摘要: 目前國內LED 顯示屏行業都是采用通訊線進行數據傳輸, 但采用這種方式傳輸的不足是, 在傳輸過
程中信號間存在干擾, 在終端的接口處還有較強的靜電, 在對顯示屏進行檢測時, 通常是帶電操作, 這會對檢
測帶來不便, 嚴重時還會損壞器件。隨著光纖通訊產品的發展, 使得這一問題得以解決, 在長距離數據通訊部
分利用光纖放大, 不僅可以增大通訊距離, 還可以消除靜電、干擾等不良影響, 使顯示屏有更優越的傳輸性能。
光纖放大器利用摻鉺光纖的特性進行光信號的傳輸, 通過光耦合器及光檢測器穩定信號系統和控制泵光源
強度。輸入信號光對傳輸系統起到決定性的作用, 在電路中采用LD 數字式光源驅動, 輸出采用直流偏置, 可
得到穩定的光信號輸出。在LD 光源驅動電路中, 溫度及老化現象會造成激光器輸出功率下降, 而自動溫度
控制電路及自動功率控制電路可對之進行補償。
關鍵詞: 視頻屏; 數字線路; 光纖放大器
1 引言
發光二極管顯示屏是國內的一個新興行業,作為現代顯示媒體的一員, 已經占據了越來越重要的地位, 現已廣泛用于機場、銀行、鐵路、醫院、廣場等。雖然已得到了很快的發展, 但在技術上還不是很成熟, 需要得到改進, 借鑒并應用其他電子產品的長處和技術成就。能夠影響顯示屏質量的主要有以下幾個方面: LED 質量、通訊性能, 以及圖像處理技術。本文主要是在數據通訊方面提出新的方法, 也就是采用光纖放大器進行通訊來使傳輸質量得到提高。應該說光纖用于很多領域, 如電信、互聯網、自動控制, 主要由于光纖的重量輕, 體積小, 光源無污染等優點。但在國內, 目前LED 顯示屏系統中基本都還在采用差分通訊線進行傳輸, 這主要是由于顯示屏在剛出現的時候, 人們對通訊距離的要求還沒有那么高, 對現場布線、施工等沒有太多的限制。目前實用的光纖主要是用SiO2, 即石英材料, 在石英中摻入折射率高于石英的摻雜劑, 如GeO2 或P2O3, 就構成纖芯材料, 前者稱為鍺-硅系光纖GeO2-SiO2, 后者稱為磷硅系光纖P2O5-SiO2。在光纖的纖芯材料中摻入微量( 百萬分之幾十) 稀土元素如釤( Sm) , 鈥(Ho) , 鐿( Yb) 或鉺( Er) 等元素, 就會使光纖在傳輸的過程中同時也具有放大的作用, 因而實現遠距離傳輸控制。
2 單模光纖傳輸放大的基本原理
光放大器基本上分兩類: 一類是以半導體激光器為基礎的半導體行波光放大器, 另一類是基于光纖本身的非線性光纖放大器。對于顯示屏的傳輸系統來說, 比較適宜使用后一種。這種光纖放大器是在光纖中摻入微量稀土元素, 當一個強光注入光纖時, 在纖芯中形成強的電磁場, 強場使這些材料躍遷到高的能級。當它們回歸到低能級時, 按不同材料產生不同波長的光, 這種激勵的光叫泵光。使用光纖產生非線性的最低光功率稱之為閾功率。這種受激的光纖如果按照其摻雜元素激勵的光波長再輸入一個弱的主信號, 則沿著光纖中傳輸的方向, 信號光會不斷從泵光中吸收能量而增強。這就形成了對信號光的放大作用。光纖放大器本身是一種行波型的放大器, 也就是信號光的強度是隨著傳輸的方向而增強。光纖放大器本身在光波方面只能用于窄頻的放大, 它只適用于一個或兩個固有的光波長。這種窄的光波長對于通訊來說已有足夠的頻帶以容納很多的通信容量。對于一個光纖放大器要求其泵功率的閾值越低越好, 這樣就可以節省光功率和產生泵光功率的復雜設備。首先這決定于光纖摻雜所用的材料, 對于一條既定的光纖可以使用幾種不同的泵波長而得出不同的閾功率。光纖芯的截面越小,為得到在光纖中所需要場強度, 所需要輸入的電泵光功率便可以減小。光纖本身的衰耗越低, 則無論對于泵光及信號光的衰耗都小, 這也可以降低泵光的閾值。
3 光纖通訊傳輸中存在的衰減分析
3.1 光信號在顯示屏傳輸的衰減及原因
衰減是信號傳輸的重要指標, 它表明光纖對光能的傳輸損耗, 對光纖通信系統的傳輸距離有決定性的影響。
衰減系數?? 定義為??= 10Llog10p ip o( dB/ km)
其中p i , p o 分別為光纖的輸入輸出功率, L是光纖長度。顯示屏的傳輸距離一般在50 米至500 米, 經理論計算衰減為0??2dB/ km ~ 0??5dB/km。
造成光信號衰減的主要因素是吸收損耗, 散射損耗及光纖彎曲損耗。
吸收損耗: 這是一種固有損耗, 是不可避免的, 不純物的吸收, 主要是因光纖材料中含有Fe,Co, Ni, Mn 等離子, 還有OH 離子。近代的光纖采用基本上沒有金屬離子的超純材料, 而光纖的光能損耗主要由于OH 離子引起, 這種吸收頗為嚴重。
散射損耗: 即以光能的形式把能量射出光纖之外的一種損耗。由于光纖制作工藝的不完善,例如有微氣泡或折射率不均勻以及內應力的存在, 光能在這些地方會發生散射, 使光纖損耗增大。另一種散射損耗是所謂瑞利散射損耗, 即光波遇到與波長大小可比擬的帶有隨機起伏不均勻質點時發生的損耗。瑞利散射損耗與波長四次方成反比, 光纖材料分子會引起這種散射損耗, 這種損耗是不可避免的。但可以采用較長的工作波長以減少瑞利散射損耗。
光纖彎曲損耗: 光纖的彎曲損耗分兩種, 一種是宏彎曲損耗, 即曲率半徑比光纖直徑大得多的彎曲引起的損耗, 這是因為部分光功率存在于光纖包層中, 光纖彎曲段外側部分光要向外輻射。對單模光纖來說, 因為傳輸時有大量高次模存在于包層中, 因而更容易出現彎曲損耗。單模光纖有一個臨界曲率半徑R c, 當R < R c, 單模光纖的彎曲輻射損耗將會急劇增加。另一種光纖彎曲損耗叫做微彎損耗, 當光纖受到不均勻應力作用, 芯軸局部扭曲, 或者其表面局部折皺, 形成微彎損耗。如果敷設光纜時受力不均勻, 環境溫度和溫度的變化就可能產生這種損耗。為了克服微彎損耗的影響, 最新的單模光纖均采用了保護措施。有一種匹配包層單模光纖, 它只由一個摻鍺的芯層和一個石英包層所組成, 在包層外面覆以DLUX的雙層保護涂層, 從而增強了光纖抗微彎損耗, 抗磨損的能力。
3.2 控制衰減的方案
(1) 在給定的工作波長上, 指傳輸單一基模(HE11) , 其他高模均被截止。從時域觀點上看,它不存在模式的延時差, 因而信號在傳輸過程中展寬較少。從頻域觀點上看, 其帶寬比多模光纖寬很多, 有利于長距離高速碼的傳輸。
( 2) 減少光纖彎曲損耗, 在現場布線時, 應使光纖盡可能沿直線傳輸, 在彎曲處應作固定處理,減少不穩定因素產生的信號干擾。
( 3) 采用最佳的走線方案盡可能減少傳輸距離。
( 4) 合理的選用光纖: 選用纖芯直徑在5??m~ 10??m 之間, 包層直徑為125mm 的單模光纖,其折射率分布為階躍式折射率分布形式。
4 光纖放大器的設計應用
一個光纖放大器包括以下三個基本部件: 一段摻鉺光纖, 半導體泵光源和泵光及信號光同時輸入到信號的光耦合器。如前所述, 信號光會沿著摻鉺光纖不斷吸收泵光的能量而增強, 這樣看來摻鉺光纖越長則放大器的增益越大。但事實并不如此, 當光纖過長反而使增益下降, 這是由于摻鉺光纖的傳輸衰耗比較高, 比不摻鉺的石英光纖高好幾倍, 泵光在一長段摻鉺光纖中傳輸本身能量不斷減弱, 便不可能向信號光轉換能量。再者信號光在過長摻鉺光纖中傳輸本身的衰耗也很大。
在顯示屏的傳輸設計中, 為了增大通訊距離,常采用長途干線通訊系統中所使用的放大器, 基本原理圖如圖1 所示。
在長途干線通信中所使用的摻鉺光纖放大器, 泵光及信號光通過一個四端光耦合器輸入到摻鉺光纖, 在四端耦合器的內則, 1??55??m 的信號光自a 端輸入, 0??89??m或1??48??m的泵光自b端輸入, 它們都輸入到摻鉺光纖c 端而損耗很小。泵光( b) 端與信號光( c) 端之間需要有很強的隔離作用, 以使強的泵光不致串入信號光源。它有兩個特點: 一是穩定信號系統, 這包括光耦合器( 2) ,光檢測器及可調節的電源, 為使輸出光信號強度穩定, 通過光直流耦合器( 2) 取出一小部分被放大的信號光, 由光檢測器轉為電信號以控制電源的輸出, 轉而控制泵光源的強度, 這便對輸出信號光起平衡作用。二是在放大器輸出端也接一個光隔離器, 光只能單方向傳輸。光纖放大器本身是一個雙方向的放大器, 信號光可以從一端輸入, 另一端經過放大輸出, 如果反方向使用也一樣, 在光纖傳輸系統中的接點總有些不匹配, 總會有部分光波, 自光放大器的輸出端被反射。這種被反射的光是不穩定的, 帶有噪聲, 這種帶有噪聲的反射信號光通過光纖放大器便會被放大, 這個放大了的帶有噪聲的信號光, 如果再受到反射, 隨著信號光再通過光放大器時會產生兩種不良作用: 一種是增強的光信號由于放大器的飽和作用而使其增益降低; 另一種是在信號光中夾雜了穩定的噪聲而降低了信噪比。
5 LD數字式光源驅動電路
光源驅動電路是光纖通訊系統中重要的組件, 其質量的好壞直接影響通信的質量, 就其類型而言, 光源驅動電路可分為模擬驅動電路和數字驅動電路兩類, 在顯示屏應用中, 采用的是LD 數字是光源驅動電路。
選用加有直流偏置電流的電路( 圖2) , 偏置電流值I b 近似門限電流I th。在I b 上疊加脈沖電流值不宜太大, 選取小于產生高階模式所需的值。在這種情況下, 產生光脈沖的延遲就近似于零, 也沒有顯著的暫態過激和馳張震蕩, 波譜較窄而且穩定, 而發出的光功率可達10W。
半導體激光器的驅動電路( 圖3) 是利用發射極耦合的電流開關, 直接把固定幅度的脈沖I d 供給激光管, 這些脈沖的開關時間約為2ns。圖中晶體管T1 和T 2 組成電流開關, 當T1 的基極比T2 的基極電位更正時, 電流源的所有電流I d 流經T 1 的集電極, 沒有驅動電流流經激光管。當T1 的基極比T2 的基極電位更低時, 所有的驅動電流通過激光管。以上兩種情況由ECL 輸入控制信號, 輸入信號Vbb 為參考信號。采用發射極耦合電路, 并適當選擇輸入電壓大小, 就可以避免把晶體管驅動至飽和狀態, 能起到快速開關作用。
在采用LD 的光發送電路中, 必須采用自動溫度控制電路( ATC ) 和自動功率控制電路(APC) , 以穩定輸出功率。這是因為溫度及老化現象會造成激光器輸出功率下降, 例如當環境溫度從20 度升高到25 度時, 閾值電流將會增大, 輸出光功率也會減小。另外, 激光器隨著使用時間的增長, 其閾值電流也會增大, 同樣會使LD 的輸出光功率發生變化。
6 結論
將光纖放大器應用于顯示屏中, 很好的解決了傳輸距離和信號傳輸中的干擾的影響, 尤其是對動態鎖存數據的傳輸, 同時與通訊線傳輸相比,還減少了通訊線數。但對印制板設計有更高的要求, 原因是使用光纖通訊時, 將并行數據進行了并串轉換, 增大了傳輸速率, 所以減少傳輸中的干擾, 但在進行數據接收和處理時應進行特殊處理。