姜倩文, 徐雅燕, 林瑜佳, 李文康, 蒲 彬

(上海無線電設(shè)備研究所,上海201109)

0 引言

隨著衛(wèi)星激光通信技術(shù)向著長距離、高速率的方向發(fā)展,對通信鏈路發(fā)射端提出了大功率、高可靠性、高調(diào)制速率的要求[1]。摻餌光纖放大器(EDFA)作為空間光通信最常用的光放大器件,面臨大功率、低噪聲、高穩(wěn)定性的性能需求。EDFA基本結(jié)構(gòu)主要包括激光泵浦源、摻餌光纖(EDF)以及光無源器件,其中激光泵浦源是決定EDFA增益大小和能否穩(wěn)定輸出的核心因素之一[2-3]。由于半導(dǎo)體泵浦源電流和溫度的任何微小變化都會影響EDFA的輸出狀態(tài)[4-5],為保證EDFA的恒定輸出,穩(wěn)定可靠的泵浦驅(qū)動控制電路至關(guān)重要[6]。

本文設(shè)計了一種基于自動功率控制(APC)的高功率EDFA泵浦驅(qū)動電路,利用模擬比例-積分-微分(PID)控制電路和基于對數(shù)放大的功率監(jiān)測電路實現(xiàn)對功率驅(qū)動電路的閉環(huán)控制,保證光放大信號的恒功率穩(wěn)定輸出。

1 級聯(lián)EDFA結(jié)構(gòu)

為實現(xiàn)高功率的激光發(fā)射,系統(tǒng)采用級聯(lián)泵浦機(jī)制對入射光信號進(jìn)行放大,兩級串聯(lián)泵浦結(jié)構(gòu)如圖1所示。分光器Tap1和Tap2按照對應(yīng)的分配比例將大部分能量透射進(jìn)光纖系統(tǒng),同時吸收小部分入射光能量送入光電檢測器Monitor1和Monitor2,用以監(jiān)測EDFA輸入或輸出光功率。光隔離器ISO1～I(xiàn)SO3可抑制信號光反射形成的自激振蕩,并隔離后向放大器自發(fā)輻射噪聲(ASE)。泵浦激光器Pump1和Pump2用于提供光激勵,通過波分復(fù)用器 WDM1和WDM2分別將泵浦光耦合至摻餌光纖EDF1和EDF2,將基態(tài)鉺離子抽運(yùn)至較高能級。光濾波器Filter1和Filter2對主波長附近的信號光濾波,同時過濾掉泵浦光源產(chǎn)生的噪聲光信號,保證輸出信號光的光譜質(zhì)量。

圖1 EDFA級聯(lián)泵浦結(jié)構(gòu)

兩級泵浦結(jié)構(gòu)中,由于前級的輸入光信號功率較小,為減小系統(tǒng)預(yù)放大噪聲系數(shù),EDF1長度較短,使光纖內(nèi)粒子數(shù)充分反轉(zhuǎn),提高前級光放大信噪比。Pump1選用980 nm單模泵浦激光器,內(nèi)部集成熱敏電阻及半導(dǎo)體制冷器(TEC),具有高量子效率、低噪聲、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)。Pump1驅(qū)動電路設(shè)計為固定增益,以獲得合適的前級輸出功率。Pump2和Pump3采用兩路大功率多模泵浦激光器并聯(lián)設(shè)計,通過自動功率控制電路調(diào)節(jié)泵浦激光器回路驅(qū)動電流,保證EDFA的穩(wěn)定輸出。同時二級摻餌光纖EDF2長度較長,當(dāng)泵浦光增大時能充分轉(zhuǎn)換為信號光,獲得較大的輸出增益。

2 APC驅(qū)動電路設(shè)計

2.1 基于模擬PID的功率控制電路

APC采用PID控制系統(tǒng),如圖2所示。系統(tǒng)設(shè)定光功率對應(yīng)的設(shè)置電壓Uref(t)與輸出抽運(yùn)光功率對應(yīng)的采樣電壓Umon(t)之差為功率誤差電壓Ue(t);Ue(t)進(jìn)入模擬PID控制器,經(jīng)過比例單元KpUe(t)、積分單元Ki∫Ue(t)dt和微分單元KddUe(t)/dt處理并線性組合后形成被控電壓Uctl(t),其中Kp、Ki、Kd為誤差幅度調(diào)節(jié)參數(shù);再用Uctl(t)對二級泵浦驅(qū)動電路的泵浦電流進(jìn)行控制,從而保證EDFA光功率穩(wěn)定輸出[7]。

圖2虛線框內(nèi)為模擬PID控制器。其中:比例單元KpUe(t)用于即時調(diào)節(jié)被控系統(tǒng)偏差的比例步進(jìn),偏差信號一旦產(chǎn)生,模擬PID控制器便立即產(chǎn)生控制作用,當(dāng)比例作用過大時可能導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩次數(shù)增加,穩(wěn)定性降低;積分單元Ki∫Ue(t)dt用于消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差,積分強(qiáng)弱取決于系統(tǒng)積分時間;微分單元KddUe(t)/dt反映系統(tǒng)誤差信號變化速率,通過引入誤差的偏差修正預(yù)判,減小恒功率控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間。

圖2 基于PID的自動功率控制框圖

本文利用運(yùn)算放大器構(gòu)成模擬PID控制器,具體電路如圖3所示。

圖3 模擬PID控制器電路

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的EDFA恒定輸出功率值,計算得出二級泵浦驅(qū)動所需控制電壓Uref。Uref送入運(yùn)算放大器A的同向輸入端,反向輸入端為電阻R1、R2和電容C1、C2組成的負(fù)反饋控制電路,iF和UF分別為反饋端電流和電壓,Umon為經(jīng)功率監(jiān)測電路采樣的實際輸出抽運(yùn)功率對應(yīng)電壓,由此計算抽運(yùn)功率控制電壓Uctl。

可以看出,被控抽運(yùn)功率端為負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制,當(dāng)EDFA在工作過程中受到溫度或輸入光信號擾動時,功率監(jiān)測電路的探測光功率變化隨即被反饋到運(yùn)放反向輸入端,PID控制器電路將根據(jù)運(yùn)放同向輸入端和反向輸入端的差值電壓及時調(diào)整驅(qū)動回路電流,使系統(tǒng)重新達(dá)到動態(tài)平衡。

2.2 二級泵浦驅(qū)動電路

半導(dǎo)體泵浦激光器為電流注入型器件,驅(qū)動電路的電流需連續(xù)可調(diào),因此本文設(shè)計了圖4所示的電流積分負(fù)反饋電路來實現(xiàn)驅(qū)動電源的控制。因圖1中Pump2、Pump3的驅(qū)動電路為完全相同的并聯(lián)電路,圖4中泵浦激光器用Pump表示。運(yùn)算放大器A1選用軌到軌運(yùn)算放大器AD8552,場效應(yīng)管MOSFET選用IRL5NJ024。模擬PID控制器輸出的控制電壓Uctl經(jīng)過運(yùn)算放大器A1及電容C1組成的電流積分電路對MOSFET進(jìn)行控制。改變電容C1的容值可以控制MOSFET的打開時間,消除開關(guān)開合時產(chǎn)生的浪涌電流,實現(xiàn)驅(qū)動電路緩啟動。2.2 V電源為泵浦激光器提供偏壓,當(dāng)MOSFET打開時,激光器回路導(dǎo)通,導(dǎo)通電流由控制電壓Uctl決定。電阻R4為采樣電阻,本文選用0.1Ω的功率電阻。采樣電壓經(jīng)放大后進(jìn)入信號處理系統(tǒng),實現(xiàn)驅(qū)動回路工作電流的監(jiān)測和控制。

圖4 泵浦驅(qū)動電路

2.3 功率監(jiān)測電路

基于對數(shù)放大電路設(shè)計了一種高精度寬動態(tài)范圍的功率監(jiān)測電路。光電二極管將EDFA輸出端分光器分得的小部分光信號轉(zhuǎn)換成電信號,經(jīng)過對數(shù)放大電路的放大處理,作為模擬PID控制器的反饋輸入信號。原理圖如圖5所示。

圖5 對數(shù)放大功率監(jiān)測電路

光電探測器選用InGaAs型PIN光電二極管,該型光電二極管在1 550 nm波長下響應(yīng)度為0.95 A/W,具有響應(yīng)速度快、受溫度影響小的特點(diǎn)。選用ADL5303高精度對數(shù)轉(zhuǎn)換器,利用雙極型晶體管的基極-射極電壓與集電極電流的對數(shù)關(guān)系,實現(xiàn)被探測光電流的對數(shù)轉(zhuǎn)換。本電路具有160 dB的動態(tài)范圍,且對數(shù)輸出斜率截點(diǎn)可調(diào),以適應(yīng)電源電壓變化。Bias為PIN光電二極管提供反向偏置電壓,光照時產(chǎn)生的反向光電流隨光強(qiáng)變化,進(jìn)入對數(shù)放大器的輸入級。施加于放大器INPT引腳的輸入電流IPD與中間級對數(shù)輸出引腳的電壓ULOG關(guān)系為

式中:UK為斜率電壓;IZ為截點(diǎn)電流。為適應(yīng)后級信號處理量程子范圍,增加了斜率和截點(diǎn)調(diào)整電路。調(diào)整電路由運(yùn)算放大器A2和外部反饋電阻R1、R2、R3組成,運(yùn)算放大器A2同樣選用AD8552,UR為外部基準(zhǔn)電壓源,為緩沖器反饋端提供偏壓,UG為監(jiān)測電路輸出電壓。根據(jù)基爾霍夫電流定律,節(jié)點(diǎn)a處的電流i R1、i R2、i R3三者關(guān)系為

系統(tǒng)實際輸出光功率為(20～33)d Bm,分光比為0.05%時,輸出端PD實際接收功率為(-13～0)dBm。若斜率電壓UK=0.2 V,截點(diǎn)電流IZ=100 p A,由此計算得到VLOG端輸出電壓ULOG為(1.14～1.40)V。驅(qū)動回路可用量程為(0～5)V,基準(zhǔn)電壓UR為2.5 V,為獲得合適的電壓輸出范圍,反饋電阻的阻值分別為R1=15.0 kΩ,R2=64.7 kΩ,R3=3.3 kΩ,則輸出電壓UG為(2.03～3.53)V。通過調(diào)整反饋電阻R1、R2、R3的阻值,電路可以適用于不同量程范圍的功率監(jiān)測應(yīng)用。

3 EDFA調(diào)試及試驗結(jié)果

設(shè)輸入信號光源峰值波長1 559 nm,實際光功率0 dBm,要求EDFA輸出光功率在33 dBm以上,且功率恒定可調(diào)。

前級泵浦源設(shè)置為固定增益,后級泵浦源保證恒功率輸出。通過閉環(huán)電路監(jiān)測輸出光功率并控制后級泵浦源的驅(qū)動電流,當(dāng)EDFA受輸入信號光功率波動或溫度等影響導(dǎo)致輸出功率變化時,功率監(jiān)測電路的光電流響應(yīng)隨之發(fā)生變化,模擬PID控制器依據(jù)偏差量改變控制電壓,調(diào)整功率輸出。采用兩個相同泵浦激光器同時工作,可在提高系統(tǒng)可靠性的同時分擔(dān)大電流壓力。輸出光功率設(shè)定為33 dBm時,2 h內(nèi)測定的輸出功率如圖6所示,功率穩(wěn)定度在1%以內(nèi)。

圖6 EDFA輸出功率實測曲線

被測電路底部設(shè)置熱沉,測量工作時間2 h內(nèi)Pump2和Pump3的溫度及驅(qū)動電流,如圖7所示?？梢钥闯?隨著后級泵浦激光器溫度升高,APC電路實時調(diào)整驅(qū)動電流,光功率穩(wěn)定輸出,40 min后模塊溫度趨于穩(wěn)定,達(dá)到熱平衡。

圖7 泵浦激光器溫度及驅(qū)動電流測試

對衰減后的輸出信號光進(jìn)行波長測試,輸出光譜如圖8所示。輸出光譜中心波長為1 559 nm,與輸入光源峰值波長一致。

圖8 EDFA輸出光譜圖

4 結(jié)束語

本文介紹了一種級聯(lián)式EDFA自動功率控制泵浦驅(qū)動電路。功率控制電路采用模擬PID控制器實現(xiàn)功率誤差的實時調(diào)整;泵浦驅(qū)動電路利用電流積分負(fù)反饋實現(xiàn)驅(qū)動電源的有效控制;功率監(jiān)測電路基于對數(shù)放大器實現(xiàn)高精度量程可調(diào)光電信號的監(jiān)測。相比利用數(shù)字處理器實現(xiàn)功率的自動控制,本設(shè)計利用模擬電路閉環(huán)調(diào)整泵浦驅(qū)動電流,使EDFA穩(wěn)定工作在系統(tǒng)設(shè)定的功率點(diǎn),具有復(fù)雜度低、功耗低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。試驗結(jié)果表明:本自動功率控制電路可控制EDFA實現(xiàn)33 d Bm以上的恒功率輸出,功率穩(wěn)定度在1%以內(nèi),對實際工程應(yīng)用中選取控制參數(shù)、優(yōu)化系統(tǒng)性能具有指導(dǎo)意義。