光纤通信第4章

可喜之处：与调制速率对激光器瞬态特性的影响相反，低调制 速率的“结发热效应”更加明显。这是因为随着调制速率的提 高，码元时间间隔缩短，使结区温度来不及发生变化。
I1
I0 t＝ 0 t＝T
电 流 脉冲
光脉冲
图 4.11 结发热效应
2. 自动温度控制
温度控制的必要性: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。为保证输出特性 的稳定，对激光器进行温度控制是十分必要的.
缺点： 动态范围小，功耗较大。
LD
Ib
V1
V2
Uin
Io
电流 源
－UE
图 4.7 射极耦合LD驱动电路图
改进后的LD驱动电路：
改进原因：由于温度变化和工作时间加长，LD的输出光功率 会发生变化。为保证输出光功率的稳定， 必须改进电路设计。
工作原理：
PLD→UPD→(UPD+U in+UR)→UA1→Ib→PLD
PD
LD
－＋A1
Uin
V1
V2
信号参考
－A ＋
2
－U 直流参考
图 4.9 APC电路原理
Ib
－＋A3
V3
－U
4.1.4温度特性和自动温度控制
1. 激光器的温度特性 回顾：激光器的温度特性： 1，激光器输出光功率随温度而变化有两个原因： （1）激光器的阈值电流Ith随温度升高而增大。 （2）外微分量子效率ηd随温度升高而减小。 直接导致后果：输出光脉冲幅度下降。
＋U
LD Ib
PD 检测 器
输出 监测
Uin
V1
UB1 V3
V2
UA1
A1
－ ＋
C
UR
Ioቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
电流 源
Rf
信号参考 Uin
4.8 反馈稳定LD驱动电路
一个更加完善的自动功率控制(APC)电路如图4.9所示。从
LD背向输出的光功率，经PD检测器检测、运算放大器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。
2 sp
jth j
sp ln j
j jth
其中， ωr：张弛振荡频率.τo:幅度衰减时间，td:电光延迟时间.
j和jth分别为注入电流密度和阈值电流密度.τsp和τph分别为电
子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命。
我们的目的: 1,提高张弛振荡的频率ωr 2,降低幅度衰减时间τo 3,降低电光延迟时间td 所以：我们要增加注入电流j，可以： 1，提高张弛振荡频率ωr 2，减小其幅度衰减时间τo 3，减小电光延迟时间td 结论：对 LD施加偏置电流，才能增加注入电流j。
图4.13示出自动温度控制(ATC)电路原理图。由R1、R2、 R3和热敏电阻RT组成“换能”电桥，通过电桥把温度的变化 转换为电量的变化。运算放大器A的差动输入端跨接在电桥的 对端，用以改变三极管V的基极电流。
T(环境)→T(LD、热沉)→RT→I(致冷器)→T(LD)
R1 A
R2
＋U R3 B
4.2.1光接收机基本组成
直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机方框图示于 图4.14，主要包括光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、 时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电路。
光信号
前置放大器 光检测器
主放大器
均衡器
偏压控制
AG C 电路
再生码流 判决器
时钟 提取
图 4.14 数字光接收机方框图
(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。
3. 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
高速调制（高频率调制下）导致的不良后果：
1，电光延迟。2，张弛振荡。3，自脉冲现象。
1. 电光延迟和张弛振荡现象
2，用适当的“过调制”补偿方法
12 电脉冲
光脉冲
2 ns (a)
5 ns
2 ns
(b)
(c)
图4.4 码型效应 （a) 、(b)码效应波形；（c）改善后波形
进一步探究激光器的调制特性
从以下三个数学等式入手，进一步考察激光器的调制
特性。
1.
w
[ 1
sp ph
(
j jth
1)]1 2
2. 3.
o d
图 4.10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； (b) 外微分量子效率变化引 起的光输出的变化
温度对输出光脉冲的另一个影响是“结发热效应”。
定义：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发生变化，这种效应称为“结发热效 应”。
具体原理：温度t → 阀值电流Ith →输出光脉冲的幅度 导致结果： “结发热效应”将引起调制失真。
3. 均衡和再生
均衡的目的是：对经光纤传输、光/电转换和放大后已产 生畸变(失真)的电信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判 决(一般用具有升余弦谱的码元脉冲波形)，以消除码间干扰， 减小误码率。
再生电路包括判决电路和时钟提取电路，它的功能是从放 大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个地 对码元波形进行取样判决，以得到原发送的码流。
图 4.1直接光强数字调制原理 (a) LED数字调制原理； (b) LD的数字调制原理
4.1.1光发射机基本组成
数字光发射机结构组成：光源、相关电路。
光源功能：实现电/光转换。 说明：光源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. 光源 对通信用光源的要求如下：
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。
截止， LD不发光；反之，当信号为“１”码时，V1基极电位 比UB低， V2抢先导通，驱动LD发光。
优点：（1）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。（如：当三极管截止频率fr≥4.5 GHz时，这种 电路的调制速率可达300 Mb/s。）
（2）射极耦合电路为恒流源，电流噪声小，
• 对光检测器的要求：
• (1) 波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85 μm、 1.31 μm和 1.55 μm)兼容；
• (2) 响应度要高， 在一定的接收光功率下， 能产生最 大的光电流；
• (3) 噪声要尽可能低， 能接收极微弱的光信号；
• (4) 性能稳定， 可靠性高， 寿命长， 功耗和体积小
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高频振荡，这种现象 称为自脉动现象，如下图所示。 自脉动频率可达2GHz，严重 影响LD的高速调制特性。
电脉 冲
光脉 冲
自脉冲现象的原因：
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。因此在选择激光器时应特别注意。
R4
＋U
－ A
＋
V
1
3
5
t
RT
TEC LD
2
4
6
7 P IN 8
4.13 ATC电路原理
4.2 光接收机
数字光接收机的功能：把经光纤传输后幅度被衰减、 波形被展宽的微弱光信号转换为电信号，并放大处理， 恢复为原始的数字码流。
数字光接收机最主要的性能指标： 灵敏度、动态范 围。灵敏度和误码率密切相关，主要取决于光检测器 的性能和相关电路的设计。
(2) 输出光脉冲的宽度应远大于开通延迟(电光延迟)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 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。
思考：如何抑制和减小张弛振荡和电光延迟？
码型效应：电光延迟要产生码型效应。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， 这种现象称为“码型效应”。
如何抑制和消除码型效应呢？
1，限制最高调制速率
温度控制装置的组成：由致冷器、热敏电阻和控制电路组 成， 图4.12示出温度控制装置的方框图。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，通过控制电路改变致冷量，使激光器 输出特性保持恒定。
激光 器 热导
致冷 器
热敏 电阻
控制 电路
图 4.12 温度控制方框图
4.1.3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， 最常用的是差 分电流开关电路。
共发射极驱动电路：是由三极管组成。这种简单的驱动电路主 要用于以发光二极管LED作为光源的光发射机。
工作原理：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“0”码和“1”码对应于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。
• 目前， 适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN 光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。
• 对放大器的要求：
• 1，对前置放大器的要求：由于噪声影响光接收机的灵 敏度，故要求选择噪声低的放大器类型。
2，主放大器一般是多级放大器，它的作用是提供足够的 增益， 并通过它实现自动增益控制(AGC)，以使输入光信号在 一定范围内变化时， 输出电信号保持恒定。主放大器和AGC 决定着光接收机的动态范围。
电光延迟：输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始 延迟时间，称为电光延迟时间td，其数量级一般为ns。
张弛振荡：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， 称为张弛振荡，其振荡频率fr(=ωr/2π) 一般为0.5~2 GHz。
回顾：振荡频率与哪些因素相关？（加分）
图 4.3 光脉冲瞬态响应波形
第 4 章 光端机
4.1 光发射机 4.2 光接收机 4.3 线路编码
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• 光端机：光发射机、光接收机。
• 本章介绍内容：数字光发射机和数字光 接收机的基本组成、工作特性、和主要 电路。
4.1光发射机
1，数字光发射机的功能：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。
2，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。
3，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光强(功率)调制。
思考： 如何使光信号来反映电信号所携带的信息？
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，对LD施加了偏置电流Ib。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。
应用场合：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流开关电路。
UC
LED
C1
R2
Uin
V
R1
图 4.6 共发射极驱动电路
射极耦合驱动电路：适合于激光器系统使用。
工作原理：电流源为由V1和V2组成的差分开关电路。 当信号为“0”码时，V1基极电位比UB高而抢先导通，V2
(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) 此外，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。目前，不同类型的半导体激光器(LD)和发 光二极管(LED)可以满足不同应用场合的要求。