【光纤通信】第4章 光端机
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3.
线路编码之所以必要,是因为电端机输出的数字信号是适合 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码,线路编码的其它原因见4.3节 所述。
4.1.2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、 张弛振荡和自脉动现象。这种特性严重限制 系统传输速率和通信质量,因此在电路的设计时要给予 充分考虑。
“码型效应”的特点是, 在脉冲序列中较长的连“0”码后出 现的“1”码,其脉冲明显变小,而且连“0”码数目越多,调 制速率越高,这种效应越明显。用适当的“过调制”补偿方法, 可以消除码型效应,见图4.4(c) 所示。
为了进一步了解激光器的调制特性,应求出LD速率方程组的 瞬态解。由此得到的张弛振荡频率ωr及其幅度衰减时间τwk.baidu.com和 电光延迟时间td的表达式为:
2. 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: 调制电路、控制电路和线路编码电路,采用激光器作光源时,
还有偏置电路。 对调制电路和控制电路的要求如下:
(1) 输出光脉冲的通断比(全“1”码平均光功率和全“0” 码平均光功率的比值,或消光比的倒数)应大于10,以保证 足够的光接收信噪比。
光强(功率)调制。
图4.1示出激光器(LD)和发光二极管(LED)直接光强数字调制原理
P
P
t t
I
Ith
I
图 4.1 (a) LED数字调制原理; (b) LD的数字调
由图可见: 1)对LD施加了偏置电流Ib。当激光器的驱动电流大于阈值电 流Ith时,输出光功率P和驱动电流I基本上是线性关系,输出 光功率和输入电流成正比,所以输出光信号反映输入电信号。
当电光延迟时间td与数字调制的码
元持续时间T/2为相同数量级时,会
光脉冲
使“0”码过后的第一个“1码的脉
2 ns
5 ns
2 ns
冲
(a)
(b)
(c)
宽度变窄,幅度减小,严重时可能 图4.4 码型效应
使单个“1”码丢失, 这种现象(称a) 、(b)码效应波形(c)改善后
为“码型效应”。
波形
4.4,在两个接连出现的“1”码中,第一个脉冲到来前, 有较长的连“0”码, 由于电光延迟时间长和光脉冲上升时间 的影响,因此脉冲变小。第二个脉冲到来时,由于第一个脉冲 的电子复合尚未完全消失,有源区电子密度较高,因此电光延 迟时间短, 脉冲较大。
(2) 输入电脉冲的宽度应远大于开通延迟(电光延迟)时间, 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。 (3) 对激光器应施加足够的偏置电流,以便抑制在较高速率 调制下可能出现的张弛振荡,保证发射机正常工作。
(4) 应采用自动功率控制(APC)和自动温度控制(ATC), 以 保证输出光功率有足够的稳定性。
1.
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4.3所示。
ωr
输出光脉冲和注入电流脉 冲之间存在一个初始延迟 时间,称为电光延迟时间 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
td 图 4.3 光脉冲瞬态响应波形
渐衰减的振荡, 称为张弛振荡,
其振荡频率fr(=ωr/2π)一般为0.5-2 GHz。
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。
张弛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,因此实际使用的 最高调制频率应低于张弛振荡频率。
电光延迟要产生码型效应。
12 电脉冲
2)LED无需偏置电流,信号电流直接调制,输出光功率P与I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 映输入电信号。
4.1.1光发射机基本组成
数字光发射机的方框图如图4.2所示,主要有光源和电路两 部分。光源是实现电/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据,使输出光 信号准确反映输入电信号。
(1) 张弛振荡频率ωr随τsp、τph的减小而增加,随j的增加 而增加。这个振荡频率决定了LD的最高调制频率。
(2) 张弛振荡幅度衰减时间τo与τsp为相同数量级,并随j 的 增加而减小。 (3) 电光延迟时间td与τsp为相同数量级,并随j的增加而
减小( j>jth)。
增加注入电流j:
1. (1) 发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致,即中心波
长应在0.85 μm、 1.31 μm和1.55 μm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。
w
[ 1
sp ph
(
j jth
1)]1 2
j:注入电流密度 jth:阈值电流密度
o 2 sp
jth j
τ o:张弛振荡幅度衰减到初始值的1/e的时间
d
sp ln
j j jth
τ sp:电子自发复合寿命 τ ph:谐振腔内光子寿命
在典型的激光器中,τsp≈10-9s, τph≈10-12s, 由上式可以看到:
(3) 允许的调制速率要高或响应速度要快, 以满足系统的大 传输容量的要求。 (4) 器件应能在常温下以连续波方式工作, 要求温度稳定性 好, 可靠性高,寿命长。 (5) 要求器件体积小,重量轻,安装使用方便,价格便宜。
以上各项中,调制速率、谱线宽度、输出光功率和光束方向 性,直接影响光纤通信系统的传输容量和传输距离,是光源 最重要的技术指标。
第4章 光端机
4.1 光发射机 4.2 光接收机 4.3 线路编码
4.1光发射机
数字光发射机的功能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,电/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。
受调制的光源特性参数有功率、 幅度、频率和相位。 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