（物理电子学专业论文）掺铒光纤放大器实验研究及其驱动源研制.pdf

中文摘要 掺铒光纤放大器( e d f a ) 是当令密集波分复用( d w d m ) 系统的核心器州，其 性能的优劣直接芙系到整个系统性能的优劣。本文崩绕e d f a 的若于关键技术及 其驱动源进行以f 儿方面的研究： 、e d f a 驱动源的研制 聚用模拟电路研制出两台的9 9 0 n mi d 的琢动源：荠在此基础i 完成了 e d f a 驱动源的数字化过程，简化电路设计，增强串j 路控制功能优化显示界面， 制成台9 8 0 r t ml d 驱动源和一台1 4 8 0 i m al d 驱动源：经测试与使用证明性能 良好，符合驱动源的设计要求。 二一、宽带e d f a 实验研究 在c 波段和l 波段e d f a 的实验研究基础上，采用并联绣构组合万棠，实 现了c l 波段的宽带放大并通赶使用级歌光纤环形镜( f l m ) 滤波得剑rc + l 波段的甲坦增益输出。此宽带放a 器3 0 d b 以 ：的3 d b 增益带宽到达了5 7 i m ， 其中c 波段2 5 n m ( 】5 3 0 n m l5 5 5 n m ) ，l 泼殴3 2 n m ( 】5 7 0 n mr 1 6 0 2 n m ) 。 三、e d l 认自动增益箝制( o a g c ) 实验晰究 使用环形腔方案，进行r 单波长和积波长o a g c 实验。首次使用f i ，m 宴现 双波长增益箝制方案，结果显示：放大器处于增益籀制状态时，其输出增益敞动 嚣小可达0l d b 。此外还进行了低噪声两级级联结构增益箝制放大器实验，矿输 入信号功率 3 15 d b ) 低噪声( 47 6 d b ) 的放大要求：使闫 第一章堵跄 级联f l m 对c 波段e d f a 实现了良好的平坦效果，其15 3 5 n m l5 5 7 n m 波长范 围内的增益不平坦度由土5 d b 减d , 0 e 】d b 。 2 ) 针对l 波段e d f a 进行实验研究。实现了具有本征增益甲坦性的l 波段 预放级放大器，其在3 4 r i m ( 15 6 8 1 6 0 2 n m ) 波长范围的增益大r3 s + 8 4 d b ，噪声 指数小于52 9 d b ，同时输出增益平坦艘优于20 4 d b 。 3 ) 在c 波段和l 波段掺铒光纤放大器的实验研究基础上采用并联站构 e d f a 组合方案，实现了c + l 波段的盘带般x ，并通过使用缎娃f l m 滤波得、i 了c + l 波段的平坦增益输出。此宽带放凡群3 0 d b 以上的3 d b 增益带4 宽到达j 7 5 7 n m 。其中c 波段2 5 n m ( 1 5 3 0 n m 15 5 5 n m ) ，l 被段3 2 r a n ( 15 7 0 1 u n 1 6 0 2 n m ) ， 3掺铒光纤放大器自动增益箝制实验研究 我们使用环形脏全光增益箝制( o a g c ：o p t i c a la u t o m a t i cg a i nc l a m p i n g ) 方 案，进行了单波长以及双波长全光增益箝制实验。其中，我们酋次提出了使用光 纤环形镜实现双波长增益筘制的方案，菏得以成功的实现。实验结果显示：放大 器处于增益箝制状态时，其输出增益波动擐小可达0l d b 。此外菝们还进行了低 噪声两级级联结构增益箝制放大器实验，在输入信号功率 一1 5 d b m 的条件下，得 到的噪声指数优于81 5 d b ( 最小值7 1 d b ) 。 4 基于铋基铒纤的放大器实验研究 国内首次进行了基于新型铋基掺铒光纤的宽带放大器和宽带超荧光光源的 实验研究。实验结果显示，该铋基铒纤放大器具有良好的宽带放大潜力，在各种 不同功率信号输入的情况下，此放大器的1 0 d b 以上增益范围都达剖 7 0 n m ( 1 5 4 0 n m 1 6 1 0 n m ) ：存基于此铋基掺铒光纤的宽带荧光光源实验中，我们 利用双向泵浦、双通放大结构，得到了谱宽8 8 n m 、功率1 43 d b m 的宽带超荧光 输出。 天津大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章e d f a 驱动源的设计与研制 e d f a 不仅是光通信系统的关键部件，也几乎是任何光纤激光器、光放太装 置以及宽带超荧光光源等应用中不可或缺的基本环节。基于许多科研、教学项f t 的需要，我们必须形成自主研制e d f a 的能力。为此，我们从e d f a 的泵浦电源 及控制电流的设计制作丌始、直至整个放大器系统展开r 较为全面的研究工作。 无论对于何种波段的放大器，泵浦源都起劐不可替代的作用，决定e d f a 的增益及其稳定性最基本的因素就是泵浦源能否提供稳定可靠的输出。e d f a 理 想的泵浦源是半导体激光器( l d ) ，它是种离功率密度并具有极高量了效率的 器件。目前，业己商品化半导体激光器技术成熟，输出功率越来越犬，波长范围 覆盖可见及红外，在泵浦光源、光谱技术、光外差探溯、医疗、加工等领域得到 愈来愈广泛的应用，其驱动电源也随之受到人们极大关注f l _ j 。 通过电子空穴的迁移_ 柬注入载流子，是泵浦半导体激光器的最普通的方法 ( 即电流泵浦) 。此外，也研究出了电子泵浦、光泵浦的方法和直接用电激励的方 法。其中，采用电流泵浦的方法比较简单而有效，且具有很高的效率。实际应用 中，激光二极管在安全工作状态下应具有最低的电噪声和最离稳定性，这样对驱 动源的性能具有很高的要求。电流输入端过大的电压波动会造成l d 的损害，驱 动电流的波动不仅会造成激光二极管的激光强度噪声，还会造成输出波氏光谱线 宽的展宽。另外，半导体激光器的参数与温度有密切的关系，这是它的一个特点， 随着迁移温度的升高，阐值电流要增大，因此输出的辐射功率要下降；l d 发射 波长乜随温度进行漂移，影响e d f a 的e 常工作。所有这些，是设计泵浦电源时 必须考虑的。设计高性能的保护电路，提高电源驱动电流和结温的控制精度至关 重要，多项技术被用于驱动源的设计之中h “。 目前，e d f a 驱动源主要分为模翘拎剖和数字控制两种。传统模拟电路技术 成熟、响应快速，但结构复杂、体积较大，并且具自一定的控制局限性。围内此 类报道不多，我们业已完成多台e d 队模拟驱动源的研制工作b j ，实际测试性能 良好。随着电子技术的e 速发展，数字时代成为当今世界发展的主流，数字化， 智能化也是半导体激光器发展的必然方向。数字化使得硬件功能软件化，将大万 简化控制电路，增强控制功能，本研究室在这方面也做了大量的工作【bj 。然晚， 简化控制电路，增强控制功能，奉研究室在这方面也做了大量的工作【bj 。然而， 2 1 引言 灭津大学硕士学位论文 第二章e d f a 驱动源的设计与研制 e d f a 不仅是光通信系统的关键部件，也几乎是任何光纤激光器、光故人装 置以及宽带超荧光光源等应用中不可或蚺的基奉环节。基于许多科研、教学项目 的需要，我们必须形成自主研制e d f a 的能力。为此我们从e d f a 的泵浦电源 及控制电流的设计制作开始、直至整个放大器系统展开了较为全而的研究工作。 无论对于何种波段的放大器，泵浦源都起到不可替代的作用，决定e d f a 的增益及其稳定性最基本的因素就是泵浦源能否提供稳定可靠的输出。e d f a 理 想的泵清源是半导体激光器( l d ) 它是种高功率密度并其有极高量子效率的 器件。目前，业已商品化半导体激光器技术成熟，输m 功率越来越大，坡长范围 覆盖可见及红外，在泵浦光源、光谱技术、光外差探测、医疗、加工等领域得到 愈来愈广泛的应用，其驱动电源也随之受到人们极大关注1 1 0 。 通过电子一空穴的迁移兼注入载流予，是泵浦半导体激光器的晟普通的方法 ( 印电流泵浦) 。此外，也研究出了屯子泵浦、光泵浦的方法和直接用电激励的力 法。其中，采用电流泵浦的方法比较简单而有效，且具有很高的效率，实际应用 中，激光二极管在安全工作状态下应具有最低的电噪声和最高稳定性，这样对驱 动源的性能具有很高的要求。电流输入端过大的电压波动会造成i d 的损害，驱 动电流的波动不仅会造成激光一极管的激光强度噪声，还会造成输出波长光谱线 宽的展宽。另外，半导体激光器的参数与温度有密切的关系，这是它的个特点 随着迁移温度的升高，阚值电流要增大，因此输m 的辐射功率要下降；l d 发射 波蚝也随温度进行漂移，影响e d f a 的正常t 作。所有这些，是设计泵浦电源时 必须考虑的。设计高性能的保护电路，提高电源驱动电流和结盟的控制精度堑关 重要，多项技术被用于驱动源的设计之中 l 4 i 。 目前，e d f a 驱动源主要分为模拟拄剖和数字控制两种。传统模拟电路技术 成熟、响应快速，但结构复杂、体积较大，并且具有一定的控制局限性。国内此 类报道不多，我们业已完成多台e d f a 模拟驱动源的研制工作”j ，实际测试性能 良好。随着电予技术的飞速发展，数孚时代成为当今世界发展的主流，数字化、 智能化也是半导体激光器发展的必然方向。数字化使得硬件功能软件化，将大大 简化控制电路，增强控制功能，本研究室在这方面也做了大量的工伟【6j 。然而， 第_ = _ 章掺铒光纤放大器驱动源的发计与研制 程序执彳亍的延迟时间会大大降低控制响应速度，完全的数字化控制却给l ，d 的安 全工作带来了隐患。我们也因此付出过代价。我们认为，数字化的过程中合理的 引入模拟成分，模拟与数字有机的结台将给驱动源带来更丈的发展空间。我们业 已完成了此类新型e d f a 驱动源的研制了：作。， 2 2 模拟e d f a 驱动源设计与研制 半导体激光器具有体积小、重量轻、耗电少等许多突出优点，但它有个很 大的缺点就是很容易损坏，而且激光输出特性受温度变化的影响相当严重，故卉 设计采用半导体激光器为光源的通信及检测仪器时，必须首先设计性能优良的配 套激光电源。此电源需要具备咀下三个功能：( 1 ) 提供连续可调的恒流源；( 2 ) 温 控功能：( 3 ) 为防止一些突发因素造成激光器损坏斑具有的保护功能。可以将整 个电源电路分为两部分一是驱动电路( 包含各种保护电路) ，二是湍控电路 统计表明，半导体激光器突然失效，青一半以上的几率是由于浪涌击穿。浪 涌是种突发性的瞬态电脉冲，使半导体激光器瞬时承受过电压而使p n 结击穿， 瞬态过电压的正向过电流所产生的较大光功率还可以使介面损伤。产生浪涌的原 因是多方面的，如电源开关干扰、过渡过程引起的冲击、接触不良造成的冲击、 电网干扰引入的浪涌、焊接方法不当造成的损伤锋等。所设计的电源应尽可能消 除这些浪涌，以防止激光器的损坏。 2 2 1 驱动电路设计 驱动电路原理方框图如图2 - 1 所示，下面分别对每一部分进行介绍。 图2 - 1 驱动电路原理方框图 2 2 0 v 的交流电经过变压器降压后进行整流滤波，成为比较稳定的直流l t ， 然后通过稳压电路形成整个电路的供电部分。市电进入变压器前先经过过零触发 葭_ ；萆，、毫。砸十。? 韫论交 器和电源滤波器。过零触发器保证开芙合j ? 后供给电踩滤波器的电压是从。电位 丌始启动的，这样j ) 1 1 3 i u 变压器分布电容上的电压不是个突变过程，园此何效地抑 制了浪涌电流的产生。电源滤波器是防【l 电网r 强干扰的尖峰电压( 这娄干扰裔 可能超越反应较慢的压敏电阻而串入电源内) 对电源的干扰作用。另外，司并醍 两个压敏电阻，一旦电网电压出现高于某峰值电压的浪涌时，它立即呈短蹄状 态使浪涌被吸收。通过以上的措施基本上能保证进入变压器的电压是个比较 _ _ 净 的日女波。为了减小电源纹波，更好地滤除高频成分，滤波电路采用绒t i , 犁滤 波嗍络，这里不予累述。 在接通或断开电源时，会在电路中形成个过渡过程，即在开启时，驱动电 流会出现幅度很大的过冲，随后经过过渡过程才趋稳定。这种驱动电流的过冲易 使p n 结遭电击穿，介面遭光损伤或破坏。即使浪涌的强度或持续旷矧不致了在 第一次开启电源时使激光器产生完全的失效，但在多次披涌的冲击下也会加速半 导体激光器性能的退化和最终失效，圆此，半导体激光器的骄动电源应采取缓肩 动措施，如图2 2 所示。电源开启时，电容缓慢充电，当l m l 3 9 比较器的【f 输 入端电压大于预先设定的负输入端电压时，比较器输出高电平信号，此信号将开 启电子开关，供电电路与稳流电路连接，系统开始一 作。图中n 0 2 和c o m 2 星 电子开关的一组开关，电于开：关开启时，两者连通，电容放电，比较器j 亚转，输 出箝制为低电平，从而不会影响其他电路部分。另外，还可以通过澄定_ ：同的负 输入端电压灵活改变缓启动的时州。 图2 - 2 缓启动电j ! 番原理示意图 l d 的工作方式有两种，一种是恒功率方式，一一种是恒流方式。根据需要， 我们选择后者。稳流电路采用电流负反馈稳定电路，脒理如图2 3 所示。其审，v ，、 r ：、c ；及可调电阻r 4 组成可手动调节的基准电胜，它决定供给i ) 的恒电流火 小。运算放大器a m p 、n p n 、r t 构成r 一个放大系数为】的射辍跟随器，其r t ， v ( 1 ；v r 一，因此通过l d 电梳恒为v c l 限，。改变电位嚣的阻值就改变了幢定电流 一 。垂p 第二章掺铽【光纤放 器驱动源的设计与研制 值，从而可以改变l d 的输出功率。c i 是防止可变电阳的滑动端在滑动过群中接 触币良所引起的电压波动而必须设置的。另外，j - c l 2 和j - c o m 2 足继电器的 组常闭触电，当系统未启动时，两者一商连通，保证l d 上无耳何电压扰动。启 动时，当电压超过一定值时，控制j - c i 。2 和j - c o m 2 打开，保证为l d 正常爨屯。 图中的+ v 2 实际是大地，这样，l d 的j 下级也就是其外壳可以直接接地，从而增 加了l d 的稳定性，因此可斟看出此电源为负电源。 图2 - 3 稳流电路原理小意图 图2 4l d = 联保护屯路 l d 的保护电路设计是整个电路的关键所在l ”，它保证l d 的m 常二作以及 定发情况1 不受损坏。我们设计的得护电路主要包括以f 两部分： ( 1 ) l d 并联保护电路：由于半导体激光器对十电的冲击承受能力极羞，需要进 行并联保护措施，如图2 4 所示。圈中r 是为增加凌支路阻抗的集台，c 是滤 波宅容， 般选用具有高频持性其容量达数# ，的电容：d 为稳压管，它应具有 正阳电压低，响应快的特点，其稳压电压选为激光二极管允许的最大电压以下 ( 当 然必须大于激光二极管工作电压) ：l e l 。1 和j - c o m i 为继电器的组常闭触点， 它在电源不工作时短路，起着防止静电作用，在电源开启的瞬叫也防止r 对激光 二极管的浪涌冲击。它的升肩时刻的选择对激光一极管影响甚大，也有专? j 电路 与之配合。 ( 2 ) 过压皎流) 保护电路： 丑于| j i ) 的易损坏性，出厂的1 d 都标有工作的最大 电压。当l d 长时间工作在最大电斥以r 时l d 的性能将小断变差甚犟彻底损 坏。在设计中，我们通过取样电路对l d 两端的电压进行检测当电压超过安全 值时，比较器反转，输出低电平将关闭电子开关，供电电路与稳流1 = 乜路断开，稳 流电路通过电容缓慢放电，同时继电器所有触电闭合起到有效保护l d 的千i 用。 2 2 2 温控电路设计 以上我 j 曾谈到半导体激光器的输出功率和波长都与温度有关，因此控制温 天渖大学珂i f 学位论文 度变化对于通信中的l d 十分重要。另- ；g 喊半导体激光器必须冷却，否则将损 坏。如今，j 家都将半导体制冷器、温度传感器和l d 集成在一起以便用户使崩。 温控电路原理方框图如图2 - 5 所示。与l d 集成的温度传感器般是具有饥 温度系数的热敏电阻，它的标称电阻般是1 0 k o 。l d 的温度变化将 ； 热截电阳 的阻值变化体现出来，恒流源为热敏电阻提供可控恒定电流，这样温度的变化便 转化为电压的变化输出。电压变化经过放大电路放人后，与基准电压进行比较， 得出的误差信号输入p i d ( 比例积分微分) 调节器，由其校正放大后经过控制电路 转化为润节电流，以驱动半导体制冷器降低l i ) 的温度，再次由热敏电阻聚集。 这样，整个温控电流形成一个反馈控制环，它可以动态的控制l d 的温度，使其 处于所设定的稳定值。具体电路不予累述。 l 恒流源i旧蚓 j l儿 臣m 堕罐澍蔓圈薄 i i，厂t 、l o 哇- - - ( 士1 e 二= 二= - 二= = = = = = ：= = = = = = = = = = = = = = = 一= = i 、1 ， 圈2 - 5 温控电路原理力框图 2 3 数宇e d f a 驱动源设计与研制 随着科技的发展仪器数字化成为必然。e d f a 驱动源的数字化可以大大籀 化控制电路，增强控制功能，是其向小型化发展的必纾之路。 2 3 1 芯片选用 e d f a 的数字控制不仅要求控制器其有强大的数字信号处理能力，而且还需 要数据采集、处理，驱动以及通讯的能力。我们选用的混台信号处理器c 8 0 5 1 f 0 0 5 芯片内嚣3 2 kf l a s h 、2 5 6 字节内部r a m 和2 k 外部r a m 、一个8 通道1 2 位模 数转换器( a d c ) 、两路数，模转换器( d a c ) 、4 个8 位双向并行端口、两个可编程 电压比较器、一个扩展中断系统、电压基准( 内、外部) 、温度传感器等，这些都 非常符合e d f a 控制电路的功能要求。它包含一个高速的2 5 m i p s ( 百万条指令每 秒) 与工业标准m c s - - 5 1 指令集兼容的微控制器内核，其具有流水线指令结构， 7 0 的指令执行时间为1 或2 个系统时钟周期，与标准的8 0 5 1 结构相比指令执 第二章掺铒光纤放火器驱动源的设计与研常 行速度有很大的提高。f l a s h 存储器可实现在线编程牺用于非易失件鳖嬲存储， 片内j l a g 仿真电路提供全速非插入斌的电路内仿真支持断点，学步观察点、运 行和停止等调试命令，实现方便实用的通讯功能。 2 3 2 电路设计 图2 - 6 给出驱动器主要电路音乜分简图( 嗡去莳导滤波电路和全部滤波电容) 。 本设计采用恒流控制模式，它是比较传统的半导体激光器驱动方式。通道电反馈 控制电路，利用可调电压v a , l j 有效控制驱动电流电平，通过墩样电阻r 6 提供稳 定的恒流源。此方法可以获得最低的电流偏差和是高的激光一檄管输出稳定博。 n 9 h l 圈2 - 6 主要电路设计简图 半导体激光器 分“脆弱”，在过高的电压或电流的冲击下容易损伤，并且 不允许电压突变，因此需要采取必要的僳护措施。率设计采用的保护电臻系统具 有以下特点： 缓启动与缓关断：与以往模拟电路的电容充放电设计不同，仅利崩d a c i 循环 提供电压的缓馒上升和下降，可以有效的防止电压突变带来的冲击。油且，缓启 动与缓关渐的速厦以及启动初始电压均由软件灵活设定，控制方便，简单实用。 继电器保护：打开或关断系绕电源的同时往往会引起尖峰电珏的冲击和电聒的不 稳定，i 丑此在这段时间里蓑保证l 。d 两端申鹰为零。如图2 - 6 l d 两端连接继电 器的常闭触点s ，它通常处在关闭状态。当需要工作时，探测到b 点电位黄到指 定值时通过软件打开继电器的触点，使得激光器可以i t 常l 作tl 此过程中不允 许进行电流调节) 过压( 过深) 保护：在l d 工作一事，由于偶然陶素，i ，d 两端可能出现过压( 过流j 情况，这时需使l ，d 处于保护状态。在完全的数字式控制中，利用软件不断探； ! ! 通过l d 的电流，当其超过境定数值时，山软件控制采取系列保护措施。但是+ 竿器氟1 掣 尊 无律大学硕= “学位论文 由于程序执行的延迟，使得系统不会在最短的时间里做出响应，看是合理的设计 却给激光器带来了安全隐患。基于此，本设计增加了圈2 - 6 右部分的箝位保护电 路，利用模拟兀件的快速响应时间，当c 点取样电平超过所设定的参考电血v r e f 时，比转器快速反转开通m ( ) s f e 管将l dl 的电陌籍位存出 苴二秘静相 电阻确定的安全电压上。同时，触技芯片上的外部中断进步以软件实现讨乐 保护措施。这一独特的设计有效的防止特殊情况下激光器的 ：5 坏。 断电保护：由于突然断电或非正常关闭系统l d 两端的电聒将突降剑零。为防 止这一情况发生，我们增加了断电保护。电源电压的快速突降会触发外部中断， 执行快速关断程序，尽可能保护f 。需要注意的是，应该使用较大的储耗电容 给单片机供电，以保证保护辉序的执行。经过合理的设计，可以很好的解决这 问题。 元件损坏保护：电路中关键元件的损坏也可以影响l d ，例如图2 - 6 中的n p n l 或n p n 2 ，当其击穿时，电压舍直接加到l d 上，加重其负担。这样，我们由a d c 探测n p n 2 上的压降，当其超出安全工作的范围时，则表明两管之口j 能损劫、， 并执行快速关断程序，然后重新检查电路。另外，刹用数字技术还i j 】以动态控制 关键模拟元件的工作状态，延长器件使用寿命，增强电路稳定性。例如，利用软 件方法可以实现电路反馈功能，使d a c 动态跟随n p n 2 管币阵的变化，保持 n p n 2 管具有2 伏左右的压降，可以大大珲低其损坏的可能性。电路的其它部分 也可