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光发射机

2016-10-23 10:19:13 | 人围观 | 评论:0

    在光纤通信系统中，广义来讲，光发射机的作用是把从电端机送来的电信号，例如，在数字光纤通信系统中脉码调制(PCM)信号，经过编码、调制，再由光源变为光信号最后送入光纤．当然，实际的机器中还有许多“细节”要处理以及还要有监测、保护等电路．
    还应指出，实际使用的光端机，并不是真有这么一个光发射机架．到20世纪80年代末，实际的光端机发射机就是一块插在光端机架中的机盘．
    一、对光发射机的要求
    (l)光源的发光波长要合适
    由于目前使用的光导纤维有三个低损耗的范围（又称窗口），如0. 85μm，1.31μm和 1.55μm，第一个称为短波长，后两个称为长波长．因此，光发射机光源发出的光波波长与这三个波长相适应．
    (2)合适的输出光劝率
    从后面对光纤通信系统的讨论将会知道，在光纤通信系统中，要求光源有合适的输出光功率．诚然，光源送入光纤的光功率越大，可通信的距离就越长，但是，从理论上讲，光源送入光纤的光功率太大并非好事．因为光功率太大就会使光纤工作在非线性状态．所谓非线性即指光纤的各种特征参数随输入的光强作非线性的变化，光纤成了一种非线性器件．这种非线性效应将会产生很强的频率转换作用和其他作用，显然，这对正常工作的光纤来讲，将产生不良的影响．
    (3)较好的消光比
    所谓消光比（EXT）就是EXT=全“0”码时的平均输出光功率/全“1”码时的平均输出光功率作为一个被调制的好的光源，希望在“O"码时没有光功率输出，否则它将使光纤系统产生噪声，使接收机灵敏度降低（灵敏度的概念将在后面讨论），故一般要求
                             EXT≤l0%
    (4)调制特性好
    这一点在前面讨论调制原理时已看到，所谓调制特性好，即要求光源的P-I曲线在运用的范围内线性好，否则在调制以后将产生非线性失真．除此以外，还希望光发射机的稳定性好，光源的寿命长等等．
    二、光发射机的组成方框图及各部分功能
    光发射机的组成随着生产厂家不同而不同．这里仅介绍光发射机的基本组成．一个光发射机的原理方框图如图3-28所示．下面，分别介绍它各部分的功能．

图3- 28 光发射机原理方框图     (l)均衡放大
    由PCM端机送来的HDB3码流，经过电缆的传输产生了衰减和畸变，所以，在上述信号进入发射机时，首先要经过均衡和放大，以补偿衰减的电平、均衡畸变的波形．
    (2)解码
    由于PCM系统传输的码型是HDB3码，这种码型是双极性的（+1,0，-1）．而在光纤通信系统里，由于光源可用有光和无光与“0”，“1"两个码对应，一般不容易与+1,0，-1对应．这样，信号从PCM端机送到光发射机后，需要将HDB3这种双极性码变为单极性的“0”．“1"码．这就要由解码电路来完成．
    (3)扰码
    若信码流中出现长“0 "和长“l”的情况，由后面的讨论将会知道①，这将给提取时钟信号带来困难．为了避免出现这种长“0"和长“l”的情况，就要在解码之后加一个扰码电路，以达到有规律地“破坏”长“0”、长“l"码流．当然，经过光纤传输以后，在接收端还要加一个与扰码相反的解扰电路，恢复信码流原来的状况．
    (4)时钟
    由于解码和扰码过程都需要时钟信号作依据（时间参考）．故在均衡放大之后，由时钟电路取出PCM中的时钟信号供给解码、扰码、编码电路用．
    (5)编码
    经过解码、扰码的信码流经调制为光脉冲后，虽然从理论上可以在光纤上传输．但从实用角度来看，为了便于不间断进行误码监测，克服直流分量的波动，以至于便于区间通信联络等功能，在实际的光纤通信系统中，还要对经解码、扰码的信码流再进行编码以满足上述要求．关于编码问题已在前面详细讨论过．
    (6)调制（驱动）
    经过编码后的数字信号通过调制电路对光源进行调制，让光源发出的光强跟随经过编码后的信码流变化，形成相应的光脉冲送人光导纤维。关于调制电路的详细讨论，已在上面介绍过，这里不再重复．
    (7)自动功率控制
    光发射机的光源经过一段时间使用将出现老化，使输出光功率降低，如图3-29所示．

图3―29激光器老化使输出光功率降低另外，激光器P-N结结温变化，使P-I曲线变化，亦会使输出光功率产生变化，如图3-30所示．因此，为了使光源的输出功率稳定，在实际使用的光发射机中常使用自动功率控制（APC）电路．这种电路可有多种形式，下面介绍其中一种电路的原理方框图，如3-31所示，

图3-30 激光器温度变化引起输出功率的变化

图3-31 自动功率控制电路     图中，
    调制器、LD管――光发射机中半导体激光器和它的调制电路，工作原理前面已作过介绍．
    PIN管、放大器A1――PIN是一种光电检测器（即半导体光电二极管）．A1是放大电路．
    从LD管背向散射出来的光波经光电检测器（PIN光电检波管）转变为电信号，经放大器A1放大后送到比较放大器A3的一个输入端．
    可调直流参考电压――一个可调的稳压电源，它将一个作为参考标准的直流电压通过比较放大器A2送到比较放大器A3的另一输入端。
    这样，当激光器因老化而“长时间”输出功率降低时，从A1输出的电压也降低，并将这个电压送至比较放大器A3的一个输入端；另一方面，由直流参考电路送出一参考电压经A2送至A3的另一端作比较，然后由A3产生一个增大的输出电压送到电流源，使电流源输出电流增加，从而使LD管的注入电流增加，使LD管输出光功率维持稳定．
    比较放大器A2的作用是要防止当无信号或信号是长“0"时，因自动控制电路的作用使LD管的注入电流增加，从而使输出光功率在不该增加时增加，引起的误码，为此采取的措施是从信号输入端取出一个参考信号与直流参考电压由比较放大器A2先做一次比较．经调整后使长“0"或无信号时A2的输出电压降低，然后再作为参孝电压送至比较放大器A3，使A3输出电压不变，从而避免因无信号或长“0”时APC电路的错误“动作”．
    (8)自动温度控制
    由于半导体光源的P-I特性曲线对环境温度的变化反映很灵敏，从而使输出光功率出变化，如图3-32所示．

图3―32环境温度变化引起输出光功率的变化为了保证在环境温度变化时输出特性的稳定，一般在机器的发射机盘上装有自动温度控制(ATC)电路，其原理方框图如图3-33所示.

图3―33自动温度控制电路方框图装在激光器热沉上的热敏电阻，作为温度传感器，同时它又是温度控制电路电桥中的一臂，通过电桥，把温度变化（引起热敏电阻的阻值变化）转变为电量的变化，再通过放大器接到致冷器上，使致冷器电压变化，从而使激光器的温度维持恒定．上面所说的热沉，是指贴在激光器上的一块金属散热块．
上述温度控制电路的电路图如3-34所示．

    图中，R1一热敏电阻；
    R1，R2，R3，Rt一电桥；
    T一晶体管放大器，提供致冷器所需的电流；
    A一运算放大器，放大电桥送来的电压，其电压的变化，反映温度的变化，
    目前采用的致冷器是半导体致冷器，它的结构示意图如图3-35所示，其等效电路如图3-36所示

    它是一个热电偶，根据珀尔帖效应，当给这个热电偶加电压时，它的一端吸热而另一端则散热，从而实现致冷的目的．
    (9)其他保护、监测电路
    光发射机除由上述各部分电路组成外，还有如下一些辅助电路．
    LD保护电路――它的功能是使半导体激光器的偏流慢启动以及限制偏流不要过大．由于激光器老化以后输出功率将降低，自动功率控制电路将使激光器偏流不断增加，如果不限制偏流就可能烧毁激光器.
    无光告警电路――当光发射机电路出现故障，或输入信号中断，或激光器失效都将使激光器较长时间不发光，这时延迟告警电路将发出告警指示．
    三、实际光发射机电路图
    如前所述，一个实际的光发射机电路中除了调制电路和光源这两个部分外，还应包括码型变换电路和许多辅助电路，因比，实际的光发射机电路是十分复杂的，本教材不便列出．下面，仅给出一个较简单的电路，这个电路是用在光中继器上的，如图3-37所示．
    图中包括了激光器和它的调制电路，以及正向偏置控制电路，控制电路是根据PIN管从LD得到的背向散射光来实现对LD的控制．图中没有画出码型变换电路及其他辅助电路．

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