演示文稿第九章光纤通信技术

（优选）第九章光纤通信技术当前1页，总共48页。9.2.4光发送机在光纤通信系统中光发射机主要有调制电路和控制电路组成，如图9.19所示。光发射机中，输入电路将电端机输出的电信号变换成适合光纤通信的电信号后，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）。对于直接调制方式，驱动电路需给光源加一直流偏置；而外调制方式中光源的驱动为恒定电流，以保证光源输出连续光波。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。当前2页，总共48页。图9.19光发射机概图当前3页，总共48页。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。

1.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，称为光波的调制。从本质上讲，光载波调制和无线电波载波调制一样，使光波携带信息的光参量可以有振幅、强度、频率、相位和偏振等，也即有相应的调幅、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；外调当前4页，总共48页。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，光信号通过光调制器实现对连续光载波的调制。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（频率啁啾）。外调制方式需要光调制器，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做副载波，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。数字调制主要指脉冲编码调制（PCM）。先将连当前5页，总共48页。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，然后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。

2.LED的驱动电路在小型模拟或低速、短距离数字光纤通信系统中，可以来用LED作为系统光源。但不论哪种通信系统，用LED做光源时，均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。下面分别介绍模拟系统及数字系统的LED驱动电路。（1）LED的直接调制原理与电路图9.8（a）为对LED进行模拟调制的原理图。连续的模拟信号电流量加在直流偏置电流IB上，适当选择直流偏置的大当前6页，总共48页。小，使静态工作点位于LED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（9.11）

LED的数字调制原理图如图9.8（b）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LED的发光与否。模拟系统或数字系统都是通过控制流经LED电流的办法来达到调制输出光功率的目的。但由于二者功率和频率特性不同，对驱动与偏置电路也不同，下面分别加以讨论。当前7页，总共48页。（2）LED的模拟驱动与偏置电路在模拟系统中，对驱动电路的要求是提供一定的工作点偏置电流IB及足够的信号驱动电流△IB

，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-50~-30dB。但由于LED本身存在非线性失真，在高质量要求的信号传输（如广播电视传输）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9.20为一种简单而又具有高速特性的共发射极跨导式驱动器。它将基极电压转变为集电极电流以驱动LED。晶体管工作在甲类工作状态，调整基极偏置，使晶体管和LED都偏置在各自的线性区，并使静态集电极电流即LED的偏置电流当前8页，总共48页。IB＝Im/m。设Im＝22mA,m＝0.8，则IB＝30mA，工作电流范围为（30±24）mA；其频率响应大于100MHz。采用锗二极管和电阻与LED并联，在大电流时起分流作用，扩大驱动电流范围，提高LED的线性，该中路的谐波失真小于﹣45dB。图9.20LED模拟驱动电路当前9页，总共48页。（3）LED驱动电路中的补偿网络从LED调制特性可以知道，当系统传输电视图像时，LED本身的非线性将导致微分增益（DG）失真和微分相位（DP）失真。DG失真产生的原因是位于不同亮度电平上的副载波振幅的放大程度不同，表现为图像的彩色饱和度随亮度电平发生变化；DP失真是位于不同亮度电平上的副载波相位使相对于色同步的相位发生化，表现为彩色色调随亮度电平发生变化。目前制造的GaAlAsLED中，由于非线性造成的DG失真一般为5%~15%，最高达20%；DP失真一般为1°~5°，最高可达10°。在电视传输系统中，这两项指标的要求通常分别为1%和1°。因此，为了达到要求，在LED驱动电路中需要采取预补偿措施，以校正输出特性的非线性，如图9.21所示。TV信号经缓冲放大器后先进行DP预校正及DG预校正，再送到驱动器，驱动LED。当前10页，总共48页。

LED驱动电路中，利用预补偿网络中的非线性元件，使输入的电视信号得到和光源特性相反的非线性失真，从而抵消光源原来的非线性失真，使总的输出特性的非线性得到改善，如图9.22所示。实现图9.22的电路如图9.23所示，具有电路简单可调，补偿效果好等优点。该电路将DG和DP分别进行补偿，都是利用二极管网络的电阻随输入信号电平做非线性变化这一特性，对LED的非线性进行补偿。图9.21有预失真校正电路的发送机框图当前11页，总共48页。图9.22预失真补偿原理当前12页，总共48页。图9.23LED驱动电路的补偿网络当前13页，总共48页。图9.23（a）是DG预畸变网络。经该网络对DG进行预畸变后的1Vp-p，视频信号，再送到DP预畸变网络对DP进行补偿。图9.23（a）中的二极管D1~D3分别被偏置在电压V1~V2上，当视频信号导入时，BG的射极电位将随信号电平而变化，此时二极管D1~D3也将随信号电平的高低依次导通或截止，该中路增益为（9.12）式中，Re为射极电阻，当信号电平在最小值和最大值之间变化时，射极电阻Re将在最小值和最大值之间变化，对应的电路增益发生变化。这样，适当选择偏置电压V1、V2、V3及电阻Re1、Re2和Re3后，就可使不同亮度电平上的副载波幅度不当前14页，总共48页。随输入信号电平变化而变化，从而达到补偿目的，大大改善DG的失真。图9.23（b）是DP预畸变网络。它是一个由二极管组成的RC移相网络。D1和D2被偏置在不同电压V1和V2上，当由DG补偿网络来的信号电平变化时，BG的集电极电位发生变化，从而D1、D2将随信号电平的高低导通或截止。RC移相网络的相移为（9.13）式中，R为RC移相网络电阻，R随着输入信号电平的高低的变化而变化。因此，在彩色副载波频率f＝4.43MHz附近，适当调节偏压V1和V2，并选择合适的二极管D1和D2，使RC网络的相当前15页，总共48页。移特性正好与LED的相位特性相反，就可得到不同频率变化的总相移特性，达到补偿目的，从而改善DP的失真程度。（4）LED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的“开”、“关”电流。由于LED的特性曲线比较平直，温度对光功率的影响也不严重，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LED电容上的电荷。几种典型的LED数字驱动电路见图9.24所示。当前16页，总共48页。图9.24（a）为晶体管共射驱动电路，晶体管用做饱和开关，提供电流增益β，其两端的电压降较小，饱和压降Vce＝0.3V。电阻R2用以提供LED的驱动电流，通过LED的电流由Vce和R2决定，调节R2使之在50~300mA变化，基极电路中的R1C1并联组合用于加快导通速度，通过R3为LED提供偏置电流。为了提高LED的开关速度，常采用低阻抗电路，图9.24（b）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电容的LED上得到2.5ns的光上升时间，可传输100Mb/s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。R1C1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LED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。当前17页，总共48页。图9.24（c）为发射极耦合开关式驱动电路，可传输300Mb/s以上的数字信号。晶体管T1和T2是发射极耦合式开关，T3为恒流源。LED的驱动电流由恒流源决定。这种电路类似线性差分放大器，实际做开关用。由于它超越了线性范围工作，输入端过激励时，仍没有达到饱和，所以开关速率更高。图9.24（d）为高速LED驱动电路，R1C1用于脉冲的上下过冲整形，改善LED的脉冲响应，R2可改善脉冲下降时间。当LED为SLED时，可传输2Gb/s以上的数字信号。该电路的脉冲前后沿为0.35ns，预偏置为15mA，电流峰值为100mW。图9.25为TTL开关式驱动电路实例。当前18页，总共48页。(a)简单的共射极饱和开关电路(b)低阻抗射极跟随式驱动电路当前19页，总共48页。(c)发射极耦合开关式驱动电路(d)场效应管LED驱动电路图9.24LED数字驱动电路当前20页，总共48页。图9.25TTL开关式驱动电路当前21页，总共48页。3.LD的驱动电路由于LD一般用于高速率系统，且是阈值器件，它的温度稳定性较差，与LED相比，其调制问题要复杂得多，驱动条件的选择、调制电路的形式和工艺，都对调制性能至关重要。下面具体讨论LD驱动条件的选择，并说明调制电路的设计。（1）偏置电流和调制电流大小的选择采用直接调制方式时，偏置电流的选择直接影响LD的高速调制性质。选择直流预偏置电流应考虑以下几个方面：①加大直流偏置电流使其逼近阈值，可以大大减小电光延迟时间，同时使弛豫振荡得到一定程度的抑制。图9.26为LD无偏置和有偏置时脉冲瞬态波形和光谱。由图9.26中可以看出，由于LD加了足够的预偏置电流，调制电流脉冲幅度较当前22页，总共48页。小，预偏置后弛豫振荡大大减弱，谱线减少，光谱宽度变窄；另外，电光延迟的减小，也大大提高了调制速率。②当LD偏置电流在阈值电流附近时，较小的调制脉冲电流即能得到足够功率的输出光脉冲，从而可以大大减小码型效应。③加大直流偏置电流会使LD的消光比恶化。所谓消光比，是指LD在全“1”码时发送的光功率（P1）与全“0”码时分射的光功率（P0）之比，用dB表示为（9.14）当前23页，总共48页。图9.26LD无偏置和有偏置时脉冲瞬态波形和光谱当前24页，总共48页。从图9.15可以看出，LD发“0”码时工作在荧光区，发出荧光功率；发“1”码时工作在激光区，发激光功率。消光比又称为光脉冲的通断比。光源的消光比将直接影响接收机的灵敏度，为了不使接收机的灵敏度明显下降，消光比一般应大于10dB，如果LD的偏置电流IB过大，势必会使消光比恶化，降低接收机的灵敏度。通常取IB＝（0.85~0.9）Ith。驱动脉冲电流的峰―峰值I一般取Im＋IB=（1.2~1.3）Ith，以避免结发热和码型效应。结发热效应表现在阈值电流和输出光功率随结温的变化。稳态时，体现在其输出特性随温度的变化；瞬态时，调制电流Im的出现也会使结温发生一定波动，这种波动将引起阈值电流和输出光功率发生波动。在电流脉冲持续时间内，结温当前25页，总共48页。将随时间t的增加而增加，而输出光功率却随时间增加而减小；当电流脉冲过后，情况正好相反，结温随t减小，输出的光功率却随t增加，最后达到偏置电流的稳定值。因此，如果同一连续的脉冲电流去调制LD，而且脉冲电流的宽度足够宽，那么由于结的发热效应，光脉冲将出现调制失真。实验证明，当偏流逼近阈值，并适当选择调制电流幅度，对减小结发热效应有利。④实验证明，异质结LD的散粒噪声在阈值处出现最大值，如LD正好偏置在阈值上，散粒噪声的影响较严重。因此，偏置电流IB的选择，要兼顾电光延迟、弛豫振荡、码型效应、消光比以及散粒噪声等各方面情况，根据器件具体性能和系统的具体要求，适当的选择偏置电流的大小。由当前26页，总共48页。于LD的电阻较小，LD的偏置电路应是高阻恒流源。调制电流Im幅度的选择，应根据LD的特性曲线，既要有足够的输出光脉冲功率，又要考虑到光源的负担。考虑到某些LD在某些区域有自脉动现象发生，Im的选择应避开这些区域。（2）LD的直接调制电路

LD的直接调制电路有许多种，但概括起来有两类：一类是单管集电极驱动电路，另一类是射极耦合开关电路。图9.27为单管集电极驱动电路原理图。图中DT为驱动管，输出特性在放大区表现为恒流源，用集电极电流驱动光源，当电信号加在DT基极时，即可驱动集电极电路中的LD,使之输出的光功率随信号的变化而变化，DT工作在开关状态。当前27页，总共48页。图9.27单管集电极驱动电路原理图当前28页，总共48页。图9.28为射极耦合光发送驱动电路当前29页，总共48页。图9.28为射极耦合光发送驱动电路。图中晶体管BG2和BG3为发射极耦合对，组成非饱和电流选择开关。当BG2基极电位高于BG3基极电位时，BG2导通，恒流源的驱动电流Im全部流过BG2，故流过LD的电流为零。反之，当BG2基极电位低于BG3基极电位时，BG3导通，所有驱动电流都通过LD。电流开关的转换过程由输入数字信号转换成ECL电平来控制，ECL电平“1”码时，输出为﹣1.8V,“0”码时，输出为+0.8V，经过BG1和D1电平移动后加到BG2基极，而BG3基极电平固定在﹣2.6V，它由温度补偿的参考电平Vbb经BG4和D2电平移动得到。Vbb＝﹣1.31V是“1”码和“0”码电平的中间值。选择适当的输入电压，使晶体管不驱动到饱和状态，就能起到快速开关作用，同时恒流源可使开关噪声很小。当前30页，总共48页。（3）自动功率控制电路（APC）在使用中，LD结温的变化以及老化都会使Ith增大，量子效率下降，从而导致输出光脉冲的幅度发生变化。为了保证LD有稳定的输出光功率，需要有各种辅助电路，例如功率控制电路、温控电路、限流保护电路和各种告警电路等。光功率自动控制有许多方法，一是自动跟踪偏置电流，使LD偏置在最佳状态；二是峰值功率和平均功率的自动控制；三是P-I曲线效率控制法等。但最简单的办法是通过直接检测光功率控制偏置电流，用这种办法即可收到良好的效果。该办法是利用LD组件中的PIN光电二极管，监测LD背向输出光功率的大小，若功率小于某一额定值时，通过反馈电路后驱动电流增加，并达到额定输出功率值。反之，若光功率大于某一额定值，则使驱动电流减小，以保证LD输出功率基本上恒定不变。当前31页，总共48页。图9.29为某光通信系统中光发射机的APC电路，作为LD输出光功率自动控制的实例。该电路是通过控制LD偏置电流IB大小来保持输出光脉冲幅度的恒定。在运放的输入端，再生信号由输入信号再生处理后得到，它固定在﹣1~0V。LD组件中PIN管接收LD的背面输出光，它受到与正面输出光同样的温度及老化影响，从而可用来反馈控制LD输出光功率。该PIN产生的信号与直流参考比较后送到放大器的同相端，直流参考通过调节R1控制预偏置电流IB。调节R2使再生信号与PIN输出取得平衡，使IB保持恒定。当输出光功率产生变化时，平衡破坏，反馈偏置电路将自动调整IB，使输出功率恢复到原来的值，电路又恢复平衡状态。图中用R3C1构成LD的慢启动网络，当刚开启电源或有突发的电冲击时，由于电路的时间常数很大(约1ms),IB只能慢慢增大。这时，前面的控制电路首先进入稳定控制状态，然后IB缓慢增大，保护LD免受冲击。当前32页，总共48页。图9.29LD的偏置反馈APC电路当前33页，总共48页。（4）自动温度控制电路（ATC）温度变化引起LD输出光功率的变化，虽然可以通过APC电路进行调节，使输出光功率恢复正常值。但是，如果环境温度升高较多，经APC调节后，IB增大较多，则LD的结温因此也升高很多，致使Ith继续增大，造成恶性循环，从而影响了LD的使用寿命。因此，为保证LD长期稳定工作，必须采用自动温度控制电路（ATC）使LD的工作温度始终保持在20℃左右。LD的温度控制由微型制冷器、热敏元件及控制电路组成，如图9.30（a）所示。制冷器的冷端和LD的热沉接触，热敏电阻作为传感器，探测LD结区的温度，并把它传递给控制电路，通过控制电路改变制冷量，使LD结温保持恒定。当前34页，总共48页。微制冷器多采用半导体制冷器。它是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。当直流电流通过两种半导体组成的电偶时，出现一端吸热另一端放热的现象，这种现象称为珀尔帖效应。用若干对电偶串联或并联组成的温差电功能器件的温差控制可以达到30℃~40℃。图9.30（b）是ATC的电路框图。ATC电路主要由R1、R2、R3和负温度系数热敏电阻RT组成“换能”电桥，通过电桥把温度的变化转换为电量的变化。运算放大器A的差动输入端跨接在电桥的对端，用以改变三极管T的基极电流。在设定温度（例如20℃）时，调节R3使电桥平衡，A、B两点没有电位差，传输到运算放大器A的信号零，流过制冷器TEC的电当前35页，总共48页。流也为零。当环境温度升高时，LD的管芯和热沉温度也升高，使具有负温度系数的热敏电阻RT的阻值减小，电桥失去平衡。这时B点的电位低于A点的电位，运算放大器A的输出电压升高，V的基极电流增大，制冷器TEC的电流也增大，制冷端温度降低，热沉和管芯的温度也降低，因而保持温度恒定。（5）光源的保护及告警电路光源的保护是指保护光源不要因为外界因索而受到损害。光源的保护包括温度保护和电流保护两个方面。上面介绍的自动温度控制实际上也是温度保护。当前36页，总共48页。(a)温度控制电路框图(b)温度控制电路图9.30LD的温度控制(ATC)

电流保护包括电流接通时的保护、工作过程中的过流保护以及反向冲击电流保护等。电流接通时的保护是为了防止在系统开机接通电源瞬间，由于电路因素引起的冲击电流可当前37页，总共48页。能对LD造成的损坏。实际系统中LD的驱动部分与其他电路是共用一个电源.因此光源的偏置电流必须缓慢增加，以起到保护作用。

工作过程中为使光源不致因通过大电流而损坏，一般需对光源进行过流保护。过流保护的方法很多，基本思想是利用反馈控制使通过光源的电流不超过某一限定值，从而起到保护的作用。图9.31所示是LD的过流保护电路。为防止光源受到反向冲击电流或电压的破坏，一般在光源上并联一个肖特基二极管。这样当反向冲击电流或电压出现时，肖特基二极管迅速导通，就可以实现对光源的保护。当前38页，总共48页。图9.31光源的过流保护电路当前39页，总共48页。完整的光发射机除了上述各种控制、保护之外，还应包括告警电路，当光发送电路出现故障或工作不正常时，应及时发出相应的声、光告警信号，以便于工作人员维护。告警电路一般包括无光告警、寿命告警、温度告警等。

①无光告警电路当光发送机电路出现故障，或输人信号中断、或LD损坏时，都可能使LD长时间不发光。这时，无光告警电路都应动作，发出相应的声光告警信号。图9.32(a)所示为无光告警电路原理图。

当前40页，总共48页。②寿命告警电路随着使用时间的增长，LD阈值电流也将逐渐增大。当阈值电流增大到开始使用时的1.5倍时，就认为LD的寿命终止。由于IB≈Ith,所以寿命警告电路常采用监测电流IB的值来判断LD寿命是否终止。也就是说，当IB>1.5Ith0(Ith0为LD开始启用时的阈值电流)时寿告警电路就发出告警指示。图9.32(b)所示为寿命告警电路原理图。当前41页，总共48页。（a）无光告警电路（b）寿命告警电路图9.32告警电路原理图

当前42页，总共48页。4.光源的外调制技术

光的直接调制技术受到两方面的限制:一是调制信号速率，一般限于几个Gb/s;二是高速调制时频率啁啾使输出光信号的光谱加宽，接收机性能恶化。采用外调制技术，让调制电信号直接加在连续光载波上，可获得更好的调制特性及更高的调制速率。外调制技术通常采用晶体的电光、声光及磁光效应，其中用得最多的是采用LiNbO3晶体的电光效应—电光调制。电光调制器又分为体型及导

当前43页，总共48页。在考虑外调制器时，与直接调制方式一样，必须考虑许多设计参数和性能指标。外调制器主要考虑调制带宽、调制功率、光插入损耗、消光比、温度灵敏度、与光源及光纤的耦合效率、几何尺寸对调制性能的影响等。波型两类，外调制技术可以将调制速率提高一个数量级，即以10Gb/s(或10GHz)为标志。利用集成光路技术还可以将光源、调制器、方向耦合器、光开关等集成在一起成为集成光发射机。当前44页，总共48页。光发送机的主要技术指标