无线激光通信光发射模块的研究

(ATC)电路设计

激光器的输出受环境温度和本身温度变化的影响非常严重。主要是由于PN结的内部承受着相当大的电流密度和热耗散功率密度，不可避免地存在各种非辐射、自由载流子吸收等损耗。相当一部分注入电功率将转化为热量，引起激光器温度升高，从而影响其激光的输出。为了稳定输出功率和波长必须稳定激光二极管的温度，因而必须使用温度控制电路对激光器加以温度控制。

温度控制电路设计主要包括两部分：由负温度系数热敏电阻组成的桥式放大电路，该部分电路主要是采用OPA1177芯片和外围电路组成；另外是以由半导体热电制冷器的驱动控制组成电路，该部分电路主要采用专用热电制冷器控制芯片构成。温度控制原理为：装在激光器组件内的热敏电阻将激光二极管的温度变化转换成电信号，此小信号经过放大后送入TEC芯片电路，该电路将输入电压与参考电压比较后产生控制信号，控制热电致冷器的电流输入及方向，使其制冷或加热，从而改变激光二极管的温度，此温度变化就会反映到热敏电阻上，即构成了一个温度负反馈系统，动态地控制激光二极管的温度，从而起到稳定温度的作用，使温度稳定在设定值上。

2.2.1 热敏电阻前置放大电路设计

设计热敏电阻前置放大电路如图3所示。U14为将+5V转变为+2.5V的高精准参考电压源，该参考源有极低的噪声、低的温度系数，减少了该放大电路输出端由于电源引起的噪声干扰。R2、R3、R4和激光器内部负温度系数热敏电阻组成桥式放大电路的4个桥壁，当热敏电阻随温度变化阻值发生变化时，桥壁输出一个跟随温度变化的电压差，放大器输出的电压反映的正是放大了的热敏电阻阻值随温度变化情况。

2.2.2 热电制冷(TEC)控制电路设计

温度控制采用专用的TEC集成控制电路芯片，减少了传统所采用的积分微分电路，使得设计简单，电路调试方便，可以直接硬件实现。其关键控制电路设计如图4所示。

芯片引脚IN+为热敏电阻经过前置放大后的输出电压信号，R9和R12为分压电阻，为引脚IN-提供一个稳定的电压。引脚IN+端输入电压与引脚IN-端电压进行比较，当IN+端电压引脚大于IN-端引脚时，由该芯片资料知输出为制冷模式，反之为制热模式。该电路通过负温度系数热敏电阻输入端电压大小来控制整个反馈环路，当温度升高时热敏电阻阻值减小，由图3知，热敏电阻端电压降低，使得OPA1177输出比较电压升高，从而使输入到DRV953的IN+端电压升高，当该电压大于IN-端相电压时，使得该芯片输出电压翻转控制激光器半导体制冷器由制热模式转变为制冷模式，通过这样一个负反馈网络实现温度自动控制。同理，当温度降低时同样遵循该负反馈原理。通过设计合适的外部电路可使温度稳定精度至少控制在±0.1℃。

3 信号光发射模块设计

3.1 发射模块概述

半导体激光器的输出功率和调制速率之间通常是矛盾的。为此，可采用1 550mm工作波长的半导体激光器加光纤放大器(EDFA)或半导体光放大器(SOA)的方法，对已调制的信号进行放大，从而获得高速率、大功率激光输出。

信号光发射电路结构框图如图5所示。该原理框图输入端是经过编码后的电平信号，通过电平转换将LVDS高速信号转换成适合电光转换模块输入的PECL电平信号，之后把电信号通过电光转换模块将光信号耦合进光纤，光纤尾端输出连接到掺银铒光纤放大器(EDFA)模块，即通过光纤来引导光信号的传输，光信号经过光束准直之后经过光学天线通过大气传输到接收端。接收模块完成信号的光电转换和后续电信号处理。该方案简化了电光转换，克服了高调制速率和大功率输出的矛盾，大大降低了系统的开发难度。根据以上原理分析，在信号光发射模块设计中就是应用光纤放大器将激光器输出光进行放大，通过对EDFA调制达到发射模块的指标要求。

3.2 光纤放大器

光纤放大器是直接在光路上对输入光信号进行放大，然后再传输的器件。其工作原理主要是通过受激发射来放大入射信号，其机理就好比一个没有反馈的激光器，当放大器被光或电荷泵浦时，使粒子数反转获得光增益。目前已经发明了多种光纤放大器，其中掺银铒光纤放大器(EDFA)技术已经相当成熟。

在现代的激光通信系统中，光纤放大器主要有4种用途，分别是在线放大器、功率放大器或功率增强器、接受机前置放大器和网络增强器。在本设计中采用了EDFA的功率放大器的作用，所选用的EDFA模块内部带有自动温度控制(ATC)和自动功率控制(APC)，使系统整体稳定便于调节，通过RS232和RS485串口可以与外界通信，实时监视模块变化，实现无光告警、眼保等功能，还可以通过外部处理器实时进行调节。

3.3 电信号接口