光源的调制和光发射机详解演示文稿

光源的调制和光发射机详解演示文稿当前第1页\共有30页\编于星期四\19点优选光源的调制和光发射机当前第2页\共有30页\编于星期四\19点数字信号的直接调制LD和LED直接光强数字调制原理如图4.2所示：It：阈值电流IB：偏置电流ID：注入调制电流由图可见，当LD激光器的驱动电流I大于阈值It电流时，输出光功率P和驱动电流I基本上是线性关系，输出光功率正比于输入电流，所以输出光信号反映输入电信号。当前第3页\共有30页\编于星期四\19点二、光源的间接调制如图4.3所示，它是根据某些“电/光”或“声/光”晶体的光波传输特性随电压或声压等外界因素的变化而变化的物理现象而提出的一种调制方式。

对光源的直接调制，具有简单方便等优点，但这种调制方法会使得激光器的动态谱线增宽，造成在传输时色散增大，从而限制了通信容量和传输速率。采用间接调制可克服上述缺点，尤其在调制速率上，至少可提高一个数量级。当前第4页\共有30页\编于星期四\19点下面简单介绍常用的二种间接调制器。

1、电/光调制器

电－光调制器的基本工作原理是晶体的线性电光效应，电光效应是指：电场引起晶体折射率变化的现象。能够产生电光效应的晶体称为电光晶体。如令Δｎ为电光晶体折射率由外加电场引起的变化，它可随成线性变化，也可随E成平方变化（非线性）。在调制器中，主要利用电光晶体Δｎ的线性变化项，称帕克耳效应。（Pockel'seffect）。当前第5页\共有30页\编于星期四\19点2、声/光调制器声/光调制器是利用介质的声光效应制成。

所谓声光效应，是由于声波在介质中传播时，介质受声波压强作用而产生应变，这种应变使得介质的折射率发生变化，从而影响光波传输特性，这就是声光效应。将钛（Ti）扩散到铌酸锂（LiNbO2）基底材料上，用光刻法制出波导的具体尺寸，可构成光波导调制器，它具有体积小，重量轻，有利于光集成等特点。

具有代表性的光波导调制器包括：1°光波相位调制器2°行波方向耦合型光波导调制器3°干涉型光波导调制器4°衍射型光波导调制器当前第6页\共有30页\编于星期四\19点三、光源的调制特性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。如常见的电光延迟，张驰振荡和自脉动现象。这种特性严重限制系统传输速率和通信质量，在电路的设计时，要给予充分考虑。1、电光延迟和张驰振荡现象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4.4所示：输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，称光电延迟时间td，其数量级一般为ns。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，称为张驰振荡，其频率一般为

0.5～2GHz。这些特性与激光器有源区的电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命以及注入电流初始偏差量有关。当前第7页\共有30页\编于星期四\19点

张驰振荡和电光延迟的后果是限制调制速率，当最高调制频率接近张驰振荡频率时(f调max＝fr)，波形失真严重，会使接收在抽样判决时增加误码率，因此，实际使用的最高调制频率应低于张驰振荡频率。电光延迟要产生码型效应：当电光延迟时间与数字调制的码元持续时间为相同数量级时，会使“0”码过后的第一个“1”码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个“1”码丢失，这种现象称“码型效应”如图4.5所示。用适当的“过调制”补偿方法，如图4.5（C）所示，可以消除型效应。当前第8页\共有30页\编于星期四\19点2、自脉动现象某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，当注入电流达到某个范围时，输出光脉冲出现持续等幅的调频振荡，这种现象称自脉动现象（如图4.6所示）。频率可达2GHZ，严重影响LD的高速调制特性。自脉动现象是激光器内部不均匀增益或不均匀吸收产生的，往往和LD的P－I曲线的非线性有关，自脉动发生的区域和P－I曲线扭折区域相对应，因此，选择激光器时应特别注意。当前第9页\共有30页\编于星期四\19点§4-2光发射机

在光纤通信中，光发射机的作用是把从电端机送来的电信号转变成光信号，送入光纤路进行传输。一、对光发射机的要求1、有合适的输出光功率光发射机的输出光功率，通常是指耦合进光纤的功率，亦称入纤功率。入纤功率越大，可通信的距离就越长，但太大也会使系统工作于非线性状态，对通信产生不良影响，甚至烧坏光接机的PIN管，这要根据实际情况进行设计，同时要求光功率稳定度在5～10%。当前第10页\共有30页\编于星期四\19点2、有较好的消比Ext定义：Ext＝对已调制的光源，希望在“0”码时，没有光功率输出，否则它将使系统产生噪声，从而使接收机灵敏度下降，一般要求Ext≤10%。3、调制特性好即要求调制效率和调制频率要高，以满足大容量、高速率光纤通信系统的要求。4、其它要求电路简单，成本低，光源寿命长，运行稳定可行等。当前第11页\共有30页\编于星期四\19点二、光发射机的组成数字光发射机的原理框图如下：当前第12页\共有30页\编于星期四\19点光发射机主要由光源和电路两部分组成，各部分功能如下：1、光源对通信用光源的要求如下（1）发射的光波长和光纤低损耗“窗口”一致，即中心波长应在0.85μm,1.31μm和1.55μm附近，光谱单色性要好，即谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。（2）电/光转换效率要高，即要求在足够低的驱动电流下，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，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。（3）允许的调制速率要高或响应速度要快，以满足系统大传输容量的要求。（4）器件能在常温下以连续波方式工作，要求温度稳定性好，可靠、长寿命。（5）其它：体积小，重量轻，安装方便，价低。当前第13页\共有30页\编于星期四\19点2、电路光发射机的电路主要有：调制电路、控制电路、线路编码电路。三、调制电路和自动功率控制（APC）

1、LED光源的驱动电路如图4.8所示，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用LED作为光源的光发射机。数字信号Uin从三极管V的基极输入，通过集电极的电流驱动LED，数字信号的“0”，“1”码对应着V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10Mb/s以下的低速率系统，更高速率应采用差分电流开关电路。当前第14页\共有30页\编于星期四\19点2、LD光源的调制驱动电路如图4.9所示电路，是适用于激光器系统使用的射极耦合驱动电路。

1）工作原理（调制驱动电路）电流源为由V1、V2组成的差分开关电路提供了恒定的偏置电流，在的V2基极上施加直流参考电压UB，V2集电极的电压取决于LD的正向电压，数字信号Uin从V1

基极输入，当信号为“1”码时，V1(Ub1高于UB)导通，V2截止，LD不发光，反之，当输入“0”码时，V2导通，而V1截止，驱动LD发光，V1和V2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V1、V2的截止频率fr≥4.5GHZ时，这种电路的调制速率可达300Mb/s。当前第15页\共有30页\编于星期四\19点2023/6/1516Vin+VVbbisT1T2LDI1I2-VLD驱动电路

图4.9为射极耦合LD驱动电路T1和T2组成差分开关电路

.当Vin>VbbI2=0LD不发光“0”码.当Vin<VbbI1=0LD发光“1”码当前第16页\共有30页\编于星期四\19点

射极耦合电路为恒流源，电流噪声小，此电路缺点是动态范围小，功耗大。激光器驱动电路的调制速率受电路所用电子器件性能限制，采用LD和驱动电路集成在一起的单片集成电路可以提高调制速率和改进光发射机的性能。当前第17页\共有30页\编于星期四\19点2）自动功率控制（APC）(06*3)

由于工作时间加长和温度的变化，LD的输出功率会发生变化。为保证输出光功率的稳定，图4.10所示电路是利用反馈电流使输出光功率稳定的LD驱动电路。当前第18页\共有30页\编于星期四\19点

由图4.10可见，主体电路同上，只是由V3支路为LD提供的偏置电流Ib受到激光器背向输出光平均功率和输入数字信号均值的控制，把PD检测器的输出监测电压UPD，信号参考电压和直流参考电压UR施加到运算放大器A1的反相输入端，经放大后，控制V3基极电压和偏置电流Ib，其控制过程：PLD↘→Upd↘→(Upd+VR2+VR)↘→UA↖→Ib↖→PLD↖在反馈电路中，引入信号参考电压的目的，是使LD的偏置电流Ib不受码流中“0”码和“1”码比例变化的影响。

当前第19页\共有30页\编于星期四\19点

一个更加完善的APC电路如图所示，从LD背向输出的光功率，经PD检测器检测、运放A1放大后，送到比较器A3的反相输入端，同时输入信号参考电压和直流参考电压经A2比较放大后送到A3的同相输入端，A3和V3组成直流恒流源调节LD的偏流，使输出光功率稳定。当前第20页\共有30页\编于星期四\19点2023/6/1521VinVbbT1T2A1LDA2A3-V-VT3CPiN.自动功率控制(APC)电路

.因老化P光A1

A3偏置电流P光

.A2的作用防止当无信号或长“0”码时，因APC电路使

LD管注入电流增加，引起误码。当前第21页\共有30页\编于星期四\19点

四、温度特性和自动温度控制（ATC）

1、激光器的温度特性温度对激光器输出光功率的影响主要通过阈值电流It和外微分量变化产生（如图4.12）。当前第22页\共有30页\编于星期四\19点

外微分量子效率：在门限值以上，每秒钟注入的电子数的变化所引起的接收到的光子数的变化，

:外微分量子效率，:结电压，我们将电流的变化量所引起的输出功率的变化量，称外微分量子。当前第23页\共有30页\编于星期四\19点2、结发热效应即使环境温度不变，由于调制电流的作用，引起激光器结区温度的变化，因而使输出形状发生变化，这种效应叫结发热效应。

设t=0时脉冲到来，注入电流I1，由于电流的热效应，在脉冲持续时间内，结区的温度随t而升高，It而t而增大，使输出光脉冲的幅度随t而减小。当t=T时电流脉冲过后，注入电流从I1减小到了I0，电流散发的热量减小，使输出的光脉冲幅度增大。结发热效应将引起调制失真。当前第24页\共有30页\编于星期四\19点3、自动温度控制（ATC）温度控制装置一般由致冷器、热敏电阻和控制电路组成，原理框图如图4.14当前第25页\共有30页\编于星期四\19点

制冷器的冷端和激光器的热层接触，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，通过控制电路改变制冷量，使激光器输出特性保持恒定。目前，微制冷大多采用半导体制冷器，它是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的电偶来实现制冷的，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30～40℃，为提高制冷效率和温度控制精度，把制冷器和热敏电阻封装在激光器管壳内，温控精度可达±0.5℃，从而使激光器输出平均功率和发射波长保持恒定，避免调制失真。当前第26页\共有30页\编于星期四\19点图4.15给出了ATC电原理图

由R1、R2、R3和RT组成换能电桥，通过电桥把温度的变化转换成电量的变化，由运放A的差动输入端跨接在电桥的对瑞，用以改变三极管V的基极电流。在设定温度时（例20℃），调节R3使电桥平衡，A、B两端没有电位差，传输到运放A的信号为零。流过制冷器TEC的电流也为零。当环境温度升高时，LD的管芯和热沉温度也升高，使具有负温度系