光源与光发射机的关系

2023-06-19 理论教育版权反馈

【摘要】：图2-1光发射机原理框图激光器的射频特性与器件的偏置电流关系很大。光发射机中激光器的光输出功率必须非常稳定，否则必然会影响传输网络的稳定性。温度控制电路可以将激光器的工作温度控制在℃范围内，使光发射机的输出光功率在较大的温度范围内保持稳定。

1.光源

光源可实现从电信号到光信号的转换，光源器件是光纤通信设备的核心器件。光纤通信中常用的光源器件有半导体激光器（又称激光二极管，LD）和半导体发光二极管（LED）两种。

光源的发光原理是通过正向偏置电流驱动，使半导体P区和N区的交界处（即PN结）产生粒子激励，电子及带电空穴在电流的驱动下往高能级跃迁，然后又从高能级回到低能级，同时释放一个光子，即实现其发光。其中LED利用注入有源区的载流子自发辐射复合发光，LD是受激辐射复合发光[2]。

半导体激光器适用于长距离大容量的光纤通信系统。尤其是单纵模半导体激光器，在高速率、大容量的数字光纤通信系统中得到广泛应用。发光二极管适用于短距离、低码速的光纤通信系统，其制造工艺简单、成本低、可靠性好。

2.光发射机

现代光发射机主要由以下几部分组成：信号放大电路、自动功率控制（APC）电路、自动温度控制（ATC）电路、微处理器及显示电路等。光发射机原理框图如图2-1所示。

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图2-1　光发射机原理框图

激光器的射频特性与器件的偏置电流关系很大。当偏置电流超过阈值时，光功率会线性增加。激光器的频率特性（如噪声、频响、失真）与光功率的平方根（超过阈值的偏置电流）成比例。光发射机中激光器的光输出功率必须非常稳定，否则必然会影响传输网络的稳定性。激光器的阈值电流、偏置电流和光输出功率都与激光器的工作温度有密切的关系，激光器的内部发热等因素都将使其性能大大降低。因此，自动功率控制电路和自动温度控制电路在保证光发射机正常工作中都起着非常重要的作用。当激光器的偏置电流大于其阈值电流时，加到激光器中激光二极管上的偏置电流与激光器的输出功率成一定的比例关系，在阈值以上的宽广电流范围内，激光二极管的输出光功率基本上正比于输入电流的变化，LD正是通过改变驱动电流来进行直接调制的。因此，自动功率控制电路就是利用激光器内的光电检测二极管（PD）来检测激光器的输出光功率的，并根据光电二极管的输出电流产生一个电压，把它与预置的参考电压进行比较，经过反馈控制电路驱动一个高稳定度的电流源，从而达到自动调节激光器的光输出功率的目的，保证激光器正常工作。当光功率增大时，控制电路促使激光器的驱动电流减小，使输出光功率减小。当光功率减小时，控制电路又使激光器的驱动电流增大，从而使输出光功率增大，一般情况下，输出光功率的波动不超过±2%。

激光器偏置电流的大小可通过调节直流参考电压来实现。除了直流供电电路外，光功率控制电路中还有两个附加电路。一个是慢启动电路。当光发射机开机时，这个电路使激光器的偏置电流经过3 s的时间由零增加到设定值，这样可以消除可能损坏激光器的瞬间冲击。另一个是限流器，它通过限流电路控制激光器电流的最大值。这样即使光电检测二极管坏了，也不会因激光器的偏置电流失去控制而毁坏激光器。

激光器的阈值电流、偏置电流、输出光功率与激光器的工作温度是密切相关的，温度的变化将使激光器不稳定，主要表现为：激光器的阈值电流随温度呈指数变化，从而使输出光功率发生很大的变化；随着温度的升高，激光器的外微分量子效率降低，从而使输出光功率发生变化；而且半导体激光器发射波长的峰值移向长波长。

为了保持激光器的工作状态，即阈值、偏置电流、输出光功率不变，消除温度变化和器件老化引起的影响，必须通过温控电路来控制电子制冷器的工作状态。

激光器内的热敏电阻是感温元件，它能提供激光器衬底温度的信息。当温度变化时，热敏电阻的阻值也随之变化。我们可以设定一个参考值与它进行比较，电压差经放大电路放大，向电子制冷器提供电流，电流是双向的。自动温度控制电路通过改变加到激光器内制冷器上的电流大小和方向，对激光器进行加热或制冷，从而控制激光器的工作温度，稳定激光器的输出功率。当激光器温度升高时，制冷器制冷，温度下降；当激光器温度降低时，制冷器加热，温度上升。温度控制电路可以将激光器的工作温度控制在（25±1）℃范围内，使光发射机的输出光功率在较大的温度范围内保持稳定。

光源与光发射机的关系

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