光纤通信第四章光发射机

第4章光发射机和光接收机4.1光发射机4.2光接收机4.1光发射机4.1.1光发射机基本组成和主要指标4.1.2光源的调制原理4.1.3光发射机及控制电路4.1.1光发射机基本组成和主要指标一、光发射机的基本组成光发送电路主要由驱动电路、发光器件、自动功率控制（APC）电路、自动温度控制（ATC）电路组成。其功能是将输入的电脉冲信号转换为输出光脉冲信号（即E/O转换）。光发射机基本组成框图驱动电路起调制作用，调制分为内调制（即直接调制）和外调制（即间接调制）。内调制是直接在光源上调制，系统结构较简单，广泛应用于通信系统中；外调制是在光输出通路上加调制器，对光源性能影响小，但系统结构复杂，目前尚未广泛应用。图中给出的驱动电路，是用输入电信号的大小来直接调制发光器件的发光强度，所以属于内调制。驱动电路的输入电脉冲信号和发光器件的输出光脉冲信号都要求是光纤码型信号；APC电路用来使光信号的功率稳定而不随外界条件变化；ATC电路用来使发光器件工作温度恒定。二、光发射机的主要性能指标1.平均发送光功率PT定义为正常工作条件下光发送电路输出的平均光功率。通常PT使用毫瓦分贝（dBm）单位，即平均发送光功率与光发送电路（驱动电路）的输入电脉冲信号幅度和码型有关。所以，离线测试时应在正常工作的注入电流条件下进行，并且测试信号使用伪随机码，以便尽可能接近实际情况。)(10)(lg1010)(lg1033dBmWPWPPTTT单位(mW)２．消光比（EX）定义为光发送电路输出全“1”码时的平均输出光功率P1与输出全“0”码时的平均输出光功率P0之比，即消光比应大于10，以保证足够的光接收信噪比。01lg10PPEX4.1.2光源的调制原理光源的两种调制方式DIM:电流注入式器件，发光和调制集中在结区，载流子光子作用关系复杂，影响腔的振荡特性，动态光谱展宽。外调制：电光、磁光、声光效应，发光与调制分开光源的直接调制LD数字调制过程的瞬态分析光电瞬态响应波形1．阶跃响应的瞬态分析激光器的瞬态过程2．速率方程组简化的速率方程组是基于下列条件提出的：（1）注入电流均匀恒定，即电流密度j为常数，电子和光子密度在腔内处处均匀，因而可以不考虑梯度场和漂移场的作用；（2）光子完全被介质波导限制在有源区中，不需要考虑侧向光场的漏出；（3）忽略非辐射复合的影响；（4）激光器在阈值之上单纵模振荡。在上述条件下，速率方程组可以简化为n(t)为有源区中自由电子密度；s(t)为有源区中光子密度；j为注入电流密度；e0为电子电荷；d为有源区厚度；Rsp为自发辐射速率；g(n)为增益函数，它与电子密度n的依赖关系由有源区的材料及掺杂决定；ph为光子寿命时间，指光子从谐振腔端面逸出或在腔内被吸收之前存在的平均时间；为自发发射进入激光模式的系数sp0ddntjRngnsttedspphddststgnstRnt3．速率方程组的解用小信号分析法求速率方程组的瞬态解可以得到小信号近似下速率方程组的瞬态解为ththnnnnnsssssggggg0expinnt0expisst对双异质结激光器，可以得到用表示张弛振荡的幅度衰减为初始值的1/e的时间，称之为张弛振荡的衰减时间。可知张弛振荡的衰减时间与自发辐射的寿命时间（sp）同一数量级，并随注入电流密度j的增加而减小；张弛振荡的角频率与ph和sp有关，并随注入电流密度的增加而升高；spth12jj1/2spphth11jj014．电光延迟时间在阈值以下，受激复合过程可以忽略，速率方程组可以写为由得到电光延迟时间为0spddnjnteddthsp00spsp0ddtnntnjedthdspsp00lnnnjted设直流预偏置电流密度为j0，由于直流偏置电流预先注入，当脉冲电流到来时，有源区里的电子密度已达到这时电光延迟时间为0sp00jned0mdspspthm0thlnlnjjjtjjjjjdspthlnjtjj利用速率方程组的稳态关系，上式可化简为光源的间接调制1．电光效应与电光调制器当把电压加到某些晶体上时，可能使晶体的折射率发生变化，结果引起通过该晶体的光波特性发生变化，晶体的这种性质称为电光效应。当晶体的折射率与外加电场幅度成线性变化时，称为线性电光效应，即普科尔（Pockel）效应；当晶体的折射率与外加电场幅度的平方成比例变化时，称为克尔（Kerr）效应。电光调制器主要利用普科尔效应。线性电光效应仅出现在具有反演对称的晶体中。对这样的晶体，电场E所引起的的线性变化为i=1，2，3，…，621in211ijjjirEn３用矩阵表示式中n为折射率，rij为电光系数。由电光系数组成的6×3矩阵称为电光张量。对于各类电光晶体，电光张量的元素可能有许多等于零。212211121321222312331323324142433251525346162632526111111nrrrnrrrErrrnErrrErrrnrrrnn＝电光相位调制器基本原理框图波导LiNbO3光输入已调光输出长度L电压M-Z（Mach-Zahnder）波导调制器2．磁光效应与磁光调制器磁光调制器原理图3．电吸收效应与电吸收调制器电吸收效应是利用Franz-keldysh效应和量子约束Stark效应产生材料吸收边界波长移动的效应。电吸收多量子阱MQW调制器是很有发展前途的调制器，它不仅具有低的驱动电压和低的啁啾特性，而且还可以与DFB激光器单片集成。MQW调制器实际上类似于半导体激光器的结构，它对光具有吸收作用。通常情况下，电吸收MQW调制器对发送波长是透明的，一旦加上反向偏压，吸收波长在向长波长移动的过程中产生光吸收。利用这种效应，在调制区加上零伏到负压之间的调制信号，就能对DFB激光器产生的光输出进行强度调制。DFB有源层N型N型衬底电极电压信号P型MQW叠层DFB区调制区电吸收MQW型调制器4．声光效应与声光调制器声波（主要指超声波）在介质中传播时会产生光弹性作用，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，然后加到声光晶体上。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。换能器声光介质光输入电压信号电极I－1－1级光强I0零级光强声光布拉格调制器原理框图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。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。4.1.3光发射机及控制电路激光器的实用组件激光器组件的内视图和外视图ThermoelectricCooler球差(sphericalaberration)光线透过球面透镜所产生的成像误差，单色光像差的一种。球面透镜上，远离光轴位置进入镜头的平行光线（边缘光线、远轴光线），入射角大，折射强，在光轴离镜头近处形成焦点；而离光轴近处进入镜头的平行光线（中心光线、近轴光线）折射弱，在光轴上离镜头远处形成焦点。由于平行光束在光轴上前后分散形成焦点，形成了弥散光斑（一定直径的模糊像），从而清晰度和解像力下降。数字光发射机的组成1．偏置电流I0和调制电流Im大小的选择主要考虑以下原则（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，提高频谱利用率和通信容量，并且在一定程度上抑制张弛振荡；（2）激光器偏置在阈值附近的另一好处是较小的调制电流就能获得足够大的输出光脉冲，I0和I0+Im值相差不大，从而削弱调制码型间的相互影响，减小码型效应；（3）由于偏置电流决定“0”码时的发光功率，I0上升意味着激光器的消光比恶化。EX太小灵敏度下降；（4）实验观察到异质结激光器的散粒噪声在阈值处常有一很陡的峰值，因此I0的选取应避开此峰值。但对数字光传输系统，光源的噪声对接收机影响不大。2．激光器的调制电路对激光器进行高速脉冲调制时，调制电路既要有快的开关速度，又要保持有良好的电流脉冲波形。因为不仅电流脉冲上升沿和下降沿的快慢会影响到光脉冲的响应速度，而且电流脉冲上升沿的过冲还会加剧光脉冲的张驰振荡。要做到这两点，不仅电路的设计是重要的，而且电路的工艺也同样重要，因为杂散电感和杂散电容会给高速脉冲电路带来不良影响。射极耦合LD驱动电路图V2V1Ib电流源Io－UEUinLD“0”码，V1导通，LD不发光；“1”码，V2导通，LD发光。三极管fT4.5GHz，调制速率达300MHz；动态范围小，功耗大3．激光器控制电路阈值变化引起的光输出变化外微分量子效率变化引起的光输出变化控制电路的作用，就是为了消除上述温度变化和器件老化带来的影响，给激光器提供稳定的工作环境。目前主要采取的措施有自动温度控制和自动功率控制。（1）自动温度控制（ATC）＋－R3R2＋VR1LDRtRcPIN组件－UAV1V2ATC原理电路Rc：半导体制冷器TECRt负温度系数T(环境)→T(LD、热沉)→RT→I(致冷器)→T(LD)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，其控制过程如下：PLD→UPD→(UPD++UR)→UA1→Ib→PLDinU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。反馈稳定LD驱动电路APC电路原理＋－RRC1PINLDLRGNDRV2RGNDRRRRRRC＋－A3RUEEGNDCRRRRGNDUEERCGNDGNDD＋－A2V4RUEERIbA1V3SqV1APC电路原理（2）自动功率控制（APC）习题1．一半导体激光器，阈值电流Ith=60mA，sp=4×10-9s，ph=2×10-12s，注入幅度为90mA的阶跃电流脉冲，求：（1）瞬态过程中张弛振荡的频率和衰减时间；（2）电光延迟时间。2.在LD的驱动电路里，为什么要设置功率自动控制电路APC？3.在LD的驱动电路里，为什么要设置温度自动控制电路？具体措施是什么？