無線激光通信光發(fā)射模塊的研究

        摘要：為了提高現(xiàn)代武器系統(tǒng)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，減少對無線電頻率資源的占用，對無線激光通信系統(tǒng)中的光發(fā)射模塊進行了設(shè)計。在信標(biāo)光發(fā)射模塊的設(shè)計中采用驅(qū)動電路與溫度控制電路分離的設(shè)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(shè)計方案，并采用DS90LV001芯片完成PECL信號與LVDS信號轉(zhuǎn)換。試驗結(jié)果表明，信標(biāo)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，完全滿足設(shè)計需求。

        無線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、不占用有限的無線電頻率資源等優(yōu)點，在軍事通信上極大地提高了武器系統(tǒng)在惡劣電磁環(huán)境中的通信和信息交換能力。因此，無線激光通信在現(xiàn)代軍事通信應(yīng)用上起著舉足輕重的作用。本文主要描述了無線激光通信系統(tǒng)中的發(fā)射模塊的研究和設(shè)計。

        1 激光發(fā)射模塊概述

        一般無線激光通信發(fā)射機主要包括信標(biāo)激光發(fā)射模塊和通信光發(fā)射模塊兩部分，其中信標(biāo)激光器和通信激光器是發(fā)射模塊的關(guān)鍵器件。兩類發(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(diào)制信號，經(jīng)過半導(dǎo)體激光驅(qū)動器，改變半導(dǎo)體激光器的輸入電流，從而使半導(dǎo)體激光器輸出激光的功率隨調(diào)制信號而改變，即產(chǎn)生調(diào)制的光信號。調(diào)制光信號經(jīng)光纖準(zhǔn)直器耦合進入光學(xué)發(fā)射天線，光學(xué)發(fā)射天線壓縮光束發(fā)散角，使其達到系統(tǒng)要求的指標(biāo)，然后將光束發(fā)射出去。

        2 信標(biāo)光發(fā)射模塊的設(shè)計

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

        信標(biāo)光發(fā)射模塊原理為：首先，驅(qū)動部分是由基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，然后將激光器(LD)輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓進行取樣，經(jīng)過反饋環(huán)路與基準(zhǔn)電壓進行比較，利用反饋量來控制驅(qū)動電流大小，使供給激光器電流恒定，從而實現(xiàn)恒流控制；將檢測二極管(PD)電流大小反饋給驅(qū)動，實現(xiàn)功率自動控制；其次，溫度控制部分是由內(nèi)部熱敏電阻通過電橋電路放大供給后續(xù)的TEC電路，利用TEC處理芯片實現(xiàn)溫度監(jiān)測和控制。此外由脈沖信號源生成一定周期的時鐘頻率信號，作為發(fā)射模塊控制頻率，從而達到實現(xiàn)脈沖輸出。

        2.1 激光器驅(qū)動電路設(shè)計

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

        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(diào)制激光器驅(qū)動的調(diào)制信號，通過后續(xù)比較器和驅(qū)動電路實現(xiàn)開關(guān)控制。VD7為穩(wěn)壓二極管提供穩(wěn)定電壓，通過調(diào)整滑動變阻器來實現(xiàn)比較器負輸入端參考電壓的設(shè)定。U8為MAX953集成芯片，內(nèi)部集成了比較器和放大器。在該部分設(shè)計中，通過比較器實現(xiàn)脈沖控制電壓和參考電壓的比較，將比較信號送入后續(xù)由MAX953芯片內(nèi)的放大器構(gòu)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，比較器輸出開關(guān)信號來控制電壓跟隨器正向輸入端的電壓大小實現(xiàn)開關(guān)功能，以便完成后續(xù)供給場效應(yīng)管VQ10的開啟和導(dǎo)通，從而實現(xiàn)脈沖開光信號的整體控制。通過反饋電壓控制電壓跟隨器的上拉電壓達到電流恒定驅(qū)動的目的。

        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運放放大，其中運放仍采用U10中的內(nèi)部放大器，將該運放作為電壓跟隨器，輸出信號進入運放U11A的正向輸入端實現(xiàn)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行比較輸出，VD10為穩(wěn)壓二極管提供穩(wěn)定電壓，調(diào)整滑動變阻器R77和R70構(gòu)成的分壓電路來實現(xiàn)比較器負輸入端參考電壓的設(shè)定。在該部分電路設(shè)計中，自動增益控制電路中的放大器選取帶寬較窄、轉(zhuǎn)換速度不能過快的放大器為宜。由于調(diào)制頻率為kHz數(shù)量級，因此帶寬過大會有很大的噪聲干擾，為了使自動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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為電壓信號，通過反饋回路作為恒流控制信號，將該小信號放大供給后續(xù)反饋回路。

        由于LD的輸出功率與驅(qū)動電流有關(guān)，所以驅(qū)動電流的穩(wěn)定性是決定LD的輸出光功率穩(wěn)定與否的一個關(guān)鍵因素。本設(shè)計采用了自動增益電路對參考電壓Refl進行控制，即穩(wěn)定了電流又起到了限定電流作用，而且結(jié)構(gòu)簡單實用。

        2.2 溫度控制(ATC)電路設(shè)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(jié)的內(nèi)部承受著相當(dāng)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(dāng)一部分注入電功率將轉(zhuǎn)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(wěn)定輸出功率和波長必須穩(wěn)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(shè)計主要包括兩部分：由負溫度系數(shù)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(dǎo)體熱電制冷器的驅(qū)動控制組成電路，該部分電路主要采用專用熱電制冷器控制芯片構(gòu)成。溫度控制原理為：裝在激光器組件內(nèi)的熱敏電阻將激光二極管的溫度變化轉(zhuǎn)換成電信號，此小信號經(jīng)過放大后送入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，此溫度變化就會反映到熱敏電阻上，即構(gòu)成了一個溫度負反饋系統(tǒng)，動態(tài)地控制激光二極管的溫度，從而起到穩(wěn)定溫度的作用，使溫度穩(wěn)定在設(shè)定值上。

        2.2.1 熱敏電阻前置放大電路設(shè)計

        設(shè)計熱敏電阻前置放大電路如圖3所示。U14為將+5V轉(zhuǎn)變?yōu)?2.5V的高精準(zhǔn)參考電壓源，該參考源有極低的噪聲、低的溫度系數(shù)，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(nèi)部負溫度系數(shù)熱敏電阻組成橋式放大電路的4個橋壁，當(dāng)熱敏電阻隨溫度變化阻值發(fā)生變化時，橋壁輸出一個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(shè)計

        溫度控制采用專用的TEC集成控制電路芯片，減少了傳統(tǒng)所采用的積分微分電路，使得設(shè)計簡單，電路調(diào)試方便，可以直接硬件實現(xiàn)。其關(guān)鍵控制電路設(shè)計如圖4所示。 

        芯片引腳IN+為熱敏電阻經(jīng)過前置放大后的輸出電壓信號，R9和R12為分壓電阻，為引腳IN-提供一個穩(wěn)定的電壓。引腳IN+端輸入電壓與引腳IN-端電壓進行比較，當(dāng)IN+端電壓引腳大于IN-端引腳時，由該芯片資料知輸出為制冷模式，反之為制熱模式。該電路通過負溫度系數(shù)熱敏電阻輸入端電壓大小來控制整個反饋環(huán)路，當(dāng)溫度升高時熱敏電阻阻值減小，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(dāng)該電壓大于IN-端相電壓時，使得該芯片輸出電壓翻轉(zhuǎn)控制激光器半導(dǎo)體制冷器由制熱模式轉(zhuǎn)變?yōu)橹评淠Ｊ剑ㄟ^這樣一個負反饋網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)溫度自動控制。同理，當(dāng)溫度降低時同樣遵循該負反饋原理。通過設(shè)計合適的外部電路可使溫度穩(wěn)定精度至少控制在±0.1℃。

        3 信號光發(fā)射模塊設(shè)計

        3.1 發(fā)射模塊概述

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

        信號光發(fā)射電路結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。該原理框圖輸入端是經(jīng)過編碼后的電平信號，通過電平轉(zhuǎn)換將LVDS高速信號轉(zhuǎn)換成適合電光轉(zhuǎn)換模塊輸入的PECL電平信號，之后把電信號通過電光轉(zhuǎn)換模塊將光信號耦合進光纖，光纖尾端輸出連接到摻銀鉺光纖放大器(EDFA)模塊，即通過光纖來引導(dǎo)光信號的傳輸，光信號經(jīng)過光束準(zhǔn)直之后經(jīng)過光學(xué)天線通過大氣傳輸?shù)浇邮斩恕＝邮漳K完成信號的光電轉(zhuǎn)換和后續(xù)電信號處理。該方案簡化了電光轉(zhuǎn)換，克服了高調(diào)制速率和大功率輸出的矛盾，大大降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度。根據(jù)以上原理分析，在信號光發(fā)射模塊設(shè)計中就是應(yīng)用光纖放大器將激光器輸出光進行放大，通過對EDFA調(diào)制達到發(fā)射模塊的指標(biāo)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行放大，然后再傳輸?shù)钠骷?。其工作原理主要是通過受激發(fā)射來放大入射信號，其機理就好比一個沒有反饋的激光器，當(dāng)放大器被光或電荷泵浦時，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)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(dāng)成熟。

        在現(xiàn)代的激光通信系統(tǒng)中，光纖放大器主要有4種用途，分別是在線放大器、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(shè)計中采用了EDFA的功率放大器的作用，所選用的EDFA模塊內(nèi)部帶有自動溫度控制(ATC)和自動功率控制(APC)，使系統(tǒng)整體穩(wěn)定便于調(diào)節(jié)，通過RS232和RS485串口可以與外界通信，實時監(jiān)視模塊變化，實現(xiàn)無光告警、眼保等功能，還可以通過外部處理器實時進行調(diào)節(jié)。

        3.3 電信號接口設(shè)計

        在本設(shè)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(zhuǎn)換。在傳統(tǒng)的設(shè)計LVDS信號與PECL信號轉(zhuǎn)換的連接電路時，采用分立元器件設(shè)計。但是這種電路設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)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際應(yīng)用中很難做到。另外，阻抗匹配和傳輸線長短都將影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，因此本文采用轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計。

        本設(shè)計采用DS90LV001芯片將PECL電平轉(zhuǎn)化為LVDS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(zhuǎn)換。寬的輸入動態(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(zhuǎn)換為PECL電平設(shè)計中，可以采用美信公司的MAX9375電平轉(zhuǎn)換芯片。MAX9375是全差分、高速轉(zhuǎn)換電平轉(zhuǎn)換芯片，接受多種類型輸入電平，轉(zhuǎn)換輸出為PECL電平信號，傳輸信號速率可高達2GHz。

        該電路設(shè)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(shè)計，一方面提高了信號驅(qū)動能力，另一方面也簡化了電平轉(zhuǎn)換的接口設(shè)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(jù)需要實現(xiàn)光路數(shù)據(jù)的雙向收發(fā)。

        4 試驗測試

        4.1 信標(biāo)光發(fā)射模塊試驗測試

        信標(biāo)光功能指標(biāo)和測試結(jié)果對比如表1所示，通過將測試結(jié)果與信標(biāo)光模塊功能擬定指標(biāo)要求對比看出：該模塊輸出功率大干指標(biāo)要求，調(diào)試速率可調(diào)且優(yōu)于指標(biāo)要求，波長符合要求，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(jié)果對比如表2所示，測試結(jié)果表明，各方面指標(biāo)均達到指標(biāo)要求。輸出功率大于擬定指標(biāo)80mW，實測結(jié)果大于96mW；波長漂移小且穩(wěn)定；誤碼率低且電流消耗小，說明該設(shè)計模塊各項指標(biāo)優(yōu)于擬定的設(shè)計指標(biāo)。

        5 結(jié)束語

        本文主要是圍繞軍用車載無線激光通信發(fā)射機中的兩類光發(fā)射模塊進行研究，分別針對激光發(fā)射機中的信標(biāo)光發(fā)射模塊和信號光發(fā)射模塊進行了設(shè)計。與傳統(tǒng)發(fā)射機中的發(fā)射模塊相比，本文設(shè)計的發(fā)射模塊輸出功率大，適合遠距離傳輸，且電路結(jié)構(gòu)整體趨于小型化。因此，本文所設(shè)計的光發(fā)射模塊無論在軍事應(yīng)用還是民用都有著廣泛的應(yīng)用前景，對于未來將無線光通信產(chǎn)品應(yīng)用在軍用戰(zhàn)車、坦克、艦載等之上有著重要的指導(dǎo)意義和實際價值。