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1、第一章绪论1.1光纤通信的原理、现状及前景光纤通信系统的原理框图如图1-1所示,主要由光发射机和光接收机（通称光端机）、 光缆线路、光路无源器件等部分组成。其基本的通信过程为：信息源发出的原始信号先经 电发射机的放大、滤波处理，将处理后的电信号输入到光发射机，在光发射机端再对信号 进行调制，然后将调制好的电信号转换成光信号，通过光缆进行长距离传输，在接收端将 光信号还原成电信号，再把电信号进行解调放大，还原出原始图像、语音或数据信号。图1-1光纤通信系统原理图恵电腰收机光发射机光接投机电发対机由图1-1知，光纤通信系统由信号发射和信号接收两部分组成。本论文接下来将着重讨论 光纤通信系统中光发射
2、机的相关设计。光传输是在发送方和接收方之间以光信号形态进行传输的技术。光传输电视信号的工 作过程是在光发射机、光纤和光接收机三者之间进行的；在中心机房的光发射机把输入的电视信号变换成光信号，它由电/光变换器（，）完成，变换成的光信号由光纤传输导向接 收设备（光接收机）接收，光接收机把从光纤中获取的光信号变换还原成电信号。因此光传 输信号的基理就是电/光和光/电变换的全过程，也称为光链路。目前光传输方式采用光强度调制。如采用激光器的光发器件发出相位一致的所谓相干 光，因此采取了使发光强度整体发生变化的调制方式，它利用了输出光功率对应于电/光变换器输入信号电流的变化而线性变化的特性。在光/电变换器
3、（，）中，输出正比于输入光信号强度的电流，光/电变换器的输出电流波形因而与电/光变换器输入电流波形相似，达到了信号传输的目的。光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85卩m发展到1.31卩m和1.55卩m，传输速率从几十发展到几十。随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降，应用范围不断扩大。目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的 支柱。在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要地位。随着宽带网的光纤传输技术不断更新，多功能业务的不断完善，对光器件和光纤的传 输特性的要求越来越高，光纤取代铜线的时代终究要来临，
4、随着信息时代脚步声的来临， 光传输技术的发展前景非常广阔。1.2 光纤通信的特点与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如下：(1) 传输频带极宽，通信容量很大；(2) 由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远；(3) 串扰小，信号传输质量高；(4) 光纤抗电磁干扰，保密性好；(5) 光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设；(6) 耐化学腐蚀；(7) 光纤是石英玻璃拉制成形 , 原材料来源丰富，并节约了大量有色金属。光纤通信同时具有以下缺点：(1) 光纤弯曲半径不宜过小；(2) 光纤的切断和连接操作技术复杂；(3) 分路、耦合麻烦。由于光纤具备一系列优点，所以广泛应用于公用通信、有线电视图像传
5、输、计算机、 空航、航天、船舰内的通信控制、电力及铁道通信交通控制信号、核电站通信、油田、炼 油厂、矿井等区域内的通信。所以，大力发展光纤通信已成趋势。1.3 光发射机的特点做为光纤通信的重要组成部分，光发射机的作用就是把电信号转变成光信号，这样才 能在光纤上传播。在光纤通信系统中，信息由或发出的光波所携带，光波就是载波，把信 息加载到光波上的过程就是调制。采用做为光源的光发射机可以直接调制，使电流的变化 转换为光频调制呈线性。这样的光发射机具有简单、经济、容易实现等特点。1.4 研究工作及意义本论文通过进行 850 光发射机的设计，进一步了解以做为光源的光发射机的工作过程 以及原理。设计模拟
6、驱动电路和数字驱动电路，重点测试研究光发射机的驱动电路以及光 源。由最终的数据和测试结果显示，一个简单作为光源的光发射机寿命长，可靠性高，调 制电路简单，成本低，主要可用于传输速率比较低、传输距离比较短的光纤通信系统中。 为实际生产中制造简易的光发射机提供了原理依据。第二章 光发射模块基本原理2.1光发射机的基本原理光发射机由输入接口、光源、驱动电路、监控电路、控制电路等构成，其核心是光源 及驱动电路。在数字通信中，输入电路将输入的信号（如脉冲）进行整形，变换成适于线路传送的码型后通过驱动电路光源，或者送到光调制器调制光源输 出的连续光波。为了稳定输出的平均光功率和工作温度，通常要设置一个自动
7、的温度控制 及功率控制电路。本设计中 光发射机光源部分使用半导体发光二级管（，）。相对来说作 为光源受温度影响较小，输出的光功率与注入电流的线性关系较好，驱动电路简单，所以 此设计中不用加入监控电路、保护电路等辅助电路。850 光发射机一般采用直接调制方式（残留边带一幅度调制，方式），它的功能是把电 信号转换成光信号在光纤通信系统中，由于信息由发出的光波携带，因此光发射机主要有调制电路和控制电 路组成，如图2-1所示。图2-1 光发射机框图在数字通信中，输入电路将输入的脉冲信号变换成/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）。对直接调制，驱动电路
8、需给 光源加一直流偏置。 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，此外，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。本节首先简要介绍光载波的调制方式，然后着重介绍光源的驱动和控制电路。2.2 光波的调制在光纤通信系统中，把随信息变化的电信号加到光载波上， 使光载波按信息的变化而变化， 这就是光波的调制。从本质上讲，光载波调制和无线电波载波调制一样，可以携带信号的 振幅、强度、频率、 相位和偏振等参数使光波携带信息，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，在光频段多采用光的强度调制方式。从调制方式与光源的关系上来分，强度调制的方法有
9、两种：直接调制和外调制。直接调制 是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；外调制一 般是基于电光、磁光、声光效应，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。光源直接调制的优点是简单、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。外调制方式需要调制器，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。从调制信号的形式来分，光调制又分为模拟调制和数字调制。模拟调制又可分为两类，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
10、载波去调制光载波。由于模拟调制的调 制速率较低，均使用直接调制方式。数字调制主要指脉码调制。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，对光信号进行通断调制。数字调制也可使用直接调制和外调制。第三章 光源的选择以及光源驱动电路设计3 .1 光源的选择光源是把电信号变换到光信号的器件，在光纤 通信中占有重要的地位，性能好、寿命 长、使用方便的光源是保证光纤 通信 可靠工作的关键。作为光源，本方案选用半导体发光 二极管() 。发射的是自发辐射光，输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低；性能 稳定，寿命长，输出光功率线性范围宽， 制造 工艺简单；另外，驱动电路比较简单，不
11、存 在模式噪声等问题。可以作为中短距离、中小容量的光纤 通信 系统的光源。发光二极管的 输出光功率随温度的升高而减小，因为不是阈值器件，故功率不会有很大的变化。当温度 升高时，发光的峰值波长会向长波长方向稍微移动，但不影响整体效果。发光二极管结构简单，使一个正向偏置的同质节，电子 - 空穴对在耗尽区辐射复合发 光，称为电致发光，法处的部分光耦合进入光纤供传输使用。所发出的光是非相干光，具 有较宽的谱宽(3060)和较大的发射角(100)自发辐射产生的功率是由正向偏置电压产生的注入电流提供的，当注入电流为 I ，工 作在稳态时，电子 - 空穴对通过的辐射和非辐射复合，其复合率等于载流子注入率，其
12、中 发射电子的复合率决定于内两字效率n,光子产生率为(I n),因此内产生的光功率为： nnn ( n )I(3-1)式中n为光量子效率。假定所有发射的光子能量近似相等，并设从逸出的功率占内 部产生功率的份额为n,则的发射功率为：nnn(n) I(3-2)由上式可知发射功率P和注入电流I成正比。本设计测试其电光转换特性,工作电流不同的时候,输出的功率也不同,基本上是成 线性关系。当注入电流小时,其线性度相当好,当注入电流较大时,由于结发热而逐渐出 现饱和,工作温度提高时,同样工作电流下的输出功率要下降。工作电流通常为 50-100, 这时偏置电压为 4.2-1.8V 输出功率为 93.2 的原
13、理和驱动电路 在小型模拟或低速、短距离数字光纤通信系统中,可以采用作为系统光源。用作光源时, 一般采用直接强度调制方式,即通过改变的注入电流调制输出光功率。的光功率输出可直 接由信号电流来调制,在数字调制时,它可以由电流源直接调制；在模拟调制时,则先要 将直流偏置。下面分别介绍模拟系统及数字系统的驱动电路。3.2.1 的直接调制原理 直接调制是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源(激光二极管或半导体发光二 极管),从而获得调制光信号。直接调制方式的优点是电路简单、容易实现,但是传输速 率不能太高。根据调制信号的类型，直接调制又可以分为模拟调制和数字调制两种。图3-1为对进行模拟调制的原理
14、图。从图3-1可以看出，理想情况下 为无阈值器件，且在很宽范围内 保持良好的线性，因而可以根据输入调制信号的强度在曲线上选取合适的点作为静态工作 点，对应静态工作电流为，只要输入调制信号电流幅值不大于，即可以得到强度随输入调 制信号强度线性变化的光信号输出，从而实现模拟信号的直接调制。连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上，适当选择直流偏置的大小，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，则(3-3)图3-1 模拟调制原理图的数字调制原理图如图3-2所示。信号电流为单向二进制数字信号，用单向脉冲电
15、流的 有、无（1码和0码）控制发光管的发光与否。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，下面分别加以研究。P （光功率）调制电信号I图3-2数字调制原理图3.2.2 的模拟驱动电路在模拟系统中，输入信号为模拟信号，而模拟信号是指时间和幅度都连续的信号。对驱动 电路的要求是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，并使其输出功率随输入信号线性变化，非线性失真小。产生的非线性失真必须低于-30-50。但由于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。 对温度不很敏感，因此驱动电路中一般不采用复杂的自动功率控制（）和自动温度控制（）电路，较的驱动电路简单得多。图3-3为一种简单而又具有高速特性的驱动电路。该电路中模拟调制信号加在输出管的基 极，串接在输出管的集电极，调制信号通过对基极电压的控制来控制流经的集电极电流的 变化，这样的输出光强将随着调制信号的变化而变化。在图3-3所示的电路中，静态集电极电流即为的静态偏置电流，(Vcc Vbe)，其中B为三极管的共射极电流放大倍数。Rb (1)Re设电路的调制指数m = 0.8，信号电流峰值24 ，则静态时的集电极电流111cc=301 m / m 24 mA/
