试验激光发射机

1、实验一激光发射机原理实验、实验目的1. 熟悉光纤通信系统中激光发射模块电路的原理与量测工作。2. 熟悉光纤通信系统中激光发射模块电路中激光器的构造、特性、偏压工作架构以及应用。3. 熟悉光纤通信系统中激光发射模块电路中自动温度控制电路、自动功率控制电路、输出光功率限制与跳脱保护电路之工作原理与测量调校。二、实验仪器DYT3000-GT系列实验平台1. 数字信号源模块(DI GI TAL SOURCE)DYT3000- 011块2. 激光收发模块(LASER DRI VER)DYT3000- 551块3. 万用表1块4. 光功率表(Optical Power Meter)1块5. 20MHz通用

2、双踪示波器1台三、实验内容1、学习光发射电路工作原理2、掌握APC控制电路原理3、掌握无光告警电路工作原理4、掌握光器件寿命监测电路工作原理5、测量各报警电路工作状态及关键点电压6、观察各报警输出状态四、工作原理与电路解析1、光纤有线电视系统光发射模块电路架构以及激光光源特性光发射机的设计制作，近几年来由于高速宽带光纤网络的需求与盛行，显得愈来愈形重要，其中光发射机整体设计制作之重心在于激光二极管(Laser diode)操作和应用。由于激光二极管的结构本为一电流驱动(Current driving)主动组件，相对地对于"偏压热稳定(Biasing thermal stability

3、)"要求必需很严格，驱动激光"偏压热稳定"指激光驱动电流受其操作温度影响之程度。不过现行大多在Fiber工工- *5 15V图1光发射模块电路(电压驱动)基本架构驱动激光二极管直流偏压架构设计上，仍习惯采用旧有电压驱动(Voltage driving) 方式，并在驱动回路上串联一限流用可变电阻(Current limitation variable resistor),藉以控制激光二极管工作直流电流大小，如图 1中所示，其优点虽然得以简化激光二极管 之直流驱动电路架构，但在偏压热稳定特性上之表现却不尽理想。光纤系统光发射模块电路架构可分成以下四大部分：(1) 激光

4、器驱动电路(LD Driving circuit)、(2) 自动温度控制电路 (Automatic Tempture Control , ATC)、(3) 自动功率控制(Automatic Power Control , APC)电路以及(4) 输出光功率限制与跳脱保护(Output optical power limitation & Shut-down protection)电路。此外激光光源组件的特性主宰光纤系统光发射模块之性能特性，一般模拟/数字光纤通讯系统常使用雷射光源组件计有：(a)FP LD、(b)DFBAnalog、(c)DFBDigital 与(d)DBR四种。(a)

5、 FP LD(Fabry-Perot Laser Diode)一光输出为多纵模模态非单一纵模模态输出，光谱线宽(Spectrum linewidth) 高达数百GHz;导致作为通讯激光光源时传输的频宽和距离便会大大受限；一般因无内建热敏电阻器 (Thermister)与热电冷却器(Thermoelectric Cooler , TE Cooler)设计，多被制造为低瓦数小功率规格(1? 2mW)例如在光纤有线电视系统中常被应用于上行信号(Up-stream)之激光光源。(b) DFBAnalog(DistributionFeedBack LDfor Analog)、(c)DFBDigital(

6、DistributionFeedBack LD for Digital) 、(d)DBR(Distribution Bragg Reflector LD)以上三种雷射之光输出均为单一纵模模态输出，其光谱线宽(Spectrum linewidth) 仅有数MHz故可传输GHz信号达百公里距离，一般因为内部设有热敏电阻器与热电冷却器设计，可被制造成为高瓦数大功率规格(10mW以上)，在光纤有线电视系统中常被应用于下行信号(Downstream)的激光光源。激光二极管的直流偏压必须能使其恒温操作，尤其大功率输出激光，现行采用方式是在激光模块内部加入热电冷却器(Thermoelectric Coole

7、r , TE Cooler)和热敏电阻器(Thermister),另外 再配合外部自动温度控制(Automatic TemptureControl , ATC)电路，用来测量激光二极管的工作温度的变化，并给予补偿修正，进而得到所设定的恒温操作环境， 但在温度变化的测量、补偿修正过程中，激光二极管仍处于温度来回变化的操作环境 中，并且在操作温度反复变化下，将会加速激光二极管老化速度，并减短其寿命和使 用时间。对于内部未含热电冷却器的激光模块(Uncooling Laser module 如Fabry-Perot Laser),则无法利用前述方式来补偿修正激光二极管的工作温度变化。2、雷射光源直流

8、偏压架构的探讨如前所述可以得知，光发射机之设计制作中， 激光二极管的直流偏压驱动架构的设计必须满足激光恒温定值电流操作的要求，因此采用可调恒流源驱动架构，是较合理的安排并且比较能够达到偏压热稳定的需求，但势必付出驱动架构电路复杂化的代价。在考虑可牺牲以便简化激光二极管的直流驱动架构电路的前提下，一种非常稳定(但相对架构势必复杂化)且对激光输出光功率具可调功能(Adaptive function) 的恒流源电路，便成为激光二极管在其偏压驱动及热稳定对策上的最佳解决方案(Optimal solution) , 一般恒流源电路本身亦存有偏压热稳定的困扰，导致原本应该恒定输出的电流值发生变动，且会伴随

9、电路本身工作温度上升而加大。这种情况在大电流输出的恒流源电路中显得特别明 显，而光发射机中激光二极管的驱动电流均不致超过350mA(以目前所知最高输出光功率约150mW的Pumping Laser来估算)，输出电流并不算很大。另外就恒流源电路本身架构而言，无论是在偏压热稳定或是定值电流输出上，平衡式常较非平衡式易取得稳定。所谓平衡式系指电路架构具对称性 (Symmetric):不仅 包含电流源(Current source) 和电流集(Current sink)功能且为同值输出。反之则为非平衡式。本单元实验中采用的激光驱动电路架构如图1所示，采用了传统的激光偏压架构。3、自动功率控制(APC)

10、电路本实验单元所采用的 APC电路的电路原理图如图2所示，自动功率控制(AutomaticPower Control , APC功能部分，利用激光模块D2内建PIN diode 检出其输出光功率强弱并转换成直流电压表示，再经差值放大后控制晶体管Q2导通程度，进而决定激光器偏压电流的增减，确保激光器的光功率维持恒定输出。当激光器的注入电路增加时，导致激光器的光发功率增加，从而使内建的PIN diode检出的信号强度也增加，由于U1D的12脚输入电压恒定，而 13脚的电位升高后，使 14脚输出的电压降低，即三极管Q2基极的电位降低，致使其导通量减小，从而使激光器的偏流减小，造成其发光功率减小，以达

11、到功率控制目的。反之，当激光器的注入电流减小时，光发 功率亦减小，造成 U1D的13脚电位降低，U1D-14的输出电压增加，从而使Q2的导通量增加，使激光器的偏流增加，造成其发光功率增大，以达到功率控制目的。电路中的可调电位器R4为PIN diode检出的信号的增益调节，即电压强度调节；可调电位器R13为人工设定偏流电流的大小调节。T3R13-12»图2 APC电路原理图4、无光告警电路本实验单元所采用的 APC电路的电路原理图如图3所示，无光告警功能部分，利用激光模块D2内建PIN diode检出其输出光功率强弱并转换成直流电压表示，再经差值放大后控制U1C的工作状态，进而实现无光

12、告警电路状态。当激光器的注入电路增加时，导致激光器的光发功率增加，从而使内建的PIN diode检出的信号强度也增加，由于U1D的12脚输入电压恒定，而 13脚的电位升高后，使 14脚输出的电压降低，即 U1C-9脚的电位降低，致使 U1C-8脚十sHI图3无光告警电路原理图输出正电压，使 D6导通发绿光，以达到有光指示目的。反之，当激光器的注入电流减小时，光发功率亦减小，造成 U1D的13脚电位降低，U1D-14的输出电压增加，即 U1C-9脚 的电位增大，使 U1C状态翻转，U1C-8脚输出负电压，D6截止，D3导通发红光，以实现无 光告警目的。5、光器件寿命告警电路图4光器件寿命监测告警

13、电路原理图本实验单元所采用的光器件寿命监测告警电路的电路原理图如图4所示，利用激光模块D2内建PIN diode检出其输出光功率强弱并转换成直流电压表示，再经差值放大后控制晶体管Q2导通程度，进而决定激光器偏压电流的增减，通过监测R27的电流大小，决定 U1A的工作状态，从而实现本功能的监测。正常工作时，R27上的偏流电流较小，U1A-2脚的电压较低，小于 U1A-3脚的电压，使U1A输出正电压，使 D4导通发绿光，D7截止，此状态表示激光器正常。当激光器的发射管 老化时，导致激光器的光发功率减小，从而使内建的PIN diode 检出的信号强度也减小，由于U1D的12脚输入电压恒定，而 13脚

14、的电位减小后，使 14脚输出的电压升高，即三极 管Q2基极的电位升高，致使其导通量增加，从而使激光器的偏流增大，但还未能达到额定 功率，因为电路会继续调节Q2的导通量，使偏流继续增加，从而使R27上的压差也增加,进而使U1A-2脚的电压升高，由于 U1A-3脚的电压恒定，当 U1A-2脚电压升高超过阀值时, U1A电路翻转，输出负电压，使D4截止，D7导通发红光，从而实现激光器老化告警。四、实验步骤本实验相关测试点及输入输出点说明:数字信号源模块（CLK-OUTBS-OUTFSRZ-OUTDIGITAL SOURCE (DYT3000-01)时钟信号测试点，输出信号频率为256KHz信源位同步

15、信号输出点/测试点，频率为8KHz 信源帧同步信号输出点/测试点，频率为333Hz NRZ信号输出点/测试点，码元速率 8KHz2048K2.048MHz1024K1.024MHz512K512KHz256K256KHz128K512KHz64K64KHz32K32KHz16K 16KHz8K 8KHz时钟信号输出点时钟信号输出点时钟信号输出点时钟信号输出点时钟信号输出点时钟信号输出点时钟信号输出点时钟信号输出点时钟信号输出点激光发射模块LASER DRIVERDYT3000-55IN信号输入端口(模拟或数字信号)按下述方法进行操作：1、接上交流电源线；2、 将各实验模块按位插入主板的槽位中，

16、用实验导线连接数字信号源模块的512K输出点与激光发射模块的IN端口；3、将万用表挂接在“电压测量”挂钩上，正表笔接正级，负表笔接负级；4、用光纤将光发输出端口与光功率计连接，打开光功率计电源，设置好光功率计各项 参数；5、打开电源开关，观察各模块电源指示灯是否点亮；6、 用示波器测量激光发射模块的IN端口的波形，是否为正确的 512KHz的时钟信号；7、观察光发模块各状态指示灯的状态是否全为绿色；8、如果指示状态不正确，请根据本实验电路的电路原理说明，并参考以下调节方法进 行恢复：i.顺时针调节“偏流调节”电位器 （R13到端点，使偏流电流达到最小值；ii.调节电位器R37（激光器主电流回路电流调节），使电压表的读数为：180mV（土 10mV；iii.调节电位器 R4（背光检测增益调节），使芯片U1-14脚的输出电压为：-8.2V （土 0.2V），而U1-10脚的电压为-8.13V （土 0.2V）,此时无光告警 指示发绿光，即表示光发射正常；iv.摘除输入信号连接线（即移除 IN端口的输入信号），则芯片U1-14脚的输出电压为：-8.15V （土 0.2V ），而 U1-10 脚的电压为-8.13V （土 0.2V ）, 此时无光告警指示应发红光，即表示该参数已调节正常；v. 接入IN端口的输入信号，测量U1-7脚的电压为：+7.0V （土 0.2V