无线激光通信光发射模块的研究

摘要：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1．53 W，最高频率大于10 kHz；信号光的输出功率大于19．8 dBm，误码率低于10-7，消光比为10．2 dBm，完全满足设计需求。
关键词：激光通信；信标光模块；信号光模块；光纤放大器；信号电平

    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50 Ω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(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+5 V转变为+2．5 V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1 550 mm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 电信号接口设计
    在本设计中，信号处理板输出的信号是高速LVDS信号，而激光器需要的是PECL信号，因此需要完成高速LVDS信号与PECL信号之间的转换。在传统的设计LVDS信号与PECL信号转换的连接电路时，采用分立元器件设计。但是这种电路设计结构复杂，而且电路对于所选电阻阻值精度要求很高，理想情况下所选阻值在实际应用中很难做到。另外，阻抗匹配和传输线长短都将影响数据传输的准确性，因此本文采用转换芯片设计。
    本设计采用DS90LV001芯片将PECL电平转化为LVDS信号，DS90LV001芯片采用3．3 V供电，接受输入PECL输入信号获得LVDS输出信号转换。宽的输入动态范围使得该芯片就像接收LVDS信号一样，可以接收PECL差分信号，而且传输延迟小(典型值是1．4 ns)。此外，在LVDS电平转换为PECL电平设计中，可以采用美信公司的MAX9375电平转换芯片。MAX9375是全差分、高速转换电平转换芯片，接受多种类型输入电平，转换输出为PECL电平信号，传输信号速率可高达2 GHz。
    该电路设计目的就是为了便于PECL电平信号与外部的LVDS信号相接，采用该芯片设计，一方面提高了信号驱动能力，另一方面也简化了电平转换的接口设计。此外，信号光发射模块电路提供PECL的输入和输出接口，可以根据需要实现光路数据的双向收发。

4 试验测试
4．1 信标光发射模块试验测试
    信标光功能指标和测试结果对比如表1所示，通过将测试结果与信标光模块功能拟定指标要求对比看出：该模块输出功率大干指标要求，调试速率可调且优于指标要求，波长符合要求，使能控制工作正常。

4．2 信号光发射模块试验测试
    信号光功能要求和测试结果对比如表2所示，测试结果表明，各方面指标均达到指标要求。输出功率大于拟定指标80 mW，实测结果大于96 mW；波长漂移小且稳定；误码率低且电流消耗小，说明该设计模块各项指标优于拟定的设计指标。

5 结束语
    本文主要是围绕军用车载无线激光通信发射机中的两类光发射模块进行研究，分别针对激光发射机中的信标光发射模块和信号光发射模块进行了设计。与传统发射机中的发射模块相比，本文设计的发射模块输出功率大，适合远距离传输，且电路结构整体趋于小型化。因此，本文所设计的光发射模块无论在军事应用还是民用都有着广泛的应用前景，对于未来将无线光通信产品应用在军用战车、坦克、舰载等之上有着重要的指导意义和实际价值。