光发射机的原理及其选择与使用

光发射机的原理

用光波传输电视信号和数据信息是20世纪末发展起来的一门新的科学技术，它的出现使世界信息产业得到了飞速发展，现在光纤传输技术正以超出人们想像的速度发展，其光传输速度比10年前提高了100倍，在今后的发展中估计还要提高100倍左右。随着光纤传输技术的不断发展，在光域上可进行复用、解复用、选路、交换，网络可利用光纤的巨大带宽资源，增加网络的容量，实现多种业务的“透明”传输。
    光传输系统主要由光发射机、光接收机、光分路器和光纤电缆及其它器件组成。

    一 光纤传输光信号的基理
     光传输是在发送方和接收方之间以光信号形态进行传输的技术。光传输电视信号的工作过程是在光发射机、光纤和光接收机三者之间进行的; 在中心机房的光发射机把输入的RF电视信号变换成光信号，它由电/光变换器(Electric-Optical Transducer，E/O)完成，变换成的光信号由光纤传输导向接收设备(光接收机)接收，光接收机把从光纤中获取的光信号变换还原成电信号。因此光传输信号的基理就是电/光和光/电变换的全过程，也称为光链路。
     目前光传输方式采用光强度调制。如采用激光器的光发器件发出相位一致的所谓相干光，因此采取了使发光强度整体发生变化的调制方式，它利用了输出光功率对应于电/光变换器输入信号电流的变化而线性变化的特性。
     在光/电变换器(Optical-Electric Transducer，O/E)中，输出正比于输入光信号强度的电流，光/电变换器的输出电流波形因而与电/光变换器输入电流波形相似，达到了信号传输的目的。
     那么，光纤又是如何导向光信号的呢？目前有线电视系统使用的光纤是圆柱体的光纤，它由光纤圆柱体和包层组成，是石英玻璃材料。包层起着把光严密地封闭在光纤内的作用，保护纤芯，增强光纤本身的强度。而纤芯的作用是传输光信号。纤芯和包层虽然都是石英玻璃材料生产而成，但在生产时对两者的掺杂成份有区别，因而导致了所产生的折射率大小不同(纤芯为1.463~ 1.467，包层为1.45~1.46)，当然也与所采用的材料不同有关。当激光器发射的光源进入纤芯后，光入射到包层界面时，只要入射角大于临界角，就会在纤芯内产生全反射，光不会漏射到包层中，这样聚入到纤芯内的光信号就会不间断地传播下去，直到导向光接收机为止。这个过程就是光信号在光纤中传输的基理。

     二 光传输中产生的失真
     光在光纤中传输时，也会产生一些失真，产生失真的原因有以下几点: 
     (1)在光纤传输系统中，由于半导体激光器的电/光转换特性的非线性，使输出的光信号与激励电流的变化不一致导致了失真，它称为调制失真。调制指数M值不允许太大，选择高性能、预失真处理技术强的光发射机很有必要，预失真处理技术是利用人为的设计产生预失真改善调制线性，达到消除和减轻光纤传输系统中CSO与CTB的目的。
     (2)在光传输系统中，由于驱动RF放大器和接收RF放大器产生失真的机会很小，线性PIN光电二极管因信号电平不太高，产生的微小失真可不计，而它的主要原因来自于半导体激光器调制特性的失真和光纤的色散。
      (3)激光器在光强度调制时，光的波长会发生变化，出现附加频率调制，使信号频率展宽，出现啁啾效应 ，主要表现为CSO失真。
     (4)光纤的色散特性会使不同波长的群时延发生差异，形成到达终端的时间会先后不一致所引起的失真，主要是CSO失真。
     在光纤传输系统中产生的失真主要是CSO失真，而CTB失真的程度远比CSO失真小，为了确保系统的传输质量，使系统载噪比和失真性能处于合理的范围之内，采取的措施一般利用CNR指标来平衡CSO、CTB指标。如果增加或者减小CNR值1dB，那么CSO就会恶化或者改善1dB，CTB指标就会恶化或者改善2dB。

     三 光发射机的工作原理
     光发射机中最重要的光器件就是半导体激光器，实际上它是一只激光二极管(Laser Diode，LD)，当然也有不使用激光二极管，而是使用半导体发光二级管(Light Emitting Diode，LED)的。
     1310nm光发射机一般采用直接调制方式(残留边带—幅度调制，VSB-AM方式)，它的功能是把电信号转换成光信号，它通过外部电路改变注入激光器的电源来实现。它设置的偏置电路能为激光器提供最佳偏置工作电源，偏置电流不同，激光器就会有不同的功率输出，为确保稳定的输出光功率，应设计光功率和激光器温度的自动控制电路，如采用微电脑达到自动控制光发射机的最佳工作状态。
     激光器正在广泛地用作光振荡器(即发光器件)，它是依靠本身所成的激光器媒质材料的能量状态与光的相互作用工作。
     为使激光器工作，必须有一定大小的电流，这一电流的大小与光强度之间有一定关系，当增加电流时，光的强度急剧增加，这一点说明激光器已开始工作，这个使激光器开始工作的电流叫门限电流，它越小越好，因为这已经能使激光器开始工作，如再继续增加门限电流，就会形成输出的饱和区，饱和区的电流达到一定值后，就会使传输信号的质量下降甚至损坏激光二极管，对于光纤传输所需功率来讲，在线性区域有数兆瓦的输出功率满足远距离传输信号和信息的要求。光的传输质量除光强的量以外，还与光谱和噪声等问题有一定关系。
     多波长的光谱对高质量的模拟信号的传输是不太适合的，即使以单模方式来工作，它的发光谱线也有宽度，宽度越窄，光波变得越纯，越会成为时间相干，即相干性好的光波。相干性好的光波不需用透镜和其它器件将它会聚成小的光点，也越适合光纤的入射。

     四 光接收机的工作原理 
     光接收机的主要部件是光检测器，也就是高灵敏度的光电二极管(PIN)，光电二极管利用半导体的光电效应完成对光信号的检测工作，使光信号还原成RF电视信号，然后对RF信号进行放大，以及AGC电平控制等处理后输出合格的RF信号供网络分配。
     光接收机的主要技术是C/N、C/CTB、C/CSO。这三大技术指标又都是由光电转换模块的性能所确定，在相同光功率输入的情况下，转换输出的RF电平就有大小之分，当光电模块转换效率高时，它的输出电平高，所带来的C/N值指标也好，反之，C/N值指标变差。而C/CSO、C/CTB两项技术指标由光电模块的线性度而定，高质量的光电模块在C/CSO、C/CTB指标相同的情况下，允许更宽的接收功率范围。

     五 光器件的发展前景
     随着宽带网的光纤传输技术不断更新，多功能业务的不断完善，对光器件和光纤的传输特性的要求越来越高，光纤取代铜线的时代终究要来临，随着信息时代脚步声的来临，光传输技术的发展前景非常广阔。

     来源：《世界宽带网络》 易维善先生

光发射机的选择与使用

 光发射机是光缆传输系统的核心设备。它的作用是将输入光发射机的射频有线电视电信号进行光调制，实现电、光转换（E/O），并向光缆系统发送连续、稳定、可靠的光信号。现市场上销售的光发射机种类：按其调制方式不同，分为直接调制光发射机和外调制光发射机两种。直接调制光发射机多用于1310nm光纤系统，外调制光发射机多用于1550nm光纤系统。无论是直接调制还是外调制的光发射机，其核心部件是激光器组成。 
    一、直接调制激光发射机 
    1、组成 
    直接调制光发射机的组成，除核心部件DFB激光器组件外，还有电源、激光器偏置电路、激光器慢起动电路、过载保护电路和驱动保护电路、功率控制和致冷控制电、光检测电路、失真补偿电路、光检测器（PIN）芯片（用于光功率检测和自动功率控制），用于双向自动温度控制（ATC）的半导体致冷器和热敏电阻等。     
    2、工作过程 
    光发射机的输入信号是电视射频（RF）信号。在前端，多路RF信号经多路混合器混合成一路信号后，送入光发射机输入端，经过前置放大器放大后，进行电控衰减，并还进行预失真补偿和自动功率电平控制，再去驱动激光器芯片进行电/光调制，将电信号转变成光调制信号。输出端加一个光隔器，可大大减少由光缆传过来龙去脉光反射波对激光器的影响。光信号通过光活动接头送入光缆，通过光缆把光信号传送至各光点。 
    可看出，激光器的发射功率和非线性失真依赖于偏置电流（IO），故光发射机设置激光器的偏置电路和预失真补偿电路，来保证非线性指标和发射输出的稳定。      
    激光器的温度升高，将使门限值增大，饱和输出光强下降，P-I特必曲线的直线段范围减小（即2自动态范围减小）为了保证光发射机始终正常工作，必须保证激光器在恒温（一般是25℃）条件下工作。光发射机器的用于双向自动温度控制（ATC）的半导体制冷器和热敏电阻是保证激光器工和在25℃恒温条件下。 
    光发射机中有微处理器，其芯片中存储有激光器的最佳工作状态数据，对激光器可进行慢启动并可以自动断开射频电视驱动电流，以保护激光器。光发射机前面板上的各种开关都是通过微处理器控制的。 
    温度的变化和器件的老化都会引起激光器阀值电流和光电转换效率的变化，若想精确控制激光器的光输出功率，应从两个方面着手解决：一是控制激光器的偏流，使其自动跟踪阀值电流的变化，保证激光器总是工作在最佳偏置状态；二是控制激光调制电流的幅度，使其自动跟随电、光转换效率变化而变化。自动功率控制完成以上两项任务，以保证激光器输出精确光功率。 
    二、外调制光发射机 
    外调制光发射机由外调制器、激光器、激光控制电路、调制控制电路、微处理器、预失真电路、光检测器、RF信号衰减器、放大器、电源等组成。
    三、直接调制和外调制两种光发射机的比较 
    直接调制型发射机多用于DFB激光器，DFB激光器线性好，可以不用预失真电路的补偿而获得较好的CTB值和CSO值，但由于直接调制存在附加的频率调制，非线性失真指标（特别是CSO值）很难做到很高。
DFB发射机性能稳定，结构简章，价格低廉，所以被普遍选用。  
    直接调制型光发射机的功率一般不可太大，在18nw以内，因此，限制了传输距离，一般用于本地分配网和乡镇级光缆传输网。该类型光发射机多用于1310nm光纤网中，1310nm光纤衰减是0.35db/km，故最大传输距离不超过35公里。  

    外调制光发射机：输出功率大，可达2×20mw以上（两路输出），噪声小，又无类似LD的附加频率调制和光纤色散特性复合产生的cso失真。因此，常用于远距离传输或大型有线系统中。外调制光发射机一般用YAG激光器，YAG激光器采用外调制后，线性很差，必须使用预失真电路来补偿。由于它色散较少，故YAG光发射机很适合1550nm波长光纤，多用于1550nm光纤网中。YAG光发在1550nm光纤网中，可用用放大中继，1550nm光纤衰减又小（0.25db/km），所以，YAG光发射机可用超远距离传输。外调制光发射机用在1310nm光纤网中，传输距离可达50公里，也比直接调制型光发射机传输距离迅。但外调制型光发射机价格高，近距离传输的光纤网很少选用外调制光发射的。  

    四、光发射机的技术指标  

    光发射机的技术指标是选择光发射机的依据，光发射机的性能参数好环直接影响整个有线电视系统技术指标的好环。   

    五、光发射机的选择  

    了解和掌握光发射机的组成、工作原理和性能参数，对于有线电视技术人员是非常重要的，因为只有掌握了光发射机的基本工作原理和技术性能指标，才能有效合理选用光发射机和搞好日常维护。  

    现在国外、国内生产光发射机的厂很多，光发射机品牌类别更多，性能指标和单机价格也相差很大，进行合理选型对保证光纤网质量和降低建网成本有较大好处。较高的性能价格比、可靠质量保证体系、良好的售后服务保障是选择光设备应遵循的原则。  

    1、选用有国家入网证和经过广电总局检测合格的产品。  

    2、合理选用1310nm和1550nm光工作波长的光发射机。乡镇级光纤网传输距离近最好选用1310nm波长光发射机，投资少，对于传输距离迅、光点又比较多的光纤网，选用1550nm波长光发射机为好，总投资要比1310nm光设备网的少。  

    3、激光器是光发射机的核心器伯，在选购光发射机，首先要重视激光器的选用，用户可指定选用奥特尔、朗讯、富士通等激光器。  

    4、考察光发射机的性能参数，观看机内的生产工艺水平。  

    5、根据对光纤网的设计计算出的所需总功率，合理组合确定光发射机的台数和各台光发射机的输出功率，如经计算光网需10mw2台，12mw1台，用户就选购10mw光发机2台，12mw1台。  

    6、光发射机功率瓦数大小确定之后，主要看光发射机链路损耗。  

    从数学关系，功率数值与链路损耗数值是对应可互换关系，如把6.5mw可换算为8.13dbm，若知道链路损耗数值是8.13dbm，可对应换算为6.5mw。 

但光发射机输出功率与光发链路损耗之间没有对应换算关系。光发射机的链路损耗dbm值仅与使用器件和制造时的技术有关。就是说6mw光发射机的链路损耗特性，不一定是7.78dbm，可能是8dbm或是9dbm。不同厂家，由于采用的技术、元件加工工艺不一样，相同功率的光发射机链路损耗就不一样。就是同一厂家，由于元件和加工工艺不一样，相同功率发射机链路损耗也不一定一样。所以在选择光发射机时，不能只看功率数值，不关心链路损耗值，应是功率数为参考，主要是看光发射机的链路损耗数值。必须在相同传输频道数，相同C/N、CTB、CSO指标条件下，比较不同厂家生产光发机的链路损耗。如A厂家生产8mw的光发射机链路损耗为9dbm，而B厂家生产8mw的光发射机链路损耗为10dbm。我们就应选用B厂家生产的8mw光发射机。  
    7、从链路损耗方面考虑使用小于10mw的光发射机比较好，尽量少用大于16mw的光发射机。  

    8、注意性能价格比，选用质量好、价格又比较便宜的光发射机。  

    9、选用售后服务好的厂家或公司。  

    六、光发射机的使用与保养  

    1、首先读好厂家给的使用说明书，按产品说明书安装、调试、使用光发射机。  

    2、通电前应把光发射机外壳良好接地。  

    3、保证光发射机有连续不间断，电压稳定的正常供电电源。  

    光发射机的激光器组件和光电转换模块最忌瞬间脉冲电流的冲击，因此，在使用中一定要避免或减少频频开关机，以确保激光器的使用寿命。  

    4、一旦激光器进入工作状态，人眼切不可直视光发射机后面板上的光输出口，以免激光器烧坏人眼视网膜。  

    5、正确选择射频信号的输入电平。DFB光发射机的RF驱动电平直接决定光发射机的调制度，同时也决定了C/N、CTB、CSO值的大小。如果，加入光发射机的RF电平达大，会引起光调制度m值增大，将劣化CTB、CSO非线性指标，还会造成DFB激光器的过驱动，导致光发射机输出功率下降；输入电平过小，使光调制度降低，导致光发射机的载噪比指标不能满足需求。所以，正确选择RF驱动电平，是保证光纤传输网各项指标的关键。不同厂家生产的光发射机要求RF驱动电平是不相同，所以应根据厂家产品说明书来设置发射机的输入RF电平。若产品说明书，只给一定范围电平值（如75-85db），则根据网络传输频道数确定RF值，如果传输频数N>40，取RF值为76-78dB;若30
    6、保持机房有一整洁、防潮、散热的工作环境，有条件机房最好安装空调。  

    7、在安装光活动接头时，先用酒精棉球迫擦拭光发射机输出口和连接插头，然后将光纤插头的突棱对准光发输出口的缺口，将螺丝旋到底，不要过紧也不要太松，确保两插头对准接触良好。 

8、接通电源开始进入正常工作状态后（工作正常时发射机面板上缘灯亮，不正常时告警红灯亮），按前面板上的TEST（检测）按钮，看LCD显示屏，依次顺序检查激光器的工作相关的状态。  

    a、设备型号  

    b、POWEP（功率）：显示激光器输出功率。若用户订购是8mw；显示应是8mw（实际有小数）。  

    c、TEMP（温度）：标称读数为25℃±3℃。  

    d、BIAS（偏置）：显示激光器偏流（mA），发射机的功率不同，显示偏流不同。  

    e、COOLING/HEATING（制冷/加热）：显示为保持激光器的温度在标准值25℃时热电制冷器所需的电流值。  

    f、+5VTEST（+5V读数）：显示内部电压，读数应+5V±0.5V。  

    g、+24VTEST：显示内部电压，读数应为+24V。  

    h、-5VTEST：显示内部电压，读数为-5V±0.5V。  

    在检查的同时记录下各项数据，为原始资料存档。  

    9、在外部电源正常的前提下，光发射机通电后或工作时一旦出现红灯闪烁或长亮说明光发已出现故障，应迅速切断电源，检查维护或反厂修理。  

    10、建立技术资料档案，存档建网时所有技术资料，如产品说明书、设计方案、光缆干线走向图，每根光纤损耗（光接头熔接损耗、活动接头损耗）、链路总损耗，实测各光点的输入功率等。作为今后判断光发机是否正常的依据。  

    维护人员要定期检查设备运行情部，根据记录的运行中各种参数，判定设备运行情况，发现问题及时处理，保障光系统正常运行。