第4章 光源的调制和光发射机

第四章 光源的调制和光发射机
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 E 场 引起的变化，它可随 成线性变化， E 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's effect）。
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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：
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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
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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。
2
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。
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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 t d 与数字调制 的码元持续时间 T / 2 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。
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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。
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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。
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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（Li Nb O2）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
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一、光源的直接调制
这种调制方式又称为“内调制”。 直接调制常用的三种方法 ①模拟强度调制（AIM）这种方式与基带传输 相似。 ②脉冲位置调制（PPM）这种方式适应光源和 检测管的特性，实际仍属于模拟调制。 ③数字调制，如PCM－IM，这是常用方式。
模拟信号的直接调制 这种调制方法就是直接让LED的注入电 流跟随反映语音或图像等模拟量变化，从而 使LED管的输出光功率跟随模拟信号变化(如 图4.1)。 由图可见，这了使已调制的光波信号的 非线性失真小，应适当选择直流偏置注入电 流的大小。
d j
j
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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。
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+V
I1 I2
LD
Vin
T1
T2
Vbb
LD驱动电路
is
-V
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>Vbb I2=0 LD不发光 “0”码 .当Vin<Vbb I1=0 LD发光 “ 1 ”码
2015-4-2 16
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2、有较好的消比Ext 定义： Ext＝
全“0”码时的平均光功率 P0 全“ 1 ”码进的平均光功率 P1
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。
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）。
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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 1 P 化 ， V I d :外微分量子效率， V :结电压， 我们将电流的变化量 I 所引起的输 出功率的变化量 P ，称外微分量子。
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二、光发射机的组成 数字光发射机的原理框图如下：
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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。
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LD PiN
C A1 A3
T3
Vin
T1
T2
Vbb -V
A2
-V
.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。
2015-4-2 21
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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。
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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 f r ( r ) 一般为
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。
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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。
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§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%。
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。
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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。
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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。
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第Байду номын сангаас章 光源的调制和光发射机
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。 §4-1光源的调制 在目前技术成熟并在实际中广泛使用的强度调制――直 接检波(IM-DD)，光纤通信系统中，主要有两种调制方式。 一类是直接调制：即直接在光源上进行调制，直接调制 半导体激光器的注入电流； 另一类是间接调制：即不直接调制光源，而是在光源输 出的通路上外加调制来对光波进行调制，这种调制器可通过 电/光效应或声/光效应等，利用晶体传输特性随电压变化来实 现对光波的调制。
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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。