無線激光通信光發(fā)射模塊的研究

摘要：為了提高現(xiàn)代武器系統(tǒng)在惡劣電磁環(huán)境中的通信和信息交換能力，充分利用激光的天然保密性，減少對無線電頻率資源的占用，對無線激光通信系統(tǒng)中的光發(fā)射模塊進(jìn)行了設(shè)計。在信標(biāo)光發(fā)射模塊的設(shè)計中采用驅(qū)動電路與溫度控制電路分離的設(shè)計方案；在信號光發(fā)射模塊中采用摻銀鉺光纖放大器(EDFA)作為功率放大器的設(shè)計方案，并采用DS90LV001芯片完成PECL信號與LVDS信號轉(zhuǎn)換。試驗(yàn)結(jié)果表明，信標(biāo)先的最高輸出功率為1．53 W，最高頻率大于10 kHz；信號光的輸出功率大于19．8 dBm，誤碼率低于10-7，消光比為10．2 dBm，完全滿足設(shè)計需求。
關(guān)鍵詞：激光通信；信標(biāo)光模塊；信號光模塊；光纖放大器；信號電平

無線激光通信是一種新崛起通信方式。它利用了激光的天然保密性、不占用有限的無線電頻率資源等優(yōu)點(diǎn)，在軍事通信上極大地提高了武器系統(tǒng)在惡劣電磁環(huán)境中的通信和信息交換能力。因此，無線激光通信在現(xiàn)代軍事通信應(yīng)用上起著舉足輕重的作用。本文主要描述了無線激光通信系統(tǒng)中的發(fā)射模塊的研究和設(shè)計。

1 激光發(fā)射模塊概述
一般無線激光通信發(fā)射機(jī)主要包括信標(biāo)激光發(fā)射模塊和通信光發(fā)射模塊兩部分，其中信標(biāo)激光器和通信激光器是發(fā)射模塊的關(guān)鍵器件。兩類發(fā)射模塊及其通信鏈路示意圖如圖1所示。

通信激光發(fā)射模塊工作原理：將編碼后電信號作為調(diào)制信號，經(jīng)過半導(dǎo)體激光驅(qū)動器，改變半導(dǎo)體激光器的輸入電流，從而使半導(dǎo)體激光器輸出激光的功率隨調(diào)制信號而改變，即產(chǎn)生調(diào)制的光信號。調(diào)制光信號經(jīng)光纖準(zhǔn)直器耦合進(jìn)入光學(xué)發(fā)射天線，光學(xué)發(fā)射天線壓縮光束發(fā)散角，使其達(dá)到系統(tǒng)要求的指標(biāo)，然后將光束發(fā)射出去。

2 信標(biāo)光發(fā)射模塊的設(shè)計
信標(biāo)激光發(fā)射模塊為激光通信鏈路的建立提供用來對準(zhǔn)的信標(biāo)光，為了方便激光發(fā)射和接收部分的對準(zhǔn)，要求信標(biāo)光的光束具有較大的柬散角和較高的輸出功率。
信標(biāo)光發(fā)射模塊原理為：首先，驅(qū)動部分是由基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，然后將激光器(LD)輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓進(jìn)行取樣，經(jīng)過反饋環(huán)路與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，利用反饋量來控制驅(qū)動電流大小，使供給激光器電流恒定，從而實(shí)現(xiàn)恒流控制；將檢測二極管(PD)電流大小反饋給驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)功率自動控制；其次，溫度控制部分是由內(nèi)部熱敏電阻通過電橋電路放大供給后續(xù)的TEC電路，利用TEC處理芯片實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測和控制。此外由脈沖信號源生成一定周期的時鐘頻率信號，作為發(fā)射模塊控制頻率，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)脈沖輸出。
2．1 激光器驅(qū)動電路設(shè)計
激光器驅(qū)動電路如圖2所示，電路設(shè)計中，主要采用運(yùn)算放大器和自動增益控制電路。在該圖中電路主要分成兩個部分，圖中的上半部分電路主要為脈沖驅(qū)動，下半部分電路主要為自動增益控制電壓電路。

在上半部分電路中，P1為SMA接頭，采用50 Ω阻抗匹配將脈沖控制信號接入作為調(diào)制激光器驅(qū)動的調(diào)制信號，通過后續(xù)比較器和驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制。VD7為穩(wěn)壓二極管提供穩(wěn)定電壓，通過調(diào)整滑動變阻器來實(shí)現(xiàn)比較器負(fù)輸入端參考電壓的設(shè)定。U8為MAX953集成芯片，內(nèi)部集成了比較器和放大器。在該部分設(shè)計中，通過比較器實(shí)現(xiàn)脈沖控制電壓和參考電壓的比較，將比較信號送入后續(xù)由MAX953芯片內(nèi)的放大器構(gòu)成的電壓跟隨器正向輸入端。在電壓跟隨器的正向輸入端外接參考電壓的上拉電阻相接，比較器輸出開關(guān)信號來控制電壓跟隨器正向輸入端的電壓大小實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能，以便完成后續(xù)供給場效應(yīng)管VQ10的開啟和導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)脈沖開光信號的整體控制。通過反饋電壓控制電壓跟隨器的上拉電壓達(dá)到電流恒定驅(qū)動的目的。