光纖通信網(wǎng)中光發(fā)射機的設(shè)計

樊曉宇 (安徽科技學院機電與車輛工程學院, 安徽 鳳陽 233100)

光纖通信網(wǎng)中光發(fā)射機的設(shè)計

樊曉宇 (安徽科技學院機電與車輛工程學院, 安徽 鳳陽 233100)

光發(fā)射機能為光纖傳感器提供光源，能將傳感信號以光信號的形式直接發(fā)送到光纖通信網(wǎng)上，同時將通信信號發(fā)送到光線通信網(wǎng)中。闡述了光發(fā)射機的結(jié)構(gòu)和功能，提出了光發(fā)射機關(guān)鍵裝置的設(shè)計方法。仿真試驗表明，該光發(fā)射機能使頻率響應(yīng)的調(diào)制帶寬達到3GHz，可用于光通信中模擬信號或數(shù)字信號的光發(fā)射和光纖傳感器信號的光發(fā)射。

光發(fā)射機；通信信號；傳感信號；DFB激光器

在光纖通信網(wǎng)中使用光纖傳感器需要配置光源，且傳感信號的調(diào)制、傳輸和轉(zhuǎn)換等都需要各種光器件，這使得光纖傳感器的實際應(yīng)用受到一定限制，難以發(fā)揮其優(yōu)勢。針對上述情況，在光纖通信網(wǎng)中可以使用光發(fā)射機，該裝置采用外調(diào)制和內(nèi)調(diào)制2種方式對模擬或數(shù)字信號進行調(diào)制，再將通信信號發(fā)送到光纖通信網(wǎng)絡(luò)中進行傳輸。基于上述情況，筆者設(shè)計了一種光發(fā)射機，該裝置能為光纖傳感器提供寬帶光源，也能將傳感信號發(fā)送到光纖通信網(wǎng)中進行傳輸，還能將其他通信信號發(fā)送到光纖通信網(wǎng)，且傳感信號和其他通信信號相互之間沒有影響。

1 光發(fā)射機的結(jié)構(gòu)

圖1 光發(fā)射機結(jié)構(gòu)圖

光發(fā)射機由分布反饋式(DFB)激光器及其控制電路、耦合器、通信信號處理電路、傳感信號處理電路和光波分復(fù)用器構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，通信信號處理電路主要由光控制器、平衡橋干涉型(BL)調(diào)制器、預(yù)失真電路、分光器等器件構(gòu)成；傳感信號處理電路主要由光控制器、光纖傳感器接口及外圍設(shè)備和信號調(diào)理設(shè)備構(gòu)成。DFB激光器及其控制電路通過耦合器和光控制器為BL調(diào)制器和光纖傳感器接口及外圍設(shè)備提供高功率、寬帶和穩(wěn)定的光源輸入。

2 光發(fā)射機的功能

2.1通信信號處理

采用外調(diào)制式BL調(diào)制器將通信射頻(RF)電信號調(diào)制為光信號，發(fā)送到光纖通信網(wǎng)中進行傳輸。RF電信號經(jīng)由放大器、預(yù)失真電路和驅(qū)動電路加到BL調(diào)制器上，對光控制器輸入到BL調(diào)制器的光信號調(diào)制。BL調(diào)制器輸出為隨RF電信號變化的光信號，受激布里淵散射(SBS)抑制電路用以保障BL調(diào)制器的工作穩(wěn)定，BL調(diào)制器有2路光信號經(jīng)2個分光器輸入到光波分復(fù)用器，然后發(fā)送到光通信網(wǎng)，同時從BL調(diào)制器輸出的2路被調(diào)制光信號經(jīng)2個分光器取出，每路的部分光信號經(jīng)檢測器進入組合二階互調(diào)(CSO)和組合三階差拍(CTB)控制電路。

2.2傳感信號處理

傳感信號處理電路能為光纖傳感器提供寬帶光源，并可將傳感信號發(fā)送到光纖通信網(wǎng)中進行傳輸。通過光纖傳感器接口及外圍設(shè)備為光纖傳感器提供寬帶光源，由被測量產(chǎn)生的傳感信號，經(jīng)過信號調(diào)理設(shè)備發(fā)送到光波分復(fù)用器，進入光網(wǎng)絡(luò)傳輸，到達遠處的終端，在上述過程中不需要光/電/光的轉(zhuǎn)換，同時可在本地觀測傳感信號。

3 關(guān)鍵裝置的設(shè)計

3.1DFB激光器的設(shè)計

該光發(fā)射機使用由單導體材料銦鎵砷磷作為激活物質(zhì)制成的DFB激光器，它能產(chǎn)生中心波長為1550(±16)nm的激光。設(shè)計中使用的DFB激光器提供的光源被耦合器分成2路：一路經(jīng)光控制器為BL調(diào)制器提供光源；另一路經(jīng)另一光控制器為光纖傳感器接口及外圍設(shè)備提供光源。光源被耦合成2路，對DFB激光器的光功率、頻率和帶寬的要求較高，因而要采用電路控制。同時，由于DFB激光器對溫度敏感，因而采用自動溫度控制(ATC)電路和自動功率控制(APC)電路來穩(wěn)定輸出光信號，從而DFB激光器達到穩(wěn)定工作狀態(tài)。

圖2 ATC控制電路框圖

利用DFB激光器內(nèi)背光探測器反饋光電流構(gòu)成APC控制電路，調(diào)整DFB激光器偏置電流，使其輸出光功率恒定。ATC控制電路框圖如圖2所示，DFB激光器帶有負溫度系數(shù)的熱敏電阻，制冷電路檢測熱敏電阻阻值并和設(shè)定的阻值進行比較，通過比例積分微分控制器(PID)網(wǎng)絡(luò)反饋方式控制TEC制冷器的工作電流，從而使激光器保持恒溫[1]。由于DFB激光器功率較大，TEC制冷器需要消耗較大電流，故使用脈寬調(diào)制電路(PWM)控制器推動MOSFET驅(qū)動器來提高電路效率。

3.2通信信號處理電路的設(shè)計

圖3 BL調(diào)制器結(jié)構(gòu)圖

1)BL調(diào)制器最佳偏置點的確定 光發(fā)射機的外調(diào)制方式采用BL調(diào)制器[2]，將1550nm光源輸入到BL調(diào)制器，利用偏置電極對BL調(diào)制器加偏置，通過VRF加較小的射頻電信號，就可在BL調(diào)制器輸出端輸出強度已調(diào)制的光信號，調(diào)制頻率可達100GHz。相位調(diào)制器是為擴展1550nm光發(fā)射機的SBS門限而設(shè)置的。BL調(diào)制器可減少插入損耗，能提供2個光輸出端口，有獨立的VRF和偏置電極，如圖3所示。

BL調(diào)制器輸出光的強度受調(diào)制電壓控制，其功率-電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系為:

(1)

式中，P±為BL調(diào)制器的2個輸出端口光功率，兩者反相；P0為BL調(diào)制器輸出的平均光功率；Vπ為半波電壓；Φb為偏置相位；V為加在調(diào)制器的射頻電壓。

若輸入電壓信號V為未調(diào)制載波信號和直流偏置電壓VB相加，即:

(2)

式中，ωi為角頻率；φi為隨機相位，i=1,2,…,N；V0是電壓的幅度。

令m=πV0/Vπ，ΦT=πVB/Vπ+Φb，經(jīng)歸一化處理，可得一個輸出端口的光功率為:

(3)

由式(3)可知，含m項的線性項是傳送信號，含m2項是CSO分量，含m3項為CTB分量是非線性項。當ΦT=0時，直流偏置電壓VB滿足VB=Vπφb/π，理論上可消除CSO，即BL調(diào)制器輸出信號中沒有二次失真，此時的BL調(diào)制器偏置點為最佳偏置點，有利于通信信號的傳輸，但是偏置相位φb不穩(wěn)定,由此導致最佳偏置點也不穩(wěn)定。同時，ΦT=0時,CTB達到最大。因此,使用BL調(diào)制器時，要采取措施抑制CTB的影響，控制方法是通過引入導頻進行自動電平控制。

圖4 BL調(diào)制器預(yù)失真補償電路圖

2)BL調(diào)制器預(yù)失真補償方法 由于在合適偏置下只存在奇數(shù)階失真，因而BL調(diào)制器的預(yù)失真補償主要是對奇數(shù)階失真進行改善，其原理是將RF電信號先經(jīng)過一個非線性電路進行信號處理，然后將處理后的信號送入BL調(diào)制器進行調(diào)制，如果非線性電路對RF電信號產(chǎn)生的CTB失真正好與BL調(diào)制器的CTB項大小相等，相位相反，則CTB失真項相互抵消，輸出端得到無失真的輸出[3]。在預(yù)失真電路設(shè)計中，選用寄生電抗小的非線性器件，以確保在很寬的頻率范圍內(nèi)響應(yīng)平坦。BL調(diào)制器預(yù)失真補償電路的實現(xiàn)方法如圖4所示。

在直流偏置下，流過預(yù)失真補償電路的電流表示為:

(4)

式中，Is為二極管的反向飽和電流；VB和VN分別為圖4中上、下2個隔直電容的電壓；VT為溫度電壓當量值；N是電路中每一支路的二極管數(shù)。

若IB是沒有信號時流過二極管的電流，當V=VN時 ，則:

(5)

式(5)是預(yù)失真補償電路電壓與電流的關(guān)系式。在實際應(yīng)用中，當N=4時，預(yù)失真補償電路的CSO和CTB非線性補償性能的仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，該預(yù)失真補償電路使光發(fā)射機在整個寬頻帶3GHz內(nèi)的CSO<-68dBc、CTB<-65dBc，其工作狀態(tài)穩(wěn)定。

圖5 CSO和CTB的補償性能特性曲線

3)受激布里淵散射的抑制方法 受激布里淵散射是由于光源能量和光纖中分子發(fā)生非彈性碰撞產(chǎn)生的斯托克斯波，當光纖的功率超過幾毫瓦(受激布里淵散射閾值)時，就會形成一個長光柵向光源反射功率，使正向傳輸光功率受到極大衰減和激光振蕩產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，因而對光發(fā)射機會產(chǎn)生嚴重影響。所以，必須采取措施抑制受激布里淵散射，采用的方法是在BL調(diào)制器上加高頻信號，對光信號進行相位調(diào)制，使光信號產(chǎn)生很小的線性展寬以提高受激布里淵散射功率閾值，使光信號產(chǎn)生的失真小于-70dBc[4]。

4)頻率響應(yīng)補償方法 對BL調(diào)制器前端射頻信號放大器頻響特性設(shè)計，可以對BL調(diào)制器頻響特性進行補償，使BL調(diào)制器在3GHz以內(nèi)的頻率響應(yīng)特性呈現(xiàn)出平坦特性。當放大器、預(yù)失真電路以及BL調(diào)制器級聯(lián)時，可調(diào)整放大器的頻率響應(yīng)特性，對BL調(diào)制器頻率響應(yīng)進行補償，以達到整個級聯(lián)結(jié)構(gòu)整體在3GHz帶寬內(nèi)滿足1.5dB帶內(nèi)波動。

4 性能仿真

BL調(diào)制器輸出的光強度受調(diào)制電壓的控制，其功率-電壓仿真特性曲線如圖6所示。由圖6可知，BL調(diào)制器的輸出光功率在調(diào)制電壓為2～6V的區(qū)間上基本成線性，該線性區(qū)間使光發(fā)射機工作在寬帶、線性狀態(tài)，這是調(diào)制電壓調(diào)制BL調(diào)制器輸出光強度的理想?yún)^(qū)間和BL調(diào)制器偏置點穩(wěn)定的區(qū)間。對于發(fā)射信號，BL調(diào)制器的最佳偏置點應(yīng)在ΦT=0的點，即功率-電壓仿真特性曲線上電壓為4V的點上，在該點附近，BL調(diào)制器的轉(zhuǎn)換特性為奇函數(shù)，互調(diào)失真的偶次項可以忽略。

對光發(fā)射機的構(gòu)成系統(tǒng)進行帶寬特性仿真，得到相應(yīng)波長下光發(fā)射機系統(tǒng)的調(diào)制帶寬特性曲線(見圖7)。由圖7可知，該光發(fā)射機能使頻率響應(yīng)的調(diào)制帶寬達到3GHz，這比一般光發(fā)射機調(diào)制帶寬有所提高，改善了光發(fā)射機帶寬性能，因而適用于通信信號和傳感信號的光發(fā)射。

圖6 BL調(diào)制器的功率-電壓仿真特性曲線 圖7 光發(fā)射機的調(diào)制帶寬特性曲線

5 結(jié) 語

針對光線通信網(wǎng)中的光發(fā)射機進行設(shè)計，通過該裝置將通信信號與傳感信號同時發(fā)送到光纖網(wǎng)絡(luò)中，并使傳感信號在光纖通信網(wǎng)中進行傳輸。研究表明，該光發(fā)射機能使頻率響應(yīng)的調(diào)制帶寬達到3GHz，這比一般光發(fā)射機調(diào)制帶寬有所提高。由于改善了光發(fā)射機帶寬性能，因而該裝置適用于通信信號和傳感信號的光發(fā)射。

[1]王明明,王景國,朱少林,等.寬帶外調(diào)制模擬光發(fā)射機的設(shè)計[J].光通信技術(shù)，2007,31(8):29-30.

[2]汪杰君.光纖通信系統(tǒng)中光發(fā)射機的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008(1): 68-69.

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10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.09.039

TN929.1

A

1673-1409(2012)09-N111-04

2012-06-17

樊曉宇(1981-)，男，2006年大學畢業(yè)，助教，現(xiàn)主要從事通信系統(tǒng)設(shè)計以及信息與信號處理方面的教學與研究工作。

[編輯] 李啟棟