光纖通信電路

1、3.3光光 無(wú)無(wú) 源源 器器 件件 3.3.1連接器和接頭連接器和接頭 連接器連接器是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸(活動(dòng)活動(dòng))連接連接的器件。 主要用于主要用于光纖線(xiàn)路與光發(fā)射機(jī)輸出或光接收機(jī)輸入之間，或光纖線(xiàn)路與其他光無(wú)源器件之間的連接連接。 連接器有單纖連接器有單纖(芯芯)連接器和多纖連接器和多纖(芯芯)連接器連接器。 接頭接頭是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性永久性(固定固定)連接連接，主要用于光纖線(xiàn)路的構(gòu)成，通常在工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。 熱熔接熱熔接的接頭平均損耗達(dá)0.05 dB/個(gè)（比固定連接接頭的（比固定連接接頭的?。┬。D 3.27 套管結(jié)構(gòu)連接器簡(jiǎn)圖 光纖套管插針粘結(jié)劑精密套管結(jié)構(gòu)的連接器簡(jiǎn)圖

2、精密套管結(jié)構(gòu)的連接器簡(jiǎn)圖 3.3.2光耦合器光耦合器 耦合器耦合器的功能是把一個(gè)輸入的光信號(hào)分配給多個(gè)輸出把一個(gè)輸入的光信號(hào)分配給多個(gè)輸出， 或把多個(gè)輸入的光信號(hào)組合成一個(gè)輸出多個(gè)輸入的光信號(hào)組合成一個(gè)輸出。大多與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，與波長(zhǎng)相關(guān)的耦合器專(zhuān)稱(chēng)為波分復(fù)用器波分復(fù)用器/解復(fù)用器解復(fù)用器。 1. 耦合器類(lèi)型耦合器類(lèi)型 (1)T形耦合器形耦合器: 主要用作不同分路比的功率分配器或功率不同分路比的功率分配器或功率組合器組合器。 (2)星形耦合器星形耦合器: 這種耦合器通常用作多端功率分配器通常用作多端功率分配器。 (3)定向耦合器定向耦合器:其功能其功能是分別取出光纖中向不同方向傳輸取出光纖中向不同

3、方向傳輸?shù)墓庑盘?hào)的光信號(hào)。 (4)波分復(fù)用器波分復(fù)用器/解復(fù)用器解復(fù)用器(也稱(chēng)合波器合波器/分波器分波器)這是一種與波長(zhǎng)有關(guān)的耦合器波長(zhǎng)有關(guān)的耦合器。圖 3.28 常用耦合器的類(lèi)型 T形(a)星 形(b)定 向(c)231412N12N(d)波 分 2. 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 耦合器的結(jié)構(gòu)耦合器的結(jié)構(gòu)有許多種類(lèi)型許多種類(lèi)型，其中比較實(shí)用和有發(fā)展前途的有光纖型、微器件型和波導(dǎo)光纖型、微器件型和波導(dǎo)型。 （1）、）、 光纖型光纖型 光纖型把兩根或多根光纖排列光纖型把兩根或多根光纖排列，用熔拉雙錐技術(shù)制作各熔拉雙錐技術(shù)制作各種器件種器件。這種方法可以構(gòu)成T型耦合器、定向耦合器、星型型耦合器、定向耦合器、

4、星型耦合器和波分解復(fù)用器耦合器和波分解復(fù)用器。 （2）、微器件型）、微器件型 微器件型微器件型用自聚焦透鏡和分光片自聚焦透鏡和分光片、濾光片濾光片或光柵光柵等微光學(xué)器件可以構(gòu)成構(gòu)成T型耦合器、定向耦合器和波分解復(fù)用器型耦合器、定向耦合器和波分解復(fù)用器。 （3）、波導(dǎo)型）、波導(dǎo)型 波導(dǎo)型波導(dǎo)型在一片平板襯底上制作所需形狀的光波導(dǎo)光波導(dǎo)，襯底作支撐體，又作波導(dǎo)包層?？梢詷?gòu)成波導(dǎo)型構(gòu)成波導(dǎo)型T型耦合器、定型耦合器、定向耦合器和用濾光片作為波長(zhǎng)選擇元件的波分解復(fù)用器向耦合器和用濾光片作為波長(zhǎng)選擇元件的波分解復(fù)用器。 3. 主要特性主要特性 （1）、耦合比）、耦合比 （2）、附加損耗）、附加損耗Le （

5、3）、）、 插入損耗插入損耗Lt （4）、）、 方向性方向性DIR(隔離度隔離度) （5）、）、 一致性一致性U 3.3.3光隔離器與光環(huán)行器光隔離器與光環(huán)行器 耦合器和其他大多數(shù)光無(wú)源器件耦合器和其他大多數(shù)光無(wú)源器件的輸入端和輸出端是可以輸入端和輸出端是可以互換的互換的，稱(chēng)之為互易器件互易器件。然而在許多實(shí)際光通信系統(tǒng)中通常也需要非互易器件。 1、 隔離器隔離器 隔離器隔離器就是一種非互易器件，其主要作用是只允許光波往一個(gè)方向上傳輸，阻止光波往其他方向特別是反方向傳輸。隔離隔離器主要用在激光器或光放大器的后面器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到該避免反射光返回到該器件致使器件

6、性能變壞器件致使器件性能變壞。圖 3.34 隔離器的工作原理 法拉弟旋轉(zhuǎn)器偏振器反射光阻塞入射光偏振器SOP圖 3.35 一種與輸入光的偏振態(tài)無(wú)關(guān)的隔離器 光纖輸出SWP半波片法拉弟旋轉(zhuǎn)器SWPSOP光纖輸入(a)光纖輸出SWP半波片法拉弟旋轉(zhuǎn)器SWP光纖輸入(b) 2、環(huán)行器、環(huán)行器 環(huán)行器環(huán)行器除了有多個(gè)端口外，其工作原理與隔離器類(lèi)似。 如圖3.36所示，典型的環(huán)行器一般有三個(gè)或四個(gè)端口典型的環(huán)行器一般有三個(gè)或四個(gè)端口。在三端口環(huán)行器中，端口1輸入的光信號(hào)在端口2輸出，端口2輸入的光信號(hào)在端口3輸出，端口3輸入的光信號(hào)由端口1輸出。光環(huán)光環(huán)行器主要用于光分插復(fù)用器中行器主要用于光分插復(fù)用器

7、中。 3.3.4光調(diào)制器光調(diào)制器 為提高光纖通信系統(tǒng)的質(zhì)量，避免直接調(diào)制激光器直接調(diào)制激光器時(shí)產(chǎn)生線(xiàn)性調(diào)頻的限制，要采用外調(diào)制方式外調(diào)制方式，把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開(kāi)。 在高速率系統(tǒng)、在高速率系統(tǒng)、 波分復(fù)用系統(tǒng)和相干光系統(tǒng)中都要用調(diào)制波分復(fù)用系統(tǒng)和相干光系統(tǒng)中都要用調(diào)制器。器。調(diào)制器可以用電光效應(yīng)、電光效應(yīng)、 磁光效應(yīng)或聲光效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)磁光效應(yīng)或聲光效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。最有用的調(diào)制器是利用具有強(qiáng)電光效應(yīng)強(qiáng)電光效應(yīng)的鈮酸鋰鈮酸鋰(LiNbO3)晶體制成的。 調(diào)制器是利用線(xiàn)性電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的調(diào)制器是利用線(xiàn)性電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)檎凵渎收凵渎蕁隨外加電隨外加電場(chǎng)場(chǎng)E(電壓電壓U)而變化而變化， 改變了入射光的相位

8、和輸出光功率入射光的相位和輸出光功率。圖 3.37 馬赫 - 曾德?tīng)柛缮鎯x型調(diào)制器信號(hào)電壓電極輸出光電光晶體光波導(dǎo)輸入光 3.3.5光開(kāi)關(guān)光開(kāi)關(guān) 光開(kāi)關(guān)的功能是轉(zhuǎn)換光路，實(shí)現(xiàn)光交換，它是光網(wǎng)絡(luò)的重光開(kāi)關(guān)的功能是轉(zhuǎn)換光路，實(shí)現(xiàn)光交換，它是光網(wǎng)絡(luò)的重要器件。要器件。 光開(kāi)關(guān)光開(kāi)關(guān)可分兩大類(lèi)： 一類(lèi)是機(jī)械光開(kāi)關(guān)一類(lèi)是機(jī)械光開(kāi)關(guān)， 利用電磁鐵或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)光纖、棱鏡或反射鏡光纖、棱鏡或反射鏡等光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)光路轉(zhuǎn)換； 另一類(lèi)是固體光開(kāi)關(guān)固體光開(kāi)關(guān)，利用磁光效應(yīng)、電光效應(yīng)或聲光效磁光效應(yīng)、電光效應(yīng)或聲光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光路轉(zhuǎn)換應(yīng)實(shí)現(xiàn)光路轉(zhuǎn)換。 機(jī)械光開(kāi)關(guān)機(jī)械光開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是插入損耗小，串?dāng)_，適合各種光纖，技術(shù)成

9、熟；缺點(diǎn)缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度慢。固體光開(kāi)關(guān)正相反固體光開(kāi)關(guān)正相反， 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度快；缺點(diǎn)缺點(diǎn)是插入損耗大，串?dāng)_大，只適合單模光纖。 第第 4 章章 光端機(jī)光端機(jī) 4.1 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 4.2 光接收機(jī)光接收機(jī) 4.3 線(xiàn)路編碼線(xiàn)路編碼返回主目錄第第 4 章光端機(jī)章光端機(jī)4.1光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 數(shù)字光發(fā)射機(jī)數(shù)字光發(fā)射機(jī)的功能功能是把電端機(jī)輸出的數(shù)字基帶電信號(hào)轉(zhuǎn)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)換為光信號(hào)，并用耦合技術(shù)有效注入光纖線(xiàn)路耦合技術(shù)有效注入光纖線(xiàn)路。 電電/光轉(zhuǎn)換光轉(zhuǎn)換是用承載信息的數(shù)字電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 調(diào)制調(diào)制分為直接調(diào)制直接調(diào)制和外調(diào)制外調(diào)制兩種方式。受調(diào)制的光源特性光源特性參

10、數(shù)參數(shù)有功率、功率、 幅度、頻率和相位幅度、頻率和相位。目前技術(shù)上成熟并在實(shí)際光纖通信系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用的是直接光強(qiáng)直接光強(qiáng)(功率功率)調(diào)制調(diào)制。 圖4.1示出激光器激光器(LD)和發(fā)光二極管發(fā)光二極管(LED)直接光強(qiáng)數(shù)字調(diào)制原理，對(duì)LD施加了偏置電流施加了偏置電流Ib。 當(dāng)激光器的驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)電流大于閾值電流閾值電流Ith時(shí)，輸出光功率P和驅(qū)動(dòng)電流I基本上是線(xiàn)性關(guān)系線(xiàn)性關(guān)系，輸出光功率和輸入電流成正比，所以輸出光信號(hào)反映輸入電信號(hào)所以輸出光信號(hào)反映輸入電信號(hào)。4.1.1光發(fā)射機(jī)基本組成光發(fā)射機(jī)基本組成 數(shù)字光發(fā)射機(jī)數(shù)字光發(fā)射機(jī)的方框圖如圖4.2所示，主要有光源和電路光源和電路兩部分。 光源光

11、源是實(shí)現(xiàn)電實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件光轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，在很大程度上決定著光決定著光發(fā)射機(jī)的性能。發(fā)射機(jī)的性能。 電路電路的設(shè)計(jì)應(yīng)以光源為依據(jù)，使輸出光信號(hào)準(zhǔn)確反映輸入使輸出光信號(hào)準(zhǔn)確反映輸入電信號(hào)。電信號(hào)。 圖 4.1直接光強(qiáng)數(shù)字調(diào)制原理 (a) LED數(shù)字調(diào)制原理； (b) LD的數(shù)字調(diào)制原理 1. 光源光源 對(duì)通信用光源的要求如下： (1) 發(fā)射的光波長(zhǎng)應(yīng)和光纖低損耗發(fā)射的光波長(zhǎng)應(yīng)和光纖低損耗“窗口窗口”一致一致，即中心波長(zhǎng)應(yīng)在0.85m、1.31m和和1.55m附近。光譜單色性要好光譜單色性要好， 即譜線(xiàn)寬度要窄譜線(xiàn)寬度要窄， 以減小光纖色散對(duì)帶寬的限制減小光纖色散對(duì)帶寬的限制。 (2)

12、電電/光轉(zhuǎn)換效率要高，光轉(zhuǎn)換效率要高，即要求在足夠低的驅(qū)動(dòng)電流下足夠低的驅(qū)動(dòng)電流下， 有足夠大而穩(wěn)定的輸出光功率足夠大而穩(wěn)定的輸出光功率，且線(xiàn)性良好線(xiàn)性良好。發(fā)射光束的方向方向性要好性要好，即遠(yuǎn)場(chǎng)的輻射角要小，以利于提高光源與光纖之間的提高光源與光纖之間的耦合效率耦合效率。 (3) 允許的調(diào)制速率要高或響應(yīng)速度要快允許的調(diào)制速率要高或響應(yīng)速度要快，以滿(mǎn)足系統(tǒng)的大傳輸容量的傳輸容量的要求。 圖 4.3 光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形 (4) 器件應(yīng)能在常溫下以連續(xù)波方式工作器件應(yīng)能在常溫下以連續(xù)波方式工作， 要求溫度穩(wěn)定溫度穩(wěn)定性好性好， 可靠性高，壽命長(zhǎng)可靠性高，壽命長(zhǎng)。 (5) 此外，要求器件體積小，重

13、量輕體積小，重量輕，安裝使用方便安裝使用方便，價(jià)格價(jià)格便宜便宜。 以上各項(xiàng)中，調(diào)制速率、譜線(xiàn)寬度、輸出光功率和光束方調(diào)制速率、譜線(xiàn)寬度、輸出光功率和光束方向性向性，直接影響光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量和傳輸距離傳輸容量和傳輸距離，是光源最重要的技術(shù)指標(biāo)。目前，不同類(lèi)型的半導(dǎo)體激光器不同類(lèi)型的半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)和發(fā)光二極管光二極管(LED)可以滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)合的要求可以滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)合的要求。 2. 調(diào)制電路和控制電路調(diào)制電路和控制電路 直接光強(qiáng)調(diào)制直接光強(qiáng)調(diào)制的數(shù)字光發(fā)射機(jī)主要電路有調(diào)制電路調(diào)制電路、控制控制電路電路和線(xiàn)路編碼電路線(xiàn)路編碼電路，采用激光器作光源時(shí)，還有偏置電路偏置電路。 對(duì)調(diào)制

14、電路和控制電路的要求如下： (1) 輸出光脈沖的通斷比輸出光脈沖的通斷比(全“1”碼平均光功率光功率和全“0”碼平均光功率光功率的比值，或消光比的倒數(shù))應(yīng)大于應(yīng)大于10，以保證足夠的足夠的光接收信噪比光接收信噪比。 (2) 輸出光脈沖的寬度應(yīng)遠(yuǎn)大于開(kāi)通延遲輸出光脈沖的寬度應(yīng)遠(yuǎn)大于開(kāi)通延遲(電光延遲)時(shí)間， 光脈沖的上升時(shí)間上升時(shí)間、下降時(shí)間下降時(shí)間和開(kāi)通延遲時(shí)間開(kāi)通延遲時(shí)間應(yīng)足夠短，以便在高速率調(diào)制下，輸出的光脈沖能準(zhǔn)確再現(xiàn)輸入電脈沖的波形光脈沖能準(zhǔn)確再現(xiàn)輸入電脈沖的波形。 (3) 對(duì)激光器應(yīng)施加足夠的偏置電流激光器應(yīng)施加足夠的偏置電流，以便抑制在較高速率調(diào)制下可能出現(xiàn)的張弛振蕩出現(xiàn)的張弛振蕩

15、，保證發(fā)射機(jī)正常工作。 (4) 應(yīng)采用自動(dòng)功率控制自動(dòng)功率控制(APC)和自動(dòng)溫度控制自動(dòng)溫度控制(ATC)， 以保證輸出光功率有足夠的穩(wěn)定性輸出光功率有足夠的穩(wěn)定性。 3. 線(xiàn)路編碼電路線(xiàn)路編碼電路 線(xiàn)路編碼線(xiàn)路編碼之所以必要，是因?yàn)殡姸藱C(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)是數(shù)字信號(hào)是適合電纜傳輸?shù)碾p極性碼適合電纜傳輸?shù)碾p極性碼，而光源不能發(fā)射負(fù)脈沖不能發(fā)射負(fù)脈沖，所以要變換為適合于光纖傳輸?shù)膯螛O性碼光纖傳輸?shù)膯螛O性碼，線(xiàn)路編碼的其它原因見(jiàn)4.3節(jié)所述。 4.1.2調(diào)制特性調(diào)制特性 半導(dǎo)體激光器是光纖通信的理想光源半導(dǎo)體激光器是光纖通信的理想光源，但在高速脈沖調(diào)制下，其瞬態(tài)特性仍會(huì)出現(xiàn)許多復(fù)雜現(xiàn)象許多復(fù)雜現(xiàn)象，

16、如常見(jiàn)的電光延遲電光延遲、張弛振蕩張弛振蕩和自脈動(dòng)現(xiàn)象自脈動(dòng)現(xiàn)象。這種特性嚴(yán)重限制系統(tǒng)傳輸速率和通信質(zhì)量，因此在電路的設(shè)計(jì)時(shí)要給予充分考慮。 1. 電光延遲和張弛振蕩現(xiàn)象電光延遲和張弛振蕩現(xiàn)象 半導(dǎo)體激光器在高速脈沖調(diào)制高速脈沖調(diào)制下，輸出光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形形如圖4.3所示。 輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在一個(gè)初始延遲時(shí)間初始延遲時(shí)間，稱(chēng)為電光延遲時(shí)間電光延遲時(shí)間td，其數(shù)量級(jí)一般為數(shù)量級(jí)一般為ns。當(dāng)電流脈沖注入激光器后，輸出光脈沖會(huì)出現(xiàn)幅度逐漸衰減的振蕩幅度逐漸衰減的振蕩，稱(chēng)為張弛振張弛振蕩蕩，其振蕩頻率fr(=r/2)一般為0.52GHz。這些特性與激光器有源區(qū)的電子自

17、發(fā)復(fù)合壽命和諧振腔內(nèi)光子壽命以及注入電有源區(qū)的電子自發(fā)復(fù)合壽命和諧振腔內(nèi)光子壽命以及注入電流初始偏差量流初始偏差量有關(guān)。 張弛振蕩和電光延遲的后果是限制調(diào)制速率。張弛振蕩和電光延遲的后果是限制調(diào)制速率。當(dāng)最高調(diào)制最高調(diào)制頻率接近張弛振蕩頻率頻率接近張弛振蕩頻率時(shí)，波形失真嚴(yán)重，會(huì)使光接收機(jī)在抽樣判決時(shí)增加誤碼率，因此實(shí)際使用的最高調(diào)制頻率應(yīng)低于張實(shí)際使用的最高調(diào)制頻率應(yīng)低于張弛振蕩頻率弛振蕩頻率。 電光延遲要產(chǎn)生碼型效應(yīng)。電光延遲要產(chǎn)生碼型效應(yīng)。當(dāng)電光延遲時(shí)間td與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時(shí)間T/2為相同數(shù)量級(jí)時(shí)，會(huì)使會(huì)使“0”碼過(guò)后的第一碼過(guò)后的第一個(gè)個(gè)“1碼的脈沖寬度變窄，幅度減小，碼的脈沖寬度

18、變窄，幅度減小，嚴(yán)重時(shí)可能使單個(gè)可能使單個(gè)“”碼丟失，碼丟失， 這種現(xiàn)象稱(chēng)為這種現(xiàn)象稱(chēng)為“碼型效應(yīng)碼型效應(yīng)”。 如圖4.4，在兩個(gè)接連出現(xiàn)的“1”碼中，第一個(gè)脈沖到來(lái)前，有較長(zhǎng)的連“0”碼， 由于電光延遲時(shí)間長(zhǎng)和光脈沖上升時(shí)間的影響，因此脈沖變小。第二個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)，由于第一個(gè)脈沖的電子復(fù)合尚未完全消失第一個(gè)脈沖的電子復(fù)合尚未完全消失，有源區(qū)電子密度較高，因此電光延遲時(shí)間短，電光延遲時(shí)間短， 脈沖較大脈沖較大。 圖4.4 碼型效應(yīng)（a) 、(b)碼效應(yīng)波形；（c）改善后波形電脈沖光脈沖2 ns5 ns2 ns(a)(b)(c)12 “碼型效應(yīng)碼型效應(yīng)”的特點(diǎn)是，的特點(diǎn)是， 在脈沖序列中較長(zhǎng)的連在

19、脈沖序列中較長(zhǎng)的連“0”碼后碼后出現(xiàn)的出現(xiàn)的“1”碼，其脈沖明顯變小，而且連碼，其脈沖明顯變小，而且連“0”碼數(shù)目越多，調(diào)碼數(shù)目越多，調(diào)制速率越高，這種效應(yīng)越明顯。制速率越高，這種效應(yīng)越明顯。用適當(dāng)?shù)摹斑^(guò)調(diào)制”補(bǔ)償方法， 可以消除碼型效應(yīng)，見(jiàn)圖4.4(c)所示。 張弛振蕩張弛振蕩: 為了進(jìn)一步了解激光器的調(diào)制特性，應(yīng)求出LD速率方程組的瞬態(tài)解。由此得到的張弛振蕩頻率張弛振蕩頻率r及其幅度衰幅度衰減時(shí)間減時(shí)間o和電光延遲時(shí)間電光延遲時(shí)間td的表達(dá)式為： 21)1(1thphspjjwjjthspo2thspdjjjln 式中，o是張弛振蕩幅度衰減到初始值的1/e的時(shí)間，j和jth分別為注入電流密

20、度和閾值電流密度。sp和ph分別為電子自發(fā)復(fù)合壽命和諧振腔內(nèi)光子壽命。在典型的激光器中，sp10-9s,ph10-12s，即spph。由式(4.1)式(4.3)可以看到： (1) 張弛振蕩頻率張弛振蕩頻率r隨隨sp、ph的減小而增加，隨的減小而增加，隨j的增加的增加而增加。這個(gè)振蕩頻率決定了而增加。這個(gè)振蕩頻率決定了LD的最高調(diào)制頻率。的最高調(diào)制頻率。 (2) 張弛振蕩幅度衰減時(shí)間張弛振蕩幅度衰減時(shí)間o與與sp為相同數(shù)量級(jí)，并隨為相同數(shù)量級(jí)，并隨j的的增加而減小。增加而減小。 (3) 電光延遲時(shí)間電光延遲時(shí)間td與與sp為相同數(shù)量級(jí)，并隨為相同數(shù)量級(jí)，并隨j的增加而減的增加而減小小(jjth)

21、。 由此可見(jiàn)，增加注入電流增加注入電流j，有利于提高張弛振蕩頻率提高張弛振蕩頻率r，減小其幅度衰減時(shí)間減小其幅度衰減時(shí)間o，以及減小電光延遲時(shí)間減小電光延遲時(shí)間td，因此對(duì)LD施加偏置電流是非常必要的。 2. 自脈動(dòng)現(xiàn)象自脈動(dòng)現(xiàn)象 某些激光器在脈沖調(diào)制甚至直流驅(qū)動(dòng)脈沖調(diào)制甚至直流驅(qū)動(dòng)下，當(dāng)注入電流達(dá)到某個(gè)范圍時(shí)，輸出光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅的高頻振蕩輸出光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅的高頻振蕩，這種現(xiàn)象稱(chēng)為自脈動(dòng)現(xiàn)象自脈動(dòng)現(xiàn)象，如圖4.5所示。自脈動(dòng)頻率可達(dá)自脈動(dòng)頻率可達(dá)2GHz，嚴(yán)重影響LD的高速調(diào)制特性。 自脈動(dòng)現(xiàn)象自脈動(dòng)現(xiàn)象是激光器內(nèi)部不均勻增益或不均勻吸收產(chǎn)生的不均勻增益或不均勻吸收產(chǎn)生的， 往往和LD

22、的P - I曲線(xiàn)的非線(xiàn)性有關(guān)，自脈動(dòng)自脈動(dòng)發(fā)生的區(qū)域和P- I曲線(xiàn)扭折區(qū)域扭折區(qū)域相對(duì)應(yīng)。因此在選擇激光器時(shí)應(yīng)特別注意選擇激光器時(shí)應(yīng)特別注意。電 脈沖光 脈沖圖4.5 激光器自脈沖動(dòng)現(xiàn)象 4.1.3調(diào)制電路和自動(dòng)功率控制調(diào)制電路和自動(dòng)功率控制 1. 調(diào)制電路調(diào)制電路 數(shù)字信號(hào)調(diào)制電路應(yīng)采用電流開(kāi)關(guān)電路調(diào)制電路應(yīng)采用電流開(kāi)關(guān)電路， 最常用的是差分差分電流開(kāi)關(guān)電路。電流開(kāi)關(guān)電路。 圖4.6示出由三極管組成的共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路三極管組成的共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路，這種簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路主要用于以發(fā)光二極管WTBZLED作為光源的光發(fā)射機(jī)。數(shù)字信號(hào)Uin從三極管V的基極輸入，通過(guò)集電極的電流驅(qū)動(dòng)LED

23、。數(shù)字信號(hào)“0”碼和“1”碼對(duì)應(yīng)于V的截止和飽和狀態(tài)，電流的大小根據(jù)對(duì)輸出光信號(hào)幅度的要求確定。這種驅(qū)這種驅(qū)動(dòng)電路適用于動(dòng)電路適用于10 Mb/s以下的低速率系統(tǒng)，更高速率系統(tǒng)應(yīng)采以下的低速率系統(tǒng)，更高速率系統(tǒng)應(yīng)采用差分電流開(kāi)關(guān)電路。用差分電流開(kāi)關(guān)電路。 圖 4.6 共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路 UCR2LEDC1R1UinV 圖4.7是常用常用的射極耦合驅(qū)動(dòng)電路射極耦合驅(qū)動(dòng)電路，適合于激光器系統(tǒng)使激光器系統(tǒng)使用。用。電流源為由V1和V2組成的差分開(kāi)關(guān)電路差分開(kāi)關(guān)電路，它提供了恒定的偏置電流。在V2基極上施加直流參考電壓UB，V2集電極的電壓取決于LD的正向電壓，數(shù)字電信號(hào)Uin從V1基極輸入。 當(dāng)信號(hào)為

24、“0”碼時(shí)，V1基極電位比UB高而搶先導(dǎo)通，V2截止， LD不發(fā)光；反之，當(dāng)信號(hào)為“”碼時(shí)，V1基極電位比UB低， V2搶先導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)LD發(fā)光。V1和V2處于輪流截止和非飽和導(dǎo)通狀態(tài)，有利于提高調(diào)制速率。當(dāng)三極管截止頻率當(dāng)三極管截止頻率fr4.5 GHz時(shí)，這種電路的調(diào)制速率可達(dá)時(shí)，這種電路的調(diào)制速率可達(dá)300 Mb/s。射極耦合電路為恒。射極耦合電路為恒流源，電流噪聲小，這種電路的缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍小，功耗較流源，電流噪聲小，這種電路的缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍小，功耗較大。大。 圖 4.7 射極耦合LD驅(qū)動(dòng)電路圖 V2V1Ib電流源Io UEUinLD2. 自動(dòng)功率控制自動(dòng)功率控制 由于溫度變化和工作時(shí)間

25、加長(zhǎng)溫度變化和工作時(shí)間加長(zhǎng)，LD的輸出光功率會(huì)發(fā)生變輸出光功率會(huì)發(fā)生變化化。為保證輸出光功率的穩(wěn)定輸出光功率的穩(wěn)定， 必須改進(jìn)電路設(shè)計(jì)。圖4.8是利用反饋電流使輸出光功率穩(wěn)定的LD驅(qū)動(dòng)電路，其主體和圖4.7相同，只是由V3支路為L(zhǎng)D提供的偏置電流Ib受到激光器背向輸出光平均功率和輸入數(shù)字信號(hào)均值輸出光平均功率和輸入數(shù)字信號(hào)均值Uin的控制的控制。把PD檢測(cè)器的輸出監(jiān)測(cè)電壓UPD、信號(hào)參考電壓Uin和直流參考電壓UR施加到運(yùn)算放大器A1的反相輸入端，經(jīng)放大后，控制V3基極電壓和偏置電流Ib，其控制過(guò)程如下： PLDUPD(UPD+ +UR)UA1IbPLD inU 在反饋電路中引入信號(hào)參考電壓的

26、目的，是使LD的偏置電流Ib不受碼流中“0”碼和“1”碼比例變化的影響。 4.8 反饋穩(wěn)定LD驅(qū)動(dòng)電路V2V1電流源IoUin UV3A1CIbRf信號(hào)參考UR輸出監(jiān)測(cè)PD檢測(cè)器LDUB1UA1Uin 一個(gè)更加完善的自動(dòng)功率控制一個(gè)更加完善的自動(dòng)功率控制(APC)電路如圖電路如圖4.9所示所示。從LD背向輸出的光功率，經(jīng)PD檢測(cè)器檢測(cè)、運(yùn)算放大器A1放大后送到比較器A3的反相輸入端輸入端。同時(shí)，輸入信號(hào)參考電壓和直流參考電壓經(jīng)A2比較放大后，送到A3的同相輸入端。A3和V3組成直流恒流源調(diào)節(jié)LD的偏流，使輸出光功率穩(wěn)定使輸出光功率穩(wěn)定。 圖 4.9 APC電路原理 V2V1信號(hào)參考UinA1A

27、2A3PD直流參考 U UV3IbLD 4.1.4溫度特性和自動(dòng)溫度控制溫度特性和自動(dòng)溫度控制 1. 激光器的溫度特性激光器的溫度特性 激光器的溫度激光器的溫度特性在3.1節(jié)已經(jīng)討論過(guò)，溫度對(duì)激光器輸溫度對(duì)激光器輸出光功率出光功率的影響主要通過(guò)閾值電流閾值電流Ith和外微分量子效率外微分量子效率d產(chǎn)生。圖4.10(a)和(b)分別示出溫度通過(guò)閾值電流和外微分量子效率引起的輸出光脈沖的變化：溫度升高，閾值電流增加，外微分量溫度升高，閾值電流增加，外微分量子效率減小，輸出光脈沖幅度下降。子效率減小，輸出光脈沖幅度下降。 溫度對(duì)輸出光脈沖的另一個(gè)影響是“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”。 圖 4.10溫度引起

28、的光輸出的變化(a) 閾值電流變化引起的光輸出的變化； (b) 外微分量子效率變化引起的光輸出的變化 即使環(huán)境溫度不變，由于調(diào)制電流的作用，引起激光器即使環(huán)境溫度不變，由于調(diào)制電流的作用，引起激光器結(jié)區(qū)溫度的變化，因而使輸出光脈沖的形狀發(fā)生變化，這種效結(jié)區(qū)溫度的變化，因而使輸出光脈沖的形狀發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱(chēng)為應(yīng)稱(chēng)為“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”。 如圖4.11所示，設(shè)t=0時(shí)電脈沖到來(lái)， 注入電流為I1，由于電流的熱效應(yīng)電流的熱效應(yīng)，在脈沖持續(xù)時(shí)間里，結(jié)區(qū)的溫度隨時(shí)間t而升高，激光器的閾值電流隨t而增大，使輸出光脈沖的幅度隨t而減小。當(dāng)t=T時(shí)電流脈沖過(guò)后，注入電流從I1減小到I0，電流散發(fā)的熱量減少，結(jié)區(qū)溫度隨t而降低，閾值電流減小，使輸出光脈沖的幅度增大。“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”將引起調(diào)制失真將引起調(diào)制失真。 與調(diào)制速率對(duì)激光器瞬態(tài)特性的影響相反調(diào)制速率對(duì)激光器瞬態(tài)特性的影響相反，低調(diào)制速率的低調(diào)制速率的“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”更加明顯更加明顯。 這是因?yàn)殡S著調(diào)制速率的提高調(diào)制速率的提高，碼元時(shí)間間隔縮短時(shí)間間隔縮短，使結(jié)區(qū)溫度來(lái)不及發(fā)生變化。 圖 4.11 結(jié)發(fā)熱效應(yīng) 電流脈沖光脈沖t0t TI1I0 2. 自動(dòng)溫度控制自動(dòng)溫度控制 半導(dǎo)體光