摘要: 目前国内LED 显示屏行业都是采用通讯线进行数据传输, 但采用这种方式传输的不足是, 在传输过

程中信号间存在干扰, 在终端的接口处还有较强的静电, 在对显示屏进行检测时, 通常是带电操作, 这会对检

测带来不便, 严重时还会损坏器件。随着光纤通讯产品的发展, 使得这一问题得以解决, 在长距离数据通讯部

分利用光纤放大, 不仅可以增大通讯距离, 还可以消除静电、干扰等不良影响, 使显示屏有更优越的传输性能。

光纤放大器利用掺铒光纤的特性进行光信号的传输, 通过光耦合器及光检测器稳定信号系统和控制泵光源

强度。输入信号光对传输系统起到决定性的作用, 在电路中采用LD 数字式光源驱动, 输出采用直流偏置, 可

得到稳定的光信号输出。在LD 光源驱动电路中, 温度及老化现象会造成激光器输出功率下降, 而自动温度

控制电路及自动功率控制电路可对之进行补偿。

关键词: 视频屏; 数字线路; 光纤放大器

1  引言

发光二极管显示屏是国内的一个新兴行业,作为现代显示媒体的一员, 已经占据了越来越重要的地位, 现已广泛用于机场、银行、铁路、医院、广场等。虽然已得到了很快的发展, 但在技术上还不是很成熟, 需要得到改进, 借鉴并应用其他电子产品的长处和技术成就。能够影响显示屏质量的主要有以下几个方面: LED 质量、通讯性能, 以及图像处理技术。本文主要是在数据通讯方面提出新的方法, 也就是采用光纤放大器进行通讯来使传输质量得到提高。应该说光纤用于很多领域, 如电信、互联网、自动控制, 主要由于光纤的重量轻, 体积小, 光源无污染等优点。但在国内, 目前LED 显示屏系统中基本都还在采用差分通讯线进行传输, 这主要是由于显示屏在刚出现的时候, 人们对通讯距离的要求还没有那么高, 对现场布线、施工等没有太多的限制。目前实用的光纤主要是用SiO2, 即石英材料, 在石英中掺入折射率高于石英的掺杂剂, 如GeO2 或P2O3, 就构成纤芯材料, 前者称为锗-硅系光纤GeO2-SiO2, 后者称为磷硅系光纤P2O5-SiO2。在光纤的纤芯材料中掺入微量( 百万分之几十) 稀土元素如钐( Sm) , 钬(Ho) , 镱( Yb) 或铒( Er) 等元素, 就会使光纤在传输的过程中同时也具有放大的作用, 因而实现远距离传输控制。

2  单模光纤传输放大的基本原理

光放大器基本上分两类: 一类是以半导体激光器为基础的半导体行波光放大器, 另一类是基于光纤本身的非线性光纤放大器。对于显示屏的传输系统来说, 比较适宜使用后一种。这种光纤放大器是在光纤中掺入微量稀土元素, 当一个强光注入光纤时, 在纤芯中形成强的电磁场, 强场使这些材料跃迁到高的能级。当它们回归到低能级时, 按不同材料产生不同波长的光, 这种激励的光叫泵光。使用光纤产生非线性的最低光功率称之为阈功率。这种受激的光纤如果按照其掺杂元素激励的光波长再输入一个弱的主信号, 则沿着光纤中传输的方向, 信号光会不断从泵光中吸收能量而增强。这就形成了对信号光的放大作用。光纤放大器本身是一种行波型的放大器, 也就是信号光的强度是随着传输的方向而增强。光纤放大器本身在光波方面只能用于窄频的放大, 它只适用于一个或两个固有的光波长。这种窄的光波长对于通讯来说已有足够的频带以容纳很多的通信容量。对于一个光纤放大器要求其泵功率的阈值越低越好, 这样就可以节省光功率和产生泵光功率的复杂设备。首先这决定于光纤掺杂所用的材料, 对于一条既定的光纤可以使用几种不同的泵波长而得出不同的阈功率。光纤芯的截面越小,为得到在光纤中所需要场强度, 所需要输入的电泵光功率便可以减小。光纤本身的衰耗越低, 则无论对于泵光及信号光的衰耗都小, 这也可以降低泵光的阈值。

3  光纤通讯传输中存在的衰减分析

3.1  光信号在显示屏传输的衰减及原因

衰减是信号传输的重要指标, 它表明光纤对光能的传输损耗, 对光纤通信系统的传输距离有决定性的影响。

衰减系数?? 定义为??= 10Llog10p ip o( dB/ km)

其中p i , p o 分别为光纤的输入输出功率, L是光纤长度。显示屏的传输距离一般在50 米至500 米, 经理论计算衰减为0??2dB/ km ~ 0??5dB/km。

造成光信号衰减的主要因素是吸收损耗, 散射损耗及光纤弯曲损耗。

吸收损耗: 这是一种固有损耗, 是不可避免的, 不纯物的吸收, 主要是因光纤材料中含有Fe,Co, Ni, Mn 等离子, 还有OH 离子。近代的光纤采用基本上没有金属离子的超纯材料, 而光纤的光能损耗主要由于OH 离子引起, 这种吸收颇为严重。

散射损耗: 即以光能的形式把能量射出光纤之外的一种损耗。由于光纤制作工艺的不完善,例如有微气泡或折射率不均匀以及内应力的存在, 光能在这些地方会发生散射, 使光纤损耗增大。另一种散射损耗是所谓瑞利散射损耗, 即光波遇到与波长大小可比拟的带有随机起伏不均匀质点时发生的损耗。瑞利散射损耗与波长四次方成反比, 光纤材料分子会引起这种散射损耗, 这种损耗是不可避免的。但可以采用较长的工作波长以减少瑞利散射损耗。

光纤弯曲损耗: 光纤的弯曲损耗分两种, 一种是宏弯曲损耗, 即曲率半径比光纤直径大得多的弯曲引起的损耗, 这是因为部分光功率存在于光纤包层中, 光纤弯曲段外侧部分光要向外辐射。对单模光纤来说, 因为传输时有大量高次模存在于包层中, 因而更容易出现弯曲损耗。单模光纤有一个临界曲率半径R c, 当R < R c, 单模光纤的弯曲辐射损耗将会急剧增加。另一种光纤弯曲损耗叫做微弯损耗, 当光纤受到不均匀应力作用, 芯轴局部扭曲, 或者其表面局部折皱, 形成微弯损耗。如果敷设光缆时受力不均匀, 环境温度和温度的变化就可能产生这种损耗。为了克服微弯损耗的影响, 最新的单模光纤均采用了保护措施。有一种匹配包层单模光纤, 它只由一个掺锗的芯层和一个石英包层所组成, 在包层外面覆以DLUX的双层保护涂层, 从而增强了光纤抗微弯损耗, 抗磨损的能力。

3.2  控制衰减的方案

(1) 在给定的工作波长上, 指传输单一基模(HE11) , 其他高模均被截止。从时域观点上看,它不存在模式的延时差, 因而信号在传输过程中展宽较少。从频域观点上看, 其带宽比多模光纤宽很多, 有利于长距离高速码的传输。

( 2) 减少光纤弯曲损耗, 在现场布线时, 应使光纤尽可能沿直线传输, 在弯曲处应作固定处理,减少不稳定因素产生的信号干扰。

( 3) 采用最佳的走线方案尽可能减少传输距离。

( 4) 合理的选用光纤: 选用纤芯直径在5??m~ 10??m 之间, 包层直径为125mm 的单模光纤,其折射率分布为阶跃式折射率分布形式。

4   光纤放大器的设计应用

一个光纤放大器包括以下三个基本部件: 一段掺铒光纤, 半导体泵光源和泵光及信号光同时输入到信号的光耦合器。如前所述, 信号光会沿着掺铒光纤不断吸收泵光的能量而增强, 这样看来掺铒光纤越长则放大器的增益越大。但事实并不如此, 当光纤过长反而使增益下降, 这是由于掺铒光纤的传输衰耗比较高, 比不掺铒的石英光纤高好几倍, 泵光在一长段掺铒光纤中传输本身能量不断减弱, 便不可能向信号光转换能量。再者信号光在过长掺铒光纤中传输本身的衰耗也很大。

在显示屏的传输设计中, 为了增大通讯距离,常采用长途干线通讯系统中所使用的放大器, 基本原理图如图1 所示。

在长途干线通信中所使用的掺铒光纤放大器, 泵光及信号光通过一个四端光耦合器输入到掺铒光纤, 在四端耦合器的内则, 1??55??m 的信号光自a 端输入, 0??89??m或1??48??m的泵光自b端输入, 它们都输入到掺铒光纤c 端而损耗很小。泵光( b) 端与信号光( c) 端之间需要有很强的隔离作用, 以使强的泵光不致串入信号光源。它有两个特点: 一是稳定信号系统, 这包括光耦合器( 2) ,光检测器及可调节的电源, 为使输出光信号强度稳定, 通过光直流耦合器( 2) 取出一小部分被放大的信号光, 由光检测器转为电信号以控制电源的输出, 转而控制泵光源的强度, 这便对输出信号光起平衡作用。二是在放大器输出端也接一个光隔离器, 光只能单方向传输。光纤放大器本身是一个双方向的放大器, 信号光可以从一端输入, 另一端经过放大输出, 如果反方向使用也一样, 在光纤传输系统中的接点总有些不匹配, 总会有部分光波, 自光放大器的输出端被反射。这种被反射的光是不稳定的, 带有噪声, 这种带有噪声的反射信号光通过光纤放大器便会被放大, 这个放大了的带有噪声的信号光, 如果再受到反射, 随着信号光再通过光放大器时会产生两种不良作用: 一种是增强的光信号由于放大器的饱和作用而使其增益降低; 另一种是在信号光中夹杂了稳定的噪声而降低了信噪比。

5   LD数字式光源驱动电路

光源驱动电路是光纤通讯系统中重要的组件, 其质量的好坏直接影响通信的质量, 就其类型而言, 光源驱动电路可分为模拟驱动电路和数字驱动电路两类, 在显示屏应用中, 采用的是LD 数字是光源驱动电路。

选用加有直流偏置电流的电路( 图2) , 偏置电流值I b 近似门限电流I th。在I b 上叠加脉冲电流值不宜太大, 选取小于产生高阶模式所需的值。在这种情况下, 产生光脉冲的延迟就近似于零, 也没有显著的暂态过激和驰张震荡, 波谱较窄而且稳定, 而发出的光功率可达10W。

半导体激光器的驱动电路( 图3) 是利用发射极耦合的电流开关, 直接把固定幅度的脉冲I d 供给激光管, 这些脉冲的开关时间约为2ns。图中晶体管T1 和T 2 组成电流开关, 当T1 的基极比T2 的基极电位更正时, 电流源的所有电流I d 流经T 1 的集电极, 没有驱动电流流经激光管。当T1 的基极比T2 的基极电位更低时, 所有的驱动电流通过激光管。以上两种情况由ECL 输入控制信号, 输入信号Vbb 为参考信号。采用发射极耦合电路, 并适当选择输入电压大小, 就可以避免把晶体管驱动至饱和状态, 能起到快速开关作用。

 在采用LD 的光发送电路中, 必须采用自动温度控制电路( ATC ) 和自动功率控制电路(APC) , 以稳定输出功率。这是因为温度及老化现象会造成激光器输出功率下降, 例如当环境温度从20 度升高到25 度时, 阈值电流将会增大, 输出光功率也会减小。另外, 激光器随着使用时间的增长, 其阈值电流也会增大, 同样会使LD 的输出光功率发生变化。

6   结论

将光纤放大器应用于显示屏中, 很好的解决了传输距离和信号传输中的干扰的影响, 尤其是对动态锁存数据的传输, 同时与通讯线传输相比,还减少了通讯线数。但对印制板设计有更高的要求, 原因是使用光纤通讯时, 将并行数据进行了并串转换, 增大了传输速率, 所以减少传输中的干扰, 但在进行数据接收和处理时应进行特殊处理。