工業(yè)與高速光通信系統(tǒng)中光度測量與激光器控制技術

魯維德 摘要：本文主要對工業(yè)、測試、分析、攝影中普通光檢測與高速光通信系統(tǒng)中光度測量(即光電二極管電流的測量)技術與激光器控制技術作分析介紹關鍵詞：光源 光纖 寬帶 偏置 對數(shù)放大器 激光器 前言 關于光度測量與激光器控制技術 用于工業(yè)、測試、分析、實驗室、攝影以及普通光檢測和高速光通信系統(tǒng)中的光度測量(即光電二極管電流的測量)與激光器控制技術是影響可靠性和精度(誤碼率)的關鍵技術。而對于工業(yè)、測試、分析、實驗室、攝影以及普通光檢測的光度測量與高速光通信系統(tǒng)中的光度測量具有許多相似的要求。能否獲得最佳的測量結果取決于光電二極管的使用方法以及伴隨所采用的放大器技術。 雖然許多光源產(chǎn)生的變化很緩慢，但卻常常具有高達8個數(shù)量級或160db的寬動態(tài)范圍。相比之下，光纖傳輸系統(tǒng)則具有高帶寬和很寬的光功率電平變化范圍。為了討論光電二極管電流的測量，為此先述實現(xiàn)光電二極管電路最佳配置的多種方法。1． 光電二極管電路的最佳配置 常見技術之一是采用跨阻抗放大器，在該放大器中，光電二極管的兩端被強行短路。這樣做可以保持很低的光電二極管暗電流以及相關的噪聲的溫度漂移，但是，光電二極管電容卻會因此而增加。于是，對于光功率電平會從非常微小變至非常大的緩慢系統(tǒng)，為此采用了零偏壓技術。而對于速度較快的系統(tǒng)，常常采用反向偏壓光電二極管電路。盡管這樣一來光電二極管電容有所減小，但暗電流、溫度漂移和噪聲卻增加了。為了最大限度地抑制誤差，偏壓必須非常規(guī)則，這就意味著能夠實現(xiàn)低噪聲和上佳的溫度穩(wěn)定性。有些速度非常快的系統(tǒng)采用了具有很大的有源聚光面積的雪崩光電二極管，在這樣的系統(tǒng)中，必須施加反向偏壓。 除了二極管偏壓之外，還采用了不同類型的跨阻抗電路。一種方法是采用在反饋環(huán)路中設置了電阻器的運算放大器，見圖1(a)所示。這產(chǎn)生了輸出電壓對輸入電流的線性、連續(xù)響應。然而，如果在信號采集過程中通過改變反饋電阻器阻值來調整增益，則將出現(xiàn)尖峰瞬變。 另一種方法是采用在運算放大器的反饋環(huán)路布設了二極管的對數(shù)放大器，見圖1(b)所示。這產(chǎn)生了輸出電壓對輸入電流的連續(xù)、非線性響應。它具有在向高電平信號提供低增益的同時對低電平信號施加高增益的獨特能力。它就像是沒有開關瞬變的平滑自動增益電路，任何時候都不會對信號產(chǎn)生干擾。 還有一種方法是采用在反饋環(huán)路中設有電容器的開關積分器，見圖1(c)所示。其優(yōu)點是可對噪聲進行積分，并能夠簡單地通過改變電容器的允許充電時間來輕松實現(xiàn)增益調節(jié)。輸出電壓取決于電容器的容許充電時間。事實上，增益調整可通過改變充電時間來輕松完成。 在模擬輸出電壓將在同一塊芯片上被直接轉換為高分辨率數(shù)字的直接數(shù)字轉換器(ddc)中，這種開關積分器配置被用作模擬前端。2、光電二極管電流的測量：光測量和激光器控制2.1光測量 線性跨阻抗放大器在具有高達5個數(shù)量級的動態(tài)輸入范圍的寬帶應用中尋覓到了用武之地。諸如opa353等寬帶放大器具有用于提供高跨阻抗增益所需的增益帶寬。然而，此類放大器缺乏在低輸入電流條件下獲得較寬動態(tài)輸入范圍的dc精度。為了改善dc參數(shù)，采用復合型配置的自動置零放大器，如opa335(見圖2所示)。寬帶放大器用于在信號通路中提供電流至電壓轉換，而自動置零放大器則對其失調進行補償。因此，這種復合型放大器能夠在5個數(shù)量級的動態(tài)輸入范圍內提供寬帶寬(在高跨阻抗增益條件下)。 復合型跨阻抗放大器的設計需要在穩(wěn)定性計算方面投入巨大的精力。為了縮短光電二極管前端的設計周期，ti公司開發(fā)了在120db跨阻抗增益條件下具有1mhz帶寬的新型寬帶跨阻抗放大器opa380，見圖3所示。其動態(tài)輸入范圍超過5個數(shù)量級，并允許對低至5na的電流進行測量。 對數(shù)放大器可提供最寬的動態(tài)輸入范圍(高達7-8個數(shù)量級)。然而，其3db帶寬卻會隨著輸入電流的減小呈現(xiàn)線性下降。線性跨阻抗放大器用于測量輸入電流的絕對值，并通過反饋電阻器將其轉換為輸出電壓(vout=iin*rf)，而對數(shù)放大器則以輸出電壓的形式來提供兩個輸入電流的對數(shù)比(vout=logi1/i2)。i1通常代表需要測量的電流，而i2則是參考電流(見圖4所示)。對兩個輸入電流進行對數(shù)比較所帶來的好處是可對物理傳輸系統(tǒng)(不管是光學系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)還是機械系統(tǒng))的輸入和輸出量進行測量。 光放大器的恒定增益控制和增益調節(jié)(由圖4所示說明) 傳輸光纖中的負載變化會在放大器輸出端上引發(fā)光功率瞬變，為了最大限度地減小這種瞬變，采用兩個用于測量光放大器和輸出功率的對數(shù)放大器實現(xiàn)了光增益控制。差分放大器diff對兩個數(shù)放大器的輸出信號進行減法運算，并向位于其后的pid控制器施加誤差電壓verror