光發射機的原理

用光波傳輸電視信號和數據信息是20世紀末發展起來的一門新的科學技術，它的出現使世界信息產業得到了飛速發展，現在光纖傳輸技術正以超出人們想像的速度發展，其光傳輸速度比10年前提高了100倍，在今后的發展中估計還要提高100倍左右。隨著光纖傳輸技術的不斷發展，在光域上可進行復用、解復用、選路、交換，網絡可利用光纖的巨大帶寬資源，增加網絡的容量，實現多種業務的“透明”傳輸。
??? 光傳輸系統主要由光發射機、光接收機、光分路器和光纖電纜及其它器件組成。

??? 一 光纖傳輸光信號的基理
???? 光傳輸是在發送方和接收方之間以光信號形態進行傳輸的技術。光傳輸電視信號的工作過程是在光發射機、光纖和光接收機三者之間進行的; 在中心機房的光發射機把輸入的RF電視信號變換成光信號，它由電/光變換器(Electric-Optical Transducer，E/O)完成，變換成的光信號由光纖傳輸導向接收設備(光接收機)接收，光接收機把從光纖中獲取的光信號變換還原成電信號。因此光傳輸信號的基理就是電/光和光/電變換的全過程，也稱為光鏈路。
???? 目前光傳輸方式采用光強度調制。如采用激光器的光發器件發出相位一致的所謂相干光，因此采取了使發光強度整體發生變化的調制方式，它利用了輸出光功率對應于電/光變換器輸入信號電流的變化而線性變化的特性。
???? 在光/電變換器(Optical-Electric Transducer，O/E)中，輸出正比于輸入光信號強度的電流，光/電變換器的輸出電流波形因而與電/光變換器輸入電流波形相似，達到了信號傳輸的目的。
???? 那么，光纖又是如何導向光信號的呢？目前有線電視系統使用的光纖是圓柱體的光纖，它由光纖圓柱體和包層組成，是石英玻璃材料。包層起著把光嚴密地封閉在光纖內的作用，保護纖芯，增強光纖本身的強度。而纖芯的作用是傳輸光信號。纖芯和包層雖然都是石英玻璃材料生產而成，但在生產時對兩者的摻雜成份有區別，因而導致了所產生的折射率大小不同(纖芯為1.463~ 1.467，包層為1.45~1.46)，當然也與所采用的材料不同有關。當激光器發射的光源進入纖芯后，光入射到包層界面時，只要入射角大于臨界角，就會在纖芯內產生全反射，光不會漏射到包層中，這樣聚入到纖芯內的光信號就會不間斷地傳播下去，直到導向光接收機為止。這個過程就是光信號在光纖中傳輸的基理。

???? 二 光傳輸中產生的失真
???? 光在光纖中傳輸時，也會產生一些失真，產生失真的原因有以下幾點:?
???? (1)在光纖傳輸系統中，由于半導體激光器的電/光轉換特性的非線性，使輸出的光信號與激勵電流的變化不一致導致了失真，它稱為調制失真。調制指數M值不允許太大，選擇高性能、預失真處理技術強的光發射機很有必要，預失真處理技術是利用人為的設計產生預失真改善調制線性，達到消除和減輕光纖傳輸系統中CSO與CTB的目的。
???? (2)在光傳輸系統中，由于驅動RF放大器和接收RF放大器產生失真的機會很小，線性PIN光電二極管因信號電平不太高，產生的微小失真可不計，而它的主要原因來自于半導體激光器調制特性的失真和光纖的色散。
????? (3)激光器在光強度調制時，光的波長會發生變化，出現附加頻率調制，使信號頻率展寬，出現啁啾效應 ，主要表現為CSO失真。
???? (4)光纖的色散特性會使不同波長的群時延發生差異，形成到達終端的時間會先后不一致所引起的失真，主要是CSO失真。
???? 在光纖傳輸系統中產生的失真主要是CSO失真，而CTB失真的程度遠比CSO失真小，為了確保系統的傳輸質量，使系統載噪比和失真性能處于合理的范圍之內，采取的措施一般利用CNR指標來平衡CSO、CTB指標。如果增加或者減小CNR值1dB，那么CSO就會惡化或者改善1dB，CTB指標就會惡化或者改善2dB。

???? 三 光發射機的工作原理
???? 光發射機中最重要的光器件就是半導體激光器，實際上它是一只激光二極管(Laser Diode，LD)，當然也有不使用激光二極管，而是使用半導體發光二級管(Light Emitting Diode，LED)的。
???? 1310nm光發射機一般采用直接調制方式(殘留邊帶—幅度調制，VSB-AM方式)，它的功能是把電信號轉換成光信號，它通過外部電路改變注入激光器的電源來實現。它設置的偏置電路能為激光器提供最佳偏置工作電源，偏置電流不同，激光器就會有不同的功率輸出，為確保穩定的輸出光功率，應設計光功率和激光器溫度的自動控制電路，如采用微電腦達到自動控制光發射機的最佳工作狀態。
???? 激光器正在廣泛地用作光振蕩器(即發光器件)，它是依靠本身所成的激光器媒質材料的能量狀態與光的相互作用工作。
???? 為使激光器工作，必須有一定大小的電流，這一電流的大小與光強度之間有一定關系，當增加電流時，光的強度急劇增加，這一點說明激光器已開始工作，這個使激光器開始工作的電流叫門限電流，它越小越好，因為這已經能使激光器開始工作，如再繼續增加門限電流，就會形成輸出的飽和區，飽和區的電流達到一定值后，就會使傳輸信號的質量下降甚至損壞激光二極管，對于光纖傳輸所需功率來講，在線性區域有數兆瓦的輸出功率滿足遠距離傳輸信號和信息的要求。光的傳輸質量除光強的量以外，還與光譜和噪聲等問題有一定關系。
???? 多波長的光譜對高質量的模擬信號的傳輸是不太適合的，即使以單模方式來工作，它的發光譜線也有寬度，寬度越窄，光波變得越純，越會成為時間相干，即相干性好的光波。相干性好的光波不需用透鏡和其它器件將它會聚成小的光點，也越適合光纖的入射。

???? 四 光接收機的工作原理?
???? 光接收機的主要部件是光檢測器，也就是高靈敏度的光電二極管(PIN)，光電二極管利用半導體的光電效應完成對光信號的檢測工作，使光信號還原成RF電視信號，然后對RF信號進行放大，以及AGC電平控制等處理后輸出合格的RF信號供網絡分配。
???? 光接收機的主要技術是C/N、C/CTB、C/CSO。這三大技術指標又都是由光電轉換模塊的性能所確定，在相同光功率輸入的情況下，轉換輸出的RF電平就有大小之分，當光電模塊轉換效率高時，它的輸出電平高，所帶來的C/N值指標也好，反之，C/N值指標變差。而C/CSO、C/CTB兩項技術指標由光電模塊的線性度而定，高質量的光電模塊在C/CSO、C/CTB指標相同的情況下，允許更寬的接收功率范圍。

???? 五 光器件的發展前景
???? 隨著寬帶網的光纖傳輸技術不斷更新，多功能業務的不斷完善，對光器件和光纖的傳輸特性的要求越來越高，光纖取代銅線的時代終究要來臨，隨著信息時代腳步聲的來臨，光傳輸技術的發展前景非常廣闊。

???? 來源：《世界寬帶網絡》 易維善先生

光發射機的選擇與使用

?光發射機是光纜傳輸系統的核心設備。它的作用是將輸入光發射機的射頻有線電視電信號進行光調制，實現電、光轉換（E/O），并向光纜系統發送連續、穩定、可靠的光信號。現市場上銷售的光發射機種類：按其調制方式不同，分為直接調制光發射機和外調制光發射機兩種。直接調制光發射機多用于1310nm光纖系統，外調制光發射機多用于1550nm光纖系統。無論是直接調制還是外調制的光發射機，其核心部件是激光器組成。?
????一、直接調制激光發射機?
????1、組成?
????直接調制光發射機的組成，除核心部件DFB激光器組件外，還有電源、激光器偏置電路、激光器慢起動電路、過載保護電路和驅動保護電路、功率控制和致冷控制電、光檢測電路、失真補償電路、光檢測器（PIN）芯片（用于光功率檢測和自動功率控制），用于雙向自動溫度控制（ATC）的半導體致冷器和熱敏電阻等。?????
????2、工作過程?
????光發射機的輸入信號是電視射頻（RF）信號。在前端，多路RF信號經多路混合器混合成一路信號后，送入光發射機輸入端，經過前置放大器放大后，進行電控衰減，并還進行預失真補償和自動功率電平控制，再去驅動激光器芯片進行電/光調制，將電信號轉變成光調制信號。輸出端加一個光隔器，可大大減少由光纜傳過來龍去脈光反射波對激光器的影響。光信號通過光活動接頭送入光纜，通過光纜把光信號傳送至各光點。?
????可看出，激光器的發射功率和非線性失真依賴于偏置電流（IO），故光發射機設置激光器的偏置電路和預失真補償電路，來保證非線性指標和發射輸出的穩定。??????
????激光器的溫度升高，將使門限值增大，飽和輸出光強下降，P-I特必曲線的直線段范圍減小（即2自動態范圍減小）為了保證光發射機始終正常工作，必須保證激光器在恒溫（一般是25℃）條件下工作。光發射機器的用于雙向自動溫度控制（ATC）的半導體制冷器和熱敏電阻是保證激光器工和在25℃恒溫條件下。?
????光發射機中有微處理器，其芯片中存儲有激光器的最佳工作狀態數據，對激光器可進行慢啟動并可以自動斷開射頻電視驅動電流，以保護激光器。光發射機前面板上的各種開關都是通過微處理器控制的。?
????溫度的變化和器件的老化都會引起激光器閥值電流和光電轉換效率的變化，若想精確控制激光器的光輸出功率，應從兩個方面著手解決：一是控制激光器的偏流，使其自動跟蹤閥值電流的變化，保證激光器總是工作在最佳偏置狀態；二是控制激光調制電流的幅度，使其自動跟隨電、光轉換效率變化而變化。自動功率控制完成以上兩項任務，以保證激光器輸出精確光功率。?
????二、外調制光發射機?
????外調制光發射機由外調制器、激光器、激光控制電路、調制控制電路、微處理器、預失真電路、光檢測器、RF信號衰減器、放大器、電源等組成。
????三、直接調制和外調制兩種光發射機的比較?
????直接調制型發射機多用于DFB激光器，DFB激光器線性好，可以不用預失真電路的補償而獲得較好的CTB值和CSO值，但由于直接調制存在附加的頻率調制，非線性失真指標（特別是CSO值）很難做到很高。
DFB發射機性能穩定，結構簡章，價格低廉，所以被普遍選用。??
????直接調制型光發射機的功率一般不可太大，在18nw以內，因此，限制了傳輸距離，一般用于本地分配網和鄉鎮級光纜傳輸網。該類型光發射機多用于1310nm光纖網中，1310nm光纖衰減是0.35db/km，故最大傳輸距離不超過35公里。??

????外調制光發射機：輸出功率大，可達2×20mw以上（兩路輸出），噪聲小，又無類似LD的附加頻率調制和光纖色散特性復合產生的cso失真。因此，常用于遠距離傳輸或大型有線系統中。外調制光發射機一般用YAG激光器，YAG激光器采用外調制后，線性很差，必須使用預失真電路來補償。由于它色散較少，故YAG光發射機很適合1550nm波長光纖，多用于1550nm光纖網中。YAG光發在1550nm光纖網中，可用用放大中繼，1550nm光纖衰減又小（0.25db/km），所以，YAG光發射機可用超遠距離傳輸。外調制光發射機用在1310nm光纖網中，傳輸距離可達50公里，也比直接調制型光發射機傳輸距離迅。但外調制型光發射機價格高，近距離傳輸的光纖網很少選用外調制光發射的。??

????四、光發射機的技術指標??

????光發射機的技術指標是選擇光發射機的依據，光發射機的性能參數好環直接影響整個有線電視系統技術指標的好環。???

????五、光發射機的選擇??

????了解和掌握光發射機的組成、工作原理和性能參數，對于有線電視技術人員是非常重要的，因為只有掌握了光發射機的基本工作原理和技術性能指標，才能有效合理選用光發射機和搞好日常維護。??

????現在國外、國內生產光發射機的廠很多，光發射機品牌類別更多，性能指標和單機價格也相差很大，進行合理選型對保證光纖網質量和降低建網成本有較大好處。較高的性能價格比、可靠質量保證體系、良好的售后服務保障是選擇光設備應遵循的原則。??

????1、選用有國家入網證和經過廣電總局檢測合格的產品。??

????2、合理選用1310nm和1550nm光工作波長的光發射機。鄉鎮級光纖網傳輸距離近最好選用1310nm波長光發射機，投資少，對于傳輸距離迅、光點又比較多的光纖網，選用1550nm波長光發射機為好，總投資要比1310nm光設備網的少。??

????3、激光器是光發射機的核心器伯，在選購光發射機，首先要重視激光器的選用，用戶可指定選用奧特爾、朗訊、富士通等激光器。??

????4、考察光發射機的性能參數，觀看機內的生產工藝水平。??

????5、根據對光纖網的設計計算出的所需總功率，合理組合確定光發射機的臺數和各臺光發射機的輸出功率，如經計算光網需10mw2臺，12mw1臺，用戶就選購10mw光發機2臺，12mw1臺。??

????6、光發射機功率瓦數大小確定之后，主要看光發射機鏈路損耗。??

????從數學關系，功率數值與鏈路損耗數值是對應可互換關系，如把6.5mw可換算為8.13dbm，若知道鏈路損耗數值是8.13dbm，可對應換算為6.5mw。?

但光發射機輸出功率與光發鏈路損耗之間沒有對應換算關系。光發射機的鏈路損耗dbm值僅與使用器件和制造時的技術有關。就是說6mw光發射機的鏈路損耗特性，不一定是7.78dbm，可能是8dbm或是9dbm。不同廠家，由于采用的技術、元件加工工藝不一樣，相同功率的光發射機鏈路損耗就不一樣。就是同一廠家，由于元件和加工工藝不一樣，相同功率發射機鏈路損耗也不一定一樣。所以在選擇光發射機時，不能只看功率數值，不關心鏈路損耗值，應是功率數為參考，主要是看光發射機的鏈路損耗數值。必須在相同傳輸頻道數，相同C/N、CTB、CSO指標條件下，比較不同廠家生產光發機的鏈路損耗。如A廠家生產8mw的光發射機鏈路損耗為9dbm，而B廠家生產8mw的光發射機鏈路損耗為10dbm。我們就應選用B廠家生產的8mw光發射機。??
????7、從鏈路損耗方面考慮使用小于10mw的光發射機比較好，盡量少用大于16mw的光發射機。??

????8、注意性能價格比，選用質量好、價格又比較便宜的光發射機。??

????9、選用售后服務好的廠家或公司。??

????六、光發射機的使用與保養??

????1、首先讀好廠家給的使用說明書，按產品說明書安裝、調試、使用光發射機。??

????2、通電前應把光發射機外殼良好接地。??

????3、保證光發射機有連續不間斷，電壓穩定的正常供電電源。??

????光發射機的激光器組件和光電轉換模塊最忌瞬間脈沖電流的沖擊，因此，在使用中一定要避免或減少頻頻開關機，以確保激光器的使用壽命。??

????4、一旦激光器進入工作狀態，人眼切不可直視光發射機后面板上的光輸出口，以免激光器燒壞人眼視網膜。??

????5、正確選擇射頻信號的輸入電平。DFB光發射機的RF驅動電平直接決定光發射機的調制度，同時也決定了C/N、CTB、CSO值的大小。如果，加入光發射機的RF電平達大，會引起光調制度m值增大，將劣化CTB、CSO非線性指標，還會造成DFB激光器的過驅動，導致光發射機輸出功率下降；輸入電平過小，使光調制度降低，導致光發射機的載噪比指標不能滿足需求。所以，正確選擇RF驅動電平，是保證光纖傳輸網各項指標的關鍵。不同廠家生產的光發射機要求RF驅動電平是不相同，所以應根據廠家產品說明書來設置發射機的輸入RF電平。若產品說明書，只給一定范圍電平值（如75-85db），則根據網絡傳輸頻道數確定RF值，如果傳輸頻數N>40，取RF值為76-78dB;若30
????6、保持機房有一整潔、防潮、散熱的工作環境，有條件機房最好安裝空調。??

????7、在安裝光活動接頭時，先用酒精棉球迫擦拭光發射機輸出口和連接插頭，然后將光纖插頭的突棱對準光發輸出口的缺口，將螺絲旋到底，不要過緊也不要太松，確保兩插頭對準接觸良好。?

8、接通電源開始進入正常工作狀態后（工作正常時發射機面板上緣燈亮，不正常時告警紅燈亮），按前面板上的TEST（檢測）按鈕，看LCD顯示屏，依次順序檢查激光器的工作相關的狀態。??

????a、設備型號??

????b、POWEP（功率）：顯示激光器輸出功率。若用戶訂購是8mw；顯示應是8mw（實際有小數）。??

????c、TEMP（溫度）：標稱讀數為25℃±3℃。??

????d、BIAS（偏置）：顯示激光器偏流（mA），發射機的功率不同，顯示偏流不同。??

????e、COOLING/HEATING（制冷/加熱）：顯示為保持激光器的溫度在標準值25℃時熱電制冷器所需的電流值。??

????f、+5VTEST（+5V讀數）：顯示內部電壓，讀數應+5V±0.5V。??

????g、+24VTEST：顯示內部電壓，讀數應為+24V。??

????h、-5VTEST：顯示內部電壓，讀數為-5V±0.5V。??

????在檢查的同時記錄下各項數據，為原始資料存檔。??

????9、在外部電源正常的前提下，光發射機通電后或工作時一旦出現紅燈閃爍或長亮說明光發已出現故障，應迅速切斷電源，檢查維護或反廠修理。??

????10、建立技術資料檔案，存檔建網時所有技術資料，如產品說明書、設計方案、光纜干線走向圖，每根光纖損耗（光接頭熔接損耗、活動接頭損耗）、鏈路總損耗，實測各光點的輸入功率等。作為今后判斷光發機是否正常的依據。??

????維護人員要定期檢查設備運行情部，根據記錄的運行中各種參數，判定設備運行情況，發現問題及時處理，保障光系統正常運行。?