（信号与信息处理专业论文）光控相控阵雷达光发射技术硬件电路设计及外调制系统研究.pdf

电子科技大学硕士学何论文 摘要 光控相控阵雷达同传统相控阵雷达相比具有许多优点，文中陈述了光控相 控阵的优点和国内外研究动态。说明了研究光控相控的重大意义，同时也阐明 了本课题的意义和价值。 光纤通信技术是光控相控阵理论得以实现的载体。光纤通信技术的发展状 况，直接影响光控相控阵技术的发展水平。文中介绍了光纤通信技术的最新发 展和光纤通信系统的组成与设计。 以构建一个完整的、性能优良的、应用于光控相控阵中的光收发系统为目 标，详细论述了光链路系统的各个组成部分的性能特点及实现方法。具体包含 以下内容：光纤和光纤连接器的特性及选用原则，光探测器、调制器的特性及 选用原则，光源的特性和选用原则；光纤通信系统的组成及光纤通信的优点； 光链路系统的组成和性能参数计算；预失真电路等。 重点论述l 波段光发射机中的激光器的控制电路的设计，包括自动功率控 制、自动温度控制、匹配电路设计等。自动功率控制、自动温度控制电路设计 应用反馈原理来调整功率，使功率输出保持在一恒定值上。匹配电路给出了各 种匹配参考电路模型，匹配电路的好坏直接关系系统的性能指标。 x 波段光收发系统的相关理论及实现方法也是重点论述对象。x 波段的光 收发系统由于现器件的限制，其实现还有一定的难度。本文就x 波段收发系统 组成和关键器件，参考电路的设计进行了具体论述，并对系统的性能指标进行 了计算。对x 波段光收发系统进行了很有成效的探索。 同时，文中结合相关理论设计出的l 波段光发射系统的实验系统，并给出 了整个系统的实验结果和测试曲线。 关键字：光控相控阵；光发射机；x 波段；光外调制器：a p d 探测器 电子科技大学硕十学位论文 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lp h a s e da r r a y , o p t i c a l l yc o n t r o l l i n gp h a s e da r r a yh a s m a n y m e r i t i nt h i sp a p e r , t h ef e a t u r e so f o p t i c a l l yc o n t r o l l i n gp h a s e da r r a ya n dt h e d e v e l o p m e n to f o p t i c a l l yc o n t r o l l i n gp h a s e da r r a y a r ei n v o l v e d a n dt h es i g n i f i c a t i o n a n dv a l u eo fs t u d y i n g o p t i c a l l yc o n t r o l l i n gp h a s e da r r a y i sa l s om e n t i o n e d o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n i st h ef o u n d a t i o no fo p t i c a l l yc o n t r o l l i n gp h a s e d a i x a y s o t h e d e v e l o p m e n t l e v e lo fo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ni n f l u e n c e st h e d e v e l o p m e n to fo p t i c a l l yc o n t r o l l i n gp h a s e da r r a y t h er e c e n tp r o g r e s so fo p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o na n dt h ec o n f i g u r a t i o no fo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m a r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h ef e a t u r ea n dr e a l i z a t i o nm e t h o df o re a c hp a r to ft h eo p t i c a l l i n k i n gs y s t e m a r ed i s c u s s e di nd e t a i ls ot h a tao p t i c a l - l i n k i n gs y s t e mw i t hg o o d p e r f o r m a n c e c a l lb e o b t a i n e df o ro p t i c a l l yc o n t r o l l i n gp h a s e da r r a y t i f f sp a p e rc o n t a i n st h e s em a t e r i a l s s u c ha st h ef u t u r e sa n dt y p e so fo p t i c a l f i b e r sa n do p t i c a ld e t e c t o ra n do p t i c a l e x t e r n a lm o d u l a t o ra n d o p t i c a l s o u r c e ，t h ec o n f i g u r a t i o n o f o p t i c a l f i b e r c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dt h em e r i to f o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n t h i sp a p e ra l s o i n c l u d e st h ep a r a m e t e ro fo p t i c a l l i n k i n gs y s t e mt h a ti sc a l c u l a t e d ，a n dt h ec i r c u i t d e s i g n i n gm e t h o d s f o ro p t i c a lt r a n s m i t t e ra n de x t e r n a lo p t i c a lm o d u l a t o r , a n ds oo n t h ec i r c u i tt h a tc o n t r o l l e dt h el a s e rd i o d ei nl - b a n do fo p t i c a lt r a n s m i t t e ri s d i s c u s s e di nd e t a i l ，t h a ti n c l u d ea u t o m a t e dp o w e rc o n t r o l l i n gc i r c u i t ，a n da u t o m a t e d t e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gc i r c u i t ，m a t c h i n gc i r c u i t t h ea u t o m a t e dp o w e rc o n t r o l l i n g c i r c u i ta n dt h ea u t o m a t e dc o n t r o l l i n gc i r c u i ta r eb a s e do nt h ep r i n c i p l eo ff e e d b a c kt o k e e pt h ec e r t a i nv a l u e t h em a t c h i n gc i r c u i t o f f e r saf e wk i n d sm a t c h i n gc i r c u i t m o d e l ，w h o s ep e r f o r m a n c ed i r e c t l yi m p a c t so nt h ep e r f o r m a n c eo fo p t i c a l - l i n k i n g s y s t e m t h et h e o r i e sa n dr e a l i z i n gm e t h o da b o u tx - b a n do p t i c a l - l i n ks y s t e ma r ea l s o d i s c u s s e di nc h a p t e r5b e c a u s et h ep a r to f t h ee l e m e n ti nx b a n do p t i c a l l i n ks y s t e m a r ea b s e n c ea tp r e s e n t t h er e a l i z a t i o no fx - b a n do p t i c a l l i n ks y s t e mh a v eal o to f d i f f i c u l t t h ek e ye l e m e n ta n dt h ed e s i g n i n gc i r c u i ta r ed i s c u s s e di nd e t a i li nt h i s p a p e r a ne x p e r i m e n t a ls y s t e mo fo p t i c a lt r a n s m i t t e ri nl b a n di sd e s i g n e d t h e p e r f o r m a n c ec u r v e s f o rw h o l es y s t e m ( i n c l u d eo p t i c a lr e c e i v e rs y s t e m ) a r es h o w n r e s p e c t i v e l y k e y w o r d s ：o p t i c a l l yc o n t r o l l i n gp h a s e da r r a y ；o p t i c a lt r a n s m i t t e r ；x b a n d ； o p t i c a l e x t e r n a lm o d u l a t o r ；a p dd e t e c t o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外。论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 签名；植勉益日期：立朋年月， 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期：年月日 第一章引言 第一章引言 1 1 光控相控阵雷达及其优点 雷达波束指向控制是实现目标搜索、捕获、跟踪、瞄准和成像的重要技术 环节。传统的机电伺服控制( 机械扫描) 方法导致雷达结构笨重，反应速度慢。 基于微波相控阵( m wp h a s e da r r a y ) 技术的相控阵雷达借助有源相控阵天线实 现了微波雷达波束的无惯性电扫描，堪称雷达体制的重大突破。 相控阵天线是通过控制各天线元的微波信号的相位延迟来控制天线的波束 形成和波束扫描。相控阵天线( p h a s e da r r a ya n t e n n a ) 白2 0 世纪7 0 年代初 开始使用，现在在雷达和通信等领域显得越来越重要。这是因为相控阵天线具 有许多优点，如无物理运动的转向、高的二维扫描灵活性、极准确的波束指向， 以及实现低的空间旁瓣所需的精密的相位和幅度控制等等。但其r f 电子波束形 成网络体大量重，影响了它们更广泛的应用。 由于传统相控阵是控制信号的相位来延迟信号的，这导致不同频率的信号 即使有相同的相位延迟却有不同的时间延时。因此传统相控阵天线在宽带信号 情况下存在波束指向偏斜。 在现代战争中，为了提高相控雷达的抗干扰能力，同时为了提高雷达对目 标分辨、识别能力和解决目标的雷达成像问题，相控阵雷达必须采用具有大瞬 时信号带宽的信号。为对抗反辐射导弹的威胁，也要求采用具有大瞬时带宽的 扩频信号。但是，相控阵雷达在进行宽角扫描时，由于渡越时间和孔径效应， 使得信号的瞬时带宽受限。 为了实现相控阵雷达的宽带宽角扫描，应该用实时延迟线t t d ( t r u et i m e d e l a y ) 取代常规相控阵雷达中的移相器，但这给工程实现带来困难，折衷的方 法，是在相控阵雷达的子阵级别上引入t t d ，进行子阵级的延时补偿。传统的 t t d 由波导或同轴电缆构成的，对一个口径2 0 m 的大型相控阵天线，在扫描角 为6 0 。时，t t d 的长度为1 7 m ，如此长的波导或同轴电缆，无论是对宽带信号的 损耗还是工程的实现，都带来困难。 如果将微波信号调制在光纤上，用光纤作为t t d ( 称为o t t d ) ，由于光载波 频率极高，信号带宽相对频率极小，线路具有稳定的传输特性。同时将使系统 重量减轻，体积减小，无相互辐射干扰。 另外，将雷达微波信号调制到光波上，利用光纤来传输雷达信号具有明显 的优越性，因为在整个雷达频率上，光纤传输损耗比同轴电缆和波导传输低得 第一章引言 多。且对于所有频率信号损耗均相同，这非常有利于雷达系统的远程控制和雷 达信号的传输分配。由于雷达天线是一个辐射源，极易受到反辐射导弹的袭击， 所以天线和信号处理控制中心应尽量远离。传统的连接方法是采用同轴电缆， 它的传输损耗大，使得天线和指令中心的间距很短。同时电缆向外的辐射也可 成为导弹攻击的目标。再者，在微波信号通过同轴电缆传输前，往往必须先将 其下变频到m h z 范围，而且还需要几个线路放大器以放大信号电平。如采用光 纤链路，则微波信号传输到指令中心就毋需任何下变频，又由于光纤衰减极小， 因此不需要任何线路放大器以提高信号电平。光纤及大量光波器件均为介质材 料，无电磁辐射，隐身性能好，改用光纤传输系统后，不仅重量和成本大大下 降，而且抗电磁干扰( e m i ) 和抗电磁脉冲( e m p ) 的能力显著提高。因此用光 缆取代电缆传输，对实现雷达天线远程化是非常理想的，这对提高雷达和操作 人员的生存能力具有重大军事应用价值。 光纤是符合t t d 及p a a 产生延迟和实现信号分配要求的种优良介质，适 合t t d 应用的光纤的特点包括：能长时问( 几十微秒) 存储大带宽模拟信号( 几 十千兆赫) 、抗干扰、损耗低、重量轻、体积小，这对机载应用特别重要。因此， 用光纤t t d 系统能提供极大的瞬时带宽。 综上所述可以看出，光控相控阵雷达同传统相控阵雷达相比，具有这样一 些主要优点：光延迟器件作为移相器，可获得大的瞬时带宽。采用光传输和分 配技术，可减轻系统重量，减小体积，提高雷达可靠性，增强抗电磁干扰的能 力，改善线路传输特性。另外还可将阵天线子系统与雷达子系统分置不同位置， 带来结构上的方便。提高雷达和人员的生存能力。 光控相控阵就是将微波信号调制到光信号上，光信号在不同长度的光纤中 传播实现不同的真实延时，然后将微波信号从光信号中解调出来。 1 2 本论文的研究内容、目的和国内外研究状况 1 2 1 国内外研究状况 在国外，从8 0 年代开始，并有人提出将光技术应用于相控阵雷达，进入 9 0 年代以来，国外许多公司和学者对该应用领域进行了大量的深入研究。虽然 光控相控阵技术在国外已得到广泛研究，但尚未见到将其用于装备的报道。 在国内，近年来虽然将光技术用于雷达等电子设备得到较广泛的研究，但 主要集中于信号( 包括数字信号和r f 信号) 的光传输和分配，而对采用光延迟 器件t t d 和光移相的光控相控阵技术的研究较少，仅有部分高校和研究所涉及 到部分光电器件的研究，而对光控相控阵技术的系统研究未见报道。 第一章引言 目前，国外光电探测器的频率可达5 2 0 g h z ，直接调制激光器的频率可达 4 0 g h z ，外调制器的频率可达7 0 g h z 或更高。对于数字光纤通信中的光探测技术， 国外单波导4 0 g b i t s 的器件基本实现商业化，实验室已研制成功6 0 g b i t s 的 光接收器件，采用w d m 技术，单跟光纤总计传输容量达1 6 t b i t s 。对于传输 速率大于l o g b i t s 的光电探测器，必须采用o e i c 集成器件。 目前，国内的光探测器基本上是用于数字传输和c a t v ，模拟接收频率可到2 g h z ，单 波导数字传输速率可达1 0 g b i v s ，w d m 技术可达1 6 * 2 5 g b i t s 。 1 2 2 研究目的 大型l 波段相控阵雷达主要用于战略预警，为了提高相控阵雷达的抗干扰 能力、对目标的分辨能力，相控阵雷达必须具有尽可能大的带宽。但是，相控 阵雷达在进行宽角扫描时，由于渡越时间和孔径效应，使得信号的瞬时带宽受 限。 如果在大型l 波段相控阵雷达的子阵级别上引入基于光实时延迟t t d ( t r u e t i m ed e l a y ) 光控相控阵技术，便可大大减轻时间引起的孔径效应，使 相控阵雷达实现宽带宽角扫描。 另外，在相控阵雷达中采用光学信号的分配方法，使得通信线路具有稳定 的传输特性。分配网络灵活，体积小，重量轻，提高系统的机动性。且抗电磁 干扰能力强。 该项技术除可直接用于大型l 波段相控阵雷达外，其原理也可用于舰载相 控阵雷达、机载火控阵雷达及其它共形相控阵雷达系统。同时对x 波段也进行 深入研究。 本论文是光控相控阵技术的核心组成部分，其价值和意义不言而喻。 1 2 3 研究内容 本论文研究光控相控阵雷达中的l 波段光调制电路、监控电路设汁，并研 制一台l 波段光发射机的实验系统，该发射机完成以下功能：将l 波段 ( 1 2 g h z 一1 4 g h z ) 的射频信号经激光器调制到光信号，并对激光器的偏置电流、 功率、制冷电流等进行自动控制，然后显示在l c d 上。还完成了x 波段的射频 信号光传输实现方法方案设计。 本发射系统的难度在于：市面上的l 、x 波段的光电器件主要用于数字信号， 文献研究只限于数字信号或c a t v 方面的研究，c a t v 中的光电器件是传输模拟 信号的，但c a t v 的频率较低，其器件是否适用于本项目，有待考察。对于更高 频段的x 波段信号，市面上只有数字器件，能否进行x 波段的模拟信号光收发， 弟一章引言 还有待验证。本文的研究内容如下图1 一l 所示。 幽卜1 本课题中研究部分 4 第二章模拟r f 信号的光纤传输 第二章模拟r f 信号的光纤传输 光纤是光纤通信的物理基础。对光纤和光器件的研究，是提高光纤通信系 统的水平，促进光纤通信新技术发展的重要课题。正确选择光纤产品，是优化 光纤通信系统设计的重要手段。 2 1 光纤概述 2 1 1 光纤结构和类型 2 1 1 1 光纤结构 光纤( o p t i c a lf i b e r ) 是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细 丝。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。 包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。光能量在光 纤中传输的必要条件是纤芯的折射率大于包层的折射率。 21 1 2 光纤类型 光纤的种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯度石英制成的 光纤。实用光纤主要有三种基本类型：突变型多模光纤( s t e p i n d e x f i b e r ，s i f ) ，渐变型多模光纤( g r a d e d i n d e xf i b e r ，g i f ) ，单模光纤 ( s i n g l e m o d ef i b e r ，s m f ) 。这些光纤的主要特征如下： 突变型多模光纤( s t e p i n d e xf i b e r ，s i f ) 纤芯折射率n 保持不变，到包 层突然变为n ：。这种光纤一般纤芯直径为5 0 u m “8 0 u m ，光线以折射形状沿纤芯 中心轴线方向传播，特点是信号畸变大。 渐变型多模光纤( g r a d e d i n d e xf i b e r ，g i f ) 在纤芯中心折射率最大为n l ， 沿径向向外围逐渐变小，直到包层变为n 2 。这种光纤一般纤芯直径为5 0 u m ，光 线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小。 单模光纤( s i n g l e m o d ef i b e r ，s m f ) 折射率分布和突变型光纤相似，纤芯 直径只有8 u m ! o u m ，光线蛆直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光 纤只能传输一个模式，所以称为单模光纤，其信号畸变很小。 以上各种特征不同的光纤，其用途也不同。突变型多模光纤信号畸变大， 相应的带宽只有i o 2 0 m h z k m ，只能用于小容量( 8 m b i t s 以下) 短距离( 几 k m 以内) 系统。渐变型多模光纤的带宽可达l 2 g h z k m ，适用于中等容量 ( 3 4 m b i t s “1 4 0 m b i t s ) 中等距离( i 0 2 0 k m ) 系统。大容量 第二章模拟r f 信号的光纤传输 ( 5 6 5 m b i t s “2 2 ，5 0 b i t s ) 长距离( 3 0 k m 以上) 系统，要用单模光纤。 2 ，1 2 光纤传输特性 光信号经光纤传输后要产生损耗和畸变( 失真) ，因而输出信号和输入信号 不同。对于脉冲信号，不仅幅度要减小，而且波形要展宽。产生信号畸变的主 要原因是光纤中存在色散。损耗和色散是光纤最重要的传输特性。损耗限制系 统的传输距离，色散则限制系统的传输容量。 2 1 21 光纤的色散 色散( d i s p e r s i o n ) 是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延 迟不同而产生的一种物理效应。色散一般包括模式色散、材料色散和波导色散。 模式色散是由于不同模式的时间延迟不同产生的，它取决于光纤的折射率 分布，并和光纤材料折射率的波长特性有关。 材料色散是由于光纤的折射率随波长而改变，以及模式内部不同波长成分 的光( 实际光源不是纯单色光) ，其时间延迟不同而产生的。这种色散取决于光 纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。 波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的，它取决于波导尺寸和 纤芯与包层的相对折射率差。 理想单模光纤没有模式色散，只有材料色散和波导色散。材料色散和波导 色散总称为色度色散( c h r o m a t i cd i s p e r s i o n ) ，它是时间延迟随波长变化而产 生的结果。 色散对光纤传输系统的影响，在时域和频域的表示方法不同。如果信号是 模拟调制的，色散限制带宽( b a n d w i d t h ) ；如果信号是数字脉冲，色散产生脉 冲展宽( p u l s eb r o a d e n i n g ) 。所以，色散通常用3 d b 光带宽f 3 d b 或脉冲展宽f 表示。 2 1 2 2 光纤的损耗 由于损耗的存在，在光纤中传输的光信号，不管是模拟信号还是数字脉冲， 其幅度都要减小。光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离。 在最一般的条件下，在光纤内传输的光功率p 随距离z 的变化，可以用下 式表示： d p ：a p ( 2 1 ) 出 式中，d 是损耗系统。设长度为l ( k m ) 的光纤，输入光功率为卑，根据式( 2 1 ) ， 输出光功率应为： 第二章模拟r f 信号的光纤传输 p o = 只e x p ( 一a l ) ( 2 2 ) 习惯上a 的单位用d b k m ，由式( 2 2 ) 得到损耗系数： a = 警- s 鲁 ( 删翩) ( 2 3 ) 光纤的损耗包括吸收损耗和散射损耗。吸收损耗是由s i 0 2 材料引起的固有 吸收和由杂质引起的吸收产生的。散射损耗，主要由材料微观密度不均匀引起 的瑞利( r a y l e i g h ) 散射和由光纤结构缺陷( 如气泡) 引起的散射产生的。 本系统采用的6 6 5 2 - 非色散位移单模光纤，其特性见附录1 。 2 2 光纤通信 随着通信业的飞速发展，光纤大显身手，成为现代通信网的最佳媒介。光 纤是超纯的石英玻璃纤维，同它的保护层一起才。只有一根头发丝那么细，虽然 如此之细，但它的柔韧性很好，可以弯曲，甚至打结；而且衰减小，性能稳定， 强度大，因而被广泛应用。以此为传输媒质的光纤通信则是以现代物理学中的 激光技术、半导体技术、光学元器件等为基础，结合其它众多学科形成的一种 新型的通信方式。它利用光波来载送信息，实现通信。 2 2 1 光纤通信的优点 在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波频率高得多，而作为传输 介质的光纤又比同轴电缆或波导管的损耗低得多，因此相对于电缆通信或微波 通信，光纤通信具有很多独特的优点。 2 2 1 1 容许频带很宽，传输容量很大 光纤通信系统的容许频带( 带宽) 取决于光源的调制特性、调制方式和光 纤的色散特性。在零色散波长窗口，单模光纤都具有几十g h z k m 的带宽。还 可以采用多种复用技术，大大扩展传输容量，如采用波分复用( w d m ) 和光频分 复用( o f d m ) 可有效增加光纤通信系统的容量。另外，减小光源谱线宽度和采 用调制方式，也是增加传输容量的有效方法。 2 2 1 2 损耗低 实用的光纤均为s i 0 2 ( 石英) 系光纤，要减小损耗，主要靠提高玻璃纤 维的纯度。目前制成的s i 0 2 纯净度极高，损耗极低，在光波长l 2 1 5 5 m m 附近， 衰减有最低点，可低至0 3 d b k m ，接近理论极限值。同时，由于损耗低，中继 第二章模拟r f 信号的光纤传输 距离可以很长，在通信线路中可减少中继站数量，降低成本且提高了通信质量。 2 2 1 3 光纤通信保密性好 它传输的信息密闭在光纤中，不像无线通信和电缆通信那样，将携带信息 的电磁波散布在空间，因而想截获和窃听是很不容易的。 22 1 4 光纤通信抗干扰性很强 光纤为非金属介质材料主，不受电磁干扰。 22 1 5 线径细、重量轻 光纤直径只有0 1 n u n 左右，制成光缆后直径较细，重量轻，敷设线缆时， 空间利用率高。 另外，可以节约金属材料，有利于资源的合理利用；制造光纤的原材料一一 石英来源丰富，随处可取；光纤良好的柔韧性也为线路施工提供了方便。这许 多的优势，使得光纤通信成为通信史上发展最快的门通信技术。 2 2 2 光纤通信系统的基本组成 光纤通信系统可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。用户要传输的 图2 1 光纤通信系统的基本组成( 单向传输) 信息多种多样，一般有话音、图像、数据或多媒体信息。图2 1 示出单向传输 的光纤通信系统，包括发射部分、接收部分和光纤线路。 信息源把用户信息转换为原始电信号，这种信号称为基带信号。这种基带 信号，经过出理传给光发射机。通过光发射机内的光调制器，输入到光发射机 的带有信息的电信号被调制到光信号上，光载波经过光纤线路传输到接收端， 再由光接收机把光信号转换为电信号。电接收机的功能和电发射机的功能相反， 它把接收的电信号转换为基带信号，最后由信息宿恢复用户信息。以下重点介 绍一下光发射机、光纤线路和光接收机。 2 2 2 1 光发射机 光发射机的功能是把电信号转换为光信号，交用耦合技术把光信号最大限 度地注入光纤线路。光发射机出光源、偏景电路和控制电路组成。光源是光发 第二章模拟r f 信号的光纤传输 射机的核心，光发射机的性能基本上取决于光源的特性。对光源的要求是输出 光功率足够大，调制效率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率 和波长稳定，器件寿命长。目前广泛使用的光源有半导体发光二极管( l e d ) 和半导体激光二极管( 或称激光器) ( l d ) 。 光发射机把电信号转换为光信号的过程( e o ) 是通过电信号对光的调制而 实现的。目前有直接调制和间接调制( 或称外调制) 两种调制方案，但广泛采 用的是直接调制。直接调制是用电信号直接调制光源的驱动电流，使输出光随 电信号而变化。这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率有限。 2 2 2 2 光纤线路 光纤线路的功能是把来自光发射的光信号，以尽可能小的畸变和衰减传输 到光接收机。光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。光纤线路的性能 主要由光纤的传输特性决定的。对光纤的基本要求是损耗和色散尽可能地小， 而且有足够好的机械特性和环境特性。 目前使用的石英光纤有多模光纤和单模光纤，单模光纤的传输特性比多模 光纤好，价格比多模光纤便宜，因而得到更广泛的应用。单模光纤配合半导体 激光器，适合大容量长距离光纤传输系统，而小容量短距离系统用多模光纤配 合半导体发光二极管更加合适。 2 2 2 3 光接收机 光接收机的功能是把从光纤线路输出的产生畸变和衰减的微弱光信号转换 为电信号，并经放大和处理后恢复成反射前的电信号。光接收机由光检测器、 放大器和相关电路组成，光检测器是光接收机的核心。对光检测器的要求是响 应度高、噪声低和响应速度快。目前广泛使用的光检测器有两种类型：p i n 光 二极管和雪崩型光电二极管( a p d ) 。 光接收机把光信号转换为电信号的过程( o e ) ，是通过光检测器的检测实 现的。检测方式有直接检测和外差检测两种。直接检测是用光检测器直接把光 信号转换成电信号。这种检测方式设备简单，经济实用，是当前光纤通信系统 普遍采用的方式。 光接收机最重要的特性参数是灵敏度。灵敏度是衡量光接收机质量的综合 指标，它反映接收机调整到最佳状态时，接收微弱光信号的能力。灵敏度主要 取决于组成光接收机的光电二极管和放大器的噪声，并受传输速率、光发射机 的参数和光纤线路的色散的影响还与系统要求的误码率或信噪比有密切的关 系。灵敏度是反映光纤通信系统质量的重要指标。 第二章模拟r f 信号的光纤传输 2 3 光纤通信技术的应用和最新进展 2 3 1 光纤通信技术的应用现状与趋势 光纤通信系统从7 0 年代中期诞生至今不到3 0 年的时间内迅速发展壮大， 当今世界，光纤通信已经成为通信的主要手段，在整个通信网占主要地位。全 世界光纤用量近2 0 0 0 万胁，并且大约有6 0 至8 0 的通信业务经光纤传输。在 北美，信息量的8 0 以上是通过光纤网来传输的，在我国光纤通信也得到广泛 的应用，至今全国已敷设一百多万公里光缆。全国通信网的传输光纤化比例己 高达8 2 5 ，并且我国现在已有一定规模的光纤通信产业，能生产光纤、光缆、 光电器件、光端机和仪表，比较完整，而光纤通信技术的应用基本达到国际同 期水平，自主开发的光纤通信产品也比较接近国际同类产品水平，但实验室的 研究水平还有一定的差距。 器件是光通信设备和系统的基础，目前国内自行开发的光通信设备中，已 采用了最先进的光器件和光电器件。 光纤通信技术在中国的应用面是广泛的，除了在电信网中的应用外，光纤 通信技术还成功地应用于c a t v 、移动通信的光纤直放站、计算机网络的光纤 联网、光纤图像临近系统等方面。微电子技术、光电子技术和计算机技术的飞 速发展，为光通信技术不仅在国内可以满足网络建设的需求，还将在国际中发 挥重大的作用。总的来说，光通信在调整、大容量方面和宽带、综合、低成本 接入方面都在迅速发展。 但目前光纤通信的整体水平仍处于初级阶段，光纤通信的巨大潜力还没有 完全开发出来。i n t e m a 应用的飞速增长对电信骨干网宽带提出了越来越高的需 要，为满足需要的增长，人们可以铺设更多的光纤，或靠提高单路光的信号运 载量，用户除了打电话，还需要传送数据、看电视、网上办公、网上教育等多 媒体功能，对通信速度和容量的要求也相应增加，例如2 0 0 0 路电话才相当于一 路电视。因此，大力开发光纤通信的容量是世界必然的趋势。理论上，光纤通 信的容量可达几亿路电话。光纤通信必将引起一场通信技术的革命。 目前，我们已经拥有发展光通讯必备的器件和光纤。下一步器件发展的趋 势是集成化、微机器趋势，新材料、高分予光学材料趋势，纳米技术产业化趋 势、集成化趋势。随着光子集成、光电子集成技术的发展，器件与系统之剧的 界限正在模糊化，将大量的光予器件、光电子器件和电子器件集成在一个很小 的芯片上，甚至将相当复杂的含有这些器件的通信、信息系统在一个很小的芯 片上，已逐渐成为可能。有一种叫微电机( m e m s ) ，其英文全称是 m i c m e l e c t r o ，m e c h a n i c a ls y s t e m s ，其含义是指可批量制作的，集微型机构、微 第二章模拟r f 信号的光纤传输 型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于 一体的微型器件或系统。m e m s 是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密 机械加工技术的发展而发展起来的。它可以做到毫米、微米数量级。一个马达 也可以做到微米数量级。这种微机器对光交换机很有利，相当于光开关。 新材料、高分子光学材料越来越受重视的趋势。塑料光纤在成本等方面， 要比现在的玻璃光纤经济。虽然塑料光纤的传输距离没有玻璃光纤远，但我们 可以用在城市里面，用在家庭里面等传输距离不太远的地方。另外用高分子塑 料还可以做成作用很大的光开关。 2 3 2 大容量光纤通信技术的最新发展 公认的提高光纤通信传输容量的方法是采用波分复用技术来复用电时分复 用技术，即w d m e t d m 。单波道传输速率要受到所用材料载流子迁移率、光纤色 散和极化模色散等因素的影响。随着新材料如钢磷材料的应用，光纤色散和极 化模色散成了制约光纤单波道传输速率的关键因素。理论上讲，光纤色散和极 化模色散与比特率的平方成正比，尤其是极化模色散还是一个随机变化的过程， 因此大大限制了高速系统的无中继传输距离。 目前该技术的传输能力为1 6 0 波* 1 0 g b i t s ，即单根光纤总计传输容量为 1 6 t b i t s 。在d w d m 技术的波道数达到了1 0 2 2 波，甚至有公司宣布做出了6 5 5 3 6 波的系统。另外实验水平上的中继距离也达到了近1 0 0 0 0 k m 。这意味着无须中 继站就可直接跨越大西洋。 最近有一项试验使用全光复用和反复用技术成功演示了单波道6 4 0 g b i t s 的传输速率，传输距离为9 2 k m 。 绝大多数商用t b i t s 级的d w d m 系统工作于c 和l 波段，单波道速率 1 0 g b i t s 波道间距5 0 g h z ，使用参饵放大器( e d f a ) 。为提高接收端信噪比， 还使用了前向纠错技术。此外还可使用雷曼放大器来减小线路损耗。这些系统 根据波道数的不同，传输距离也不尽相同，基本上可以达到几千公罩的水平。 单波道速率4 0 g b i t s 系统现在还处于实验水平，2 0 0 3 年应该能够实现商业 化。最近，有项试验使用该技术达到了单根光纤超过1 0 t b i t s 的通信容量。显 然，4 0 g b i t s 系统能够提供更大的通信容量，但出于经济方面的因素，该系统 更适合于短距通信，因为它需要更多的再生器以补偿色散和极化模色散。 商用系统和绝大多数实验系统都是基于非归零编码( n r z ) 和归零编码( r z ) 技术，更先进的调制技术如双二进制编码和单残余边带传输( s s b v s b ) ，均通 过提高频谱效率来增加传输容量。然后同时也会带来接收器灵敏度下降，系统 复杂等问题，从而限制了系统通信距离。另一种提高频谱效率的方法是减小d w d m 第二章模拟r f 信号的光纤传输 波道间距，但是由于波道间距的线性及非线性串扰作用，也会限制通信距离。 2 4 光无源器件一一光隔离器和光纤活动连接器 在光纤通信中，除了光发射器件和光探测器件外，还有类本身不发光不 放大不产生光电转换的光学器件，称之为光无源器件。或者说在光电或电光系 统中，不产生光信号或电信号的光学器件称为光无源器件。即能量消耗型光学 器件。光无源器件种类繁多，功能名异。是一种使用性很强的不可缺少的器件。 其中最主要的无源器件有光纤连接器、光缆连接器、光纤耦合器、光开关、光 复用器( 合波器和分波器) 、光分路器、光隔离器、光衰耗器、光滤波器等等。 它们的作用概括起来主要是：连接光波导或光路；控制光的传播方向：控制光 功率的分配：控制光波导之间；器件之间和光波导与器件之间的光耦合：以及 合波和分波等作用。下面介绍本课题用到的光隔离器和光纤连接器 光隔离器就是只允许光波往一个上方向传输，阻止光波往其它方向上传输。 隔离器主要用在光源或光放大器等后面，以避免反射光返回到该器件致使器件 性能变坏。插入损耗和隔离度是隔离器的两个主要参数，目前插入损耗的典型 值约为l d b ，隔离度的典型值的大致范围为4 0 5 0 d b 。 光纤连接器又叫光纤活动连接器，或叫活接头。它在光纤通信系统、光信 息处理系统、光学仪器仪表中被广泛使用。它用来耦合从光源到光纤、多光纤 到光纤以及光纤与探测器之间的光耦合。是一种可拆卸重复使用的用量很大一 种光无源器件。从使用的光纤分类有多模连接器和单模连接器之分。从光纤的 多少分，有单光纤连接器和多光纤连接器。不管何种连接器，都必须具备损耗 低、何种小、重量轻、可靠性高、便于操作、重复性和互换性好以及价格低廉 等优点。 光纤连接器的结构主要由两部分组成：对中结构和插针结构。对中结构是 指采用一定机械结构和光学结构以保证光路或光纤尽可能的完全对准，以保障 绝大部分的光能够通过。常用的对中结构有：套管结构、双锥结构、透镜结构、 v 形槽结构等等。对中结构和插针结构之间是精密的紧配合。插针结构是连接 器的关键部件，其作用是将光纤固定保护起来，并使套筒( 即套管) 中的光纤 对准。插针应使光纤外径与插针管内径匹配不留间隙或间隙甚小( 约 o 0 0 0 5 m m ) 。插针也称为插头，是操作的主要部件。 插针端面设计有各种形状，如平面形、突球面形、锥形面和异形面等。光 纤端面之间应尽量靠近接触，并尽可能地减小端面上的菲涅尔反射。 光纤活动连接器件种类繁多，概括起来主要有两种类型：光纤直接对接型 和光束型。光纤直接对接型有以下几种： 第二章模拟r f 信号的光纤传输 1 、f c 型连接器 f c 型连接器，光纤端面为平面对接。这种连接器也可用f c f c 表示。分子 f c 表示其外部加强件为金属套筒，固定方式是卡口螺旋式；分母f c 指内部光 纤是平面形。它具有结构简单操作方便制造容易的优点。缺点是对沾污较敏感， 应保持插针端面的绝对干净，否则影响连接损耗。 2 、p c 型接连器 p c 型接连器，也可用f c p c 方式表示。为克服f c 型上述缺点，并尽可能 地减小插针端面的反射损耗，把光纤端面做成突球面形。p c 表示物理端面，其 外形与f c 型相同。 3 、f c p c 陶瓷型连接器 上述连接器的插针和套筒多用不锈钢或硬质合金做成的，其性能也不错。 但是陶瓷材料比其更为优越，因为陶瓷材料具有极好的稳定性，线膨胀系数小， 且与石英光纤的线膨胀系统接近，在这方面两者相当匹配。此外，陶瓷具有极 高的硬度，因而有良好的机械耐磨性。 4 、s c 型连接器 s c 型连接器，即插拔式连接器。它的连接方式是插拔耦合式，为非螺旋卡 口型，外壳是矩形，操作十分方便，非常适合于密集状态下使用，如光纤配线 架，光端机，局域网等。 光束型连接器，由于使用了透镜的聚集和准直作用，光纤之间的光耦合比 较容易，因而对机械加工可以放宽要求。 光纤活动连接器的损耗主要原因有两方面：连接上的原因和光纤参数不一 致。前者主要有轴心错位、间隙以及端面不完整等造成光损耗。这是主要原因， 占较大比例。后者由于光纤芯径相对折射率差折射率分布参数等所引起。 光纤活动连接器的主要性能指标有以下几个方面： 插入损耗，也称附加损耗，一般在0 5 d b 以下。 重复性，即插拔一次或数次之后其损耗的变化情况，一般应小于 o 1 d b 。 互换性，是指同一种连接器不同插针替换时损耗的变化量，一般也应 小于0 1 d b 。 寿命，即保证连接器具有上述损耗参数范围内插拔次数的多少，一般 应在干次以上。 温度性能，是指在一定温度范围内连接器的损耗变化量，一般在一2 5 + 7 0 。c 范围内，损耗变化应小于或等于0 2 d b 。 反射损耗，一般也应小于一3 5 d b 。 第二章光源、激光器利探测器 第三章光源、激光器和探测器 光源是光纤传输系统的心脏部件，它的功能是实现电光转换，其性能好坏 对整个传输系统的质量有举足轻重的作用。光源是光纤通信中光发射机的关键 部件，对提高光发射机的功率和延长光纤通信的中继距离有着重要的作用。优 质的光源具有以下性能：功率高、频谱特性好、有恰当的辐射波长、光谱窄、 带宽宽、线性特性好、转换率高等。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导 体激光二极管( 或称激光器( l d ) ) 和发光二极管( 或称发光管( l e d ) ) ，有些 场合也使用固体激光器，例如掺钕钇铝石榴石( n d ：y a g ) 激光器。 3 1 光辐射p n 结 半导体激光器和发光二