第八章 光发送机

第八章光发送机 8 1光发送机基本组成8 2光发送机的工作特性8 3光发送机的主要指标 8 1光发送机的基本组成 功能 数字基带电信号 光信号 E O实现 数字电信号调制光源用耦合技术注入光纤线路 光纤通信系统主要包括光纤 光缆 和光端机 每一部光端机又包含光发送机和光接收机两部分 通信距离长时还要加光中继器 光发送机完成E O转换 光接收机完成O E转换 光纤实现光信号的传输 光中继器延长通信距离 光发送机的结构组成 防止LD输出的激光反射 实现光的单向传输 保持LD组件内恒定的温度 保证激光参数的稳定性 使LD有恒定的光输出功率 光发送机主要由光源器件及驱动电路构成 如果采用外调制的话 还包括外调制器 此外 为了发送机的工作稳定 使用维护方便 还有一些辅助电路 如自动功率控制 APC 自动温度控制 ATC 及各种保护报警电路等 数字光发送机的基本组成均衡放大 码型变换 复用 扰码 时钟提取 光源 光源的调制电路 光源的控制电路 ATC和APC 及光源的监测和保护电路等 数字光发送机原理方框图 1 均衡放大 补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变 2 码型变换 将HDB3码或CMI码变化为NRZ码 3 复用 用一个大传输信道同时传送多个低速信号的过程 4 扰码 使信号达到 0 1 等概率出现 利于时钟提取 5 时钟提取 提取PCM中的时钟信号 供给其它电路使用 6 调制 驱动 电路 完成电 光变换任务 7 光源 产生作为光载波的光信号 8 温度控制和功率控制 稳定工作温度和输出的平均光功率 9 其他保护 监测电路 如光源过流保护电路 无光告警电路 LD偏流 寿命 告警等 自动功率控制 APC 由光检测器来感应激光器后端面辐射光功率的变化 并与参考功率相比较 然后根据比较结果自动调整直流偏置电流 最终使光功率峰值保持为一个稳定值 温度控制和功率控制作用 就是消除温度变化和器件老化影响 稳定发送机性能 采取的稳定方法有 温度控制 自动功率控制 光发送机结构框图 自动温度控制 ATC 温控电路通常由比例放大 PID 比例 积分 微分 电路 电流放大组成控制精度达到0 01C波长稳定性达到 200MHz 24小时 8 2光发送机的工作特性 一 光源的调制将信息加载到光束上的过程称为调制 LD在高速调制下 不良现象 电光延迟 弛张振荡 自脉动影响 限制传输速度 限制通信质量产生原因 光电瞬态响应解决办法 电路控制 2 调制方式有直接调制 内调制 和间接调制 外调制 1 直接调制 基本概念及调制原理直接调制就是将电信号直接注入光源 使其输出的光载波信号的强度随调制信号的变化而变化 又称为内调制 调制原理如图所示 特点调制简单 损耗小 成本低 但存在波长 频率 的抖动 a LED数字调制原理 输出光信号 输出光信号 I t Iin 输入电信号 I 输入电信号 Iin Ith Ib b LD的数字调制原理 图调制原理 适合于10Mb s以下的低速率系统 可达300Mb s上的调制 图1共发射极驱动电路 图2射极耦合LD驱动电路图 数字直接调制中偏置电流和调制电流大小的选择加大偏置电流使其逼近激光器阈值 可以大大减小电光延迟时间 同时使张驰振荡得到一定程度的抑制 偏置于阈值附近 较小的调制脉冲电流即可得到足够的输出光脉冲 从而可大大减小码型效应和结发热效应的影响 另一方面 加大直流偏置电流将会使光信号消光比 EX 恶化 光源消光比将直接影响接收机灵敏度 实验发现 异质结激光器的散粒噪声在阈值处出现最大值 因此偏置电流不正好偏置在阈值处 调制电流幅度Im的选择 应根据激光器的P I曲线 既要有足够的输出光脉冲幅度 又要考虑到光源的负担 如果激光器在某些区域有自脉动现象发生 则Im的选择应避开自脉动发生的区域 间接调制激光器的结构 2 间接调制 基本概念及调制原理间接调制不直接调制光源 而是利用晶体的电光 磁光和声光特性对LD所发出的光载波进行调制 即光辐射之后再加载调制电压 使经过调制器的光载波得到调制 这种调制方式又称作外调制 如图所示 特点调制系统比较复杂 损耗大 而且造价也高 但谱线宽度窄 可以应用于 2 5Gbit s的高速大容量传输系统之中 而且传输距离也超过300km以上 3 调制特性 1 电光延迟和张弛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 5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 称为电光延迟时间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 称为张弛振荡 张弛振荡和电光延迟的后果是限制调制速率 上升时间 从额定功率的10 升到90 所需的时间 下降时间 从额定功率的90 降到10 所需的时间 2 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 码丢失 这种现象称为 码型效应 如图 a b 所示 用适当的 过调制 补偿方法 可以消除码型效应 如图 c 所示 码型效应特点 脉冲序列中在较长连 0 码后出现 1 码 脉冲变小 连 0 数目越多 调制速率越高 效应越明显 码型效应起因 第一个电流脉冲过后 有源区的自由电荷指数衰减 回到初始状态有一个时间过程 sp 如果调制速率很高 脉冲间隔小于 sp 会使第二个电流脉冲到来时 前一个电流脉冲注入的电荷并没有完全复合消失 有源区的存储电荷起到直流预偏置的作用 于是第二个光脉冲延迟时间减小 输出光脉冲的幅度和宽度增加 消除方法 增加直流偏置电流 弛张振荡 电流注入激光器后 输出光脉冲出现幅度逐渐衰减振荡现象 输入电脉冲 输出光脉冲 震荡频率 f 2 0 5 2GHz 影响 限制调制速率 当最高调制速率接近f 时 波形严重失真 使接收机抽样判决增加误码率 现象产生的相关因素 LD有源区电子自发复合寿命 谐振腔内光子寿命 注入电流的初始偏差量 自脉动现象 某些LD在脉冲调制甚至直流驱动下 注入电流达到某范围时 输出脉冲出现持续等幅高频振荡的现象 振荡频率0 2 2GHz 影响 限制LD的调制特性自脉动出现位置 一般出现在LD的P I曲线的非线性 扭折区域 产生原因 LD内部的非线性增益和导致双稳态现象 相关参数 注入电流 调制电路及自动功率控制 1 共发射极LED驱动电路图1所示为由三极管组成的共发射极驱动电路 这种驱动电路主要用于以LED作为光源的数字光发射机 适用于10Mbit s以下的低速率系统 2 射极耦合跟随器LD驱动电路图2是射极耦合跟随器LD驱动电路 适合于LD系统使用 这种电路为恒流源 电流噪声小 缺点是动态范围小 功耗较大 3 反馈稳定LD驱动电路图3是利用反馈电流使输出光功率稳定的LD驱动电路 其控制过程如下 图1共发射极驱动电路 图2射极耦合LD驱动电路图 自动功率控制 APC 问题 温度变化 LD输出光功率不稳 解决 改进电路进行自动功率控制 引入参考电压的目的 使偏置电流Ib不受码流 0 1 比例变化的影响 PLD UPD UPD UR UA1 Ib PLD 4 带自动功率控制的LD驱动电路更加完善的带自动功率控制 APC 的电路如图4所示 一个更加完善的自动功率控制 APC 电路如图4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 无光告警 正常情况下 V VD A4输出高电平 因此无光告警指示灯LED不亮 当无光时 V VD A4输出低电平 使无光告警灯发出红色告警显示 寿命告警 随着使用时间的增长 LD阈值电流将逐渐增大 当阈值电流增大到开始使用时的1 5倍时 就认为激光器的寿命终止 LD调制速率限制因素 电子器件性能解决措施 LD与驱动电路单片集成效果 提高调制速率 改进发射机性能 目前 光电混合集成1550nm光发射机调制速率5Gb s 异质结双极晶体管光发射机调制速率 10Gb s 温度特性及自动温度控制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Ith和外微分量子效率 d产生 如图图1 a 和 b 所示 当温度升高 阈值电流增加 外微分量子效率减小 输出光脉冲幅度下降 温度对输出光脉冲的另一个影响是 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 因而使输出光脉冲的形状发生变化 这种效应称为 结发热效应 如图2所示 结发热效应 将引起调制失真 图1温度引起的光功率输出的变化 结发热效应调制电流作用 结区温度变化 输出光脉冲形变 t 0 I1作用 结区升温 Ith增大 输出脉冲幅度减小 t T 注入电流减小为I0 结区温度降低 Ith减小 输出脉冲幅度增大 调制速率越高 结发热效应越不明显 结发热效应的后果 调制失真 半导体光源输出特性受温度影响大 为了保证特性的稳定性 必须进行温度控制 ATC 温度控制装置的组成 制冷器 热敏电阻 半导体帕尔贴效应致冷 控温范围 30 40 自动温度控制 ATC 自动温度控制 ATC 自动温度控制电路原理 R1 R2 R3 热敏电阻RT构成换能电桥 将温度变化转换为电量变化 运放A 跨接在电桥对端 以改变V基极电流 在设定温度点 调整R3 使电桥平衡 AB两点无电位差 运放A输入0信号 过TEC电流为0 LD升温 RT 电桥失衡 UB UA 运放A输出电压升高 TEC工作致冷 LD降温 T 环境 T LD 热沉 RT I 致冷器 T LD 为提高致冷效率和控制精度 半导体致冷器和热敏电阻与LD芯片热沉紧贴在一起 热敏电阻把热沉上的温度变化变成电信号 经放大后控制致冷器电流 实现闭环负反馈自动恒温 这样可把温度的变化控制在 0 1 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 图4 8是利用反馈电流使输出光功率稳定的LD驱动电路 其主体和图4 7相同 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Uin的控制 把PD检测器的输出监测电压UPD 信号参考电压Uin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 8 3光发送机性能指标 消光比EXT 发 0 光功时率P0与发 1