專利名稱：自由空間傳輸用大功率高速激光發(fā)射組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大氣層內(nèi)及太空星間激光數(shù)字通信、數(shù)據(jù)傳輸中“電-光”轉(zhuǎn)換的方法及大功率高速激光發(fā)射裝置。
背景技術(shù)：
自由空間光通信(Free Space optical communication，簡(jiǎn)稱FS0)是指以激光光波作為載波，大氣或太空環(huán)境作為傳輸介質(zhì)的光通信系統(tǒng)。自由空間激光通信結(jié)合了光纖通信與微波通信的優(yōu)點(diǎn)，既具有大通信容量、高速傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又不需要鋪設(shè)光纖，因此各技術(shù)強(qiáng)國(guó)在空間激光通信領(lǐng)域投入大量人力物力，并取得了很大進(jìn)展，其系統(tǒng)廣泛用于民用數(shù)據(jù)通信，軍用領(lǐng)域及太空衛(wèi)星通信。我國(guó)在這一領(lǐng)域起步較晚，目前技術(shù)尚不成熟，多半停留在實(shí)驗(yàn)室階段，部分企業(yè)通過(guò)夠買國(guó)外技術(shù)實(shí)現(xiàn)初級(jí)產(chǎn)品。其核心技術(shù)“電一光轉(zhuǎn)換”仍掌握在國(guó)外巨頭手中，鮮有相關(guān)文獻(xiàn)可供參考，進(jìn)一步限制了該技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展。目前可供參考的基于半導(dǎo)體激光器的國(guó)內(nèi)產(chǎn)品及樣機(jī)普遍存在著輸出光功率小、 傳輸距輸短、成本高昂的缺點(diǎn)。其輸出光功率典型值一般小于50mW，極大的限制了傳輸距離，同時(shí)也限制了該技術(shù)在國(guó)內(nèi)的推廣與應(yīng)用。究其原因還是在于半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)器電路過(guò)度依賴進(jìn)口，而大功率高速半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)器由于可能的軍事用途恰恰是禁止出口的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供自由空間傳輸用大功率高速半導(dǎo)體激光發(fā)射組件(以下簡(jiǎn)稱組件)的電路拓?fù)浜蛯?shí)現(xiàn)方法，克服帶寬與功率的矛盾，在IOOMbps速率下出纖光功率可達(dá)到2W以上，并同時(shí)保證輸出光譜的穩(wěn)定性、輸出光功率的穩(wěn)定性與可編程性。本發(fā)明由以下七個(gè)部分組成1.前置放大器其作用是將輸入到組件的高阻TTL數(shù)字電壓信號(hào)進(jìn)行放大，給第二部分功率放大器提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流。該前置放大器主要由兩個(gè)部件組成，首先利用一個(gè)與非門進(jìn)行緩沖，信號(hào)緩沖后送入由高頻三極管構(gòu)成的高頻放大器放大，最后輸出一個(gè)低阻大電流的電壓信號(hào)，送入下一級(jí)功率放大器。2.偏置恒流源其作用是為激光器提供恒定偏置電流，使激光器始終工作在特性閾值點(diǎn)以上，確保線性度。3.功率放大器其作用是將經(jīng)過(guò)前置放大器放大后的高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻大電流，以此電流驅(qū)半導(dǎo)體激光器工作。該功率放大器由高頻場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成。4.半導(dǎo)體激光器其作用是將功率放大器輸出的電流轉(zhuǎn)變成激光束。由于公開(kāi)的文獻(xiàn)與資料沒(méi)有提供適用于自由空間傳輸?shù)拇蠊β始す馄?，?jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)論證，發(fā)現(xiàn)用于激光切割的大功率半導(dǎo)體激光器具有高帶寬與大功率的特征，并且轉(zhuǎn)換效率高、體積小。非常適合組件需要。5.吸收網(wǎng)絡(luò)其作用是吸收由于高頻大電流通過(guò)激光器時(shí)產(chǎn)生的嚴(yán)重電流過(guò)沖，以保護(hù)激光器不受過(guò)沖電流損壞，并保證輸出光信號(hào)質(zhì)量。該部分由被動(dòng)元件組合(電容、 肖特基二極管、電阻)組成。6.半導(dǎo)體制冷器其作用是給激光器加溫或降溫，使激光器工作在恒溫狀態(tài)下，確保激光器的閾值電流與斜效率、中心波長(zhǎng)、光譜特性不隨溫度的變化而變化。7.溫度控制器及半導(dǎo)體制冷器驅(qū)動(dòng)器其作用是根據(jù)激光器溫度，提供相應(yīng)方向 (升溫或降溫)和大小的驅(qū)動(dòng)電流，驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷塊工作。其具體拓?fù)渑c關(guān)連性請(qǐng)見(jiàn)附圖，由外部輸入O-IOOMbps TTL數(shù)字信號(hào)至組件，經(jīng)由前置放大器放大后送入功率放大器進(jìn)行電流放大，功率放大器輸出的調(diào)制電流合并直流偏置電流驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)射高頻大功率激光束，在激光器兩端并入吸收網(wǎng)絡(luò)及反向保護(hù)器吸收過(guò)沖與反向電動(dòng)勢(shì)對(duì)激光器及光束質(zhì)量進(jìn)行保護(hù)；同時(shí)采集激光器的溫度數(shù)據(jù)傳送至溫度控制器，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)送給半導(dǎo)體制冷器的工作電流的方向與大小，使激光器保持恒溫工作，不受自身工作溫升及外界溫度變化的不利影響。該電路拓?fù)渚哂心K化，高帶寬，高功率的特點(diǎn)，并且由于采用了溫控系統(tǒng)，工作穩(wěn)定性極強(qiáng)，可靠性高。由于各個(gè)部分相對(duì)獨(dú)立工作，且都具有可編程性，使之可以適應(yīng)不同工作帶寬、不同中心波長(zhǎng)、不同光功率輸出的需要。


是本發(fā)明采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及實(shí)施方式。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)照附圖結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明如附圖所示，在第一部分前置放大器中，采用輸入阻抗為IOM Ω，工作速率50MHz 的門電路作為一級(jí)緩沖器，將輸出的電壓信號(hào)放大到IOmA的電流信號(hào)送到IGHz的高頻三極管進(jìn)行進(jìn)一步放大。由三極管放大后的電流在0 IOOmA內(nèi)可調(diào)節(jié)，根據(jù)功率放大器的要求，也可并并聯(lián)多只放大管，輸出更大電流，以滿足驅(qū)動(dòng)功率放大器的要求。在第二部分偏置恒流源中，采用線性方式，經(jīng)采樣器采樣后送入由運(yùn)放搭建的誤差放大器進(jìn)行比較，運(yùn)放輸出連接場(chǎng)效應(yīng)管的柵極，以控制場(chǎng)效應(yīng)管輸出的電流，達(dá)到恒流的目的。該電路同樣具備可編程性。在第三部分功率放大器中，主要由兩只結(jié)電容小于2000pF的場(chǎng)效應(yīng)管組成高速大電流開(kāi)關(guān)，受控于前置放大器的輸出。當(dāng)前置放大器輸出的電平高于場(chǎng)效應(yīng)管的閾值電壓時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管源極與漏極導(dǎo)通，輸送額定電流驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)光；當(dāng)前置放大器輸出電平低于場(chǎng)效應(yīng)管的閾值時(shí)，源極與漏極關(guān)閉，無(wú)電流流向激光器，此時(shí)激光器不發(fā)光。由此產(chǎn)生與輸入信號(hào)同步的激光脈沖。根據(jù)要求光功率的不同，可選擇并連多只場(chǎng)效應(yīng)管。在第四部分激光器的選擇上，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，JDSU生產(chǎn)的型號(hào)為M86-L4半導(dǎo)體激光器完全滿足要求。該激光器具有2W的輸出能力，并且效率可達(dá)60%以上，輸出中心波長(zhǎng) 830nm同樣適合空氣介質(zhì)的傳輸窗口，并且擁有很小的體積。在第五部分吸收網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)上，采用RC無(wú)源濾波網(wǎng)絡(luò)吸收由于場(chǎng)效應(yīng)管瞬間開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的尖峰電流。并連肖特基二極管抑制反向電動(dòng)勢(shì)，避免由于反向電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的反向電流直接對(duì)激光器造成沖擊。
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在第六部分半導(dǎo)體致冷器的選擇上，使用了能量密度大的半導(dǎo)體熱電堆，最大工作電壓5V，以滿足整體系統(tǒng)低功耗、低供電電壓的要求；最大工作電流6A，保證有足夠的功率穩(wěn)定激光器的溫度。在第七部分溫度控制器及半導(dǎo)體制冷器驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)上較為復(fù)雜，考慮到盡可能達(dá)到高效率的目的，放棄了線性控制的方案，采用了 PWM脈寬控制的方式，開(kāi)關(guān)頻率選擇在 750kHz，既保證了效率達(dá)到85%，同時(shí)避免了對(duì)其他電路部分造成干擾。激光器的溫度由溫度傳感器反饋至誤差放大器進(jìn)行比較，然后送入PWM脈寬控制器產(chǎn)生不同相位、不同脈寬的控制信號(hào)給電流放大器。電流放大器采用2組，4只低壓場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)雙向電流輸出， 在激光器溫度低于設(shè)置時(shí)向半導(dǎo)體制冷器輸出正向電流，使制冷器發(fā)熱，給激光器加溫；相反，當(dāng)激光器溫度高于設(shè)置時(shí)向半導(dǎo)體制冷器輸出反向電流，使制冷器制冷，給激光器降溫。以此確保激光器在任何情況下都保持恒溫工作。以上各個(gè)部分都可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，相互協(xié)調(diào)。滿足不同帶寬、不同功率輸出、不同工作溫度的要求。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，不在脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.自由空間傳輸用大功率高速激光發(fā)射組件的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含以下7部分(1)前置放大器一其作用是將輸入到組件的高阻TTL數(shù)字電壓信號(hào)進(jìn)行放大，送入下一級(jí)功率放大器；(2)偏置恒流源一其作用是為激光器提供恒定偏置電流，使激光器始終工作在特性閾值點(diǎn)以上，確保線性度；(3)功率放大器一其作用是將經(jīng)過(guò)前置放大器放大后的高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻大電流， 以此電流驅(qū)半導(dǎo)體激光器工作；(4)激光器一其作用是將功率放大器輸出的電流轉(zhuǎn)變成激光束；(5)吸收網(wǎng)絡(luò)一其作用是吸收由于高頻大電流通過(guò)激光器時(shí)產(chǎn)生的嚴(yán)重電流過(guò)沖，以保護(hù)激光器不受過(guò)沖電流損壞，并保證輸出光信號(hào)質(zhì)量；(6)半導(dǎo)體致冷器一其作用是給激光器加溫或降溫，使激光器工作在恒溫狀態(tài)下，確保激光器的閾值電流與斜效率、中心波長(zhǎng)、光譜特性不隨溫度的變化而變化；(7)溫度控制器及半導(dǎo)體制冷器驅(qū)動(dòng)器一其作用是根據(jù)激光器溫度，提供相應(yīng)方向 (升溫或降溫)和大小的驅(qū)動(dòng)電流，驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷塊工作。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置中，前置放大器是采用輸入阻抗為IOMΩ，工作速率50MHz 的門電路作為一級(jí)緩沖器，將輸出的電壓信號(hào)放大到IOmA的電流信號(hào)送到IGHz的高頻三極管進(jìn)行進(jìn)一步放大。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置中，偏置恒流源采用線性方式，經(jīng)采樣器采樣后送入由運(yùn)放搭建的誤差放大器進(jìn)行比較，運(yùn)放輸出連接場(chǎng)效應(yīng)管的柵極，以控制場(chǎng)效應(yīng)管輸出的電流，達(dá)到恒流的目的。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置中，功率放大器主要由兩只結(jié)電容小于2000pF的場(chǎng)效應(yīng)管組成高速大電流開(kāi)關(guān)，受控于前置放大器的輸出。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置中，激光器采用JDSU生產(chǎn)的型號(hào)為M86-L4半導(dǎo)體激光ο
6.如權(quán)利要求1所述的裝置中，吸收網(wǎng)絡(luò)采用RC無(wú)源濾波網(wǎng)絡(luò)吸收由于場(chǎng)效應(yīng)管瞬間開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的尖峰電流，并連肖特基二極管抑制反向電動(dòng)勢(shì)。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置中，半導(dǎo)體致冷器采用了能量密度大的半導(dǎo)體熱電堆，最大工作電壓5V，最大工作電流6A。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置中，溫度控制器及半導(dǎo)體制冷器驅(qū)動(dòng)器采用了PWM脈寬控制的方式，開(kāi)關(guān)頻率選擇在750kHz，電流放大器采用2組，4只低壓場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)雙向電流輸出。
全文摘要
自由空間傳輸用大功率高速激光發(fā)射組件。本發(fā)明涉及大氣層內(nèi)及太空星間激光數(shù)字通信、數(shù)據(jù)傳輸中“電-光”轉(zhuǎn)換的方法及大功率高速激光發(fā)射裝置。目前自由空間激光傳輸、通信在國(guó)內(nèi)處于起步階段，現(xiàn)有技術(shù)普遍存在光功率小(＜50mW)傳輸距離短的缺陷，導(dǎo)致無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用。針對(duì)該技術(shù)中的核心部分電-光轉(zhuǎn)換，本發(fā)明提供了可編程模塊化的系統(tǒng)解決方案，由前置放大器、功率放大器、溫控部分、保護(hù)電路、大功率半導(dǎo)體激光器等部分協(xié)同工作?？商峁?～100Mbps帶寬下，2W的光功率，并穩(wěn)定工作，在國(guó)內(nèi)尚屬首創(chuàng)?？蓮V泛用于遠(yuǎn)距離大氣層內(nèi)及太空星間激光數(shù)字通信、數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域。
文檔編號(hào)H04B10/04GK102571192SQ20101058382
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月8日
發(fā)明者郭超 申請(qǐng)人:武漢市三聯(lián)永成科技有限公司