УСТРОЙСТВО СМЕЩЕНИЯ ТОКА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА И КОНТРОЛЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ДЛЯ АНАЛОГОВЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ СВЯЗИ
APPARATUS FOR OFFSETTING CURRENT OF SEMICONDUCTOR LASER AND MONITORING OPERATING CAPACITY OF ANALOGUE FIBRE-OPTIC COMMUNICATION LINES

Изобретение относится к радиотехнике и оптоэлектронике, а именно к волоконно-оптическим системам передачи аналоговых сигналов, и может быть использовано в устройствах передачи аналоговых сигналов по волоконно-оптическому кабелю для систем радиосвязи и кабельного телевидения (CATV).
Известен ряд схем температурной компенсации характеристик полупроводникового лазера, которые основаны на поддержании постоянного среднего тока через мониторный фотодиод (т.е. постоянной средней мощности лазерного излучения) ([1] - US Patent 6859473), ([2] - US Patent 5970078). Схема в ([3] - US Patent 6226114) управляет смещением лазера по заранее заложенной таблице без мониторного фотодиода. В работе ([4] - В.А.Малышев, Н.А.Михайлов. Учет особенностей генерационно-рекомбинационных процессов в анализе частотных характеристик модуляции инжекционных полупроводниковых лазеров накачкой [Текст] // Радиотехника, г.Москва, - 2010 г. №3, с.67-70) показано, что при попадании спонтанного излучения в рабочую моду резонатора одномодового лазера изменяется режим устойчивости свободной генерации, который можно поддерживать изменением тока смещения лазера. Известна также схема контроля и стабилизации тока и выходной мощности лазера ([5] - US Patent 7166826), в которой используется мониторный фотодиод для температурной компенсации и стабилизации мощности излучения полупроводникового лазера, а также цифровое устройство для хранения таблицы требуемой калибровки параметров смещения.
Эта схема стабилизации модуляционных характеристик лазерного диода, принятая за прототип, обладает следующими недостатками:
- схема не предназначена для модуляции аналоговыми сверхвысокочастотными (СВЧ) сигналами, и соответственно не предложен способ заполнения табличных значений в модуле программного контроля;
- отсутствует схема включения цепи для прямой модуляции лазера аналоговым высокочастотным сигналом.
Целью изобретения является устройство смещения тока лазера, обеспечивающее максимальный динамический диапазон и сохранение неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) волоконно-оптической линии передачи аналоговых высокочастотных сигналов в широком диапазоне рабочих температур.
Для достижения цели предлагается схема стабилизации мощности, включающая цепи контроля тока лазера, тока мониторного фотодиода, температуры окружающей среды, компаратор, поддерживающий задаваемые микроконтроллером значения уровня мощности.
Согласно изобретению схема содержит цепи смещения тока лазера для модуляции широкополосным аналоговым сигналом и контроля мощности модуляции, цепь установки требуемой мощности излучения лазера в зависимости от температуры среды со сглаживающим фильтром, причем смещение тока и мощность излучения лазера регулируется таким образом, чтобы сохранялся тип устойчивости свободной генерации, устанавливаемый по предварительно полученным табличным данным, полученным из экспериментальной проверки применяемого в схеме типа лазера.
Таблицу калибровочных данных получают при измерении амплдитудно-частотной характеристики цепи модуляции, содержащей лазер применяемого в устройстве типа и минимум искажающих элементов в сигнальном тракте, в зависимости от температуры окружающей среды и тока лазера. Значения мощности излучения лазера в зависимости от температуры для калибровочной таблицы фиксируют, когда наблюдается переход немонотонной амплитудно-частотной характеристики цепи модуляции с наличием максимума на характеристике, частота которого отлична от нуля, в монотонно убывающую характеристику.
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого устройства смещения тока лазера из научно-технической литературы неизвестны, поэтому оно соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
На фиг.1 изображена электрическая схема устройства смещения тока полупроводникового лазера и контроля работоспособности для аналоговых волоконно-оптических линий связи.
На фиг.2 изображена электрическая схема устройства приемной части для получения калибровочных коэффициентов.
Предлагаемая схема устройства смещения тока лазера, изображенная на фиг.1, содержит:
- лазерный диод 1.11, мониторный фотодиод 1.8;
- цепь смещения СВЧ сигналом в виде согласующего резистора 1.5, разделительного конденсатора 1.7 и фильтра нижних частот 1.15;
- цепь установки смещения лазера, состоящую из ограничительного резистора 1.12, управляющего транзистора 1.13, компаратора 1.10, управляемого цифровым способом резистора 1.9, задающего уровень излучаемой мощности ЦАП 1.2, подключаемого через сглаживающий скачки напряжения фильтр 1.4;
- цепь контроля СВЧ сигнала в виде ответвителя СВЧ мощности 1.1, детектора 1.6 и аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 1.19;
цепь контроля напряжения на мониторном фотодиоде в виде АЦП 1.20; цепь контроля тока лазера в виде резисторов 1.14, 1.16 и 1.18, операционного усилителя 1.17 и АЦП 1.21;
- микроконтроллер 1.3, термодатчик 1.22.
Схема устройства приемной части для получения калибровочных коэффициентов, изображенная на фиг.2, содержит фотодиод 2.1, резистор 2.2, разделительный конденсатор 2.3, резистор 2.4 и СВЧ усилитель 2.5.
Принцип стабилизации модуляционных характеристик лазера основан на компенсации изменения режима устойчивости генерации при попадании спонтанного излучения в рабочую моду. Изобретение эффективно только при использовании одномодовых лазеров. Стабилизация мощности основана на известном принципе поддержания тока лазера 1.11 таким, чтобы сохранялся ток в цепи мониторного фотодиода 1.8, который пропорционален излучаемой лазером мощности. Напряжение, падающее на резисторе 1.9 в цепи мониторного фотодиода 1.8, сравнивается компаратором 1.10 с устанавливаемым ЦАП 1.2 через сглаживающий фильтр 1.4 напряжением и через транзистор 1.13 регулируется ток смещения лазера. Требуемая мощность излучения устанавливается по алгоритму, закладываемому в микроконтроллер 1.3, зависящему от температуры окружающей среды, измеряемой термодатчиком 1.22. Контроль поступающей на лазер СВЧ мощности осуществляется путем ее ответвления и детектирования элементами 1.1, 1.6 и 1.19. Ток лазера контролируется измерением напряжения на мониторном резисторе 1.14 элементами 1.16, 1.17, 1.18 и 1.21. Ток в цепи мониторного фотодиода 1.8 контролируется измерением напряжения на резисторе 1.9, АЦП 1.20.
Для получения таблицы калибровочных данных для микроконтроллера собирают схемы, изображенные на фиг.1 и 2, и соединяют волоконно-оптическую линию между лазерным диодом 1.11 и фотодиодом 2.1. Наблюдая за амплитудно-частотной характеристикой цепи модуляции при комнатной температуре, постепенно повышают ток смещения лазера с нулевого значения до момента, когда наблюдается переход немонотонной амплитудно-частотной характеристики с максимумом на частоте модуляции, отличной от нуля, в монотонно убывающую характеристику. Фиксируют значения температуры, управляющего напряжения на компараторе 1.10 (тока мониторного фотодиода), тока лазера. Затем помещают передающую часть установки, изображенную на фиг.1, в камеру тепла и холода и повторяют измерения для повышенной и пониженной рабочих температур среды. Полученные значения управляющего напряжения на компараторе 1.10 в двух температурных точках линейно интерполируют по координате температуры в микроконтроллере 1.3 для обеспечения оптимальной рабочей точки по току смещения лазера.
Изобретение позволяет обеспечить максимальный динамический диапазон устройств передачи аналоговых сигналов при изменениях температуры среды за счет сохранения режима устойчивости свободной генерации путем регулирования тока смещения и мощности излучения лазера по сравнению с прототипом, в котором стабилизируется средняя мощность излучения лазера.
На дату подачи заявки разработано и изготовлено устройство смещения тока лазера и контроля его работоспособности для аналоговых волоконно-оптических линий связи с рабочим диапазоном частот до 2,5 ГГц и диапазоном рабочих температур от минус 40 до 70°C. Разработанное устройство может быть применено для обеспечения оптимального режима модуляции лазеров в трактах трансляции аналоговых сигналов.