光源的调制和光发射机精选课件.ppt

第四章,光源的调制和光发射机,1,数字光发射机的功能是把电端机输出的数字基带电信号,转换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路。电,/,光转换,是用承载信息的数字电信号对光源进行调制来实现的。,4-1,光源的调制,在目前技术成熟并在实际中广泛使用的强度调制,直,接检波,(IM-DD),，光纤通信系统中，主要有两种调制方式。,一类是,直接调制,：即直接在光源上进行调制，直接调制,半导体激光器的注入电流；,另一类是,间接调制,：即不直接调制光源，而是在光源输,出的通路上外加调制来对光波进行调制，这种调制器可通过,电,/,光效应,或,声,/,光效应,等，利用,晶体传输特性随电压变化,来实,现对光波的调制。,第四章,光源的调制和光发射机,第四章,光源的调制和光发射机,2,一、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,PCM,IM,，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。,第四章,光源的调制和光发射机,3,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：,I,t,：阈值电流,I,B,：偏置电流,I,D,：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,I,t,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。,第四章,光源的调制和光发射机,4,二、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。,第四章,光源的调制和光发射机,5,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,效应。（,Pockels effect,）。,E,E,第四章,光源的调制和光发射机,6,2,、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,第四章,光源的调制和光发射机,7,三、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,0.5,2GHz,。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。,),2,(,?,?,r,r,f,?,第四章,光源的调制和光发射机,8,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,max,fr),，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,：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。,d,t,2,/,T,第四章,光源的调制和光发射机,9,2,、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,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，因此，选择激,光器时应特别注意。,第四章,光源的调制和光发射机,10,4,-,2,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,5,10%,。,第四章,光源的调制和光发射机,11,2,、有较好的消比,Ext,定义：,E,xt,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,E,xt,10%,。,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。,1,0,P,1,P,0,”码进的平均光功率,全“,”码时的平均光功率,全“,第四章,光源的调制和光发射机,12,二、光发射机的组成,数字光发射机的原理框图如下：,第四章,光源的调制和光发射机,13,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。,第四章,光源的调制和光发射机,14,2,、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,U,in,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。,第四章,光源的调制和光发射机,15,2,、,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,V,1,、,V,2,组成的差分开关电路提,供了恒定的偏置电流，在的,V,2,基极上施加直流,参考电压,U,B,，,V,2,集电极的电压取决于,LD,的正,向电压，数字信号,Uin,从,V,1,基极输入，当信号,为“,1”,码时，,V1(U,b1,高于,U,B,),导通，,V,2,截止，,LD,不发光，反之，当输入“,0”,码时，,V,2,导通，,而,V,1,截止，驱动,LD,发光，,V,1,和,V,2,处于轮流截,止和非饱和导通状态，有利于提高调制速率。,当三极管,V,1,、,V,2,的截止频率,fr4.5GHZ,时，这,种电路的调制速率可达,300Mb/s,。,第四章,光源的调制和光发射机,16,V,in,+V,V,bb,i,s,T,1,T,2,LD,I,1,I,2,-V,LD,驱动电路,图,4.9,为射极耦合,LD,驱动电路,T1,和,T2,组成差分开关电路,.,当,V,in,V,bb,I,2,=0 LD,不发光,“,0,”,码,.,当,V,in,V,bb,I,1,=0 LD,发光,“,1,”,码,第四章,光源的调制和光发射机,17,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。,第四章,光源的调制和光发射机,18,2,）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。,第四章,光源的调制和光发射机,19,由图,4.10,可见，主体电路同上，只是由,V,3,支路为,LD,提供的偏置电流,I,b,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,U,PD,，信号参考电压,和直流参考电压,U,R,施加到运算放大器,A,1,的反相,输入端，经放大后，控制,V,3,基极电压和偏置电,流,I,b,，其控制过程：,P,LD,U,pd,(U,pd,+V,R2,+V,R,),U,A,I,b,P,LD,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,I,b,不受码流中“,0”,码和“,1”,码比例变化的影响。,第四章,光源的调制和光发射机,20,一个更加完善的,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,A,1,放大后，送到比较器,A,3,的反相输入,端，同时输入信号参考电压和直流参考电,压经,A,2,比较放大后送到,A,3,的同相输入端，,A,3,和,V,3,组成直流恒流源调节,LD,的偏流，,使输出光功率稳定。,第四章,光源的调制和光发射机,21,V,in,V,bb,T,1,T,2,A1,LD,A2,A3,-V,-V,T,3,C,PiN,.,自动功率控制,(APC),电路,.,因老化,P,光,?,A1,?,?,A3,?,偏置电流,?,P,光,?,.A2,的作用防止当无信号或长“,0,”,码时，因,APC,电路使,LD,管注入电流增加，引起误码。,第四章,光源的调制和光发射机,22,四、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,）。,第四章,光源的调制和光发射机,23,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。,I,P,V,j,d,?,?,?,?,1,?,d,?,j,V,I,?,P,?,第四章,光源的调制和光发射机,24,2,、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,I,1,，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，,I,t,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,I,1,减小到了,I,0,，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。,第四章,光源的调制和光发射机,25,3,、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,第四章,光源的调制和光发射机,26,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,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,30,40,，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。,第四章,光源的调制和光发射机,27,图,4.15,给出了,ATC,电原理图,由,R,1,、,R,2,、,R,3,和,R,T,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,R,3,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,R,T,的阻值减小，电桥失去平衡。这时，,U,B,U,A,，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。,第四章,光源的调制和光发射机,28,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,PIN,PD,封装在,LD,的管壳内,构成组件如图：,第四章,光源的调制和光发射机,29,?,教材上的电路,A,T,1,自动温度控制（,ATC,）电路,半导体制冷器,T,是一个热电偶，加压后，在一端吸热另一,端放热，实现制冷,(,使,LD,管芯的温度恒定在20 左右）。,.,TT,LD,RtI T,LD,-V,LD,R,1,R2,R,3,R,t,T,+V,第四章,光源的调制和光发射机,30,五、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,3,4,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*),第四章,光源的调制和光发射机,31,4,-,3,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,30,50%,，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。,第四章,光源的调制和光发射机,32,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。,第四章,光源的调制和光发射机,33,一般地，单模光纤与,面发光二极管,的直接耦合效率均为,1%,，与,边发光二极管,的耦合效率约为,10%,，而与,LD,的耦合,效率可以达到,40%,，采用多模光纤时，耦合效率可以高一些。,图,4.19,给出了在光源与单模光纤之间采用了一个,球透镜,的共焦耦合,方式，球透镜的作用是将光源发出的光进行汇聚,聚焦在光纤芯上，这种耦合方式的耦合效率可达到,70%,。,第四章,光源的调制和光发射机,34,不管采用哪一种方式，除耦合效率要尽是高以外，还,要求,耦合效率不随时间发生变化,，和具有,很高的机械稳定,性。,在,LD,与光纤的耦合中，还要求考虑的另一个问题是耦,合引起的反射对,LD,的影响，,LD,对反射光信号极为敏感，,即使是很微弱的光反馈，都可能使激光器工作不稳定而影,响系统的性能，可以,采用在可能引起光反馈的表面镀制减,反膜及光纤端面磨成一小角度的方法来减小反射,，在要求,特别高的场合（例如相干光通信），要求在光源光纤之间,采用,光隔离器,。,第四章,光源的调制和光发射机,35,Thank You,