光发射机调制特性分析

内蒙古工业大学本科课程设计说明书 学校代码：学校代码：学号：本科课程设计说明书本科课程设计说明书（题目：光发射机调制特性分析题目：光发射机调制特性分析学生姓名：学院：理学院系别：物理系专业：电子信息科学与技术班级：指导教师：二〇一五年七月内蒙古工业大学课程设计（论文）任务书课程名称：光纤通信课程论文学院：理学院班级：电科学生姓名：___学号：_指导教师：一、题目光发射机调制特性分析二、目的与意义光发射机的功能是把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。光源是实现电/光转换的关键器件，但LD在高速脉冲调制下，其瞬态特性会出现电光延迟、张驰振荡等复杂现象，严重限制系统的传输速率和通信质量。三、要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等）1.分析光发射机的基本组成；2.理论分析光发射机的电光延迟、张驰振荡等现象；3.使用Optisystem软件仿真分析LD的调制特性。四、工作内容、进度安排1.准备阶段，文献查阅；（2～3）天2.研究方案设计，软件仿真；（3～5）天3.撰写课程论文；（2～3.5）天4.答辩阶段。（0.5～1）天五、主要参考文献[1]刘增基等编.光纤通信.西安:西安电子科技大学出版社.2008年1月.[2]原荣编.光纤通信[M].北京：电子工业出版社.2006年9月[3]王秋光等Optisystem仿真在光纤通信实验教学中的应用实验室科学2015.18(1):26-29[4]​田祥庆光纤通信系统中码型调制和性能监测技术的研究上海交通大学博士论文2007[5]李履信等编著光纤通信系统[M].北京：机械工业出版社.2003年7月审核意见系（教研室）主任（签字）指导教师下达时间年月日指导教师签字：_______________摘要本文主要研究了光发射机的调制特性，通过对光发射机组成的了解以及对光发射机的电光延迟、张驰振荡、自脉动现象理论分析后使用Optisystem软件仿真分析了LD的调制特性。光发射机的功能是把输入电信号转换为光信号，并用辗合技术把光信号最大眼度地注入光纤线路。光发射机由光源、驱动器和调制器组成，光源是光发射机的核心。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。当最高调制频率接近张弛振荡频率时，波形失真严重，会使光接收在抽样判决时增加误码率，因此实际使用的最高调制频率应低于张弛振荡频率。关键字：光发射机；光纤；电光延迟；张弛振荡AbstractThispapermainlystudiedthemodulationcharacteristicofopticaltransmitter,throughtheunderstandingofopticaltransmitterandopticaltransmitteroflightningdelay,relaxationoscillation,thepulsationphenomenonaftertheoreticalanalysisusingOptisystemsimulationsoftwaretoanalyzetheLDmodulationcharacteristis.Opticaltransmitteristhefunctionoftheinputsignalsintoopticalsignals,andruntheclosingtechniqueofopticalsignalsisthemostbigeyedegreesintoopticalfiberlinks.Opticaltransmitterconsistsoflightsource,driveandmodulator,lightsourceisthecoreoftheopticaltransmitter.Outputopticalpulseandaninitialdelaytimebetweeninjectioncurrentpulse,calledthelightningdelaytimetd,itsorderofmagnitudeforns.Aftertheinjectioncurrentpulselaser,theoutputopticalpulsecanappeargraduallydecayingoscillationamplitude,referredtoastherelaxationoscillation.Whenthehighestmodulationfrequencyclosetotherelaxationoscillationfrequency,waveformdistortionisserious,willincreasewhenthelightreceivingsamplingjudgmentber,sotheactualuseofthehighestmodulationfrequencyshouldbelowerthantherelaxationoscillationfrequency.Keyword：Opticaltransmitter;opticalfiber;lightningdelay;relaxationoscillation目录TOC引言 引言用光波传输电视信号和数据信息是20世纪末发展起来的一门新的科学技术，它的出现使世界信息产业得到了飞速发展，现在光纤传输技术正以超出人们想像的速度发展，其光传输速度比10年前提高了100倍，在今后的发展中估计还要提高100倍左右。随着光纤传输技术的不断发展，在光域上可进行复用、解复用、选路、交换，网络可利用光纤的巨大带宽资源，增加网络的容量，实现多种业务的“透明”传输。光传输系统主要由光发射机、光接收机、光分路器和光纤电缆及其它器件组成。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。光发射机是光缆传输系统的核心设备。它的作用是将输入光发射机的射频有线电视电信号进行光调制，实现电、光转换（E/O），并向光缆系统发送连续、稳定、可靠的光信号。现市场上销售的光发射机种类：按其调制方式不同，分为直接调制光发射机和外调制光发射机两种。直接调制光发射机多用于1310nm光纤系统，外调制光发射机多用于1550nm光纤系统。无论是直接调制还是外调制的光发射机，其核心部件是激光器组成。第一章光发射机光发射机的功能是把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。1.1光发射机的组成光发射机的组成，由于生产厂家的不同而不尽相同。我们这里仅从介绍光发射机的基本组成这个角度出发，给出光发射机的方框图，如图1-1所示。图1-1数字光发射机方框图[1]光发射机由输入电路和光发送电路组成。1.输入电路输入电路由输入接口电路与光线路码型变换电路组成。(1)输入接口输入接口是光端机的入口电路。PCM数字复用设备的输出信号经电缆连接到光端机的输入端。输入接口除了正常应该考虑信号幅度大小和阻抗外，特别应注意信号脉冲码型。PCM电端机输出码型(即光端机输入接口的接口码型)为双极性码，在光纤系统中不宜使用。所以，需在输入接口中将其变成适合于光纤线路中传输的单极性码。根据ITU规定，以2.048Mbit/s为基础的数字系列的码型为:一次群(2.048Mbit/s)、二次群(8.448Mbit/s)、三次群(34.368Mbit/s)PCM复用设备输出码型为HDB3码，四次群(139.264Mbit/s)输出码型为CMI码。如果接口码是HDB3码，则必须经过双/单变换，变成单极性的NRZ码。如接口码是CMI码，由于它本身就是二电平码，因此，不需要双/单变换。经短电缆连接的PCM信号，有一定的衰减。送入均放电路，自动进行均衡、放大。如果输入的PCM信号中断，由中断检测电路发出AIS全1码告警信号，加到线路侧，送至下游。为了发出AIS信号，在输入接口电路中备有时钟发生电路。输入接口电路将译码器后的NRZ信号以及提取的时钟信号，送至码型变换电路。所以，输入接口的作用是：将由PCM复用设备送来的已经被衰减及已畸变的波形进行均衡放大；将接口码型变为原来的二进制码；当输入PCM信号中断时发出告警信号。(2)线路码型变换出HDB3码译码后，二进制信号(NRZ)经扰码电路以增加信号的随机性，有利于收端定时提取，减小由图案噪声引起的系统抖动。经输入接口电路译码产生的NRZ码不直接送到光发送电路进行光驱动，而是要进行路码型变换．变成适合在光纤线路中传送的线路码型[2]。2．光发送电路光发送电路的主要作用是将经过线路编码的电信号对光源进行调制，即完成电/光变换，并从光源的尾纤送出光信号注入光纤线路。光纤通信对光源的要求（1）光源发射的峰值波长，应在光纤低损耗窗口之内；（2）有足够高的、稳定的输出光功率，以满足系统对光中继段距离的要求；（3）电光转换效率高，驱动功率低，寿命长，可靠性高；（4）单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高光源和光纤的耦合效率；（5）易于调制，响应速度快，以利于高速率、大容量数字信号的传输；（6）强度噪声要小，以提高模拟调制系统的信噪比；（7）光强对驱动电流的线性要好，以保证有足够多的模拟调制信道。光纤通信中最常用的光源是半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)。纵模（或单频）半导体激光器，在高速率、大容量的数字光纤系统中得到广泛应用。近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是多信道光纤通信系统的关键器件，越来越受到人们的关注[3]。3．调制电路和控制电路直接光强调制的数字光发射机主要电路有调制电路、控制电路和线路编码电路，采用激光器作光源时，还有偏置电路。对调制电路和控制电路的要求如下：（1）输出光脉冲的通断比(全“1”码平均光功率和全“0”码平均光功率的比值，或消光比的倒数)应大于10，以保证足够的光接收信噪比。（2）输出光脉冲的宽度应远大于开通延迟(电光延迟)时间，光脉冲的上升时间、下降时间和开通延迟时间应足够短，以便在高速率调制下，输出的光脉冲能准确再现输入电脉冲的波形。（3）对激光器应施加足够的偏置电流，以便抑制在较高速率调制下可能出现的张弛振荡，保证发射机正常工作。（4）应采用自动功率控制(APC)和自动温度控制(ATC)以保证输出光功率有足够的稳定性。4．线路编码电路线路编码之所以必要，是因为电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码，而光源不能发射负脉冲，所以要变换为适合于光纤传输的单极性码[1]。1.2对光发射机的要求（1）有合适的输出光功率光发射机的输出光功率，通常是指耦合进光纤的功率，亦称入纤功率。入纤功率越大，可通信的距离就越长，但光功率太大也会使系统工作在非线性状态，对通信将产生不良影响。因此．要求光源应有合适的光功率输出，一般在0.01mW—5mW。与此同时，要求输出光功率要保持恒定，在环境温度变化或器件老化的过程中稳定度要求在5％～10％。（2）有较好的消光比Ext消光比是这样定义的，即Ext=作为一个被调制的好的光源，希望在“0”码时没有光功率输出噪声，从而使接收机灵敏度降低。因此，一般要求Ext≤10％。（3）调制特性要好所谓调制特性好，即要求调制效率和调制频率要高，以满足大容量、高速率光纤通信系统的需要。目前一般认为LD管可以实现的最高调制频率为10GHz。实际上已有调制速率达20Gbit/s的报道[4]。除此之外，还要求电路尽量简单、成本低、光源寿命长等等。第二章光发射机的调制特性2.1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2-1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，其振荡频率fτ=(ωτ/2π)一般为0.5～2GHz。这些特性与激光器有源区的电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命以及注入电流初始偏差量有关。图2-1光脉冲瞬态响应波形张弛振荡和电光延迟的后果是限制调制速率。当最高调制频率接近张弛振荡频率时，波形失真严重，会使光接收在抽样判决时增加误码率，因此实际使用的最高调制频率应低于张弛振荡频率。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“1”码丢失，这种现象称为“码型效应”。如图2-2，在两个接连出现的“1”码中，第一个脉冲到来前，有较长的连“0”码，由于电光延迟时间长和光脉冲上升时间的影响，因此脉冲变小。第二个脉冲到来时，由于第一个脉冲的电子复合尚未完全消失，有源区电子密度较高，因此电光延迟时间短，脉冲较大。“码型效应”的特点是，在脉冲序列中较长的连“0”码后出现的“1”码，其脉冲明显变小，而且连“0”码数目越多，调制速率越高，这种效应越明显。用适当的“过调制”补偿方法，可以消除码型效应，见图2-2（c）所示。图2-2码型效应（a）、（b）码型效应波形；（c）改善后波形为了进一步了解激光器的调制特性，应求出LD速率方程组的瞬态解。由此得到的张弛振荡颇率以及其幅度衰减时间τo和电光延迟时间td的表达式为：ωτ＝（2.1）τo＝（2.2）td＝（2.3）式中，L是张弛振荡幅度衰减到初始值的1/e的时间，j和jth分别为注入电流密度和阈值电流密度。τsp和τph分别为电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命。在典型的激光器中，τsp≈s，τph≈s，即τapτph。由式（2.1）～（2.3）可以看到：（1）张弛振荡频率ωτ随τsp、τph的减小而增加，随j的增加而增加。这个振荡频率决定了LD的最高调制频率。（2）张弛振荡幅度衰减时间τo与τsp为相同数量级，并随j的增加而减小。（3）电光延迟时间td与τsp为相同数量级，并随j的增加而减小(j＞jth)。由此可见，增加注入电流j，有利于提高张弛振荡频率ωτ，减小其幅度衰减时间τo及减小电光延迟时间td，因此对LD施加偏置电流是非常必要的。2.2自脉动现象某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，当注入电流达到某个范围时，输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡，这种现象称为自脉动现象，如图3-3所示。自脉动频率可达2GHz，严重影响LD的高速调制待性。自脉动现象是激光器内部不均匀增益或不均匀吸收产生的，往往和LD的P-I曲线的非线性有关，自脉动发生的区域和P-I曲线扭折区域相对应。因此在选择激光器时应特别注意[1]。图2-3激光器自脉动现象第三章仿真分析LD的调制特性3.1仿真设计在高速光纤传输系统中，当对半导体激光器进行直接调制时，调制频率必须小于激光场的弛豫频率，而弛豫频率随半导体激光器的偏置电流的增大而增高。通过这一实验可以观察当偏置电流变化从而改变弛豫频率时，高速光纤传输系统的性能变化情况[1]。仿真模型如图3-1所示。在仿真模型中:Ith=33.45mA，τsp=1ns，τph=3ps，I0=IB=40mA，Sequencelength128bits，Samplesperbit512[5]。图3-1激光器的调制频率特性仿真模型3.2仿真结果在直接光强度调制下弛豫频率与有源区内的电子寿命和谐振腔内的光子寿命的关系如公式（3.1）。fres=（3.1）根据仿真模型设定的参数可以得到弛豫频率fres≈1.3GHz。图3给出了系统性能与调制频率的关系，调制频率为1.3GHz时如图3-2（a）所示，调制频率为5GHz时如图3-2（b）所示，从眼图看出当调制频率高于弛豫频率后，系统性能严重变坏。.（a）（b）图3-2调制频率对系统性能的影结论经过两周的长时间努力，我的课程设计终于顺利完成了。这是一次综合学习了解光发射机的过程。我了解和掌握了光发射机的组成、调制特性和使用Optisystem软件仿真分析了LD的调制特性，同时培养了在正确的设计思想和分析问题解决问题的能力，特别软件仿真的设计，学到了很多知识。这为我们将来的发展提供了更多的机会。经过这次课程设计，我深深地体会到严谨、认真、仔细、有耐心是一个工程设计人员必须具备的素质。

本文主要研究了光发射机的调制特性，通过对光发射机组成的了解以及对光发射机的电光延迟、张驰振荡、自脉动现象理论分析后使用Optisystem软件仿真分析了LD的调制特性。通过以上研究后得出了当最高调制频率接近张弛振荡频率时，波形失真严重，会使光接收在抽样判决时增加误码率，因此实际使用的最高调制频率应低于张弛振荡频率的结论。参考文献[1]刘增基，周洋溢，胡辽林等.光纤通信[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008[2]李履信等.光纤通信系统[M].北京：机械工业出版社.2003[3]原荣编.光纤通信[M].北京：电子工业出版社.2006[4]高炜烈，张金菊编.光纤通信[M].北京:人民邮电出版社,1999[5]王秋光等.Optisystem仿真在光纤通信实验教学中的应用.实验室科学2015.18(1):26-29谢辞通过这一阶段的努力，我的课程设计论文《光发射机调制特性分析》终于完成了。在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。

在本论文的写作过程中，杜云刚老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。

写作毕业论文是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新的学习生活的开始。由于水平有限及所学知识无限，在设计中难免有不少错误和不足之处，还请老师们批评指正。目录目录第一章总论 1一、项目概述 1二、可行性研究报告编制依据和范围 2三、项目主要经济技术指标 3四、******国家森林公园概况 3第二章项目背景及必要性 8一、项目背景 8二、项目建设的必要性与可行性 10第三章项目选址分析 13一、项目选址 13二、项目城市概况 13三、经济发展概况 14四、公共设施依托条件及施工条件 17第四章需求分析与建设规模 18一、****国家森林公园现状与存在问题分析 18二、****国家森林公园日容量预测 19三、****国家森林公园景区厕所需求面积分析 20四、****国家森林公园景区厕所建设规模的确定 20第五章项目建设方案 21一、景区厕所工程建设方案 21二、景区引水上山工程建设方案 27三、基础设施工程建设方案 32第六章环境保护与劳动卫生安全 34一、环境保护 34二、劳动卫生与安全