光纤通信第五版-调制

光端机光端机电端机电端机电信号输入电信号输出传输光路光纤通信系统的基本组成--1电/光光/电前端前端网卡电信号输入网卡电信号输出传输光路光纤通信系统的基本组成--2光发射机的功能电光变换---将信息从电信号“搬移”到高端电磁波（光）的电路组件,及完成为了适应光信号的有关信号变换(线路编码)输入的是双极性数字电信号(电压)，输出的是“有光”、“无光”或“光平”高低代表的数字信号(功率)在光通信系统中，可能的承载信息的参量有光的强度、光的频率、光的相位、光的偏振.现在成熟利用的光的参量是强度，偏振。光的调制可能的承载信息的参量:光的幅度：幅度调制和强度调制光的频率：频率调制光的相位：相位调制光的偏振：偏振调制光的量子态：量子态调制现在成熟利用的光的参量是强度调制幅度调制：光场的幅度与调制信号成比例只适用对单一谱线的幅度进行调制强度调制：光功率与调制信号成比例可适用对多条谱线同时进行的总功率调制强度调制分为直接强度调制（改变光源的电流）间接强度调制（外调制）幅度调制和强度调制“IM-DD”（强度调制-直接检测）是这样一种电路，其功能是将输入的数字电信号转化为用光的强度表征信息的数字光信号直接强度调制和外调制的区别线路编码驱动电路LD或LED控制电路电信号输入光信号直接调制的光发射机线路编码驱动电路LD或LED控制电路电信号输入光信号外调制器件间接调制的光发射机直接调制用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。这种方案技术简单，成本较低，容易实现。直接调制时,会引起激光器的谱线展宽,导致单模光纤色散增加,限制通信系统的容量。2.5Gb/s（10Gb/s）以下。外调制把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。适用高速系统2.5Gb/s（10Gb/s）以上。两种调制方式比较调制方式调制方法所利用的物理效应直接调制电流调制间接调制电光,声光.磁光,其它电光效应（普科尔、克尔效应）声光效应（Bragg衍射效应）磁光效应（法拉第旋光效应）自由载流子吸收、共振吸收间接调制（外调制）根据电光或声光晶体光波传输特性随电压或声压变化而变化的物理现象。☺电光调制：普科尔（克尔）效应—晶体的折射率与外加电场幅度成线性（非线性）变化。☺声光调制：声光（弹光）效应—被介质中弹性波衍射的光波的强度、频率、方向等都随超声场变化。（利用声光晶体）☺磁光调制：法拉第效应—外加磁场引起线偏振光偏振方向旋转。电光调制电折射调制器电折射调制器利用了晶体材料的电光效应，常用的晶体材料有：铌酸锂晶体（LiNbO3）、钽酸锂晶体（LiTaO3）和砷化镓（GaAs）。电光效应是指由外加电压引起的晶体的非线性效应，具体讲是指晶体的折射率发生了变化。当晶体的折射率与外加电场幅度成正比时，称为线性电光效应，即普克尔效应；当晶体的折射率与外加电场的幅度平方成正比变化时，称为克尔效应。电光调制主要采用普克尔效应。最基本的电折射调制器是电光相位调制器，它是构成其他类型的调制器如电光幅度、电光强度、电光频率、电光偏振等的基础。电光相位调制器的基本原理框图如图所示。电光相位调制器的基本原理框图波导LiNbO3光输入已调光输出长度L电压当一个Asin(ωt+Φ0)的光波入射到电光调制器（Z=0），经过长度为L的外电场作用区后，输出光场(Z=L)即已调光波为Asin(ωt+Φ0+ΔΦ)，相位变化因子ΔΦ受外电压的控制从而实现相位调制。两个电光相位调制器组合后便可以构成一个电光强度调制器。这是因为两个调相光波在相互叠加输出时发生了干涉，当两个光波的相位同相时光强最大，当两个光波的相位反相时光强最小，从而实现了外加电压控制光强的开和关的目标。声光布拉格调制器声波（主要指超声波）在介质中传播时会引起介质的折射率发生疏密变化，因此受超声波作用的晶体相当于形成了一个布拉格光栅，光栅的条纹间隔等于声波的波长。当光波通过此晶体介质时，光波将被介质中的光栅衍射，衍射光的强度、频率、相位、方向等随声波场而变化，这种效应称为声光效应。声光调制声光布拉格调制器由声光介质、电声换能器、吸声（反射）装置等组成。电压调制信号经过电声换能器转化为超声波，然后加到电光晶体上。电声换能器利用某些晶体(如石英、LiNbO3等)的压电效应，在外加电场的作用下产生机械振动形成声波。超声波使介质的折射率沿传播方向交替变化，当一束平行光束通过它时，由于声光效应产生的光栅使出射光束成为一个周期性变化的光波。声光布拉格调制器的原理框图如图所示。当声波频率较高且光波以一定的角度入射时，只出现零级和±1级衍射光。如果入射声波很强，则可以使入射光能几乎全部转移到零级或+1级或-1级的某一级衍射光上。声光布拉格调制器的原理框图换能器声光介质光输入电压信号电极I－1－1级光强I0零级光强光的调制根据调制信号种类的不同，分为模拟信号调制和数字信号调制模拟信号调制要求：线性性（非线性失真）信噪比数字信号调制要求消光比消光比输出脉冲光功率最大值Pmax和最小值Pmin的比值为消光比minmaxlg10PP实际的消光比η10dB消光比调制电流信号输出光功率脉冲IPIthI0PmaxPminIt直接调制光发射机电信号转化为光信号的这部分电路被称为光发射机。输出光强度严格按调制信号强度作线性变化。I调制电流信号输出光功率半导体激光器（LD）PPI发光二极管（LED）I调制电流信号输出光功率半导体激光器（LD）PLD的特点：工作电流超过阈值电流时才输出激光，是有阈值的器件。LD驱动电路：驱动LD光源器件发光必须是直流偏置电流Ib和信号电流Im共同作用的结果。PI发光二极管（LED）LED的特点：线性好，驱动电路不需要直流偏置调整电路；光功率随温度变化不大。LED驱动电路要求：提供所需的驱动电流及满足其动态变化的幅度和充分发挥调制速率的作用，即保证其输出光脉冲波形相应的速度。参考电平延时直流偏置电路延时LD的直流偏置电流延时接入法LD的直流偏置电流与调制电流分别延时接入法开机延时保护法LD的直流偏置电流限流保护法电阻限流保护法分流保护法LD的短期保护法LD的长期保护法自动温度控制，防止高温下长期工作防止数据中长连“0”或输入信号中断时长时间发射直流光监控进行控制防止光源对外界有所侵害直接调制光发射机的组成结构框图线路编码驱动电路LD或LED控制电路电信号输入光信号4.3.1激光器的驱动电路4.3.2激光器的控制电路4.3.3电源4.3.4光电集成模块(OEIC)光发射机S3028电平转换外部时钟19.44MHzSdata622MMax3669LD交流制冷电路温控一个优良的驱动电路应该满足以下条件：(1)能够提供较大的、(2)有足够快的响应速度，最好大于光源的驱动速度；(3)保证光源具有稳定的输出特性。激光器的驱动电路激光器的驱动电路偏置部分调制部分IbsIb0有用信号恒流源～I0Is偏置电路是一个有用信号电流（调制部分）与直流电流的相加电路。偏置电路要求：1.直流偏置电流接近激光器的阈值；2.偏置电流不能过大。I0tIstIt直流脉冲信号带直流基座的脉动信号三种信号形式直流偏置脉冲信号-VccI0IsItotel驱动电路原理I=Is+I0IsI0直流偏置脉冲信号-VccI0IsItotel驱动电路原理如果有两个电流源并联工作，那么总电流就等于这两个电流源电流之和电流源，内阻抗非常大的电源。偏置电路实现电流源的具体电路可以采用晶体管，因为晶体管工作在放大区时，其输出电阻值很大。差动放大电路恒流源恒流源调制电路要求：快的开关速度和保持良好的电流脉冲波形可以看做一个双掷开关，通过控制2个开关的开合，达到调制的目的。K1K2bceibicie恒流源的大小由Ib控制ceii恒流源的概念Ib大Ib小Uceic晶体管特性曲线恒流源输出的电流不随外界条件而变化差动放大电路差动放大电路差动放大电路又叫差分电路。差动放大电路不仅能够有效的放大直流信号，而且能有效的减小由于电源波动和晶体管随温度变化多引起的零点漂移，因而获得广泛的应用。特别是大量的应用于集成运放电路，常被用作多级放大器的前置级。基本差动放大电路由两个完全对称的共发射极单管放大电路组成。戴维南定理可将任一复杂的集总参数含源线性时不变二端网络等效为一个简单的二端网络的定理。1883年，由法国人L.C.戴维南提出。由于1853年德国人H.L.F.亥姆霍兹也曾提出过，因而又称亥姆霍兹－戴维南定理。对于任意含独立源,线性电阻和线性受控源的单口网络(二端网络),都可以用一个电压源与电阻相串联的单口网络(二端网络)来等效.驱动芯片3669内部结构激光器的控制电路温度控制激光器的阈值、发光功率、甚至于波长均与温度有关——稳定激光器的各项指标激光器是高发热器件，过高的结温将导致激光器损坏——保护激光器不损坏光功率控制温度控制温控原理激光器制冷器探测器QT图温度闭环控制电路放大温度控制热敏电阻温度检测电桥)]25(1[)(25TRTR+3VT+5V温度的变化热敏电阻阻值变化电压的变化平衡电桥放大控制制冷器的制冷电流控制温度温度控制半导体制冷器（帕尔帖元件）逆热电效应：电流产生两面的温度差+-冷面热面图帕尔帖元件温度控制开关方式线性方式温控电流驱动芯片DRV591最大可输出电流±3A，2.8-5.5V的低供电电压，精度高，发热小，具有过流过热保护。光功率控制为什么要光功率控制温度变化使光功率不稳定平均光功率不稳定带来的问题造成判决时脉冲的前后沿抖动光功率控制光功率控制原理激光器偏置电路光探测器IP去偏置电路比较电压设定电路原理图123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeCDate:20-Jun-2005SheetofFile:E:\O-RPR\622M\up_source(盛积业)4.13-2.ddbDrawnBy:A+5VA+5VA+5VA+5VBOUT1BOUT2N.C.3AOUT4AOUT5Vcc6BIN7AIN8CStrobe9GND10TTLVcc11DIN12N.C.13CIN14Vcc15DOUT16DOUT17COUT18COUT19ECLVcc20U12MC10H351REFCLNREFCLPR87130R9382R8982R86130R102330R101330R105100C320.1uC330.1uC340.1uC350.1uA+5VC4022u/10V1234JZ1JYOD5D5-20A+5VR104100A+5VPIN053PIN154PIN255PIN356PIN457PIN558PIN659PIN760POUT745PUOT644POUT543POUT441POUT340POUT239POUT137POUT036PICLK61PCLK62POCLK47FP35OOF33LOCKDE63DLEB32LLEB31TESTEN13TESTRS50BUSWID30RSTB48REFCLP14REFCLN15SDTTL22SEL03SEL14CAP110CAP211AGND5AGND8CGND9CGND12TXOGND19RXCGND29RXCGND51TTLGND34TTLGND42TXOGND2AVCC6AVCC7TXOVCC16RXCVCC26RXCVCC52TTLVCC38TTLVCC46TXCVCC1TSDP17TSDN18TSCLKP21TSCLKN20MODE4919MCK64RSDP24RSDN25RSCLKP27RSCLKN28SDRECL23U103028C410.01uFA+5VL6100uHL7100uHA+5VREFCLPREFCLNC420.47uC430.47uC440.1uC450.1u1243S12SWDIP-2A+5VR7733R7833R6633R6733R6