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1、第八章 光发射机与光接收机 内容摘要: 1. 光发射机的构成和功能 由光源、驱动器和调制器组成。功能是将来自于电端机 的信号对光源发出的光进行调制,再将已调的光信号耦 合到光纤或光缆去传输。 2. 光接收机构成和功能 由(光放大器)光检测器和放大电路组成。功能是将光纤 或光缆传输来的光信号,经光检测器转变为电信号,经 放大电路放大,送到接收端的电端机。 本章重点: 理解掌握光发射机、光接收机的功能、电路工作原理。 一、光发发射机应满应满 足的技术术要求 (1) 体积积小,与光纤纤之间间有较较高的耦合效率; (2) 发发射的光波波长应长应 位于光纤纤的三个低损损耗窗口; (3) 可以进进行光强度
2、调调制; (4) 可靠性高,要求它工作寿命长长、工作稳稳定性好 (功率、偏振、光谱谱、温度); (5) 发发射的光功率足够够高,以便可以传输较远传输较远 的距离 。 第一节 光发射机 激光二极管发光二极管 1光功率较大,100mW 101 mw光功率较小,仅1mw 2mW 2带宽大、调制速率高,102 MHz101 GHz 带宽小、调制速率低,101102 MHz。 3光束方向性强,发散度小。方向性差,发散度大。 4与光纤的耦合效率高,可达80以上 。 与光纤的耦合效率低,仅百分之几。 5光谱较窄。光谱较宽。 6制造工艺难度大,成本高。制造工艺难度小,成本低。 7在要求光功率较稳定时,需要AP
3、C和 ATC。 可在较宽的温度范围内正常工作。 8输出特性曲线的线性度较好。在大电流下易饱和。 9有模式噪声。无模式噪声。 10可靠性一般。可靠性较好。 11工作寿命短。 工作寿命长。 光源发光的波长、通信容量、模式以及通信距 离四者之间的定性关系: 二、光发送原理 在光纤通信系统中,由于信息由LED和LD发出 的光波携带,因此光发射机主要有调制电路和控制 电路组成。 光发送系统说明: 在数字通信中,输入电路将输入的PCM脉冲信 号变换成NRZ码后,通过驱动电路调制光源(直接调 制),或送到光调制器调制光源输出的连续光波(外调 制),加载到光源上。 对直接调制,驱动电路需给光源加一直流偏置 ;
4、而外调制方式中光源的驱动为恒定电流,以保证 光源输出连续光波。 自动偏置和自动温度控制电路是为了稳定输出 的平均光功率和工作温度。 光发射机中还有报警电路,用以检测和报警光 源的工作状态。 -从本质上讲,光载波调制和无线电波载波调制一样,也即 有调幅、调强、调频、调相、调偏等多种调制方式。但为了便 于解调,在光频段多采用强度调制。 - 从调制方式与光源的关系上来分,强度调制的方法有两种 :直接调制和外调制。 直接调制用电信号直接调制光源器件的偏置电流,使光源 发出的光功率随信号而变化。优点是简单、经济、容易实现, 但调制速率受载流子寿命及高速率下的性能退化的限制。 外 调 制基于电光、磁光、声
5、光效应,让光源输出的连续 光载波通过光调制器,光信号通过调制器实现对光载波的调制 。需要调制器,结构复杂,但可获得优良的调制性能,特别适 合高速率光通信系统。- 三、光波的调制 模拟调制和数字调制(按调制信号的形式来分): 1. 模拟调制,分为两类:一类是利用模拟基带信号 直接对光源进行调制;另一类采用连续或脉冲的 射频波作副载波,模拟基带信号先对它进行调制 ,再用该已调制的副载波去调制光载波。 模拟调制的调制速率较低,均使用直接调制 方式。 - - 2. 数字调制,主要指PCM脉码调制。即先将连续的 模拟信号进行抽样、量化、编码,转化成一组二 进制脉冲代码,再对光信号进行通断调制。 数字调制
6、也可使用直接调制和外调制。 模拟调制: 连续的模拟信号电流叠加在 直流偏置电流上,选择适当直流 偏置的大小,使静态工作点位于 发光管特性曲线线性段的中点, 可以减小光信号的非线性失真。 调制线性的好坏取决于调制 深度m。设调制电流幅值为I, 偏置电流为IB,则m定义为: (8-1) 四LED的直接调制原理 数字调制: 信号电流为单向二进制 数字信号,用单向脉冲电流 的“有”、“无”(“1”码和“0” 码)控制发光管的发光与否 。 直接调制时,模拟系统 或数字系统都是通过控制流 经发光管电流的办法达到调 制输出光功率的目的。但由 于二者功率不同,对驱动与 偏置电路也不同。 1LED的模拟驱动电路
7、 在模拟系统中,驱动电路 提供一定的工作点偏置电流及 足够的信号驱动电流,以使光 源能够输出足够的功率。 非线性失真必须低于 - 30dB-50dB。但由于LED本 身存在非线性失真,在高质量 要求的信号传输中,还需要线 性补偿电路。 LED对温度不 很敏感,因此一般不采用 APC和ATC电路。 五光源的驱动电路 锗二极管和电阻串联后与LED并联,在大电流时 起分流作用,扩大驱动电流范围,提高LED的线性。 图为一种简单而又具 有高速特性的共发射极跨 导式驱动器。 将基极电压转变为集 电极电流以驱动发光管。 晶体管工作在甲类工作状 态,调整基极偏置,使晶 体管和发光管都偏置在各 自的线性区。
8、LED的数字驱动电路主要应用于二进制数字 信号。 驱动电路应能提供几十至几百毫安(mA) 的“开”“关”电流。 码速不高时,可以不加偏置;但在高码速 时,需加小量的正向偏置电流,有利于保持二 极管电容上的电荷。 2LED的数字驱动电路 图8-6(a)为晶 体管共射驱动电 路,晶体管用作 饱和开关,提供 电流增益,其两 端的电压降较小 ,饱和压降 Vcc0.3V。 图(c)为发射极耦合开关 式驱动电路,可传输300Mb s以上的数字信号。 晶体 管Tl和T2是发射极耦合式开 关,T3为恒流源。发光管的 驱动电流由恒流源决定。这 种电路类似线性差分放大器 ,实际作开关用。由于它超 越了线性范围工作
9、,输入端 过激励时;仍没有达到饱和 ,所以开关速率更高。 图(b)中的达林顿 结构使电路得到 2.5ns的光上升时 间,可传输100Mb s 的数字信号。 但发射极的负载不 是纯电阻,电路发 生振荡。RlCl并联 串接于发射极电路 ,组成发射极跟随 电路,提供电压阶 跃,以补偿驱动电 流开始时, 对发 光管电容充电所造 成的光驱动电流的 下降,从而使驱动 器可工作在高码速 情况下。 由于LD通常用于高速系统,且是阈值器件,它 的温度稳定性较差,与LED相比,其调制技术要复杂 的多,驱动条件的选择、调制电路的形式和工艺, 都对调制性能至关重要。 为了保证LD有稳定的输出光功率、光谱、消光 比,需
10、要有各种辅助电路,例如功率控制电路、温 控电路、限流保护电路和各种告警电路等。 4. LD的驱动电路 采用直接调制方式时,偏置电流的选择直接影响激光 器的高速调制性质。选择直流预偏置电流应考虑以下几个 方面: (1)加大直流偏置电流使其逼近阈值,可以大大减小电光 延迟时间, 同时使张弛振荡得到一定程度的抑制。 偏置电流和调制电流的选择 由图中可以看出, 由于 LD 加了足够的预 偏置电流,调制电流脉 冲幅度较小;预偏置后 张弛振荡大大减弱;谱 线减少,光谱宽度变窄 ;电光延迟的减小。 (2)太大的直流偏置会使激光器的消光比恶化。消光 比激光器在全l码时发送的光功率(P1)与全 0码时发射的光功
11、率(Po)之比,用dB表示为: 光源的消光比将直接影响接收机的灵敏度。 为保证一定的灵敏度,消光比一般应大于10dB 。 激光器的偏置电流IB过大,会使消光比恶化, 降低接收机的灵敏度。 通常取IB(0.850.90)Ith。驱动脉冲电流的峰- 峰值Im一般取Im十IB(1.21.3)Ith。 激光器的直接调制电路有 许多种,但概括起来有两类: 一类是单管集电极驱动电路, 另一类是射极耦合开关电路。 图中,三极管的输出特性在放 大区表现为恒流源,可以用集 电极电流驱动光源。DT为驱动 管,当电信号加在DT基极时, 即可驱动集电极电路中的激光 器,使之输出的光功率随信号 的变化而变化。DT工作在
12、开关 状态。 激光器的直接调制电路 TTL开关式驱动电路 下图中晶体管BG2和BG3为发射极耦合对,组成非饱和电流选择 开关。当BG2基极电位高于BG3基极电位时,BG2导通,恒流源的驱 动电流Im全部流过BG2,故流过LD的电流为零。反之,当BG2基极电 位低于BG3基极电位时,BG3导通,所有驱动电流都通过LD。 电流开关的转换过程由输入 数字信号转换成ECL电平来控制 ,ECL电平l码时,输出为-1.8V ,0 码时,输出为十0.8V,经 过BGl和D1电平移动后加到BG2 基极,而BG3基极电平固定在- 2.6V,它由温度补偿的参考电平 Vbb经BG4和D2电平移动得到。 Vbb-1.
13、31 V是l码和0码电 平的中间值。选择适当的输入电 压,使晶体管不驱动到饱和状态 , 就能起到快速开关作用,同时 恒流源可使开关噪声很小。 在使用中,LD结温的变化以及老化都会 使Ith增大,量子效率下降,导致输出光脉冲 的幅度发生变化。 光功率自动控制有许多方法:一是自动 跟踪偏置电流,使LD偏置在最佳状态;二是 峰值功率和平均功率的自动控制;三是P-I曲 线效率控制法等。 最简的是通过直接检测光功率控制偏置电 流。 自动功率控制电路(APC) 利用LD组件中的PIN光电二极管,监测LD背向输出光功率 的大小。 若功率小于某一额定值时,通过反馈电路后驱动电流增 加,并达到额定输出功率值。反
14、之,若光功率大于某一额定 值,则使驱动电流减小,以保证LD输出功率基本上恒定不变 。 该PIN产生的信号与直流参考比较后送到放大器的同 相端,直流参考通过调节Rl控制预偏置电流IB。 调节R2使再生信号与PIN输出取得平衡,使IB保持恒 定。 当输出光功率产生变化时,平衡破坏,反馈偏置电路 将自动调整IB, 使输出功率恢复到原来的值,电路又恢复 平衡状态。 IB 图8-13的原理:控制LD偏置电流保持输出光脉冲幅度 的恒定。 在运放的输入端,再生信号由输入信号再生处理后得到, 它固定在0V-lV间。 LD组件中PIN管接收LD的背面输出光,它 受到与正面输出光同样的温度及老化影响,从而可用来反
15、馈控 制LD输出光功率。 该PIN产生的信号与直流参考比较后送到放大器的同相端, 直流参考通过调节Rl控制预偏置电流IB。 调节R2使再生信号与 PIN输出取得平衡,使IB保持恒定。当输出光功率产生变化时, 平衡破坏,反馈偏置电路将自动调整IB, 使输出功率恢复到原 来的值,电路又恢复平衡状态。 R3Cl构成LD的慢启动网络,开启电源或有突发的电冲击时 ,由于电路的时间常数很大(l ms),IB只能慢慢增大。前面 的控制电路首先进入稳定控制状态,然后IB缓慢增大,保护LD 免受冲击。 温度变化引起LD输出光功率的变化,虽然可以通过APC 电路进行调节,使输出光功率恢复正常值。但是,如果环境温 度升高较多,经APC调节后,IB增大较多,则LD的结温因此 也升高很多,致使Ith继续增大,造成恶性循环,从而影响了 LD的使用寿命。 自动温度控制电路(ATC) 因此,为保证激光器 长期稳定工作,必须采用 自动温度控制电路(ATC) 使激光器的工作温度始终 保持在20摄氏度左右。LD 的温度控制由微型制冷器 、热敏元件及控制电路组 成,