《光纤通信技术教学资料》第3章第5节.ppt

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1、1,35 光发送机,前面讨论了半导体光源的物理基础和输出特性。光源是光发送机的核心元件，但不是唯一元件，要实现光纤通信还需将输入的电信号加载到光源的发射光束上变成光信号，送入光纤才能实现通信，这些功能将由光发送机来完成。,因此本节将讨论这些问题：电信号转换为光信号的调制原理与技术 光源的调制与控制电路 将光信号注入光纤的耦合方式与技术,2,3.5.1 光源的调制 在光纤通信系统中，信息由LED或LD发出的光波所携带，光波就是载波。把信息加载到光波上的过程就是调制。光发送机的技术要求：1.稳定的输出功率 输出光功率通常指耦合进光纤的光功率，即入纤功率，根据不同系统的要求，通常在0.015mW范围

2、内，并要求在环境温度变化或器件老化过程中，输出光功率要保持恒定。,3,2.合适的消光比EXT,是指激光器在全“0”码时发送的功率与全“1”码时发送的功率之比，为保证接收机灵敏度不受或少受影响，消光比应尽量小，一般应小于0.1。,3.电光转换时间要快 输出光脉冲的上升时间(tr),下降时间(tf)和延滞时间(td)应尽量短。4.应尽量抑制张弛振荡。,4,将电信号转变为光信号的方式通常有两种：直接调制和间接调制 直接调制方法 适用于半导体光源，它将要传送的信息转变为电流信号注入光源，获得相应的光信号输出，输出光波电场幅值的平方与调制信号成比例，是一种光强度调制(IM)。间接调制 是利用晶体的电光、

3、磁光和声光效应等性质对光辐射进行调制，既适用于半导体光源，也适用于其他类型的光源。,5,间接调制最常用的是外调制的方法，即在光辐射产生后再加载调制信号，其具体方法是在激光器输出端外的光路上放置光调制器，在调制器上加调制电压，使通过调制器的光束得到调制。对强度调制直接检测(IM/DD)光波系统，并非一定要采用外调制方案，但在高速长距离光波系统中，采用间接调制有利于提高系统性能。在PSK相干光纤通信系统的发送机，一般要用外调制器。主要讨论直接调制,6,直接调制技术具有简单、经济和容易实现等优点，由于光源的输出光功率基本上与注入电流成正比，因此调制电流变化转换为光频调制是一种线性调制。按调制信号的形

4、式，光调制可分为 模拟信号调制 数字信号调制,模拟信号调制 是直接用连续的模拟信号(如话音和视频信号)对光源进行调制，如图3.26(a)所示，连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上。适当选择直流偏置电流的大小，可以减小光信号的非线性失真。,7,模拟调制的优点是设备简单，占有带宽较窄，但它的抗干扰性能差，中继时噪声累积。（3-5-1LED模拟调制原理图示意图）,模拟光输出,模拟调制电流,偏置电流,图3.26 半导体光源的直接调制原理(a)LED模拟调制,8,模拟光输出,模拟调制电流,偏置电流,I(mA),P(mW),9,数字调制 数字调制是光纤通信的主要调制方式，将模拟信号抽样量化脉冲编码(PC

5、M)后，以二进制数字信号“1”或“0”对光载波进行通断调制。因此也常称为光源的OOK(Onoff keying)调制。数字调制的优点是抗干扰能力强，中继时噪声及色散的影响不积累，因此可实现长距离传输。数字调制的缺点是需要较宽的频带，设备也复杂。,10,数字调制脉冲,光脉冲输出,预偏置电流,LED,LD,图3.26 半导体光源的直接调制原理(b)LED 数字调制；(c)LD数字调制。,3-5-2 LED数字调制原理图,3-5-3 LD数字调制原理图 3-5-4LD模拟调制原理图,11,偏置电流Ib作用及设计 偏置电流（Ib）和调制电流（Im）大小设计就有很大影响。通常偏置电流的选择合适与否直接影

6、响激光器高速调制输出特性。加大直流偏置，使其接近阈值，不仅可以大大减小电光延迟时间，而且可使弛豫振荡得到一定程度的抑制；当激光器偏置在阈值附近时，较小的调制脉冲电流就能得到足够高的输出光脉冲，调制效率高；而且由于Ib与(Ib+Im)值相差不大，可以大大减小码型效应和结发热效应的不良影响。,12,LD无偏置(a)及有偏置(b)时脉冲瞬态波形及光谱,3-5-5 LD无偏置和有偏置时脉冲嚼态波形和光谱,13,但是,过大的直流偏置电流会使消光比恶化，影响接收机灵敏度。当激光器正好偏置在阈值电流时，散粒噪声的增强，直接影响光接收机的信噪比。因此偏置电流的选择要兼顾上述各种影响，根据所用光源的特性与具体系

7、统的要求适当选取 Ib 的大小。调制电流幅值 Im 应根据激光器的LI的曲线，既要有足够的输出光脉冲幅度，又要考虑到光源的负担，还应注意避开自脉动的发生。,14,3.5.2 光源的驱动电路 光源注入偏置电流和调制电流，就能发射光；光源接上驱动电路就构成了光发送机的主体部分。光源种类：LED（半导体发光二极管）LD（半导体激光器）调制方式：模拟调制 数字调制 上述方式不同，驱动电路亦是不同的。,15,1)LED数字驱动电路（3-5-6 LED数字驱动电路 3-5-7LED模拟驱动电路）LED用作数字光纤通信系统光源时，驱动电路应能提供几十到几百毫安的“开”、“关”电流。数字光发送机的调制电路是一

8、种电流开关电路，最常用的是差分电流开关电路。在对激光器进行高速脉冲调制时，调制电路既要有快的开关速度，又要保持有良好的电流脉冲波形。一般LED不加偏置或只有小量 的正向偏置电流。LED对温度不是很敏感，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)。,1.数字驱动电路,16,输出光脉冲,调制电脉冲,图3.26 半导体光源的直接调制原理,半导体发光二级管（LED）直接调制原理,17,LED的数字驱动电路,LED 用作光纤数字通信系统的光源时，驱动电流随数字信号呈开、关状态变化，因此驱动电路应能提供几十上百毫安的“开”、“关”电流。一般LED 不加偏置或只需少量的正向

9、偏置电流。LED 对温度不很敏感，因此驱动电路中一般不需要复杂的自动功率控制（APC）和自动温度控制（ATC）。,18,2）激光二极管驱动电路 由于LD一般用于高速率系统，且是阈值器件，它的温度稳定性较差，因此LD驱动电路就要复杂得多。LD必须进行预偏置 考虑消光比的要求，Ib 不能超过阈值电流。通常取 Ib（0.850.9）Ith。驱动脉冲电流 Im 的峰值的取值使 Im+Ib=(1.21.3)Ith 以避免结发热及码型效应。,19,LD无偏置(a)及有偏置(b)时脉冲瞬态波形及光谱图,偏置电流 Ib 大小与阈值电流接近，这样可减小电光延迟时间与张弛振荡。,预偏置后张弛振荡大大减弱，输出光谱

10、谱线减少且变窄。,20,为提供快的开关速度，电流开关采用双边驱动，并且所有晶体管都不进入饱和区，从而使晶体管由导通变为截止时，不会因为有过多的存储电荷而影响开关速度。,它采用两级差分电流开关整形，以获得良好的电流波形；,为保证差分管特性的一致性，采用集成差分管对作调制电路；,图3.27 某140Mb/s光发送机的调制电路,21,22,2.光发送机的温度控制(ATC)电路,LD的 Ith 对工作温度是十分敏感的，随着工作温度的提高，P-I 特性曲线向右移动，这时阈值电流增大，斜率减小，见图。,23,另外，激光器P-N结结温变化，使P-I曲线变化，亦会使输出光功率产生变化，如图所示。,24,通常温

11、度控制采用微型致冷器、热敏元件及控制电路组成，其方框图如图3.28(a)所示，实际电路如图3.28(b)所示。,图3.28 光发送机的温控电路 a)温控电路框图,热敏电阻监测激光器的结温，与设定的基准温度比较、放大后，驱动致冷器控制电路，改变致冷量，以保持激光器在恒定温度下工作。,微型致冷器多采用半导体致冷器，它利用半导体材料的珀耳帖效应制成。所谓珀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。,25,图3.28 光发送机的温控电路(b)一种常用温控电路,26,热敏电阻,本地光电检测器,致冷器,光源,惠更斯电桥,27,为提高致冷效率和控制精度

12、，半导体致冷器和热敏电阻与LD芯片热沉紧贴在一起，热敏电阻把热沉上的温度变化变成电信号，经放大后控制致冷器电流，实现闭环负反馈自动恒温，这样可把温度的变化控制在0.1。,28,光发射机的光源经过一段时间使用将出现老化，即激光器的阈值电流和外微分量子效率均会随温度和器件的老化而变化，因此必须采取附加控制措施。,LD阈值电流(a)及微分外量子效率(b)变化时的光输出,3.光发送机的自动功率控制(APC)电路,29,通常可从两个方面着手进行控制：,Im,Ib,第一，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；第二，控制激光器调制脉冲电流幅度，使其自动跟踪外微分量

13、子效率的变化，从而保持输出光脉冲信号的幅度不变。,30,低漂移的直流放大器A1,宽带交流放大器A2,激光器后端面发射光,光电二极管(PD)光/电转换,正峰值检波器A3,负峰值检测器A4,控制调制电流的幅度（Im）A6,控制偏置电流(Ib)A8,31,图3.29给出了一种这样选择的APC电路的框图：利用激光器后端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，并送到一低漂移的直流放大器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的输出信号送到由SD1和C3组成的峰值检波器，A3的输出信号比例于(Pmax-Pav)；同时A2的输出信号送到由S

14、D2和C4组成负峰值检测器，A4的输出信号比例于(Pav-Pmin)。,32,放大器A5的输出信号比例于(Pmax-Pmin),即比例于光脉冲的幅度，A6作为电流源输出，控制调制电流的幅度（Im），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，使Ib跟随阈值的变化，使激光器总是偏置在最佳位置。,33,4.模拟光发送机的驱动电路 直接强度调制模拟光发送机对光源的线性要求很高，而半导体激光器的线性较差，要设计复杂的非线性补偿电路。在模拟调制系统中，光源输出特性(LI曲线)的非线性会引起信号严重失真，在音频或视

15、频信号调制时会产生谐波和互调失真及伴随的从调幅到调相的转换而导致的失真。GaAlAs LED 的总谐波失真约为-30-50dB；二次和三次谐波失真随Ib增大而减小，随调制频率提高而增大；互调失真(mnnm)还要更大些，其中奇次互调失真往往落在信号频带内，影响最大。,34,在模拟系统中，对驱动电路的要求有两个：第一是提供合适的工作点(偏置)及足够的信号驱动电流，以使光源能输出足够的功率；第二是输出光功率的幅值和相位按输入信号变化，非线性失真小。非线性失真的关键在LED本身。通常LED的线性并不很理想，其非线性失真为 3050dB，因此在高质量要求的信号传输中(如TV传输)，需对LED的线性进行补

16、偿。,35,图为共发射极互阻抗LED 模拟驱动电路。该电路由基极送入输入电压信号，并转换成集电极电流的变化。使电路工作在A类状态，静态集电极电流即为LED的偏置电流，即 Ib=Im/m，Im为信号电流峰值，m为调制系数。设Im=24mA,m=0.8，Ib=30mA：则工作电流范围为3024mA，频响超过100 MHz。谐波失真电平优于-45dB，适于高速、补偿要求不很高的场合使用。,图3.31 LED的模拟调制驱动电路,36,图3.31给出一种共发互阻抗式驱动电路，它将基极电压转换成集电极电流，偏置在A类工作，电流为3024mA(80%调制度)，频响超过100MHz，谐波失真电平优于-45dB

17、，适于高速、补偿要求不很高的场合使用。,图3.31LED的模拟调制驱动电路,37,在光纤模拟电视传输系统中，常用微分增益(DG)和微分相位(DP)这两个参量来描述非线性失真。在彩色电视系统中，它们导致色度失真。DP 失真指在彩色副载波(fsc=4.34MHz)上，系统的相移特性随输入的视频信号电平而变化；DG 失真指系统的增益特性随输入信号电平而变化。LED 的 DG 和 DP 值可从其静态LI特性曲线上求得：,（）,38,式中，I2和I1为不同的驱动电流值；(I)为输出脉冲与驱动电流间的相位延迟。通常的LED，其DG与DP高达20%和20，而广播电视标准为1%和1，所以光发送机的驱动电路中必

18、须采用非线性补偿，以降低DG和DP。图3.32-33LED 的 DG 与 DP 补偿电路。,（）,39,图3.32 LED的非线性预失真补偿电路,40,图3.33 LED的DG与DP补偿电路（a）DG补偿（b）DP补偿,41,怎样将光源发射的光信号功率有效地耦合进光纤是光发送机设计的另一个问题。实际光发送机中，光源与光纤耦合的有效程度都用耦合效率或耦合损耗来表示，其大小取决于光源和光纤的类型：LED与单模光纤的耦合效率c1%；LD与单模光纤耦合效率的典型值为c=30%50%。一般光源与一小段(约为1m)光纤耦合，耦合区封装在光发送机里，另一端为自由端，称为尾纤。使用时将尾纤与系统(光缆)对接或

19、用活动连接器将尾纤与系统光纤连接。,3.5.3 光源与光纤的耦合,42,图3.34 光源与光纤耦合损耗和效率的比较,43,影响光源与光纤耦合效率的主要因素：光源的发散角 发散角大，耦合效率低。光纤的数值孔径(NA)NA大，耦合效率高。光源发光面、光纤端面尺寸、形状及二者间间距也都直接影响耦合效率。针对不同的因素，通常采用两类方法来实现光源与光纤的耦合，即 直接耦合法 透镜耦合法。,44,图3.35 面发光二极管与光纤的透镜耦合,特点：结构简单，但耦合效率低。如面发光二极管与光纤的耦合效率只有2%4%。半导体激光器的光束发散角比面发光二极管小得多，与光纤直接耦合效率可达10%。,直接耦合法：是将光纤端面直接对准光源发光面，当发光面大于纤芯面积时，这是一种有效的方法。,45,图3.35 面发光二极管与光纤的透镜耦合,透镜耦合法：当光源发光面积小于纤芯面积时，可在光源与光纤之间放置聚焦透镜，使更多的发散光线会聚进入光纤来提高耦合效率。,光纤的端部做成球透镜,采用截头透镜,采用集成微透镜,采用这种透镜耦合后，其耦合效率达到6%15%,46,在光发送机的设计中必须考虑激光器稳定性问题，因为半导体激光器对光反馈极其敏感，很容易破坏激光器的稳定性，影响系统性能。因此需要采取抗反馈措施，大多数光发送机中，采用在激光器与光纤间接入光隔离器的办法，达到提高系统性能的要求。,3-5-8 光发射机框图,