光发射机.pptx
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1、本章目录本章目录4.1 4.1 光发射机光发射机4.2 4.2 光接收机光接收机4.3 4.3 线路编码线路编码数字光发射机和数字光接收机数字光发射机和数字光接收机4.1 光发射机光发射机功能功能电端机输出的数字基带电端机输出的数字基带电电电电信号转换为信号转换为光光光光信号信号用耦合技术用耦合技术注入注入注入注入光纤线路光纤线路用数字电信号对光源进行用数字电信号对光源进行调制调制调制调制4.1.1 光发射机的基本组成光发射机的基本组成数字光发射机数字光发射机主要有主要有光源光源和和电路电路两部分。两部分。光光源源是是实实现现电电/光光转转换换的的关关键键器器件件,在在很很大大程程度度上上决决
2、定定着着光光发发射射机机的性能。的性能。电路的设计应以电路的设计应以光源光源光源光源为依据,使为依据,使输出光信号输出光信号输出光信号输出光信号准确反映准确反映输入电信号。输入电信号。输入电信号。输入电信号。输入接口线路编码调制电路光源控制电路电信号输入电信号输入光信号输出光信号输出图图4.2 数字光发射机方框图数字光发射机方框图输入输入接口接口线路线路编码编码调制调制电路电路光光源源控制电路控制电路电信号输入电信号输入图图4.2 4.2 数字光发射机方框图数字光发射机方框图1.线路编码电路线路编码电路电电端端机机输输出出的的数数字字信信号号是是适适合合电电缆缆传传输输的的双双双双极极极极性性
3、性性码码码码,而而光光源源不不能能发发射射负负脉脉冲冲,要要变变换换为为适适合合于于光光纤纤传传输输的的单极性码单极性码单极性码单极性码输入输入接口接口线路线路编码编码调制调制电路电路光光源源控制电路控制电路电信号输入电信号输入图图4.2 4.2 数字光发射机方框图数字光发射机方框图直直接接调调制制是是对对光光源源的的驱驱动动电电流流调调制制,使使得得光光纤纤中中传传输输的的光光信信号号携带所需携带所需的信息的信息 直接调制电路的作用直接调制电路的作用LDLD的的性性能能对对温温度度非非常常敏敏感感,并并且且长长时时间间的的连连续续发发光光会会使使器器件件老老化化,控控制制电电路路就就是是用用
4、来来消消除除温温度度变变化化和和器器件件老老化化带带来来的的影影响响,给给激激光光器器提提供供稳稳定定的的工工作作环环境境。自自动动功功率率控控制制(APC)(APC)和和自自动动温温度度控控制制(ATC)(ATC)控制电路的作用控制电路的作用2.调制电路和控制电路调制电路和控制电路3.3.光源光源对通信用光源的要求如下对通信用光源的要求如下对通信用光源的要求如下对通信用光源的要求如下(1)(1)发发射射的的光光波波长长应应和和光光纤纤低低损损耗耗“窗窗口口”一一致致,即即中中心心波波长长应应在在0.85m、1.31m和和1.55m附附近近。光光谱谱单单色色性性要要好好,即即谱谱线线宽度要窄宽
5、度要窄,以减小光纤色散对带宽的限制。以减小光纤色散对带宽的限制。输入输入接口接口线路线路编码编码调制调制电路电路光光源源控制电路控制电路电信号输入电信号输入图图4.2 4.2 数字光发射机方框图数字光发射机方框图(3)(3)允允允允许许许许的的的的调调制制速速率率要要高高或或响响应应速速度度要要快快,以以满满足足系系统统的的大大传传输容量的要求。输容量的要求。(4)(4)器器件件应应能能在在常常温温下下以以连连续续波波方方式式工工作作,要要求求温温度度稳稳定定性性好好,可靠性高,寿命长。可靠性高,寿命长。(5)(5)此外,要求器件体积小,重量轻,安装使用方便,价格便宜。此外,要求器件体积小,重
6、量轻,安装使用方便,价格便宜。(2)(2)电电电电/光光光光转转转转换换换换效效效效率率率率要要高高,即即要要求求在在足足够够低低的的驱驱动动电电流流下下,有有足够大而稳定的输出光功率,且线性良好。足够大而稳定的输出光功率,且线性良好。发发射射光光束束的的方方方方向向向向性性性性要要要要好好好好,即即远远场场的的辐辐射射角角要要小小,以以利利于于提提高高光光源与光纤之间的源与光纤之间的耦合效率耦合效率耦合效率耦合效率。以以上上各各项项中中,调调制制速速率率、谱谱线线宽宽度度、输输出出光光功功率率和和光光束束方方向向性性,直直接接影影响响光光纤纤通通信信系系统统的的传传输输容容量量和和传传输输距
7、距离离,是是光源最重要的技术指标。光源最重要的技术指标。输出光信号输出光信号pItIin输入电信号输入电信号pI(a)LED数字调制原理输出光信号输出光信号输入电信号输入电信号IinIthIb(b)LD的数字调制原理 当激光器的驱动电流大于阈值电流当激光器的驱动电流大于阈值电流Ith时,时,输出光功率输出光功率P和驱动电流和驱动电流I基本上是基本上是线性关系线性关系线性关系线性关系 输出输出光功率光功率光功率光功率和和输入电流输入电流输入电流输入电流成正比,成正比,输出光信号反映输入电信号输出光信号反映输入电信号4.1.2 调制特性调制特性1 1、直接光强数字调制原理、直接光强数字调制原理 半
8、半导导体体激激光光器器是是光光纤纤通通信信的的理理想想光光源源,但但在在高高速速脉脉冲冲调调制制下下,其其瞬瞬态态特特性性仍仍会会出出现现许许多多复复杂杂现现象象,如如常常见见的的电电光光延延迟迟、张张弛弛振振荡荡和和自自脉脉动动现现象象。这这些些特特性性严严重重限限制制系系统统传传输输速速率率和和通通信信质质量量,因此在电路的设计时要给予充分考虑。因此在电路的设计时要给予充分考虑。2.电光延迟和张弛振荡电光延迟和张弛振荡电光延迟和张弛振荡电光延迟和张弛振荡现象现象半半导导体体激激光光器器在在高高速速脉脉冲冲调调制制下下,输输出出光光脉脉冲冲瞬瞬态态响响应波形如图应波形如图4.3所示。所示。图
9、 4.3 光脉冲瞬态响应波形 电脉冲电脉冲光脉冲光脉冲输出光脉冲和注输出光脉冲和注入电流脉冲之间入电流脉冲之间存在一个初始延存在一个初始延迟时间,称为迟时间,称为电电电电光延迟时间光延迟时间光延迟时间光延迟时间d,其数量级一般为其数量级一般为 nsns当电流脉冲注入激光器后,当电流脉冲注入激光器后,输出光脉冲会出现输出光脉冲会出现幅度逐幅度逐渐衰减的振荡渐衰减的振荡,称为称为张弛张弛张弛张弛振荡振荡振荡振荡,其振荡频率,其振荡频率fr(=r/2)一般为一般为0.52 GHz这些特性与激光器有源区的这些特性与激光器有源区的电子自发复合寿命电子自发复合寿命电子自发复合寿命电子自发复合寿命和和谐振腔
10、内光谐振腔内光谐振腔内光谐振腔内光子寿命子寿命子寿命子寿命以及以及注入电流初始偏差量注入电流初始偏差量注入电流初始偏差量注入电流初始偏差量有关。有关。电光延迟:电光延迟:当在当在PN结两端注入电流,会产生结两端注入电流,会产生“电子电子-空穴空穴”对,对,但是,只有当但是,只有当“电子电子-空穴空穴”对浓度达到一定数值后才会发生受对浓度达到一定数值后才会发生受激辐射,因此从注入电流,到有光信号输出,需要一段时间。激辐射,因此从注入电流,到有光信号输出,需要一段时间。张弛振荡张弛振荡张弛振荡张弛振荡和和电光延迟电光延迟电光延迟电光延迟的后果是的后果是限制调制速率限制调制速率限制调制速率限制调制速
11、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最高调制频最高调制频最高调制频率应低于张弛振荡频率率应低于张弛振荡频率率应低于张弛振荡频率率应低于张弛振荡频率。电光延迟电光延迟电光延迟电光延迟要产生码型效应码型效应当电光延迟时间与数字调制的码元持续时间当电光延迟时间与数字调制的码元持续时间T/2为相同数量级为相同数量级时,会使时,会使“0”码过后的第一个码过后的第一个“1码的脉冲宽度变窄,幅度码的脉冲宽度变窄,幅度减小,严重时可能使单
12、个减小,严重时可能使单个“”码丢失码丢失,这种现象称为这种现象称为“码码型效应型效应”。电脉冲电脉冲光脉冲光脉冲电光延迟时间过长电光延迟时间过长当第一个电流脉冲过后,存储在有源区的电荷以当第一个电流脉冲过后,存储在有源区的电荷以指数形式衰减指数形式衰减,回到初,回到初始状态有一个时间过程始状态有一个时间过程 spsp,如果调制速率很高,如果调制速率很高,脉冲间隔小于脉冲间隔小于 spsp ,会,会使第二个电流脉冲到来时,前一个电流脉冲注入的使第二个电流脉冲到来时,前一个电流脉冲注入的电荷并没有完全复合电荷并没有完全复合消失消失,有源区的存储电荷起到直流预偏置的作用,于是第二个光,有源区的存储电
13、荷起到直流预偏置的作用,于是第二个光脉冲延脉冲延迟时间减小,输出光脉冲的幅度和宽度增加迟时间减小,输出光脉冲的幅度和宽度增加。电流脉冲电流脉冲光脉冲光脉冲两个连两个连“1”1”的现象的现象“码型效应码型效应”的的特点是:特点是:在脉冲序列中较长的连在脉冲序列中较长的连“0”0”码后出现的码后出现的“1”1”码,其脉冲明显变小,而且连码,其脉冲明显变小,而且连“0”0”码码数目越多,调制速率越高,这种效应越明显。用适当的数目越多,调制速率越高,这种效应越明显。用适当的“过调制过调制”补偿方法,即补充一个负脉冲,可以消除码补偿方法,即补充一个负脉冲,可以消除码型效应型效应2ns(4.1)(4.2)
14、(4.3)式中,o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注入电流密度和阈值电流密度阈值电流密度。sp和ph分别为电子自发复合寿电子自发复合寿命命和谐振腔内光子寿命谐振腔内光子寿命。在典型的激光器中,sp109s,ph1012s,即spph。通过LD速率方程组的瞬态解得到的张张弛弛振振荡荡频频率率r及其幅幅度度衰衰减减时间时间o和电光延迟时间电光延迟时间td的表达式为:张弛振荡频率张弛振荡频率幅度衰减时间幅度衰减时间电光延迟时间电光延迟时间增加注入电流增加注入电流j,有利于提高张弛振荡频率,有利于提高张弛振荡频率r,减小其幅度衰减,减小其幅度衰减时间时间o,以及减
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