常用光器件外围辅助电路.pdf

第x章 常用光器件外围辅助电路 本章将从光通信系统的基本功能出发，围绕着光收、发系统的各自特点，介绍光通信系 统中常用的光器件外围辅助电路的原理和具体实现，包括光通信系统中光发射机、光接收机 的具体电路实现，高速外调制系统中激光器驱动电路、外调制器控制电路，光传输系统中用 于制造光放大器所要求的大功率泵浦激光器的驱动电源，以及常用的光器件半导体光放大 器、波导阵列光栅和光开关的驱动及相关控制电路的实现。 x.1 半导体激光器驱动电路 实际光通信系统中使用的半导体激光器包括了激光二极管、监视光电二极管、光隔离器、 热电制冷片、温度传感器、尾纤或连接器等且具有光发射及相关功能的部件，这些称为激光 组件。一个完整的半导体激光器驱动电路一般主要由几大部分组成，包括电流偏置电路、自 动温度控制电路、自动功率控制电路，此外还包括慢启动电路和保护部分。若半导体激光器 应用于直接调制光通信系统中，则其驱动电路除了必须具备上述功能外，还需信号产生和整 形电路。对于一个商用的光发射模块，还应包括光功率监控电路、激光器温度检测电路以及 相应的接口电路等。在波分复用（WDM ）光通信系统特别是某些高精度测量中，半导体激 光器对驱动电流的稳定度和精度要求很高。 x.1.1 设计半导体激光器驱动电路的考虑因素 设计合适的半导体激光器驱动电路，必须深入了解其电气方面的特性。众所周知，激光 器是一种高功率密度且具有极高量子效率的器件，微小的电流和温度波动将导致光输出功率 和器件参数（如激射波长、噪声特性、模式跳动）的极大变化。这些变化增加了相应的强度 噪声，直接危及器件的安全工作和应用的要求。同时，驱动电流的不稳定还会造成输出波长 光谱线宽的展宽。在大电流驱动场合还得考虑激光器电流源的温度系数，因为环境温度的波 动能引起供给电流的波动。此外，激光器本身的温度变化也将对输出光信号参数造成很大的 影响。 激光器驱动电路中若没有对电流源进行防护或者防护不当，则会引起激光器的性能变 差，甚至损坏器件，因此在激光器驱动电路中应做适当的安全防护。在应用中需要防护的内 容有：电学瞬变过程、方式突变、软接触开路和静电放电等[1] 。电学瞬变过程可能起源于各 种电源启动的瞬变过程、电源的电涌、AC 电路的辐射、使用者本人产生的静电放电和非接 地烙铁等等。大的电学瞬变过程或具有纳秒（ns）脉宽的电流峰形成，可能引起激光器反射 镜面的过热、导致永久性损伤。为了抑制来自外部信号源的瞬变过程，给激光器驱动电路供 电的电源可考虑加入 AC 线路滤波器和屏蔽的隔离变压器，这些电源滤波模块目前已经有很 多商用的成熟产品，可以直接利用。另外为了防止电路中间的器件、仪表启动的瞬变过程， 可以在设计电路时使用慢的启动电路，保证电路启动时间大于 100ms。对于驱动电路的软接 触引起的开路防护，但这个问题往往被忽视掉。为了降低电流噪声，往往在驱动电路的输出 端接上电容滤波器，但由于激光器实际使用过程中可能由于不良的电缆连接器、软焊点或人 为开关线路，发生激光器电缆的瞬间开路。在电路发生瞬间开路时，一旦电接触恢复（或好 转），电容释放它的存储能量，释放能量的过程会产生破坏性的瞬变过程，导致激光器的破 坏。因此在实际电路设计过程中，应该谨慎使用储能元件。另外，静电放电也是导致激光器 过早失效的主要原因之一。为了适应应用场合的供电，一些电源模块都设有未接地的浮置输 出端。在激光器电流源驱动电路中，为了进一步减少线路瞬变的可能性，最好让激光器相对 于大地接地浮置。这时最好是将激光器的接地线直接接在电流源上，如果接地是外壳接地的， 就更方便了。 x.1.2 激光器驱动电路的实现方式 通常，激光器的电流源有两种方式工作：一种是恒定电流工作方式，另一种是恒定光功 率工作方式。在恒定电流工作方式中，通过电学反馈控制电路，直接提供驱动电流电平的有 效控制，由此获得最低的电流偏差和最高激光器输出的稳定性，这种方式中同时控制激光器 的温度，会产生良好的效果；在恒定光功率工作方式中，由于电流的变化，很难实现好的温 度控制，所以必须内装与反馈回路相连接的监视光电二极管或其他外部探测器以实现驱动电 流的控制。这种工作方式的缺点就是当激光器的温度漂移时，可能造成激光器波长变化和产 生模式跳跃，所以在实际的应用场合，基本采用了恒定功率结合恒定温度的控制方法。 x.1.2.1 激光器驱动电路 这里以 FITEL 公司的 FOL15DCWB 1550nm 激光器为例，来详细说明其自动温度控制