程控交换与光纤通信41

1、 第第 4 章章 光端机光端机 4.1 光发射机光发射机 4.2 光接收机光接收机 4.3 线路编码线路编码4.1光发射机光发射机l数字光发射机的功能数字光发射机的功能是把电端机输出的数字基带电是把电端机输出的数字基带电信号转换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路信号转换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路。l电电/光转换是用承载信息的数字电信号对光源进行调光转换是用承载信息的数字电信号对光源进行调制来实现的。调制分为直接调制和外调制两种方式。制来实现的。调制分为直接调制和外调制两种方式。l受调制的光源特性参数有功率、受调制的光源特性参数有功率、 幅度、频率和相位。幅度、频率和相位。l目前

2、技术上成熟并在实际光纤通信系统得到广泛应目前技术上成熟并在实际光纤通信系统得到广泛应用的是直接光强用的是直接光强(功率功率)调制。调制。 u图图4.1示出激光器示出激光器(LD)和发光二极管和发光二极管(LED)直接光直接光强数字调制原理，对强数字调制原理，对LD施加了偏置电流施加了偏置电流Ib。u由图可见，当激光器的驱动电流大于阈值电流由图可见，当激光器的驱动电流大于阈值电流Ith时，输出光功率时，输出光功率P和驱动电流和驱动电流I基本上是线性关系，基本上是线性关系，输出光功率和输入电流成正比，所以输出光信号反输出光功率和输入电流成正比，所以输出光信号反映输入电信号。映输入电信号。 图图 4

3、.1直接光强数字调制原理直接光强数字调制原理 (a) LED数字调制原理；数字调制原理； (b) LD的数字调制原理的数字调制原理 4.1.1光发射机基本组成光发射机基本组成u 数字光发射机的方框图如图数字光发射机的方框图如图4.2所示，主要有所示，主要有光源光源和电路两部分和电路两部分。u光源是实现电光源是实现电/光转换的关键器件，在很大程度上光转换的关键器件，在很大程度上决定着光发射机的性能。电路的设计应以光源为依决定着光发射机的性能。电路的设计应以光源为依据，使输出光信号准确反映输入电信号。据，使输出光信号准确反映输入电信号。 1. 光源光源对通信用光源的要求如下：对通信用光源的要求如下

4、：(1) 发射的光波长应和光纤低损耗发射的光波长应和光纤低损耗“窗口窗口”一致，即一致，即中心波长应在中心波长应在0.85 m、 1.31 m和和1.55 m附近。附近。光谱单色性要好，光谱单色性要好， 即即谱线宽度要窄谱线宽度要窄， 以减小光纤色以减小光纤色散对带宽的限制。散对带宽的限制。 (2) 电电/光转换效率要高光转换效率要高，即要求在足够低的驱动电流，即要求在足够低的驱动电流下，下， 有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。发射光束的方向性要好发射光束的方向性要好，即远场的辐射角要小，以利，即远场的辐射角要小，以利于提高光源与光纤之间的耦合效率

5、。于提高光源与光纤之间的耦合效率。 (3) 允许的调制速率要高或响应速度要快允许的调制速率要高或响应速度要快， 以以满足系统的大传输容量的要求。满足系统的大传输容量的要求。 (4) 器件应能在常温下以连续波方式工作，器件应能在常温下以连续波方式工作， 要要求温度稳定性好，求温度稳定性好， 可靠性高，寿命长。可靠性高，寿命长。 (5) 此外，要求器件体积小，重量轻，安装使此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。用方便，价格便宜。 2. 调制电路和控制电路调制电路和控制电路 直接光强调制的数字光发射机主要电路有直接光强调制的数字光发射机主要电路有调制电调制电路、控制电路和线路编码电路

6、路、控制电路和线路编码电路，采用激光器作光源时，采用激光器作光源时，还有还有偏置电路偏置电路。 对调制电路和控制电路的要求如下：对调制电路和控制电路的要求如下： (1) 输出光脉冲的输出光脉冲的通断比通断比(全全“1”码平均光功率和全码平均光功率和全“0”码平码平均光功率的比值，或消光比的倒数均光功率的比值，或消光比的倒数)应大于应大于10，以保证足够的，以保证足够的光接收信噪比。光接收信噪比。 (2) 输出输出光脉冲的宽度应远大于开通延迟光脉冲的宽度应远大于开通延迟(电光延迟电光延迟)时间，时间， 光脉冲的上升时间、下降时间和开通延迟时间应足够短，以便光脉冲的上升时间、下降时间和开通延迟时间

7、应足够短，以便在高速率调制下，输出的光脉冲能准确再现输入电脉冲的波形。在高速率调制下，输出的光脉冲能准确再现输入电脉冲的波形。 (3) 对激光器应施加对激光器应施加足够的偏置电流足够的偏置电流，以便抑制在较高速，以便抑制在较高速率调制下可能出现的弛率调制下可能出现的弛张张振荡，保证发射机正常工作。振荡，保证发射机正常工作。 (4) 应采用自动功率控制应采用自动功率控制(APC)和自动温度控制和自动温度控制(ATC)， 以以保证输出光功率有足够的稳定性。保证输出光功率有足够的稳定性。 3. 线路编码电路线路编码电路 线路编码之所以必要，是因为电端机输出的数线路编码之所以必要，是因为电端机输出的数

8、字信号是适合电缆传输的双极性码，而光源不能发字信号是适合电缆传输的双极性码，而光源不能发射负脉冲，所以要变换为适合于光纤传输的单极性射负脉冲，所以要变换为适合于光纤传输的单极性码，线路编码的其它原因见码，线路编码的其它原因见4.3节所述。节所述。 4.1.2调制特性调制特性 半导体激光器是光纤通信的理想光源，但在高半导体激光器是光纤通信的理想光源，但在高速脉冲调制下，其瞬态特性仍会出现许多复杂现象，速脉冲调制下，其瞬态特性仍会出现许多复杂现象，如常见的如常见的电光延迟、电光延迟、 张弛振荡和自脉动现象张弛振荡和自脉动现象。 1. 电光延迟和弛张振荡现象电光延迟和弛张振荡现象 半导体激光器在高速

9、脉冲调制下，输出光脉冲半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光脉冲瞬态响应波形如图瞬态响应波形如图4.3所示。所示。 图图 4.3 光脉冲瞬态响应波形光脉冲瞬态响应波形 u输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，称为时间，称为电光延迟电光延迟时间时间td，其数量级一般为，其数量级一般为ns。u当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡，逐渐衰减的振荡， 称为称为弛弛张张振荡振荡，其振荡频率，其振荡频率fr一般一般为为0.52 GHz。u 这些特性与这些特性与激光器有源区的电子自发复合寿

10、命激光器有源区的电子自发复合寿命和和谐谐振腔内光子寿命振腔内光子寿命以及以及注入电流初始偏差量注入电流初始偏差量有关。有关。 u张弛振荡和电光延迟的后果是张弛振荡和电光延迟的后果是限制调制速率限制调制速率。当最。当最高调制频率接近张弛振荡频率时，波形失真严重，会高调制频率接近张弛振荡频率时，波形失真严重，会使光接收机在抽样判决时增加误码率，因此实际使光接收机在抽样判决时增加误码率，因此实际使用使用的最高调制频率应低于张弛振荡频率的最高调制频率应低于张弛振荡频率。 码型效应码型效应:当电光延迟时间当电光延迟时间td与数字调制的码元持续与数字调制的码元持续时间时间T/2为相同数量级时，会使为相同数

11、量级时，会使“0”码过后的第一个码过后的第一个“1码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个个“”码丢失，码丢失， 这种现象称为这种现象称为“码型效应码型效应”。 u“码型效应码型效应”的特点是的特点是: 在脉冲序列中较长的连在脉冲序列中较长的连“0”码码后出现的后出现的“1”码，其脉冲明显变小，而且连码，其脉冲明显变小，而且连“0”码数目码数目越多，调制速率越高，这种效应越明显。越多，调制速率越高，这种效应越明显。u用适当的用适当的“过调制过调制”补偿方法，补偿方法， 可以消除码型效应，可以消除码型效应，见图见图4.4(c)所示。所示。 图图4.4

12、 码型效应码型效应（a) 、(b)码效应波形；（码效应波形；（c）改善后波形）改善后波形电脉冲光脉冲2 ns5 ns2 ns(a)(b)(c)12 2. 自脉动现象自脉动现象u 某些激光器在脉冲调制某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，当注入甚至直流驱动下，当注入电流达到某个范围时，输电流达到某个范围时，输出光脉冲出现持续等幅的出光脉冲出现持续等幅的高频振荡，这种现象称为高频振荡，这种现象称为自脉动现象自脉动现象，如图，如图4.5所示。所示。 u自脉动频率可达自脉动频率可达2GHz，严重影响严重影响LD的高速调制特的高速调制特性。性。 电 脉冲光 脉冲图图4.5 激光器自脉冲动现象激光器自脉冲动

13、现象 4.1.3调制电路和自动功率控制调制电路和自动功率控制 数字信号调制电路应采用电流开关电路，数字信号调制电路应采用电流开关电路， 最常最常用的是用的是差分电流开关电路差分电流开关电路。 图图 4.6 共发射极驱动电路共发射极驱动电路 UCR2LEDC1R1UinV图图 4.7 射极耦合射极耦合LD驱动电路图驱动电路图 V2V1Ib电流源Io UEUinLD 4.8 反馈稳定反馈稳定LD驱动电路驱动电路V2V1电流源IoUin UV3A1CIbRf信号参考UR输出监测PD检测器LDUB1UA1Uin图图 4.9 APC电路原理电路原理 V2V1信号参考UinA1A2A3PD直流参考 U U

14、V3IbLD 4.1.4温度特性和自动温度控制温度特性和自动温度控制 1. 激光器的温度特性激光器的温度特性 激光器的温度特性在激光器的温度特性在3.1节已经讨论过，温度对节已经讨论过，温度对激光器输出光功率的影响主要通过阈值电流激光器输出光功率的影响主要通过阈值电流Ith和外微和外微分量子效率分量子效率d产生。产生。 温度对输出光脉冲的另一个影响是温度对输出光脉冲的另一个影响是“结发热效应结发热效应”。 图图 4.10温度引起的光输出的变化温度引起的光输出的变化(a) 阈值电流变化引起的光输出的变化；阈值电流变化引起的光输出的变化； (b) 外微分量子效率变化引起的光外微分量子效率变化引起的

15、光输出的变化输出的变化 200C 250CIP200C 700CIP 即使环境温度不变，由于调制电流的作用，引即使环境温度不变，由于调制电流的作用，引起激光器结区温度的变化，因而使输出光脉冲的形状起激光器结区温度的变化，因而使输出光脉冲的形状发生变化，这种效应称为发生变化，这种效应称为“结发热效应结发热效应”。图 4.11 结发热效应 电流脉冲光脉冲t0t TI1I0 2. 自动温度控制自动温度控制 半导体光源的输出特性受温度影响很大，特别是半导体光源的输出特性受温度影响很大，特别是长波长半导体激光器对温度更加敏感。为保证输出特长波长半导体激光器对温度更加敏感。为保证输出特性的稳定，对激光器进

16、行温度控制是十分必要的。性的稳定，对激光器进行温度控制是十分必要的。 温度控制装置一般由致冷器、热敏电阻和控制温度控制装置一般由致冷器、热敏电阻和控制电路电路组成，组成， 图图4.12示出温度控制装置的方框图。示出温度控制装置的方框图。图 4.12 温度控制方框图 激光器致冷器热敏电阻控制电路热导致冷器的冷端和激光器的热沉接触，热敏电阻作为传感器，探致冷器的冷端和激光器的热沉接触，热敏电阻作为传感器，探测激光器结区的温度，并把它传递给控制电路，通过控制电路测激光器结区的温度，并把它传递给控制电路，通过控制电路改变致冷量，使激光器输出特性保持恒定。改变致冷量，使激光器输出特性保持恒定。 目前，微

17、致冷大多采用半导体致冷器，它是利用半导体目前，微致冷大多采用半导体致冷器，它是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的电偶来实现致冷的。材料的珀尔帖效应制成的电偶来实现致冷的。 4.13 ATC电路原理电路原理 AR4TECtRTLDPIN24681357 UR1R2R3BA UV 图图4.6示出由三极管组成的共发射极驱动电路，这示出由三极管组成的共发射极驱动电路，这种简单的驱动电路主要用于以发光二极管种简单的驱动电路主要用于以发光二极管LED作为光作为光源的光发射机。数字信号源的光发射机。数字信号Uin从三极管从三极管V的基极输入，的基极输入，通过集电极的电流驱动通过集电极的电流驱动LED。数字信号

18、。数字信号“0”码和码和“1”码码对应于对应于V的截止和饱和状态，电流的大小根据对输出的截止和饱和状态，电流的大小根据对输出光信号幅度的要求确定。这种驱动电路适用于光信号幅度的要求确定。这种驱动电路适用于10 Mb/s以下的低速率系统，更高速率系统应采用差分电以下的低速率系统，更高速率系统应采用差分电流开关电路。流开关电路。 图图4.7是常用的射极耦合驱动电路，适合于激光器系统是常用的射极耦合驱动电路，适合于激光器系统使用。电流源为由使用。电流源为由V1和和V2组成的差分开关电路，它提供了恒组成的差分开关电路，它提供了恒定的偏置电流。在定的偏置电流。在V2基极上施加直流参考电压基极上施加直流参

19、考电压UB， V2集电集电极的电压取决于极的电压取决于LD的正向电压，数字电信号的正向电压，数字电信号Uin从从V1基极输入。基极输入。 当信号为当信号为“0”码时，码时，V1基极电位比基极电位比UB高而抢先导通，高而抢先导通，V2截止，截止， LD不发光；反之，当信号为不发光；反之，当信号为“”码时，码时，V1基极电位比基极电位比UB低，低， V2抢先导通，驱动抢先导通，驱动LD发光。发光。V1和和V2处于轮流截止和非处于轮流截止和非饱和导通状态，有利于提高调制速率。当三极管截止频率饱和导通状态，有利于提高调制速率。当三极管截止频率fr4.5 GHz时，这种电路的调制速率可达时，这种电路的调

20、制速率可达300 Mb/s。射极耦。射极耦合电路为恒流源，电流噪声小，这种电路的缺点是动态范围合电路为恒流源，电流噪声小，这种电路的缺点是动态范围小，功耗较大。小，功耗较大。 由于温度变化和工作时间加长，由于温度变化和工作时间加长，LD的输出光功率会发生的输出光功率会发生变化。为保证输出光功率的稳定，变化。为保证输出光功率的稳定， 必须改进电路设计。必须改进电路设计。图图4.8是利用反馈电流使输出光功率稳定的是利用反馈电流使输出光功率稳定的LD驱动电路，其主体和驱动电路，其主体和图图4.7相同，只是由相同，只是由V3支路为支路为LD提供的偏置电流提供的偏置电流Ib受到激光器受到激光器背向输出光

21、平均功率和输入数字信号均值背向输出光平均功率和输入数字信号均值Uin的控制。把的控制。把PD检测器的输出监测电压检测器的输出监测电压UPD、信号参考电压、信号参考电压Uin和直流参考电和直流参考电压压UR施加到运算放大器施加到运算放大器A1的反相输入端，经放大后，控制的反相输入端，经放大后，控制V3基极电压和偏置电流基极电压和偏置电流Ib，其控制过程如下：，其控制过程如下： PLDUPD(UPD + +UR)UA1IbPLDinU 在反馈电路中引入信号参考电压的目的，是使在反馈电路中引入信号参考电压的目的，是使LD的偏置的偏置电流电流Ib不受码流中不受码流中“0”码和码和“1”码比例变化的影响

22、。码比例变化的影响。 n 一个更加完善的自动功率控制一个更加完善的自动功率控制(APC)电路电路如图如图4.9所所示。示。n从从LD背向输出的光功率，经背向输出的光功率，经PD检测器检测、运算放检测器检测、运算放大器大器A1放大后送到比较器放大后送到比较器A3的反相输入端。的反相输入端。n同时，输入信号参考电压和直流参考电压经同时，输入信号参考电压和直流参考电压经A2比较比较放大后，送到放大后，送到A3的同相输入端。的同相输入端。nA3和和V3组成直流恒流源调节组成直流恒流源调节LD的偏流，使输出光功的偏流，使输出光功率稳定。率稳定。 用若干对电偶串联或并联组成的温差电功能器件，温用若干对电偶串联或并联组成的温差电功能器件，温度控制范围可达度控制范围可达 3040 。为提高致冷效率和温度控。为提高致冷效率和温度控制精度，把致冷器和热敏电阻封装在激光器管壳内，制精度，把致冷器和热敏电阻封装在激光器管壳内，温度控制精度可达温度控制精度可达0.5