850nm光发射机的设计正文

河北大学工商学院2011届本科生毕业论文（设计）第一章 绪论1.1光纤通信的原理、现状及前景光纤通信系统的原理框图如图1-1所示,主要由光发射机和光接收机(通称光端机)、光缆线路、光路无源器件等部分组成。其基本的通信过程为：信息源发出的原始信号先经电发射机的放大、滤波处理，将处理后的电信号输入到光发射机，在光发射机端再对信号进行调制，然后将调制好的电信号转换成光信号，通过光缆进行长距离传输，在接收端将光信号还原成电信号，再把电信号进行解调放大，还原出原始图像、语音或数据信号。 图1-1光纤通信系统原理图由图1-1知，光纤通信系统由信号发射和信号接收两部分组成。本论文接下来将着重讨论光纤通信系统中光发射机的相关设计。光传输是在发送方和接收方之间以光信号形态进行传输的技术。光传输电视信号的工作过程是在光发射机、光纤和光接收机三者之间进行的; 在中心机房的光发射机把输入的RF电视信号变换成光信号，它由电/光变换器(Electric-Optical Transducer，E/O)完成，变换成的光信号由光纤传输导向接收设备(光接收机)接收，光接收机把从光纤中获取的光信号变换还原成电信号。因此光传输信号的基理就是电/光和光/电变换的全过程，也称为光链路。 目前光传输方式采用光强度调制。如采用激光器的光发器件发出相位一致的所谓相干光，因此采取了使发光强度整体发生变化的调制方式，它利用了输出光功率对应于电/光变换器输入信号电流的变化而线性变化的特性。 在光/电变换器(Optical-Electric Transducer，O/E)中，输出正比于输入光信号强度的电流，光/电变换器的输出电流波形因而与电/光变换器输入电流波形相似，达到了信号传输的目的。光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85m发展到1.31m和1.55m，传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降，应用范围不断扩大。目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要地位。随着宽带网的光纤传输技术不断更新，多功能业务的不断完善，对光器件和光纤的传输特性的要求越来越高，光纤取代铜线的时代终究要来临，随着信息时代脚步声的来临，光传输技术的发展前景非常广阔。1.2光纤通信的特点与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如下：(1)传输频带极宽，通信容量很大；(2)由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远；(3)串扰小，信号传输质量高；(4)光纤抗电磁干扰，保密性好；(5)光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设；(6)耐化学腐蚀；(7)光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富，并节约了大量有色金属。光纤通信同时具有以下缺点：(1)光纤弯曲半径不宜过小；(2)光纤的切断和连接操作技术复杂；(3)分路、耦合麻烦。由于光纤具备一系列优点，所以广泛应用于公用通信、有线电视图像传输、计算机、空航、航天、船舰内的通信控制、电力及铁道通信交通控制信号、核电站通信、油田、炼油厂、矿井等区域内的通信。所以，大力发展光纤通信已成趋势。1.3 光发射机的特点 做为光纤通信的重要组成部分，光发射机的作用就是把电信号转变成光信号，这样才能在光纤上传播。在光纤通信系统中，信息由LED或LD发出的光波所携带，光波就是载波，把信息加载到光波上的过程就是调制。采用LED做为光源的光发射机可以直接调制，使电流的变化转换为光频调制呈线性。这样的光发射机具有简单、经济、容易实现等特点。1.4 研究工作及意义本论文通过进行850nm光发射机的设计，进一步了解以LED做为光源的光发射机的工作过程以及原理。设计LED模拟驱动电路和数字驱动电路，重点测试研究光发射机的驱动电路以及光源。由最终的数据和测试结果显示，一个简单LED作为光源的光发射机寿命长，可靠性高，调制电路简单，成本低，主要可用于传输速率比较低、传输距离比较短的光纤通信系统中。为实际生产中制造简易的光发射机提供了原理依据。第二章 光发射模块基本原理2.1 光发射机的基本原理光发射机由输入接口、光源、驱动电路、监控电路、控制电路等构成，其核心是光源及驱动电路。在数字通信中，输入电路将输入的信号（如PCM脉冲）进行整形，变换成适于线路传送的码型后通过驱动电路光源，或者送到光调制器调制光源输出的连续光波。为了稳定输出的平均光功率和工作温度，通常要设置一个自动的温度控制及功率控制电路。本设计中光发射机光源部分使用半导体发光二级管(Light Emitting Diode，LED)。相对来说LED作为光源受温度影响较小，输出的光功率与注入电流的线性关系较好，驱动电路简单，所以此设计中不用加入监控电路、保护电路等辅助电路。 850nm光发射机一般采用直接调制方式(残留边带幅度调制，VSB-AM方式)，它的功能是把电信号转换成光信号- 在光纤通信系统中，由于信息由LED发出的光波携带，因此光发射机主要有调制电路和控制电路组成，如图2-1所示。输入电路驱动电路光源输出信号控 制图2-1光发射机框图在数字通信中，输入电路将输入的PCM脉冲信号变换成NRZRZ码后，通过驱动电路调制光源(直接调制)，或送到光调制器调制光源输出的连续光波(外调制)。对直接调制，驱动电路需给光源加一直流偏置。 自动偏置和自动温度控制电路是为了稳定输出的平均光功率和工作温度，此外，光发射机中还有报警电路，用以检测和报警光源的工作状态。- 本节首先简要介绍光载波的调制方式，然后着重介绍光源的驱动和控制电路。2.2光波的调制-在光纤通信系统中，把随信息变化的电信号加到光载波上，使光载波按信息的变化而变化，这就是光波的调制。从本质上讲，光载波调制和无线电波载波调制一样，可以携带信号的振幅、强度、频率、 相位和偏振等参数使光波携带信息，也即有调幅、调强、调频、调相、调偏等多种调制方式。但为了便于解调，在光频段多采用光的强度调制方式。-从调制方式与光源的关系上来分，强度调制的方法有两种：直接调制和外调制。直接调制是用电信号直接调制光源器件的偏置电流，使光源发出的光功率随信号而变化；外调制一般是基于电光、磁光、声光效应，让光源输出的连续光载波通过光调制器，光信号通过调制器实现对光载波的调制。光源直接调制的优点是简单、经济、容易实现，但调制速率受载流子寿命及高速率下的性能退化的限制。外调制方式需要调制器，结构复杂，但可获得优良的调制性能，特别适合高速率光通信系统。- 从调制信号的形式来分，光调制又分为模拟调制和数字调制。模拟调制又可分为两类，一类是利用模拟基带信号直接对光源进行调制；另一类采用连续或脉冲的射频波作副载波，模拟基带信号先对它进行调制，再用该已调制的副载波去调制光载波。由于模拟调制的调制速率较低，均使用直接调制方式。-数字调制主要指PCM脉码调制。先将连续的模拟信号进行抽样、量化、编码，转化成一组二进制脉冲代码，对光信号进行通断调制。数字调制也可使用直接调制和外调制。第三章光源的选择以及光源驱动电路设计.1光源的选择光源是把电信号变换到光信号的器件，在光纤通信中占有重要的地位，性能好、寿命长、使用方便的光源是保证光纤通信可靠工作的关键。作为光源，本方案选用半导体发光二极管(LED)。LED发射的是自发辐射光，输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低；性能稳定，寿命长，输出光功率线性范围宽，制造工艺简单；另外，驱动电路比较简单，不存在模式噪声等问题。LED可以作为中短距离、中小容量的光纤通信系统的光源。发光二极管的输出光功率随温度的升高而减小，因为不是阈值器件，故功率不会有很大的变化。当温度升高时，发光的峰值波长会向长波长方向稍微移动，但不影响整体效果。发光二极管结构简单，使一个正向偏置的PN同质节，电子-空穴对在耗尽区辐射复合发光，称为电致发光，法处的部分光耦合进入光纤供传输使用。LED所发出的光是非相干光，具有较宽的谱宽（30nm-60nm）和较大的发射角（100） 自发辐射产生的功率是由正向偏置电压产生的注入电流提供的，当注入电流为I，工作在稳态时，电子-空穴对通过的辐射和非辐射复合，其复合率等于载流子注入率I/q，其中发射电子的复合率决定于内两字效率int，光子产生率为（Iint/q），因此LED内产生的光功率为：Pe=extPint=extint(/q)I （3-1）式中为光量子效率。假定所有发射的光子能量近似相等，并设从LED逸出的功率占内部产生功率的份额为ext，则LED的发射功率为：Pe=extPint=extint（/q）I （3-2）由上式可知LED发射功率P和注入电流I成正比。本设计测试其电光转换特性，工作电流不同的时候，输出的功率也不同，基本上是成线性关系。当注入电流小时，其线性度相当好，当注入电流较大时，由于PN结发热而逐渐出现饱和，工作温度提高时，同样工作电流下LED的输出功率要下降。LED工作电流通常为50-100mA，这时偏置电压为4.2-1.8V输出功率为9mw3.2LED的原理和驱动电路- 在小型模拟或低速、短距离数字光纤通信系统中，可以采用LED作为系统光源。用LED作光源时，一般采用直接强度调制方式，即通过改变LED的注入电流调制输出光功率。LED的光功率输出可直接由信号电流来调制，在数字调制时，它可以由电流源直接调制；在模拟调制时，则先要将LED直流偏置。下面分别介绍模拟系统及数字系统的驱动电路。3.2.1LED的直接调制原理-直接调制是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源（激光二极管LD或半导体发光二极管LED），从而获得调制光信号。直接调制方式的优点是电路简单、容易实现，但是传输速率不能太高。根据调制信号的类型，直接调制又可以分为模拟调制和数字调制两种。图3-1为对LED进行模拟调制的原理图。从图3-1可以看出，理想情况下LED 为无阈值器件，且在很宽范围内保持良好的线性，因而可以根据输入调制信号的强度在P-I曲线上选取合适的点作为静态工作点，对应静态工作电流为IB，只要输入调制信号电流幅值DI不大于IB，即可以得到强度随输入调制信号强度线性变化的光信号输出，从而实现模拟信号的直接调制。连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上，适当选择直流偏置的大小，使静态工作点位于发光管特性曲线线性段的中点，可以减小光信号的非线性失真。调制线性的好坏取决于调制深度m。设调制电流幅值为I，偏置电流为IB，则 (3-3)图3-1LED模拟调制原理图-LED的数字调制原理图如图3-2所示。信号电流为单向二进制数字信号，用单向脉冲电流的有、无(1码和0码)控制发光管的发光与否。模拟系统或数字系统都是通过控制流经发光管电流的办法达到调制输出光功率的目的。但由于二者功率不同，对驱动与偏置电路也不同，下面分别加以研究。图3-2LED数字调制原理图3.2.2LED的模拟驱动电路-在模拟系统中，输入信号为模拟信号，而模拟信号是指时间和幅度都连续的信号。对驱动电路的要求是提供一定的工作点偏置电流及足够的信号驱动电流，以使光源能够输出足够的功率， 并使其输出功率随输入信号线性变化， 非线性失真小。产生的非线性失真必须低于 -30dB-50dB。但由于LED本身存在非线性失真，在高质量要求的信号传输中，还需要线性补偿电路。 LED对温度不很敏感，因此驱动电路中一般不采用复杂的自动功率控制(APC)和自动温度控制(ATC)电路，较LD的驱动电路简单得多。-图3-3为一种简单而又具有高速特性的驱动电路。该电路中模拟调制信号加在输出管的基极，LED串接在输出管的集电极，调制信号通过对基极电压的控制来控制流经LED的集电极电流的变化，这样LED 的输出光强将随着调制信号的变化而变化。图3-3 LED模拟驱动电路在图3-3所示的电路中，静态集电极电流Ic即为LED的 静态偏置电流 ，Ic= ，其中 为三极管的共射极电流放大倍数。 设电路的调制指数 m = 0.8，信号电流峰值 Im= 24 mA，则静态时的集电极电流 Ic= =30mA （3-4）工作电流范围3024mA, 其频率响应大于100MHZ。该电路的谐波失真小于-45dB。设计本驱动电路时要注意两点：一是需要设置合适的静态工作点，使管子工作在线性区，尽可能地减小非线性失真；二是输入信号要有足够的强度，使光源满足一定的输出功率。3.2.3LED的数字驱动电路-LED的数字驱动电路主要应用于二进制数字信号，驱动电路应能提供几十至几百毫安（mA）的开关电流。码速不高时，可以不加偏置；但在高码速时，需加小量的正向偏置电流，有利于保持二极管电容上的电荷。典型的LED数字驱动电路见图3-4所示。图3-4为低阻抗射极跟随式驱动电路图3-4LED数字驱动电路在图3-4中的达林顿结构因高电流增益，降低了输出阻抗。这一电路可从具有180pF的电容的发光管上得到2.5ns的光上升时间，可传输100Mbs 的数字信号。 但由于发射极输出的负载不是纯电阻， 可能使电路发生振荡。RlCl并联串接于发射极电路，组成发射极跟随电路，提供电压阶跃，以补偿驱动电流开始时， 对发光管电容充电所造成的光驱动电流的下降，从而使驱动器可工作在高码速情况下。数字调制也是光纤通信的主要调制方式得一种，将模拟信号抽样量化后，以二进制数字信号“1”或“0”对光载波进行通断调制，并进行脉冲编码（PCM）。数字调制的优点是抗干扰能力强，中继时噪声及色散的影响不积累，因此可实现长距离传输。第四章光发射电路的设计总结整理图4-1数字光发射机分析：本次设计采用了两种驱动电路，在两个驱动电路之间用一个单刀双掷开关进行了链接可以同时满足模拟和数字两种信号输入。模拟光发射机相对简单点，可以通过调节Rb的大小改变LED的注入电流调制输出光功率，图4-1左边电路中模拟调制信号加在输出管的基极，LED 串接在输出管的集电极，调制信号通过对基极电压的控制来控制流经LED的集电极电流的变化，这样LED 的输出光强将随着调制信号的变化而变化。根据调制深度的定义，从图3-1可以看出，本模拟电路在一定静态偏置电流下，调制深度越深，即 m 越大，输出光信号的幅值越高，但线性变差；调制深度越浅，即 m 越小，输出光信号的幅值越小，但线性提高。因此，模拟调制电路中根据器件的参数选择调制深度，在保证系统要求的光功率输出的同时，减小非线性失真。图4-1中左边驱动电路晶体管VT工作在甲类状态，模拟调制信号加在晶体管的基极，基极电流随外加调制信号电压变化，从而控制流经 LED 的集电极电流的变化。调整电路时，先不加调制信号（静态），改变 Rb 的阻值，使流经LED的电流位于晶体管VT和LED的线性区，并且保证一定调制深度下输出不失真。 数字光发射机相对要有些难度，在数字驱动电路中，用LED做光源因为LED是利用其有源区中自发辐射的器件，只要给它加上电流，就会有光发出。同时，LED具有较好的输出功率随工作电流呈线性变化的特点，如图3-2所示，它示出了LED的输出光功率与注入电流的关系和调制波形。对于二值码调制信号，其直流偏置可以选择在零点，即输入信号为零时，输出功率就为零，因此在 LED 驱动电路中可以不需要直流偏置调整电路。本次的数字光发射机设计中对LED数字驱动电路的基本要求是能提供LED 所需要的驱动电流及满足其动态变化的幅度，充分发挥LED 的调制速率的作用，保证其输出光脉冲响应速度。图4-1中右边数字驱动电路为串联型共发射极晶体管LED 驱动电路。晶体管VT工作在乙类工作状态，晶体管的集电极电流就是 LED的驱动电流。当有高脉冲到来时，晶体管饱和导通，LED发光；当低电平到来时，晶体管截止，LED 不发光。集电极电阻 R2 为限流电阻，R1 和C 并联组成加速电路，用以提高开关速度。第五章 结语本次的设计，通过进一步理解光纤通信中的光发射机这部分，让我对光纤通信有了一个新的理解。做为光纤通信的重要部分，光发射机的发展越来越快，传输的速率也发生了很大的变化，并理解了LD和LED做为光源的不同光发射机的区别，根据LED和LD的性能，在选择光源时应作到技术上合理、经济上合理以及便于应用。在小型模拟或低速、短距离数字光纤通信系统中，可以采用LED作为系统光源。在设计中，完成了简单的光发射机驱动电路设计，由于采用光源位LED所以方案中没有加入保护模块的设计。在论文设计完成的整个进程中，查阅了大量相关的参考文献和设计方案，并对光纤通信的基本知识和相关理论进行了细致深入的学习。通过学习和了解，把握住了光发模块发展的方向，为论文的研究和设计找到了突破口。并在对光发模块的结构、组成、原理、设计要求、设计方法有了较深入的认识与了解的基础上，结合以往所学习的电子线路、高频电路、数字电路、模拟电路等方面的知识，设计出了模拟和数字两种光发射机。这次论文的完成，真正做到了理论和实践相结合。同时通过与老师和同学们之间不断的交流，扩充了自己的知识，并提高了自己研发课题的能力，为今后的工作打下了很好的基础。参考文献 1 赵梓森.光纤通信工程(修订本)M.北京:人民邮电出版社,1998. 2 李德胜,陈一楠.通信电子电路M.北京:人民邮电出版社,1989. 3 周邦华.微波固态FM压控振荡器的设计J.电子技术参考,1995(3):42-52. 4 邓大鹏.光纤通信原理.人民邮电出版社.2004/7/15 马军山.光纤通信原理与技术.人民邮电出版社.2004/8/16 (美)赫克特著.光纤通信原理、系统与应用.电子工业出版社.2003/6/17 张明德孙小菡 .光纤通信原理与系统 (第3版).东南大学出版社.2003/9/18 张金菊.光纤通信原理.东方出版社.2000/10/19 张天民、闫红军、张晓波：有线电视HFC网络实用技术手册，天马图书有限公司，山西运城，2003年3月10 林挺逵、贾正武：激光器的调制度和激励电平计算式的推导和应用.中国有线电视2008年7期P68311 林挺逵：各类光发射机调试方法和光链路质量指标核算.中国有线电视2005年19/20期P190812 施国强、黄吴明、张万书：有线电视网络技术手册，电子工业出版社，北京，2000年10月13 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