无线激光通信光发射模块的研究

为了提高现代武器系统在恶劣电磁环境中的通信和信息交换能力，充分利用激光的天然保密性，减少对无线电频率资源的占用，对无线激光通信系统中的光发射模块进行了设计。在信标光发射模块的设计中采用驱动电路与温度控制电路分离的设计方案；在信号光发射模块中采用掺银铒光纤放大器(EDFA)作为功率放大器的设计方案，并采用DS90LV001芯片完成PECL信号与LVDS信号转换。试验结果表明，信标先的最高输出功率为1.53W，最高频率大于10kHz；信号光的输出功率大于19.8dBm，误码率低于10-7，消光比为10.2dBm，完全满足设计需求。

无线激光通信是一种新崛起通信方式。它利用了激光的天然保密性、不占用有限的无线电频率资源等优点，在军事通信上极大地提高了武器系统在恶劣电磁环境中的通信和信息交换能力。因此，无线激光通信在现代军事通信应用上起着举足轻重的作用。本文主要描述了无线激光通信系统中的发射模块的研究和设计。

1 激光发射模块概述

一般无线激光通信发射机主要包括信标激光发射模块和通信光发射模块两部分，其中信标激光器和通信激光器是发射模块的关键器件。两类发射模块及其通信链路示意图如图1所示。

通信激光发射模块工作原理：将编码后电信号作为调制信号，经过半导体激光驱动器，改变半导体激光器的输入电流，从而使半导体激光器输出激光的功率随调制信号而改变，即产生调制的光信号。调制光信号经光纤准直器耦合进入光学发射天线，光学发射天线压缩光束发散角，使其达到系统要求的指标，然后将光束发射出去。

2 信标光发射模块的设计

信标激光发射模块为激光通信链路的建立提供用来对准的信标光，为了方便激光发射和接收部分的对准，要求信标光的光束具有较大的柬散角和较高的输出功率。

信标光发射模块原理为：首先，驱动部分是由基准电压源产生基准电压，然后将激光器(LD)输出电流转换为电压进行取样，经过反馈环路与基准电压进行比较，利用反馈量来控制驱动电流大小，使供给激光器电流恒定，从而实现恒流控制；将检测二极管(PD)电流大小反馈给驱动，实现功率自动控制；其次，温度控制部分是由内部热敏电阻通过电桥电路放大供给后续的TEC电路，利用TEC处理芯片实现温度监测和控制。此外由脉冲信号源生成一定周期的时钟频率信号，作为发射模块控制频率，从而达到实现脉冲输出。

2.1 激光器驱动电路设计

激光器驱动电路如图2所示，电路设计中，主要采用运算放大器和自动增益控制电路。在该图中电路主要分成两个部分，图中的上半部分电路主要为脉冲驱动，下半部分电路主要为自动增益控制电压电路。

在上半部分电路中，P1为SMA接头，采用50Ω阻抗匹配将脉冲控制信号接入作为调制激光器驱动的调制信号，通过后续比较器和驱动电路实现开关控制。VD7为稳压二极管提供稳定电压，通过调整滑动变阻器来实现比较器负输入端参考电压的设定。U8为MAX953集成芯片，内部集成了比较器和放大器。在该部分设计中，通过比较器实现脉冲控制电压和参考电压的比较，将比较信号送入后续由MAX953芯片内的放大器构成的电压跟随器正向输入端。在电压跟随器的正向输入端外接参考电压的上拉电阻相接，比较器输出开关信号来控制电压跟随器正向输入端的电压大小实现开关功能，以便完成后续供给场效应管VQ10的开启和导通，从而实现脉冲开光信号的整体控制。通过反馈电压控制电压跟随器的上拉电压达到电流恒定驱动的目的。

在下半部分电路中，将恒电流反馈或恒功率反馈控制信号通过运放放大，其中运放仍采用U10中的内部放大器，将该运放作为电压跟随器，输出信号进入运放U11A的正向输入端实现放大。U11B为运放减法电路，将上级放大输出信号与参考电压进行比较输出，VD10为稳压二极管提供稳定电压，调整滑动变阻器R77和R70构成的分压电路来实现比较器负输入端参考电压的设定。在该部分电路设计中，自动增益控制电路中的放大器选取带宽较窄、转换速度不能过快的放大器为宜。由于调制频率为kHz数量级，因此带宽过大会有很大的噪声干扰，为了使自动增益控制电压维持恒定，必须使该电压变换缓慢，所以选取转变速度较为缓慢的运算放大器。R61为恒电流模式中的采样电阻，即它将LD的电流转换为电压信号，通过反馈回路作为恒流控制信号，将该小信号放大供给后续反馈回路。

由于LD的输出功率与驱动电流有关，所以驱动电流的稳定性是决定LD的输出光功率稳定与否的一个关键因素。本设计采用了自动增益电路对参考电压Refl进行控制，即稳定了电流又起到了限定电流作用，而且结构简单实用。

2.2 温度控制