实用化宽带模拟光纤传输系统

冯国斌，刘福华，杨鹏翎，赵军卫，陈绍武

（西北核技术研究所，陕西西安710024）

摘要：介绍了一种基于半导体激光器调制特性的实用化宽带模拟光纤传输系统及其结构组成

和实测性能。该系统的-3dB带宽为30kHz~1.1GHz，非线性小于5%的动态范围不小于40

dB，输出噪声峰峰值小于5mV。具有频带宽、动态范围大、输出噪声低、抗电磁干扰能力强等特点，

可用于复杂电磁环境下的亚纳秒脉冲信号传输。

关键词：光纤传输系统；激光二极管；光纤；宽带

中图分类号：TNS1S文献标识码：A文章编号：10072276（2003）0605S703

Practicalbroadbandanalogfiberoptictransmissionsystem

FENGGuobin，LIUFuhua，YANGPenging，ZHAOJunwei，CHENhaowu

（NorthwestInstituteofNucearTechnoogy，Xi'an710024，China）

Abstract：Apracticabroadbandanaogfiberoptictransmissionsystembasedontheaserdiodedi

rectmoduationcharacteristicisreported.Itsconfigurationandmeasuredperformancearedescribed.The

measuredresutsindicatethat-3dBbandwidthofthesystemis30kHz~1.1GHz，thedynamicrange

isnoessthan40dBwithinthenoninearityof5%andthepeaktopeakampitudeofoutputnoiseis

essthan5mV.Thesystemhasmanyadvantages，suchaswidebandwidth，argedynamicrange，ow

outputnoiseandstrongimmunitytoeectromagneticinterference.Itissuitabeforthesubnanosecond

signatransmissioninthecompicatedeectromagneticenvironment.

Keywords：Fiberoptictransmissionsystem；Laserdiode；Opticafiber；Broadband

0引言

光纤传输系统与同轴电缆和波导相比，具有频带

宽、传输损耗小、质量轻、抗电磁干扰等优点，因而广

泛应用于高速模拟或数字信号的传输。特别是在现

代化电子靶场、高能物理实验等强电磁辐射环境下的

快脉冲信号测量中，宽带模拟光纤传输系统具有明显

的应用优势。美国早在20世纪70年代就开始发展

宽带模拟光纤传输技术，研制出一系列模拟光纤传输

收稿日期：20030407；修订日期：20030620

作者简介：冯国斌（1971），男，湖北黄石人，工程师，硕士，主要从事光纤传感及应用技术研究。

7S5第6期史磊等：傅里叶顶端加宽型全光纤Intereaver的研究

图l宽带光纤传输系统的结构框图

Fig.lFrameworkofthebroadbandfiberoptictransmissionsystem

系统并广泛地应用于实验室大型设备、电子靶场和核

试验现场的测试系统中

［l~4］

。文中将宽带模拟光纤

传输技术成功地应用于复杂环境野外现场试验的测

量系统中。常用的模拟光纤传输系统主要有两类：利

用电光调制器的外调制系统和利用半导体激光器的

直接调制系统。文中介绍的是一种利用半导体激光

器直接调制特性的实用化宽带模拟光纤传输系统。

!"系统的组成

宽带模拟光纤传输系统主要由3部分组成：宽带

模拟光纤传输模块、光纤遥控加电/实时标定模块和光

电隔离的光纤触发定时模块，结构框图如图l所示。

宽带模拟光纤传输模块由光发射极（E/0）和光

接收极（0/E）组成，是整个系统的核心部分。光发射

极利用半导体激光二极管的直接调制特性实现电光

转换，采用了混合厚膜集成电路技术，设计了阻抗匹

配的宽带驱动电路，不仅大大缩小了体积，而且增加

了系统的可靠性和抗电磁干扰的能力。在光纤超快

精密同步触发和定时模块中，研制了上升时间小于2

ns的脉冲触发驱动电路，并采用高速APD实现光电

转换，使系统的触发晃动小于lns。此外，采用了光

纤遥控加电的电池供电方式以延长电池的有效工作

时间；设计了光纤遥控实时标定电路，简化了整个系

统的幅度标定，并提高了系统标定的实时精度，特别

适合于远距离亚纳秒模拟信号的传输。为了增强整

个系统的抗电磁干扰能力，各模块间采用了相互隔离

复合屏蔽设计技术。

光纤遥控加电/实时标定模块和光电隔离的光纤

触发定时模块只是系统的辅助部分，宽带模拟光纤传

输模块是决定系统性能的核心部分，下面介绍光纤传

输模块的性能测试情况。

#"光纤传输模块的性能测试

模拟光纤传输模块最主要的性能参数为：线性动

态范围、频带宽度（时间响应特性）和噪声特性。模

块性能测试框图如图2所示。信号源采用信号前沿

小于lns的超快信号发生器，记录设备采用lGHZ

宽带数字化示波器。

图2模块性能测试框图

Fig.2Measurementframeworkofmodueperformance

#$!"线性动态范围

用脉冲宽度lns的方波测量系统的线性动态

范围，通过逐点扫描方法测得的曲线如图3所示。对

测量的数据进行线性拟合，可得当非线性小于15%

时系统动态范围大于4dB。

#$#"频带宽度

分别用频域法和时域法测量了模块的幅频特性

和时间响应特性。采用频域法测量时，将光发射机和

光接收机用lkm单模光纤连接起来构成一个系统，

用光波元件分析仪（测量范围为3kHZ~6GHZ）测

885红外与激光工程第32卷

图3实测的线性动态范围曲线

Fig.3Measuredcurve of inear dynamic range

量光纤传输模块的幅频特性，如图4 所示。图中系统

-3 dB 带宽的上限频率约为1. 1 GHZ。由于光波元

件分析仪的下限测量频率为300 kHZ，针对300 kHZ

以下的频率响应采用正弦波信号源进行逐点扫描，测

得系统的下限频率小于30 kHZ。

图4 实测的幅频特性曲线

Fig. 4 Measured curve of amp itudefreuency characteristic

系统设计目的是传输单极性脉冲信号，而幅频特

性反映的是小信号调制下的结果，时域分析方法能更

直观反映系统在大信号调制下的响应特性。用高速

信号源输出的亚纳秒准高斯脉冲来测量系统的时域

响应特性，记录设备采用1 GHZ 宽带数字化示波器，

实测的脉冲响应典型波形如图5 所示。图中!

为高

速信号源输出的亚纳秒脉冲信号波形，!

为传输系

统的响应波形。用高斯近似公式可估算出系统带宽

大于1 GHZ。

!" #$ 噪声特性

输出噪声峰峰值是系统的主要指标之一，它直接

决定系统的最小可传输信号，从而影响着系统的线性

动态范围。在进行单次脉冲传输时，通常用噪声峰峰

值来衡量系统噪声指标。测量系统的噪声时，用标准

的50 ! 匹配头接在系统的信号输入端口。宽带示波

图5 实测的脉冲响应波形

Fig. 5 Measured waveform of pu se response

器记录的典型波形如图6 所示，示波器扫描速度为

50 ns / div，输出噪声峰峰值小于5 mV。

图6 输出噪声的实测波形

Fig. 6 Measured waveform of output noise

#$ 结$ 论

研制的系统具有频带宽、动态范围大、输出噪声

低、抗电磁干扰能力强等特点，而且采用了光纤遥控

加电和实时标定部分，特别适合于恶劣环境下亚纳秒

脉冲信号的远距离传输。若将该系统应用于实验室

大型模拟设备测量信号的传输，可实现测点和记录间

的地回路隔离，将会大大降低信号的干扰，从而提高

测量信号的质量，而且其固有的高压隔离性能可提高

仪器设备和人身安全。在改进的系统中，采用波分复

用技术在一根光纤上实现传输和控制信号的双向传

输，提高了系统应用的灵活性。