阈值电流以及输出光功率发生变化。注入电流脉冲光脉冲结发热效应结发热效应14LD驱动电路驱动电路P-I曲线曲线LD器件利用在其有源区中受激辐射的原理，只有在工作电流超过阈值的情况下，才会输出激光,因而是有阈值的器件.下图为LD的P-I特性曲线和调制波形图.图中的为LD的阈值电流,随温度增高而增高；输出光功率随温度增加而减小。15LD单管驱动电路单管驱动电路图中可见，驱动LD光源器件必须是直流偏置Ib和信号电流(Im)共同作用的结果。能够满足LD光源驱动的简单电路有单管驱动电路，如下图所示：16单管驱动电路分析驱动晶体管VT工作于开关状态，当调制信号加于Si端时，VT通过其

9、集电极提供LD的调制电流Im。在调整通过另一路的直流偏置电流Ib就实现了对LD的有效调制。这种简单的驱动电路可以得到较大的驱动电流，并可获得上升时间为100ps的调制速度。但VT的开关状态也会造成电源负载不稳定，因而对供电电源的要求较高限制了它的应用。关于调制速度的介绍：可调速率也就是调制带宽是指当检测的电功率衰减到-3db时的调制频率的范围。它是由载流子的复合生存期T所决定的。BW=1/T.Tr=2.2T,式中Tr为上升时间.17LD射级耦合驱动电路射级耦合驱动电路比起单管驱动电路,射级耦合电流开关电路的开关转换时间短,响应速度快,结构简单,调整控制容易.使用它来作为LD驱动电路的基本结构形

10、式如下图:18实用化LD驱动电路在传输速率较高的数字光纤系统中,这种驱动电路为双端信号反相输入,其输入数据信号经相应速率的集成元件整形以后,一般都能达到驱动信号的波形要求,因而调整起来比较容易.同时由于VT1和VT2的基极所加的信号大小相等,相位相反,这样可以进一步提高电路的开关速度.这种驱动电路的温度稳定性,抗电源干扰的性能都比较好。因为这些因素引起的变化等于驱动电路的共模输入,由于恒流源电路,如下图所示.这样更好的加强了共模输入信号的负反馈作用,提高了这种LD驱动电路的共模抑制比,使LD调制电流Im的稳定可靠工作有了更有效的保证.19APC电路原理图电路原理图+-A1A2A3PDLDUiV

11、1V2V3-U直流参考信号参考-UIbUb20APC控制电路原理控制电路原理电路APC部分，采用背向光反馈自动偏置控制方式，即用半导体激光器组件中的PIN光电二极管监测激光器背向输出光功率。因为背向输出光功率能跟踪前向输出光功率的变化，通过闭环控制系统就可以调节激光器的电流，达到输出稳定光功率的目的。从LD的背向输出光功率，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的同相端，A3和V3组成的直流恒流源调节LD的偏置电流Ib，使LD输出光功率稳定。21控制过程控制过程如下：LD输出光功率背向光的输出PIN输出电流

12、A3反相端输入电压比较器A3输出电压V3的基极电流集电极电流偏置电流光功率输出光功率，从而维持光输出光功率恒定。22光发射机的光发射机的APC电路电路 APC的作用的作用：由于激光器的阈值电流阈值电流和外微分量子效率外微分量子效率会随着温度和器件的老化而变化而影响输出光功率；APC可确保激光器输出功率的稳定 采取的措施：采取的措施：控制激光器的偏置电流，使其自动跟踪阈值的变化，从而使激光器总是偏置在最佳工作状态控制激光器调制脉冲电流幅度，使其自动跟踪外微分量子效率的变化，从而保持输出光脉冲的幅度不变。23APC实际电路图一种实际的APC电路图如下：24APC实际电路分析它利用激光器谐振腔的后端

13、面发射的光作为反馈光信号，用光电二极管（PD）将光功率换成电流信号，并送到一低漂流的直流放大器A1和一宽带交流放大器A2。A1的输出信号比例于激光器发射的平均功率Pav,A2的输出信号送到峰值检波器，SD1和C3组成的正峰值检波器，A3的输出信号比例于(Pmax-Pmin);SD2和C4组成负峰值检测器；A4的输出信号比例于(Pav-Pmin).因此，放大器A5的输出信号比例于(Pmax-Pmin)，即比例于光脉冲的幅度，A9作为电流源输出，控制调制电流的幅度，维持激光器输出光脉冲的幅度恒定。A1和A4的输出信号之差在A7形成，A7的输出信号比例于Pmin,A8作为电流源输出，控制偏置电流Ib

14、，使Ib跟随阈值的变化，使激光器总是偏置在最佳位置。25ATC电路的必要性电路的必要性温度变化引起LD输出光功率的变化，虽然可以通过APC电路进行调节，使输出光功率恢复正常值。但是，如果环境温度升高较多，经APC调节后，IB增大较多，则LD的结温因此也升高很多，致使继续增大，造成恶性循环，从而影响了LD的使用寿命。因此，为保证激光器长期稳定工作，必须采用ATC使激光器的工作温度始终保持在20度左右。26ATC电路原理图电路原理图TECR1R2R3RRTPINLDAAB+U+UV+-27ATC控制电路原理控制电路原理温度控制装置由制冷器TEC、热敏电阻RT、和控制电路组成。由热敏电阻和R1、R2

15、、R3组成的“换能电桥”，通过电桥将温度变化转换为电流的变化。运算放大器的差动输入端跨接在电桥的对端，用于改变三极管的基极电流。在设定温度（如20）时，调节R3使电桥平衡，A、B点间无电位差，故流过制冷器TEC的电流为零。当环境温度升高时，LD的温度升高，使具有负温度系数的热敏电阻阻值变小，电桥失去平衡，使B点电位低于A点电位，运算放大器输出电压升高，V的基极电流增大，制冷器的电流也增大，制冷端温度降低，LD的温度也降低，保持温度恒定。28控制过程控制过程可表示为：T（环境）T（LD）RTI（制冷器）T（LD）29光发射机的光发射机的ATC电路电路通常温度控制采用微型制冷器,热敏元件及控制电路

16、组成.其方框图如下图所示。30ATC实际电路其实际电路如下图所示31ATC电路分析热敏电阻检测激光器的结温，与设定的基准温度比较，放大后，驱动制冷器控制电路，改变制冷量，以保持激光器在恒定温度下工作。微型制冷器多采用半导体制冷器，它利用半导体材料的珀耳帖效应制成。所谓帕耳帖效应是指当直流电流通过两种半导体（P型和N型）组成的电偶时，利用其一端吸热而另一端放热的效应。一对电偶的制冷量很小，但根据用途不同，将若干对电偶串联或并连，组成温差功能器，其中微型半导体制冷器的控制温差可达30-40为提高制冷效率和控制精度,常将制冷器和热敏电阻封装在激光器管壳内部,热敏电阻直接探测结区温度,制冷器直接与激光

17、器的热沉接触,这种方法可使激光器的结温控制在+-0.1范围内,从而是激光器有较恒定的输出光功率和发射波长.但温控无法阻止由于激光器老化而产生的输出光功率和频率的变化.32ATC电路分析上图中,热敏电阻RT接在电桥的一个臂上,在设定的温度下,电桥的状态应处在刚好使制冷器没有电流通过.当温度升高时,制冷器开始工作.热敏电阻具有负温度系数,电桥状态的变化自动控制制冷量的大小,以维持制冷器的结温度不高于设定的温度.温控电路的控制精度,与外围电路的设计和激光器的封装技术有直接关系一个高质量的封装,应能使热敏电阻能准确反映结温度,同时制冷器与PN结应有良好的热传导.33激光驱动器的选择激光驱动器的选择MA

18、XIM部分激光驱动器选择表34LDLD驱动器设计要求遵从以下原则驱动器设计要求遵从以下原则光发射器要求光发射器要求驱动器需要考虑的因数驱动器需要考虑的因数输出功率要求偏置电流幅度、精度、工作电压、自动功率控制能力等消光比率调制输出电流的幅度和精度，激光器调制电流的温度补偿能力眼图输出偶合方式及与激光管配合时，补偿电路是否容易实现抖动插入低抖动、低噪声、减少驱动器与发光源之间的距离35LED的模拟驱动电路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-

19、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。下图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IBImm。36LED的模拟驱动电路的模拟驱动电路37MAX3869芯片驱动电路芯片驱动电路应用应用：SONET/SDH传输系统和和2.5Gbps光发送器特征：特征：+3.3v或或+5v供电供电 内含调制和偏置电路且具有内含调制和偏置电路且具有APC功能功能 有有3个压控电流源和个压控电流源和2个镜像电流个镜像电流功能图功能图38MAX3869的应用的应用39激光器接口问题（a）直流耦合接口电路（b）交流耦合接口电路由于直流耦合存在“净空”的问题，所谓净空就是电流源与单个电路通道中个个电压降差。故一般采用交流耦合。40交流耦合的8个常见故障一：波形压缩1：信号显示如下：2.可能的原因：偏置电流设置偏低；数字0的大小在LD的阈值之下。3.41424344报告完毕报告完毕谢谢大家！谢谢大家！45