稳定化光纤光源电路设计

概述


任何科学领域的进步都依赖于对被研究对象给出精确测量的能力。光纤通信惊人的发展，要求光纤测量技术和光纤测量仪器也必须同步发展起来。稳定化激光源作为光纤测试中的重要设备已经得到广泛应用。例如：稳定化激光源与光功率计配合使用可以测量光纤传输损耗、光纤连接损耗等参数。随着光纤通信的进一步发展，稳定化激光源应用前景必将更为广泛。

本文详细阐述了稳定化激光源电路设计的工作原理及实验调试结果。


工作原理


稳定化激光源的工作原理。

由图1可以看出，流入激光二极管的电流包括驱动电路的电流和APC电路的预偏置电流。驱动电路保证激光二极管中有电流流过，使激光二极管能正常工作。APC电路通过电流负反馈电路抑制由于温度变化而引起的光功率的变化。激光二极管与监测PIN管是集成在一起的元器件。具体的电路图。

2.1激光二极管(LD)

激光二极管的光输出特性曲线。

(1)纵坐标P表示输出光功率。

(2)横坐标I表示驱动电流。

由图3可以看出，只有当驱动电流大于激光器的阈值电流时激光器才能工作发光，因此要使LD发射激光，就要供给LD略大于阈值电流的工作电流。FU-423SLD-F3M31激光二极管正常工作的条件：

(1)供给LD的电流大于阈值电流的5%左右。

(2)调制电流为5－15mA，典型阈值为6mA。

FU-423SLD-F3M31激光二极管，它连接有一单模光纤，且LD与监测光输出的监测PIN管组合在一起。PIN光电二极管用来监测激光器的背向输出光功率，其输出光功率的大小取决于LD的输出值。另外该管的一个显著特性是对温度极其敏感。实验表明当温度从17℃上升到30℃时，光输出功率变化14个dB，且该管通过的电流为515mA。当电流一旦过大，将烧坏LD管，这在设计和调试时要特别注意！

2.2驱动电路

由于LD管中只要有电流通过就能发光，所以采用最简单的纯电阻电路。采用负电源是由于激光二极管的正极接地，中U2所示。

2.3APC电路

电路APC部分，采用背向光反馈自动偏置控制方式，即用半导体激光器组件中的PIN光电二极管监测激光器背向输出光功率。因为背向输出光功率能跟踪前向输出光功率的变化，通过闭环控制系统就可以调节激光器的电流，达到输出稳定光功率的目的。

自动功率控制电路由运算放大器U4、U5和三极管Q1及其外围电路组成。反馈取自LD的背向光，由PIN管检出并转化成相应的电流。经电容C20滤波后加于U4运放的反相输入端，将电流信号转化成电压信号V1。U5用作差分积分器，其同相输入端由LM336和运放U7组成的+2.5V稳定基准源及变位器R20组成。基准电压的输出为V2。调节变位器R20即可实现人工调节。U4的输出为V3。则：

V_{3}={1}\over{R_{7}C_{22}}\int(V_{2}-V_{1})dt

控制过程如下：当由于某种原因使LD的输出光功率降低时，则背向光的输出也减弱。PIN输出电流减小，即V1减小。由上式可知，经过积分将使V3增大。因此Q1的基极电流增大，集电极电流随之增大，而集电极电流正是预偏置电流。因此流入激光器的电流增大，从而使光功率输出保持不变。


实验调试


调节电路中电位器，可以得到不同的光功率输出值。

实验测得：本电路正常工作时可以发出0dB、-10dB、-20DB、-30dB、-40dB等可调的光功率值(也可以发出更低的光功率，但这时激光器发出的已经是荧光了，没有实际意义)。

将电路放入恒温箱内进行温度影响实验，实验数据如表1。

实验数据表明，在激光源的实际工作温度范围内，其光功率输出值仅仅变化0.2dB。而且在某一固定的温度下，其输出值的精度为0.1dB。


结论


本文中的设计电路简单。电路中参数配置，使流入激光二极管的电流不会超出其极限值。因此该电路是一种简单、性能价格比较高的稳定化激光光源电路设计。