幾乎每一個電氣設(shè)備都有一個過流保護開關(guān)，即保險絲。而在現(xiàn)代通信網(wǎng)中起著傳輸作用的光纖通信因為缺少這樣一個部件，導致系統(tǒng)無法避免過大輸人功率時造成的光設(shè)備或部件損害的情況。并且最近幾年，隨著光纖承載的功率顯著增加，光功率過載的問題在擁有大量信道、高激光器和放大器的 DWDM通信系統(tǒng)中日益嚴重。所以設(shè)計一種簡易的光保險絲具有非常實用的價值。
1.光保險絲現(xiàn)狀
在國內(nèi)，主要是通過軟件控制的反饋回路實現(xiàn)對大功率系統(tǒng)的保護。這種光“保險絲"采用尾光纖設(shè)計，可安裝在任何光纖系統(tǒng)，用于保護貴重的設(shè)備，并有效避免網(wǎng)絡(luò)本身受到高功率信號的破壞。
光保險絲
文中設(shè)計的光保險絲是利用SOA的如下特性實現(xiàn)對光通信線路的保護：①SOA在輸入功率小于預(yù)先設(shè)定的闕值時幾乎是透明的;②當SOA輸入功率大于閾值時就立刻切斷通信線路，且響應(yīng)速度快。
2.SOA的特性分析
2.1光信息檢測特性
與大多數(shù)半導體激光器一樣，當SOA吸收了來之泵浦源注入的電流I后，在激活介質(zhì)中，泵浦源為電子提供了能量，使大量的電子躍遷到較高的能級，產(chǎn)生了載流子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而導致載流子濃度發(fā)生變化。當有輸入的光信號進入SOA后，光子會通過受激輻射過程中觸發(fā)的這些已激活的電子，使其躍遷到較低的能級。在這個過程中，激活區(qū)的載流子濃度會發(fā)生變化，變化的大小依賴于輸入的光信號大小。因此，在SOA的工作狀態(tài)下，SOA源區(qū)中的載流子密度將隨輸入光信號的光密度變化而變化。當攜帶信息的光信號進入SOA，SOA就可以通過載流子的變化實現(xiàn)對入射光信號的信息檢測。其光信息檢測的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 SOA光信號檢測電路
由圖1可知，光信號為數(shù)字信號入射進入SOA時，輸出光信號的光密度會隨輸人光信號的變化而變化，而變化的光信號引起了SOA源區(qū)內(nèi)載流子數(shù)的變化，載流子的變化又會引起PN結(jié)電壓的變化，通過PN結(jié)外部的感應(yīng)器將所檢測的感應(yīng)電流通過放大器放大輸出就可以實現(xiàn)光信號的檢測。在這一檢測過程中， SOA同時對輸入的光信號有一定的放大作用。
2.2開關(guān)特性
由SOA的工作原理可知，當SOA中激活介質(zhì)吸收了注入的泵浦電流后，位于源區(qū)的載流子數(shù)從低能級躍遷到高能級，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。輸入的光信號會通過受激輻射激活這些電子，使其躍遷到較低的能級，從而產(chǎn)生一個故大的信號。如果無泵浦電流注入，通過的光信號因半導體中沒有達到載流子數(shù)反轉(zhuǎn)而被SOA源區(qū)材料本身所吸收，從而不能產(chǎn)生新的光信號。由SOA 的組成的開關(guān)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
圖2 SOA光開關(guān)電路
由圖2可知，當輸入光信號入射到SOA后，若控制信號為“1”時即泵浦電流注人到SOA 源區(qū)，輸入的光信號放大輸出;若控制信號為“O”時即泵浦電流沒有注人到SOA源區(qū)，輸入的光信號則不能被放大輸出，而被SOA源區(qū)材料本身所吸收。這樣就實現(xiàn)對光信號的開關(guān)特性功能。
3.系統(tǒng)設(shè)計
3.1基本組成與過載原因分析
目前采用比較多的系統(tǒng)形式是強度調(diào)制/直接檢波(IM/DD)的光纖數(shù)字通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由光發(fā)射機、光纖、光接收機以及長途干線上必須設(shè)置的光中繼器組成，如圖3所示。
圖3 SOA光纖數(shù)字通信示意圖
在點對點的光纖通信系統(tǒng)中，信號的傳輸過程如下：由發(fā)射機輸出的脈碼調(diào)制信號送入光發(fā)射機，光發(fā)射機的主要作用是將電信號轉(zhuǎn)換成光信號耦合進光纖。然后通過單模光纖制成的不同結(jié)構(gòu)形式的光纜傳輸?shù)焦饨邮諜C，光接收機的主要作用是將光纖傳送過來的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后經(jīng)過對電信號的處理以后，使其恢復(fù)為原來的脈碼調(diào)制信號送入電接收機。為保證通信質(zhì)量，在收發(fā)端機之間適當距離上必須設(shè)有光中繼器。
由此可知，接收機上接收到的光過載實際上是由兩方面因素造成的：①發(fā)送機發(fā)送信號過載;②傳輸線路中光中繼器、放大器造成的信號過載。光信號的過載對于光接收機有很大的不良影響，長時間接收過載信號會嚴重減少接收機的使用壽命;大強度的突變過載甚至會對接收機造成直接的損壞。因而，在接收機的接收端設(shè)置一種過載保護的光保險絲是必要的。
3.2光保險絲系統(tǒng)組成
基于SOA的光保險絲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。在圖4中，基于SOA的光保險絲系統(tǒng)共由六部分組成:控制光信號發(fā)射電路、波分復(fù)用器、中繼放大器、波分解復(fù)用器、光保險絲電路和光接收機。首先，由控制光信號發(fā)射電路產(chǎn)生光信號λ1，通過波分復(fù)用器與波長為λ2的帶數(shù)據(jù)的光調(diào)制信號進行波分復(fù)用,然后通過中繼放大進入光復(fù)用信道,在接收機前端經(jīng)過解復(fù)用的光信號再次分解為波長為λ1的數(shù)據(jù)光信號和波長為入。的控制光信號,最后這兩路信號經(jīng)過基于SOA 的光保險絲后進入光接收機。
圖4 光保險絲系統(tǒng)組成
3.3硬件設(shè)計
基于SOA光保險絲的硬件組成如圖5所示。硅光二極管的光電流與入射光的關(guān)系曲線，近似為線性。所以，控制光信號經(jīng)由光電轉(zhuǎn)換后所得到電流強度與入射光強度成正比。這樣就能利用轉(zhuǎn)換后的電流的大小衡量人射光的功率的大小，進而通過“光保險絲”控制光路。
圖5 光保險絲硬件組成
基于SOA光保險絲的工作原理如下：首先，把光控制信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號，然后通過電信號的數(shù)據(jù)采集電路和A/D轉(zhuǎn)換電路把轉(zhuǎn)換后的電信號傳送到單片機中，在單片機中設(shè)定一定的閾值電流，通過與采樣電流作比較，判斷是否要產(chǎn)生驅(qū)動SOA所需要的注人泵浦電流，以實現(xiàn)光路的切斷或是放大的輸出。
為了避免經(jīng)過SOA 放大后造成的光過載，我們需要做進一步的處理。根據(jù)SOA 的增益飽和特性知道：一方面，隨著注人電流的增加，放大器的增益將增加，輸出功率也相應(yīng)增加，但電流增加到某一值后，由于受載流子增益恢復(fù)時間的限制，增益受到抑制，進一步增加電流，增益不但不增加，反而下降，即出現(xiàn)了飽和。另一方面，當注入電流為一定值時，在未達到飽和前，輸出光功率隨著輸人光功率的增加相應(yīng)增加，光增益通常為常數(shù)。當輸入光功率增加到某一很高的值時，由于大量的載流子參與受激H射復(fù)合，得不到及時的補充就出現(xiàn)增益飽和甚至增益下降，表現(xiàn)為輸出光功率增大的趨勢，并且隨著輸入光功率的增加而減緩。因此，一方面，我們可以使泵浦驅(qū)動電流盡量小，使光功率的放大不至于造成過載;另一方面，使泵浦電流足夠大，讓放大器工作在飽和狀態(tài)，這樣光增益就為常數(shù)。然后，就可以在SOA后加入使光功率衰減的器件如光衰減器，使之恢復(fù)入射時的大小。
3.4軟件設(shè)計
單片機可以選取AT89C51，AT89C51是一種高性能 CMOS8位微處理器且?guī)в?字節(jié)可編程可擦除的只讀存儲器，其通常是一種靈活性高且價廉的方案。軟件流程圖的設(shè)計如6所示。首先將數(shù)據(jù)采集器中采集的數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后送入單片機一定的存儲單元中。然后讀取預(yù)先設(shè)定的存儲在寄存器中的閾值電流進行比較判斷，若是小于闕值電流則輸出 SOA所需的泵浦驅(qū)動電流，否則使輸出為0，即不產(chǎn)生驅(qū)動電流。
圖6 軟件設(shè)計流程圖
總結(jié)
以上就是基于SOA的光保險絲設(shè)計介紹了。將來光保險絲可能在光系統(tǒng)中變得十分普遍，就像現(xiàn)在的電子系統(tǒng)中的保險絲一樣。而且基于SOA放大器的監(jiān)測和開關(guān)特性配以單片機設(shè)計的光保險絲，由于現(xiàn)在大多數(shù)的單片機已經(jīng)集成了A/D模塊，而SOA 的體積也很小，所以可以把這種“光保險絲”做成很小的器件，方便在光通信線路中的安裝。
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