【正文】 第 4 章 光發(fā)射機 光接收機 線路編碼 光發(fā)射機 ?數(shù)字光發(fā)射機 的 功能 : ?電端機輸出的數(shù)字基帶 電 信號轉(zhuǎn)換為 光 信號 ?用耦合技術(shù) 注入 光纖線路 ?用數(shù)字電信號對光源進行 調(diào)制 ?調(diào)制分為 直接調(diào)制 和 外調(diào)制 兩種方式 受調(diào)制的光源特性參數(shù)有： 功率 、 幅度 、 頻率和相位 輸出光信號 p I t Iin 輸入電信號 p I （ a） LED數(shù)字調(diào)制原理 輸出光信號 輸入電信號 Iin Ith Ib (b) LD的數(shù)字調(diào)制原理 ? 當(dāng)激光器的驅(qū)動電流大于閾值電流 Ith時 ， 輸出光功率 P和驅(qū)動電流 I基本上是 線性關(guān)系 ?輸出 光功率 和 輸入電流 成正比， 輸出光信號反映輸入電信號 光發(fā)射機基本組成 數(shù)字光發(fā)射機 的方框圖如圖 ， 主要有 光源 和 電路兩部分 。 光源 是實現(xiàn)電 /光轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件 ， 在很大程度上決定著光發(fā)射機的性能 。 電路的設(shè)計應(yīng)以 光源 為依據(jù) ， 使 輸出光信號 準(zhǔn)確反映 輸入電信號 。 輸入接口 驅(qū)動電路 光源 光調(diào)制器 電信號輸入 光信號輸出 圖 數(shù)字光發(fā)射機方框圖 保護電路 自動偏置 1. 對通信用光源的要求如下 (1) 發(fā)射的光波長應(yīng)和光纖低損耗 “ 窗口 ” 一致 ， 即中心波長應(yīng)在 μm、 μm和 μm附近 。 光譜單色性要好 ， 即譜線寬度要窄 ， 以減小光纖色散對帶寬的限制 。 (2) 電 /光轉(zhuǎn)換效率 要高 ， 即要求在足夠低的驅(qū)動電流下 ， 有足夠大而穩(wěn)定的輸出光功率 ， 且線性良好 。 發(fā)射光束的 方向性要好 ， 即遠場的輻射角要小 ， 以利于提高光源與光纖之間的 耦合效率 。 (3) 允許的 調(diào)制速率要高或響應(yīng)速度要快 ， 以滿足系統(tǒng)的大傳輸容量的要求 。 (4) 器件應(yīng)能在常溫下以連續(xù)波方式工作 ， 要求溫度穩(wěn)定性好 ， 可靠性高 ， 壽命長 。 (5) 此外 ， 要求器件體積小 ， 重量輕 ， 安裝使用方便 ， 價格便宜 。 以上各項中 ， 調(diào)制速率 、 譜線寬度 、 輸出光功率和光束方向性 ， 直接影響光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量和傳輸距離 ， 是光源最重要的技術(shù)指標(biāo) 。 2. 直接光強調(diào)制的數(shù)字光發(fā)射機 主要電路有 :調(diào)制電路 、 控制電路和線路編碼電路 采用 激光器 作光源時 ， 還有 偏置電路 對調(diào)制電路和控制電路的要求如下： (1) 輸出光脈沖的 通斷比 (全 “ 1”碼平均光功率和全 “ 0”碼平均光功率的比值 ， 或 消光比 EXT的倒數(shù) )應(yīng)大于 10， 以保證足夠的光接收信噪比 。 EXT ? 01全 0 時平均光功率P全 1 時平均光功率P (2) 輸出光脈沖的寬度應(yīng)遠大于 開通延遲 (電光延遲 )時間 ， 光脈沖的上升時間 、 下降時間和開通延遲時間應(yīng)足夠短 ， 以便在高速率調(diào)制下 ， 輸出的光脈沖能準(zhǔn)確再現(xiàn)輸入電脈沖的波形 . (3) 對激光器應(yīng)施加足夠的偏置電流 ， 以便抑制在較高速率調(diào)制下可能出現(xiàn)的張弛振蕩 ， 保證發(fā)射機正常工作 . (4) 應(yīng)采用 自動功率控制 (APC)和 自動溫度控制 (ATC)， 以保證輸出光功率有足夠的穩(wěn)定性 . 3. 電端機輸出的數(shù)字信號是適合電纜傳輸?shù)碾p極性碼 ， 而光源不能發(fā)射負(fù)脈沖 ， 要變換為適合于光纖傳輸?shù)?單極性碼 。 雙極性碼：雙極性一般指的是用正 、 負(fù)電平脈沖代表 0、 1 單極性碼：一般情況下是指單極性非歸零 ， 即 0、 1分別由脈沖的有無來代表 。 調(diào)制特性 半導(dǎo)體激光器是光纖通信的理想光源 ， 但在高速脈沖調(diào)制下 ， 其瞬態(tài)特性仍會出現(xiàn)許多復(fù)雜現(xiàn)象 ， 如常見的 電光延遲 、 張弛振蕩 和 自脈動現(xiàn)象 。 這些特性 嚴(yán)重限制系統(tǒng)傳輸速率和通信質(zhì)量 ， 因此在電路的設(shè)計時要給予充分考慮 。 1. 電光延遲和張弛振蕩 現(xiàn)象 半導(dǎo)體激光器在高速脈沖調(diào)制下 ， 輸出光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形如圖 。 輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在一個初始延遲時間 ，稱為 電光延遲時間 td， 其數(shù)量級一般為 ns。 當(dāng)電流脈沖注入激光器后 ， 輸出光脈沖會出現(xiàn)幅度逐漸衰減的振蕩 ， 稱為 張弛振蕩 ， 其振蕩頻率 fr(=ωr/2π)一般為 ~2 GHz。 這些特性與激光器有源區(qū)的 電子自發(fā)復(fù)合壽命 和 諧振腔內(nèi)光子壽命 以及 注入電流初始偏差量 有關(guān) 。 圖 光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形 張弛振蕩 和 電光延遲 的后果是 限制調(diào)制速率 。 當(dāng)最高調(diào)制頻率接近張弛振蕩頻率時 ， 波形失真嚴(yán)重 ， 會使光接收機在抽樣判決時增加誤碼率 ， 因此實際使用的 最高調(diào)制頻率應(yīng)低于張弛振蕩頻率 。 2. 某些激光器在脈沖調(diào)制甚至直流驅(qū)動下 ， 當(dāng)注入電流達到某個范圍時 ， 輸出光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅的高頻振蕩 ， 這種現(xiàn)象稱為 自脈動現(xiàn)象 ， 如圖 。 自脈動頻率可達 2GHz， 嚴(yán)重影響 LD的高速調(diào)制特性 。 電脈沖 光脈沖 圖 激光器自脈沖動現(xiàn)象 自脈動現(xiàn)象 是激光器內(nèi)部不均勻增益或不均勻吸收產(chǎn)生的 ， 往往和 LD的 P I曲線的非線性有關(guān) , 自脈動發(fā)生的區(qū)域和 P I曲線扭折區(qū)域相對應(yīng) 。 調(diào)制電路和自動功率控制 數(shù)字信號調(diào)制電路應(yīng)采用電流開關(guān)電路 ， 最常用的是 差分電流開關(guān)電路 。 圖 共發(fā)射極驅(qū)動電路 ， 這種簡單的驅(qū)動電路主要用于以發(fā)光二極管 [WTBZ]LED作為光源的光發(fā)射機 。 圖 共發(fā)射極驅(qū)動電路 UCR2L E DC1R1UinV 數(shù)字信號 Uin從三極管 V的基極輸入，通過集電極的電流驅(qū)動 LED。數(shù)字信號“ 0”碼和“ 1”碼對應(yīng)于 V的截止和飽和狀態(tài)，電流的大小根據(jù)對輸出光信號幅度的要求確定。 這種驅(qū)動電路適用于 10 Mb/s以下的低速率系統(tǒng) ， 更高速率系統(tǒng)應(yīng)采用差分電流開關(guān)電路 。 圖 射極耦合驅(qū)動電路 ， 適合于激光器系統(tǒng)使用 。電流源為由 V1和 V2組成的差分開關(guān)電路 ， 它提供了恒定的偏置電流 。 在 V2基極上施加直流參考電壓 UB， V1集電極的電壓取決于LD的正向電壓 ， 數(shù)字電信號 Uin從 V1基極輸入 。 當(dāng)信號為 “ 0”碼時 ， UB 基極電位比 V1高而搶先導(dǎo)通 ， V1截止 ， LD不發(fā)光；反之 ，當(dāng)信號為 “ １ ” 碼時 ， UB 基極電位比 V1低 ， V1搶先導(dǎo)通 ， 驅(qū)動LD發(fā)光 。 V1和 V2處于輪流截止和非飽和導(dǎo)通狀態(tài) ， 有利于提高調(diào)制速率 。 當(dāng)三極管截止頻率 fr≥ GHz時 ， 這種電路的調(diào)制速率可達300 Mb/s。 射極耦合電路為恒流源 ， 電流噪聲小 ， 這種電路的缺點是動態(tài)范圍小 ， 功耗較大 。 圖 射極耦合 LD驅(qū)動電路圖 V2V1 Ib電 流 源Io163。 UEUinL D 參考電壓UB 由于溫度變化和工作時間加長， LD的輸出光功率會發(fā)生變化。為保證輸出光功率的穩(wěn)定， 必須改進電路設(shè)計。圖 用反饋電流使輸出光功率穩(wěn)定的 LD驅(qū)動電路，其主體和圖 同，只是由 V3支路為 LD提供的偏置電流 Ib受到激光器背向輸出光平均功率和輸入數(shù)字信號均值 的控制。 inU 把 PD檢測器的輸出監(jiān)測電壓 UPD、 信號參考電壓 和直流參考電壓 UR施加到運算放大器 A1的反相輸入端 ， 經(jīng)放大后 ， 控制V3基極電壓和偏置電流 Ib， 其控制過程如下：