实验 激光发射机

实验一激光发射机原理实验
一、实验目的
1.熟悉光纤通信系统中激光发射模块电路的原理与量测工作。

2.熟悉光纤通信系统中激光发射模块电路中激光器的构造、特性、偏压工作架构以及应用。

3.熟悉光纤通信系统中激光发射模块电路中自动温度控制电路、自动功率控制电路、输出
光功率限制与跳脱保护电路之工作原理与测量调校。

二、实验仪器
DYT3000-GT系列实验平台
1.数字信号源模块（D I G I T A L S O U R C E）D Y T3000-011块
2.激光收发模块（L A S E R D R I V E R）D Y T3000-551块
3.万用表1块
4.光功率表(Optical Power Meter)1块
5.20M H z通用双踪示波器1台
三、实验内容
1、学习光发射电路工作原理
2、掌握APC控制电路原理
3、掌握无光告警电路工作原理
4、掌握光器件寿命监测电路工作原理
5、测量各报警电路工作状态及关键点电压
6、观察各报警输出状态
四、工作原理与电路解析
1、光纤有线电视系统光发射模块电路架构以及激光光源特性
光发射机的设计制作，近几年来由于高速宽带光纤网络的需求与盛行，显得愈来愈形重要，其中光发射机整体设计制作之重心在于激光二极管(Laser diode)操作和应用。

由于激光二极管的结构本为一电流驱动(Current driving)主动组件，相对地对于“偏压热稳定(Biasing thermal stability)”要求必需很严格，驱动激光“偏压热稳定”指激光驱动电流受其操作温度影响之程度。

不过现行大多在
图1 光发射模块电路(电压驱动)基本架构
驱动激光二极管直流偏压架构设计上，仍习惯采用旧有电压驱动(Voltage driving)方式，并在驱动回路上串联一限流用可变电阻(Current limitation variable resistor)，藉以控制激光二极管工作直流电流大小，如图1 中所示，其优点虽然得以简化激光二极管
之直流驱动电路架构，但在偏压热稳定特性上之表现却不尽理想。

光纤系统光发射模块电路架构可分成以下四大部分：(1)「激光器驱动电路
(LD Driving circuit)」、(2)「自动温度控制电路(Automatic Tempture Control，ATC)」、(3)「自动功率控制(Automatic Power Control，APC)电路」以及(4)「输出光功率限制与跳脱保护(Output optical power limitation & Shut-down protection)电路」。

此外激光光源组件的特性主宰光纤系统光发射模块之性能特性，一般「模拟/数字光纤通讯系统」常使用雷射光源组件计有：(a)FP LD、(b)DFBAnalog、(c)DFBDigital与(d)DBR四种。

(a)FP LD(Fabry-Perot Laser Diode)―光输出为「多纵模模态」非「单一纵模模态」
输出，光谱线宽(Spectrum linewidth)高达数百GHz，导致作为通讯激光光源时传输的频宽和距离便会大大受限；一般因无内建「热敏电阻器(Thermister)」与「热电冷却器(Thermoelectric Cooler，TE Cooler)」设计，多被制造为低瓦数小功率规格(1〜2mW)，例如在光纤有线电视系统中常被应用于「上行信号(Up-stream)」之激光光源。

(b)DFBAnalog(Distribution FeedBack LD for Analog)、(c)DFBDigital(Distribution
FeedBack LD for Digital)、(d)DBR(Distribution Bragg Reflector LD)―以上三种雷射之光输出均为「单一纵模模态」输出，其光谱线宽(Spectrum linewidth)仅有数MHz，故可传输GHz信号达百公里距离，一般因为内部设有「热敏电阻器」与「热电冷却器」设计，可被制造成为高瓦数大功率规格(10mW 以上)，在光纤有线电视系统中常被应用于「下行信号(Downstream)」的激光光源。

激光二极管的直流偏压必须能使其「恒温操作」，尤其大功率输出激光，现行采用方式是在激光模块内部加入「热电冷却器(Thermoelectric Cooler，TE Cooler)」和「热敏电阻器(Thermister)」，另外再配合外部「自动温度控制(Automatic TemptureControl，ATC)电路」，用来测量激光二极管的工作温度的变化，并给予补偿修正，进而得到所设定的恒温操作环境，但在温度变化的测量、补偿修正过程中，激光二极管仍处于温度来回变化的操作环境中，并且在操作温度反复变化下，将会加速激光二极管老化速度，并减短其寿命和使用时间。

对于内部未含热电冷却器的激光模块(Uncooling Laser module如
Fabry-Perot Laser)，则无法利用前述方式来补偿修正激光二极管的工作温度变化。

2、雷射光源直流偏压架构的探讨
如前所述可以得知，光发射机之设计制作中，激光二极管的直流偏压驱动架构的设计必
须满足「激光恒温定值电流操作」的要求，因此采用可调恒流源驱动架构，是较合理的安排并且比较能够达到偏压热稳定的需求，但势必付出驱动架构电路复杂化的代价。

在考虑可牺牲以便简化激光二极管的直流驱动架构电路的前提下，一种非常稳定(但相对架构势必复杂化)且对激光输出光功率具可调功能(Adaptive function)的恒流源电路，便成为激光二极管在其偏压驱动及热稳定对策上的最佳解决方案(Optimal solution)，一般恒流源电路本身亦存有偏压热稳定的困扰，导致原本应该恒定输出的电流值发生变动，且会伴随电路本身工作温度上升而加大。

这种情况在大电流输出的恒流源电路中显得特别明显，而光发射机中激光二极管的驱动电流均不致超过350mA(以目前所知最高输出光功率约150mW 的Pumping Laser来估算)，输出电流并不算很大。

另外就恒流源电路本身架构而言，无论是在偏压热稳定或是定值电流输出上，「平衡式」常较「非平衡式」易取得稳定。

所谓「平衡式」系指电路架构具对称性(Symmetric)：不仅包含电流源(Current source)和电流集(Current sink)功能且为同值输出。

反之则为「非平衡式」。

本单元实验中采用的激光驱动电路架构如图1所示，采用了传统的激光偏压架构。

3、自动功率控制（APC）电路
本实验单元所采用的APC电路的电路原理图如图2所示，自动功率控制(Automatic Power Control，APC)功能部分，利用激光模块D2内建PIN diode 检出其输出光功率强弱并转换成直流电压表示，再经差值放大后控制晶体管Q2导通程度，进而决定激光器偏压电流的增减，确保激光器的光功率维持恒定输出。

当激光器的注入电路增加时，导致激光器的光发功率增加，从而使内建的PIN diode 检出的信号强度也增加，由于U1D的12脚输入电压恒定，而13脚的电位升高后，使14脚输出的电压降低，即三极管Q2基极的电位降低，致使其导通量减小，从而使激光器的偏流减小，造成其发光功率减小，以达到功率控制目的。

反之，当激光器的注入电流减小时，光发功率亦减小，造成U1D的13脚电位降低，U1D-14的输出电压增加，从而使Q2的导通量增加，使激光器的偏流增加，造成其发光功率增大，以达到功率控制目的。

电路中的可调电位器R4为PIN diode 检出的信号的增益调节，即电压强度调节；可调电位器R13为人工设定偏流电流的大小调节。

图2 APC电路原理图
4、无光告警电路
本实验单元所采用的APC电路的电路原理图如图3所示，无光告警功能部分，利用激光模块D2内建PIN diode 检出其输出光功率强弱并转换成直流电压表示，再经差值放大后控制U1C的工作状态，进而实现无光告警电路状态。

当激光器的注入电路增加时，导致激光器的光发功率增加，从而使内建的PIN diode 检出的信号强度也增加，由于U1D的12脚输入电压恒定，而13脚的电位升高后，使14脚输出的电压降低，即U1C-9脚的电位降低，致使U1C-8脚
图3 无光告警电路原理图
输出正电压，使D6导通发绿光，以达到有光指示目的。

反之，当激光器的注入电流减小时，光发功率亦减小，造成U1D的13脚电位降低，U1D-14的输出电压增加，即U1C-9脚的电位增大，使U1C状态翻转，U1C-8脚输出负电压，D6截止，D3导通发红光，以实现无
光告警目的。

5、光器件寿命告警电路
图4 光器件寿命监测告警电路原理图
本实验单元所采用的光器件寿命监测告警电路的电路原理图如图4所示，利用激光模块D2内建PIN diode 检出其输出光功率强弱并转换成直流电压表示，再经差值放大后控制晶体管Q2导通程度，进而决定激光器偏压电流的增减，通过监测R27的电流大小，决定U1A 的工作状态，从而实现本功能的监测。

正常工作时，R27上的偏流电流较小，U1A-2脚的电压较低，小于U1A-3脚的电压，使U1A输出正电压，使D4导通发绿光，D7截止，此状态表示激光器正常。

当激光器的发射管老化时，导致激光器的光发功率减小，从而使内建的PIN diode 检出的信号强度也减小，由于U1D的12脚输入电压恒定，而13脚的电位减小后，使14脚输出的电压升高，即三极管Q2基极的电位升高，致使其导通量增加，从而使激光器的偏流增大，但还未能达到额定功率，因为电路会继续调节Q2的导通量，使偏流继续增加，从而使R27上的压差也增加，进而使U1A-2脚的电压升高，由于U1A-3脚的电压恒定，当U1A-2脚电压升高超过阀值时，U1A电路翻转，输出负电压，使D4截止，D7导通发红光，从而实现激光器老化告警。

四、实验步骤
本实验相关测试点及输入输出点说明：
数字信号源模块（DIGITAL SOURCE）（DYT3000-01）
●CLK-OUT 时钟信号测试点，输出信号频率为256KHz
●BS-OUT 信源位同步信号输出点/测试点，频率为8KHz
●FS 信源帧同步信号输出点/测试点,频率为333Hz
●RZ-OUT NRZ信号输出点/测试点，码元速率8KHz
●2048K 2.048MHz时钟信号输出点
●1024K 1.024MHz时钟信号输出点
●512K 512KHz时钟信号输出点
●256K 256KHz时钟信号输出点
●128K 512KHz时钟信号输出点
●64K 64KHz时钟信号输出点
●32K 32KHz时钟信号输出点
●16K 16KHz时钟信号输出点
●8K 8KHz时钟信号输出点
激光发射模块（LASER DRIVER）DYT3000-55
●IN 信号输入端口（模拟或数字信号）
按下述方法进行操作：
1、接上交流电源线；
2、将各实验模块按位插入主板的槽位中，用实验导线连接数字信号源模块的512K输出
点与激光发射模块的IN端口；
3、将万用表挂接在“电压测量”挂钩上，正表笔接正级，负表笔接负级；
4、用光纤将光发输出端口与光功率计连接，打开光功率计电源，设置好光功率计各项
参数；
5、打开电源开关，观察各模块电源指示灯是否点亮；
6、用示波器测量激光发射模块的IN端口的波形，是否为正确的512KHz的时钟信号；
7、观察光发模块各状态指示灯的状态是否全为绿色；
8、如果指示状态不正确，请根据本实验电路的电路原理说明，并参考以下调节方法进
行恢复：
i.顺时针调节“偏流调节”电位器（R13）到端点，使偏流电流达到最小值；
ii.调节电位器R37（激光器主电流回路电流调节），使电压表的读数为：180mV （±10mV）；
iii.调节电位器R4（背光检测增益调节），使芯片U1-14脚的输出电压为：-8.2V（±0.2V），而U1-10脚的电压为-8.13V（±0.2V），此时无光告警
指示发绿光，即表示光发射正常；
iv.摘除输入信号连接线（即移除IN端口的输入信号），则芯片U1-14脚的输出电压为：-8.15V（±0.2V），而U1-10脚的电压为-8.13V（±0.2V），
此时无光告警指示应发红光，即表示该参数已调节正常；
v.接入IN端口的输入信号，测量U1-7脚的电压为：+7.0V（±0.2V） ,U1-3脚的电压为调节+6.65V（±0.2V）,此时U1-1脚输出-10.8V（±0.2V）
电压，使D7发绿光。

逆时针调节“偏流调节”电位器（R13），使U1-7
脚的电压为+6.3V（±0.2V），此时测量U1-3脚的电压为+6.65V（±0.2V），
此时U1-1脚输出+10.6V（±0.2V）电压，使D4发红光，出现寿命告警。

vi.重新顺时针调节“偏流调节”电位器（R13），使U1-7脚的电压为：+6.80V （±0.1V），使D7发绿光。

至此步结束，光发模块的各电位器的工作点
均已调整好。