第五章光發(fā)送機(jī)

1、第五章第五章 光發(fā)送機(jī)光發(fā)送機(jī)5.1 光光 發(fā)發(fā) 送送 機(jī)機(jī)5.2 驅(qū)動(dòng)電路和輔助電路驅(qū)動(dòng)電路和輔助電路5.3 光功率發(fā)射和耦合光功率發(fā)射和耦合5.1 光光 發(fā)發(fā) 送送 機(jī)機(jī)5.1.1 光發(fā)送機(jī)的組成光發(fā)送機(jī)的組成1. 光發(fā)送機(jī)的作用光發(fā)送機(jī)的作用 把從電端機(jī)送來的電信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)，并送入光纖線路進(jìn)行傳輸。 數(shù)字光發(fā)送機(jī)的基本組成包括均衡放大、碼型變換、復(fù)用、擾碼、時(shí)鐘提取、光源、光源的調(diào)制電路、光源的控制電路（ATC和APC）及光源的監(jiān)測(cè)和保護(hù)電路等。如圖5.1。圖5.1 數(shù)字光發(fā)送機(jī)原理方框圖2. 光發(fā)送機(jī)的基本組成光發(fā)送機(jī)的基本組成 （1）均衡放大：補(bǔ)償由電纜傳輸所產(chǎn)生的衰減和畸變。

2、（2）碼型變換：將HDB3碼或CMI碼變化為NRZ碼。 （3）復(fù)用：用一個(gè)大傳輸信道同時(shí)傳送多個(gè)低速信號(hào)的過程。 （4）擾碼：使信號(hào)達(dá)到“0”、“1”等概率出現(xiàn)，利于時(shí)鐘提取。 （5）時(shí)鐘提取：提取PCM中的時(shí)鐘信號(hào)，供給其它電路使用。 （6）調(diào)制（驅(qū)動(dòng)）電路：完成電/光變換任務(wù)。 （7）光源：產(chǎn)生作為光載波的光信號(hào)。 （8）溫度控制和功率控制： 穩(wěn)定工作溫度和輸出的平均光功率。 （9）其他保護(hù)、監(jiān)測(cè)電路：如光源過流保護(hù)電路、無光告警電路、LD偏流（壽命）告警等。5.1.2 光調(diào)制原理光調(diào)制原理1.光調(diào)制作用光調(diào)制作用 把隨發(fā)送數(shù)據(jù)變化的電信號(hào)加到光上去，使光隨數(shù)據(jù)的變化而以一定規(guī)律變化，這一

3、過程就叫做光的調(diào)制。調(diào)制后的光束就是光信號(hào)。2. 光調(diào)制方式分類光調(diào)制方式分類(1) 按照光源與調(diào)制信號(hào)的關(guān)系分類 根據(jù)光源與調(diào)制信號(hào)的關(guān)系，可以將光源的調(diào)制方式分為直接（或內(nèi)部）調(diào)制方式和間接(或外部)調(diào)制方式。（1）直接調(diào)制）直接調(diào)制 基本概念及調(diào)制原理 直接調(diào)制就是將調(diào)制信號(hào)（電信號(hào)）直接施加在光源上，使其輸出的光載波信號(hào)的強(qiáng)度隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化，又稱為內(nèi)調(diào)制。 特點(diǎn)：調(diào)制簡(jiǎn)單、損耗小、成本低。但存在波長(zhǎng)(頻率)的抖動(dòng)。圖5.2 直接光強(qiáng)度數(shù)字調(diào)制原理 （2）間接調(diào)制）間接調(diào)制 基本概念及調(diào)制原理 間接調(diào)制不直接調(diào)制光源，而是利用晶體的電光、磁光和聲光特性對(duì)LD所發(fā)出的光載波進(jìn)行調(diào)制

4、，即光輻射之后再加載調(diào)制電壓，使經(jīng)過調(diào)制器的光載波得到調(diào)制，這種調(diào)制方式又稱作外調(diào)制，如圖5.3所示。 特點(diǎn) 調(diào)制系統(tǒng)比較復(fù)雜、消光比高（13）、插損較大56dB、驅(qū)動(dòng)電壓較高5V、難以與光源集成、偏振敏感、損耗大、而且造價(jià)也高。但譜線寬度窄，可以應(yīng)用于2.5Gbit/s的高速大容量傳輸系統(tǒng)之中，而且傳輸距離也超過300km以上。圖5.3 間接調(diào)制激光器的結(jié)構(gòu)(2) (2) 按照已調(diào)制信號(hào)的性質(zhì)分類按照已調(diào)制信號(hào)的性質(zhì)分類 根據(jù)已調(diào)制信號(hào)的性質(zhì)，可以將光源的調(diào)制方式分為模擬調(diào)制方式和數(shù)字調(diào)制方式。 模擬調(diào)制方式是指已調(diào)制信號(hào)屬于模擬信號(hào) ， 這 種 調(diào) 制 方 式 主 要 包 括 強(qiáng) 度 調(diào)

5、制(Intensity Modulation，IM)方式、振幅調(diào)制(Amplitude Modulation，AM)方式、雙邊帶抑制載波(Double Sideband/Suppressing Carrier，DSB/SC)調(diào)制方式、單邊帶(Single Sideband，SSB)調(diào)制方式及殘余邊帶(Vestigial Sideband，VSB)調(diào)制方式。 數(shù)字調(diào)制方式是指已調(diào)制信號(hào)屬于數(shù)字信號(hào)，這種調(diào)制方式主要包括幅移鍵控(Amplitude-shifted Keying，ASK)調(diào)制方式、頻移鍵控(Frequency-shifted Keying，F(xiàn)SK)調(diào)制方式及相移鍵控(Phase-s

6、hifted Keying，PSK)調(diào)制方式等。3. 已調(diào)制信號(hào)表達(dá)式已調(diào)制信號(hào)表達(dá)式由于其他調(diào)制方式應(yīng)用極少，因此我們?cè)谶@里僅僅給出用電場(chǎng)表示的、常用強(qiáng)度調(diào)制方式的已調(diào)制信號(hào)表達(dá)式： 式中：KT為與發(fā)送光功率有關(guān)的正常數(shù)；m為調(diào)制系數(shù)(0m1)；x(t)為歸一化幅度的調(diào)制信號(hào)波形；c為光載波角頻率，0為初相位。)cos()(1)(02/1ttmxKtecTT（1）電光延遲和張弛振蕩現(xiàn)象）電光延遲和張弛振蕩現(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5.4所示。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，稱為電光延遲時(shí)間td，其數(shù)量級(jí)一般為ns。當(dāng)電流脈沖注入激光器后，

7、輸出光脈沖會(huì)出現(xiàn)幅度逐漸衰減的振蕩，稱為張弛振蕩。張弛振蕩和電光延遲的后果是限制調(diào)制速率。 圖5.4 光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形 4. 調(diào)制特性調(diào)制特性 （2）碼型效應(yīng)）碼型效應(yīng) 電光延遲要產(chǎn)生碼型效應(yīng)。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T/2為相同數(shù)量級(jí)時(shí)，會(huì)使“0”碼過后的第一個(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)“”碼丟失，這種現(xiàn)象稱為“碼型效應(yīng)”，如圖5.5（a）、（b）所示。用適當(dāng)?shù)摹斑^調(diào)制”補(bǔ)償方法，可以消除碼型效應(yīng)，如圖5.5（c）所示。圖5.5 碼型效應(yīng)5.1.3 光發(fā)送機(jī)的指標(biāo)光發(fā)送機(jī)的指標(biāo) 光發(fā)送機(jī)的指標(biāo)很多，我們僅從應(yīng)用的角度介紹其主要指標(biāo)。包括平均發(fā)送光功

8、率及其穩(wěn)定度、光功率發(fā)射和耦合效率、消光比等。1. 光發(fā)送機(jī)的指標(biāo)光發(fā)送機(jī)的指標(biāo)(1) 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 平均發(fā)送光功率又稱為平均輸出光功率，通常是指光源“尾纖”的平均輸出光功率。為了獲得最佳的耦合效果，一般出廠的光源都帶一段尾纖(2) 耦合效率耦合效率 耦合效率用來度量在光源發(fā)射的全部光功率中，能耦合進(jìn)光纖的光功率比例。耦合效率定義為： 式中，PF為耦合進(jìn)光纖的功率，PS為光源發(fā)射的功率。發(fā)射效率取決于光源連接的光纖類型和耦合的實(shí)現(xiàn)過程。SFPP(3) 消光比消光比消光比定義為最大平均發(fā)送光功率與最小平均發(fā)送光功率之比，通常用符號(hào)EX表示： 若用相對(duì)值表示，則

9、為最小平均發(fā)送光功率最大平均發(fā)送光功率EX最小平均發(fā)送光功率最大平均發(fā)送光功率lg10EX （1）有合適的輸出光功率 光源應(yīng)有合適的光功率輸出，一般為0.01mW5mW。 （2）有較好的消光比 一般要求EX10dB。 （3）調(diào)制特性要好 所謂調(diào)制特性好，是指光源的P I曲線在使用范圍內(nèi)線性特性好，否則在調(diào)制后將產(chǎn)生非線性失真。 （4）其他 除此之外，還要求電路盡量簡(jiǎn)單、成本低、穩(wěn)定性好、光源壽命長(zhǎng)等。 2.對(duì)光發(fā)送機(jī)的要求對(duì)光發(fā)送機(jī)的要求5.2 驅(qū)動(dòng)電路和輔助電路驅(qū)動(dòng)電路和輔助電路5.2.1 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路1. 對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求一個(gè)優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該滿足以下條件：(1) 能夠

10、提供較大的、穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流；(2) 有足夠快的響應(yīng)速度，最好大于光源的驅(qū)動(dòng)速度；(3) 保證光源具有穩(wěn)定的輸出特性。2. 驅(qū)動(dòng)電路的工作原理驅(qū)動(dòng)電路的工作原理 （1 1）共發(fā)射極）共發(fā)射極LEDLED驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路 能夠滿足上述要求的、最簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路是共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路，如圖5.6所示。 共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路的工作原理如下所述：當(dāng)輸入數(shù)據(jù)信號(hào)為“0”時(shí)，晶體三極管VT處于截止?fàn)顟B(tài)，LED中沒有電流流過，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，所以LED發(fā)光。 這種驅(qū)動(dòng)電路主要用于以LED作為光源的數(shù)字光發(fā)射機(jī)。 適用于10 Mbit/s

11、以下的低速率系統(tǒng)。圖圖5.6 共射極驅(qū)動(dòng)電路共射極驅(qū)動(dòng)電路（2）射極耦合跟隨器）射極耦合跟隨器LD驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路 圖5.7是射極耦合跟隨器LD驅(qū)動(dòng)電路，適合于LD系統(tǒng)使用。這種電路為恒流源，電流噪聲小，缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍小，功耗較大。圖5.7 射極耦合LD驅(qū)動(dòng)電路圖（3）反饋穩(wěn)定）反饋穩(wěn)定LD驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路 圖5.8是利用反饋電流使輸出光功率穩(wěn)定的LD驅(qū)動(dòng)電路，其控制過程如下： LDbARinPDPDLD1)(PIUUUUUP圖5.8 反饋穩(wěn)定LD驅(qū)動(dòng)電路5.2.2 輔助電路輔助電路1. 自動(dòng)功率控制電路自動(dòng)功率控制電路(1) 自動(dòng)功率控制電路的分類自動(dòng)功率控制電路的分類 能夠完成自動(dòng)功率控制

12、功能的電路很多，主要包括普通電參數(shù)控制電路和光電反饋控制電路。在光發(fā)送機(jī)中，光電反饋控制電路應(yīng)用最多。(2) 自動(dòng)功率控制電路的工作原理自動(dòng)功率控制電路的工作原理 圖5.9所示是一個(gè)典型LD自動(dòng)功率控制電路，其自動(dòng)功率控制電路的工作原理如下所述：當(dāng)由于溫度原因使LD輸出光功率降低時(shí)，流過PD(通常為PINPD)的電流減小，A1放大器反向輸入端電位增大，A1放大器輸出端電位降低(即A2放大器反向輸入端電位降低)。圖圖5.9 典型的典型的APC電路電路2. 自動(dòng)溫度控制電路自動(dòng)溫度控制電路 從前面的內(nèi)容可以知道，LD的輸出特性與溫度有著密切的關(guān)系。為了保證光發(fā)送機(jī)具有穩(wěn)定的輸出特性，對(duì)LD的溫度特

13、性進(jìn)行控制是非常必要的，而且對(duì)LD的溫度控制也是保護(hù)LD的一項(xiàng)關(guān)鍵措施。 （1）激光器的溫度特性激光器的溫度特性 溫度對(duì)激光器輸出光功率的影響主要通過閾值電流溫度對(duì)激光器輸出光功率的影響主要通過閾值電流Ith和外微分量子效率和外微分量子效率d產(chǎn)生，如圖產(chǎn)生，如圖5.10（a）和（）和（b）所示。）所示。 當(dāng)溫度升高，閾值電流增加，外微分量子效率減小，輸出當(dāng)溫度升高，閾值電流增加，外微分量子效率減小，輸出光脈沖幅度下降。光脈沖幅度下降。 溫度對(duì)輸出光脈沖的另一個(gè)影響是溫度對(duì)輸出光脈沖的另一個(gè)影響是“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)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)即使環(huán)境溫度不變，由于

14、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)稱為應(yīng)稱為“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”。如圖。如圖5.11所示所示 “結(jié)發(fā)熱效應(yīng)結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”將引將引起調(diào)制失真。起調(diào)制失真。圖5.10 溫度引起的光功率輸出的變化圖5.11 結(jié)發(fā)熱效應(yīng) （2）光源的自動(dòng)溫度控制（光源的自動(dòng)溫度控制（ATCATC） 溫度控制裝置的組成溫度控制裝置的組成 溫度控制裝置由致冷器、熱敏電阻和控制電路組成，圖溫度控制裝置由致冷器、熱敏電阻和控制電路組成，圖5.12示出了溫度控制裝置的方框圖。示出了溫度控制裝置的方框圖。圖5.12 自動(dòng)溫度控制

15、原理方框圖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，并把它傳遞給控制電路，通過改變致冷量，使激光器輸出特性保持恒定。 目前，微致冷大多采用半導(dǎo)體致冷器，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)致冷的 用若干對(duì)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) 3040 。 為提高致冷效率和溫度控制精度，把致冷器和熱敏電阻封裝在激光器管殼內(nèi)，溫度控制精度可達(dá)0.5 。 從而使激光器輸出平均功率和發(fā)射波長(zhǎng)保持恒定，避免調(diào)制失真。 自動(dòng)溫度控制（自動(dòng)溫度控制（ATC）原理）原理圖5.13 ATC電路原理主要由R1、R2、 R3和熱敏電阻RT組成“換能”電橋，通過電橋把溫度的

16、變化轉(zhuǎn)換為電量的變化。運(yùn)算放大器A的差動(dòng)輸入端跨接在電橋的對(duì)端，用以改變?nèi)龢O管V的基極電流。 T(環(huán)境) T(LD、熱沉) RT I(致冷器) T(LD) 在設(shè)定溫度(例如20 )時(shí)，調(diào)節(jié)R3使電橋平衡，A、B兩點(diǎn)沒有電位差，傳輸?shù)竭\(yùn)算放大器A的信號(hào)為零，流過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RT的阻值減小，電橋失去平衡。 這時(shí)B點(diǎn)的電位低于A點(diǎn)的電位，運(yùn)算放大器A的輸出電壓升高，V的基極電流增大，致冷器TEC的電流也增大溫度降低，熱沉和管芯的溫度也降低，因而保持溫度恒定。 注：溫度控制只能控制溫度變化引起的輸出光功率的變化，不能控制由于器件

17、老化而產(chǎn)生的輸出功率的變化。 對(duì)于短波長(zhǎng)激光器，一般只需加自動(dòng)功率控制電路即可。 對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器，由于其閥值電流隨溫度的漂移較大，因此，一般還需加自動(dòng)溫度控制電路，以使輸出光功率達(dá)到穩(wěn)定。3. 其他保護(hù)、監(jiān)測(cè)電路其他保護(hù)、監(jiān)測(cè)電路 （1）LD保護(hù)電路：使激光器的偏流慢啟動(dòng)，以防損壞激光器。 （2）無光告警電路 （3）激光器壽命告警電路5.3 光功率發(fā)射和耦合光功率發(fā)射和耦合光源-光纖、光纖-光纖的耦合各種耦合的損耗光纖的連接和光纖連接器5.3.1 光纖線路耦合光纖線路耦合我們關(guān)心的問題是如何讓耦合效率最高。我們關(guān)心的問題是如何讓耦合效率最高。（1）從多種類型的發(fā)光光源將光功率發(fā)射進(jìn)一個(gè)特定的

18、光纖。它與光源的尺寸、輻射強(qiáng)度和光功率的角分布、光纖的數(shù)字孔徑、光纖的纖芯尺寸、光纖的折射率均有關(guān)系?？梢酝ㄟ^透鏡來提高光源-光纖的耦合效率。（2）通過光源供應(yīng)商提供的“跳線”或“尾纖”，將光功率從一根光纖耦合進(jìn)另一根光纖。它與光纖位置偏差、不同的纖芯尺寸、光纖的數(shù)字孔徑、光纖的折射率剖面有關(guān)系。5.3.2 改善耦合的透鏡結(jié)構(gòu)改善耦合的透鏡結(jié)構(gòu)對(duì)于給定的光纖端面，如果光源的面積大于光纖端面，則最終耦合入纖的功率可以達(dá)到最大值；如果光源的面積小于光纖端面，則耦合效果要大打折扣。一種增大發(fā)射面的辦法就是在光源和光纖中使用透鏡幾種不同的透鏡結(jié)構(gòu) 透鏡耦合一般用于光源發(fā)光面積小于纖芯面積的情況，其作用

19、是擴(kuò)大光源的發(fā)射面積，使之與纖芯區(qū)域匹配。圓形端面光纖 非成像微球 接觸較大的成像球體 柱狀棱鏡 球形端面的LED和球形端面的光纖錐形端面光纖 從一根光纖耦合到另一根光纖的光功率取決于每根光纖中傳播的模式數(shù)量。假設(shè)所有模式功率均勻分布，光纖-光纖的功率耦合與兩根光纖共有的模式數(shù)成正比。由此光纖-光纖的耦合效率為： 5.3.3 光纖與光纖的連接光纖與光纖的連接EcommFMM其中ME為發(fā)射光纖的模式數(shù)，Mcomm為兩根光纖所共有的模式數(shù)。因此，耦合損耗定義為：FFLlog10多模光纖-多模光纖的兩種連接情況發(fā)射光束充滿接收光纖的數(shù)值孔徑，因此接收光纖必須與發(fā)射光纖完全對(duì)準(zhǔn)以減少損耗接收光纖的輸入數(shù)值孔徑大