工业与高速光通信系统中光度测量与激光器控制技术

鲁维德 摘要：本文主要对工业、测试、分析、摄影中普通光检测与高速光通信系统中光度测量(即光电二极管电流的测量)技术与激光器控制技术作分析介绍关键词：光源 光纤 宽带 偏置 对数放大器 激光器 前言 关于光度测量与激光器控制技术 用于工业、测试、分析、实验室、摄影以及普通光检测和高速光通信系统中的光度测量(即光电二极管电流的测量)与激光器控制技术是影响可靠性和精度(误码率)的关键技术。而对于工业、测试、分析、实验室、摄影以及普通光检测的光度测量与高速光通信系统中的光度测量具有许多相似的要求。能否获得最佳的测量结果取决于光电二极管的使用方法以及伴随所采用的放大器技术。 虽然许多光源产生的变化很缓慢，但却常常具有高达8个数量级或160db的宽动态范围。相比之下，光纤传输系统则具有高带宽和很宽的光功率电平变化范围。为了讨论光电二极管电流的测量，为此先述实现光电二极管电路最佳配置的多种方法。1． 光电二极管电路的最佳配置 常见技术之一是采用跨阻抗放大器，在该放大器中，光电二极管的两端被强行短路。这样做可以保持很低的光电二极管暗电流以及相关的噪声的温度漂移，但是，光电二极管电容却会因此而增加。于是，对于光功率电平会从非常微小变至非常大的缓慢系统，为此采用了零偏压技术。而对于速度较快的系统，常常采用反向偏压光电二极管电路。尽管这样一来光电二极管电容有所减小，但暗电流、温度漂移和噪声却增加了。为了最大限度地抑制误差，偏压必须非常规则，这就意味着能够实现低噪声和上佳的温度稳定性。有些速度非常快的系统采用了具有很大的有源聚光面积的雪崩光电二极管，在这样的系统中，必须施加反向偏压。 除了二极管偏压之外，还采用了不同类型的跨阻抗电路。一种方法是采用在反馈环路中设置了电阻器的运算放大器，见图1(a)所示。这产生了输出电压对输入电流的线性、连续响应。然而，如果在信号采集过程中通过改变反馈电阻器阻值来调整增益，则将出现尖峰瞬变。 另一种方法是采用在运算放大器的反馈环路布设了二极管的对数放大器，见图1(b)所示。这产生了输出电压对输入电流的连续、非线性响应。它具有在向高电平信号提供低增益的同时对低电平信号施加高增益的独特能力。它就像是没有开关瞬变的平滑自动增益电路，任何时候都不会对信号产生干扰。 还有一种方法是采用在反馈环路中设有电容器的开关积分器，见图1(c)所示。其优点是可对噪声进行积分，并能够简单地通过改变电容器的允许充电时间来轻松实现增益调节。输出电压取决于电容器的容许充电时间。事实上，增益调整可通过改变充电时间来轻松完成。 在模拟输出电压将在同一块芯片上被直接转换为高分辨率数字的直接数字转换器(ddc)中，这种开关积分器配置被用作模拟前端。2、光电二极管电流的测量：光测量和激光器控制2.1光测量 线性跨阻抗放大器在具有高达5个数量级的动态输入范围的宽带应用中寻觅到了用武之地。诸如opa353等宽带放大器具有用于提供高跨阻抗增益所需的增益带宽。然而，此类放大器缺乏在低输入电流条件下获得较宽动态输入范围的dc精度。为了改善dc参数，采用复合型配置的自动置零放大器，如opa335(见图2所示)。宽带放大器用于在信号通路中提供电流至电压转换，而自动置零放大器则对其失调进行补偿。因此，这种复合型放大器能够在5个数量级的动态输入范围内提供宽带宽(在高跨阻抗增益条件下)。 复合型跨阻抗放大器的设计需要在稳定性计算方面投入巨大的精力。为了缩短光电二极管前端的设计周期，ti公司开发了在120db跨阻抗增益条件下具有1mhz带宽的新型宽带跨阻抗放大器opa380，见图3所示。其动态输入范围超过5个数量级，并允许对低至5na的电流进行测量。 对数放大器可提供最宽的动态输入范围(高达7-8个数量级)。然而，其3db带宽却会随着输入电流的减小呈现线性下降。线性跨阻抗放大器用于测量输入电流的绝对值，并通过反馈电阻器将其转换为输出电压(vout=iin*rf)，而对数放大器则以输出电压的形式来提供两个输入电流的对数比(vout=logi1/i2)。i1通常代表需要测量的电流，而i2则是参考电流(见图4所示)。对两个输入电流进行对数比较所带来的好处是可对物理传输系统(不管是光学系统、电气系统还是机械系统)的输入和输出量进行测量。 光放大器的恒定增益控制和增益调节(由图4所示说明) 传输光纤中的负载变化会在放大器输出端上引发光功率瞬变，为了最大限度地减小这种瞬变，采用两个用于测量光放大器和输出功率的对数放大器实现了光增益控制。差分放大器diff对两个数放大器的输出信号进行减法运算，并向位于其后的pid控制器施加误差电压verror