（物理电子学专业论文）光纤通信有关的部分教学实验仪器的研制.pdf

摘要 摘要 光纤通信已经成为一个成熟的产业，与之相关的电子通信仪器的研制为光通 信的普及和发展奠定了重要的技术基础。本文分别介绍了e d f a 驱动源，光纤色 散测试仪设计以及光纤折射率分区测量的原理和关键技术，并实现了实验样机的 商品化，分别研制出9 8 0 n m e d f a 驱动源两台，色散测试仪三台。 1 9 8 0 n m l d 要求电源纹波小、抗高频干扰、具备实时自我保护和重启功能。针 对此特点，分析了采用完全模拟电路与单片机控制电路优劣，提出几种稳定的 e d f a 驱动源的解决方案。 2 采用完全模拟电路的方法，研制出一台带有温控电路的e d f a 驱动源，并分 析了各部分所实现的功能及其实验结果，实验证明仪器的稳定性和可靠性。 3 分析了色散测量的几种方法，提出一种新的测试通信波段( 1 5 5 0 n m ) 波长附 近光纤色散的方案，并进行了理论上的分析。 4 设计出一个高q 值的无源带通滤波器，实验证明了设计的可行性。 5 阐述了色散测试仪研制过程中的难点和要点，制备一台光纤色散测试仪，应 用在光纤通信教学演示实验系统中。 6 实验证明了色散测试仪的可行性，对于s m fg 6 5 2 ，其测量误差在士l p s 以内， 基本达到了原先的设计要求。并作为教学仪器，提供复旦大学及天津大学光通信 实验室使用。 7 研制了一台多模光纤折射率测量仪器，并提供给天津大学光通信本科教学实 验室使用。 关键词：光纤通信掺铒光纤放大器( e d f a ) e d f a 驱动源色散测试无源带 通滤波器 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nh a sp r o g r e s s e di n t oam a t t ei n d u s t r ya n dt h e c o r r e s p o n d i n gr & di n t e l e c o m m u n i c a t i o ni n s t r u m e n t se s t a b l i s h e da n i m p o r t a n t f o u n d a t i o nf o ri t sd e v e l o p m e mi nt e c h n i q u e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l e w i 廿lk e yt e c h n i q u eo ft h ee d f a p o w e rs u p p l y 、t h ef i b e rd i s p e r s i o na n d i n d e x d i s t r i b u t i o nm e a s l 】r e m e n t sa r ep r e s e n t e dr e s p e c t i v e l y w i t ht h et w o p o w e rs u p p l yo f 9 8 0 n me d d a 、t h r e ea p p a r a m so fd i s p e r s i o nm e a s l l r e m e n ta n dt h ei n s t r u m e n t m e a s u r i n gt h ef i b e ri n d e xd i s t r i b u t i o na r es u c c e s s f u l l yd e s i g n e da n dd e b u g g e d ，t h e p r o t o t y p e si nl a bh a v eb e e nt r a n s f e r r e di n t o c o m m e r c i a lm o d e l s 1 9 8 0 n ml dr e q u i r e sl i t t l er i p p l ei np o w e rs u p p l y , r e s i s t a n c et ot h eh i 曲f r e q u e n c y i n t e r f e r e n c e ，h a v i n gt h ef u n c t i o n o fp r o t e c t i n gi t s e l fa n dr e s e ta u t o m a t i c a l l y , a c c o r d i n gt ot h i s ，s e v e r a ld e s i g nm e t h o da r ep r e s e n t e d a f t e ra n a l y z i n gt h e a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo f t h ea n a l o g y f e e d b a c ka n dt h em i c r o c h i pf e e d b a c k 2 u s i n gt h ea n a l o g yc k c m t ae d f ap o w e rs u p p l ya r ed e v e l o p e dw i t l lt e m p e r a t u r e c o n t r o l l i n g t h ef u n c t i o no fe a c hc o m p o n e n ta r ea n a l y z e da n dt h ee x p e r i m e n t s p r o v e di t ss t a b i l i t ya n dd e p e n d a b i l i t y 3 an e wd e s i g nw o r k i n ga tt h ew a v e l e n g t ho fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ( 1 5 5 0 n m ) i s p r e s e n t e d a f t e r c o m p a r i n g s e v e r a l p o s s i b l e m e t h o do fs m fd i s p e r s i o n m e a s u r e m e n t ，a n da l s ot h et h e o r e t i c a la n a l y s i si sp e r f o r m e d 4 a h j 【g hq v a l u ep o s i t i v eb a n d - p a s sf i l t e ri sd e s i g n e da n dt h ee x p e r i m e n t sp r o v e d i t sp o s s i b i l i t y 5 t h ek e ya n dd i f f i c u l tp a r t sa r ei l l u s t r a t e da n dap r a c t i c a la p p a r a m sm e a s u r i n gt h e s m fd i s p e r s i o ni sm a n u f a c t u r e dw h i c hi sa p p l i e di nt e a c h i n gd i s p l a y i n gs y s t e m o f o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n 6 t h ee x p e r i m e n t st e s t i f i e dt h ep o s s i b i l i t yo ft h em e a s u r i n g s y s t e mo ff i b e r d i s p e r s i o nw i t h l p sf o rs m f , w h i c hr e a c h e dt h eo r i g i n a ld e m a n d a n dt h e a p p a r a m sh a db e e nu s e da st e a c h i n gi n s t r u m e n t sf o rf u d a nu n i v e r s i t ya n dt i a n j i n u n i v e r s i t y 7 s u c c e s s f u l l yi nr & do fai n s t r u m e n tm e a s u r i n gt h ec l a di n d e xd i s t r i b u t i o no f m u f f m o d ef i b e r k e yw o r d s ：o p t i c a lf i b e rc o n a r n u n i c a t i o ne d f a e d f ap o w e rs u p p l yd i s p e r s i o n m e a s u r e m e n tp o s i t i v eb a n d p a s sf i l t e r i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：黎滩年 签字日期： 。2 0 0 孓年月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫注盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盎盘生可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阐。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：旅苦午 导师签名 签字日期：立口。f 年，月7 日 瓠并 签字日期：h “竹年7月7 日 第一章绪论 1 1 光纤通信系统概述 第一章绪论 2 0 世纪末因特网的出现标志着人类社会进入到一个崭新的时代一信息化时 代，随着人们对信息需求的急剧增加，传统的通信技术已经很难满足不断增长的 通信容量的要求。于是一些新兴的通信技术应运而生，如c d p d ( c e l l u l a rd i g i t a l p a c k e td a t a ) 技术、c d 姒2 0 0 0 ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s2 0 0 0 ) 技术、g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 技术以及光通信技术。1 ，在这些通信技术中，光通 信技术凭借其巨大的潜在带宽容量，成为支撑通信业务量增长最重要的通信技 术。常用的光纤通信系统构成如图卜1 所示。”1 ： 电信号 图1 - 1 实用光纤通信系统构成 出 光纤通信系统主要由光发射端机、光纤传输链路、光接收端机构成。由于光 纤衰减的存在，中长途( 一般超过8 0k m ) 通信需要加入中继系统以实现3 r ( r e a m p l i f i e r 、r e s h a p e 、r e t i m i n g ) 功能。上世纪8 0 年代e d f a 的研制成功，使 得中继系统由原来的o e o 模式走向了全光中继模式，极大的促进了高速光通信的 发展。 目前光通信技术多采用复用技术“：时分复用( t d m ) 和波分复用( _ | 】d m ) 。 光纤通信中的复用技术是一种能够充分利用传输线信道容量的多维通信 手段，它是先把多个信息源的信息进行合并，然后将这一合成的信息群， 经由共用的传输设备进行传输，在接收端再将这一信息群进行分离，并 第一章绪论 分别重现。因此，光纤多路复用技术是充分挖掘光纤带宽潜力、扩大通 信容量的技术，它实质上是一种起着多通道作用的信息传输方式。 1 1 1 光复用技术 在模拟载波通信系统中，为了充分利用电缆的带宽资源，提高系统的传输 容量，通常利用频分复用的方法，即在同一根电缆中同时传输若干个信道的信号， 接收端根据各载波频率的不同，利用带通滤波器就可滤出每一个信道的信号。 同样，在光纤通信系统中也可以采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容 量，在接收端采用解复用器( 等效于光带通滤波器) 将各信号光载波分开。由于 在光的频域上信号频率差别比较大，人们更喜欢采用波长来定义频率上的差别， 因而这样的复用方法称为波分复用。所谓w d m 技术就是为了充分利用单模光纤低 损耗区带来的巨大带宽资源，根据每一信道光波的频率( 或波长) 不同可以将光 纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分 复用器( 合波器) 将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输。 在接收端，再由一波分复用器( 分波器) 将这些不同波长承载不同信号的光载波 分开的复用方式。由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立( 不考虑光纤非 线性时) ，从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。双向传输的问题也 很容易解决，只需将两个方向的信号分别安排在不同波长传输即可。根据波分复 用器的不同，可以复用的波长数也不同，从两个至几十个不等，现在商用化的一 般是8 波长和1 6 波长系统，这取决于所允许的光载波波长的间隔大小，密集波 分复用一般间隔0 8 n m 甚至0 4 n m ，信道可达几十路。图卜2 给出了系统框图”“。 c h 】 c h 2 c h 3 图1 2 波分复用( w i ) m ) 的原理图 c h i c h 2 c h 3 从我国几十年应用的传输技术来看，走的是f d m t d m t d m + f d m 的路线。开始 的明线、中小同轴电缆采用的都是f d m 模拟技术，即电域上的频分复用技术，每 路话音的带宽为4 k h z ，每路话音占据传输媒质( 如同轴电缆) 一段带宽：p d h 、 s d h 系统则是在光纤上传输的t d m 基带数字信号，每路话音速率为6 4 k b s ；而 笫一章绪论 分别重现。因此，光纤多路复用技术是充分挖掘光纤带宽潜力、扩大通 信容量的技术，它实质r 是一种起着多通道作用的信息传输方式。 1 1 1 光复用技术 在模拟载波通信系统中，为了充分利用电缆的带宽资源，提高系统的传输 容量，通常利用频分复用的方法，即存同很电缆中同时传输若干个信道的信号， 接收端根据各载波频率的不同，利用带通滤波器就可滤眦每一个信道的信号。 同样，在光纤通信系统中也可【= l 采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容 量，在接收端采用解复用器( 等效于光带通滤波器) 将各信号光载波分开。由于 在光的频域上信号频率差别比较大，人们更喜欢聚用波长来定义频率上的差别， 因而这样的复用方法称为波分复用。所谓w d m 技术就是为了充分利用单模光纤低 损耗区带来的巨大带宽资源，根据每一信道光波的频率( 或波长) 不同可以将光 纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分 复用器( 台波器) 将小利规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输。 在接收端，再由一渡分复用器( 分波器) 将这些不同波长承载不同信号的光载波 分开的复用方式。由于不同波长的光载波信号町以看作互相独立( 不考虑光纤非 线性时) 。从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。双向传输的问题也 很容易解决，只需将两个方向的信号分别安排在不同波长传输即可。根据波分复 用器的不同，可以复用的波长数也不同，从两个至几十个不等，现在商用化的一 般是8 波长和1 6 波长系统，这取决于所允许的光载波波长的间隔大小，密集波 分复用一般间隔0 8 n m 甚至0 4 n m ，信道可达几r 路。图卜2 给出了系统框图”。1 。 c h ， c h 2 c h 3 图1 - 2 波分复用( w d m ) 的原理图 c i i l c h 2 c h 3 从我国几十年应用的传输技术来看，走的是f i m - 1 1 d m t i b + f d m 的路线。开始 的明线、中小同轴电缆采用的都是f d m 模拟技术，即电域上的频分复用技术，每 路话音的带宽为4 k h z ，每路话音占据传输媒质( 如同轴电缆) 一段带宽：p d h 、 s d h 系统则是在光纤上传输的t d m 基带数字倩号，每路话音速率为6 4 k b s ；而 s d h 系统则是在光纤上传输的t d m 基带数字信号，每路话音速率为6 4 k b s ：而 o o o 第一章绪论 w d m 技术是光纤上频分复用技术，1 6 ( 8 ) 2 5 g b s 的w d m 系统则是光域上的 f d m 模拟技术和电域上t d m 数字技术的结合。下面列出了几种传输技术实现方式 吐 明线技术，f d m 模拟技术，每路电话4 k h z ： 小同轴电缆6 0 路f d m 模拟技术，每路电话4 k h z ； 中同轴电缆1 8 0 0 路f d m 模拟技术，每路电话4 k h z ； 光纤通信1 4 0 m b sp d h 系统，t d m 数字技术，每路电话6 4 k b s ； 光纤通信2 5 g b ss d h 系统，t d m 数字技术，每路电话6 4 k b s ； 光纤通信n x2 5 6 b sw d m 系统，t d m 数字技术+ 光频域f d m 模拟技术 每路电话6 4 k b s 。 w d m 本质上是光域上的频分复用f d m 技术，每个波长通路通过频域的分割实 现，如图卜3 所示。每个波长通道占用一段光纤的带宽，与过去同轴电缆f d m 技 术不同的是：( 1 ) 传输媒质不同，w d m 系统是光信号上的频率分割，同轴系统 是电信号上的频率分割利用。( 2 ) 在每个通道上，同轴电缆系统传输的是模拟 信号4 k h z 语音信号，而w d m 系统目前每个波长通路上是数字信号s d h2 5 g b s 或更高速率的数字系统“。 浇 灌 强 度 图卜3w d m 系统的频谱分布 光时分复用与电的时分复用技术虽然在实现技术上有很大的差别， 但基本原理很相似。t d m 通信方式多为数字信号源，它首先把传输时间分 成若干时隙，在每个时隙内传输一路信号，或者说它将若干个原始的脉 冲调制信号在时间上进行交错，从而形成一个综合脉冲串，该脉冲串在 光纤信道传输到接收端，再利用同步信号依次触发各个信道滤波器，完 第一章绪论 成时间多路脉冲的分离，这里的“交错”和“分离”是靠交换机完成的， 这种复用方法可在不增加传输设备的情况下，成倍地提高通信系统容量。 图1 4 给出一种简单的n 路t d m 系统方框图1 。 图1 - 4n 路t d m 系统方框图 目前，w d m 与t d m 比较“1 各具有优缺点，w d m 没有使用复杂电子 设备，每一信道可以使用不同的调制方式、调制速率以及承载不同性质 的业务，但其设备较t d m 多，相对重复投资大，t d m 设备相对少，但因为 需要突破电子瓶颈效应，所以结构复杂，提取时钟手段相对困难。一般 认为现阶段应以发展w d m 为主，同时发展t d m ，在将来如能将二者同时用 于一个光纤通信系统中，将可能充分发挥光纤通信系统的最大潜力和最 优良的性能，达到最大限度地利用光纤的带宽及低损耗特性，实现超大 容量、超长距离的信号传输。 w d m 和t d m 这两种技术并不矛盾，相反它们是相辅相成的。w d m 可以缓 解t d m 未成熟时网络对大容量的需求，且反过来促进t d m 技术的发展，t d m 技术成熟后使扩容更方便，而且为w d m 提供了更高的基础1 。 1 2w d b l 系统中的光电器件 w 1 ) m 系统本质上是光域上的模拟系统，w d m 技术第一次把复用方式从电域转 移到光域，在光域上用波长复用( 即频率复用) 的方式提高传输速率，光信号实 现了直接复用和放大，而不再回到电信号上处理，因而大大增加了光电器件，而 且光模拟系统的性能很大程度上取决于各器件的特性。相对于s d h 系统，w d m 系 统增加了波分复用器( 解复用器) 、光放大器等器件，另外对激光器信号的波长 准确性和稳定性也提出了较高的要求。 4 莲 ， 收转换开关母v 眺觏一 魏。 第一章绪论 1 2 1 激光器及调制技术 过去s d h 系统工作波长是在一个很宽的区域内，而w d m 系统的最重要特点是 每个系统采用不同的波长，一般波长问隔为i o o g h z 或2 0 0 g h z ( 0 8 n m 或1 6 n m ) ， 这对激光器提出了较高要求。除了准确的工作波长外，在整个寿命期间波长偏移 量都应在一定的范围之内，以避免不同的波长相互干扰。即激光器必须工作在标 准波长、且具有很好的稳定性。 另一方面，由于采用了光放大器，w d m 系统的无再生中继距离大大延长。s d h 系统再生距离一般在5 0 6 0 k m ，由再生器进行整形、定时和再生，恢复成数字 信号继续传输。而w d m 系统中，一般每隔8 0 k m 有一个e d f a ，只进行放大，没有 整形和定时功能，不能有效去除因线路色散和反射等带来的不利影响，系统经 5 0 0 6 0 0 k m 传输后才进行光电再生，因而要求光源的色散受限距离大大延长。 由过去的5 0 6 0 k m 提高到6 0 0 k m 以上，因而对光源的要求大大提高。总体上， 应用在w d m 系统上的光源有两个突出特点“”：比较大的色散容纳值以及标准而稳 定的波长。 ( 1 ) 外调制技术 对于直接调制来讲，单纵模激光器引起的啁啾( c h i r p ) 噪声己成为限制其 传输距离的主要因素。即使采用更好的应变型超晶格半导体激光器，在g 6 5 2 光纤内传输2 5g b s 时其色散受限距离也只有1 2 0 k m 左右。这对于国家干线 w d m 系统要求的5 0 0 6 0 0 k m 是不够的。从原理上讲，很难消除直接调制带来的 啁啾噪声，人们把眼光转向了外调制。 与直接调制不同，在外调制情况下，高速电信号不再直接调制激光器，而是 加载在某一媒介上，利用该媒介的物理特性使通过的激光器信号的光波特性发生 变化，从而间接建立了电信号与激光的调制关系。在外调制情况下，激光器产生 稳定的大功率激光，而外调制器以低啁啾甚至啁啾无对它进行调制，从而获得远 大于直接调制的色散受限距离。目前，投入实用的主要有两种：一种是电吸收型 外调制器，一种是波导型铌酸锂马赫一泽德调制器。 ( 2 ) 电吸收外调制器( e m l 激光器) 电吸收外调制器是一种强度调制器，也是第一种大量生产的铟镓砷磷 ( i n g a h s p ) 光电集成器件。它将激光器和调制器集成到一片芯片上。e m l 激光 器芯片的激光器工作于恒定功率或连续模式。输入电信号加在调制器上，因此调 制器像一个开关，让光通过或把光关断。这使得产生的信号的啁啾( c h i r p ) 非 常小，因此可以在标准的光纤上传播非常长的距离，并且信号的失真很小，典型 第一章绪论 的e m l 激光器支持超过6 0 0 k m 的距离。 电吸收外调制器的最突出的优点是体积较小，集成度好。另外驱动电压低， 耗电量小，在已有的w i ) m 陆地系统中，绝大部分公司的产品都采用了这种类型的 外调制器。 ( 3 ) 马赫一泽德( m a c h z e h n d e r ) 外调制器 马赫一泽德波导型外调制器也是一种强度调制器。它使用单独的一个单纵模 d f b 激光器和一个外调制器。激光器也工作于连续( c w ) 状态，在外加调制电场 的情况下，由于铌酸锂( l i n b 0 3 ) 良好的电光效应，使波导的折射率发生改变， 通过波导的光的强度相应发生变化，实现波导输出的光幅度调制。马赫一泽德调 制器在原理上其啁瞅参数可以为零，因丽调制速率极高，几乎不受光纤色散的限 制，调制线宽很窄，消光比高。缺点是调制器与偏振态相关，激光器和调制器之 间的连接必须使用保偏光纤。在i o g b b 以上超高速w d m 系统传输时，m - z 外调 制器成为克服光纤色散影响的主要手段。 ( 4 ) 波长稳定技术 i v d m 系统的一个重要特点是在光波分复用器处输入的信号均为固定波长的光 信号，各个通路的信号波长不同，而且对中心频率偏移有严格规定。如对于 8 2 5 g b sw d m 系统，通路间隔选择2 0 0 g h z ，到寿命终了时的中心波长偏移不 大于+ _ 2 0 6 h z 。相邻两个通路如果波长偏移过大，就会造成通路间的串扰过大， 产生误码。就目前技术而言，最简单的方法是依靠稳定激光器的温度和偏流保证。 但这种方法无法解决由于激光器老化、温度变化引起的波长变化。当波长精度要 求较高时，需要使用更严格的波长控制技术。使用波长敏感器件对可调制连续波 光源的波长进行控制的原理如图卜5 所示“。波长敏感器件的输出电压随l d 发 射光波长变化而变化，这一电压变化信息经适当处理可用来直接或间接控制l d 发射的光波长，使其稳定在规定的工作波长上。 图卜5 波长控制原理 6 第一章绪论 1 2 2 波分复用器 d w d m 系统的核心器件之一是光波分复用，解复用器( w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p e x e r d e m u l t i p l e x e r ) i g2 0 ，它实质主要是一个光学波段的滤波器，将不同波 长的信号光在频率域和空间域分离开；或者逆向应用，实现合波功能。光滤波器 件根据制作方法主要分为五类”“：多腔介质膜滤波器( m u l t i c a v i t yd i e l e c t r i ct h i n f i l mf i l t e r s ) ：阵列波导光栅( a r r a yw a v e g u i d eg r a t i n g ) ；光纤布拉格光栅( f i b e r b r a g gg r a t m g ) ；全光纤熔融拉锥器件( a l lf i b e rf u s e db i c o n i c a lt a p e rc o u p l e r ) ； 奇偶交错滤波器( h a t e r l e a v e r ) 。 d w d m 器件与常见的光无源器件相比，表征d w d m 复用解复用器性能参数 的指标较多。除常规插入损耗( i n s e r t i o nl o s s ) 、偏振相关损耗( p o l a r i z a t i o n d e p e n d e n tl o s s ) 、回波损耗 e t u ml o s s ) 、工作温度( o p e r a t i o nt e m p e r a t u r e ) 等参 数外，表征d w d m 器件的主要参数还有中心波长、信道间隔、信道带宽、隔离 度、通带内起伏、温度稳定性、偏振相关波长( p d w ) 、偏振模色散( p m d ) 3 8 o 当前光纤通信信道密度的迅速增加和数据传输速率的不断提高对d w d m 系统的 性能提出了空前严格的要求。在d w d m 器件一连串的参数要求中，最重要的莫 过于精确的中心波长、宽且平坦的通带、小而均匀的插损、相邻和非相邻通道间 高的隔离度，以及比特率与数据格式透明。 目前主流光滤波技术有：多腔介质膜光滤波器( t f f ) ；阵列波导光栅( a w g ) ； 光纤布拉格光栅( f b g ) ；熔融拉锥型( f b t ) 全光纤器件；声光可调谐滤波器 ( a o t f ) ；奇偶交错滤波器( i n t e d e a v e r ) 。 1 多腔介质膜光滤波器( t f f ) 。2 ” d w d m 器件可以有多种实现方式，其中以薄膜滤光片技术为基础的器件凭 借其优良的特性而成为最具竞争力的选择之一。薄膜滤光片本身具有非常低的温 度系数( 输入功率范围； 输出功率范围； 工作带宽； 小信号增益； 饱和输出功率； 噪声系数； e d f a 增益平坦度。 第一章绪论 对光放大器的测试比较复杂，需要集成化平台，一般并不常见，而用分离设 备搭设平台测试则误差过大，因此对光放大器的某些参数只能进行验证，根据给 定的输入条件，观察光放大器的输出是否符合要求，这也是目前情况下较为现实 的一种做法。其中实际测量较多的是e d f a 的平坦度，因为级联e d f a 的w d m 系统 很大程度上决定于光放大器的平坦度，比较平坦的光放大器，容易实现各通路的 增益均衡，反之则需要复杂的系统设计。光放大器噪声系数也非常重要，对于 w d m 系统的光信噪比有着至关重要的影响。但该指标测量起来十分复杂，且随着 输入功率的变化而改变，因而日常维护不需要测试。 波分复用器件也是w d m 系统引入的新器件，将不同光源波长的信号结合在一 起的器件称为合波器。反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解为个别波长 分别输出的器件称分波器，有时同一器件既可作分波器，又可以作合波器。对波 分复用器的测试项目包括。 插入损耗； 隔离度； 偏振相关损耗； 温度特性； 通带特性( 通道的3 d b 带宽) 。 其中最为重要的指标是隔离度。该指标的大小对信道的串扰程度有着直接影 响。一般来说，相邻通路的隔离度应在2 5 d b 以上，非相邻通路的隔离度应在3 0 d b 以上。 1 3 3w d m 系统测试 在w d m 系统承载的s d h 系统中，相对于w d m 系统，s d h 只是它的承载信号， 因而当衡量w d m 系统传输质量时，必须以s d h2 5g b s 的信号作为标准，除了 测试s d h 支路1 5 5 m b s 电接口的指标外，系统必须增加对2 5 g b s 误码和抖动的 测试。在电域上最好以2 5 g b s 的群路传送信号为标准。配备的误码仪必须可以 进行2 5 g b s 的误码和抖动测试。仪表具有2 5 g b s 的光口，输出信号为满负载 的2 5 g b s 信号。h f 3 7 7 1 8 a 可以输出1 6 个v c 一4 级联的2 5 g b s 满负荷伪随机 序列，使我们衡量w d m 系统传输性能时更有说服力。主要增加的指标有： 2 5 g b s 的b e r 性能； 2 5 g b s 的输出抖动； 第一章绪论 2 5 g b s 的输入抖动容限。 w d m 系统测试仪表有些与常规s d h 系统是相同的，如误码仪用于测量单通路 的误码性能和抖动性能等，示波器用于测量脉冲眼图。但是w d m 系统的有些测试 项目与s d h 系统不同，这就决定了仪表有其特殊性，如用光谱仪和多波长计来评 估光信号的质量。 1 4 本文的主要研究内容 研究方向在于光通信中的硬件开发，本文主要介绍了e d f a 驱动源和色散测 试仪的研制。从设计原理到电路调试，最后形成完整的教学用测试仪器，其中 e d f a 驱动源完成两套，色散测试仪完成三套，并实现了商品化。具体工作如下： 1 分析了e d f a 驱动源设计的关键所在，设计出实用的全模拟的9 8 0 n m l d 驱 动源，并与数字式设计方法进行了比较，提出进一步的设计原则。 2 完成了e d f a 驱动源的硬件调试，并进行了一系列实验，证明了设计原理正 确可靠。 3 提出一种新的色散测试仪的设计方法，并从理论上证明其可行性。 4 设计出一种实用的带通滤波电路，有效地得到3 4 ，3 6 8 m 的高频信号，使得相 位测试成为可能。 5 完成并售出三台色散测试仪的硬件调试工作，实验证明测试结果与理论值基 本相符。实现了从实验室样品到商品的转化。 6 研制一台多模光纤折射率分布测量仪器，并成功投入使用。 1 4 第二章e d f a 驱动源的研制 2 1 引言 第二章e d f a 驱动源的研制 目前e d f a 驱动源所用泵浦源为9 8 0 r i m 或1 4 8 0 r i m 半导体激光器。半导体激 光器( l d ) 对电驱动源的要求很高，无论是大的反向偏置静态电压，还是大的 正向驱动电流，或是高频的电流干扰信号，都有可能烧毁l d 的p n 结或解理面。 所以，稳定耐用的l d 驱动源必须具备噪声系数小、实时自我保护及自动温度控 制功能( a t e ) 。 目前e d f a 驱动源的设计思路有两种：完全模拟电路控制和单片机控制。基 于模拟电路的控制方式比较复杂，电路需要精心调试。但其实时性能远远优于单 片机控制方式，更适应于l d 驱动源。单片机控制方式电路结构简单，控制方便， 但系统实时响应性能不如纯模拟电路。结合二者优点，考虑系统性能，在l d 的 驱动和控制部分采用模拟电路，而在采样显示部分采用单片机控制，不仅能够满 足l d 对实时性的要求，更能优化人机交互界面，易于使用和维护。本文介绍的 为基于完全模拟电路的设计。 2 2 半导体激光器的特性 1 半导体激光器的优点 ( 1 ) 光源的体积较小。其发光面积可与光纤芯径相比较，从而有较高的耦合 效率 ( 2 ) 光源的发射波长适合在光纤中低损耗传输 ( 3 ) 可以直接进行强度调制 ( 4 ) 可靠性高 虽然半导体激光器具有上述的许多优点，但是它也有一个很大的缺点就是很 容易损坏，而且激光输出功率受温度变化的影响相当严重。因此要采用半导体激 光器为泵浦光源时，必须要设计好性能优良的配套的激光电源。要达至n 这个目的， 对半导体激光器的某些特性的研究很有必要。 2 半导体激光器的特性参数 半导体激光器的特性，主要包括阂值电流i 扑输出功率p o 、微分转换效率 r l 、峰值波长 ”光束发散角0i 和0 。等。图2 - 1 为半导体激光器输出功率与 注入电流之问的关系。从图中可以看出，在同一温度下，当i 小于某一个值时， 第二章e d f a 驱动源的研制 p o 约为零，而超过该值时，p 。随i 之增长呈直线上升关系。这个电流称为半导体 的阈值电流。微分转换效率，是指输出光功率增量和注入电流增量之比，对应p i 曲线阈值以上线性部分的斜率。半导体激光器在一定的注入电流下，其输出 光谱可能有几个峰值，把最大的谐振峰对应的波长叫做峰值波长九。如果只有 一个谐振峰，那么它自己对应的波长就是 。了。 选择半导体激光器通常需要注意以下几点：应选阈值电流i t h 尽可能小的管 子。这使工作电流减小，工作稳定性增加。选择i t l l 对应p 值较小的管子，以使 输出光信号的消光比较大。尽量不选择在p i 曲线上有扭折点的管子，以避免产 生光信号失真。p 一1 曲线的斜率p i 要适当。斜率太小，则驱动信号要求太大， 给驱动电路带来麻烦，斜率太大的管子会出现光反射噪声及使自动光功率控制环 路调整困难。 3 半导体激光器和温度的关系。 特别提出半导体激光器和温度的关系，明确这一点，有利于理解在半导体激 光器中加入温度控制部分的重要性。图2 1 所示是典型的i n g a a s p 长波长半导体 激光器的输出光功率与注入电流的关系曲线【3 0 】。 5 01 0 0 i ( m a ) 图2 - 1 半导体激光器输出功率和注入电流的关系 由图中可以看出，半导体激光器的阈值电流、输出功率都受环境温度t 的影 响。阈值电流随着温度的升高而升高，于是整个激光器的特征曲线基本上随温度 的变化而平移。如果激光器在恒定的电流下工作，当环境温度发生变化时，激光 器的输出功率的变化将是很大的。这一特性给半导体激光器在通用仪器设备上的 应用造成很大的麻烦，因为通用产品中的激光器必须做到一年四季的室内常温下 能保证激光功率的高度稳定。因此，在半导体激光器的电源中充分考虑到温度的 影响，设计出合理有效的温度控制电路有很重要的意义。理论分析和试验工作表 明，阈值电流如随温度的增高而增大，两者之间的关系可用下式( 2 1 ) 表示： 6 第二章e d f a 驱动源的研制 l = i o p 7 t o ( 2 - 1 ) 称为特征温度，表示半导体激光器对温度的敏感的程度，而为室温下的阈 值电流，一般i n g a a s p 半导体激光器的乃为5 0 8 0 k 。 阈值电流随温度的变化，使得输出光功率发生很大变化；随着温度的升高， 由于激光器的微分转换效率降低，从而使输出的光信号发生变化。此外，随着温 度的升高，半导体激光器的发射波长的峰值位置移向长波。 2 3 半导体激光器使用时所需注意的事项 1 浪涌的抑制 浪涌是一种突发性的瞬态电脉冲，使半导体激光器瞬时承受过电压而使p n 节击穿。瞬态过电压的正向过电流所产生的较大光功率还可以使介面损伤。即使 在数纳秒的时间内超过半导体激光器所允许的最大电流i 。，也会使其破坏或者 受损。经过统计表明，半导体激光器的突然失效，一半以上的几率是由于浪涌击 穿所导致的。半导体激光器损伤的程度或者半导体激光器承受浪涌冲击的能力取 决于激光器本身的材料参数和器件结构。 浪涌的产生原因主要有以下几个方面： ( 1 ) 电源开关的干扰：大部分半导体激光器的驱动电源通常采用市电经变压器 降压、整流后再通过稳压，稳流的方式得到的。由于开机的随意性和元件的分布 电容的影响( 尤其是分布电容) 其浪涌电流是很难抑制的。解决此类问题的最彻 底的方法就是在开机的瞬间将半导体激光器短路，在电源启动后适当的时刻再断 开短路器。 ( 2 ) 过渡过程引起的冲击：半导体激光器驱动电源在没有慢启动措施的情况下 接通和断开电路时，会在电路中形成一个过渡过程，即在开启时，驱动电流出现 幅度很大的过冲，随后经过过渡过程才趋稳定。这种驱动电流的过冲易使p n 结 遭电击穿，解理面遭光损伤或者破坏。即使浪涌的强度或持续时间不至于在第一 次开启电源时使激光器产生完全的失效，但在多次浪涌的冲击下也会加速半导体 激光器性能的退化和最后失效。因此，半导体激光器的驱动电源应采取慢启动措 施。 ( 3 ) 接触不良：半导体激光器的管脚与插座接触不良会造成时断时续从而导致 接触过电压浪涌过程。因此，必须保证半导体激光器管脚于插座有良好且可靠的 电接触。电路中或许需要用电位器调节激光器驱动电流和输出功率，若电位器滑 动触点在滑动过程中出现机械或者尘屑引起的接触不良，将导致浪涌危害激光 器。因此需要选择质量高的电位器，并在滑动输出端并接一个较大的电容量的电 容。 第二章e d f a 驱动源的研制 ( 4 ) 与半导体激光器并联电容的放电产生过电流：为减少流过半导体激光器的 纹波和干扰，一般都在半导体激光器并联一个电容，但如果并联的电容的电容量 过大或者由于半导体激光器的接触不良就会对电容的充电电压过高，则在半导体 激光器接触瞬时或者在关断电源时，电容放电可能引起半导体激光器的过电流， 或反向电流而损害半导体激光器。可以在半导体激光器的两端并联一个低压快速 稳压管，不仅可以限制激光器的最高电压，而且减小了反向电压值。 ( 5 ) 电网干扰引入的浪涌：与半导体激光器驱动电路相并联的外电路的浪涌， 可能会造成激光器的击穿。因此，不应该将半导体的驱动电路并接于启动频繁的 会有较大电容或电感的线路上。或者用能抑制浪涌的噪声滤波器将二者进行隔 离，加装瞬时尖峰脉冲抑制器或者抑制高压的压敏电阻。 ( 6 ) 制作过程中焊接方法不当引起的浪涌损伤：用电烙铁将半导体激光器的管 脚与驱动电路焊接时，如漏电，则其浪涌可能使激光器损坏。因此，应将电烙铁 的外壳良好接地，必要时可断电进行焊接。 2 防止静电 半导体激光器处在一静电场中时，当静电场的场强超过某一限值，也会发 生p n 结静电损伤或者击穿。因此，在使用半导体激光器的时候，必须采取一定 的防静电的措施。如在半导体激光器不工作的时候，可以将其两个电极短路。接 触半导体激光器的管脚时，在手腕上戴上专用的手镯式接地环等措施。 2 4 驱动源的整体设计 图2 - 2l d 驱动源整体设计 整个电源可以分为三部分：驱动模块、温控模块、保护模块( 如图2 - 2 所示) 下面分别加以讨论。 第二章e d f a 驱动源的研制 2 4 1 驱动模块： 开关电源与线性电源的选择：开关式稳压电源由于体积小、重量轻、效率高 等优点，已经成为电源装置的主流。现代很多电子设备都采用了开关式稳压电源。 但从纹波抑制的角度来看，开关电源性能不如线性电源。开关稳压电源是电网交 流电直接整流，滤波后变为高压直流电，高压直流电经高频变压器功率开关晶体 管后，降为低压交流，再经过低压整流，滤波输出一路或多路直流电压。开关稳 压电源与线性稳压电源的性能比较如图2 3 所示1 3 “，虽然开关电源轻巧灵活，适 应性强，但它的变换用功率器件、高频变压器及扼流圈等会产生杂波，这种杂波 对其它电路会有妨害。为了得到稳定的供电电压，我们采用了线性电源，这对后 续电路的稳定起到重要作用。另外一种解决方案是在开关电源之后继续加入滤波 电路，将电源纹波降低到最小，这种方法也是可行的，我们实验室这两种方案均 采用过，取得了很好的效果。 项目串联型稳压器开关式稳压器 效率低( 3 0 - - 6 0 )高( 7 0 - - 8 5 ) 尺寸大( 变压器与散热体积大)小( 1 “一1 1 0 ) 重量重( 变压器与散热器重)轻( 1 4 1 1 0 ) 电路简单( 变压、整流、稳压)复杂( 整流、转换、p w m 控制、变压、整流) 稳定度高( 0 0 0 1 - - 0 1 )普通( o 1 一3 ) 纹波0 p ) 值 小( 0 1 - 1 0 m v )大( 1 0 - - 2 0 0 m w ) 暂态反应速度快( 5 0 u s l m s )普通( 5 0 0 u s - - 1 0 m s ) 输入