（电路与系统专业论文）掺铒光纤放大器中泵浦激光器驱动源的研究应用.pdf

摘要 e d f a 作为新一代光通信系统中的关键部件，给光纤通信和传输技术带来了一场革 命。e d f a 中最关键的是它工作时增益的稳定特性，对这些特性起着决定性作用的是e d f a 中泵浦激光器的输出是否具有稳定性，这就要求在选择泵浦激光器的驱动电路时，要选 择稳定性能强的电路。 本文针对e d f a 的这一特性需求，对驱动电路的结构和性能进行研究和设计，研究 重点恒流源电路作为泵浦激光器的驱动的改进设计，同时实现了基于f p g a 的e d f a 硬 件电路的设计。 本论文的主要内容分为以下四个方面： 首先，介绍了目前光纤通信的发展状况，国内掺铒光纤放大器的研究情况，掺铒光 纤放大器的在光纤通信中的作用和地位，本论文的内容和所承担的任务。 其次，介绍了e d f a 的构成框架，e d f a 的工作原理及结构组成，它主要包括光路 部分和电路部分，简述了e d f a 的光路结构组成和电路结构组成。 第三，重点构建了e d f a 中泵浦激光器驱动电路的整体电路结构图，泵浦激光器驱 动电路结构有以下几部分组成：慢启动电路、纹波调节电路、过流保护电路、上电防冲 击电路、恒流源电路、光电探测电路、温度控制电路，其中重点研究了恒流源电路作为 泵浦激光器的驱动的改进设计，在p s p i c e 环境下绘制驱动电路，并对所设计的电路进行 直流扫描、瞬态、温度及噪声分析，从而验证所设计电路的准确性和可行性，将理论计 算和模拟分析的结果进行比对，得到此设计电路能够更进一步提高驱动电路的稳定性， 使泵浦激光器得到更加稳定的输出，仿真结果和理论分析基本一致。 最后，将研究设计的泵浦激光器驱动电路用在基于f p g a 的带自动增益控制的 e d f a 中，利用f p g a 处理复杂的时序方便的特点，结合p i d 算法，使得该电路具有结 构简单、便于扩展、高可靠和易实现等特点，采用f p g a 对泵浦激光器驱动电路进行硬 件设计，增加了整个系统的可靠性，从而使驱动电源具有智能化程度高、抗干扰能力强、 温度控制精度高、电源稳定度高、对激光器无损害等优点。 关键词：掺铒光纤放大器，泵浦激光器，驱动源，恒流源，f p g a a b s t r a c t e d f ao p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma san e wg e n e r a t i o no fk e yc o m p o n e n t s ，o p t i c a lf i b e r c o m m u n i c a t i o na n dt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yt ob r i n ga b o u tar e v o l u t i o n e d f ai si t sm o s tc r i t i c a lw o r k , t h es t a b i l i t yo ft h eg a i nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s ef e a t u r e sp l a yad e c i s i v er o l ei nt h ee d f ap u m pl a s e ri s w h e t h e rt h es t a b i l i t yo ft h eo u t p u t ，w h i c hr e q u i r e st h es e l e c t i o no ft h ed r i v ec i r c u i tw h e nt h ep u m pl a s e r ，t o s e l e c ts t r o n gs t a b i l i t yo ft h ec i r c u i t i nt h i sp a p e r , t h ec h a r a c t e r i s t i c so fe d f a 。sd e m a n df o rd r i v e rc i r c u i ts t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo f r e s e a r c ha n dd e s i g n , r 骼e a r c hf o c u s e dp u m pl a s e rc u r r e n ts o u r c ec i r c u i ta st h ed r i v e ro f t h ei m p r o v e dd e s i g n , w h i l ea c h i e v i n gt h ee d f a - b a s e df p g ah a r d w a r ed e s i g n t h e p a p e ri sd i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n gf o u ra r e a s ： f i r s t ，t h ei n t r o d u c t i o no f 恤c u r r e n td e v e l o p m e n to fo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n s ，e r b i u m - d o p e df i b e r a m p l i f i e rd o m e s t i cr e s e a r c hs i t u a t i o n , e r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e ri no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ni nt h e r o l ea n ds t a t u so f t h ec o n t e n t so f t h i sp a p e ra n dt h et a s k su n d e r t a k e n s e c o n d , t h ec o m p o s i t i o no ft h ef r a m e w o r ki n t r o d u c e de d f a ，e d f a so p e r a t i n gp r i n c i p l ea n ds t a t u r e o ft h ec o m p o s i t i o n , w h i c hi n c l u d e so p t i c a lp a r t sa n dc i r c u i tp a r t s ，o u t l i n e st h ec o m p o s i t i o ne d f a so p t i c a l s t r u c t u r ea n dc i r c u i tm 1 u c t u r e $ a n dt h i r d , b u i l dt h ee d f ap u m pl a s e rd r i v e rc i r c u i ti nt h eo v e r a l lc i r c u i ts t r u c t u r e ，t h ep u m pl a s e r d r i v e rc i r c u i ts m m t u r eh a st h ef o l l o w i n gc o m p o n e n t s ：s l o w - s t a r tc i r c u i t ，t h er i p p l er e g u l a t o rc i r c u i t ， o v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o nc i r c u i t ，p o w e ra n t i - s h o c kc i r c u i t ，c o n s t a n tc u r r e n ts o u r c ec i r c u i t , o p t i c a ld e t e c t i o n c i r c u i t ，t e m p e r a t u r ec o n t r o lc i r c u i t ，w h i c hf o c u s e so nt h ec o n s t a n tc u r r e n ts o u r c ec i r c u i ta st h ep u m pl a s e r d r i v ei m p r o v e dd e s i g n , d r a w ni np s p i c ee n v i r o n m e n t ，d r i v ec i r c u i t , a n dt h ed cc i r c u i td e s i g n e ds c a n t r a n s i e n t , t e m p e r a t u r ea n dn o i s ea n a l y s i st ov m f yt h ea c c u r a c ya n df e a s i b i l i t yo ft h ec i r c u i td e s i g n , t h e t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o nt oc o m p a r et h er e s u l t so b t a i n e di nt h i sd e s i g nt h ec i r c u i tt of u r t h e r i m p r o v et h ed r i v i n gs t a b i l i t yo ft h ec i r c u i t ，s ot h a tt h ep u m pl a s e rb em o r es t a b l eo u t p u t ，t h es i m u l a t i o n r e s u l t sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i si sc o n s i s t e n t f i n a l l y , t h er e s e a r c hd e s i g no ft h ep u m pl a s e rd r i v e rc i r c u i tu s e di nf p g a - b a s e da u t o m a t i cg a i n c o n t r o le d f aw i t h , t h eu s eo ff p g at oh a n d l ec o m p l e xt i m i n ga n dc o n v e n i e n tf e a t u r e s ，c o m b i n e dw i t h m p i da l g o r i t h m , m a k i n gt h ec k c m th a sas i m p l e ，s c a l a b l e ，h i g h l yr e l i a b l ee a s yt oa c h i e v es u c hc h a r a c t e r i s t i c s ， t h ep u m pl a s e rd r i v e rc i r c u i to nf p g ah a r d w a r ed e s i g n , i n c r e a s et h er e l i a b i l i t yo ft h ew h o l es y s t e m , s ot h a t d r i v ep o w e rw i t hh i g hi n t e l l i g e n c e ，a n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t y ，h i g hp r e c i s i o nt e m p e r a t u r ec o n t r o l ，h i l g hp o w e r s t a b i l i t yo nt h el a s e rw i t h o u td a m a g ea n ds oo n k e yw o r d s ：e r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e r , p u m pl a s e r ，t h ed r i v i n gs o u r c e ，c o n s t a n tc u r r e n ts o u l c c ， f p g a i v 第一章绪论 1 1 光纤通信发展概况 第一章绪论 光纤通信，即为将信息以激光作为载波信号通过光纤进行传送的通信系统。光纤通 信经过近3 0 年技术的飞速发展目前正在淘汰着其他的有线通信方式，光纤通信作为一 种先进的通信方式，是人类历史上的一项重大突破，它具有以下优点n ： ( 1 ) 基于其光波频率高并且光纤传输的频带宽，所以传输容量很大，可进行图像、数 据、传真、控制等多种业务； ( 2 ) 通信过程中不受电磁干扰，保密性好、工作可靠； ( 3 ) 以光纤作为材料，有耐高温、高压、抗腐蚀等特点； ( 4 ) 光纤材料本身具有直径小、重量轻的特点，且其来源丰富，可节约大量有色金属 ( 如铜、铝) 。 图卜1 现代通信方式示意图 现将光纤通信的发展过程介绍如下n 。3 3 ： 2 0 世纪6 0 年代：1 9 6 2 年第一只半导体激光器诞生，随后半导体光检测器也研究成 功。1 9 6 6 年英籍华人科学家高锟与h o c k h a m 提出用玻璃可以制成衰减为2 0 d b k m 的通 掺铒光纤放大器泵浦激光器驱动源的研究应用 信光导纤维，1 9 7 0 年美国康宁公司首先制出了2 0 d b k m 的光纤，这标志着光纤通信系 统的实际研究条件得以具备。 2 0 世纪7 0 年代：1 9 7 0 年发明了l d 的双异质结构，使得光源与光检测器的寿命都 达到了1 0 万小时的实用化水平。1 9 7 9 年发现了光纤1 3 1 0 r i m 和1 5 5 0 r i m 新的低损耗窗 口，紧接着单模光纤问世。光纤的衰减系数一下降到o 5 d b k m 。这使得光纤通信迈进了 实用化阶段，从8 0 年代初开始光纤通信便大步地迈向了市场。 2 0 世纪9 0 年代初：1 9 8 9 年掺铒光纤放大器e d f a 的研制成功是光纤通信新一轮突 破的开始。e d f a 的应用不仅解决了光纤传输衰减的补偿问题，而且为一批光网络器件 的应用创造了条件。使得光纤通信的数字传输速率迅速提高，促成了波分复用技术的实 用化。 我国从1 9 7 4 年就开始了光纤通信的基础研究，并在几年之内就取得了阶段性的研 究成果。在9 0 年代初期，我国开始了光纤通信系统的大量建设，光缆逐渐取代电缆， 并完成了“八纵八横”国家干线。这些干线主要是采用p d h l 4 0 m b i t s 系统。随着市场 需求量的增加以及技术水平的不断提高，逐渐采用了s d h 6 2 2 m b i t s 和2 5 g b i t s 系统。 郑州一洛阳一开封的1 6 2 5 g b i t s 和上海一南京的3 2 1 0 g b i t s 的波分复用数字光纤通信 系统的研究开发与投入商用等工作正在加速进行之中。此外，国产的光器件产品在国际 市场也具有较强的竞争力。由此可见，我国已具有大力发展光纤通信的综合实力。 1 2e d f a 的发展概况及现状 我国在e d f a 的研制方面，随时关注并跟进国际上对光纤产品的科研和取得的成果。 e d f a 在光缆线路中可以有以下几种应用哺1 ： ( 1 ) 用于干线高速光纤通信系统，在陆上光纤骨干网和海底跨洋通信干线均广泛在 采用了掺铒光纤放大器，都取消了传统的电再生中继器无中继距离延伸到1 5 0 k i n - 2 0 0 k m 。 ( 2 ) 用于波分复用系统( d w d m ) 中，增益平坦型的掺铒光纤放大器是d w d m 传输 系统的关键部件，能够同时放大多路波长不同的光信号，掺铒光纤放大器( e d f a ) 的 研究工作开始于8 0 年代末期，现如今e d f a 在d w d m 系统扮演着关键性器件的角色， 它的应用推进了光纤通信的全面进展。 2 第一章绪论 ( 3 ) 用于光纤电视c a t v 传输分配系统中，将e d f a 用在c a t v 光发射机后及链 路中，可以提高光功率、弥补链路损耗、补偿光功率分配带来的功率损失。e d f a 级联 数目达到4 级，众多用户共用一个前端和发射机也可以极大降低系统的运营成本。 ( 4 ) 用于光孤子传输系统中。e d f a 是光孤子脉冲放大的理想光放大器。 ( 5 ) 用于光纤接入网中。由于f t t h 的覆盖范围很大，光纤终端分支太多，会造成 用户接收到的光功率过低，采用e d f a 放大光功率可以使用户端正常接收。 ( 6 ) 用于全光通信系统中。光纤放大器是实现全光通信的核心器件。 1 3 本论文的内容及所承担的任务 e d f a 作为新一代光通信系统中的关键部件，能够实现高增益、大功率输出、较宽 的光学带宽，同时具有较低的噪声系数，其放大特性和系统比特率均与数据格式没有关 系。它己成为了波分复用系统、2 5 g b s 和1 0 g b s 以上等高速系统中的不可或缺的关键 性器件，同时在c a t v 网担任着重要的角色，可以说e d f a 给光纤通信和传输技术上 带来了一场革命。 在e d f a 中，最关键的是它工作时的增益特性和稳定特性，对这些特性起着决定性 作用的是e d f a 中泵浦激光器的输出是否具有稳定性。这就要求在选择泵浦激光器的驱 动电路时，要选择稳定性能强的电路，本论文针对e d f a 的这一特性需求，将恒流源电 路的研究和设计作为是本文的主要核心工作，本文主要研究工作内容如下： 本文的主要内容包括以下几部分： ( 1 ) 设计了泵浦激光器中的恒流源驱动电路，区别于传统的电路，论文在传统的基于 负反馈的恒流源电路的研究基础上有所改进，传统的恒流源电路中用到一个m o s 管， 这样的设计带来的问题是送到激光器的电流和流到取样电阻r 的电流可能会因为管子 存在着漏极和栅极漏电流的影响而存在差异，论文对恒流源部分加以改进，期望能够尽 可能地消除这些影响，让采样电阻得到的电流更加精确地等于流过激光器的电流； ( 2 ) 设计了慢启动电路，区别于传统的延时软启动电路，过流保护电路、上电防冲 击电路，包括激光器中的光探测电路、温度控制电路； ( 3 ) 对设计的驱动电路性能参数进行分析计算，并在p s p i c e 环境下绘制所设计的电 路并进行，对电路进行直流扫描和瞬态分析，将得到的仿真结果和理论分析进行比较； ( 4 ) 将设计优化性能的驱动电路应用在带自动增益控制的的掺铒光纤放大器中。期 掺铒光纤放大器泵浦激光器驱动源的研究应用 望优化e d f a 的性能，增强e d f a 增益的稳定性； ( 5 ) 最后采用f p g a 对泵浦激光器驱动电路进行硬件设计，这也是本论文的一部分 重要的工作。 期望本文的研究设计能够提高泵浦激光器的输出源的稳定性最终实现激光器高效 率、高稳定性地工作在带自动增益控制的e d f a 中，因此，此项研究对e d f a 的具体研 发和实际应用具有一定的指导意义。 4 第二章e d f a 的工作原理及其组成结构 第二章e d f a 的工作原理及其组成结构 2 1e d f a 的工作原理及特性 在e d f a 中，用到的是将掺铒离子单模光纤做增益介质，它在泵浦光作用下产生粒 子数反转，在信号光作用下受激产生辐射放大。在解释具体的放大原理前，先从掺铒光 纤的铒离子的外层电子的三能级结构( 图中e l 、e 2 和e 3 ) 讲起，下图中e l 是基态能 级，e 2 是亚稳态能级，e 3 是高能级叼。 泵浦能带 e 3 吸收泵浦光 - 9 8 0 而m 基态能 带e 1 图2 - 1e d f a 中的e r 3 + 简化结构能级示意图 在用具有高能量的泵浦激光器来激励掺铒光纤时，可以使铒离子的束缚电子从基态 能级大量激发到高能级e 3 上。然而，高能级是不稳定的，因而铒离子很快会经历无辐 射衰减( 即不释放光子) 落入亚稳态能级e 2 。而e 2 能级是一个亚稳态的能带，在该能 级上，粒子的存活寿命较长，受到泵浦光激励的粒子，以非辐射跃迁的形式不断地向该 能级汇集，从而实现粒子数反转分布。 当具有1 5 5 0 n m 波长的光信号通过这段掺饵光纤时，亚稳态的粒子以受激辐射的形 式跃迁到基态，并产生出和入射信号光中的光子一模一样的光子，从而大大增加了信号 光中的光子数量，即实现了信号光在掺饵光纤传输过程中的不断被放大的功能。 5 掺铒光纤放大器泵浦激光器驱动源的研究应用 我们经常通过e d f a 的增益、噪声及功率等来描述e d f a 的特性，e d f a 的增益g 是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为： 6 ( r i b ) 2 1 0 1 0 9 l 。二尹 ( 2 - 1 ) 1f - 如 其中加是输入信号光功率，只驯输出信号光功率。g 与e d f a 的泵浦功率、掺杂 光纤的参数和输入光信号有紧密的关系。 e d f a 在放大过程中都会把自发辐射( 或散射) 叠加到信号光上，导致被放大信号 的信噪比( s n r ) 下降，其降低程度通常用噪声指数c 来表示，其定义为： 只：! 型监 ( 2 2 ) ( s n r ) 。 。 2 2e d f a 的光路结构分析 光路结构由掺铒光纤( e d f ) 、泵浦光源( p u m p l d ) 、光无源器件( 包括分光器、 光波分复用、隔离器) 组成。e d f a 的核心是铒纤和泵浦源。光路结构图如下： i n p u l s b n a l - _ - 2 2 1 光耦合器( c o u p l e r ) 图2 - 2 光路结构图 光纤耦合器( c o u p l e r ) ，( 又称分歧器( s p l i t t e r ) ) ，光纤耦合器即为对同一波长的光功 率进行分路或合路即将光信号从一条光纤中分至多条光纤中的元件嘲。 光纤耦合器的类型有：y 型、x 型2 x 2 耦合器、l x n 型、m x n 型、全光纤型、微 光元件型、集成光波导型。 光纤耦合器的功能：光信号的分配、合成、提取、监控等，即组合来自不同光纤的 光信号或将光信号分离到不同的光纤中，工作原理为把两根或多根光纤排列，用熔拉双 锥技术制作。在熔接区，光纤变细，相互靠近，发生了耦合。由于常规单模光纤中大约 有2 0 的光是靠包层传输的，光纤变细就有更多的能量分布于芯线外，加之光纤相互靠 6 第二章e d f a 的工作原理及其组成结构 近，于是在耦合区就发生了不同程度的耦合。 描述光纤耦合器的参数主要有以下几个，分别做以介绍： 插入损耗：特定的端口到另一端口路径的损耗。如从输入端口i 到输出端口j 的路径 中的插入损耗为： 1 0 l g 槲冽 ( 2 3 ) 附加损耗：输入功率对总的输出功率的比值： l , = l o l g 轰p d b ( 2 4 ) 分光比或耦合比：输出端口间光功率分配的百分比： 2 2 2 波分复用器( w d m ) 耻 轰卜 ( 2 - 5 ) w d m ( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，波分复用) ，光波分复用是利用多个激光 器在单条光纤上同时发送多束不同波长激光的技术。每个信号经过数据( 文本、语音、 视频等) 调制后都在它独有的色带内传输。 w d m 的特点包括以下几点：利用多个波长并行传输；突破电子电路的速率极限， 减小了光纤色散的影响；充分利用光纤的巨大带宽资源，使单根光纤的传输容量比单波 长传输增加几倍、几十倍甚至几百倍；各波长的信道相对独立，可同时传输不同类型、 不同速率的信号；可降低对o e ，e o 器件要求，在光域传输的透明性好；高度的组网 灵活性、经济性和可靠性睁刀。 技术参数包括：中心波长( 固定、可调) 、带宽( 1 d b 带宽、3 d b 带宽、2 0 d b 带宽) 、 偏振相关性( p d l ) 、调谐范围、隔离度( 串音) 、插损、温度敏感系数。 2 2 3 光隔离器( is o i a t o r ) 光隔离器是一种单向光传输器件，对e d f a 工作稳定性至关重要。通常光反射会干 扰器件的正常输出，产生诸如强度涨落、频率漂移和噪声增加等不利影响。 提高e d f a 稳定性的最有效的方法是进行光隔离。在输入端加光隔离器消除因放大 的自发辐射反向传播可能引起的干扰，输出端保护器件免受来自下段可能的逆向反射。 7 掺铒光纤放大器泵浦激光器驱动源的研究应用 同时输入和输出端插入光隔离器也为了防止连接点上反射引起激光振荡，抑制光路中的 反射光返回光源侧，从而既保护了光源又使系统工作稳定。要求隔离度在4 0 d b 以上， 插入损耗低，与偏振无关。 光隔离器主要指标包括低的插入损耗( 对正向入射光，一l d b ) 和高的隔离度( 对反向 反射光，4 0 。5 0 d b ) 嘲。 2 2 4 光电二极管( p d ) p d 为光电二极管，它是由p n 结构成的一种半导体器件，像普通二极管具有单向 导电性。 然而在光电二极管在电路中不是用来做整流元件，而是起着将光信号转换成电信号 的作用，普通二极管的单向导电性是在外加反向电压时截止，只能通过很微弱的反向电 流，光电二极管在制作中使得p n 结的面积相对而言比较大，这样能够更好地接收到入 射光，光电二极管外加反向电压，没有光照的时的反向电流相当微弱，这种微弱的反向 电流叫做暗电流。 当有光照时反向电流很快地增加到几十微安，此时的反响电流即为光电流。 光照强度越大，反向电流也越大，光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把 光信号转换成电信号，成为光电传感器件n 。 光电二极管的工作原理的为在半导体材料上，当入射光子能量j j j y 超过带隙能量时， 一个光子被半导体吸收以后产生一个电子一空穴对。外加电压形成电场的作用下，电子 和空穴形成电流流动形成光电流，光电流大小i p 与入射光功率p i n 成比例： ，。嘲巴 ( 2 - 6 ) 其中尺是光电检测器的响应度，单位是彳i t ，响应时间是由光功率输入转化为光 电流输出，有一定时间迟后，其值主要决定于载流子通过耗尽区的渡越时间。 e d f 掺铒光纤是以石英光纤作基质材料，并在其纤芯中掺入一定浓度的铒离子。过 高的浓度会导致离子团的聚集，引起荧光淬灭，使得自发辐射强度大大减弱。铒离子的 浓度被限制了，在铒离子的浓度符合要求的情况下激励光纤的长度存在一个最优值，这 个最优长度不仅与掺杂浓度有关，而且还与增益带宽和增益形状有关，同时与泵浦功率 也密切相关。 不同类型的e d f 都存在一个最优值，长度超过最优值就会使铒离子自发辐射强度 第二章e d f a 的工作原理及其组成结构 大大减弱，由e d f a 的结构组成可以看出e d f 是其中的核心部分。 2 3e d f a 电路结构研究 e d f a 中电路主要组成部分是泵浦激光器的驱动电路，泵浦激光器驱动源电路结构 框图如下所示： 图2 3 泵浦激光器驱动源电路结构组成原理图 有以下几部分组成：慢启动电路、纹波调节电路、过流保护电路、恒流源电路、光 电探测电路、温度控制电路内1 们。 泵浦激光器的驱动电路控制着e d f a 工作时的输出功率和增益，本文主要对泵浦激 光器驱动电路中的各部分电路进行研究和设计，期望研究和设计得到的驱动源工作在电 路中能够实现驱动电流的最低电流偏差，以期达到提高泵浦激光器的输出源的稳定性的 目的，从而能够提高泵浦激光器的效率，最终实现激光器高效率、高稳定性地工作在带 自动增益控制的e d f a 。 电路部分的具体研究设计将在论文的第三章迸一步作以详细讨论。 9 第三章泵浦激光器驱动电路的研究和设计 第三章泵浦激光器驱动电路的研究和设计 3 1 泵浦激光器驱动电路的工作原理和特性 3 1 1 e d f a 中泵浦激光器的选用 e d f a q b 泵浦波长可以是5 2 0 、6 5 0 、8 0 0 、9 8 0 、1 4 8 0 n m ，波长短于9 8 0 r i m 的泵浦 效率低，9 8 0 r i m 的泵浦激光器( l d ) 相比较与其他而言，在转换效率和噪声方面更具优 势，因此e d f a q b 泵浦波长使用的泵浦源是9 8 0 r i m 的泵浦激光器。工作过程如3 1 图所示 1 2 3 ： 9 8 0 n mp u m p 9 8 0 t5 5 0 9 8 0 ，1 5 5 0 w i t hr e f l e c t i v i t yr 图3 - 19 8 0 a m 泵渭激光器工作过程不慝图 泵浦激光器是e d f a 中最为核心的部分，与泵浦激光器的工作息息相关的器件有： 探测输入输出光的光电二极管( p d ) 和有着控制和稳定激光器温度用的带热敏电阻的热 电冷却器( t e c ) 。现将这几个器件的功能和特性介绍如下： 泵浦激光器( l d ) 是在9 8 0 r i m 上的半导体激光二极管，根据e d 埘它的基本要求， 9 8 0 h m 的l d 具有以下突出优点：噪声低、泵浦效率高、驱动电流小，功率高达数百m w 。 3 1 2 泵浦激光器在e d f a 中的工作方式 激光器在e d f a 中工作的方式有前向或同向泵浦、后向或反向泵浦和双向泵浦，几 种泵浦方式分别如下图3 - 2 所示，根据每种泵浦方式的优缺点，在光路设计时选择所需 要的泵浦方式n 3 。1 翻。 |i士争lil 掺铒光纤放大器泵浦激光器驱动源的研究应用 图3 2c a ) 中是前向或同向泵浦方式，它的优点在于具有好的噪声性能，图3 2c b ) 中是泵浦激光器做后向或反向方式，它的优点在于具有高的输出信号功率，图3 2c c ) 中是双向方式，它的优点在于其输出信号功率比单泵浦方式高3 d b ，且放大特性与信号 传输方向无关，在具体的工作过程中，根据具体的需要选择相应的泵浦方式。 f 7 一一、 厂一 一、一7 哪 r 1 i r 酬 p d - l 牛p d * 十l d 图3 - 2 ( a ) 激光器在e d f a 中做前向泵浦( 同向泵浦) e d f 哪_ 一1 一 l 一厂i u t - v _ u t - p d - 牛p d * - l 巾l d 图3 - 2 ( b ) 激光器在e d f a 中做后向泵浦( 反向泵浦) e d f o 一1 。 ，一一、 l 一1 _ l u t o - 7 u t 呻u t l old l - p d * 图3 - 2 ( c ) 激光器在e d f a 中做双向泵浦 3 1 3 泵浦激光器中外围电路 泵浦激光器出去驱动的部分电路外，还有光电探测电路和激光器的温度控制电路， 光电探测器即用来监视l d 性能的逆向光电二极管( p d ) ，光电探测电路的作用在于在光传 输过程对光的功率进行控制和调节n 氐1 7 。 泵浦激光器中的制冷，用到的是半导体制冷器，即带有热敏电阻( t h ) 和冷却器 第三章泵浦激光器驱动电路的研究和设计 ( c o o l e r ) ，作用是控制和稳定激光器温度的。 其中制冷器是直流通过由半导体材料支撑的p n 结回路时，在p n 结的接触面上会发 生热电能量转换，其接触面上产生吸热和放热的现象，既是产生帕尔帖效应，还会同时 产生诸如焦耳效应，傅里叶效应和塞贝克效应，汤姆逊效应等，将帕尔帖效应用于半导 体制冷时体积可以很小，所以经常得到应用，使用时，常常根据需要制冷的体积，择取 制冷器的额定电流。 热敏电阻，即由电阻温度系数大的导体材料，制成的电阻元件，在泵浦模块中用于 测量激光器的温度，用于反馈以控制制冷器的电流，以使得激光器工作时温度恒定。其 物理过程是，吸收辐射产生升温，引起材料电阻的变化，半导体制成的热敏电阻即为吸 收辐射后，材料中电子的动能和晶格的振动能都有增加。 3 2 泵浦激光器驱动电路的研究设计 泵浦激光器工作电流的稳定与否，直接关系着激光器的输出的稳定性能好坏，从而 影响到e d f a 的工作状态和性能，激光器工作时候，产生的温度变化也直接影响到激光 器的输出波长，阈值电流和输出光功率等参数。 在激光器工作的过程中，随之产生的浪涌冲击、静电击穿和正向过流等情况都会对 激光器产生某种程度的损坏。 研究激光器驱动电路的目的是为了在保证激光器安全稳定工作的同时，能够为其提 供一个纹波小，毛刺少的稳恒电流，所以论文研究的激光器驱动电路，是带一些保护功 能电路的串联式恒流源电路。 3 2 1 恒流源电路的研究和设计 论文这一部分将详细介绍每部分电路的组成结构及工作原理。首先是恒流源电路 部分，本文采用传统的恒流源电路。 我们知道，构成恒流源电路的主要器件有以下几种选择：晶体管，场效应管，集成 运放。 用晶体管来构成的恒流源电路，通常，大多作为差动放大器的发射级的公共电阻， 但由于晶体管的各种参数，很容易随着温度的改变发生很大的变化，需要采取反馈工作 点的办法，来减小温度的影响，即将集电极的电流或者电压产生的变化量，取样其中一 部分反馈到输入回路中，从而影响基极的电流，用来补偿集电极的电流的变化。 掺铒光纤放大器泵浦激光器驱动源的研究应用 场效应管不吸收信号源电流，不消耗信号源功率，且输入阻抗高，同时他对于温度 的稳定性比三极管好，抗辐射能力强，噪声低，制作工艺简单，便于集成等优点，所以 电路中通常将其和晶体三极管一起应用到电路中。 在集成运放中，制造晶体三极管和场效应管这些有源器件，所用到的面积小且工艺 也简单一些，集成电路中很多使用有源器件组成的有源负载，这样能得到大电阻的同时， 也能够提高电路的放大倍数，构成的电流源也能够得到稳定的偏置电流，所以，用集成 运放来制作的恒流源稳定性好，且集成运放的恒流性能更高，所以，恒流源电路选用集 成运放构成的电流串联负反馈的压控电流源，其基本结构图如下所示17 擂1 ： 图3 - 3 反馈放大电路原理图 反馈放大电路的组成结构如上图所示，包括放大电路和反馈网络，其中在放大电路 模块中，其输出端会有取样网络，对输出信号取样，将此信号通过反馈网络反馈到电路 的输入端，电路在输入端通过比较网络来对输入信号和反馈来的信号进行比较，比较的 结果作为电路最终的输入信号。由以上的基本原理可以得到下列公式n 8 2 们： 肛x o ：生：j d _ ( 3 1 ) 五uu - u ， 产墨：盟 ( 3 2 ) x oi o 4 ：墨：量 ( 3 3 ) 。五u 其中，彳为电路的放大倍数，基本放大电路的放大倍数为a ；反馈系数为f ；负反 馈放大电路的放大倍数。 允：一- ( 3 - 4 ) l 十4 - ， 当电路引入负反馈时，4 0 ，表明引入负反馈后电路的放大倍数等于基本放大电路放大 1 4 第三章泵浦激光器驱动电路的研究和设计 倍数的南。但弓i 入深度负反馈( 臣口南 1 ) 放大倍数仅仅取决于反馈网络，与 基本放大电路无关。 对( 3 - 4 ) 式求微分得到： 雄2 丽d a ( 3 5 ) 有式( 3 - 4 ) 和式( 3 - 5 ) 丝：!毒坐 ( 3 6 ) 4 【l 叫羊，) a 由以上微分结果可以看出，电路中引入的电流串联负反馈网络组成的放大电路的放 大倍数4 的相对变化量是基本放大电路相对变化量石z 知万。 由此可见负反馈的结果让放大器增益下降了，结果却能改善电路的稳定性能，这样 电路在实际使用中通过中这种方法来降低来源于运放的增益变化、信号源的波动和元件 老化，以及各种电子元器件对温度的不稳定性等情况造成的放大倍数变化，最终达到了 提高系统稳定性的目的。 根据选用集成运放构成的电流串联负反馈的压控电流源的原理，研究和设计的恒流 源电路其基本结构图如下图3 - 4 所示： 1 5 掺铒光纤放大器泵浦激光器驱动源的研究应用 图3 - 4 泵浦激光器驱动电路 整个驱动电路系统的工作原理是：慢启动电路的作用，是控制信号通过数模转换器 ( d a c ) 转换，然后传输到运放u 1 的同相输入端，再在取样电阻r s 上得到取样电流， 取样电阻上的电压在u 2 处，通过r 1 、r 2 形成的反馈网络运送到u l 的反相输入端，u 1 则将同相端和反相端反馈得到的电压比较差值，这就是恒流源构成的反馈网络的工作过 程。 反馈过程中，反馈回反向端的电压在模数转换器( a d c ) 的作用下，通过系统和基 准电压进行对比，从而起到反馈控制的作用，这种反馈网络让输出的激光器电流性能更 加稳定，更加精准。 激光器周围的电容c 1 用小容值的陶瓷电容，期望消除大电解电容的电感效应，电 容c 2 选为大电解电容值，是为了防止在激光器p n 结上电压的突变，d l 用来吸收激光 器上的反向电流，d 2 为瞬态抑制二极管，用于抑制浪涌电压，上面部分的n 型滤波网 络由l l 、c 3 、c 4 构成，期望滤掉电路中的交流信号。 在驱动电路设计中，采用负反馈的控制方法得到了稳定的输出电流。 第三章泵浦激光器驱动电路的研究和设计 在工作时，通过电流采样反馈为驱动电流提供有源控制，方法是在场效应管的源极 串联一个取样电阻，用于取样反馈。该取样电压经i a j 转换后，作为反馈电压与设定电 压进行比较，进而对输出电流进行调整。这样使整个闭环反馈系统处于动态平衡中，以达 到稳定电流输出的目的。 与传统的基于负反馈的恒流源的驱动源相比较，这里的驱动电路有所改进的地方， 传统的基于负反馈的恒流源电路只用单个m o s 管，带来的问题是，送到激光器的电流 和流到取样电阻r 的电流，会因为管子存在着漏极和栅极漏电流的影响而存在差异，本 文加连一个m o s 管，它的漏电流可以弥补这个差异，并且使用合适的m o s 管和电阻， 期望能够尽可能地消除这些影响。基于负反馈的恒流源部分电路结构如下图3 5 所示： 图3 5 电流源控制原理 输出电流l 与设定电压k 的关系可由负反馈原理推导： l 2 k 7 ， i l d 2 is + i g l i s ( 3 - 8 1 其中，l 是流过l d 的正向驱动电流，k 是设定电压，r 是取样电阻，厶。为o l 的漏电 流，k ：为q 2 的漏电流，。为0 1 的栅源电压，墨、月是反馈网络中电阻。 掺铒光纤放大器泵浦激光器驱动源的研究应用 在理想情况下，输出电流与设定电压呈良好的线性关系。但实际应用中由于各部分 器件的不稳定因素，使得输出电流有波动，线性程度也会变差。根据精度分析原理，对上 式进行全微分并化简可得如下电流不确定度表达式： 蛆= 盟a wd ”a 只+ 嚣峨+ 盖崛 (3-9)talf d r = a l d r , - a 2 d r - a 3 皑+ a 4 崛 式中：a 2 上r ( r 1 + r 2 ) 表示设定电压的不稳定对输出产生的影响。a ：2 i i u 表示取样电阻的温漂对输出产生的影响。a s 2 丽之毛万u 、a 2 面寿毛了玑表示反 馈网络中的电阻的温漂对输出产生的影响。 由公式可以看出，影响输出电路的不确定性的主要因素是，电压基准和取样电阻的 不确定性。在具体的电路设计中，选用稳定度高的金属氧化膜电阻，用来当取样电阻， 选取了高稳定度低温漂电压基准，从而有效地提高了输出电流的稳定性。 3 2 2 慢启动电路的研究和设计 在启动输入信号的时候，与激光器接在同一电路中电器元件的断开和闭合，都会产 生很大的冲击电流，这样产生的电流就很容易将激光器损坏掉，所以，慢启动电路就能 够将驱动电源的输入减缓，从而起到保护激光器的作用阳1 。 q l 2 丰 u l 3 = c 5= 蹦牛c 7 = + = c 1 1 = ，i、i c 9 = c 1 0 一 图3 - 6 慢启动电路 上图所示即为一个激光器的慢启动电路，左边电路的输入端输入直流电压。 慢启动电路的结构包括这几部分：接在射极输出器上分别由电感和两个电容组成的 两个n 型滤波网络、电容c 5 组成的c 型滤波网络，时间延迟网络。 慢启动电路的工作原理：输入端输入的电压在开关和闭合的时候，会随之而产生高 第三章泵浦激光器驱动电路的研究和设计 频成分，电路中两个兀型滤波网络，起到的作用就是要滤掉大部分高频分量，这样可以让 其中的直流及低频部分成功地到达由电阻r 和c 组成的时间延迟网络，电路中并联两个 电容的作用是减少其中的电解电容对高频分量的电感效应。 3 2 3 防上电断电冲击保护电路 激光器驱动电路中的防上电断电冲击保护电路电路图如下图3 7 所示n 引， v c c ；申 电 流 源 图3 - 7 防上电断电冲击保护 此电路的工作过程为：数模转换( d a c ) 模块接在场效应管q 4 的栅极，在上电过 程中，没有信号的状态下，场效应管的栅极电压为0 ，此时不导通，即使j 1 闭合也不存 在影响到激光器的浪涌，在有信号到达时，调用上电子程序从而使栅极电压缓慢上升， 经过一定的时间后，儿电流达到阈值而断开，电流流过激光器，从而实现保护激光器的 功能。 3 2 4 驱动电路过流保护电路 在整个驱动电路工作的过程中，前面介绍的慢启动电路，它的作用在于消除高频冲 击电流的危害，但仍然不能有效地防止直流或低频电流过载危害到半导体激光器，因此 应当设计相应的过载保护电路。 设计过流保护电路，一般可采用限流式保护电路，但是这种电路如果长时间工作于 在短路的情况下，过热仍然会导致调整管的损坏，于是，可以考虑采取截流式保护电路。 过电压保护的精度主要取决于稳压二极管，而其工作点是随流经稳压管的电流和环境温 度变化的，因此设计上必须选用稳定电压的温漂非常小的稳压管。 泵浦激光器在工作的过程中，如果驱动电路提供的驱动电流超过其限定的最大值， 1 9 掺铒光纤放大器泵浦激光器驱动源的研究应用 那么就会将其烧坏，而泵浦激光