第章光源的調(diào)制和光發(fā)射機(jī)

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①模擬強(qiáng)度調(diào)制（AIM）這種方式與基帶傳輸相似。②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(shí)際仍屬于模擬調(diào)制。③數(shù)字調(diào)制，如PCM－IM，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)適當(dāng)選擇直流偏置注入電流的大小。目前一頁\總數(shù)三十一頁\編于十八點(diǎn)數(shù)字信號的直接調(diào)制LD和LED直接光強(qiáng)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(shí)，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。目前二頁\總數(shù)三十一頁\編于十八點(diǎn)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(diǎn)，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(shí)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(diǎn)，尤其在調(diào)制速率上，至少可提高一個數(shù)量級。目前三頁\總數(shù)三十一頁\編于十八點(diǎn)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Δｎ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)制器中，主要利用電光晶體Δｎ的線性變化項(xiàng)，稱帕克耳效應(yīng)。（Pockel'seffect）。目前四頁\總數(shù)三十一頁\編于十八點(diǎn)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(shí)，介質(zhì)受聲波壓強(qiáng)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(kuò)散到鈮酸鋰（LiNbO2）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(diǎn)。

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)制器目前五頁\總數(shù)三十一頁\編于十八點(diǎn)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(yán)重限制系統(tǒng)傳輸速率和通信質(zhì)量，在電路的設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)間，稱光電延遲時(shí)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，稱為張馳振蕩，其頻率一般為

0.5～2GHz。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)。目前六頁\總數(shù)三十一頁\編于十八點(diǎn)

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(shí)(f調(diào)max＝fr)，波形失真嚴(yán)重，會使接收在抽樣判決時(shí)增加誤碼率，因此，實(shí)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)：當(dāng)電光延遲時(shí)間與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時(shí)間為相同數(shù)量級時(shí)，會使“0”碼過后的第一個“1”碼的脈沖寬度變窄，幅度減小，嚴(yán)重時(shí)可能使單個“1”碼丟失，這種現(xiàn)象稱“碼型效應(yīng)”如圖4.5所示。用適當(dāng)?shù)摹斑^調(diào)制”補(bǔ)償方法，如圖4.5（C）所示，可以消除型效應(yīng)。目前七頁\總數(shù)三十一頁\編于十八點(diǎn)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(dá)到某個范圍時(shí)，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(dá)2GHZ，嚴(yán)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P－I曲線的非線性有關(guān)，自脈動發(fā)生的區(qū)域和P－I曲線扭折區(qū)域相對應(yīng)，因此，選擇激光器時(shí)應(yīng)特別注意。目前八頁\總數(shù)三十一頁\編于十八點(diǎn)§4-2光發(fā)射機(jī)

在光纖通信中，光發(fā)射機(jī)的作用是把從電端機(jī)送來的電信號轉(zhuǎn)變成光信號，送入光纖路進(jìn)行傳輸。一、對光發(fā)射機(jī)的要求1、有合適的輸出光功率光發(fā)射機(jī)的輸出光功率，通常是指耦合進(jìn)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(jī)的PIN管，這要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)要求光功率穩(wěn)定度在5～10%。目前九頁\總數(shù)三十一頁\編于十八點(diǎn)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(shí)，沒有光功率輸出，否則它將使系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲，從而使接收機(jī)靈敏度下降，一般要求Ext≤10%。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(yùn)行穩(wěn)定可行等。目前十頁\總數(shù)三十一頁\編于十八點(diǎn)二、光發(fā)射機(jī)的組成數(shù)字光發(fā)射機(jī)的原理框圖如下：目前十一頁\總數(shù)三十一頁\編于十八點(diǎn)光發(fā)射機(jī)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，即中心波長應(yīng)在0.85μm,1.31μm和1.55μm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(yuǎn)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(jià)低。目前十二頁\總數(shù)三十一頁\編于十八點(diǎn)2、電路光發(fā)射機(jī)的電路主要有：調(diào)制電路、控制電路、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(jī)。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。目前十三頁\總數(shù)三十一頁\編于十八點(diǎn)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(shí)，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(shí)，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fr≥4.5GHZ時(shí)，這種電路的調(diào)制速率可達(dá)300Mb/s。目前十四頁\總數(shù)三十一頁\編于十八點(diǎn)Vin+VVbbisT1T2LDI1I2-VLD驅(qū)動電路

圖4.9為射極耦合LD驅(qū)動電路T1和T2組成差分開關(guān)電路

.當(dāng)Vin>VbbI2=0LD不發(fā)光“0”碼.當(dāng)Vin<VbbI1=0LD發(fā)光“1”碼5/17/202315目前十五頁\總數(shù)三十一頁\編于十八點(diǎn)

射極耦合電路為恒流源，電流噪聲小，此電路缺點(diǎn)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(jìn)光發(fā)射機(jī)的性能。目前十六頁\總數(shù)三十一頁\編于十八點(diǎn)2）自動功率控制（APC）(06*3)

由于工作時(shí)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。目前十七頁\總數(shù)三十一頁\編于十八點(diǎn)

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)測電壓UPD，信號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，其控制過程：PLD↘→Upd↘→(Upd+VR2+VR)↘→UA↖→Ib↖→PLD↖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。

目前十八頁\總數(shù)三十一頁\編于十八點(diǎn)

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(yùn)放A1放大后，送到比較器A3的反相輸入端，同時(shí)輸入信號參考電壓和直流參考電壓經(jīng)A2比較放大后送到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。目前十九頁\總數(shù)三十一頁\編于十八點(diǎn)VinVbbT1T2A1LDA2A3-V-VT3CPiN.自動功率控制(APC)電路

.因老化P光A1

A3偏置電流P光

.A2的作用防止當(dāng)無信號或長“0”碼時(shí)，因APC電路使

LD管注入電流增加，引起誤碼。5/17/202320目前二十頁\總數(shù)三十一頁\編于十八點(diǎn)

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）。目前二十一頁\總數(shù)三十一頁\編于十八點(diǎn)

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。目前二十二頁\總數(shù)三十一頁\編于十八點(diǎn)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(shí)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(shí)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(shí)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。目前二十三頁\總數(shù)三十一頁\編于十八點(diǎn)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，原理框圖如圖4.14目前二十四頁\總數(shù)三十一頁\編于十八點(diǎn)

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?duì)柼?yīng)制成的電偶來實(shí)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(dá)30～40℃，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(dá)±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。目前二十五頁\總數(shù)三十一頁\編于十八點(diǎn)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(yùn)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(shí)（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\(yùn)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(shí)，LD的管芯和熱沉溫度也升高，使具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻RT的阻值減小，電橋失去平衡。這時(shí)，UB＜UA，運(yùn)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。目前二十六頁\總數(shù)三十一頁\編于十八點(diǎn)控制過程如下：T（環(huán)境）↑→T（LD熱沉）↑→RT↓→I（TEC）↑→T（LD）↓ATC的制冷器、熱敏電阻、APC的PIN－PD封裝在LD的管殼內(nèi)構(gòu)成組件如圖：目前二十七頁\總數(shù)三十一頁\編于十八點(diǎn)教材上的電路AT1自動溫度控制（ATC）電路

半導(dǎo)體制冷器T是一個熱電偶，加壓后，在一端吸熱另一端放熱，實(shí)現(xiàn)制冷(使LD管芯的溫度恒定在20℃左右）。.T↗→TLD↗→Rt↘→I↗→TLD↘-VLDR1R2R3R