CN102571192A - 自由空间传输用大功率高速激光发射组件 - Google Patents

Abstract

自由空间传输用大功率高速激光发射组件。本发明涉及大气层内及太空星间激光数字通信、数据传输中“电-光”转换的方法及大功率高速激光发射装置。目前自由空间激光传输、通信在国内处于起步阶段，现有技术普遍存在光功率小(＜50mW)传输距离短的缺陷，导致无法大规模应用。针对该技术中的核心部分：电-光转换，本发明提供了可编程模块化的系统解决方案，由前置放大器、功率放大器、温控部分、保护电路、大功率半导体激光器等部分协同工作。可提供0～100Mbps带宽下，2W的光功率，并稳定工作，在国内尚属首创。可广泛用于远距离大气层内及太空星间激光数字通信、数据传输等领域。

Description

自由空间传输用大功率高速激光发射组件

技术领域

本发明涉及大气层内及太空星间激光数字通信、数据传输中“电-光”转换的方法及大功率高速激光发射装置。

背景技术

自由空间光通信(Free Space optical communication，简称FSO)是指以激光光波作为载波，大气或太空环境作为传输介质的光通信系统。自由空间激光通信结合了光纤通信与微波通信的优点，既具有大通信容量、高速传输的优点，又不需要铺设光纤，因此各技术强国在空间激光通信领域投入大量人力物力，并取得了很大进展，其系统广泛用于民用数据通信，军用领域及太空卫星通信。我国在这一领域起步较晚，目前技术尚不成熟，多半停留在实验室阶段，部分企业通过够买国外技术实现初级产品。其核心技术“电---光转换”仍掌握在国外巨头手中，鲜有相关文献可供参考，进一步限制了该技术在国内的发展。

目前可供参考的基于半导体激光器的国内产品及样机普遍存在着输出光功率小、传输距输短、成本高昂的缺点。其输出光功率典型值一般小于50mW，极大的限制了传输距离，同时也限制了该技术在国内的推广与应用。究其原因还是在于半导体激光器的驱动器电路过度依赖进口，而大功率高速半导体激光驱动器由于可能的军事用途恰恰是禁止出口的。

发明内容

本发明提供自由空间传输用大功率高速半导体激光发射组件(以下简称组件)的电路拓扑和实现方法，克服带宽与功率的矛盾，在100Mbps速率下出纤光功率可达到2W以上，并同时保证输出光谱的稳定性、输出光功率的稳定性与可编程性。

本发明由以下七个部分组成：

1.前置放大器 其作用是将输入到组件的高阻TTL数字电压信号进行放大，给第二部分功率放大器提供足够的驱动电流。该前置放大器主要由两个部件组成，首先利用一个与非门进行缓冲，信号缓冲后送入由高频三极管构成的高频放大器放大，最后输出一个低阻大电流的电压信号，送入下一级功率放大器。

2.偏置恒流源 其作用是为激光器提供恒定偏置电流，使激光器始终工作在特性阈值点以上，确保线性度。

3.功率放大器 其作用是将经过前置放大器放大后的高频信号转换为高频大电流，以此电流驱半导体激光器工作。该功率放大器由高频场效应管构成。

4.半导体激光器 其作用是将功率放大器输出的电流转变成激光束。由于公开的文献与资料没有提供适用于自由空间传输的大功率激光器，经过反复实验论证，发现用于激光切割的大功率半导体激光器具有高带宽与大功率的特征，并且转换效率高、体积小。非常适合组件需要。

5.吸收网络 其作用是吸收由于高频大电流通过激光器时产生的严重电流过冲，以保护激光器不受过冲电流损坏，并保证输出光信号质量。该部分由被动元件组合(电容、肖特基二极管、电阻)组成。

6.半导体制冷器 其作用是给激光器加温或降温，使激光器工作在恒温状态下，确保激光器的阈值电流与斜效率、中心波长、光谱特性不随温度的变化而变化。

7.温度控制器及半导体制冷器驱动器其作用是根据激光器温度，提供相应方向(升温或降温)和大小的驱动电流，驱动半导体制冷块工作。

其具体拓扑与关连性请见附图，由外部输入0-100Mbps TTL数字信号至组件，经由前置放大器放大后送入功率放大器进行电流放大，功率放大器输出的调制电流合并直流偏置电流驱动激光器发射高频大功率激光束，在激光器两端并入吸收网络及反向保护器吸收过冲与反向电动势对激光器及光束质量进行保护；同时采集激光器的温度数据传送至温度控制器，根据采集到的数据调节送给半导体制冷器的工作电流的方向与大小，使激光器保持恒温工作，不受自身工作温升及外界温度变化的不利影响。

该电路拓扑具有模块化，高带宽，高功率的特点，并且由于采用了温控系统，工作稳定性极强，可靠性高。由于各个部分相对独立工作，且都具有可编程性，使之可以适应不同工作带宽、不同中心波长、不同光功率输出的需要。

附图说明

是本发明采用的拓扑结构及实施方式。

具体实施方式

下面对照附图结合具体实施方式对本发明作进一步说明

如附图所示，在第一部分前置放大器中，采用输入阻抗为10MΩ，工作速率50MHz的门电路作为一级缓冲器，将输出的电压信号放大到10mA的电流信号送到1GHz的高频三极管进行进一步放大。由三极管放大后的电流在0～100mA内可调节，根据功率放大器的要求，也可并并联多只放大管，输出更大电流，以满足驱动功率放大器的要求。

在第二部分偏置恒流源中，采用线性方式，经采样器采样后送入由运放搭建的误差放大器进行比较，运放输出连接场效应管的栅极，以控制场效应管输出的电流，达到恒流的目的。该电路同样具备可编程性。

在第三部分功率放大器中，主要由两只结电容小于2000pF的场效应管组成高速大电流开关，受控于前置放大器的输出。当前置放大器输出的电平高于场效应管的阈值电压时，场效应管源极与漏极导通，输送额定电流驱动激光器发光；当前置放大器输出电平低于场效应管的阈值时，源极与漏极关闭，无电流流向激光器，此时激光器不发光。由此产生与输入信号同步的激光脉冲。根据要求光功率的不同，可选择并连多只场效应管。

在第四部分激光器的选择上，经过试验，JDSU生产的型号为2486-L4半导体激光器完全满足要求。该激光器具有2W的输出能力，并且效率可达60％以上，输出中心波长830nm同样适合空气介质的传输窗口，并且拥有很小的体积。

在第五部分吸收网络的设计上，采用RC无源滤波网络吸收由于场效应管瞬间开关产生的尖峰电流。并连肖特基二极管抑制反向电动势，避免由于反向电动势产生的反向电流直接对激光器造成冲击。

在第六部分半导体致冷器的选择上，使用了能量密度大的半导体热电堆，最大工作电压5V，以满足整体系统低功耗、低供电电压的要求；最大工作电流6A，保证有足够的功率稳定激光器的温度。

在第七部分温度控制器及半导体制冷器驱动器的设计上较为复杂，考虑到尽可能达到高效率的目的，放弃了线性控制的方案，采用了PWM脉宽控制的方式，开关频率选择在750kHz，既保证了效率达到85％，同时避免了对其他电路部分造成干扰。激光器的温度由温度传感器反馈至误差放大器进行比较，然后送入PWM脉宽控制器产生不同相位、不同脉宽的控制信号给电流放大器。电流放大器采用2组，4只低压场效应管实现双向电流输出，在激光器温度低于设置时向半导体制冷器输出正向电流，使制冷器发热，给激光器加温；相反，当激光器温度高于设置时向半导体制冷器输出反向电流，使制冷器制冷，给激光器降温。以此确保激光器在任何情况下都保持恒温工作。

以上各个部分都可以独立调节，相互协调。满足不同带宽、不同功率输出、不同工作温度的要求。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，不在脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.自由空间传输用大功率高速激光发射组件的电路拓扑结构包含以下7部分：

(1)前置放大器—其作用是将输入到组件的高阻TTL数字电压信号进行放大，送入下一级功率放大器；

(2)偏置恒流源—其作用是为激光器提供恒定偏置电流，使激光器始终工作在特性阈值点以上，确保线性度；

(3)功率放大器—其作用是将经过前置放大器放大后的高频信号转换为高频大电流，以此电流驱半导体激光器工作；

(4)激光器—其作用是将功率放大器输出的电流转变成激光束；

(5)吸收网络—其作用是吸收由于高频大电流通过激光器时产生的严重电流过冲，以保护激光器不受过冲电流损坏，并保证输出光信号质量；

(6)半导体致冷器—其作用是给激光器加温或降温，使激光器工作在恒温状态下，确保激光器的阈值电流与斜效率、中心波长、光谱特性不随温度的变化而变化；

(7)温度控制器及半导体制冷器驱动器—其作用是根据激光器温度，提供相应方向(升温或降温)和大小的驱动电流，驱动半导体制冷块工作。

2.如权利要求1所述的装置中，前置放大器是采用输入阻抗为10MΩ，工作速率50MHz的门电路作为一级缓冲器，将输出的电压信号放大到10mA的电流信号送到1GHz的高频三极管进行进一步放大。

3.如权利要求1所述的装置中，偏置恒流源采用线性方式，经采样器采样后送入由运放搭建的误差放大器进行比较，运放输出连接场效应管的栅极，以控制场效应管输出的电流，达到恒流的目的。

4.如权利要求1所述的装置中，功率放大器主要由两只结电容小于2000pF的场效应管组成高速大电流开关，受控于前置放大器的输出。

5.如权利要求1所述的装置中，激光器采用JDSU生产的型号为2486-L4半导体激光器。

6.如权利要求1所述的装置中，吸收网络采用RC无源滤波网络吸收由于场效应管瞬间开关产生的尖峰电流，并连肖特基二极管抑制反向电动势。

7.如权利要求1所述的装置中，半导体致冷器采用了能量密度大的半导体热电堆，最大工作电压5V，最大工作电流6A。

8.如权利要求1所述的装置中，温度控制器及半导体制冷器驱动器采用了PWM脉宽控制的方式，开关频率选择在750kHz，电流放大器采用2组，4只低压场效应管实现双向电流输出。

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