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光發送電路基礎知識介紹
光發送電路基礎知識介紹

13.1激光器簡介

在光纖通信系統中，光發送機的作用是將電信號轉變為光信號，并有效地把光信號送入傳輸光纖。光發送機的核心是光源及其驅動電路。光纖 通信系統對光源的要求主要有：

(1）調制容易、線性好、帶寬大；

(2）輸出譜窄，以降低光纖色散的影響；

(3）輻射角小，與光纖的藕合效率高；

能滿足上述要求且已廣泛應用于光纖通信系統中的有兩種半導體光源：發光二極管(LED）和激光二極管（LD）。這兩種光源的主要區別在于LED輸出為非相干光，其譜寬寬，入纖功率小，調制速率低；而LD是相干光輸出，譜寬窄，入纖功率大，調制速率高。因此，前者適用于短距離低速系統，后者適用于長距離高速率系統。

發光二極管LED和激光二極管LD的主要特性有

(l)P-I特性

輸出光功率P與偏置電流I的關系。LED是非閩值器件，發光功率隨工作電流增大而增大，并在大電流時逐漸飽和。



LD的P-I特性由A,B兩段組成，B線的延長線與橫軸的交點對應的電流為閩值電流Ith，當工作電流大于Ith時產生激光輸出。LD的Ith對工作溫度是十分敏感的，隨著工作溫度的提高，P-I特性曲線向右移動，閡值電流增大，斜率減小。



在光纖通信系統中，信息由LED或LD發出的光波所攜帶，光波就是載波。把信息加載到光波上的過程就是調制。按調制方式與光源關系來分，有直接調制和外調制兩種。前者指直接用電調制信號來控制半導體光源的振蕩參數（光強，頻率等），這種方式又稱為內調制；后者是讓光源輸出的幅值與頻率恒定的光通過光調制器，光信號通過調制器實現對光載波的幅度、頻率及相位等進行調制。光源直接調制的優點是簡單，但調制速率受到載流子壽命及高速率下的性能退化的限制（如頻率凋啾等）。外調制需要調制器，結構復雜，但可獲得優良的調制性能，尤其適用于高速率。




13.2驅動電路原理及簡介

13.2.1LED的驅動電路

在光纖通信系統中，用LED做光源時大都采用直接強度調制的方法，通過改變注入電流就可調制輸出光功率。LED用作數字光纖通信系統光

源時，驅動電路應能提供幾十到幾百毫安的“開”、“關”電流。一般LED不加偏置或只有小量的正向偏置電流。LED對溫度不是很敏感，

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）。

典型的LED數字驅動電路如圖13.3所示。



圖13.3中是共發射極驅動電路，通過LED的電流由VCC及R2決定，調節Rl使之在50-300mA變化，R3可提供少量的預偏置，以提高開關速率，Cl為加速電容，也為了提高速率。



13.2.2LD驅動電路

由于LD一般用于高速系統，且是閩值器件，必須進行預偏置，偏置電流Ib大小與閩值電流接近，這樣可減小電光延遲時間與張馳振蕩。LD的溫度穩定性較差，因此LD的驅動電路就要復雜的多。激光器（LD）數字調制的原理如圖13.4所示。



直流偏置電路的選擇，應使其逼近激光器的閩值電流，這樣，可以減小電光延遲時間和避免張馳振蕩。電光延遲時間td的存在妨礙了調制速率的提高。因此，應當設法減小td。方法就是使偏置電流密度逼近閩值電流密度，此時電光延遲時間td趨于零。

瞬態過程中的另一個現象是張馳振蕩的產生。張馳振蕩不僅使信號圖形失真，也使LD的光譜變寬，如圖13.5所示。這樣，必然就限制調制速率的提高。如果給LD足夠的預偏置電流，那磨在調制電流較小的情況下，LD便可有足夠的光功率輸出，其張馳振蕩程度便可大大減小或消失，從而光譜變窄。



由于溫度和老化都會影響輸出光功率，所以在驅動電路中要采取穩定補償措施，這就是自動功率控制。自動功率控制就是根據輸出光功率的變化，自動調節激光器的偏置電流，使激光器輸出功率恒定。




自動功率控制電路是依靠激光器內部的PIN管來檢測LD的輸出光功率作為反饋的，電路圖如圖13.6所示。其中Dl是激光器內部的背光檢測二極管，由采樣電阻將電流轉換電壓，再由差動放大器放大，經比例積分控制器來調節激光器偏置電流。



對于有制冷器的激光器，還要進行溫度控制，特別是用于波分復用的激光器，要求波長穩定，所以必須要有自動溫度控制電路。溫控電路如圖13.7所示：



在圖13.7中RZ是熱敏電阻，Rl是制冷器，制冷器中電流正向流是加熱，反向流是制冷。