無(wú)線(xiàn)激光通信光發(fā)射模塊的研究

        摘要：為了提高現代武器系統在惡劣電磁環(huán)境中的通信和信息交換能力，充分利用激光的天然保密性，減少對無(wú)線(xiàn)電頻率資源的占用，對無(wú)線(xiàn)激光通信系統中的光發(fā)射模塊進(jìn)行了設計。在信標光發(fā)射模塊的設計中采用驅動(dòng)電路與溫度控制電路分離的設計方案；在信號光發(fā)射模塊中采用摻銀鉺光纖放大器(EDFA)作為功率放大器的設計方案，并采用DS90LV001芯片完成PECL信號與LVDS信號轉換。試驗結果表明，信標先的最高輸出功率為1.53W，最高頻率大于10kHz；信號光的輸出功率大于19.8dBm，誤碼率低于10-7，消光比為10.2dBm，完全滿(mǎn)足設計需求。

        無(wú)線(xiàn)激光通信是一種新崛起通信方式。它利用了激光的天然保密性、不占用有限的無(wú)線(xiàn)電頻率資源等優(yōu)點(diǎn)，在軍事通信上極大地提高了武器系統在惡劣電磁環(huán)境中的通信和信息交換能力。因此，無(wú)線(xiàn)激光通信在現代軍事通信應用上起著(zhù)舉足輕重的作用。本文主要描述了無(wú)線(xiàn)激光通信系統中的發(fā)射模塊的研究和設計。

        1 激光發(fā)射模塊概述

        一般無(wú)線(xiàn)激光通信發(fā)射機主要包括信標激光發(fā)射模塊和通信光發(fā)射模塊兩部分，其中信標激光器和通信激光器是發(fā)射模塊的關(guān)鍵器件。兩類(lèi)發(fā)射模塊及其通信鏈路示意圖如圖1所示。 

        通信激光發(fā)射模塊工作原理：將編碼后電信號作為調制信號，經(jīng)過(guò)半導體激光驅動(dòng)器，改變半導體激光器的輸入電流，從而使半導體激光器輸出激光的功率隨調制信號而改變，即產(chǎn)生調制的光信號。調制光信號經(jīng)光纖準直器耦合進(jìn)入光學(xué)發(fā)射天線(xiàn)，光學(xué)發(fā)射天線(xiàn)壓縮光束發(fā)散角，使其達到系統要求的指標，然后將光束發(fā)射出去。

        2 信標光發(fā)射模塊的設計

        信標激光發(fā)射模塊為激光通信鏈路的建立提供用來(lái)對準的信標光，為了方便激光發(fā)射和接收部分的對準，要求信標光的光束具有較大的柬散角和較高的輸出功率。

        信標光發(fā)射模塊原理為：首先，驅動(dòng)部分是由基準電壓源產(chǎn)生基準電壓，然后將激光器(LD)輸出電流轉換為電壓進(jìn)行取樣，經(jīng)過(guò)反饋環(huán)路與基準電壓進(jìn)行比較，利用反饋量來(lái)控制驅動(dòng)電流大小，使供給激光器電流恒定，從而實(shí)現恒流控制；將檢測二極管(PD)電流大小反饋給驅動(dòng)，實(shí)現功率自動(dòng)控制；其次，溫度控制部分是由內部熱敏電阻通過(guò)電橋電路放大供給后續的TEC電路，利用TEC處理芯片實(shí)現溫度監測和控制。此外由脈沖信號源生成一定周期的時(shí)鐘頻率信號，作為發(fā)射模塊控制頻率，從而達到實(shí)現脈沖輸出。

        2.1 激光器驅動(dòng)電路設計

        激光器驅動(dòng)電路如圖2所示，電路設計中，主要采用運算放大器和自動(dòng)增益控制電路。在該圖中電路主要分成兩個(gè)部分，圖中的上半部分電路主要為脈沖驅動(dòng)，下半部分電路主要為自動(dòng)增益控制電壓電路。 

        在上半部分電路中，P1為SMA接頭，采用50Ω阻抗匹配將脈沖控制信號接入作為調制激光器驅動(dòng)的調制信號，通過(guò)后續比較器和驅動(dòng)電路實(shí)現開(kāi)關(guān)控制。VD7為穩壓二極管提供穩定電壓，通過(guò)調整滑動(dòng)變阻器來(lái)實(shí)現比較器負輸入端參考電壓的設定。U8為MAX953集成芯片，內部集成了比較器和放大器。在該部分設計中，通過(guò)比較器實(shí)現脈沖控制電壓和參考電壓的比較，將比較信號送入后續由MAX953芯片內的放大器構成的電壓跟隨器正向輸入端。在電壓跟隨器的正向輸入端外接參考電壓的上拉電阻相接，比較器輸出開(kāi)關(guān)信號來(lái)控制電壓跟隨器正向輸入端的電壓大小實(shí)現開(kāi)關(guān)功能，以便完成后續供給場(chǎng)效應管VQ10的開(kāi)啟和導通，從而實(shí)現脈沖開(kāi)光信號的整體控制。通過(guò)反饋電壓控制電壓跟隨器的上拉電壓達到電流恒定驅動(dòng)的目的。

        在下半部分電路中，將恒電流反饋或恒功率反饋控制信號通過(guò)運放放大，其中運放仍采用U10中的內部放大器，將該運放作為電壓跟隨器，輸出信號進(jìn)入運放U11A的正向輸入端實(shí)現放大。U11B為運放減法電路，將上級放大輸出信號與參考電壓進(jìn)行比較輸出，VD10為穩壓二極管提供穩定電壓，調整滑動(dòng)變阻器R77和R70構成的分壓電路來(lái)實(shí)現比較器負輸入端參考電壓的設定。在該部分電路設計中，自動(dòng)增益控制電路中的放大器選取帶寬較窄、轉換速度不能過(guò)快的放大器為宜。由于調制頻率為kHz數量級，因此帶寬過(guò)大會(huì )有很大的噪聲干擾，為了使自動(dòng)增益控制電壓維持恒定，必須使該電壓變換緩慢，所以選取轉變速度較為緩慢的運算放大器。R61為恒電流模式中的采樣電阻，即它將LD的電流轉換為電壓信號，通過(guò)反饋回路作為恒流控制信號，將該小信號放大供給后續反饋回路。

        由于LD的輸出功率與驅動(dòng)電流有關(guān)，所以驅動(dòng)電流的穩定性是決定LD的輸出光功率穩定與否的一個(gè)關(guān)鍵因素。本設計采用了自動(dòng)增益電路對參考電壓Refl進(jìn)行控制，即穩定了電流又起到了限定電流作用，而且結構簡(jiǎn)單實(shí)用。

        2.2 溫度控制(ATC)電路設計 

        激光器的輸出受環(huán)境溫度和本身溫度變化的影響非常嚴重。主要是由于PN結的內部承受著(zhù)相當大的電流密度和熱耗散功率密度，不可避免地存在各種非輻射、自由載流子吸收等損耗。相當一部分注入電功率將轉化為熱量，引起激光器溫度升高，從而影響其激光的輸出。為了穩定輸出功率和波長(cháng)必須穩定激光二極管的溫度，因而必須使用溫度控制電路對激光器加以溫度控制。

        溫度控制電路設計主要包括兩部分：由負溫度系數熱敏電阻組成的橋式放大電路，該部分電路主要是采用OPA1177芯片和外圍電路組成；另外是以由半導體熱電制冷器的驅動(dòng)控制組成電路，該部分電路主要采用專(zhuān)用熱電制冷器控制芯片構成。溫度控制原理為：裝在激光器組件內的熱敏電阻將激光二極管的溫度變化轉換成電信號，此小信號經(jīng)過(guò)放大后送入TEC芯片電路，該電路將輸入電壓與參考電壓比較后產(chǎn)生控制信號，控制熱電致冷器的電流輸入及方向，使其制冷或加熱，從而改變激光二極管的溫度，此溫度變化就會(huì )反映到熱敏電阻上，即構成了一個(gè)溫度負反饋系統，動(dòng)態(tài)地控制激光二極管的溫度，從而起到穩定溫度的作用，使溫度穩定在設定值上。

        2.2.1 熱敏電阻前置放大電路設計

        設計熱敏電阻前置放大電路如圖3所示。U14為將+5V轉變?yōu)?2.5V的高精準參考電壓源，該參考源有極低的噪聲、低的溫度系數，減少了該放大電路輸出端由于電源引起的噪聲干擾。R2、R3、R4和激光器內部負溫度系數熱敏電阻組成橋式放大電路的4個(gè)橋壁，當熱敏電阻隨溫度變化阻值發(fā)生變化時(shí)，橋壁輸出一個(gè)跟隨溫度變化的電壓差，放大器輸出的電壓反映的正是放大了的熱敏電阻阻值隨溫度變化情況。 

        2.2.2 熱電制冷(TEC)控制電路設計

        溫度控制采用專(zhuān)用的TEC集成控制電路芯片，減少了傳統所采用的積分微分電路，使得設計簡(jiǎn)單，電路調試方便，可以直接硬件實(shí)現。其關(guān)鍵控制電路設計如圖4所示。 

        芯片引腳IN+為熱敏電阻經(jīng)過(guò)前置放大后的輸出電壓信號，R9和R12為分壓電阻，為引腳IN-提供一個(gè)穩定的電壓。引腳IN+端輸入電壓與引腳IN-端電壓進(jìn)行比較，當IN+端電壓引腳大于IN-端引腳時(shí)，由該芯片資料知輸出為制冷模式，反之為制熱模式。該電路通過(guò)負溫度系數熱敏電阻輸入端電壓大小來(lái)控制整個(gè)反饋環(huán)路，當溫度升高時(shí)熱敏電阻阻值減小，由圖3知，熱敏電阻端電壓降低，使得OPA1177輸出比較電壓升高，從而使輸入到DRV953的IN+端電壓升高，當該電壓大于IN-端相電壓時(shí)，使得該芯片輸出電壓翻轉控制激光器半導體制冷器由制熱模式轉變?yōu)橹评淠Ｊ?，通過(guò)這樣一個(gè)負反饋網(wǎng)絡(luò )實(shí)現溫度自動(dòng)控制。同理，當溫度降低時(shí)同樣遵循該負反饋原理。通過(guò)設計合適的外部電路可使溫度穩定精度至少控制在±0.1℃。

        3 信號光發(fā)射模塊設計

        3.1 發(fā)射模塊概述

        半導體激光器的輸出功率和調制速率之間通常是矛盾的。為此，可采用1 550mm工作波長(cháng)的半導體激光器加光纖放大器(EDFA)或半導體光放大器(SOA)的方法，對已調制的信號進(jìn)行放大，從而獲得高速率、大功率激光輸出。 

        信號光發(fā)射電路結構框圖如圖5所示。該原理框圖輸入端是經(jīng)過(guò)編碼后的電平信號，通過(guò)電平轉換將LVDS高速信號轉換成適合電光轉換模塊輸入的PECL電平信號，之后把電信號通過(guò)電光轉換模塊將光信號耦合進(jìn)光纖，光纖尾端輸出連接到摻銀鉺光纖放大器(EDFA)模塊，即通過(guò)光纖來(lái)引導光信號的傳輸，光信號經(jīng)過(guò)光束準直之后經(jīng)過(guò)光學(xué)天線(xiàn)通過(guò)大氣傳輸到接收端。接收模塊完成信號的光電轉換和后續電信號處理。該方案簡(jiǎn)化了電光轉換，克服了高調制速率和大功率輸出的矛盾，大大降低了系統的開(kāi)發(fā)難度。根據以上原理分析，在信號光發(fā)射模塊設計中就是應用光纖放大器將激光器輸出光進(jìn)行放大，通過(guò)對EDFA調制達到發(fā)射模塊的指標要求。

        3.2 光纖放大器

        光纖放大器是直接在光路上對輸入光信號進(jìn)行放大，然后再傳輸的器件。其工作原理主要是通過(guò)受激發(fā)射來(lái)放大入射信號，其機理就好比一個(gè)沒(méi)有反饋的激光器，當放大器被光或電荷泵浦時(shí)，使粒子數反轉獲得光增益。目前已經(jīng)發(fā)明了多種光纖放大器，其中摻銀鉺光纖放大器(EDFA)技術(shù)已經(jīng)相當成熟。

        在現代的激光通信系統中，光纖放大器主要有4種用途，分別是在線(xiàn)放大器、功率放大器或功率增強器、接受機前置放大器和網(wǎng)絡(luò )增強器。在本設計中采用了EDFA的功率放大器的作用，所選用的EDFA模塊內部帶有自動(dòng)溫度控制(ATC)和自動(dòng)功率控制(APC)，使系統整體穩定便于調節，通過(guò)RS232和RS485串口可以與外界通信，實(shí)時(shí)監視模塊變化，實(shí)現無(wú)光告警、眼保等功能，還可以通過(guò)外部處理器實(shí)時(shí)進(jìn)行調節。

        3.3 電信號接口設計

        在本設計中，信號處理板輸出的信號是高速LVDS信號，而激光器需要的是PECL信號，因此需要完成高速LVDS信號與PECL信號之間的轉換。在傳統的設計LVDS信號與PECL信號轉換的連接電路時(shí)，采用分立元器件設計。但是這種電路設計結構復雜，而且電路對于所選電阻阻值精度要求很高，理想情況下所選阻值在實(shí)際應用中很難做到。另外，阻抗匹配和傳輸線(xiàn)長(cháng)短都將影響數據傳輸的準確性，因此本文采用轉換芯片設計。

        本設計采用DS90LV001芯片將PECL電平轉化為L(cháng)VDS信號，DS90LV001芯片采用3.3V供電，接受輸入PECL輸入信號獲得LVDS輸出信號轉換。寬的輸入動(dòng)態(tài)范圍使得該芯片就像接收LVDS信號一樣，可以接收PECL差分信號，而且傳輸延遲小(典型值是1.4ns)。此外，在LVDS電平轉換為PECL電平設計中，可以采用美信公司的MAX9375電平轉換芯片。MAX9375是全差分、高速轉換電平轉換芯片，接受多種類(lèi)型輸入電平，轉換輸出為PECL電平信號，傳輸信號速率可高達2GHz。

        該電路設計目的就是為了便于PECL電平信號與外部的LVDS信號相接，采用該芯片設計，一方面提高了信號驅動(dòng)能力，另一方面也簡(jiǎn)化了電平轉換的接口設計。此外，信號光發(fā)射模塊電路提供PECL的輸入和輸出接口，可以根據需要實(shí)現光路數據的雙向收發(fā)。

        4 試驗測試

        4.1 信標光發(fā)射模塊試驗測試

        信標光功能指標和測試結果對比如表1所示，通過(guò)將測試結果與信標光模塊功能擬定指標要求對比看出：該模塊輸出功率大干指標要求，調試速率可調且優(yōu)于指標要求，波長(cháng)符合要求，使能控制工作正常。 

        4.2 信號光發(fā)射模塊試驗測試

        信號光功能要求和測試結果對比如表2所示，測試結果表明，各方面指標均達到指標要求。輸出功率大于擬定指標80mW，實(shí)測結果大于96mW；波長(cháng)漂移小且穩定；誤碼率低且電流消耗小，說(shuō)明該設計模塊各項指標優(yōu)于擬定的設計指標。

        5 結束語(yǔ)

        本文主要是圍繞軍用車(chē)載無(wú)線(xiàn)激光通信發(fā)射機中的兩類(lèi)光發(fā)射模塊進(jìn)行研究，分別針對激光發(fā)射機中的信標光發(fā)射模塊和信號光發(fā)射模塊進(jìn)行了設計。與傳統發(fā)射機中的發(fā)射模塊相比，本文設計的發(fā)射模塊輸出功率大，適合遠距離傳輸，且電路結構整體趨于小型化。因此，本文所設計的光發(fā)射模塊無(wú)論在軍事應用還是民用都有著(zhù)廣泛的應用前景，對于未來(lái)將無(wú)線(xiàn)光通信產(chǎn)品應用在軍用戰車(chē)、坦克、艦載等之上有著(zhù)重要的指導意義和實(shí)際價(jià)值。