（優選）第九章光纖通信技術現在是1頁\一共有48頁\編輯于星期五9.2.4光發送機在光纖通信系統中光發射機主要有調制電路和控制電路組成，如圖9.19所示。光發射機中，輸入電路將電端機輸出的電信號變換成適合光纖通信的電信號后，通過驅動電路調制光源（直接調制），或送到光調制器調制光源輸出的連續光波（外調制）。對于直接調制方式，驅動電路需給光源加一直流偏置；而外調制方式中光源的驅動為恒定電流，以保證光源輸出連續光波。自動偏置和自動溫度控制電路是為了穩定輸出的平均光功率和工作溫度。此外，光發射機中還有報警電路，用以檢測和報警光源的工作狀態。現在是2頁\一共有48頁\編輯于星期五圖9.19光發射機概圖現在是3頁\一共有48頁\編輯于星期五本節首先簡要介紹光載波的調制方式，然后著重介紹光源的驅動和控制電路。

1.光波的調制在光纖通信系統中，把隨信息變化的電信號加到光載波上，使光載波按信息的變化而變化，稱為光波的調制。從本質上講，光載波調制和無線電波載波調制一樣，使光波攜帶信息的光參量可以有振幅、強度、頻率、相位和偏振等，也即有相應的調幅、調強、調頻、調相、調偏等多種調制方式。但為了便于解調，在光頻段多采用光的強度調制方式。從調制方式與光源的關系上來分，強度調制的方法有兩種：直接調制和外調制。直接調制是用電信號直接調制光源器件的偏置電流，使光源發出的光功率隨信號而變化；外調現在是4頁\一共有48頁\編輯于星期五制一般是基于電光、磁光、聲光效應，讓光源輸出的連續光載波通過光調制器，光信號通過光調制器實現對連續光載波的調制。光源直接調制的優點是簡單、經濟、容易實現，但調制速率受載流子壽命及高速率下的性能退化的限制（頻率啁啾）。外調制方式需要光調制器，結構復雜，但可獲得優良的調制性能，特別適合高速率光通信系統。從調制信號的形式來分，光調制又分為模擬調制和數字調制。模擬調制又可分為兩類，一類是利用模擬基帶信號直接對光源進行調制；另一類采用連續或脈沖的射頻波做副載波，模擬基帶信號先對它進行調制，再用該已調制的副載波去調制光載波。由于模擬調制的調制速率較低，均使用直接調制方式。數字調制主要指脈沖編碼調制（PCM）。先將連現在是5頁\一共有48頁\編輯于星期五續的模擬信號進行抽樣、量化、編碼，轉化成一組二進制脈沖代碼，然后對光信號進行通斷調制。數字調制也可使用直接調制和外調制。

2.LED的驅動電路在小型模擬或低速、短距離數字光纖通信系統中，可以來用LED作為系統光源。但不論哪種通信系統，用LED做光源時，均采用直接強度調制方式，即通過改變LED的注入電流調制輸出光功率。下面分別介紹模擬系統及數字系統的LED驅動電路。（1）LED的直接調制原理與電路圖9.8（a）為對LED進行模擬調制的原理圖。連續的模擬信號電流量加在直流偏置電流IB上，適當選擇直流偏置的大現在是6頁\一共有48頁\編輯于星期五小，使靜態工作點位于LED特性曲線線性段的中點，可以減小光信號的非線性失真。調制線性的好壞取決于調制深度m。設調制電流幅值為△I，偏置電流為IB

，則（9.11）

LED的數字調制原理圖如圖9.8（b）所示。信號電流為單向二進制數字信號，用單向脈沖電流的“有”、“無”（“1”碼和“0”碼）控制LED的發光與否。模擬系統或數字系統都是通過控制流經LED電流的辦法來達到調制輸出光功率的目的。但由于二者功率和頻率特性不同，對驅動與偏置電路也不同，下面分別加以討論。現在是7頁\一共有48頁\編輯于星期五（2）LED的模擬驅動與偏置電路在模擬系統中，對驅動電路的要求是提供一定的工作點偏置電流IB及足夠的信號驅動電流△IB

，以使光源能夠輸出足夠的功率，并使其輸出功率隨輸入信號線性變化，非線性失真小。產生的非線性失真必須低于-50~-30dB。但由于LED本身存在非線性失真，在高質量要求的信號傳輸（如廣播電視傳輸）中，還需要線性補償電路。LED對溫度不很敏感，因此驅動電路中一般不采用復雜的自動功率控制（APC）和自動溫度控制（ATC）電路，較LD的驅動電路簡單得多。圖9.20為一種簡單而又具有高速特性的共發射極跨導式驅動器。它將基極電壓轉變為集電極電流以驅動LED。晶體管工作在甲類工作狀態，調整基極偏置，使晶體管和LED都偏置在各自的線性區，并使靜態集電極電流即LED的偏置電流現在是8頁\一共有48頁\編輯于星期五IB＝Im/m。設Im＝22mA,m＝0.8，則IB＝30mA，工作電流范圍為（30±24）mA；其頻率響應大于100MHz。采用鍺二極管和電阻與LED并聯，在大電流時起分流作用，擴大驅動電流范圍，提高LED的線性，該中路的諧波失真小于﹣45dB。圖9.20LED模擬驅動電路現在是9頁\一共有48頁\編輯于星期五（3）LED驅動電路中的補償網絡從LED調制特性可以知道，當系統傳輸電視圖像時，LED本身的非線性將導致微分增益（DG）失真和微分相位（DP）失真。DG失真產生的原因是位于不同亮度電平上的副載波振幅的放大程度不同，表現為圖像的彩色飽和度隨亮度電平發生變化；DP失真是位于不同亮度電平上的副載波相位使相對于色同步的相位發生化，表現為彩色色調隨亮度電平發生變化。目前制造的GaAlAsLED中，由于非線性造成的DG失真一般為5%~15%，最高達20%；DP失真一般為1°~5°，最高可達10°。在電視傳輸系統中，這兩項指標的要求通常分別為1%和1°。因此，為了達到要求，在LED驅動電路中需要采取預補償措施，以校正輸出特性的非線性，如圖9.21所示。TV信號經緩沖放大器后先進行DP預校正及DG預校正，再送到驅動器，驅動LED。現在是10頁\一共有48頁\編輯于星期五

LED驅動電路中，利用預補償網絡中的非線性元件，使輸入的電視信號得到和光源特性相反的非線性失真，從而抵消光源原來的非線性失真，使總的輸出特性的非線性得到改善，如圖9.22所示。實現圖9.22的電路如圖9.23所示，具有電路簡單可調，補償效果好等優點。該電路將DG和DP分別進行補償，都是利用二極管網絡的電阻隨輸入信號電平做非線性變化這一特性，對LED的非線性進行補償。圖9.21有預失真校正電路的發送機框圖現在是11頁\一共有48頁\編輯于星期五圖9.22預失真補償原理現在是12頁\一共有48頁\編輯于星期五圖9.23LED驅動電路的補償網絡現在是13頁\一共有48頁\編輯于星期五圖9.23（a）是DG預畸變網絡。經該網絡對DG進行預畸變后的1Vp-p，視頻信號，再送到DP預畸變網絡對DP進行補償。圖9.23（a）中的二極管D1~D3分別被偏置在電壓V1~V2上，當視頻信號導入時，BG的射極電位將隨信號電平而變化，此時二極管D1~D3也將隨信號電平的高低依次導通或截止，該中路增益為（9.12）式中，Re為射極電阻，當信號電平在最小值和最大值之間變化時，射極電阻Re將在最小值和最大值之間變化，對應的電路增益發生變化。這樣，適當選擇偏置電壓V1、V2、V3及電阻Re1、Re2和Re3后，就可使不同亮度電平上的副載波幅度不現在是14頁\一共有48頁\編輯于星期五隨輸入信號電平變化而變化，從而達到補償目的，大大改善DG的失真。圖9.23（b）是DP預畸變網絡。它是一個由二極管組成的RC移相網絡。D1和D2被偏置在不同電壓V1和V2上，當由DG補償網絡來的信號電平變化時，BG的集電極電位發生變化，從而D1、D2將隨信號電平的高低導通或截止。RC移相網絡的相移為（9.13）式中，R為RC移相網絡電阻，R隨著輸入信號電平的高低的變化而變化。因此，在彩色副載波頻率f＝4.43MHz附近，適當調節偏壓V1和V2，并選擇合適的二極管D1和D2，使RC網絡的相現在是15頁\一共有48頁\編輯于星期五移特性正好與LED的相位特性相反，就可得到不同頻率變化的總相移特性，達到補償目的，從而改善DP的失真程度。（4）LED的數字驅動電路

LED的數字驅動電路主要應用于二進制數字信號，驅動電路應能提供幾十至幾百毫安的“開”、“關”電流。由于LED的特性曲線比較平直，溫度對光功率的影響也不嚴重，碼速不高時，可以不加偏置；但在高碼速時，需加小量的正向偏置電流，有利于保持LED電容上的電荷。幾種典型的LED數字驅動電路見圖9.24所示。現在是16頁\一共有48頁\編輯于星期五圖9.24（a）為晶體管共射驅動電路，晶體管用做飽和開關，提供電流增益β，其兩端的電壓降較小，飽和壓降Vce＝0.3V。電阻R2用以提供LED的驅動電流，通過LED的電流由Vce和R2決定，調節R2使之在50~300mA變化，基極電路中的R1C1并聯組合用于加快導通速度，通過R3為LED提供偏置電流。為了提高LED的開關速度，常采用低阻抗電路，圖9.24（b）中的達林頓結構，因高電流增益，降低了輸出阻抗。這一電路可從具有180pF電容的LED上得到2.5ns的光上升時間，可傳輸100Mb/s的數字信號。但由于發射極輸出的負載不是純電阻，可能使電路發生振蕩。R1C1并聯串接于發射極電路，組成發射極跟隨電路，提供電壓階躍，以補償驅動電流開始時，對LED電容充電所造成的光驅動電流的下降，從而使驅動器可工作在高碼速情況下。現在是17頁\一共有48頁\編輯于星期五圖9.24（c）為發射極耦合開關式驅動電路，可傳輸300Mb/s以上的數字信號。晶體管T1和T2是發射極耦合式開關，T3為恒流源。LED的驅動電流由恒流源決定。這種電路類似線性差分放大器，實際做開關用。由于它超越了線性范圍工作，輸入端過激勵時，仍沒有達到飽和，所以開關速率更高。圖9.24（d）為高速LED驅動電路，R1C1用于脈沖的上下過沖整形，改善LED的脈沖響應，R2可改善脈沖下降時間。當LED為SLED時，可傳輸2Gb/s以上的數字信號。該電路的脈沖前后沿為0.35ns，預偏置為15mA，電流峰值為100mW。圖9.25為TTL開關式驅動電路實例。現在是18頁\一共有48頁\編輯于星期五(a)簡單的共射極飽和開關電路(b)低阻抗射極跟隨式驅動電路現在是19頁\一共有48頁\編輯于星期五(c)發射極耦合開關式驅動電路(d)場效應管LED驅動電路圖9.24LED數字驅動電路現在是20頁\一共有48頁\編輯于星期五圖9.25TTL開關式驅動電路現在是21頁\一共有48頁\編輯于星期五3.LD的驅動電路由于LD一般用于高速率系統，且是閾值器件，它的溫度穩定性較差，與LED相比，其調制問題要復雜得多，驅動條件的選擇、調制電路的形式和工藝，都對調制性能至關重要。下面具體討論LD驅動條件的選擇，并說明調制電路的設計。（1）偏置電流和調制電流大小的選擇采用直接調制方式時，偏置電流的選擇直接影響LD的高速調制性質。選擇直流預偏置電流應考慮以下幾個方面：①加大直流偏置電流使其逼近閾值，可以大大減小電光延遲時間，同時使弛豫振蕩得到一定程度的抑制。圖9.26為LD無偏置和有偏置時脈沖瞬態波形和光譜。由圖9.26中可以看出，由于LD加了足夠的預偏置電流，調制電流脈沖幅度較現在是22頁\一共有48頁\編輯于星期五小，預偏置后弛豫振蕩大大減弱，譜線減少，光譜寬度變窄；另外，電光延遲的減小，也大大提高了調制速率。②當LD偏置電流在閾值電流附近時，較小的調制脈沖電流即能得到足夠功率的輸出光脈沖，從而可以大大減小碼型效應。③加大直流偏置電流會使LD的消光比惡化。所謂消光比，是指LD在全“1”碼時發送的光功率（P1）與全“0”碼時分射的光功率（P0）之比，用dB表示為（9.14）現在是23頁\一共有48頁\編輯于星期五圖9.26LD無偏置和有偏置時脈沖瞬態波形和光譜現在是24頁\一共有48頁\編輯于星期五從圖9.15可以看出，LD發“0”碼時工作在熒光區，發出熒光功率；發“1”碼時工作在激光區，發激光功率。消光比又稱為光脈沖的通斷比。光源的消光比將直接影響接收機的靈敏度，為了不使接收機的靈敏度明顯下降，消光比一般應大于10dB，如果LD的偏置電流IB過大，勢必會使消光比惡化，降低接收機的靈敏度。通常取IB＝（0.85~0.9）Ith。驅動脈沖電流的峰―峰值I一般取Im＋IB=（1.2~1.3）Ith，以避免結發熱和碼型效應。結發熱效應表現在閾值電流和輸出光功率隨結溫的變化。穩態時，體現在其輸出特性隨溫度的變化；瞬態時，調制電流Im的出現也會使結溫發生一定波動，這種波動將引起閾值電流和輸出光功率發生波動。在電流脈沖持續時間內，結溫現在是25頁\一共有48頁\編輯于星期五將隨時間t的增加而增加，而輸出光功率卻隨時間增加而減小；當電流脈沖過后，情況正好相反，結溫隨t減小，輸出的光功率卻隨t增加，最后達到偏置電流的穩定值。因此，如果同一連續的脈沖電流去調制LD，而且脈沖電流的寬度足夠寬，那么由于結的發熱效應，光脈沖將出現調制失真。實驗證明，當偏流逼近閾值，并適當選擇調制電流幅度，對減小結發熱效應有利。④實驗證明，異質結LD的散粒噪聲在閾值處出現最大值，如LD正好偏置在閾值上，散粒噪聲的影響較嚴重。因此，偏置電流IB的選擇，要兼顧電光延遲、弛豫振蕩、碼型效應、消光比以及散粒噪聲等各方面情況，根據器件具體性能和系統的具體要求，適當的選擇偏置電流的大小。由現在是26頁\一共有48頁\編輯于星期五于LD的電阻較小，LD的偏置電路應是高阻恒流源。調制電流Im幅度的選擇，應根據LD的特性曲線，既要有足夠的輸出光脈沖功率，又要考慮到光源的負擔。考慮到某些LD在某些區域有自脈動現象發生，Im的選擇應避開這些區域。（2）LD的直接調制電路

LD的直接調制電路有許多種，但概括起來有兩類：一類是單管集電極驅動電路，另一類是射極耦合開關電路。圖9.27為單管集電極驅動電路原理圖。圖中DT為驅動管，輸出特性在放大區表現為恒流源，用集電極電流驅動光源，當電信號加在DT基極時，即可驅動集電極電路中的LD,使之輸出的光功率隨信號的變化而變化，DT工作在開關狀態。現在是27頁\一共有48頁\編輯于星期五圖9.27單管集電極驅動電路原理圖現在是28頁\一共有48頁\編輯于星期五圖9.28為射極耦合光發送驅動電路現在是29頁\一共有48頁\編輯于星期五圖9.28為射極耦合光發送驅動電路。圖中晶體管BG2和BG3為發射極耦合對，組成非飽和電流選擇開關。當BG2基極電位高于BG3基極電位時，BG2導通，恒流源的驅動電流Im全部流過BG2，故流過LD的電流為零。反之，當BG2基極電位低于BG3基極電位時，BG3導通，所有驅動電流都通過LD。電流開關的轉換過程由輸入數字信號轉換成ECL電平來控制，ECL電平“1”碼時，輸出為﹣1.8V,“0”碼時，輸出為+0.8V，經過BG1和D1電平移動后加到BG2基極，而BG3基極電平固定在﹣2.6V，它由溫度補償的參考電平Vbb經BG4和D2電平移動得到。Vbb＝﹣1.31V是“1”碼和“0”碼電平的中間值。選擇適當的輸入電壓，使晶體管不驅動到飽和狀態，就能起到快速開關作用，同時恒流源可使開關噪聲很小。現在是30頁\一共有48頁\編輯于星期五（3）自動功率控制電路（APC）在使用中，LD結溫的變化以及老化都會使Ith增大，量子效率下降，從而導致輸出光脈沖的幅度發生變化。為了保證LD有穩定的輸出光功率，需要有各種輔助電路，例如功率控制電路、溫控電路、限流保護電路和各種告警電路等。光功率自動控制有許多方法，一是自動跟蹤偏置電流，使LD偏置在最佳狀態；二是峰值功率和平均功率的自動控制；三是P-I曲線效率控制法等。但最簡單的辦法是通過直接檢測光功率控制偏置電流，用這種辦法即可收到良好的效果。該辦法是利用LD組件中的PIN光電二極管，監測LD背向輸出光功率的大小，若功率小于某一額定值時，通過反饋電路后驅動電流增加，并達到額定輸出功率值。反之，若光功率大于某一額定值，則使驅動電流減小，以保證LD輸出功率基本上恒定不變。現在是31頁\一共有48頁\編輯于星期五圖9.29為某光通信系統中光發射機的APC電路，作為LD輸出光功率自動控制的實例。該電路是通過控制LD偏置電流IB大小來保持輸出光脈沖幅度的恒定。在運放的輸入端，再生信號由輸入信號再生處理后得到，它固定在﹣1~0V。LD組件中PIN管接收LD的背面輸出光，它受到與正面輸出光同樣的溫度及老化影響，從而可用來反饋控制LD輸出光功率。該PIN產生的信號與直流參考比較后送到放大器的同相端，直流參考通過調節R1控制預偏置電流IB。調節R2使再生信號與PIN輸出取得平衡，使IB保持恒定。當輸出光功率產生變化時，平衡破壞，反饋偏置電路將自動調整IB，使輸出功率恢復到原來的值，電路又恢復平衡狀態。圖中用R3C1構成LD的慢啟動網絡，當剛開啟電源或有突發的電沖擊時，由于電路的時間常數很大(約1ms),IB只能慢慢增大。這時，前面的控制電路首先進入穩定控制狀態，然后IB緩慢增大，保護LD免受沖擊。現在是32頁\一共有48頁\編輯于星期五圖9.29LD的偏置反饋APC電路現在是33頁\一共有48頁\編輯于星期五（4）自動溫度控制電路（ATC）溫度變化引起LD輸出光功率的變化，雖然可以通過APC電路進行調節，使輸出光功率恢復正常值。但是，如果環境溫度升高較多，經APC調節后，IB增大較多，則LD的結溫因此也升高很多，致使Ith繼續增大，造成惡性循環，從而影響了LD的使用壽命。因此，為保證LD長期穩定工作，必須采用自動溫度控制電路（ATC）使LD的工作溫度始終保持在20℃左右。LD的溫度控制由微型制冷器、熱敏元件及控制電路組成，如圖9.30（a）所示。制冷器的冷端和LD的熱沉接觸，熱敏電阻作為傳感器，探測LD結區的溫度，并把它傳遞給控制電路，通過控制電路改變制冷量，使LD結溫保持恒定。現在是34頁\一共有48頁\編輯于星期五微制冷器多采用半導體制冷器。它是利用半導體材料的珀爾帖效應制成的。當直流電流通過兩種半導體組成的電偶時，出現一端吸熱另一端放熱的現象，這種現象稱為珀爾帖效應。用若干對電偶串聯或并聯組成的溫差電功能器件的溫差控制可以達到30℃~40℃。圖9.30（b）是ATC的電路框圖。ATC電路主要由R1、R2、R3和負溫度系數熱敏電阻RT組成“換能”電橋，通過電橋把溫度的變化轉換為電量的變化。運算放大器A的差動輸入端跨接在電橋的對端，用以改變三極管T的基極電流。在設定溫度（例如20℃）時，調節R3使電橋平衡，A、B兩點沒有電位差，傳輸到運算放大器A的信號零，流過制冷器TEC的電現在是35頁\一共有48頁\編輯于星期五流也為零。當環境溫度升高時，LD的管芯和熱沉溫度也升高，使具有負溫度系數的熱敏電阻RT的阻值減小，電橋失去平衡。這時B點的電位低于A點的電位，運算放大器A的輸出電壓升高，V的基極電流增大，制冷器TEC的電流也增大，制冷端溫度降低，熱沉和管芯的溫度也降低，因而保持溫度恒定。（5）光源的保護及告警電路光源的保護是指保護光源不要因為外界因索而受到損害。光源的保護包括溫度保護和電流保護兩個方面。上面介紹的自動溫度控制實際上也是溫度保護。現在是36頁\一共有48頁\編輯于星期五(a)溫度控制電路框圖(b)溫度控制電路圖9.30LD的溫度控制(ATC)

電流保護包括電流接通時的保護、工作過程中的過流保護以及反向沖擊電流保護等。電流接通時的保護是為了防止在系統開機接通電源瞬間，由于電路因素引起的沖擊電流可現在是37頁\一共有48頁\編輯于星期五能對LD造成的損壞。實際系統中LD的驅動部分與其他電路是共用一個電源.因此光源的偏置電流必須緩慢增加，以起到保護作用。

工作過程中為使光源不致因通過大電流而損壞，一般需對光源進行過流保護。過流保護的方法很多，基本思想是利用反饋控制使通過光源的電流不超過某一限定值，從而起到保護的作用。圖9.31所示是LD的過流保護電路。為防止光源受到反向沖擊電流或電壓的破壞，一般在光源上并聯一個肖特基二極管。這樣當反向沖擊電流或電壓出現時，肖特基二極管迅速導通，就可以實現對光源的保護。現在是38頁\一共有48頁\編輯于星期五圖9.31光源的過流保護電路現在是39頁\一共有48頁\編輯于星期五完整的光發射機除了上述各種控制、保護之外，還應包括告警電路，當光發送電路出現故障或工作不正常時，應及時發出相應的聲、光告警信號，以便于工作人員維護。告警電路一般包括無光告警、壽命告警、溫度告警等。

①無光告警電路當光發送機電路出現故障，或輸人信號中斷、或LD損壞時，都可能使LD長時間不發光。這時，無光告警電路都應動作，發出相應的聲光告警信號。圖9.32(a)所示為無光告警電路原理圖。

現在是40頁\一共有48頁\編輯于星期五②壽命告警電路隨著使用時間的增長，LD閾值電流也將逐漸增大。當閾值電流增大到開始使用時的1.5倍時，就認為LD的壽命終止。由于IB≈Ith,所以壽命警告電路常采用監測電流IB的值來判斷LD壽命是否終止。也就是說，當IB>1.5Ith0(Ith0為LD開始啟用時的閾值電流)時壽告警電路就發出告警指示。圖9.32(b)所示為壽命告警電路原理圖。現在是41頁\一共有48頁\編輯于星期五（a）無光告警電路（b）壽命告警電路圖9.32告警電路原理圖

現在是42頁\一共有48頁\編輯于星期五4.光源的外調制技術

光的直接調制技術受到兩方面的限制:一是調制信號速率，一般限于幾個Gb/s;二是高速調制時頻率啁啾使輸出光信號的光譜加寬，接收機性能惡化。采用外調制技術，讓調制電信號直接加在連續光載波上，可獲得更好的調制特性及更高的調制速率。外調制技術通常采用晶體的電光、聲光及磁光效應，其中用得最多的是采用LiNbO3晶體的電光效應—電光調制。電光調制器又分為體型及導

現在是43頁\一共有48頁\編輯于星期五在考慮外調制器時，與直接調制方式一樣，必須考慮許多設計參數和性能指標。外調制器主要考慮調制帶寬、調制功率、光插入損耗、消光比、溫度靈敏度、與光源及光纖的耦合效率、幾何尺寸對調制性能的影響等。波型兩類，外調制技術可以將調制速率提高一個數量級，即以10Gb/s(或10GHz)為標志。利用集成光路技術還可以將光源、調制器、方向耦合器、光開關等集成在一起成為集成光發射機。現在是44頁\一共有48頁\編輯于星期五光發送機的主要技術指標