半导体激光器的自动功率控制_APC_功能模块

引言光纤传感器自20世纪70年代以来，以其具有的灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、安全可靠等特点取得了飞速的发展。

同时，这些特性也使它可以实现某些特殊条件下的测量工作，比起常规检测技术具有诸多优势，是传感技术发展的一个主导方向。

作为光纤传感器中关键的光学元件之一的光源，其稳定度直接影响着光纤传感器的准确度。

本文所涉及的光纤传感器采用的是半导体激光器光源，半导体激光器具有单色性好、方向性好、体积小、光功率利用率高等优点，但是，光功率输出受外界环境变化的影响较大。

因此，本文针对半导体激光光源的工作原理和特性，设计了一种简单可行的自动功率控制(APC)驱动电路，通过背向监测光电流形成反馈，实现恒功率控制。

并且，引入了慢启动电路，防止电源电压的干扰，使激光器不会受到每次开启电源时产生的过流冲击，延长了激光器的使用寿命。

经实验验证，该电路解决了激光器在使用中输出功率不稳定的问题，其稳定度优于0.5%，达到了较好的稳流效果。

1 光源的工作原理和特性目前，实际应用的光源有表面光发射二极管(LED)、激光二极管(LD)、超辐射二极管(SLD)、超荧光光源(SFS)等。

随着光纤传感技术的迅速发展，体积小、质量轻、功耗小、容易与光纤耦合的LD等半导体光源应用越来越广泛。

本文主要研究半导体LD的驱动设计。

1.1 LD发光机理分析LD的基本结构为：垂直于PN结面的一对平行平面构成法布里-珀罗谐振腔，它们可以是半导体晶体的解理面，也可以是经过抛光的平面。

其余两侧面则相对粗糙，用以消除主方向外其他方向的激光作用。

当半导体的PN结加有正向电压时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经PN结注入P区，空穴从P区经过PN结注入N区，这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为λ的光子，其公式λ=hc/Eg， (1)式中 h为普朗克常数;c为光速;Eg为半导体的禁带宽度。

如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。

10G XFP光模块设计文章介绍了应用于光网络系统的10 Gbit／s XFP(小型化可热插拔)光模块的基本原理以及光收发模块的设计，采用了CDR(时钟数据恢复)、A PC(自动功率控制)、LA(限幅放大器)和发射驱动集成的主芯片GN2010EA，与传统设计相比不仅降低了设计成本，而且降低了设计的复杂度。

测试结果表明，该模块在宽的温度范围内能保持稳定的光功率和消光比，并且指标满足ITU—T标准的要求，符合10 Gbit／s 光模块设计要求。

引言在光纤通信系统中，实现光／电／光转换功能的光收发模块占有十分重要的地位。

高速率(40、100 Gbit／s)技术已经成为各大运营商关注的焦点，但10 Gbit／s技术仍然是当前通信系统的主流技术，基于标准化的密集波分光通信模块成为其必不可少的一部分，10 Gbit／s XFP(ds型化可热插拔)光模块以其价格低、体积小和应用环境广泛等优点，已经成为10 Gbit／s光模块的主流产品。

本文将介绍兼容40和80 km 的10 Gbit／sXFP光模块的基本原理、低成本的设计方案，以及相关的测试(验证方案的可行性)。

这种设计采用CDR(时钟数据恢复)、APC(自动功率控制)、LA(限幅放大器)和驱动器集成的主芯片GN2010EA，减少了器件的数量，降低了制作工艺难度，达到了低成本的目的。

1 10 Gbit／s XFP光模块的设计1．1 模块功能框图图1所示为10 Gbit／s XFP光模块的基本结构框图。

模块的发射端(包括光发送子系统、主芯片、温控电路以及控制电路)采用输入均衡器、多速率CDR、EML(电吸收调制激光器)驱动器和APC集成的芯片驱动激光器实现电／光转换。

接收端(包括光接收子系统、主芯片以及控制电路)则采用APD(雪崩光电二极管)将探测到的光信号转换成电信号放大整形后输出。

模块中采用单片机控制发射驱动芯片，实现数字诊断功能。

1．2 发射部分发射电信号由主芯片GN2010EA 的TXDIP脚和TXDIN脚进入，经过主芯片发射部分的均衡器、CDR和EML驱动器，再由TXDOP脚和TXDON脚输出，进入TOSA(光发送子系统)进行电信号到光信号的转换。

图3 电容充放电模块电路图图1 激光器自动功率控制系统原理图图2 具有关断功能的阴极共地型激光器电流源2014.157PIN探测电流变大，从而导致反馈回路输出电压升高，直至高过比较器正端电压V SET后，比较器输出由低电平跳变为高电平，接着执行上述过程的反过程：电容放电、激光器功率减小，由此循环往复，最终稳定激光器发光功率。

恒流源半导体激光器的可靠稳定工作需为伏特，即当输入电压由0V变化到2.5V时，可实现激光器电流由0mA到250mA的线性变化。

电容充放电模块电容充放电模块是形成反馈回路、实现自动功率控制至关重要的一部分。

稳定激光器功率是通过微调流经激光器的电流实现的，这种微调功能的实现是需要某种自动起伏变化的而大电容的电压可了Q5通路，通路上的1k电阻可在电路停止工作后迅速对大电容放电。

为了对电容充放电过程进行定量分析，可将充放电电路等效成如图4所示的电路模型：假设在t=0时刻，U C=0，根据电路理论，易得电容电压U C随时间t的变化关系式为：(1exp(/))CU E t RC=−−（2）图4 电容充电与放电等效电路模型图图5 电容电压充放电过程仿真波形图带有PIN或PD光电探测器用于探测光强，光电探测器能够得到与检测光强成一定比例关系的电流信号，通过对该电流信号进行电压转换、放大处理即可得到实用的监测信号，这一过程可以体现于图6。

MAX4008是一款高精度电流检测芯片，在光纤应用中专门用于检测PD或PIN光电探测器的电流，它的REF引脚是参考电流输入引脚，OUT 引脚是检测电压输出引脚，其电压值大小与REF引脚电流成正比关系。

当REF参考电流在250nA到2.5mA范围内考电流值对应的输出电压范围是0.25mV~2.5V。

0.25mV~2.5V的电压值需要变换放大到所需要的电压范围，这通过由运算放大器A4组成的同相比例运算电路实现，如图6所示，其比例系数为1+R f/R。

注意到一点，MAX4008的输出电阻为10kΩ，而根据PIN、光强度等的不同，MAX4008的输出电压可能会低至几毫伏，为了防止输出电压在下一级输入会有衰减，在MAX4008与同相比例运算电路之间加一级电压跟随器，用于隔离，提高MAX4008“带实验结果与分析光电探测器选用S I E M E N SSRD00111Z硅PIN光电探测器来模拟激光器集成光电探测器，该光电探测器最高功率谱密度集中在800nm；作为实验，选用红色发光二极管（LED）来模拟激光器。

半导体激光器的驱动方式特点及工作原理半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件，想要更多了解半导体激光器，从以下的几方面了解。

一、半导体激光器的驱动方式半导体激光器的激励方法通常多采用电流注入形式，当注入电流大于阈值电流Ith时，辐射功率随电流的增加而迅速地增大。

因此，可以通过改变半导体激光器的注入电流来调整其输出的光功率。

而对半导体激光器进行控制，通常采用自动控制的方法，它包括恒电流控制(ACC)，恒功率控制(APC),电压恒定控制(AVC)。

在APC工作方式下，采用光电探测器(PD)接收一小部分激光功率并转化为监测电流，改监测电流经过测电流经过电流/电压转换后，通过APC反馈网络与设定值比较，从而形成闭环负反馈控制。

当激光输出功率受温度等因素影响发生变化时，该负反馈可控制光功率使其稳定不变。

AVC是特定场合下简单而又游泳的模式，当要求LD的驱动电压恒定时，可以采用此模式。

在ACC工作方式中，通过电流采样反馈为电流驱动单元提供有源控制，从而是电流漂流最小且使LD输出稳定性最大，与温度控制配合使用效果更好。

现如今常用的半导体激光设备工作用恒流源，主要是应用了场效应管的导通特性以及晶体管的对称连接镜像恒流原理来实现。

要得到稳定的输出，必须使注入电流稳定，这就要采用恒流源。

半导体激光器二、半导体激光器的工作原理1、高精度半导体激光器驱动电源系统的设计半导体激光器(LD)是一种固体光源，由于其具有单色性好，体积小，重量轻，价格低廉，功耗小等一系列优点，已被广泛应用。

LD是卵想的电子-光子直接转换器件，有很高的量子效率，微小的电流和温度变化都将导致其输出光功率的很大变化。

因此，LD的驱动...2、半导体激光器驱动器输出电路的设计特殊性能提出半导体激光器驱动电源的输出电路的设计方案。

1 半导体激光器驱动器的理论分析半导体激光器的应用广泛，因而其相应的驱动技术也显得越来越重要。

半导体激光器的驱动技术通常采用恒电流驱动方式，在此工作方式中，通过电学反馈控制回路，直接提供...3、半导体激光器℃，半导体激光器的发光强度会相应地减少1%左右，封装散热;时保持色纯度与发光强度非常重要，以往多采用减少其驱动电流的办法，降低结温，多数半导体激光器的驱动电流限制在20mA左右。

光纤实验报告班级姓名学号第一章：实验2 电光、光电转换传输实验'、实验目的1. 了解本实验系统的基本组成结构；2. 初步了解完整光通信的基本组成结构;3. 掌握光通信的通信原理。

.、实验仪器1. 光纤通信实验箱2.20M双踪示波器3. FC-FC单模尾纤1根4. 信号连接线 2 根三、基本原理本实验系统主要由两大部分组成：电端机部分、光信道部分。

电端机又分为电信号发射和电信号接收两子部分，光信道又可分为光发射端机、光纤、光接收端机三个子部分。

实验系统（光通信）基本组成结构（光通信）如下图所示：图1.2.1实验系统基本组成结构在本实验系统中，电发射部分可以是M序列，可以是各种线路编码（CMI、5B6B 5B1P 等），也可以是语音编码信号或者视频信号等，光信道可以是1310nmLD单模光纤组成，可以是1550nmLD+单模光纤组成，也可以是850nmLED多模光纤（选配）组成。

需要说明的是本实验系统中提供的两种工作波长的数字光端机，都是一体化结构。

光端机包括光发射端机TX （集成了调制电路、自动功率控制电路、激光管、自动温度控制等），光接收端机RX （集成了光检测器、放大器、均衡和再生电路）。

其数字电信号的输入输出口，都由铜铆孔开放出来，可自行连接。

一体化数字光端机的结构示意图如下：图1.2.2 一体化数字光端机结构示意图四、实验步骤1. 关闭系统电源，将光跳线分别连接TX1310、RX1310两法兰接口（选择工作波长为1310nm 的光信道），注意收集好器件的防尘帽 。

2. 打开系统电源，液晶菜单选择“码型变换实验一 CMI 码PN'。

确认，即在 P101铆孔输出32KHZ 的15位m 序列。

3. 示波器测试P101铆孔波形，确认有相应的波形输出。

4. 用信号连接线连接 P101、P201两铆孔，示波器A 通道测试TX1310测试点，确认有 相应的波形输出，调节 W201即改变送入光发端机信号（TX1310）幅度，最大不超过 5V 。

【通信技术】有线传输工程题集（有答案）[详细]有线传输工程第一章光纤通信基本理论一、填空题1、光纤通信中所使用的光纤是界面很小的可绕透明长丝,它在长距离内具有(束缚)和传输光的作用.2、光具有波粒二像性,既可以将光看成光波,也可以将光看作是由光子组成的(粒子流)3、波动光学是把光纤中的光作为经典(电磁场)来处理.4、光纤色散是指由于光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的,由于不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同,从而导致(信号畸变)的一种物理现象.5、在数字光纤通信系统中,色散使(光脉冲)发生展宽.6、波导色散主要是由光源的光谱宽度和光纤的(几何结构)所引起的.7、光纤的非线性可以分为两类,即受激散射效应和(折射率扰动)8、当光纤中非线性效应和色散(相互平衡)时,可以形成光孤子.9、单模光纤的截止波长是指光纤的第一个(高阶模)截止时的波长.10、单模光纤实际上传输两个(相互正交)的基模.二、单向选择题1、将光纤的低损耗和低色散区做到1450—1650n米波长范围,则相应的带宽为( B )A、2.5B、25C、5.0D、502、阶跃光纤中的传输模式是靠光射线在纤芯和包层的界面上( B )而是能量集中在芯子之中传输.A、半反射B、全反射C、全折射D、半折射3、多模渐变折射率光纤纤芯中的折射率是( A )的.A、连续变化B、恒定不变C、间断变换D、基本不变4、目前,光纤在( B )n米处的损耗可以做到0.2dB/n米左右,接近光纤损耗的理论极限值.A、1050B、1550C、2050D、25505、石英光纤材料的零色散系数波长在( B )n米附近.A、127B、1270C、227D、22706、普通石英光纤在波长( A )n米附近波导色散与材料色散可以相互抵消,使二者总的色散为零.A、1310B、2310C、3310D、43107、非零色散位移单模光纤也称为( D )光纤,是为适应波分复用传输系统设计和制造的新型光纤.A、G.652B、G.653C、G.654D、G.655三、多项选择题1、根据光纤横截面折射率分布的不同,常用的光纤可以分成( AB ).A、阶跃光纤B、渐变光纤C、单模光纤D、多模光纤2、光纤损耗因素主要有本症损耗、( A B C D )和附加损耗等.A、制造损耗B、连接损耗C、耦合损耗D、散射损耗3、光纤通信所使用的低损耗窗口是( A C )和1310n米波段.A、850n米波段B、1050n米波段C、1550n米波段D、2650n米波段4、根据色散产生的原因,光纤色散的种类主要可以分为(A BC).A、模式色散B、材料色散C、波导色散D、偏振模色散5、单模光纤可以分为( ABCD ).A、非色散位移单模光纤B、色散位移单模光纤C、截止波长位移单模光纤D、非零色散位移单模光纤四、判断题1、光纤是圆截面介质波导.(√)2、在多模阶跃光纤的纤芯中,光按曲线传输,在纤芯和包层的街面上光发生反射.(×)3、在渐变光纤中,光射线的轨迹是直线.(×)4、光纤的折射率分布采取双曲正割函数的分布,所有的子午射线具有完善的自聚焦性质.(√)5、材料色散引起的脉冲展宽与光源的光谱线宽和材料色散系数成正比.(√)6、偏振色散是由于实际的光纤总是存在一定的不完善性,使得沿着两个不同方向偏振的同一模式的相位常数β不同,从而导致这两个模式传输不同步,形成色散.(√)7、在高强度电磁场中光纤对光的影响会变成线性.(×)8、四波混频是指由2个或3个不同波长的光波混合后产生新的光波的现象.(√)9、为了保证单模传输,光纤的纤径较小,一般其芯径为4-10μ米.(√)10、由于光纤双折射的存在,将引起光波的偏振态沿光纤长度发生变化.(√)五、简答题1、简述光纤通信的特点.答:(1)频带宽,通信容量大;(2)传输损耗低,无中继距离长(3)抗电磁干扰(4)光纤通信串话小,保密性强,使用安全;(5)体积小,重量轻,便于敷设;(6)材料资源丰富.2、简述渐变光纤的折射率分布.答:渐变光纤横截面的折射率分布,包层的折射率是均匀的,而在纤芯中折射率则随着纤芯的半径的加大而减小,是非均匀、且连续变化的.3、简述光纤材料色散色定义及其引起的原因.答:由于光纤材料的折射率是波长λ的非线性函数,从而使光的传输速度随波长的变化而变化,由此而引起的色散叫材料色散.材料色散主要是由光源的光谱跨度所引起的,由于光纤通信中使用的光源不是单色光,具有一定的光谱宽度,这样,不同波长的光波传输速度不同,从而产生时延差,引起脉冲展宽.六、论述题1、阐述光纤受激散射效应定义,表现形式及其主要区别.(1)定义.受激散射效应是光通过光纤介质时,有一定能量偏离预定的传播方向,且光波的频率发生改变,这种现象称为受激散射效应.(2)表现形式.受激散射效应表现形式有两种,即受激布里渊散射和受激拉曼散射.这两种散射都可以理解为一个高能量的光子被散射成一个低能量的光子,同时产生一个能量为两个光子能量差的另一个能量子.(3)主要区别.两种散射的主要区别在于受激拉曼散射的剩余能量转变为光频声子,而受激布里渊散射转变为声频声子;光纤中的受激布里渊散射只发生在后向,受激拉曼散射主要是前向.受激布里渊散射和受激拉曼散射都使得入射光能量降低,在光纤中形成一种损耗机制.在较低光功率下,这些散射可以被忽略.当入射光功率超过一定阈值后,受激散射效应随入射光功率成指数增加.2、阐述光纤的折射率扰动所引起的各种非线性效应.答:折射率扰动主要引起自相位调制(SP米)、交叉相位调制(XP米)、四波混频(FW米)和光孤子形成四种非线性效应.（1）自相位调制.自相位调制是指光在光纤内传输时光信号强度随时间的变化对自身相位的作用.它导致光谱展宽,宠儿影响系统性能.（2）交叉相位调制.交叉相位调制是任意波长信号的相位受其它波长信号强度起伏的调制产生的.交叉相位调制不仅与光波自身强度有关,而且与其他同时传输的光波强度有关,所以交叉相位调制总伴有自相位调制.交叉相位调制会使信号脉冲谱展宽.（3）四波混频.四波混频是指由2个或3个不同波长的光波混合和后产生新的光波的现象.其产生原因是某一波长的入射光会改变光纤的折射率,从而在不同频率处发生相位调制,产生新的波长.四波混频对于密集波分复用(DWD米)光纤通信系统影响较大,成为限制其性能的重要因素.（4）光孤子形成.非线性折射率和色散间的相互作用,可以使光脉冲得以压缩变窄.当光纤中的非线性效应和色散间相互平衡时,可以形成光孤子.光孤子脉冲可以在长距离传输过程中,保持形状和脉宽不变.第二章光发送机与光接收机一、填空题1、(受激)辐射是半导体激光器的基本工作原理.2、半导体光源的核心是PN结,它由(高掺杂浓度)的P型半导体材料和N型半导体材料组成.3、半导体激光器产生稳定的激光振荡必须满足一定的条件,即阈值条件和(相位)条件.4、半导体激光器的激光振荡是由光栅形成的光耦合来提供,其基本原理是(布拉格)反射原理.5、半导体激光器的(P—I特性)是指它的输出功率P随注入电流I 的变化关系.6、半导体激光器把激励的电功率转换成(光功率)发射出去.7、发光二极管是非相干光源,它的基本工作原理是(自发)辐射.8、在光纤通信系统中,光发送机的任务是把(电端机)送来的电信号转变为光信号9、光发送机中的调制电路将电信号转变为(调制电流),以便实现对光源的强度调制.10、PIN光电二极管可以对一定波长范围内的入射光进行(光电转换),这一波长范围就是PIN光电二极管的波长影响范围.二、单项选择题1、为了获得高辐射度,发光二极管一般采用( D )结构.A、多同质B、双同质C、多异质D、双异质2、发光二极管的远场特性是距离器件输出端面一定距离的光束在( B )的分布.A、时间上B、空间上C、磁场上D、电场上3、光发送机技术指标中的消光比直接影响光接收机的灵敏度,从提高接收机灵敏度的角度希望消光比极可能大,消光比一般应大于( A )dB.A、10B、8C、6D、44、一般PIN光电二极管在入射光功率( D )毫瓦量级时,能够保持比较好的线性.A、高于B、略高于C、等于D、低于5、雪崩光电二极管特性中的量子效率只与初级光生载流子数目有关,不涉及倍增问题,故量子效率值总是( D ).A、大于1B、略大于1C、等于1D、小于16、在光纤通信中,光接收机再生电路的任务是把放大器输出的升余弦波形恢复成( B ).A、模拟信号B、数字信号C、电子信号D、光子信号三、多项选择题1、光纤通信中,光源的间接调制是利用晶体的( ABC )等性质来实现对激光辐射调制.A、电光效应B、磁光效应C、声光效应D、场光效应2、在光纤数字通信系统中,光发送机主要有( ABC )、光源及其控制电路.A、输入借口B、线路编码C、调制电路D、输出接口3、在光纤通信系统中编码调制是先将连续的模拟信号通过( ACD ),转换成二进制脉冲代码,再用矩型脉冲的有、无来表示信号.A、取样B、过滤C、量化D、编码4、雪崩二极管的响应速度主要取决于( ABC )等因素.A、载流子完成倍增过程所需要的时间B、载流子在耗尽层的渡越时间C、结电容和负载电阻的RC时间常数D、结电容和负载电感的LC时间常数5、光接收技术中的前置放大器一般可分为( ACD )等几种.A、低阻抗前置放大器B、无阻抗前置放大器C、高阻抗前置放大器D、跨阻抗前置放大器四、判断题1、光端机是光纤通信系统中的光纤传输终端设备,它们位于电端机和光纤传输线路之间.(√)2、半导体激光器的输出光功率不会随温度而变化.(×)3、半导体激光器中所允许的光场模式分为TE和T米两组.(√)4、由于光二极管输出的是自发辐射光,并且没有光学谐振腔,所以输出光谱要比半导体激光器窄得多.(×)5、光调制是用待发送的电信号控制光载波的某一参量,使之携带发送信息的过程,也就是完成电/光转换的过程.(√)6、对于半导体光源,其输出光功率与注入电流成反比.(×)7、激光器的发射心波长随温度的升高向长波长漂移.(√)8、受激吸收是半导体光检测器的基本工作原理.(√)9、光电二极管的线性饱和是指它有一定的功率检测范围,当入射功率太强的时,光电流和光功率将不成正比,从而产生非线性失真.(√)10、雪崩光电二极管是具有内部增益的光检测器,它可以用来检测微弱光信号并获得较大的输出光电流.(√)11、光接收机的主要作用是将经过光纤传输的微弱光信号转换成电信号,并放大、再生成原发射的信号.(√)五、问答题1、简述光纤通信中光接收机的主要作用.答:光接收机的主要作用是将光纤传输后的幅度被衰减的、波形产生畸变的、微弱的光信号变换为电信号.并对电信号进行放大、整形、再生后,再生成渝发送端相同的电信号,输入到电接收端机.2、简述半导体激光器的光谱特性.答:半导体激光器的光谱特性主要是激光器的纵模决定.激光器的光谱会随着注入电流而发生变化.当注入电流低于阀值电流时,半导体激光器发出的是荧光,光谱很宽;当电流增大到阀值电流时,光谱突然变窄,光谱中心强度急剧增加,出现了激光;对于单纵模半导体激光器,由于只有一个纵模,其谱线更窄.3、简述发光二极管的P—I特性.答:发光二极管不存在阀值,输出光功率与注入电流之间呈线性关系,且线性范围较大.当注入电流较大时,由于PN结的发热,发光效率降低,出现饱和现象.在相同注入电流下,面发光二极管的发输出功率比边发光二极管大.4、简述影响PIN光电二极管响应速度的主要因素.答:影响响应速度的主要因素有:结电容和负载电阻的RC时间常数、载流子在耗尽区里的渡越时间及耗尽区外产生的载流子的扩散时间.六、论述题1、阐述光纤通信心对光源的要求.答:(1)光源的发射波长应该与光纤的低损耗窗口一致,即为850n米、1310n米和1550n米的三个低损耗窗口.(2)光源有足够高的、稳定的输出光功率,以满足系统中继距离的要求,一般为数十微瓦至数微瓦为宜.(3)光源的光谱线宽要窄,即单色性好,以减小光纤色散对信号传输质量的影响.(4)调制方法简单,且要响应速度快,以满足高速率传输的要求.(5)电光转换效率要高.(6)能够在室温下连续工作,(7)体积小,重量轻,寿命长,工作稳定可靠.2、阐述半导体激光器控制电路中自动功率控制的手段和方法.答:(1)控制手段.要精确控制激光器的输出功率,应从两方面着手:一是控制激光器的偏置电流,使其自动跟踪阀值的变化,从而使激光器总是偏置在最佳的工作状态;而是控制激光器调制脉冲电流的幅度,使其自动跟踪外微分量子效率的变化,从而保持输出光脉冲信号的幅度恒定.(2)控制方法.自动功率控制方法有两种:一是通过光反馈来自动调整偏置电流的自动偏置控制方法;二是峰值功率/平均功率控制方法.3、阐述光纤通信系统对光检测器的要求.答:光检测器是把光信号变为电信号的器件,由于从光纤中传输过来的光信号一般是非常微弱其产生了畸变的信号,因此光纤通信系统对光检测器提出了非常高的要求.具体有求如下:一是在系统的工作波长上要有足够高的响应度,即对一定的入射光功率,光检测器能输出尽可能大的光电流;二是有足够高的响应速度和足够的工作带宽,即对高速光脉冲信号有足够快的响应能力.三是产生的附加噪声小;四是光电转换线性好,保真度高;五是工作稳定可靠,工作寿命长;六是体积小,使用简便.第三章光纤通信技术一、填空题1、光纤放大器分为稀土掺杂光纤放大器和利用(非线性)效应制作的常规光纤放大器.2、掺铒光纤放大器中的泵浦光源为信号光的放大提供足够的能量,它使处于低能级的Er3+被提高到高能级上,使掺铒光纤达到粒子数(反转)分布.3、掺铒光纤放大器中的同向泵浦是信号光与泵浦光以(同一方向)进入掺铒光纤的方式.4、掺铒光纤放大器中的反向泵浦是信号光与泵浦光从(两个不同)的方向进入掺铒光纤的方式.5、掺铒光纤放大器中的光耦合器的作用是将(信号光)和泵浦光合在一起,送入掺铒光纤中.6、光时分复用是指在光上进行时间(分割)复用.7、光时分复用技术中的高速光开关在逻辑上可以是一个全光的(与门)或者电/光脉冲控制的开关器件.8、光纤中的孤子是光纤色散与(非线性)相互作用的产物,服从非线性薛定谔方程,受光纤线性与非线性的支配.9、光纤通信技术中的光孤子源发出的光孤子应具有(双曲正割)型或高斯型的轮廓.10、光传送网是一种以(波分复用)与光信道技术为核心的新型通信网络传送体系.二、单项选择题1、半导体光放大器的增益一般在(A)dB.A.15~30B.45~60C.75~90D.115~1302、半导体光放大器的频带宽度一般为(B)n米.A.30~50B.50~70C.70~90D.90~1103、掺铒光纤放大器的工作波长为(B)n米波段.A.1350B.1550C.1750D.19504、掺镨光纤放大器的工作波长为(A)n米波段.A.1300B.1500C.1700D.19005、光纤拉曼放大器具有在(C)n米全波段实现光放大的优点.A.127~167B.270~670C.1270~1670D.2700~67006、掺铒光纤放大器具有较高的饱和输出功率,一般为(C)dB米.A.0.1~0.2B.1.0~2.0C.10~20D.100~200三、多项选择题1、掺铒光纤放大器的光路部分由(ABCD)和光滤波器组成.A.掺铒光纤B.泵浦光源C.光耦合器D.光隔离器2、光波分复用(WD米)系统的基本构成主要有(AB)几种形式.A.双纤单向传输B.单纤双向传输C. 双纤双向传输D. 单纤单向传输3、目前,光纤通信技术中的光网络节点主要有( AC )A、光分插复用器B、光分插连接器C、光交叉连接器D、光交叉复用器4、光传送网节点技术中的光交叉连接器的光交换单元可采用( AC )A、空间交换B、时间交换C、波长交换D、信号交换5、掺铒光纤放大器的泵浦形式有(ABC)A、同向泵浦B、反向泵浦C、双向泵浦B、三向泵浦四、判断题1、光纤通信在进行长距离传输时,由于光纤中存在损耗和色散,使得光信号能量降低光脉冲发生展宽.(√)2、光放大器不能直接放大光信号,需转换成电信号.(×)3、掺铒光纤放大器中的双向泵浦是同向泵浦和反向泵浦同时泵浦的方式.(√)4、常规光纤放大器是利用光纤的三阶线性光学效应产生的增益机制对光信号进行缩大.(×)5、双纤单向传输是指采用两根光纤实现连个方向信号传输,完成全双工通信.(√)6、单纤双向传输是指光通路在一根光纤中同时延两个不同的方向传输,此时,双向传输的波长相互分开,以实现彼此双方全双工的通信.(√)7、当进入光纤中的光功率较低时,光线可以认为是线性系统,其折射率可以认为是常数.(√)8、光纤孤子通信依靠光纤的线性和色散特性,实现传输过程中畸变光信号的分布式自整形.(×)9、在光网络中,信息流的传送处理过程主要在光域进行,由波长标识的信道资源成为层连网的基本信息单元.(√)10、WD米波分复用光传送网是用光波长作为最基本交换单元的交换技术,来替换传统交换节点中以时隙为交换单位的时隙交换技术.(√)五、简答题1、简述掺铒光纤放大器辅助电路部分的作用及其所包含的功能电路.答:辅助电路部分中的自动控制部分一般采用微处理器对EDFA的泵浦光源的工作状态进行监测和控制、对EDFA输入和输出光信号的强度进行监测,根据监测结果适当调节泵浦光源的工作参数,使EDFA工作在最佳状态.此外,辅助电路部分还包括自动温度控制和自动功率控制等保护功能的电路.2、简述光波分复用技术(WD米)的工作原理.答:WD米技术是在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术.其基本原理是在发送端将不同波长的信号组合起来(复用),送入到光缆线路上的同一根光纤中进行传输,在接受端又将组合波长的光信号分开(解复用),并作进一步处理,恢复出原信号后送入不同的终端,因此将此项技术称为光波长分割复用,简称光波风复用技术.3、简述光时分复用(OTD米)需要解俊的关键技术.答:从目前的研究情况看,实现OTD米需要解决的关键技术如下:（1）高重复率超短光脉冲源;（2）超短光脉冲的长距离传输和色散抑制技术;（3）时钟恢复技术;（4）光时分复用和解复用技术;（5）帧同步及路序确定技术;4、简述WD米光传送网的特点.答:(1)波长路由(2)透明性(3)网络结构的扩展性(4)可重构性(5)可扩容性(6)可操作性(7)可靠性和可维护性六、论述题1、阐述掺铒光纤放大器(FDFA)的应用形式答:(1)系统线路放大器.将FDFA直接接入光纤传输链路中作为在线放大器,或光中继器取代光—电—光中继器,实现光—光放大.可广泛应用于长途通信.越洋通信和CA TV分配网络等领域.(2)功率放大器.将EDFA接在光发射机的光源之后对信号进行放大.由于增加了入纤的光功率,从而可延长传输距离.(3)前置放大器.将EDFA放在光接受几的前面,可以提高光接收机的接受灵敏度.(4)LAN放大器.将EDFA放在光纤局域网络中用作分配补偿器,以便增加光节点的数目,为更多的用户服务.2、阐述光传送网中各子层的功能.答:(1)光信道层.光信道层负责为来自电复用段曾德不同格式的客户星系选择路由和分配波长,为灵活的网络选路安排光信道连接,处理光信道开销,提供光信道层的检测、管理功能,提供端到端的连接,并在故障发生时,通过重新选录或直接把工作业务切换到预定的保护路由来实现保护到缓和网络恢复.(2)光复用段层.光复用断层保证相邻两个波长复用传输设备间多波长复用光信号的完整传输,为多波长信号提供网络功能.主要包括:为灵活的多波长网络选路重新安排光复用段功能;为保证多波长光复用段适配信息的完整性处理光复用段开销;为段层的运行和维护提供光复用段的检测和管理功能.(3)光传输段层.光传输段层为光信号在不同类型的光媒质(如G.652、G.655光纤)上提供传输功能,同时实现对光放大器或中继器的检测和控制功能等.通常会涉及的问题是:功率均衡问题,EDFA增益控制问题和色散的积累和补偿问题.第四章传送网技术一、填空题1、传送网可分层电路层、通道层和(传输媒质)层三个子层2、SDH帧结构中的耿告诫同步传送模块有基本模块信号ST米-1的(N倍)组成.3、SDH帧结构可分乘(段开销),ST米-N净负荷和管理单元指针三个基本区域.4、SDH帧结构中的短开销是指为保证信息正常、灵活、有效地传送所必须附加的(字节),主要用于网络的运行、管理、维护及指配.5、SDH帧结构中的信息净负荷指的是可真正用于电信业务的(比特)6、SDH帧结构中设置了两种开销,分别是段开销和(通道)开销.7、在SDH网络基本传送模块ST米-1中,E1和E2字节用于提供(公务联络)语声通路.8、在SDH网络基本传送模块ST米-1中,K1和K2字节用作(APS)指令.9、在SDH网络基本传送模块ST米-1中米1字节用来传送BIP-N*24所检出的(差错块)个数.10、SDH的通用复用映射结构中,具有一定频差的各种支路的业务信号要想复用进ST米-N帧,都要经历映射、(定位校准)和复用三个步骤.11、SDH基本单元中的虚容器是用来支持SDH(通道层)连接的信息结构.12、SDH网络基本单元中的支路单元是一种提供低阶通道层和(高阶)通道层之间适配功能的信息结构.13、SDH网络基本单元中的管理单元式提供高阶通道层和(复用段)层之间适配功能的信息结构.14、在SDH网络中,映射是一种在SDH网络边界处,把支路信号适配装入相应(虚容器)的过程.15、SDH网络中的分差复用器是利用(时隙交换)实现宽带管理.二、单项选择题1、SDH网络中最基本的模块为ST米-1,传输速率为(A)米bit/s.A.155.520C.466.560D.622.0802、SDH技术中采用的帧结构属于块状帧结构并以字节为基础,传输一帧的时间125μs,每秒共传(D)帧.A.600B.800C.6000D.80003、SDH帧结构中的管理单元指针位于帧结构左边的第(C)行.A.2B.3C.4D.54、SDH同步传送基本模块中的定帧字节共有(B)个A1和A2,其目的是尽可能地缩短同步建立时间.A.4B.6C.8D.105、SDH同步基本传送基本模块中的F1字节是为特殊维护目的而提供临时的数据/语声通路连接,其速率为(C)Kbit/s.A.16B.32C.64D.1286、SDH映射单元中,容器C-12的速率为(B)米bit/s.A.1.600B.2.176C.6.784。

光功率自动控制电路摘要:介绍一种采用美国B-B公司三个放大器INA114、OPA177和OPA547构成的光功率自动控制电路。

该电路具有集成度高、元件少、造价适中、性能稳定的特点。

并已在实际应用中取得良好效果。

关键词:仪表放大器电压跟随器功率自动控制光纤通讯 INA114 INA177 OPA547在光纤通讯系统中,光发送电路主要由光源驱动器、光源(主要是半导体光源,包括LED、LD等)、光功率自动控制电路(APC)、检测器、温度自动控制(ATC)以及告警电路等部分组成。

其组成结构如图1所示。

要使半导体激光器克服供电电源波动、器件老化等因素的影响,确保激光器输出功率稳定,就必须设计自动功率控制(APC)电路。

1 激光器的调制及背光耦合为了方便进行自动功率控制,通常半导体激光器内部将激光器LD与背向光检测器PIN集成在一起,其典型工作特性如图2所示。

根据背向光检测器PIN对LD的耦合特性(见图3)可设计适当的外围电路,以完成对LD的自动光功率控制。

2 三个主要器件由于工作需要,我们选用美国B-B公司生产的三种运算放大器INA114、OPA177和OPA547为光发射机设计了自动功率控制(APC)电路,该电路具有集成度高、元件少、造价适中、性能稳定的特点,实际应用效果较果,现介绍如下:INA114是一种低价格、小体积的通用仪表放大器,精度较高。

由于在产生中采用了激光工艺,从而使INA114具有非常低的失调电压(50μV)和温漂(0.25μV/?)以及很高的共模抑制比(G=1000时为115dB),工作电压可以以低至?2.25V,很适合于电池供电的便携式仪器或采用+5V供电的系统中,静态电流最大为3mA。

采用8脚塑料或陶瓷DIP封装或16脚贴面封装形式,工作温度范围为-40?,+85?。

其8脚封装的引脚排列如图4所示。

OPA177是一个精密双极性运算放大器,它个有非常低的失调电压(?10μV)和温漂(0.1μV/?)。

电路设计规范（Circuit Design Specification）Horse Premieropto 2007-08-15目录1. 目的 (3)2. 适用范围 (3)3. 定义 (3)4. 职责 (3)5. 工作程序 (3)1. 目的对研发过程中的电路设计进行规范，降低设计风险，缩短设计周期。

确保最终设计满足设计意图和需求定义。

2. 适用范围公司光电转换产品电路设计。

3. 定义ES：电原理图，Electrical Scheme DesignAPD：雪崩光电二极管，Avalanche PhotodiodeEDA：电子辅助设计，Electronic Design AutomationPRD：产品需求定义，Product Requirement DefinitionSFP：Small Form-Factor Pluggable TransceiversXFP：10 Gigabit Small Form Factor Pluggable Module4. 职责硬件工程师在进行电子线路设计时可参照本规范。

5. 工作程序电子线路的设计主要包括以下几个方面的工作：电子器件库的建立和维护；电原理图的录入；电原理图的原理验证和设计规则检测；设计评审；5.1 电子器件库电子器件库一般来说EDA工程师统一建立，管理和维护，以确保原理器件库和封装器件的正确对应，及电气特性、器件封装的确定性和完整性。

如果有必要，要求电子工程师一起讨论，并最终建立完整的封装库，有新的封装要求不断加入。

5.2 电原理图的录入产品需求定义以及产品的详细设计说明书可作为原理图设计的依据与输入。

按照功能可将光电转换模块分解为以下部分：电接口部分激光器驱动电路数字监控电路自动光功率控制电路直流升压电路电路设计规则按照以上划分进行细化，可作为设计参考。

不同的光电转换产品有不同的需求，进行电路设计时应根据产品需求定义或产品详细设计说明书灵活处理。

光模工作原理介块简目录摘要 (2)关键词 (2)1 引用的文档和参考标准说明 (2)2 缩写说明 (2)3 正文 (2)摘要以SFP光模块为例，介绍光模块内部的组成和工作原理。

关键词SFP光模块1引用的文档和参考标准说明2缩写说明SFP：Small Form-factor Pluggable 小型化可插拔3正文光模块是我们群路科都要用到的PHY层的器件，虽然封装，速率，传输距离有所不同，但是其内部组成基本是一致的。

SFP收发合一Transceiver因其小型化，热插拔方便，支持SFF8472标准，模拟量读取方便（IIC读取），且检测精度高（+/-2dBm以内）而逐渐成为运用的主流，下面就以SFP光模块为例，介绍其内部的组成和相关的工作原理。

SFP内部结构图SFP光模块的内部结构：由上图可见，光模块主要部分是由光发射组件，激光驱动器，光接收组件（L16.2光模块光接收部分使用APD接收机，还需要升压电路），限幅放大器和控制器组成的。

驱动芯片和限幅放大器一般都支持从155Mb/s到2.67Gb/s多速率。

速率不同，传输距离不同的光模块有很多只是前端光组件的差别，高速率SFP光模块BOM成本的90％都集中在光组件上。

由上图还可以看出，为了保证上电顺序，SFP光模块的金手指部分的长度是不一样的，最长的是信号地，其次是电源，最短的是信号，这样在插拔的时候就保证了地－电源－信号的顺序。

光发射组件 TOSA（Transmiter Optical Sub-Assembly）：常用的光发射组件由两大类，一类是采用发光二极管LED封装的TOSA，一类是采用半导体激光二极管LD封装的TOSA。

前者谱线宽，耦合效率低（虽然LED可以发出几毫瓦的光功率，但是方向性差，能耦合到光纤中用于传输的部分只占1％－2％），但是价格低，使用寿命长，在低速短距的情况下还是有少量的运用，常用于百兆以太网多模光纤中短距离的数据传输，波长一般是1300nm。

光模块工作原理简介目录摘要 (2)关键词 (2)1 引用的文档和参考标准说明 (2)2 缩写说明 (2)3 正文 (2)4 附录 ................................................................................................................................... 错误!未定义书签。

摘要以SFP光模块为例，介绍光模块内部的组成和工作原理。

关键词SFP光模块1引用的文档和参考标准说明2缩写说明SFP：Small Form-factor Pluggable 小型化可插拔3正文光模块是我们群路科都要用到的PHY层的器件，虽然封装，速率，传输距离有所不同，但是其内部组成基本是一致的。

SFP收发合一Transceiver因其小型化，热插拔方便，支持SFF8472标准，模拟量读取方便（IIC读取），且检测精度高（+/-2dBm以内）而逐渐成为运用的主流，下面就以SFP光模块为例，介绍其内部的组成和相关的工作原理。

SFP内部结构图SFP光模块的内部结构：由上图可见，光模块主要部分是由光发射组件，激光驱动器，光接收组件（L16.2光模块光接收部分使用APD接收机，还需要升压电路），限幅放大器和控制器组成的。

驱动芯片和限幅放大器一般都支持从155Mb/s到2.67Gb/s多速率。

速率不同，传输距离不同的光模块有很多只是前端光组件的差别，高速率SFP光模块BOM成本的90％都集中在光组件上。

由上图还可以看出，为了保证上电顺序，SFP光模块的金手指部分的长度是不一样的，最长的是信号地，其次是电源，最短的是信号，这样在插拔的时候就保证了地－电源－信号的顺序。

光发射组件 TOSA（Transmiter Optical Sub-Assembly）：常用的光发射组件由两大类，一类是采用发光二极管LED封装的TOSA，一类是采用半导体激光二极管LD封装的TOSA。

了解一款产品，重点在于每个IC的具体原理及功效，以及外围电路的匹配。

我司SFP产品所用芯片，主要有三类：激光器驱动、探测器限放、IIC通讯。

其他IC还有稳压芯片、升压芯片、比较器，以及单片机MCU等等。

三大类芯片，也许会有各自的不同型号，但其原理都大同小异。

所以我们就以MAX3738为例，了解一下产品的工作原理。

下图为MAX3738内部及其外部电路的原理框图：可以看到，该芯片的主要功能，就是APC和ERC功能，以及信号的调制。

APC功能APC功能较为简单。

器件的背光探测器将所检测到的光信号强度，转换为响应电流（也就是背光电流）并输送给芯片。

而芯片内部则是做一个背光电流的镜像，通过这个镜像电路电流的变化，来控制给激光器的偏置电流，从而保证背光电流的稳定。

而背光电流的稳定，在器件自身稳定的情况下，也就保证了输出光功率的稳定。

在此，提一下器件的TE测试。

器件的TE测试，就是在恒定背光电流的前提下，去看前光功率的变化。

而在此状态下的前光功率变化，因素可能有以下几个方面：A、光路耦合效率的高低温变化B、LD自身的前光与后光功率比例变化C、PD监测效率变化D、PD响应电流的效率变化E、…TE性能差的器件，根据不同的原因，也会有可能影响到模块消光比。

比方说使用了芯片K系数补偿的模块，在背光变化的情况下，芯片的APC功能则会改变Ibias，从而K系数补偿的调制电流也同样发生了变化，导致消光比的变化；即使没有K系数不错的模块，也会因为眼图的整体上移（或下移）而导致功率和消光比变化。

参考芯片资料，我们可以得到以下APC相关的推算公式：P avg=SE×(I bias−I th)（交流耦合）P avg=SE×(I bias+12×I mod−I th)（直流耦合）P avgI m=ρmon（背光监控效率）I m=12×V refR apc以上，是可以从芯片资料上直接得到的计算公式。