CH4-1 光端机(精品).ppt

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1、第四章 光端机第一讲主要内容n光发射机概述n光发射机基本组成n光发射机的调制特性n调制电路与自动功率控制电路n温度特性与自动温度控制1.光发射机概述n数字光发射机数字光发射机的功能功能:电端机输出的数字基带电电信号转换为光光信号用耦合技术注入注入光纤线路用数字电信号对光源进行调制调制调制分为直接调制直接调制和外调制外调制两种方式受调制的光源特性参数有：受调制的光源特性参数有：功率、功率、幅度、频率和相位幅度、频率和相位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

2、流大于阈值电流Ith时，输出光功率P和驱动电流I基本上是线性关系线性关系线性关系线性关系 输出光功率光功率光功率光功率和输输输输入入入入电电电电流流流流成正比，输输出光信号反映出光信号反映输输入入电电信号信号2.光发射机基本组成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2.光发射机基本组成1.1.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)发射的光波长应和光纤低损耗”窗口”一致，即中心波长应在0.85m、1.31m和1.55m附近。光光谱谱单单色色性

3、性要要好好，即即谱谱线宽度要窄线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。(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。发射光束的方方方方向向向向性性性性要要要要好好好好，即远场的辐射角要小，以利于提高光源与光纤之间的耦耦耦耦合效率合效率合效率合效率。2.光发射机基本组成(3)允允许许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，以满足系统的大传输容量的要求。(4)器件应能在常温下以连续波方式工作，要求温度稳定性好，可靠性高，寿命长。(5)此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。2.光发射

4、机基本组成2.2.调制电路和控制电路调制电路和控制电路直接光强调制的数字光发射机主主要要电电路路有有:调调制制电电路路、控控制制电电路和线路编码电路路和线路编码电路采用激光器激光器激光器激光器作光源时，还有偏置电路偏置电路偏置电路偏置电路对调制电路和控制电路的要求如下：(1)输出光脉冲的通通断断比比(全“1”码平均光功率和全“0”码平均光功率的比值，或消光比的倒数)应应大大于于1010，以保证足够的光接收信噪比。2.光发射机基本组成(2)输出光脉冲的宽度应远大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，光脉冲的上升时间、下降时间和开通延迟时间应足够短

5、，以便在高速率调制下，输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，以便抑制在较高速率调制下可能出现的张弛振荡，保证发射机正常工作。(4)应采用自自动动功功率率控控制制(APC)(APC)和自自动动温温度度控控制制(ATC)(ATC)，以保证输出光功率有足够的稳定性。2.光发射机基本组成3.3.线路编码电路线路编码电路电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码，而光源不能发射负脉冲，要变换为适合于光纤传输的单极性码。单极性码。单极性码。单极性码。3.光发射机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

6、出现许多复杂现象，如常见的电电光光延延迟迟、张张弛振荡弛振荡和自脉动现象自脉动现象。这些特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。3.光发射机的调制特性1.1.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4.3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，称为电光延迟时间电光延迟时间电光延迟时间电光延迟时间t td d，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，称为张张张张弛弛弛弛振振振振荡荡荡荡

7、，其振荡频率fr(=r/2)一般为0.52 GHz。这些特性与激光器有源区的电电电电子子子子自自自自发发发发复复复复合合合合寿寿寿寿命命命命和谐谐谐谐振振振振腔腔腔腔内内内内光子寿命光子寿命光子寿命光子寿命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。3.光发射机的调制特性图 4.3 光脉冲瞬态响应波形 张弛振荡张弛振荡张弛振荡张弛振荡和电光延迟电光延迟电光延迟电光延迟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，会使光接收机在抽样判决时增加误码率，因此实际使用的最最最最高高高高调调调调制频率应低于

8、张弛振荡频率制频率应低于张弛振荡频率制频率应低于张弛振荡频率制频率应低于张弛振荡频率。td3.光发射机的调制特性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td与数字调制的码元持续时间T/2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“”码丢失，这种现象称为“码型效应码型效应”。3.光发射机的调制特性1 2电脉冲光脉冲2ns5ns2ns图4.4 码型效应（a)、(b)码型效应波形；（c）改善后波形(a)(b)(c)3.光发射机的调制特性2.2.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围时，输出光脉冲出现持

9、续等幅的高频振荡，这种现象称为自脉动现象自脉动现象，如图4.5所示。自脉动频率可达2GHz，严重影响LD的高速调制特性。3.光发射机的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激光器内部不均匀增益或不均匀吸收产生的，往往和LD的P-I曲线的非线性有关,自脉动发生的区域和P-I曲线扭折区域相对应。4.调制电路与自动功率控制电路n数字信号调制电路应采用电流开关电路，最常用的是共发射极驱动电路共发射极驱动电路和和差分电流开关电差分电流开关电路路。图图 4.6 共发射极驱动电路共发射极驱动电路 图4.6示出由三极管组成的共发射极驱动电路共发射极驱动电路，这种简单的驱动电路主

10、要用于以发光二极管LED作为光源的光发射机。这种驱动电路适用于10Mb/s以下的低速率系统，更高速率系统应采用差分电流开关电路。图图 4.7 射极耦合射极耦合LD驱动电路图驱动电路图 图4.7是常用的射极耦合射极耦合驱动电路驱动电路，适合于激光器系统使用。电流源为由V1和V2组成的差分开关电路，它提供了恒定的偏置电流。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。当三极管截止频率ft4.5GHz时，这种电路的调制速率可达300Mb/s。射极耦合电路为恒流源，电流噪声小，这种电路的缺点是动态范围小，功耗射极耦合电路为恒流源，电流噪声小，这种电路的缺点是动态范围小，功耗较大。较大。图

11、 4.8 反馈稳定LD驱动电路由于温度变化和工作时间加长，LD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。图4.8是利用反馈电流使输出光功率稳定的LD驱动电路，其主体和图4.7相同，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，其控制过程如下：PLD UPD (UPD+UR)UA1 Ib PLD在在反反馈馈电电路路中中引引入入信信号号参参考考电电压压的的目目的的，是是使使LDLD的的偏

12、偏置置电电流流IbIb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。5.温度特性与自动温度控制1.激光器的温度特性激光器的温度特性n激光器的温度特性在3.1节已经讨论过，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和外微分量外微分量子效率子效率d产生。n图4.10(a)和(b)分别示出温度通过阈值电流和外微分量子效率引起的输出光脉冲的变化：温度升高升高，阈值电流增加增加 外微分量子效率减小减小，输出光脉冲幅度下降下降 温度对输出光脉冲会产生“结发热效应结发热效应”。5.温度特性与自动温度控制PPII图图 4.10 4.10 温度引起的光输出的

13、变化温度引起的光输出的变化(a)(a)阈值电流变化引起的光输出的变化；阈值电流变化引起的光输出的变化；(b)(b)外微分量子效率变化引起的光输出的变化外微分量子效率变化引起的光输出的变化 20。C25。C20。C70。C5.温度特性与自动温度控制即使环境温度不变，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t=0时时电脉冲到来，注入电流为I1，由于电流的热效应，在脉冲持续时间里，结区的温度随时间t而升高，激光器的阈值电流随t而增大，使输出光脉冲的幅度随t而减小。

14、当t=T时时电流脉冲过后，注入电流从I1减小到I0，电流散发的热量减少，结区温度随t而降低，阈值电流减小，使输出光脉冲的幅度增大。5.温度特性与自动温度控制n“结发热效应结发热效应”将引起调制失真将引起调制失真。n与调制速率对激光器瞬态特性的影响相反，低低调制速率的调制速率的“结发热效应结发热效应”更加明显更加明显。n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。5.温度特性与自动温度控制2.自动温度控制自动温度控制n半导体光源的输出特性受温度影响很大，特别是长波长半导体激光器长波长半导体激光器对温度更加敏感。为保证输出特性的稳定，对激光器进行温度控制是十分必要的。图

15、图4.12 4.12 温度控制方框图温度控制方框图激光器致冷器热敏电阻热敏电阻控制电路热导热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻温度控制装置一般由致冷器致冷器、热敏电阻热敏电阻和控制电路控制电路组成。致冷器致冷器致冷器致冷器的冷端和激光器的热沉接触，热敏电阻热敏电阻热敏电阻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，通过控制电路控制电路控制电路控制电路改变致冷量，使激光器输出特性保持恒定。5.温度特性与自动温度控制n目前，微致冷微致冷大多采用半导体致冷器半导体致冷器，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致冷的。n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。n为提高致冷效率和温度控制精度，把致冷器和热敏电阻封装在激光器管壳内，温度控制精度可达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。ATCATCATCATC电电电电路路路路主要由R1、R2、R3和热敏电阻RT组成“换换能能”电电桥桥，通过电桥把温度的变化转换为电量的变化。运算放大器A的差动输入端跨接在电桥的对端，用以改变三极管V的基极电流。