光纖課件chap4-1

1、1 第第 4 章章 光端機(jī)光端機(jī)4.1 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)4.2 光接收機(jī)光接收機(jī)4.3 線路編碼線路編碼2數(shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng)中的各種干擾最終產(chǎn)生誤碼34.1 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)數(shù)字光發(fā)射機(jī)數(shù)字光發(fā)射機(jī)的的功能功能:電端機(jī)輸出的數(shù)字基帶電端機(jī)輸出的數(shù)字基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為信號(hào)轉(zhuǎn)換為信號(hào)信號(hào)用耦合技術(shù)用耦合技術(shù)光纖線路光纖線路用數(shù)字電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行用數(shù)字電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行 調(diào)制分為調(diào)制分為直接調(diào)制直接調(diào)制和和外調(diào)制外調(diào)制兩種方式兩種方式4輸出光信號(hào)輸出光信號(hào)pItIin輸入電信號(hào)輸入電信號(hào)pI（a） LED數(shù)字調(diào)制原理輸出光信號(hào)輸出光信號(hào)輸入電信號(hào)輸入電信號(hào)IinIthIb(b) LD的數(shù)字調(diào)制原理 當(dāng)激光器

2、的驅(qū)動(dòng)電流大于閾值電流Ith時(shí)， 輸出光功率P和驅(qū)動(dòng)電流I基本上是輸出和成正比，輸出光信號(hào)反映輸入電信號(hào)輸出光信號(hào)反映輸入電信號(hào)567 4.1.1 光發(fā)射機(jī)基本組成光發(fā)射機(jī)基本組成數(shù)字光發(fā)射機(jī)數(shù)字光發(fā)射機(jī)的方框圖如圖的方框圖如圖4.2所示，主所示，主要有要有光源光源和和電路電路兩部分。兩部分。光源光源是實(shí)現(xiàn)電是實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，在很光轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，在很大程度上決定著光發(fā)射機(jī)的性能。大程度上決定著光發(fā)射機(jī)的性能。電路的設(shè)計(jì)應(yīng)以電路的設(shè)計(jì)應(yīng)以為依據(jù)，使為依據(jù)，使準(zhǔn)確反映準(zhǔn)確反映8輸入接口線路編碼調(diào)制電路光源控制電路電信號(hào)輸入電信號(hào)輸入光信號(hào)輸出光信號(hào)輸出圖圖 4.2 數(shù)字光發(fā)射機(jī)方框圖數(shù)

3、字光發(fā)射機(jī)方框圖9 1. 光源光源 (1) 發(fā)射的光波長(zhǎng)應(yīng)和光纖低損耗發(fā)射的光波長(zhǎng)應(yīng)和光纖低損耗“窗口窗口”一致，一致，即中心波長(zhǎng)應(yīng)在即中心波長(zhǎng)應(yīng)在0.85 m、 1.31 m和和1.55 m附附近。近。光譜單色性要好，光譜單色性要好， 即譜線寬度要窄即譜線寬度要窄， 以減小光纖以減小光纖色散對(duì)帶寬的限制。色散對(duì)帶寬的限制。 (2) 要高，即要求在足夠低的驅(qū)動(dòng)要高，即要求在足夠低的驅(qū)動(dòng)電流下，電流下， 有足夠大而穩(wěn)定的輸出光功率，且線性有足夠大而穩(wěn)定的輸出光功率，且線性良好。良好。發(fā)射光束的發(fā)射光束的，即遠(yuǎn)場(chǎng)的輻射角要小，即遠(yuǎn)場(chǎng)的輻射角要小，以利于提高光源與光纖之間的以利于提高光源與光纖之間的

4、。平均發(fā)送光功率及其穩(wěn)定度平均發(fā)送光功率及其穩(wěn)定度10 (3) 調(diào)制速率要高或響應(yīng)速度要快調(diào)制速率要高或響應(yīng)速度要快， 以滿足系統(tǒng)的大傳輸容量的要求。以滿足系統(tǒng)的大傳輸容量的要求。 (4) 器件應(yīng)能在常溫下以連續(xù)波方式工作，器件應(yīng)能在常溫下以連續(xù)波方式工作， 要求溫度穩(wěn)定性好，要求溫度穩(wěn)定性好， 可靠性高，壽命長(zhǎng)?？煽啃愿?，壽命長(zhǎng)。 (5) 此外，要求器件體積小，重量輕，安此外，要求器件體積小，重量輕，安裝使用方便，價(jià)格便宜。裝使用方便，價(jià)格便宜。 以上各項(xiàng)中，以上各項(xiàng)中，調(diào)制速率、譜線寬度、輸出調(diào)制速率、譜線寬度、輸出光功率和光束方向性光功率和光束方向性，直接影響光纖通信，直接影響光纖通信系

5、統(tǒng)的傳輸容量和傳輸距離，是光源最重系統(tǒng)的傳輸容量和傳輸距離，是光源最重要的技術(shù)指標(biāo)。要的技術(shù)指標(biāo)。112. 調(diào)制電路和控制電路調(diào)制電路和控制電路qqq直接光強(qiáng)調(diào)制的數(shù)字光發(fā)射機(jī)直接光強(qiáng)調(diào)制的數(shù)字光發(fā)射機(jī)主要電路有主要電路有:調(diào)制調(diào)制電路、控制電路和線路編碼電路電路、控制電路和線路編碼電路采用采用作光源時(shí)，還有作光源時(shí)，還有對(duì)調(diào)制電路和控制電路的要求如下：對(duì)調(diào)制電路和控制電路的要求如下： (1) 輸出光脈沖的輸出光脈沖的通斷比通斷比(全全“1”碼平均光功率碼平均光功率和全和全“0”碼平均光功率的比值，或消光比的倒碼平均光功率的比值，或消光比的倒數(shù)數(shù))應(yīng)大于應(yīng)大于10，以保證足夠的光接收信噪比。，

6、以保證足夠的光接收信噪比。最小平均發(fā)送光功率最大平均發(fā)送光功率EX12 (2) 輸出光脈沖的寬度應(yīng)遠(yuǎn)大于輸出光脈沖的寬度應(yīng)遠(yuǎn)大于， 光脈沖的上升時(shí)間、光脈沖的上升時(shí)間、下降時(shí)間和開(kāi)通延遲時(shí)間應(yīng)足夠短，以下降時(shí)間和開(kāi)通延遲時(shí)間應(yīng)足夠短，以便在高速率調(diào)制下，輸出的光脈沖能準(zhǔn)便在高速率調(diào)制下，輸出的光脈沖能準(zhǔn)確再現(xiàn)輸入電脈沖的波形確再現(xiàn)輸入電脈沖的波形(3) 對(duì)激光器應(yīng)施加足夠的偏置電流對(duì)激光器應(yīng)施加足夠的偏置電流，以，以便抑制在較高速率調(diào)制下可能出現(xiàn)的張便抑制在較高速率調(diào)制下可能出現(xiàn)的張弛振蕩，保證發(fā)射機(jī)正常工作弛振蕩，保證發(fā)射機(jī)正常工作 (4) 應(yīng)采用應(yīng)采用自動(dòng)功率控制自動(dòng)功率控制(APC)和和

7、自動(dòng)溫自動(dòng)溫度控制度控制(ATC)， 以保證輸出光功率有足以保證輸出光功率有足夠的穩(wěn)定性夠的穩(wěn)定性 13 3. 線路編碼電路線路編碼電路電端機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)是適合電纜傳輸電端機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)是適合電纜傳輸?shù)碾p極性碼，而光源不能發(fā)射負(fù)脈沖，的雙極性碼，而光源不能發(fā)射負(fù)脈沖， 要變換為適合于光纖傳輸?shù)囊儞Q為適合于光纖傳輸?shù)?4 4.1.2 調(diào)制特性調(diào)制特性半導(dǎo)體激光器是光纖通信的理想光源，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(huì)但在高速脈沖調(diào)制下，其瞬態(tài)特性仍會(huì)出現(xiàn)許多復(fù)雜現(xiàn)象，如常見(jiàn)的出現(xiàn)許多復(fù)雜現(xiàn)象，如常見(jiàn)的電光延遲電光延遲、 張弛振蕩張弛振蕩和和自脈動(dòng)現(xiàn)象自脈動(dòng)

8、現(xiàn)象。這些特性這些特性嚴(yán)重限制系統(tǒng)傳輸速率和通信嚴(yán)重限制系統(tǒng)傳輸速率和通信質(zhì)量質(zhì)量，因此在電路的設(shè)計(jì)時(shí)要給予充分，因此在電路的設(shè)計(jì)時(shí)要給予充分考慮。考慮。15 1. 現(xiàn)象現(xiàn)象 半導(dǎo)體激光器在高速脈沖調(diào)制下，輸出光半導(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)波形如圖脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形如圖4.3所示。所示。 輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在一個(gè)輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在一個(gè)初始延遲時(shí)間，稱為初始延遲時(shí)間，稱為td，其，其數(shù)量級(jí)一般為數(shù)量級(jí)一般為 ns。 當(dāng)電流脈沖注入激光器后，輸出光脈沖會(huì)當(dāng)電流脈沖注入激光器后，輸出光脈沖會(huì)出現(xiàn)幅度逐漸衰減的振蕩，出現(xiàn)幅度逐漸衰減的振蕩， 稱為稱為，其振蕩

9、頻率其振蕩頻率fr一般為一般為0.52 GHz。 這些特性與激光器有源區(qū)的這些特性與激光器有源區(qū)的和和以及以及有關(guān)。有關(guān)。圖 光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形 16 圖 4.3 光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形 和和的后果是的后果是。 當(dāng)最高調(diào)制頻率接近張弛振蕩頻率時(shí)，波形失真嚴(yán)重，會(huì)當(dāng)最高調(diào)制頻率接近張弛振蕩頻率時(shí)，波形失真嚴(yán)重，會(huì)使光接收機(jī)在抽樣判決時(shí)增加誤碼率，因此實(shí)際使用的使光接收機(jī)在抽樣判決時(shí)增加誤碼率，因此實(shí)際使用的。 17要產(chǎn)生要產(chǎn)生碼型效應(yīng)碼型效應(yīng)。 當(dāng)電光延遲時(shí)間當(dāng)電光延遲時(shí)間td與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時(shí)間與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時(shí)間T/2為相同數(shù)量級(jí)時(shí)，會(huì)使為相同數(shù)量級(jí)時(shí)，會(huì)使“0”碼過(guò)后的第一個(gè)碼過(guò)后的第

10、一個(gè)“1碼的脈沖寬度變窄，幅度減小，嚴(yán)重時(shí)可能使單個(gè)碼的脈沖寬度變窄，幅度減小，嚴(yán)重時(shí)可能使單個(gè)“”碼丟失，碼丟失， 這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為“碼型效應(yīng)碼型效應(yīng)”。 如圖如圖4.4，在兩個(gè)接連出現(xiàn)的，在兩個(gè)接連出現(xiàn)的“1”碼中，第一個(gè)脈沖到來(lái)前，有較長(zhǎng)的連碼中，第一個(gè)脈沖到來(lái)前，有較長(zhǎng)的連“0”碼，碼， 由于電光延遲時(shí)間長(zhǎng)和光脈沖上升時(shí)間的影響，因此脈沖變小。由于電光延遲時(shí)間長(zhǎng)和光脈沖上升時(shí)間的影響，因此脈沖變小。 第二個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)，由于第一個(gè)脈沖的電子復(fù)合尚未完全消失，有源區(qū)電子第二個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)，由于第一個(gè)脈沖的電子復(fù)合尚未完全消失，有源區(qū)電子密度較高，因此電光延遲時(shí)間短，密度較高，因此電光

11、延遲時(shí)間短， 脈沖較大。脈沖較大。 考慮在兩個(gè)接連出現(xiàn)的“1”碼脈沖調(diào)制時(shí)，第一個(gè)脈沖過(guò)后，存儲(chǔ)在有源區(qū)的電子以指數(shù)形式衰減，如果調(diào)制速率很高，脈沖間隔小于其衰減周期，就會(huì)使第二個(gè)脈沖到來(lái)之時(shí)，前一個(gè)電流脈沖注入的電子并沒(méi)有完全復(fù)合消失，此時(shí)有源區(qū)電子密度較高，因此電光延遲時(shí)間短，輸出光脈沖幅度和寬度就會(huì)增大。1 2電脈沖光脈沖2ns5ns2ns圖4.4 碼型效應(yīng)（a) 、(b)碼型效應(yīng)波形；（c）改善后波形(a)(b)(c)18 “碼型效應(yīng)碼型效應(yīng)”的特點(diǎn)是：特點(diǎn)是：在脈沖序列中較長(zhǎng)的連“0”碼后出現(xiàn)的“1”碼，其脈沖明顯變小，而且連“0”碼數(shù)目越多，調(diào)制速率越高，這種效應(yīng)越明顯。用適當(dāng)?shù)摹?/p>

12、過(guò)調(diào)制過(guò)調(diào)制”補(bǔ)償方法， 可以消除碼型效應(yīng)，見(jiàn)圖4.4(c)所示。 1 2電脈沖光脈沖2ns5ns2ns 圖4.4 碼型效應(yīng)（a) 、(b)碼型效應(yīng)波形；（c）改善后波形(a)(b)(c)19 2. 自脈動(dòng)現(xiàn)象自脈動(dòng)現(xiàn)象某些激光器在脈沖調(diào)制甚至直流驅(qū)動(dòng)下，某些激光器在脈沖調(diào)制甚至直流驅(qū)動(dòng)下，當(dāng)注入電流達(dá)到某個(gè)范圍時(shí)，輸出光脈當(dāng)注入電流達(dá)到某個(gè)范圍時(shí)，輸出光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅的高頻振蕩，這種現(xiàn)象沖出現(xiàn)持續(xù)等幅的高頻振蕩，這種現(xiàn)象稱為稱為自脈動(dòng)現(xiàn)象自脈動(dòng)現(xiàn)象，如圖，如圖4.5所示。所示。自脈動(dòng)頻率可達(dá)自脈動(dòng)頻率可達(dá)2GHz，嚴(yán)重影響，嚴(yán)重影響LD的的高速調(diào)制特性。高速調(diào)制特性。 20電脈沖光脈沖圖4

13、.5 激光器自脈沖動(dòng)現(xiàn)象自脈動(dòng)現(xiàn)象自脈動(dòng)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P - I曲線的非線性有關(guān), 自脈動(dòng)發(fā)生的區(qū)域和P - I曲線扭折區(qū)域相對(duì)應(yīng)。 21 當(dāng)階躍電流加到LD時(shí)，有源層中的電子濃度迅速增加。在未達(dá)到閾值時(shí)沒(méi)有激光輸出，但經(jīng)過(guò)電子延遲時(shí)間td后電子濃度達(dá)到閾值，并馬上產(chǎn)生激光輸出。而在光子濃度到穩(wěn)態(tài)值前，電子濃度仍在增大，直到電子濃度達(dá)到最大值，而光子濃度達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。由于導(dǎo)帶內(nèi)超量?jī)?chǔ)存電子，受激復(fù)合過(guò)程進(jìn)一步增大，直到光子濃度升到最大值，而電子濃度則降到閾值；由于光子壽命，及逸出腔外需要一定時(shí)間，使有源區(qū)內(nèi)的過(guò)量復(fù)合仍維持一段時(shí)間，電子濃度進(jìn)一步下降

14、到閾值以下，光子濃度也開(kāi)始迅速下降。當(dāng)電子濃度下降到最低點(diǎn)，有源層中的激射可能減弱甚至停止。緊接著又開(kāi)始新一輪導(dǎo)帶電子填充過(guò)程。但由于電子但由于電子的存儲(chǔ)效應(yīng)，這一輪的填充時(shí)間比上次短，電子濃度和光的存儲(chǔ)效應(yīng)，這一輪的填充時(shí)間比上次短，電子濃度和光子濃度的過(guò)沖量也比上次小。子濃度的過(guò)沖量也比上次小。這種衰減振蕩過(guò)程重復(fù)多次，直到輸出光功率達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。22234.1.3 調(diào)制電路和自動(dòng)功率控制調(diào)制電路和自動(dòng)功率控制數(shù)字信號(hào)調(diào)制電路應(yīng)采用電流開(kāi)關(guān)電路，數(shù)字信號(hào)調(diào)制電路應(yīng)采用電流開(kāi)關(guān)電路， 最常用的最常用的是是差分電流開(kāi)關(guān)電路差分電流開(kāi)關(guān)電路。 圖圖4.6示出由三極管組成的示出由三極管組成的，這種，

15、這種簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路主要用于以發(fā)光二極管簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路主要用于以發(fā)光二極管LED作為光作為光源的光發(fā)射機(jī)。源的光發(fā)射機(jī)。數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)Uin從三極管從三極管V的基極輸入，通過(guò)集電極的的基極輸入，通過(guò)集電極的電流驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)LED。數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)“0”碼和碼和“1”碼對(duì)應(yīng)于碼對(duì)應(yīng)于V的截止和飽和狀態(tài)，的截止和飽和狀態(tài)，電流的大小根據(jù)對(duì)輸出光信號(hào)幅度的要求確定。電流的大小根據(jù)對(duì)輸出光信號(hào)幅度的要求確定。這種驅(qū)動(dòng)電路適用于這種驅(qū)動(dòng)電路適用于10 Mb/s以下的低速率系統(tǒng)，更以下的低速率系統(tǒng)，更高速率系統(tǒng)應(yīng)采用差分電流開(kāi)關(guān)電路。高速率系統(tǒng)應(yīng)采用差分電流開(kāi)關(guān)電路。 24圖圖 4.6 共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路共

16、發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路 UCR2LEDC1R1UinV當(dāng)輸入數(shù)據(jù)信號(hào)為“0”時(shí)，晶體三極管V處于截止?fàn)顟B(tài)，LED中沒(méi)有電流流過(guò)，因此LED不發(fā)光；當(dāng)輸入數(shù)據(jù)信號(hào)為“1”時(shí)，晶體三極管VT工作于飽和狀態(tài)，LED中有較大的電流流過(guò)，所以LED發(fā)光。25圖圖 4.7 射極耦合射極耦合LD驅(qū)動(dòng)電路圖驅(qū)動(dòng)電路圖 V2V1Ib電流源Io UEUinLDUB26 圖圖4.7是常用的是常用的射極耦合驅(qū)動(dòng)電路射極耦合驅(qū)動(dòng)電路，適合于激光器，適合于激光器系統(tǒng)使用。電流源為由系統(tǒng)使用。電流源為由V1和和V2組成的差分開(kāi)關(guān)電路，組成的差分開(kāi)關(guān)電路，它提供了恒定的偏置電流。它提供了恒定的偏置電流。在在V2基極上施加直流參考電壓

17、基極上施加直流參考電壓UB， V2集電極的電集電極的電壓取決于壓取決于LD的正向電壓，數(shù)字電信號(hào)的正向電壓，數(shù)字電信號(hào)Uin從從V1基極基極輸入。輸入。 當(dāng)信號(hào)為當(dāng)信號(hào)為“0”碼時(shí)，碼時(shí)，V1基極電位比基極電位比UB高而高而搶先導(dǎo)通，搶先導(dǎo)通，V2截止，截止， LD不發(fā)光；反之，當(dāng)信號(hào)為不發(fā)光；反之，當(dāng)信號(hào)為“1”碼時(shí)，碼時(shí)，V1基極電位比基極電位比UB低，低， V2搶先導(dǎo)通，驅(qū)搶先導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)動(dòng)LD發(fā)光。發(fā)光。V1和和V2處于輪流截止和非飽和導(dǎo)通狀態(tài)，有利于提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)三極管截止頻率高調(diào)制速率。當(dāng)三極管截止頻率fr4.5 GHz時(shí)，這時(shí)，這種電路的調(diào)制

18、速率可達(dá)種電路的調(diào)制速率可達(dá)300 Mb/s。射極耦合電路為恒流源，電流噪聲小，這種電路的射極耦合電路為恒流源，電流噪聲小，這種電路的缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍小，功耗較大缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍小，功耗較大。 27由于溫度變化和工作時(shí)間加長(zhǎng)，由于溫度變化和工作時(shí)間加長(zhǎng)，LD的輸?shù)妮敵龉夤β蕰?huì)發(fā)生變化。為保證輸出光功出光功率會(huì)發(fā)生變化。為保證輸出光功率的穩(wěn)定，率的穩(wěn)定， 必須改進(jìn)電路設(shè)計(jì)。必須改進(jìn)電路設(shè)計(jì)。圖圖4.8是利用反饋電流使輸出光功率穩(wěn)定是利用反饋電流使輸出光功率穩(wěn)定的的LD驅(qū)動(dòng)電路，其主體和圖驅(qū)動(dòng)電路，其主體和圖4.7相同，只相同，只是由是由V3支路為支路為L(zhǎng)D提供的偏置電流提供的偏置電流Ib受到受到激光

19、器背向輸出光平均功率和輸入數(shù)字激光器背向輸出光平均功率和輸入數(shù)字信號(hào)均值信號(hào)均值 的控制。的控制。inU 28 圖 4.8 反饋穩(wěn)定LD驅(qū)動(dòng)電路V2V1電流源IoUin UV3A1CIbRf信號(hào)參考UR輸出監(jiān)測(cè)PD檢測(cè)器LDUB1UA1UinPLD UPD (UPD+ +UR) UA1 Ib PLDinU29把PD檢測(cè)器的輸出監(jiān)測(cè)電壓UPD、信號(hào)參考電壓 和直流參考電壓UR施加到運(yùn)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(guò)程如下： inUPLD UPD (UPD+ +UR) UA1 Ib PLDinU在反饋電路中引入信號(hào)參考電壓的目的，是使在反饋電路中引入信號(hào)

20、參考電壓的目的，是使LD的偏置的偏置電流電流Ib不受碼流中不受碼流中“0”碼和碼和“1”碼比例變化的影響。碼比例變化的影響。 30 一個(gè)更加完善的一個(gè)更加完善的自動(dòng)功率控制自動(dòng)功率控制(APC)電電路如圖路如圖4.9所示。從所示。從LD背向輸出的光功率，背向輸出的光功率，經(jīng)經(jīng)PD檢測(cè)器檢測(cè)、運(yùn)算放大器檢測(cè)器檢測(cè)、運(yùn)算放大器A1放大后放大后送到比較器送到比較器A3的反相輸入端。的反相輸入端。同時(shí)，輸入信號(hào)參考電壓和直流參考電同時(shí)，輸入信號(hào)參考電壓和直流參考電壓經(jīng)壓經(jīng)A2比較放大后，送到比較放大后，送到A3的同相輸入的同相輸入端。端。A3和和V3組成直流恒流源調(diào)節(jié)組成直流恒流源調(diào)節(jié)LD的偏的偏流，

21、使輸出光功率穩(wěn)定。流，使輸出光功率穩(wěn)定。 31圖 4.9 APC電路原理 V2V1信號(hào)參考UinA1A2A3PD直流參考 U UV3IbLD32 4.1.4 溫度特性和自動(dòng)溫度控制溫度特性和自動(dòng)溫度控制1. 激光器的溫度特性激光器的溫度特性激光器的溫度特性在激光器的溫度特性在3.1節(jié)已經(jīng)討論過(guò)，溫度節(jié)已經(jīng)討論過(guò)，溫度對(duì)激光器輸出光功率的影響主要通過(guò)對(duì)激光器輸出光功率的影響主要通過(guò)閾值電閾值電流流Ith和和外微分量子效率外微分量子效率d產(chǎn)生。產(chǎn)生。圖圖4.10(a)和和(b)分別示出溫度通過(guò)閾值電流和分別示出溫度通過(guò)閾值電流和外微分量子效率引起的輸出光脈沖的變化：外微分量子效率引起的輸出光脈沖的

22、變化：溫度溫度升高升高，閾值電流，閾值電流增加增加外微分量子效率外微分量子效率減小減小，輸出光脈沖幅度，輸出光脈沖幅度下降下降溫度對(duì)輸出光脈沖會(huì)產(chǎn)生溫度對(duì)輸出光脈沖會(huì)產(chǎn)生 “結(jié)發(fā)熱效應(yīng)結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”。33PPII 圖 4.10 溫度引起的光輸出的變化(a) 閾值電流變化引起的光輸出的變化； (b) 外微分量子效率變化引起的光輸出的變化 20。C25。C20。C70。C34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，因而使輸出光脈沖的形狀發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”。I1I0t=0 t=T圖 4.11 結(jié)發(fā)熱效應(yīng) 電流脈沖光脈沖35 如圖如圖4.11所示，設(shè)所

23、示，設(shè)t=0時(shí)時(shí)電脈沖到來(lái)，電脈沖到來(lái)， 注入電流注入電流為為I1，由于電流的熱效應(yīng)，在脈沖持續(xù)時(shí)間里，由于電流的熱效應(yīng)，在脈沖持續(xù)時(shí)間里，結(jié)區(qū)的溫度隨時(shí)間結(jié)區(qū)的溫度隨時(shí)間t而升高，激光器的閾值電流隨而升高，激光器的閾值電流隨t而增大，使輸出光脈沖的幅度隨而增大，使輸出光脈沖的幅度隨t而減小。而減小。當(dāng)當(dāng)t=T時(shí)時(shí)電流脈沖過(guò)后，注入電流從電流脈沖過(guò)后，注入電流從I1減小到減小到I0，電流散發(fā)的熱量減少，結(jié)區(qū)溫度隨電流散發(fā)的熱量減少，結(jié)區(qū)溫度隨t而降低，閾值而降低，閾值電流減小，使輸出光脈沖的幅度增大。電流減小，使輸出光脈沖的幅度增大?！敖Y(jié)發(fā)熱效應(yīng)結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”將引起調(diào)制失真將引起調(diào)制失真。 與調(diào)

24、制速率對(duì)激光器瞬態(tài)特性的影響相反，與調(diào)制速率對(duì)激光器瞬態(tài)特性的影響相反，低調(diào)低調(diào)制速率的制速率的“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”更加明顯更加明顯。這是因?yàn)殡S著調(diào)制速率的提高，碼元時(shí)間間隔縮這是因?yàn)殡S著調(diào)制速率的提高，碼元時(shí)間間隔縮短，使結(jié)區(qū)溫度來(lái)不及發(fā)生變化。短，使結(jié)區(qū)溫度來(lái)不及發(fā)生變化。 362. 自動(dòng)溫度控制自動(dòng)溫度控制半導(dǎo)體光源的輸出特性受溫度影響很大，特半導(dǎo)體光源的輸出特性受溫度影響很大，特別是別是對(duì)溫度更加敏感。對(duì)溫度更加敏感。為保證輸出特性的穩(wěn)定，對(duì)激光器進(jìn)行溫度為保證輸出特性的穩(wěn)定，對(duì)激光器進(jìn)行溫度控制是十分必要的?？刂剖鞘直匾?。 溫度控制裝置一般由溫度控制裝置一般由致冷器致冷器、熱敏電阻熱敏電阻和和控控制電路制電路組成，組成， 圖圖4.12示出溫度控制裝置的示出溫度控制裝置的方框圖。方框圖。的冷端和激光器的熱沉接觸，的冷端和激光器的熱沉接觸，作為傳感器，探測(cè)激光器結(jié)區(qū)的溫度，并作為傳感器，探測(cè)激光器結(jié)區(qū)的溫度，并把它傳遞給控制電路，通過(guò)把它傳遞給控制電路，通過(guò)改變致改變致冷量，使激光器輸出特性保持恒定。冷量，使激光器輸出特性保持恒定。37圖 4.12 溫度控制方框圖 激光器致冷器熱敏電阻熱敏電阻控制電路熱導(dǎo)熱敏電阻熱敏電阻熱敏電阻熱敏電阻熱敏電阻熱敏電阻38目前，目前，大多采用大多采用半導(dǎo)體致冷器半導(dǎo)體致冷器，它是利用半導(dǎo)體材料的它是利用半導(dǎo)體材料的珀?duì)柼?/p>