《光源及光发》PPT课件.ppt

,第4章 光源及光发射机,第4章 光源及光发射机,光源是光纤通信及传感系统中的一个重要元件，光纤通信对光源的要求是小型化、单色、光强稳定（时间、温度变化时）和耐久。最普通的光源就是发光二极管和半导体激光器。4.1节 发光二极管 4.5节 数字信号光纤传输4.2节 半导体激光 4.6节 光发射机电路4.3节 光载波的调制方式 4.7节 光源与光纤的耦合4.4节 模拟信号光纤传输 4.8节 光载波的间接调制,4.1 发光二极管,发光二极管(LED)是由直接带隙的半导体材料制成的PN结二极管，是非相干光光源，它的发射过程主要对应光的自发辐射过程。发光二极管的突出优点是寿命长，可靠性高，调制电路简单，成本低，主要用于传输速率比较低、传输距离比较短的光纤通信系统中。,4.1.1 工作原理,PN结电子能级图如图4.1所示，加正向偏压后，注入的非平衡少子在扩散过程中复合发光，其光子能量为式中，光子频率；h 普朗克常数；是半导体材料的禁带宽度。因此，发射光波长取决于半导体材料，发光的中心波长为(4.1)式中，；。当Eg用电子伏特作为单位时，有(4.2),4.1.1 工作原理,图4.1 PN结电子能级以AlGaAs/GaAs为材料的发光二极管发光波长在 范围内，InGaAsP/InP材料的发光波长为。,4.1.2 LED的结构和分类,为了提高辐射度，发光二极管也采用双异质结构，但没有谐振腔，发光过程中不需要粒子数反转，是自发辐射过程。按光输出位置不同，可分为边发射型和面发射型，其结构示意图如图4.2所示。图4.2 双异质结LED,4.1.3 LED的基本特性,1光谱特性和发散角由于导带和价带都是包含许多细微能级的能带，复合发光的光子能量有一个较宽的能量范围，使自发发射光谱的谱线较宽，其典型光谱如图4.3所示。图4.3 LED的发光光谱,4.1.3 LED的基本特性,称为LED的谱线宽度(FWHM)，,是对应相对光光强为0.5时的波长，光强最大时为发射光中心（峰值）波长，一般为3050 nm，长波长InGaAsP/InP 材料的 是 60120 nm。由于自发辐射光的方向是杂乱的，因此LED的发散角较大，垂直PN结的方向，平行PN结的方向。2响应速度发光二极管的响应速度受制于载流子的自发复合寿命，因此减少少数载流子的寿命是提高响应速度的有效途径。一般采取高掺杂和高注入电流密度。,4.1.3 LED的基本特性,3电光转换特性（光输出特性）LED 的 P-I 曲线如图4.4所示，发光二极管是自发辐射的，不是阈值器件，它的输出光功率基本上与注入电流成正比，因此 P-I 曲线的线性范围很大。图4.4 LED的P-I 特性曲线,4.1.3 LED的基本特性,4温度特性发光二极管的输出光功率随温度的升高而减小，因为不是阈值器件，故功率不会有很大的变化。实际应用中也可以不采用温度控制，例如GaAlAs材料的LED 输出光功率随温度的变化率为-0.01/K。其次，当温度升高时，发光的峰值波长会向长波长方向稍微移动，如图4.3所示。,4.2 半导体激光器,异质结结构的半导体激光器(Laser Diode,LD)，又称为注入式激光器，是光纤应用系统中最常用的器件之一。和其他激光器相比，LD具有体积小，重量轻，驱动功率低，输出效率高，调制方便（直接调制），寿命长和易于集成等一系列优点而得到了广泛的应用。LD在光纤通信中的应用主要包括：(1)各种数据、图像等传输系统的发射光源；,4.2 半导体激光器,(2)光纤 CATV 系统的光源；(3)掺铒光纤放大器(EDFA)和拉曼光纤放大器(RFA)的泵浦光源；(4)未来全光通信网络中光交换、光路由、光转发等关键设备的光源。半导体激光器按结构可分为:法布里-珀罗(F-P)型LD、分布反馈(DFB)LD、分布 Bragg 反射器(DBR)LD、量子阱(QW)LD 和垂直腔面发射激光器(VCSEL)等。下面将分别介绍这些激光器。,4.2.1 半导体激光器的基本工作原理(F-P型),半导体激光器的基本结构是双异质结(DH)平面条形结构，其示意图如图4.5 所示。所谓异质结，是指由两种带隙宽度不同的半导体材料组成的p-n结（也可能是p-p或n-n结）。普通p-n结也称为同质结。图4.5 双异质结平面条形LD的基本结构,4.2.1 半导体激光器的基本工作原理(F-P型),与其他激光器一样，要产生激光必须有增益介质、谐振腔和泵浦源，在一定条件下就可以产生激光。同质结LD对半导体材料的要求是重掺杂而且必须是“直接带隙”的半导体材料。同质结简并能带图如图4.6所示。图4.6 同质结简并能带图,4.2.1 半导体激光器的基本工作原理(F-P型),从图4.6中可以看出，当注入电流密度加大到一定值后，准费米能级 和 的能量间隔大于禁带宽度 时，即（伯拉德-杜拉福格条件）时，PN 结中出现一个增益区（有源区），在这个区域内，价带主要由空穴占据，而导带则主要由电子占据，即实现了粒子数反转。,4.2.1 半导体激光器的基本工作原理(F-P型),电子由导带跃迁至价带，受激辐射将起主导作用，发出的光是激光。由于重掺杂，简并半导体的有源区束缚电子和空穴的能力较弱，需要很大的注入电流密度才能实现粒子数反转，所以难以实现室温下连续工作，只能在低温下工作。为了降低电流密度阈值，人们研究了单异质结和双异质结半导体激光器。,4.2.1 半导体激光器的基本工作原理(F-P型),图4.7 异质结激光器能带示意图,4.2.1 半导体激光器的基本工作原理(F-P型),图4.7是单异质结和双异质结半导体激光器的能带示意图，利用异质结特别是双异质结可以将电子和空穴更好地束缚在有源区的势阱中。不同半导体材料的带隙差也使有源区的折射率高于邻近的介质，这样使光子也限制在有源区内，载流子和光子的束缚使得激光器的阈值电流密度大幅度下降，从而实现了室温连续工作。,4.2.1 半导体激光器的基本工作原理(F-P型),激光发射中心波长可由 得到(4.3)法布里-珀罗谐振腔的作用是使光的方向性得到选择，要使光在谐振腔内建立稳定的振荡，必须满足一定的相位条件和振幅条件。相位条件使发射光谱波长得到选择，振幅条件决定了半导体激光器的电流阈值。,4.2.1 半导体激光器的基本工作原理(F-P型),相位条件是：m=1,2,3,4,式中，为光传输常数；L 为谐振腔长度。所以满足相位条件的波长为(4.4)式中，n 是有源区介质的折射率；m=1,2,3,4,是纵模模数。,4.2.1 半导体激光器的基本工作原理(F-P型),由于腔内介质有损耗，镜面反射也有损耗，因此谐振腔内建立稳定振荡的幅度条件是(4.5)式中，为增益系数阈值；为有源区的损耗系数；,是两个镜面的反射率。由此可知，而增益系数大致与注入 电流密度成正比，因此半导体激光器是阈值器件。,4.2.2 半导体激光器的基本性质,1激光发射波长和光谱特性发射光中心波长是，只有符合相位条件的波长的光能够稳定输出，这取决于F-P谐振腔的长度L，称为激光器的纵模。图4.8是半导体激光器的光谱特性。图4.8 半导体激光器的光谱特性（F-P型）,4.2.2 半导体激光器的基本性质,随着驱动电流增大，纵模数目减小，谱线宽度变窄，可以出现静态单纵模。在动态调制时，随着调制电流增大，纵模数目增多，谱线宽度变宽。采用分布反馈(DFB)或分布Bragg反射(DBR)可以得到动态单纵模。2激光束空间分布激光束空间分布用近场图样和远场图样来表示横向光场的分布。激光器输出镜面上光强分布图样称为近场图样，由横模决定。远离反射镜面一定距离处的光场分布称为远场图样。,4.2.2 半导体激光器的基本性质,3输出光功率特性典型的GaAlAs/GaAs短波长半导体激光器的输出光功率特性如图4.9所示。图4.9 GaAlAs/GaAs短波长半导体激光器的输出光功率特性,4.2.2 半导体激光器的基本性质,可见，半导体激光器是阈值器件，当注入电流小于阈值电流时，谐振腔增益不足以克服损耗，有源区内不能实现粒子数反转，自发辐射占主导地位，发出普通的荧光，与LED相似。随着注入电流增大，达到阈值后，有源区内实现了粒子数反转，受激辐射占主导地位，发出谱线尖锐、模式明确的激光。,4.2.2 半导体激光器的基本性质,4半导体激光器的效率半导体激光器把电功率转化为光功率发射出去，用功率效率和量子效率来衡量激光器转换效率的高低。功率效率定义为 式中，为辐射的光功率；为注入的电功率。,4.2.2 半导体激光器的基本性质,量子效率分为内量子效率、外量子效率和外微分量子效率。内量子效率定义为式中，为有源区内每秒产生的光子数；为有源区内每秒注入的电子-空穴对数。由于有源区内电子-空穴的复合分为辐射复合和非辐射复合，辐射复合后发射光子，非辐射复合的能量以声子形式释放，转换为晶格的振动。,4.2.2 半导体激光器的基本性质,若 和 分别表示辐射和非辐射复合速率，则定义外量子效率 为式中，为激光器每秒发射的光子数；为激光器每秒注入的电子-空穴对数。,4.2.2 半导体激光器的基本性质,由于，故 式中，I 为激光器的注入电流；V 为PN 结上的外加电压。定义外微分量子效率为(4.6)当 时，(4.7)它对应P-I 曲线阈值以上线性部分的斜率，是衡量LD 效率的重要指标。,4.2.2 半导体激光器的基本性质,5温度特性半导体激光器是对温度很敏感的器件，它的输出功率随温度变化很大，其原因主要是半导体激光器的外微分量子效率和阈值电流都随温度而变化。外微分量子效率随温度升高而下降，但不十分敏感。阈值电流随温度升高而加大，在一定温度范围有 为常数，是激光器的特征温度，在一定温度范围内是常数。,4.2.2 半导体激光器的基本性质,两种半导体激光器的温度特性如图4.10所示。图4.10 两种半导体激光器的温度特性,4.2.2 半导体激光器的基本性质,6瞬态性质图4.11(a),(b)和(c)皆有电光延迟时间均为ns量级。图4.11(a)是衰减式振荡，称为张弛振荡（或弛豫振荡）；图4.11(b)是在一定注入电流下的持续振荡，称为自脉动现象；图4.11(c)是图4.11(a)和图4.11(b)两种情况的结合。图4.11 半导体激光器的瞬态特性,4.2.3 其他半导体激光器,1分布反馈半导体激光器(DFB LD)DFB激光器的结构如图4.12所示。图4.12 DFB半导体激光器的结构,4.2.3 其他半导体激光器,DFB 激光器的基本工作原理可以用 Bragg 反射来说明，对于周期性波导，当 满足同相相干加强的条时，反射光 m=1,2,3,式中，为周期波导的结构周期；n 是材料的折射率；是传输光的波长。当 时，这就是激光器稳定振荡的相位条件。,4.2.3 其他半导体激光器,DFB激光器较F-P型激光器具有以下优点：(1)可以实现单纵模振荡，F-P型激光器的发射光谱，单纵模振荡非常困难。DFB 激光器的发射光谱则主要由光栅周期决定，比 L小得多，m 阶和 m+1 阶模之间波长间隔很大，容易设计成单纵模振荡。(2)谱线窄，波长稳定性好。(3)动态谱线性好，在高速调制时仍然保持单模特性。(4)线性度好，可以用于CATV（模拟调制）系统中。,4.2.3 其他半导体激光器,2分布布拉格反射激光器(DBR LD)分布布拉格反射激光器的结构示意图如图4.13所示。Bragg光栅起到反射镜的作用，而且Bragg光栅的反射率与波长有关，当在Bragg波长处有最大的反射率时，谐振腔有强烈的波长选择性。这种激光器还可以在宽带范围内进行波长调谐。图4.13 分布布拉格反射激光器的结构示意图,4.2.3 其他半导体激光器,3量子阱半导体激光器超晶格(Super Lattice)是由两种或两种以上组分不同或导电性能的超薄层材料交替生长形成的人工周期结构，超晶格构成的量子阱如图4.14所示。势垒较厚，相邻势阱中电子波函数不发生交迭的周期结构称为“多量子阱”(MQW)，只有一个势阱，两边是势垒的结构称为“单量子阱”(SQW)。图4.14 量子阱的结构和能带图,4.2.3 其他半导体激光器,4垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)垂直腔面发射半导体激光器的结构示意图如图4.15所示。采用多层周期结构的Bragg反射镜形成微谐振腔。图4.15 垂直腔面发射半导体激光器的结构示意图,4.3 光载波的调制方式,光纤通信中，信息是由光源所发出的光波携带的，在这里光波就是载波，而把信息加到光波上的过程就是调制。按照调制信号的不同，调制方式可以分为模拟调制和数字调制。模拟调制是利用模拟信号直接对光载波进行调制的一种方式。数字调制首先对欲传输的模拟信号进行A/D转换，然后以转换后的二进制数字信号“0”或“1”对光载波进行通断控制。,4.3 光载波的调制方式,按照调制信号与光源的关系，光调制又可以分为直接调制和间接调制。直接调制又称为内调制，是直接通过调制信号对光源参数如光强、频率等进行控制，分别得到随调制信号改变的调幅、调频光信号。间接调制又称为外调制，这种调制方式利用外调制器对光载波进行调制，其调制的对象是光源发出的光，光源本身的参数并不发生变化。,4.3 光载波的调制方式,直接调制方式的优点是电路简单、实现容易，但传输速率不能太高。间接调制方式结构复杂，但由于从根本上消除了频率啁啾和张弛振荡的影响，因而其高速性能优良，适合于高速率通信。由于直接调制方式结构简单，因而在低速光纤通信中广泛应用。另外，使用 LED 作为光源时大都采用直接强度调制的方式，通过改变注入电流就可以改变输出光功率。图4.16就是一个简单的模拟 LED 直接调制电路。,4.3 光载波的调制方式,该电路中模拟调制信号加在输出管的基极，LED 串接在输出管的集电极，调制信号通过对基极电压的控制来控制流经LED的集电极电流的变化，这样LED 的输出光强将随着调制信号的变化而变化。图4.16 简单的模拟LED直接调制电路,4.3 光载波的调制方式,在如图4.16所示的电路中，静态集电极电流Ic即为LED的 静态偏置电流，Ic=，其中 为三极管 的共射极电流放大倍数。设电路的调制指数 m=0.8，信号电流峰值 Im=24 mA，则静态时的集电极电流 Ic=。对于上述简单的直接调制电路，需要注意两点：一是需要设置合适的静态工作点，使管子工作在线性区，尽可能地减小非线性失真；二是输入信号要有足够的强度，使光源满足一定的输出功率。,4.4 模拟信号光纤传输,在光纤通信系统中，信息可用模拟或数字两种形式之一进行传输。所谓模拟信号，是指时间和幅度都连续的信号。,4.4.1 模拟信号调制,光纤通信中，模拟信号直接调制电路框图如图4.17所示。图4.17 模拟信号直接调制电路框图模拟信号光调制过程中需要解决的最基本问题有两个：一是足够强度的稳定光功率输出；二是要有足够小的非线性失真。,4.4.1 模拟信号调制,图4.18是模拟信号光调制原理图。(a)LED模拟信号光调制原理图(b)LD模拟信号光调制原理图 图4.18 模拟信号光调制原理图,4.4.1 模拟信号调制,从图4.18(a)可以看出，理想情况下LED 为无阈值器件，且在很宽范围内保持良好的线性，因而可以根据输入调制信号的强度在P-I 曲线上选取合适的点作为静态工作点，对应静态工作电流为IB，只要输入调制信号电流幅值I不大于IB，即可以得到强度随输入调制信号强度线性变化的光信号输出，从而实现模拟信号的直接调制。,4.4.1 模拟信号调制,图4.18(b)为半导体激光二极管LD 的模拟信号直接调制原理图，与图4.18(a)比较，可以明显地看出，LD 为阈值器件，电流必须超过阈值电流Ith以后，LD 的输出光功率才随流经LD 的电流I线性变化。因而要选择静态电流IB大于阈值电流Ith，使LD 工作在如图4.18(b)所示的线性区。由以上的分析可知，无论是LED 调制电路还是LD调制电路，选择合适的直流偏置电流IB都是至关重要的，恰当的偏置电流可以减小光信号的非线性失真。,4.4.1 模拟信号调制,调制深度或调制指数是衡量模拟信号强度调制程度的一个重要参数。对于LED，调制深度定义为对于LD，调制深度定义为,调制电流幅值偏置电流幅值-阈值电流幅值,调制电流幅值偏置电流幅值,4.4.1 模拟信号调制,根据调制深度的定义，从图4.18可以看出，一定静态偏置电流下，调制深度越深，即 m 越大，输出光信号的幅值越高，但线性变差；调制深度越浅，即 m 越小，输出光信号的幅值越小，但线性提高。因此，模拟调制电路中应根据器件的参数合理地选择调制深度，在保证系统要求的光功率输出的同时，减小非线性失真。,4.4.1 模拟信号调制,几种国产半导体光源的主要技术指标如表4.1所示。表4.1 几种国产半导体光源的主要技术指标,4.4.2 模拟信号调制电路,模拟信号调制电路主要包括驱动电路和各种辅助电路，如自动功率控制电路、自动温度控制电路等。驱动电路的好坏直接决定发射机系统的性能优劣，一个优良的驱动电路应该满足以下条件：(1)能够提供较大的、稳定的驱动电流；(2)有足够快的响应速度；(3)保证光源具有稳定的输出特性。一个简单的模拟信号直接强度调制驱动电路如图4.19所示。,4.4.2 模拟信号调制电路,图4.19 LED共射极模拟驱动电路,图4.19中晶体管VT工作在甲类状态，模拟调制信号 加在晶体管的基极，基极电流随外加调制信号电压变化，从而控制流经 LED 的集电极电流的变化。调整电路时，先不加调制信号（静态），改变 Rb1 的阻值，使流经LED的电流位于晶体管VT和LED的线性区，并且保证一定调制深度下输出不失真。,4.4.2 模拟信号调制电路,在上图、图4.19中，为了改善由于晶体管和LED 的老化所引起的输出功率下降，从晶体管的射极引出测试信号到APC 电路，经处理后返回到输入端来控制LED 的静态偏置电流。1自动功率控制电路自动功率控制(APC)电路是驱动电路中的重要组成部分。光发射机电路中使用自动功率控制电路的原因主要有两个：一是器件的老化，LD 光源在使用一段时间之后输出功率会下降，即老化；二是温度的影响，PN 结结温的变化会使LD 的输出功率产生较大的变化，严重时使系统无法正常工作。图4.20为LD 的P-I 特性随时间和温度变化曲线。,4.4.2 模拟信号调制电路,图4.20 LD 的P-I 特性 随时间和温度变化曲线,图4.20中，实线表示寿命试验前的P-I 特性，虚线为寿命试验后的P-I 特性。可以看出，当温度从25升高到50时，LD 的阈值电流Ith增加了许多，同时P-I 特性曲线的斜率也减小许多。同时还可以看出，即使是环境温度不变，随着工作时间的增加并达到一定时间以后进入损耗失效期，仍会引起LD 的阈值电流的增加和曲线斜率的下降，从而导致输出功率的下降。,4.4.2 模拟信号调制电路,针对以上情况，为了稳定LD 的输出光功率不变，简单有效的控制方法是调整驱动LD 的直流偏置电流。自动光功率控制的方法很多，目前采用较多的是光功率反馈控制法。采用光功率反馈控制法的APC 电路如图4.21所示。图4.21 自动功率控制电路,4.4.2 模拟信号调制电路,该自动功率控制电路的工作原理如下：当由于器件的老化或温度的原因使 LD 输出光功率降低时，流过 PD（LD中的背光检测 PINPD）的电流减小，放大器A1反向输入端电位增大，放大器 A1 输出端电位降低（即放大器 A2 反向输入端电位降低），在输入电信号保持不变的情况下，加在A3两个输入端的信号大小没有改变，因而 A3 的输出没有变化。A2 的同相输入端电位不变，反向输入端电位降低，输出电位升高，偏置管 VT 的基极电位升高，导通增强，Ib 增加，流过 LD 的电流增加，输出功率增加。,4.4.2 模拟信号调制电路,(1)光负反馈法图4.22为光负反馈法工作原理框图。从图4.22中可以看出，光负反馈法的基本设计思想就是将输出光功率的一小部分，经检测放大，再反馈至输入端，以达到补偿控制 LD 的非线性的目的。图4.22 光负反馈法工作原理框图,4.4.2 模拟信号调制电路,(2)预失真法预失真法就是在驱动电路中人为地预先造成一种失真来抵消传输过程中带来的非线性失真，预失真法在视频通信中通常又称为预加重法。预失真法技术成熟，电路简单，成本低，在光源驱动电路中得到了广泛应用。下面就以光纤电视传输系统中得到广泛应用的微分增益(DG)校正和微分相位(DP)校正为例，来说明预失真法的具体应用。,4.4.2 模拟信号调制电路,2非线性补偿线性度是模拟光纤通信系统最主要的性能指标之一，系统的线性度不但与接收端光检测器 PD 和晶体管电路的线性度有关外，还取决于光源（LD或LED）的线性。由前面章节的学习我们知道，LED 和LD 的线性并不是很高，因而在线性度要求较高的系统中，需要对LED 和LD进行非线性补偿。常用的非线性补偿方法有：光负反馈法、前馈补偿法、移相调制法和预失真法等。,4.4.2 模拟信号调制电路,由于视频信号占有较宽的带宽(8 MHz)，在传输过程中，不同的频率成分会得到不同的放大倍数和不同的相移，从而造成失真。其中，由于在不同亮度电平上的副载波(4.43 MHz)振幅放大程度不同，导致图像的彩色饱和度随亮度电平发生变化，这种失真叫做微分增益失真，即 DG 失真；由于副载波频率上系统的相移特性随输入的视频信号变化，从而使彩色色调随亮度电平变化而引起色调失真，这种失真叫做微分相位失真，即 DP 失真。DG 校正和DP 校正的电路原理图如图4.23所示。,4.4.2 模拟信号调制电路,从图4.23中可以看出，DG 和DP 校正电路都是由电阻和二极管组成的，二极管偏置于不同的电压V1,V2 和 V3，不同的输入信号电平使二极管V1,V2,V3 产生不同的导通组合，从而接入由R1,R2,R3 构成的不同的电阻组合，使电路的增益和相移产生变化，分别补偿光源(LD/LED)P-I 特性的非线性和相移的非线性。(a)微分增益校正(b)微分相位校正 图4.23 视频信号微分校正电路,4.4.2 模拟信号调制电路,以图4.23(a)中的 DG 校正为例，设V1V2V3，某一输入状态下 V2,V3 导通，V1 截止，此时晶体管放大电路的射极等效电阻为本级放大电路的增益为(4.8)式中，为晶体管的共射极电流放大倍数；为晶体管的基极电阻。由式(4.8)可以看出，不同的 将引起不同的放大倍数。,4.4.2 模拟信号调制电路,(3)移相调制法常用的非线性补偿方法除了负反馈法、预失真法外，还有一种移相调制法，移相调制法的原理图如图4.24所示。设图4.24中上、下两个光源完全相同，若图4.24中上、下电路的输入信号相位相差90，上、下两路信号的二次谐波相位相差290=180，经Y形无源光纤耦合器汇合后，两者相互抵消，即消除了二次谐波失真。,4.4.2 模拟信号调制电路,如果在校正电路中采用多个不同的相移网络，即可以消除多个不同的谐波分量。例如，加3个60相移，360=180，可以消除三次谐波；加4个45相移，445=180，则可以消除四次谐波。图4.24 移相调制法原理图,4.5 数字信号光纤传输,近几年，随着光纤带宽资源不断地被挖掘出来，各种超宽带光纤传输技术为数字信号的光纤传输提供了良好的条件，数字光纤通信得到了越来越广泛的应用。本节结合具体应用，分析了数字光发射机的基本电路和各种辅助电路，重点讨论了光源驱动电路设计中应注意的问题。,4.5.1 LED 数字驱动电路,数字光纤通信系统中的LED驱动电路是比较简单的。因为LED是利用其有源区中自发辐射的器件，只要给它加上电流，就会有光发出。同时，LED具有较好的输出功率随工作电流呈线性变化的特点，如图4.25所示，它示出了LED的输出光功率与注入电流的关系和调制波形。图4.25 LED 数字调制原理,4.5.1 LED 数字驱动电路,可见，对于二值码调制信号，其直流偏置可以选择在零点，即输入信号为零时，输出功率就为零，因此在 LED 驱动电路中可以不需要直流偏置调整电路。LED 的另一个基本特性是在其工作电流保持不变的情况下，其输出光功率随温度的升高 而下降的幅度不大。这样，LED 驱动电路比较容易满足发送光功率稳定度的要求。,4.5.1 LED 数字驱动电路,对LED 驱动电路的基本要求是能提供LED 所需要的驱动电流及满足其动态变化的幅度，充分发挥LED 的调制速率的作用，保证其输出光脉冲响应速度。集成元件驱动电路是LED 最简单易行的驱动电路，如图4.26(a)所示，它利用TTL 集成元件构成。这种电路的驱动能力不强。为此，电路中使用电阻R 来限制LED 的驱动电流不超过60 mA，电路中的电容C 为加速电容，以便得到相应速率响应的光脉冲信号波形。,4.5.1 LED 数字驱动电路,图4.26(b)为串联型共发射极晶体管LED 驱动电路。晶体管VT 工作在乙类工作状态，晶体管的集电极电流就是 LED的驱动电流。当有高脉冲到来时，晶体管饱和导通，LED发光；当低电平到来时，晶体管截止，LED 不发光。集电极电阻 R2 为限流电阻，R1 和C 并联组成加速电路，用以提高开关速度。图4.26 LED 数字调制电路,4.5.1 LED 数字驱动电路,除了以上两种简单的LED 驱动电路外，目前在数字光纤通信系统中广泛使用LED 射极耦合电流开关驱动电路，其典型的电路结构如图4.27所示。图4.27 LED 射极耦合电流开关驱动电路的典型结构,4.5.1 LED 数字驱动电路,当输入端Vi 为“1”（高电平）时，VT1导通，VT2截止，没有电流流过LED，LED 不发光；Vi 为“0”（低电平）时，VT2 导通，VT1 截止，电流流过LED而使其发光。相对于 LD 而言，LED 器件的成本低，寿命长，驱动电路比较简单，这就使得 LED 在短距离、低速率数字光纤通信系统中得到了广泛的应用。然而 LED 只能应用在低速短距离和小容量的数字光纤通信系统中，远距离、大容量的光纤通信系统中通常使用 LD 作为光源。,4.5.2 LD 数字驱动电路,由于LD一般用于高速率通信系统，而且LD是阈值器件，温度稳定性也比较差，因此LD驱动电路的设计较为复杂。高速通信系统对LD驱动电路的一般要求如下：(1)输出光功率必须保待恒定，要求在环境温度变化或LD器件老化的过程中，其输出光功率保持在设计指标要求的范围内。(2)光发射机发送的光脉冲的消光比应尽可能大，以提高光接收机的灵敏度。(3)光脉冲的响应时间及开通延迟时间必须远小于码元的时隙，以便使光脉冲准确重现数字信号的变化。(4)尽量小的张弛振荡和频率啁啾。,4.5.2 LD 数字驱动电路,LD 数字调制原理图如图4.28所示。图4.28 LD 数字调制原理图LD 器件是利用在其有源区中受激发射的器件，只有在工作电流超过阈值电流的情况下才会输出激光（相干光），因而是有阈值器件。图4.28中，Ith为LD的阈值电流。,4.5.2 LD 数字驱动电路,图4.29为不加偏置和加偏置两种情况下LD 的输出情况。从图4.29中可以很清楚地看出，加上预偏置后，张弛振荡大为减小，输出光谱谱线变窄。图4.29 不加偏置和加偏置两种情况下LD 的输出情况,LD 数字驱动电路,图4.30 单管LD 数字驱动电路图,简单的单管LD 数字驱动电路如图4.30所示。晶体管VT 工作在开关状态，调制信号加于基极时，VT 通过集电极提供LD 的调制电流Im，Ib为LD 提供静态偏置电流。这种简单的驱动电路可以得到较大的驱动电流，并可提供上升时间为100 ps的调制速率。,4.5.2 LD数字驱动电路,但是由于晶体管开关速率的影响，限制了这种驱动电路的调制速度。另外，晶体管工作在开关状态，会造成电源负载不稳定，从而对供电电源提出了较高的要求。在要求较高通信速率的应用中，通常使用如图4.31所示的射极耦合LD 驱动电路。由于射极耦合驱动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，因此在数字光纤通信系统中得到了广泛应用。,4.5.2 LD 数字驱动电路,图4.31 射极耦合LD 驱动电路,图4.31中，VT1 和VT2 两只晶体三极管组成电流开关。当VT1 的基极电位高于VT2 的基极电位时，电流源Is 的全部电流流过VT1 的集电极支路，LD不发光，相当于发“0”码。当VT2的基极电位高于VT1 的基极电位时，则VT2 导通，电流源Is 的全部电流流过VT2 的集电极支路，电流流经LD，发出一个光脉冲，即对应于“1”码。,4.6 光发射机电路,4.6.1 光发射机组成,光发射机由输入接口、光源、驱动电路、自动偏置控制电路、温度控制电路等组成。模拟光发射机的原理框图如图4.32所示。图4.32 模拟光发射机的原理框图,4.6.1 光发射机组成,数字光发射机原理框图如图4.33所示，主要由均衡电路、码型变换电路、编码电路、光源驱动电路和发射光源组成。图4.32 模拟光发射机的原理框图,4.6.2 模拟脉冲调制光发射机,光纤模拟调制根据调制信号的不同可以分为两类：一类是用模拟基带信号直接对光源进行强度调制(D-IM)；另一类是模拟信号的脉冲调制。光纤模拟信号脉冲调制方式包括：脉冲幅度调(PAM)、脉冲相位调制(PPM)、脉冲宽度调制(PWM)和脉冲频率调制(PFM)。本节主要介绍目前应用最多的脉冲频率调制(PFM)和脉冲宽度调制(PWM)光发射机原理。,4.6.2 模拟脉冲调制光发射机,1PFM 光发射机脉冲频率调制（PFM）可分为：等宽 PFM 和方波调频SWFM 两种。本节主要介绍等宽 PFM 的工作原理和电路构成。考虑最简单的情况，假设调制信号为单一频率的模拟信号：用它来调制一个固定幅度的脉冲串，就能得到PFM 信号，它的瞬时频率与调制信号幅度成正比，而脉冲宽度不变。,4.6.2 模拟脉冲调制光发射机,脉冲序列可以表示为(4.9)其时域波形如图4.34所示，其中 为脉冲宽度，为脉冲载波的重复周期，为脉冲载波的角频率，为脉冲幅度。图4.34 的时域波形图,4.6.2 模拟脉冲调制光发射机,经过一系列数学变换得到PFM已调波信号的表达式为式(4.10)，再利用贝塞尔函数将式(4.10)展开并化简，就可以得到 PFM 调制信号的表达式为(4.11)式中，。由式(4.11)可以绘出等宽PFM 信号的频谱图如图4.35所示。,4.6.2 模拟脉冲调制光发射机,从图4.35中可以看出，调制后的频谱中含有基带分量，即式(4.11)中的，因此在接收端可以通过低通滤波器将基带信号取出，实现 PFM信号的解调接收。图4.35 等宽PFM信号的频谱图,4.6.2 模拟脉冲调制光发射机,PFM 调制电路如图4.36所示，这里采用广泛使用的电容式 PFM 调制器。调制信号 V1 经过由VT1,R1,R2 组成的射极跟随器后，进入P沟道场效应管 VT3 中变为电流向电容器 C2 充电，当充电电压超过 VDD1 时，比较器 U2 状态翻转，然后通过单稳态电路形成等宽脉冲去控制开关管VT2 导通，电容 C2 通过 VT2 放电。,4.6.2 模拟脉冲调制光发射机,暂稳态结束后，等宽脉冲消失，VT2 截止，放电结束，场效应管 VT3 的漏极电流随即开始对 C2 充电，如此进入下一轮循环。图4.36 PFM 调制电路,4.6.2 模拟脉冲调制光发射机,等宽PFM 调制电路输入与输出波形如图4.37所示。图4.37 等宽 PFM 调制电路输入与输出波形,4.6.2 模拟脉冲调制光发射机,一个完整的光纤电视 PFM 传输系统框图如图4.38所示，系统传输一路图像信号和一路伴音信号。图4.38 光纤电视 PFM 传输系统框图,4.6.2 模拟脉冲调制光发射机,由于 PFM 信号的解调噪声有随信号频率增高而增加的特点，所以前端电视信号一般要经过预加重电路之后再进行PFM 调制，然后用 PFM 信号来直接调制光源。经光纤传输后，在接收端经光电转换再进行放大、波形均衡，然后进行判决和整形得到等宽 PFM 信号。,4.6.2 模拟脉冲调制光发射机,由于等宽 PFM 脉冲信号中含有视频基带成分，因此可以采用低通滤波器直接解调出加重过的视频信号。最后，通过去加重电路还原为原来的电视信号。如果传输距离较长，为了保证传输距离而又不影响传输质量，可以在中间加入中继器。,4.6.2 模拟脉冲调制光发射机,一个完整的视频 PFM 光发射机电路如图4.39所示。图4.39 一个完整的视频 PFM 光发射机电路,4.6.2 模拟脉冲调制光发射机,2PWM 光发射机脉冲宽度调制(PWM)通常用于低频信号的调制传输。其特点是：载波脉冲信号的频率和幅度维持不变，而脉冲的宽度随外加调制信号的幅度变化而变化，从而将输入的模拟信号变换成一系列宽度不等的脉冲信号。为便于说明，设调制信号为正弦波，载波为对称三角波，三角波的幅度远 大于调制信号 的振幅，如图4.40(b)所示。,4.6.2 模拟脉冲调制光发射机,将 和 分别加到电压比较器的两个输入端，如图4.40(a)所示，即可得到脉冲宽度调制输出波形如图4.41(b)中Uo所示。(a)PFM调制原理(b)输入与输出波形 图4.40 PWM调制原理图,4.6.2 模拟脉冲调制光发射机,利用555 定时器实现 PWM 调制的原理图如图4.41所示。其核心是用555 定时器构成单稳态电路，调制信号 加在555 定时器的控制电压端（5 脚），载波信号 加在555 定时器的 2 脚此单稳态电路就成为脉冲宽度调制振荡器，输出 受 调制。图4.41 脉冲宽度调制振荡器,4.6.2 模拟脉冲调制光发射机,设电路的起始状态时定时器 3 脚输出的电压 为低电平，电容 上的电压=0 V。若定时器的 2 脚有触发信号且，则触发器电路进入暂稳态，输出高电平，电容 开始充电，当电容 上的电压达到 时，输出 变为低电平，开始放电，电路恢复至稳态。这样，电路受 和 共同作用，输出 PWM 脉冲信号。,4.6.2 模拟脉冲调制光发射机,由555 定时器构成的 PWM 振荡器正常工作时，根据电路的结构参数和工作条件，调制器可能输出脉宽的最大值为(4.12)式中,为充放电阻、电容的参数值；为调制信号的振幅；为载波信号的振幅。调制信号为10 kHz 的正弦信号，载波信号为100 kHz 的方波信号时，PWM 调制器的输入信号和输出信号的波形及输出信号的频谱分别如图4.42和图4.43所示。,4.6.2 模拟脉冲调制光发射机,图4.42为输入正弦调制信号时的仿真结果，图中矩形脉冲表示正弦信号经过 PWM 调制后的输出波形。可以看出输出脉冲的宽度随输入正弦信号幅度的变化而变化。图4.42 PWM 调制器的输入信号输出信号波形,4.6.2 模拟脉冲调制光发射机,从图4.43可以看出，各频率成分能量分布高低不一，除了基波分量(10 kHz)处能量较集中外，在 90 kHz 和100 kHz处能量分布远高出其他频率点。图4.43 PWM 调制器输出信号的频谱特性,4.6.2 模拟脉冲调制光发射机,图4.44为一个简单的模拟信号PWM 光发射机的电路图。图4.44中，IO1 端为调制信号输入端，此电路可对频率不高于10 kHz 的模拟信号实现良好的调制。图4.44 模拟信号PWM 光发射机的电路图,4.7 光源与光纤的耦合,光源（LD或LED）与光纤耦合效率的高低直接影响入纤功率的大小，进而影响光纤传输系统无中继距离的大小。耦合效率定义为 式中，为耦合入光纤的功率；为光源发出的功率。影响耦合效率的因素包括光源和光纤两个方面。（1）光源方面（2）光纤方面 通常情况下，光纤数值孔径损耗是限制耦合效率的主要因素，尤其对光束发散角较大的面发光二极管(SLED)更是如此。,4.7 光源与光纤的耦合,图4.45为面发光LED、边发光二极管和半导体激光管的数值孔径与耦合效率的关系比较。图4.45 几种光源的数值孔径与耦合效率的关系比较,4.7 光源与光纤的耦合,以面发光LED 与光纤的耦合为例，来说明耦合效率与光源发散角和光纤数值孔径的关系。面发光 LED的输出辐射光强符合朗伯分布，即沿 角方向辐射强度满足(4.13)式中