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1310nm波长激光发射机的应用
1310nm波长激光发射机的应用
2005/10/13/14:17 1310nm波长的激光，一般都采用直接强度调制技术，其核心部件是DFB激光器组件；此外还有电源、激光器偏置电路、激光器慢起动电路、失真补偿及驱动电路、功率控制及致冷控制电路、过载保护及过驱动保护电路、光检测电路等。在直接调制光发射机中，射频信号经过RF放大，电控衰减和预失真补偿后，直接驱动激光器，使得光输出强度随着射频信号强度的变化而变化。为了激光器的稳定工作，ATC是必须的，一般把激光器管芯的温度控制在25℃；激光器的发光功率和非线性失真依赖于偏置电流，因此偏流控制与预失真补偿是光发射机中的关键部件；光发射机的载噪比和非线性失真指标取决于光调制度，因此光调制度的自动控制也是优良的光发射机所必须的。在直接强度调制过程中，随着射频信号强度的变化，光频率（或波长）也变化，是附加的频率调制，这是不需要的调频效应，这些附加频率的光在光纤中传输时会引起色散，是光传输系统非线性失真的原因之一，因此直接调制光发射机的二次失真产物——特别是组合二阶失真（CSO）较多，C/CSO较低，大约60dB左右；此外直接调制光发射机输出的光功率也比较小，大多在20mW以下；以上是直接强度调制技术的不足之处，但是由于这种光发射机结构简单、制造成本较低，在短距离光传输系统中得到了广泛的应用，在现今的有线网络中，1310nm光发射机系统占有超过50%的市场份额。
一、1310光发射机的结构
各个生产厂家生产的直接调制光发射机所采用的电路结构、控制技术、元器件并不一致，而是各放异彩，市场上流行的光发射机虽然品种各异，但是从其本的原理技术归类，可分为两档，即：经济型、专业型（这种分类可能不算恰当，但也有一定的道理）。
1． 经济型光发射机的结构经济型光发射机占有近50%的市场份额，曾一度领导市场，这种光发射机一个最鲜明的特征就是在保证整机基本指标的前提下，采用低档的元器件，简单的控制技术，成本相对较低，价格也便宜。其常见结构如下： ⑴ RF驱动电路。本部分电路包括电平检测、增益控制、功率放大、预失真电路。功率放大一般采用单模块功率倍增放大，因增益较低，一般都要求高电平输入；也有些产品采用双模块放大，前面一级为推挽放大，末级为功率倍增模块，放大增益较高，因而需要较低的电平输入。电平检测一般都采用-20dB检测口，因检测口的取值位置不同，标称值会有差异，应仔细阅读随机附件产品说明书。增益控制部分一般都采用简单的可调衰减器，通过检测口的读数指示，调整可调衰减器即可实现RF驱动的增益控制；实际有些产品的RF检测口平坦度及衰减值并不理想，这时参照检测口就失去了基准，最好是外加可调衰减器，光发射机需要多少电平输入就调节到多少，然后直接输入光发射机即可。预失真电路是光发射机中的关键电路，早期的光发射机在采购光发射机激光器模块时一并采购与本激光器模块对应的预失真电路（一般一种功率输出的激光器对应一种与之相适应的预失真电路板），后来的产品都采用一种电路，自己调整，其补偿效果并不理想，尤其是一些生产检测条件相对落后的小企业，该电路并不能实现很好的补偿。
⑵ 激光器组件。激光器组件是光发射机的心脏，其材料成本占光发射机的总材料成本的60%—90%（采用低价的激光器，其成本比重就低，采用优质、高价的激光器，材料成本要占到90%左右），本种机型的光发射机一般都采用经济型组件，市场上的激光器模块有数种品牌，即使是同一品牌，也有几种价位差别较大的组件供厂家选用，尤其是近几年，激光器组件已经实现了国产化，价格相对较低，更促进了经济型光发射机的市场发展，该种机型占有较大的市场份额，尤其是一些小网络，只看重价格， 不计较质量（其实有些用户是无法辨别质量好坏的，为了防止高价买低质的产品，就一味的压价，也促进了低质光发射机的泛滥），一味追求低价，与目前市场形势相适应，市场上就有许多绝对低价的光发射机供用户选择，到底质量怎么样是不言而喻的。实际上要想降低光发射机的成本，只有两个入口点，一是功率放大模块，采用低指标的放大模块，甚至是国产模块、二手模块，在一定程度上会降低光发射机的成本；二是激光器组件，除了选用经济型低价组件外，有些厂家也会采有二手组件，甚至是小马拉大车——调高激光器的功率输出，以此来达到降低成本的目的。正因为光发射机的成本构成较复杂，用户又不能正确识别产品的质量，因此为了网络的健康发展，用户在选用光发射机时一定认准品牌，选用重信誉、服务好的厂家的产品。
⑶ 辅助控制电路。ATC、APC控制电路是除预失真补偿电路以外的另一重要电路，它是光发射机正常工作的基础。不同厂家的产品，ATC、APC的技术含量是不一样的。如果说原材料成本，这两部分的材料成本是相当低的，但却有相当的技术含量，要评价该功能电路的好坏，只能用控制精度来表征；另外，电路的工作稳定性也是一个重要的指标。该机型ATC控制电路一般都采用单向控制，即只用致冷器的致冷散热，开机时温度的上升靠激光器工作产生的热量来维持，实质上，无论是经济型机型，还是专业型机型都应采用双向温控为最好，但经济机型基本上都采用单向温控。APC控制电路维持激光器组件的光功率恒定，应该说低档机型和高档机型，该部分电路几乎差别不大。但是不同厂家的产品就有较大的差异。与ATC一样该部分电路也从控制精度和工作稳定性来衡量它的好坏。除了ATC、APC电路以外，一系列针对激光器的保护电路应全都具备，但有相当一部分经济机型并不具备这个功能。
⑷ 人机接口。微处理器可以说是人机接口的重要器件，由微处理器其附属功能电路构成的自动监控电路，能实现精确的监控光输出功率及激光器的各项工作状态，并通过前面板的LCD或VFD显示器，精确显示设备的各项工作状态参数；另外，一般光发射机都具有RS232网管接口，有些还具有R3—485接口，能方便的实现网络监控。为了在整体外观上给人一种耳目一新的感觉，人机接口界面都是豪华型设计。
2、专业型光发射机的结构。
专业型机种一般都选用进口优质、高性能激光器组件作为光源，射频驱动采用高线性、低失真的放大模块实现功率放大。同时采用先进的预失真电路，RF自动功率控制电路，并内置完善的微电脑自动监控系统，功率、温度控制系统，确保整机的优异性能指标，其常见结构如下：
⑴ RF驱动电路。本种机型的RF驱动电路与经济型机型基本一致，只不过为了提高整机的性能，采用了一些新的技术，选用最优质的器件，为了使驱动激光器的RF电平达到一种较稳定的状态，该种机型采用自动增益控制技术，和普通放大器的AGC控制不同的是电控衰减器的控制电压由微处理器控制，具有相当高的精确度。为了保证整机的载噪比与非线性失真指标，该机采用优质的低噪声、高线性放大模块放大，一般采用前馈放大模块或采用最新砷化镓工艺的功率放大模块。为了消除激光器固有的非线性失真，预失真电路均经过最严格的调试，确保CSO、CTB指标最优化，同时为了实现对激光器的保护，该部分电路设计有过载保护及过驱动保护电路，一旦RF输入电平异常升高，自动增益控制已不能完全控制的情况下，为防止激光器采损，微处理器会自动启动过载保护及过驱动保护电路，并声、光报警。
⑵ 激光器组件及工作控制。该种机型在激光器的选用上可以说是不惜重金，采用的都是市场流行的高档次的激光器，同时为了保证整机的指标及稳定性，对激光器的工作状态的设置都是按最优化的设计完成，绝不会出现经济机型中的问题。ATC控制电路一般都采用双向精确温控电路，在开机瞬间即可以快速制热，使激光器快速达到设定工作温度，从而对激光器做到有效保护；通常ATC电路提供的温度控制点在25℃±0.1℃，激光器工作过程中如果偏离该基准温度±1℃，微处理器即自动切断激光器的驱动及偏置电流，并报警。高档机前面板的温度显示都是恒定的。如果该项参数数值变化范围较大说明该机的ATC控制电路的控制精度确实有问题。APC控制电路实现对激光器的自动功率控制，前面板显示的输出光功率值一般都是APC控制电路的结果值。该值在整机工作稳定后，一般恒定不变，如果偏离基准值过多，微处理器也会自动断开激光器的偏置并报警，以保护激光器不受损害。总的说来，高档机的ATC与APC控制往往采用复杂的、先进的控制技术，其控制精度及工作稳定性相当高。因该机型采用昂贵的激光器，为了保护激光器及有效延长激光器的寿命，一般都采用较完善的激光器保护电路，即使ATC、APC电路失控，也不会损坏激光器。
⑶ 人机接口。与经济机型相比，该机型的人机接口做到了极致；除了精确的显示激光器的各种工作状态参数，精确监控激光器的工作外，每种故障微处理器都给出故障原因并声光报警。该机型不仅具有丰富的控制接口，而且一般都随机附送管理软件，只需把管理控制软件装入与光发射机通信接口相连的控制计算机，即可实现对光发射机的近端及远程监控。
二、光发射机工作状态的控制及显示
光发射机内部的微处理器系统是光发射机的重要组成部分，其功能不仅在于全面的显示光发射机的各项工作状态参数，而且还在一定程度上实现对光发射机的良好控制。对于微处理器对光发射机的控制前面已经讲过，此外仅讲微处理器的显示控制功能。任何一台光发射机都有工作状态显示，以方便使用者随时监视光发射机的运行状态参数，常见的工作状态参数显示有以下几种。
1．光功率指示。该项参数指示光发射机的输出光功率。市场上的光发射机的光功率显示有两种形式：一种是即时显示，即动态的显示光发射机的实际光功率输出，例如一台10mW的光发射机其显示值不可能始终显示10mW，在正常条件下会有偏差，通常在±0.5mW内变化属正常显示，采用即时功率显示的光发射机要求其APC电路具有较灵敏的控制精度以及控制稳定性，否则会跑偏；由于是即时，跑偏会直接在前面板上显示，势必会给用户造成不良的心理影响。另一种显示方式是静态显示，即光发射机的光功率显示是一个定值，如10mW的光发射机就显示10mW，该数值不会变化，该显示值的采样点不是APC电路，而是直接用一个电位器调节提供。实际上这种显示可以说是假显示，也是一种遮丑的手段，在用户看来光功率始终不变，肯定质量好，实质不然；采用这种显示的光发射机往往是技术含量低，光功率输出控制不稳定而不得已采用的方法，为避免出现光发射机无输出，光功率还显示正常的情况，该种光发射机一般在检测到光功率输出不能正常工作，即切断总电源，前面板的显示也就没有了。综合以上两种显示，应该说即时显示是一种正常的必须的显示，采用即时显示的光发射机往往质量好，稳定可靠，非有实力的厂家不敢做成这种显示，虽然几乎所有厂商都称是即时显示，但并不尽然。
2．激光器工作温度显示。工作温度显示的采样值取自ATC电路，它反映的是激光器管芯的实际工作温度，该项参数的正常值应该在25℃左右，当然也会有一个变动范围，不过这个变化范围越小越好，变化范围小说明ATC控制精度高，本人也曾见有些厂家的光发射机显示23℃、22℃，不知什么原因；从光发射机激光器的工作特性来看，应是25℃为最佳温度环境。
3．激光器的偏置电流。该项参数反映了激光器的实际直流偏置电流的大小，其采样值取自APC电路，激光器的输出功率高，直流偏置电流就大，因此该项参数并无定值。在产品调试时，因光功率计及连接尾纤的精度问题，同一光功率输出的激光器（不同生产厂家）其直流偏置电流并不一致；该项参数也是即时显示，但如果是小马拉大车的情况，直流偏置电流势必很大，超过正常值，这一显示就不可能再是即时显示了。
4．致冷器的工作电流。该项参数反映了激光器组件中半导体致冷器的实际工作电流的大小，其采样值取自ATC电路。激光器的工作时产生的热量多，致冷器势必会加大致冷量，其直流工作电流值也就变大。应该说致冷器的工作电流和外界温度有关系，如果外界环境温度高，光发射机在正常工作时产生的热量就较多，从而加重了致冷器的负担，因此光发射机最好工作于恒温的工作环境，在炎热的夏季最好有空调。
5．激光器的RF驱动电平（也有的光发射机显示调制度）。该项参数反映了激光器的RF调制电平的高低。其采样值取自RF驱动电路。因采样位置的不同，该数值会有显著的不同，如果取样采集于激光器的RF输入端，则该值就是激光器的实际驱动电平值，如果取自RF驱动电路的输入端（即开始位置），则该值就不能说是激光器RF驱动电平的检测值；具体数值的应用与参考，请查阅随机附件说明书。
6．光发射机的工作电压。该项参数反映了光发射机的实际工作电压的值，其采样值取自整机电源的输出端。对于电源的监控一般有三个参数，即+24V、+5V、-5V，一旦微处理器检测到电压异常，就停止激光器的工作并报警。
除以上几项外，还有光发射机的产品序列号，该光发射机的厂家型号等参数。
三、光发射机的调试
光发射机是高档专业设备，其安装调试必须由专业技术人员进行操作，并在操作前仔细阅读随机附件说明书，以免因误操作而损坏设备或对操作人员造成意外伤害，其具体调试步骤如下。
⑴ 将发射机装入前端机柜并固定，把机壳可靠接地，在设备加电工作前，应先确认机壳和电源插座已可靠接地（接地电阻应小于4Ω），以免静电损坏激光器件，并防止机壳带电而对人体造成伤害。为了确保设备能长期稳定工作，在电网电压不稳定或电压波形较差的地区，建议用户配备专用的交流稳压电源；在环境温度变化太大或机房环境较差（设备的理想工作环境是25℃）的地区，用户有必要为设备配备专用的空调设备，以改善设备的工作环境。
⑵打开机器电源，调节前面板上的状态按钮，查看设备的工作参数，确认设备已进入正常工作状态。
⑶用标准光纤测试跳线把光功率计连接到光发射机的光信号输出端，测量设备的输出光功率，并确认其输出光功率和前面板显示的数值相同，且已达到标准值；在测量光功率时应确认光功率计置于1310nm波长的测量档，确认光纤测试跳线为匹配的标准测试跳线，各活动接头的表面无污染。（在光发射机工作时，位于后面板的光纤适配器内有不可见的激光束输出，应避免光信号对准人体，更不能用肉眼直视光输出口，以免对人体、人眼造成永久性伤害）。
⑷用场强仪或频谱分析仪测量输入射频信号的电平，确认输入射频信号符合光发射机的输入要求（各厂家产品要求不同，请参阅说明书），把射频信号连接到光发射机的射频输入端。
⑸根据设备的实际情况，设置好AGC和MGC的控制状态。
⑹再次测量光输出功率，确认光输出功率正常后，撤去标准光纤测试跳线和光功率计，将设备接入网络，至此，设备安装完毕。在安装光纤活动接头时，用力应适当，否则可能会导致适配器陶瓷管碎裂，陶瓷管一旦碎裂，输出光功率会大大下降，而且光纤连接头稍微转动一下，输出光功率会有较明显的变化。
四、光发射机的维护
有很多时候，我们会把光功率的下降和光接收机输出电平的降低误判为光设备故障，实际是光纤活动连接头被尘土或污垢污染所致，只需对光纤活动连接头进行适当的清洗维护，即可排除故障。下面简单介绍一下光纤活动连接头的清洗维护操作方法。
1、 关闭光发射机电源，从适配器上小心地旋下光纤活动连接头，严禁带光的光纤活动连接头对准人体或人眼，以免对人体造成伤害。 2、 用质地良好的擦镜纸或医用脱脂棉蘸无水酒精小心进行清洗；如用脱脂棉蘸无水酒精清洗，清洗完毕后，还需等待1~2分钟，让活动连接头表面晾干。 3、 将清洗完的光纤活动连接头接入光功率计，测量输出光功率，以确认光纤活动连接头已被清洗干净。 4、 洗干净的光纤活动连接头接回适配器时，应注意用力适当，以免用力过猛使适配器内的陶瓷管破裂。 5、 光纤活动连接头清洗后，输出光功率还不正常，此时应卸下适配器，旋下机内的另一个连接头对其进行清洗；如清洗完后，光功率仍偏低，此时可能适配器内部已被污染，应对适配器进行清洗。（注意：拆卸适配器时应小心操作，以免损伤机内光纤。） 6、 适配器清洗时可用专用的压缩空气或脱脂酒精棉条进行清洗。用压缩空气清洗时，用压缩空气罐的喷嘴对准适配器的陶瓷管，把压缩空气吹入陶瓷管进行清洗；用脱脂酒精棉条清洗时，把酒精棉条小心穿入陶瓷管内进行清洗。注意酒精棉条的穿入方向应始终一致，否则可能无法到达理想的清洗效果。
在使用光发射机的过程中，一旦光发射机出现异常，应认真分析原因，不要轻易认定是光发射机损坏所致；针对光发射机工作过程中可能出现的问题，本文加以总结如下：
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