【正文】 第 4 章 光發(fā)射機(jī) 光接收機(jī) 線路編碼 返回主目錄 第 4 章光端機(jī) 數(shù)字光發(fā)射機(jī)的功能是把電端機(jī)輸出的數(shù)字基帶電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào) ， 并用耦合技術(shù)有效注入光纖線路 ， 電 /光轉(zhuǎn)換是用承載信息的數(shù)字電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的 。 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 。 目前技術(shù)上成熟并在實(shí)際光纖通信系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用的是直接光強(qiáng) (功率 )調(diào)制 。 圖 (LD)和發(fā)光二極管 (LED)直接光強(qiáng)數(shù)字調(diào)制原理 ， 對(duì) LD施加了偏置電流 Ib。 由圖可見(jiàn) ， 當(dāng)激光器的驅(qū)動(dòng)電流大于閾值電流 Ith時(shí) ， 輸出光功率 P和驅(qū)動(dòng)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 ， 所以輸出光信號(hào)反映輸入電信號(hào) 。 圖 (a) LED數(shù)字調(diào)制原理； (b) LD的數(shù)字調(diào)制原理 數(shù)字光發(fā)射機(jī)的方框圖如圖 ， 主要有光源和電路兩部分 。 光源是實(shí)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(jī)的性能 。 電路的設(shè)計(jì)應(yīng)以光源為依據(jù) ， 使輸出光信號(hào)準(zhǔn)確反映輸入電信號(hào) 。 1. 對(duì)通信用光源的要求如下： (1) 發(fā)射的光波長(zhǎng)應(yīng)和光纖低損耗 “ 窗口 ” 一致 ， 即中心波長(zhǎng)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(duì)帶寬的限制 。 圖 光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形 (2) 電 /光轉(zhuǎn)換效率要高 ， 即要求在足夠低的驅(qū)動(dòng)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(yuǎn)場(chǎng)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(zhǎng) 。 (5) 此外 ， 要求器件體積小 ， 重量輕 ， 安裝使用方便 ， 價(jià)格便宜 。 以上各項(xiàng)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) 。 目前 ， 不同類型的半導(dǎo)體激光器 (LD)和發(fā)光二極管 (LED)可以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的要求 。 2. 直接光強(qiáng)調(diào)制的數(shù)字光發(fā)射機(jī)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(shí) ， 還有偏置電路 。 對(duì)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 ， 或消光比的倒數(shù) )應(yīng)大于 10， 以保證足夠的光接收信噪比 。 (2) 輸出光脈沖的寬度應(yīng)遠(yuǎn)大于開通延遲 (電光延遲 )時(shí)間 ， 光脈沖的上升時(shí)間 、 下降時(shí)間和開通延遲時(shí)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(duì)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(jī)正常工作 。 (4) 應(yīng)采用自動(dòng)功率控制 (APC)和自動(dòng)溫度控制 (ATC)， 以保證輸出光功率有足夠的穩(wěn)定性 。 3. 線路編碼之所以必要 ， 是因?yàn)殡姸藱C(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)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 ， 所以要變換為適合于光纖傳輸?shù)膯螛O性碼 ， 線路編碼的其它原因見(jiàn) 。 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(huì)出現(xiàn)許多復(fù)雜現(xiàn)象 ， 如常見(jiàn)的電光延遲 、 張弛振蕩和自脈動(dòng)現(xiàn)象 。 這種特性嚴(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(jì)時(shí)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(gè)初始延遲時(shí)間 ， 稱為電光延遲時(shí)間 td， 其數(shù)量級(jí)一般為 ns。 當(dāng)電流脈沖注入激光器后 ， 輸出光脈沖會(huì)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) 。 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(shí) ， 波形失真嚴(yán)重 ， 會(huì)使光接收機(jī)在抽樣判決時(shí)增加誤碼率 ， 因此實(shí)際使用的最高調(diào)制頻率應(yīng)低于張弛振蕩頻率 。 電光延遲要產(chǎn)生碼型效應(yīng) 。 當(dāng)電光延遲時(shí)間 td與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時(shí)間 T/2為相同數(shù)量級(jí)時(shí) ， 會(huì)使 “ 0” 碼過(guò)后的第一個(gè)“ 1碼的脈沖寬度變窄 ， 幅度減小 ， 嚴(yán)重時(shí)可能使單個(gè) “ １ ” 碼丟失 ， 這種現(xiàn)象稱為 “ 碼型效應(yīng) ” 。 如圖 ， 在兩個(gè)接連出現(xiàn)的 “ 1” 碼中 ， 第一個(gè)脈沖到來(lái)前 ， 有較長(zhǎng)的連 “ 0” 碼 ， 由于電光延遲時(shí)間長(zhǎng)和光脈沖上升時(shí)間的影響 ， 因此脈沖變小 。第二個(gè)脈沖到來(lái)時(shí) ， 由于第一個(gè)脈沖的電子復(fù)合尚未完全消失 ，有源區(qū)電子密度較高 ， 因此電光延遲時(shí)間短 ， 脈沖較大 。 圖 碼型效應(yīng) （ a) 、 (b)碼效應(yīng)波形；（ c）改善后波形 電脈沖光脈沖2 n s 5 n s 2 n s( a ) ( b ) ( c )1 2 “ 碼型效應(yīng) ” 的特點(diǎn)是 ， 在脈沖序列中較長(zhǎng)的連 “ 0” 碼后出現(xiàn)的 “ 1” 碼 ， 其脈沖明顯變小 ， 而且連 “ 0” 碼數(shù)目越多 ，調(diào)制速率越高 ， 這種效應(yīng)越明顯 。 用適當(dāng)?shù)?“ 過(guò)調(diào)制 ” 補(bǔ)償方法 ， 可以消除碼型效應(yīng) ， 見(jiàn)圖 (c) 。 為了進(jìn)一步了解激光器的調(diào)制特性 ， 應(yīng)求出 LD速率方程組的瞬態(tài)解 。 由此得到的張弛振蕩頻率 ωr及其幅度衰減時(shí)間 τo和電光延遲時(shí)間 td的表達(dá)式為： 21)]1(1[ ??thphsp jjw??? jjthspo ?? 2?thspd jjj?? ln? 式中 ， τo是張弛振蕩幅度衰減到初始值的 1/e的時(shí)間 ， j和 jth分別為注入電流密度和閾值電流密度 。 τsp和 τph分別為電子自發(fā)復(fù)合壽命和諧振腔內(nèi)光子壽命 。 在典型的激光器中 ， τsp≈109s, τph≈1012s， 即 τspτph。 由式 ()~式 ()可以看到： (1) 張弛振蕩頻率 ωr隨 τsp、 τph的減小而增加 ， 隨 j的增加而增加 。 這個(gè)振蕩頻率決定了 LD的最高調(diào)制頻率 。 (2) 張弛振蕩幅度衰減時(shí)間 τo與 τsp為相同數(shù)量級(jí) ， 并隨 j的增加而減小 。 (2) 電光延遲時(shí)間 td與 τsp為相同數(shù)量級(jí) ， 并隨 j的增加而減小 (jjth)。 由此可見(jiàn) ， 增加注入電流 j， 有利于提高張弛振蕩頻率 ωr，減小其幅度衰減時(shí)間 τo， 以及減小電光延遲時(shí)間 td，LD施加偏置電流是非常必要的 。 2. 某些激光器在脈沖調(diào)制甚至直流驅(qū)動(dòng)下 ， 當(dāng)注入電流達(dá)到某個(gè)范圍時(shí) ， 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(dòng)現(xiàn)象 ， 如圖 。 自脈動(dòng)頻率可達(dá) 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(dòng)現(xiàn)象 自脈動(dòng)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 P I曲線的非線性有關(guān) ， 自脈動(dòng)發(fā)生的區(qū)域和 P I曲線扭折區(qū)域相對(duì)應(yīng) 。 因此在選擇激光器時(shí)應(yīng)特別注意 。 數(shù)字信號(hào)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 ， 這種簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)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(jī) 。 數(shù)字信號(hào) Uin從三極管 V的基極輸入 ， 通過(guò)集電極的電流驅(qū)動(dòng) LED。 數(shù)字信號(hào) “ 0” 碼和 “ 1” 碼對(duì)應(yīng)于 V的截止和飽和狀態(tài) ， 電流的大小根據(jù)對(duì)輸出光信號(hào)幅度的要求確定 。 這種驅(qū)動(dòng)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 共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路 UCR2LEDC1R1UinV 圖 ， 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， V2集電極的電壓取決于 LD的正向電壓 ， 數(shù)字電信號(hào) Uin從 V1基極輸入 。 當(dāng)信號(hào)為 “ 0” 碼時(shí) ， V1基極電位比 UB高而搶先導(dǎo)通 ， V2截止 ， LD不發(fā)光；反之 ， 當(dāng)信號(hào)為 “ １ ” 碼時(shí) ， V1基極電位比UB低 ， V2搶先導(dǎo)通 ， 驅(qū)動(dòng) 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(shí) ， 這種電路的調(diào)制速率可達(dá) 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(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍小 ，功耗較大 。 圖 射極耦合 LD驅(qū)動(dòng)電路圖 V2V1Ib電流源Io－ UEUinLD 由于溫度變化和工作時(shí)間加長(zhǎng) ， LD的輸出光功率會(huì)發(fā)生變化 。 為保證輸出光功率的穩(wěn)定 ， 必須改進(jìn)電路設(shè)計(jì) 。 圖 是利用反饋電流使輸出光功率穩(wěn)定的 LD驅(qū)動(dòng)電路 ， 其主體和圖 ， 只