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光通訊主動元組件導論

光通訊主動元組件導論. 單元 1. 簡介光通訊元組件 單元 2. 光與物質的交互作用 單元 3. 光源 — 發光二極體及半導體雷射 單元 4. 光放大器 單元 5. 光接收 — 檢光器 單元 6. 光調變技術 單元 7. 光發射與接收器 單元 8. LD/LED/PD 模組耦合與構裝. 單元 7. 光發射與接收器. 光發射器 對光發射器之要求 光發射器之組成 LD 的自動功率與溫度控制電路 其它保護、監測電路 光接收器 光數位接收器組成 前置放大器與輔助電路. 龔祖德 編撰.

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光通訊主動元組件導論

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  1. 光通訊主動元組件導論 • 單元1. 簡介光通訊元組件 • 單元2. 光與物質的交互作用 • 單元3. 光源—發光二極體及半導體雷射 • 單元4. 光放大器 • 單元5. 光接收—檢光器 • 單元6. 光調變技術 • 單元7. 光發射與接收器 • 單元8. LD/LED/PD模組耦合與構裝

  2. 單元7. 光發射與接收器 • 光發射器 • 對光發射器之要求 • 光發射器之組成 • LD的自動功率與溫度控制電路 • 其它保護、監測電路 • 光接收器 • 光數位接收器組成 • 前置放大器與輔助電路 龔祖德 編撰

  3. 在光纖通訊系統中，光發射器之作用是將電信號轉變成光信號，再送入光纖線路中傳輸。 光發射器 龔祖德 編撰

  4. 要有合適的輸出光功率： 光發射器之輸出光功率，通常是指耦合進入光纖之功率，亦稱入纖功率。入纖功率越大，可通信之距離就越長，但光功率太大也會使系統工作在非線性狀態，對傳輸將產生不良影響。因此，應要求光源有合適的光功率輸出，一般在0.01~5 mW。 對光發射器之要求 龔祖德 編撰

  5. 要有較好之消光比(Extinction ratio) ： 做為一個被調變之好光源，希望在”0”碼時沒有光功率輸出，否則它將使光纖系統產生雜訊，使得接收機之靈敏度降低。因此，一般要求rex  10%。 龔祖德 編撰

  6. 調變特性要好： 所謂調變特性好，即要求調變效率和調變頻率要 高，以滿足大容量、高速率光纖通迅系統之要求。目前LD可以實 現之最高調變頻率為40 GHz 龔祖德 編撰

  7. ATC 電信號 碼型變換 光纖 編碼 驅動 光源 均衡 擾碼 定時 光監測 APC 警告輸出 輸入部 發射部 光發射器之組成 龔祖德 編撰

  8. 均衡器(Equalizer) 對於使用不同速率之光端機，CCITT規定了一系列使用之數位碼型，以北美1.544 Mb/s為基群速率之數位系列為例，各碼速(Bit rate)所規定的碼型如表所示。由PCM端機送來之HDB3或CMI碼，首先要進行均衡，用以補償由電纜傳輸所產生之衰減和畸變，以便正確譯碼。 輸入部各部份功能 龔祖德 編撰

  9. 碼型變換 由均衡器輸出之HDB3碼(三階高密度雙極性碼)或CMI碼(傳號反轉碼)，前者是三值雙極性碼(+1、0、-1)，而後者是歸零碼(RZ)，在數位電路中為處理方便，需通過碼型變換電路將其變換為非歸零碼(NRZ)。 輸入部各部份功能 龔祖德 編撰

  10. 擾碼(Scrambler) 若信號碼流中出現長串”0”或”1”之情況，將帶來定時信號之提取困難，為避免這種狀況發生，就需加一擾碼電路，它可有規律的破壞長串”0”和”1”之碼流，而達到”0”和”1”等機率出現，擾碼以後之信號再進行線路編碼。 輸入部各部份功能 龔祖德 編撰

  11. 定時提取 由於碼型變換和擾碼過程都需要以定時信號做為依據，因此在均衡電路之後，由定時提取電路提取出定時信號，供給碼型變換和擾碼電路使用。 輸入部各部份功能 龔祖德 編撰

  12. 編碼 如上所述，經擾碼後之碼流，儘量使得”0”和”1”之個數均等，這樣便於接收端提取定時信號。另外為便於不間斷業務之誤碼監測，在實際光纖通訊系統中，都要對經過擾碼以後之信碼流進行編碼。經編碼以後就變為適合在光纖線路中傳輸之線路碼型。 輸入部各部份功能 龔祖德 編撰

  13. 驅動 光源驅動電路是光發送部之核心。它用編碼以後之數位信號來調變光源之發光強度，而完成電/光轉換之工作。當使用不同光源時，由於LD和LED之L-I特性不同，因此驅動之方式也不同。下圖為LED之一般驅動電路形式。 發射部各部份功能 龔祖德 編撰

  14. LED 5K 2K T1 10f T2 75 3K 100 10 -5V 100pf LED之類比驅動電路 龔祖德 編撰

  15. 上圖基本上是電晶體A類放大電路，電晶體和LED都偏置在其線性工作區，LED此時成為電晶體T2集極之負載，其集極電流Ic就是LED之偏置電流，T2發射極電阻Re引入之負回饋，用來穩定其偏置電流。上圖基本上是電晶體A類放大電路，電晶體和LED都偏置在其線性工作區，LED此時成為電晶體T2集極之負載，其集極電流Ic就是LED之偏置電流，T2發射極電阻Re引入之負回饋，用來穩定其偏置電流。 龔祖德 編撰

  16. +Vcc T1 Vin T2 R2 R1 C1 LED LED之數位驅動電路 龔祖德 編撰

  17. 上圖中所示之數位驅動電路中，電晶體T1和T2接成達林頓(Darlington)電路，共集極接法、射極輸出，用做低阻抗驅動器，其中之並聯元件R1、C1是用來加快開關速率，一般之傳輸速率可達100 Mb/s。 龔祖德 編撰

  18. 前面提過，臨界電流會隨LD之老化或溫度之升高而增加，這樣會使得輸出光功率發生變化。為了穩定輸出光功率，就必須採用APC和ATC電路來穩定LD之臨界電流。前面提過，臨界電流會隨LD之老化或溫度之升高而增加，這樣會使得輸出光功率發生變化。為了穩定輸出光功率，就必須採用APC和ATC電路來穩定LD之臨界電流。 自動光功率控制電路之形式很多，通常可利用一個PIN檢光器監測LD之背向光(Back beam)，測量其輸出光功率的大小，並以此控制LD之偏置電流，這樣構成一個負回饋廻路，達到穩定輸出光功率之目的，如下圖所示。 自動光功率控制(APC)和自動溫度控制(ATC)電路 龔祖德 編撰

  19. 保護電路 LD LD偏置與調變電路 + A7 PIN A1 A8 SD1 + - A3 - A2 C3 C1 C2 + + SD2 + A4 A5 A6 - - C4 LD的自動功率控制電路 龔祖德 編撰

  20. 圖中LD後鏡面所發出的光，由PIN檢光器探測後轉換成光電流，然後分兩路輸出。一路送至低漂移之直流放大器A1，另一路送至寬帶交流放大器A2。A1的輸出信號與LD之平均光功率Pav成比例。A2的輸出又分兩路，一路送至由蕭特基二極體SD1和C3組成之正峰-峰值檢波器，然後進入放大器A3，這樣A3的輸出信號就和(Pmax-Pav)成比例。A2之另一路輸出，經由SD2和C4組成之負峰-峰值檢波器後，送到放大器A4，A4的輸出信號則和(Pav-Pmin)成比例。圖中LD後鏡面所發出的光，由PIN檢光器探測後轉換成光電流，然後分兩路輸出。一路送至低漂移之直流放大器A1，另一路送至寬帶交流放大器A2。A1的輸出信號與LD之平均光功率Pav成比例。A2的輸出又分兩路，一路送至由蕭特基二極體SD1和C3組成之正峰-峰值檢波器，然後進入放大器A3，這樣A3的輸出信號就和(Pmax-Pav)成比例。A2之另一路輸出，經由SD2和C4組成之負峰-峰值檢波器後，送到放大器A4，A4的輸出信號則和(Pav-Pmin)成比例。 龔祖德 編撰

  21. A3和A4的輸出又加到比較器A5之同號端，於是A5之輸出信號就和(Pmax-Pmin)成比例。放大器A6是一個電流源，它的輸出用來控制脈衝調變電流振幅，可見A5的輸出經A6放大後，脈衝調變電流之振幅就被回饋回來之光脈衝振幅(Pmax-Pmin)所控制。A3和A4的輸出又加到比較器A5之同號端，於是A5之輸出信號就和(Pmax-Pmin)成比例。放大器A6是一個電流源，它的輸出用來控制脈衝調變電流振幅，可見A5的輸出經A6放大後，脈衝調變電流之振幅就被回饋回來之光脈衝振幅(Pmax-Pmin)所控制。 龔祖德 編撰

  22. 對LD偏置電流之控制由放大器A8完成。A1和A4的輸出加到放大器A7之異號端，其差和Pmin成比例。該信號加到電流源放大器A8後就可控制偏置電流。對LD偏置電流之控制由放大器A8完成。A1和A4的輸出加到放大器A7之異號端，其差和Pmin成比例。該信號加到電流源放大器A8後就可控制偏置電流。 溫度變化也會造成LD之臨界電流變化和光譜之特性變化，一般還需加上ATC控制電路使LD之溫度恒定在20oC左右。下圖所示為ATC電路之基本原理圖。 龔祖德 編撰

  23. -5.2V R1 R3 R2 B - T + A R1 Thermistor RT TEC RC LD之自動溫度控制電路 龔祖德 編撰

  24. 圖中熱敏電阻(Thermistor)RT和電阻R1、R2和R3構成一個電橋。在某一選定之溫度下，電橋處於平衡狀態。當RT由於LD之溫度變化而變化時，電橋失去平衡，其A、B兩端將有電壓輸出。該電壓通過運算放大器放大，再通過功率放大電晶體去控制流過熱電冷卻器(TE Cooler)RC之電流，以改變冷卻狀態，從而控制LD之溫度。 龔祖德 編撰

  25. 光源過流保護電路：為使光源不致因通過大電流而損壞，一般可在光源兩端反向並聯一蕭特基二極體，以防止反向衝擊電流過大。光源過流保護電路：為使光源不致因通過大電流而損壞，一般可在光源兩端反向並聯一蕭特基二極體，以防止反向衝擊電流過大。 無光告警電路：當光發射器電路出現故障，或輸入信號中斷，或是光源失效時，這時延遲告警電路將發出告警指示。 LD壽命告警：光發射器中之LD光源，隨著使用時間之增長，其臨界電流亦隨之增大。因此，LD之偏流也將通過APC電路之調整而增加，一般認為當偏流大於原始值之3~4倍時，光源之壽命即將完結，由於這是一個緩慢過程，所以發出延遲維修告警信號。 其它保護、監測電路 龔祖德 編撰

  26. 光接收器是光纖通訊系統中之一重要組成部份，目前實用光纖通訊系統中，主要是以數位傳輸為主。在電視信號傳輸系統上則基於成本理由，目前還是使用類比傳輸，但在未來寬頻整合服務數位網路(B-ISDN)中，所有的傳輸系統勢將走向數位化，這裡就介紹光纖數位接收器。光接收器是光纖通訊系統中之一重要組成部份，目前實用光纖通訊系統中，主要是以數位傳輸為主。在電視信號傳輸系統上則基於成本理由，目前還是使用類比傳輸，但在未來寬頻整合服務數位網路(B-ISDN)中，所有的傳輸系統勢將走向數位化，這裡就介紹光纖數位接收器。 光接收器 龔祖德 編撰

  27. 光信號 前置 放大器 解 碼 解 擾 編 碼 主放大器 檢光器 均衡器 判決器 輸 出 至 電端 機 自動增益 控制電路 時鐘恢復電路 接收部 輸出部 光數位接收器組成 龔祖德 編撰

  28. 檢光器 前面提過，檢光器之作用是利用光電二極體將由發射光端機經光纖傳送之光信號轉變為電信號。目前在光纖通訊中廣泛使用的檢光器有PIN和APD兩種半導體光電二極體。 接收部 龔祖德 編撰

  29. 前置放大器 在圖中之放大器是和檢光器緊接相鄰的，故稱為前置放大器。在一般之光纖通訊系統中，經由檢光器輸出之電流是十分微弱的，如前面所提過之PIN檢光器之輸出電流只有幾個nA，為使光接收機之判決電路正常工作，就必須將這微弱之電信號透過多極放大器進行放大。 接收部 龔祖德 編撰

  30. 放大器在將信號放大之過程中，放大器本身之電阻將會引入熱雜訊(Thermal Noise)，放大器中之電晶體則會引入散彈雜訊(Shot noise)。不僅如此，在多級放大器中，後一級放大器會將前一級放大器輸出信號和雜訊一起放大。因此對多級放大器之前級就應要求是低雜訊高增益的，如此才能得到較大之信雜比。 龔祖德 編撰

  31. 前置放大器可以是由雙極性電晶體(BJT)來構成，如下圖所示。其中Rs是雙極性電晶體之偏置電阻和檢光器的偏置電阻之並聯電阻。前置放大器可以是由雙極性電晶體(BJT)來構成，如下圖所示。其中Rs是雙極性電晶體之偏置電阻和檢光器的偏置電阻之並聯電阻。 並聯電阻所產生之熱雜訊為= 上式kB為波茲曼常數，T為絕對溫度，B為光接收器之帶寬。因此為了減小前置放大器之雜訊，應該使Rs越大越好，但是，輸入電阻加大後，又使得輸入端之時間常數RC加大，因而導致放大器之高頻特性變壞，使帶寬變窄。 龔祖德 編撰

  32. +V PIN BJT Rs 前置放大器 雙極性電晶體共發射極前置放大器 龔祖德 編撰

  33. 為保證接收器有低的雜訊，又有寬的帶寬，在光纖通訊接收機中最廣泛使用的就是利用場效電晶體(FET)組成之換阻抗前置放大器，它是由高阻抗放大器中加了一負回饋電阻Rf所構成，如下圖所示。為保證接收器有低的雜訊，又有寬的帶寬，在光纖通訊接收機中最廣泛使用的就是利用場效電晶體(FET)組成之換阻抗前置放大器，它是由高阻抗放大器中加了一負回饋電阻Rf所構成，如下圖所示。 場效電晶體換阻抗前置放大器 龔祖德 編撰

  34. +Vb -5V +15V Vout PIN FET -15V -5V Rf 前置放大器 場效電晶體換阻抗前置放大器 龔祖德 編撰

  35. if Rf Va A Vin Vout CT ia i0 RL 場效電晶體換阻抗前置放大器等效電路 龔祖德 編撰

  36. 圖中Rf為負回饋電阻，由於RL一般很大，因此可以認為放大器之輸入電阻是Rf等效到輸入端之值，即Rin= Rf/A，A為放大器之電壓增益。此時之截止頻率為﹕ 龔祖德 編撰

  37. 由於Rf < RL，與高阻抗放大器之頻寬相比，換阻抗放大器之頻寬要大得多，至少大A倍。反饋電阻Rf之引入，在高阻抗放大器上亦增加了一個熱雜訊源，當Rf  RL時，放大器之主要雜訊則是由Rf所決定，隨Rf之增加，這種雜訊將隨之減小，但也使得帶寬減小。因此Rf之選擇應兼顧雜訊和頻帶兩個因素。 龔祖德 編撰

  38. 主放大器 主放大器之作用有兩方面： (1) 它可將前置放大器輸出之信號放大到判決電路所需之信號位準。 (2) 它亦是一個增益可調節之放大器。當檢光器輸出之信號出現起伏時，透過光接收機之自動增益控制電路對主放大器之增益進行調整，以使主放大器之輸出信號振幅在一定之範圍內不受輸入信號之影響。 接收部 龔祖德 編撰

  39. 均衡器 均衡器之作用是使經過均衡器以後之波形成為有利於判決之波形。經過均衡以後之波形具有在本碼判決時刻波形之瞬時值應為最大值，和本碼之波形的拖尾在鄰碼判決時刻之瞬時值為零之特點。這樣，即使經過均衡以後的輸出波形仍有拖尾之狀況，但是這個拖尾在鄰碼判決之關鍵時刻恰好為零，因此這種拖尾就不會干擾鄰碼之判決。下圖中之判決時刻TB、2TB、3TB…可以看出均衡前後之差別。 接收部 龔祖德 編撰

  40. 龔祖德 編撰

  41. 判決器和時鐘恢復電路 判決器和時鐘恢復電路合起來構成脈衝再生電路。脈衝再生電路之作用是將均衡器輸出的信號恢復為”0”或”1”之數位信號。 為使均衡器之輸出信號判決出是”0”碼還是”1”碼，首先要設法知道在什麼時刻進行判決。亦即應將混在信號中之時鐘信號(或稱為定時信號)提取出來。接著再根據給定的判決臨界位準，按照時鐘信號所指定之瞬間來判決由均衡器送來之信號。若信號位準超過判決臨界位準則判為”1”碼；若低於臨界位準則判為”0”碼。這樣就將均衡器輸出之脈衝信號恢復再生為”0”、”1”碼信號。 接收部 龔祖德 編撰

  42. 上述之信號恢復過程波形圖可以從圖中看出來。上述之信號恢復過程波形圖可以從圖中看出來。 龔祖德 編撰

  43. 自動增益控制 光接收器之自動增益控制，是利用回饋環路來控制主放大器之增益。在採用APD的接收器中還可透過控制APD之高壓來控制APD之雪崩增益。當信號強時，則透過回饋環路使增益降低；當信號變弱時，則透過回饋環路使增益提高，以使得送到判決器中之信號維持穩定，以利判決。顯然，自動增益控制之作用是為了增加光接收器之動態範圍。 接收部 龔祖德 編撰

  44. 解碼、解擾電路 為使信碼能夠以高質量在光纖中傳輸，光發射器輸出之信號是經過擾碼、編碼處理的。這種信號經過光纖傳到接收器後，還將送入PCM系統中，因此還需將上述經過擾碼、編碼處理的信號進行復原工作，也就是要解碼、解擾。 輸出部 龔祖德 編撰

  45. 箝位(Clamp)電路：為使輸入至判決器之信號穩定，在判決器前面一般還加有箝位電路，它的作用是將已均衡後之波形的振幅底部箝制在一個固定的電位上。箝位(Clamp)電路：為使輸入至判決器之信號穩定，在判決器前面一般還加有箝位電路，它的作用是將已均衡後之波形的振幅底部箝制在一個固定的電位上。 溫度補償電路：由於光接收器環境溫度變化時，APD之增益將發生變化，因而使接收器之靈敏度發生變化。為儘可能減少這種變化，就需要給APD之偏壓加上溫度補償電路，使APD之偏壓隨溫度產生相應之變化。 告警電路：當輸入至光接收器之光信號太弱或無光信號時，則由告警電路發出告警信號。 輔助電路 龔祖德 編撰

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