光源的調(diào)制和光發(fā)射機

1、第四章第四章 光源的調(diào)制和光發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機關(guān)于光源的調(diào)制和光發(fā)射機現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第一頁，共35頁第四章第四章 光源的調(diào)制和光發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機一、光源的直接調(diào)制 這種調(diào)制方式又稱為“內(nèi)調(diào)制”。 直接調(diào)制常用的三種方法 模擬強度調(diào)制（AIM）這種方式與基帶傳輸相似。 脈沖位置調(diào)制（PPM）這種方式適應(yīng)光源和檢測管的特性，實際仍屬于模擬調(diào)制。 數(shù)字調(diào)制，如PCMIM，這是常用方式。模擬信號的直接調(diào)制 這種調(diào)制方法就是直接讓LED的注入電流跟隨反映語音或圖像等模擬量變化，從而使LED管的輸出光功率跟隨模擬信號變化(如圖4.1)。 由圖可見，這了使已調(diào)制的光波信號的非線性失真小，應(yīng)適

2、當(dāng)選擇直流偏置注入電流的大小?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二頁，共35頁第四章第四章 光源的調(diào)制和光發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機數(shù)字信號的直接調(diào)制數(shù)字信號的直接調(diào)制LD和LED直接光強數(shù)字調(diào)制原理如圖4.2所示：It：閾值電流IB：偏置電流ID：注入調(diào)制電流 由圖可見，當(dāng)LD激光器的驅(qū)動電流I大于閾值It電流時，輸出光功率P和驅(qū)動電流I基本上是線性關(guān)系，輸出光功率正比于輸入電流，所以輸出光信號反映輸入電信號。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三頁，共35頁第四章第四章 光源的調(diào)制和光發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機二、光源的間接調(diào)制 如圖4.3所示，它是根據(jù)某些“電/光”或“聲/光”晶體的光波傳輸特性隨電壓或聲壓等外界因素的變化而變化

3、的物理現(xiàn)象而提出的一種調(diào)制方式。 對光源的直接調(diào)制，具有簡單方便等優(yōu)點，但這種調(diào)制方法會使得激光器的動態(tài)譜線增寬，造成在傳輸時色散增大，從而限制了通信容量和傳輸速率。 采用間接調(diào)制可克服上述缺點，尤其在調(diào)制速率上，至少可提高一個數(shù)量級。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四頁，共35頁第四章第四章 光源的調(diào)制和光發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機下面簡單介紹常用的二種間接調(diào)制器。 1、電/光調(diào)制器 電光調(diào)制器的基本工作原理是晶體的線性電光效應(yīng)，電光效應(yīng)是指：電場引起晶體折射率變化的現(xiàn)象。能夠產(chǎn)生電光效應(yīng)的晶體稱為電光晶體。 如令為電光晶體折射率由外加電場 引起的變化，它可隨 成線性變化，也可隨E成平方變化（非線性）。在調(diào)制

4、器中，主要利用電光晶體的線性變化項，稱帕克耳帕克耳效應(yīng)。（Pockels effect）。EE現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五頁，共35頁第四章第四章 光源的調(diào)制和光發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機 2、聲/光調(diào)制器 聲/光調(diào)制器是利用介質(zhì)的聲光效應(yīng)制成。 所謂聲光效應(yīng)，是由于聲波在介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)受聲波壓強作用而產(chǎn)生應(yīng)變，這種應(yīng)變使得介質(zhì)的折射率發(fā)生變化，從而影響光波傳輸特性，這就是聲光效應(yīng)。 將鈦（Ti）擴散到鈮酸鋰（Li Nb O2）基底材料上，用光刻法制出波導(dǎo)的具體尺寸，可構(gòu)成光波導(dǎo)調(diào)制器，它具有體積小，重量輕，有利于光集成等特點。 具有代表性的光波導(dǎo)調(diào)制器包括：1光波相位調(diào)制器2行波方向耦合型光波導(dǎo)調(diào)制

5、器3干涉型光波導(dǎo)調(diào)制器4衍射型光波導(dǎo)調(diào)制器現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六頁，共35頁第四章第四章 光源的調(diào)制和光發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機三、光源的調(diào)制特性 半導(dǎo)體激光器是光纖通信的理想光源，但在高速脈沖調(diào)制下，其瞬態(tài)特性仍會出現(xiàn)許多復(fù)雜現(xiàn)象。如常見的電光延遲，張馳振蕩和自脈動現(xiàn)象。這種特性嚴重限制系統(tǒng)傳輸速率和通信質(zhì)量，在電路的設(shè)計時，要給予充分考慮。1、電光延遲和張馳振蕩現(xiàn)象 半導(dǎo)體激光器在高速脈沖調(diào)制下，輸出光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形如圖4.4所示： 輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在一個初始延遲時間，稱光電延遲時間td，其數(shù)量級一般為ns。 當(dāng)電流脈沖注入激光器后，輸出光脈沖會出現(xiàn)幅度逐漸衰減的振蕩，稱為張馳

6、振蕩，其頻率 一般為 0.52GHz。這些特性與激光器有源區(qū)的電子自發(fā)復(fù)合壽命和諧振腔內(nèi)光子壽命以及注入電流初始偏差量有關(guān)。 )2(rrf現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七頁，共35頁第四章第四章 光源的調(diào)制和光發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機 張馳振蕩和電光延遲的后果是限制調(diào)制速率，當(dāng)最高調(diào)制頻率接近張馳振蕩頻率時(f調(diào)maxfr)，波形失真嚴重，會使接收在抽樣判決時增加誤碼率，因此，實際使用的最高調(diào)制頻率應(yīng)低于張馳振蕩頻率。 電光延遲要產(chǎn)生碼型效應(yīng)碼型效應(yīng)：當(dāng)電光延遲時間 與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時間為相同數(shù)量級時，會使“0”碼過后的第一個“1”碼的脈沖寬度變窄，幅度減小，嚴重時可能使單個“1”碼丟失，這種現(xiàn)象稱“碼

7、型效應(yīng)”如圖4.5所示。 用適當(dāng)?shù)摹斑^調(diào)制”補償方法，如圖4.5（C）所示，可以消除型效應(yīng)。dt2/T現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八頁，共35頁第四章第四章 光源的調(diào)制和光發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機 2、自脈動現(xiàn)象 某些激光器在脈沖調(diào)制甚至直流驅(qū)動下，當(dāng)注入電流達到某個范圍時，輸出光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅的調(diào)頻振蕩，這種現(xiàn)象稱自脈動現(xiàn)象（如圖4.6所示）。頻率可達2GHZ，嚴重影響LD的高速調(diào)制特性。 自脈動現(xiàn)象是激光器內(nèi)部不均勻增益或不均勻吸收產(chǎn)生的，往往和LD的PI曲線的非線性有關(guān)，自脈動發(fā)生的區(qū)域和PI曲線扭折區(qū)域相對應(yīng)，因此，選擇激光器時應(yīng)特別注意?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第九頁，共35頁第四章第四章 光源的調(diào)制和光

8、發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機4-2 光發(fā)射機光發(fā)射機 在光纖通信中，光發(fā)射機的作用是把從電端機送來的電信號轉(zhuǎn)變成光信號，送入光纖路進行傳輸。一、對光發(fā)射機的要求1、有合適的輸出光功率 光發(fā)射機的輸出光功率，通常是指耦合進光纖的功率，亦稱入纖功率。入纖功率越大，可通信的距離就越長，但太大也會使系統(tǒng)工作于非線性狀態(tài)，對通信產(chǎn)生不良影響，甚至燒壞光接機的PIN管，這要根據(jù)實際情況進行設(shè)計，同時要求光功率穩(wěn)定度在510%。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十頁，共35頁第四章第四章 光源的調(diào)制和光發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機2、有較好的消比Ext定義： Ext 對已調(diào)制的光源，希望在“0”碼時，沒有光功率輸出，否則它將使系統(tǒng)

9、產(chǎn)生噪聲，從而使接收機靈敏度下降，一般要求Ext10%。3、調(diào)制特性好 即要求調(diào)制效率和調(diào)制頻率要高，以滿足大容量、高速率光纖通信系統(tǒng)的要求。4、其它 要求電路簡單，成本低，光源壽命長，運行穩(wěn)定可行等。10P1P0”碼進的平均光功率全“”碼時的平均光功率全“現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十一頁，共35頁第四章第四章 光源的調(diào)制和光發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機二、光發(fā)射機的組成 數(shù)字光發(fā)射機的原理框圖如下：現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十二頁，共35頁第四章第四章 光源的調(diào)制和光發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機光發(fā)射機主要由光源和電路兩部分組成，各部分功能如下：1、光源對通信用光源的要求如下（1）發(fā)射的光波長和光纖低損耗“窗口”一致，

10、即中心波長應(yīng)在0.85m,1.31m和1.55m附近，光譜單色性要好，即譜線寬度要窄，以減小光纖色散對帶寬的限制。（2）電/光轉(zhuǎn)換效率要高，即要求在足夠低的驅(qū)動電流下，有足夠大而穩(wěn)定的輸出光功率，且線性良好，發(fā)射光束的方向性要好，即遠場的輻射角要小，以利于提高光源與光纖之間的耦合效率。（3）允許的調(diào)制速率要高或響應(yīng)速度要快，以滿足系統(tǒng)大傳輸容量的要求。 （4）器件能在常溫下以連續(xù)波方式工作，要求溫度穩(wěn)定性好，可靠、長壽命。 （5）其它：體積小，重量輕，安裝方便，價低。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十三頁，共35頁第四章第四章 光源的調(diào)制和光發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機2、電路光發(fā)射機的電路主要有：調(diào)制電路、控制

11、電路、線路編碼電路。三、調(diào)制電路和自動功率控制（APC） 1、LED光源的驅(qū)動電路 如圖4.8所示，由三極管組成的共發(fā)射極驅(qū)動電路，這種簡單的驅(qū)動電路主要用于用LED作為光源的光發(fā)射機。 數(shù)字信號Uin從三極管V的基極輸入，通過集電極的電流驅(qū)動LED，數(shù)字信號的“0”，“1”碼對應(yīng)著V的截止和飽和狀態(tài)，電流的大小，根據(jù)對輸出光信號幅度的要求確定，這種驅(qū)動電路適用于10Mb/s以下的低速率系統(tǒng)，更高速率應(yīng)采用差分電流開關(guān)電路?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十四頁，共35頁第四章第四章 光源的調(diào)制和光發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機 2、LD光源的調(diào)制驅(qū)動電路 如圖4.9所示電路，是適用于激光器系統(tǒng)使用的射極耦合驅(qū)動電

12、路。 1）工作原理（調(diào)制驅(qū)動電路） 電流源為由V1、V2組成的差分開關(guān)電路提供了恒定的偏置電流，在的V2基極上施加直流參考電壓UB，V2集電極的電壓取決于LD的正向電壓，數(shù)字信號Uin從V1 基極輸入，當(dāng)信號為“1”碼時，V1(Ub1高于UB)導(dǎo)通，V2截止，LD不發(fā)光，反之，當(dāng)輸入“0”碼時，V2導(dǎo)通，而V1截止，驅(qū)動LD發(fā)光，V1和V2處于輪流截止和非飽和導(dǎo)通狀態(tài)，有利于提高調(diào)制速率。當(dāng)三極管V1、V2的截止頻率fr4.5GHZ時，這種電路的調(diào)制速率可達300Mb/s?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十五頁，共35頁第四章第四章 光源的調(diào)制和光發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機V Vinin+V+VV Vbbbbi

13、 is sT T1 1T T2 2LDLDI I1 1I I2 2-V-VLD驅(qū)動電路驅(qū)動電路 圖圖4.94.9為射極耦合為射極耦合LD驅(qū)動電路驅(qū)動電路T1T1和和T2T2組成差分開關(guān)電路組成差分開關(guān)電路 .當(dāng)當(dāng)V VininVVbbbb I I2 2=0 LD=0 LD不發(fā)光不發(fā)光 “0 0”碼碼.當(dāng)當(dāng)V VininVVbbbb I I1 1=0 LD=0 LD發(fā)光發(fā)光 “1 1”碼碼3/15/202216現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十六頁，共35頁第四章第四章 光源的調(diào)制和光發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機 射極耦合電路為恒流源，電流噪聲小，此電路缺點是動態(tài)范圍小，功耗大。 激光器驅(qū)動電路的調(diào)制速率受電路所用

14、電子器件性能限制，采用LD和驅(qū)動電路集成在一起的單片集成電路可以提高調(diào)制速率和改進光發(fā)射機的性能。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十七頁，共35頁第四章第四章 光源的調(diào)制和光發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機 2）自動功率控制（APC）(06*3) 由于工作時間加長和溫度的變化，LD的輸出功率會發(fā)生變化。為保證輸出光功率的穩(wěn)定，圖4.10所示電路是利用反饋電流使輸出光功率穩(wěn)定的LD驅(qū)動電路?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十八頁，共35頁第四章第四章 光源的調(diào)制和光發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機 由圖4.10可見，主體電路同上，只是由V3支路為LD提供的偏置電流Ib受到激光器背向輸出光平均功率和輸入數(shù)字信號均值的控制，把PD檢測器的輸出監(jiān)測

15、電壓UPD，信號參考電壓和直流參考電壓UR施加到運算放大器A1的反相輸入端，經(jīng)放大后，控制V3基極電壓和偏置電流Ib，其控制過程：P PLDLDUUpdpd(U(Updpd+V+VR2R2+V+VR R) )UUA AIIb bPPLDLD 在反饋電路中，引入信號參考電壓的目的，是使LD的偏置電流Ib不受碼流中“0”碼和“1”碼比例變化的影響。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十九頁，共35頁第四章第四章 光源的調(diào)制和光發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機 一個更加完善的APC電路如圖所示，從LD背向輸出的光功率，經(jīng)PD檢測器檢測、運放A1放大后，送到比較器A3的反相輸入端，同時輸入信號參考電壓和直流參考電壓經(jīng)A2比較放

16、大后送到A3的同相輸入端，A3和V3組成直流恒流源調(diào)節(jié)LD的偏流，使輸出光功率穩(wěn)定?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十頁，共35頁第四章第四章 光源的調(diào)制和光發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機V VininV VbbbbT T1 1T T2 2A1A1LDLDA2A2A3A3-V-V-V-VT T3 3C CPiNPiN. .自動功率控制自動功率控制(APC)(APC)電路電路 . .因老化因老化 P P光光A1A1 A3A3偏置電流偏置電流P P光光 .A2.A2的作用防止當(dāng)無信號或長的作用防止當(dāng)無信號或長“0 0”碼時，因碼時，因APCAPC電路使電路使 LDLD管注入電流增加，引起誤碼。管注入電流增加，引起誤碼

17、。 3/15/202221現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十一頁，共35頁第四章第四章 光源的調(diào)制和光發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機 四、溫度特性和自動溫度控制（ATC） 1、激光器的溫度特性 溫度對激光器輸出光功率的影響主要通過閾值電流It和外微分量變化產(chǎn)生（如圖4.12）?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十二頁，共35頁第四章第四章 光源的調(diào)制和光發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機 外微分量子效率： 在門限值以上，每秒鐘注入的電子數(shù)的變化所引起的接收到的光子數(shù)的變化 ， :外微分量子效率， :結(jié)電壓， 我們將電流的變化量 所引起的輸出功率的變化量 ，稱外微分量子。IPVjd1djVIP現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十三頁，共35頁第四章第四章 光

18、源的調(diào)制和光發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機2、結(jié)發(fā)熱效應(yīng) 即使環(huán)境溫度不變，由于調(diào)制電流的作用，引起激光器結(jié)區(qū)溫度的變化，因而使輸出形狀發(fā)生變化，這種效應(yīng)叫結(jié)發(fā)熱效應(yīng)。 設(shè)t=0時脈沖到來，注入電流I1，由于電流的熱效應(yīng)，在脈沖持續(xù)時間內(nèi)，結(jié)區(qū)的溫度隨t而升高，It而t而增大，使輸出光脈沖的幅度隨t而減小。 當(dāng)t=T時電流脈沖過后，注入電流從I1減小到了I0，電流散發(fā)的熱量減小，使輸出的光脈沖幅度增大。 結(jié)發(fā)熱效應(yīng)將引起調(diào)制失真?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十四頁，共35頁第四章第四章 光源的調(diào)制和光發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機3、自動溫度控制（ATC） 溫度控制裝置一般由致冷器、熱敏電阻和控制電路組成，原理框

19、圖如圖4.14現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十五頁，共35頁第四章第四章 光源的調(diào)制和光發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機 制冷器的冷端和激光器的熱層接觸，熱敏電阻作為傳感器，探測激光器結(jié)區(qū)的溫度，并把它傳遞給控制電路，通過控制電路改變制冷量，使激光器輸出特性保持恒定。 目前，微制冷大多采用半導(dǎo)體制冷器，它是利用半導(dǎo)體材料的珀爾帖效應(yīng)珀爾帖效應(yīng)制成的電偶來實現(xiàn)制冷的，用若干對電偶串聯(lián)或并聯(lián)組成的溫差電功能器件，溫度控制范圍可達3040，為提高制冷效率和溫度控制精度，把制冷器和熱敏電阻封裝在激光器管殼內(nèi)，溫控精度可達0.5，從而使激光器輸出平均功率和發(fā)射波長保持恒定，避免調(diào)制失真?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十六頁，共35頁第四

20、章第四章 光源的調(diào)制和光發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機圖4.15給出了ATC電原理圖 由R1、R2、R3和RT組成換能電橋，通過電橋把溫度的變化轉(zhuǎn)換成電量的變化，由運放A的差動輸入端跨接在電橋的對瑞，用以改變?nèi)龢O管V的基極電流。在設(shè)定溫度時（例20），調(diào)節(jié)R3使電橋平衡，A、B兩端沒有電位差，傳輸?shù)竭\放A的信號為零。流過制冷器TEC的電流也為零。當(dāng)環(huán)境溫度升高時，LD的管芯和熱沉溫度也升高，使具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻RT的阻值減小，電橋失去平衡。這時，UBUA，運放A的輸出電壓升高，V1的基極電流增大，制冷器TEC的正向電流也增大，致冷端溫度降低，熱沉及管芯的溫度也降低，因而保持溫度恒定。反之亦然

21、。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十七頁，共35頁第四章第四章 光源的調(diào)制和光發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機控制過程如下：T（環(huán)境）T（LD熱沉）RTI（TEC）T（LD）ATC的制冷器、熱敏電阻、APC的PINPD封裝在LD的管殼內(nèi)構(gòu)成組件如圖：現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十八頁，共35頁第四章第四章 光源的調(diào)制和光發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機教材上的電路教材上的電路A AT T1 1自動溫度控制（自動溫度控制（ATCATC）電路）電路 半導(dǎo)體制冷器半導(dǎo)體制冷器T T是一個熱電偶，加壓后，在一端吸熱另一端是一個熱電偶，加壓后，在一端吸熱另一端放熱，實現(xiàn)制冷放熱，實現(xiàn)制冷( (使使LDLD管芯的溫度恒定在管芯的溫度恒定在20

22、 20 左右）。左右）。. TTTTLDLDRtI TRtI TLDLD-V-VLDLDR R1 1R2R2R R3 3R Rt tT T+V3/15/202229現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十九頁，共35頁第四章第四章 光源的調(diào)制和光發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機五、輔助電路（如圖五、輔助電路（如圖4.17）光源過流保護電路 可在光源二極管上反向并聯(lián)一只肖特基二極管，以防止反向沖擊電流過大。無光告警電路 當(dāng)激光器“較長時間“不發(fā)光，這時延遲電路將發(fā)出告警指示。LD偏流（壽命）告警 一般當(dāng)偏流大于原始值的34倍時，LD壽命完結(jié)，所以應(yīng)設(shè)置上限，越限告警，且偏流要有慢啟動保護。(07*)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十頁，共35頁第四章第四章 光源的調(diào)制和光發(fā)射機光源的調(diào)制和光發(fā)射機4-3光源與光纖的耦合光源與光纖的耦合 在發(fā)射機中，應(yīng)盡可能地將光源耦合進入光纖中，以增強發(fā)射光功率，光源與光纖的耦合效率與光源的類型（LED或LD）及光纖的類型（多模或單模）有關(guān)，LD與單模光纖的耦合效率可以達到3050%，而LED與單模光纖的耦合效率可能小于10%。 一般來說，光源在封裝過程中都帶有一段耦合好的尾纖，尾纖與傳輸光纖的連接可以采用熔接或活動光纖連接器，在一些光源的封裝中，直接將活動光纖連接器的套筒與光源利用透鏡進行光學(xué)耦合，傳輸光纖可以直接插在套筒上?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三