光纤通信课件刘增基-西安电子科技大学出版社4

第4章4.1光发射机4.2光接收机4.3线路编码返回主目录第4章光端机4.1光发射机数字光发射机的功能是把电端机输出的数字基带电信号转换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路，电/光转换是用承载信息的数字电信号对光源进行调制来实现的。调制分为直接调制和外调制两种方式。受调制的光源特性参数有功率、幅度、频率和相位。目前技术上成熟并在实际光纤通信系统得到广泛应用的是直接光强(功率)调制。图4.1(a)LED数字调制原理；(b)LD的数字调制原理4.1.1光发射机基本组成数字光发射机的方框图如图4.2所示，主要有光源和电路两部分。光源是实现电/光转换的关键器件，在很大程度上决定着光发射机的性能。电路的设计应以光源为依据，使输出光信号准确反映输入电信号。1.光源对通信用光源的要求如下：(1)发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，即中心波长应在0.85μm、1.31μm和1.55μm附近。光谱单色性要好，即谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。(2)电/光转换效率要高，即要求在足够低的驱动电流下，有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。发射光束的方向性要好，即远场的辐射角要小，以利于提高光源与光纤之间的耦合效率。(3)允许的调制速率要高或响应速度要快，以满足系统的大传输容量的要求。(4)器件应能在常温下以连续波方式工作，要求温度稳定性好，可靠性高，寿命长。(5)此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。以上各项中，调制速率、谱线宽度、输出光功率和光束方向性，直接影响光纤通信系统的传输容量和传输距离，是光源最重要的技术指标。目前，不同类型的半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)可以满足不同应用场合的要求2.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。3.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，线路编码的其它原因见4.3节所述。4.1.2调制特性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4.3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fr(=ωr/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4.3光脉冲瞬态响应波形td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，会使光接收机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”。“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4.4(c)所示图4.4码型效应（a)、(b)码效应波形；（c）改善后波形电脉冲光脉冲2ns5ns2ns(a)(b)(c)12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频率ωr及其幅度衰减时间τo和电光延迟时间td的表达式为：式中，τo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≈10-9s,τph≈10-12s，即τspτph。由式(4.1)~式(4.3)可以看到：21)]1(1[thphspjjwjjthspo2thspdjjjln(1)张弛振荡频率ωr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(jjth)。由此可见，增加注入电流j，有利于提高张弛振荡频率ωr，减小其幅度衰减时间τo，以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。121[(1)]spphthjwj2thospjjlndspthjjj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4.5所示。自脉动频率可达2GHz，严重影响LD的高速调制特性。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电脉冲光脉冲图4.5激光器自脉冲动现象4.1.3调制电路和自动功率控制数字信号调制电路应采用电流开关电路，最常用的是差分电流开关电路。图4.6示出由三极管组成的共发射极驱动电路，这种简单的驱动电路主要用于以发光二极管[WTBZ]LED作为光源的光发射机。这种驱动电路适用于10Mb/s以下的低速率系统，更高速率系统应采用差分电流开关电路。UCR2LEDC1R1UinV图4.6共发射极驱动电路图4.7是常用的射极耦合驱动电路，适合于激光器系统使用。电流源为由V1和V2组成的差分开关电路，它提供了恒定的偏置电流。当三极管截止频率fr≥4.5GHz时，这种电路的调制速率可达300Mb/s。射极耦合电路为恒流源，电流噪声小，这种电路的缺点是动态范围小，功耗较大。V2V1Ib电流源Io－UEUinLD图4.7射极耦合LD驱动电路图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，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。V2V1电流源IoUin＋UV3－＋A1CIbRf信号参考UR输出监测PD检测器LDUB1UA1Uin一个更加完善的自动功率控制(APC)电路如图4.9所示。从LD背向输出的光功率，经PD检测器检测、运算放大器A1放大后送到比较器A3的反相输入端。同时，输入信号参考电压和直流参考电压经A2比较放大后，送到A3的同相输入端。A3和V3组成直流恒流源调节LD的偏流，使输出光功率稳定。V2V1信号参考Uin－＋A1－＋A2－＋A3PD直流参考－U－UV3IbLD4.1.4温度特性和自动温度控制1.激光器的温度特性激光器的温度特性在3.1节已经讨论过，温度对激光器输出光功率的影响主要通过阈值电流Ith和外微分量子效率ηd产生。图4.10(a)和(b)分别示出温度通过阈值电流和外微分量子效率引起的输出光脉冲的变化：温度升高，阈值电流增加，外微分量子效率减小，输出光脉冲幅度下降。图4.10(a)阈值电流变化引起的光输出的变化；(b)外微分量子效率变化引起的光输出的变化电流脉冲光脉冲t＝0t＝TI1I0温度对输出光脉冲的另一个影响是“结发热效应”即使环境温度不变，由于调制电流的作用，引起激光器结区温度的变化，因而使输出光脉冲的形状发生变化，这种效应称为“结发热效应”。“结发热效应”将引起调制失真。与调制速率对激光器瞬态特性的影响相反，低调制速率的“结发热效应”更加明显。这是因为随着调制速率的提高，码元时间间隔缩短，使结区温度来不及发生变化。图4.11结发热效应2.自动温度控制温度控制装置一般由致冷器、热敏电阻和控制电路组成，图4.12示出温度控制装置的方框图。致冷器的冷端和激光器的热沉接触，热敏电阻作为传感器，探测激光器结区的温度，并把它传递给控制电路，通过控制电路改变致冷量，使激光器输出特性保持恒定。激光器致冷器热敏电阻控制电路热导图4.12温度控制方框图图4.13示出自动温度控制(ATC)电路原理图。由R1、R2、R3和热敏电阻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V的基极电流。－＋AR4TECtRTLDPIN24681357＋UR1R2R3BA＋UV4.13ATC电路原理在设定温度(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的信号为零，流过致冷器TEC的电流也为零。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，致冷器TEC的电流也增大致冷端温度降低，热沉和管芯的温度也降低，因而保持温度恒定。这个控制过程可以表示如下：T(环境)→T(LD、热沉)→RT→I(致冷器)→T(LD)ATC的致冷器和热敏电阻以及APC的PIN-PD封装在LD管壳内构成的组件如图4.18所示。4.2光接收机4.2.1光接收机基本组成直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机方框图示于图4.14，主要包括光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电路。光检测器偏压控制前置放大器AGC电路均衡器判决器时钟提取再生码流主放大器光信号图4.14数字光接收机方框图1.光检测器光检测器是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。对光检测器的要求如下：(1)波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85μm、1.31μm和1.55μm)兼容；(2)响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生最大的光电流；(3)噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号；(4)性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。2.放大器前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。前放的噪声取决于放大器的类型，目前有三种类型的前放可供选择(参看4.2.2节)。主放大器一般是多级放大器，它的作用是提供足够的增益，并通过它实现自动增益控制(AGC)，以使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。3.均衡和再生均衡的目的是对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变(失真)的电信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决(一般用具有升余弦谱的码元脉冲波形)，以消除码间干扰，减小误码率。再生电路包括判决电路和时钟提取电路，它的功能是从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个地对码元波形进行取样判决，以得到原发送的码流。4.光电集成接收机图4.14中除光检测器以外的所有元件都是标准的电子器件，很容易用标准的集成电路(IC)技术将它们集成在同一芯片上。不论是硅(Si)还是砷化镓(GaAs)IC技术都能够使集成电路的工作带宽超过2GHz，甚至达到10GHz。为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力开发单片光接收机，即用“光电集成电路(OEIC)技术”在同一芯片上集成包括光检测器在内的全部元件。这样的完全集成对于GaAs