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二月 24 2021

基于SOA的光保险丝设计


目录

1.光保险丝现状

2.SOA的特性分析

2.1光信息检测特性

2.2开关特性

3.系统设计

3.1基本组成与过载原因分析

3.2光保险丝系统组成

3.3硬件设计

3.4软件设计

总结

  几乎每一个电气设备都有一个过流保护开关,即保险丝。而在现代通信网中起着传输作用的光纤通信因为缺少这样一个部件,导致系统无法避免过大输人功率时造成的光设备或部件损害的情况。并且最近几年,随着光纤承载的功率显著增加,光功率过载的问题在拥有大量信道、高激光器和放大器的 DWDM通信系统中日益严重。所以设计一种简易的光保险丝具有非常实用的价值。

  1.光保险丝现状

  在国内,主要是通过软件控制的反馈回路实现对大功率系统的保护。2003年,Molex和KiloLambda共同推出了用于保护光放大系统和光网络的新产品。这种光“保险丝"采用尾光纤设计,可安装在任何光纤系统,用于保护贵重的设备,并有效避免网络本身受到高功率信号的破坏。

光保险丝

光保险丝

  文中设计的光保险丝是利用SOA的如下特性实现对光通信线路的保护:①SOA在输入功率小于预先设定的阙值时几乎是透明的;②当SOA输入功率大于阈值时就立刻切断通信线路,且响应速度快。

  2.SOA的特性分析

  2.1光信息检测特性

  与大多数半导体激光器一样,当SOA吸收了来之泵浦源注入的电流I后,在激活介质中,泵浦源为电子提供了能量,使大量的电子跃迁到较高的能级,产生了载流子数反转,从而导致载流子浓度发生变化。当有输入的光信号进入SOA后,光子会通过受激辐射过程中触发的这些已激活的电子,使其跃迁到较低的能级。在这个过程中,激活区的载流子浓度会发生变化,变化的大小依赖于输入的光信号大小。因此,在SOA的工作状态下,SOA源区中的载流子密度将随输入光信号的光密度变化而变化。当携带信息的光信号进入SOA,SOA就可以通过载流子的变化实现对入射光信号的信息检测。其光信息检测的结构图如图1所示。

SOA光信号检测电路

  图1 SOA光信号检测电路

  由图1可知,光信号为数字信号入射进入SOA时,输出光信号的光密度会随输人光信号的变化而变化,而变化的光信号引起了SOA源区内载流子数的变化,载流子的变化又会引起PN结电压的变化,通过PN结外部的感应器将所检测的感应电流通过放大器放大输出就可以实现光信号的检测。在这一检测过程中, SOA同时对输入的光信号有一定的放大作用。

  2.2开关特性

  由SOA的工作原理可知,当SOA中激活介质吸收了注入的泵浦电流后,位于源区的载流子数从低能级跃迁到高能级,产生粒子数反转。输入的光信号会通过受激辐射激活这些电子,使其跃迁到较低的能级,从而产生一个故大的信号。如果无泵浦电流注入,通过的光信号因半导体中没有达到载流子数反转而被SOA源区材料本身所吸收,从而不能产生新的光信号。由SOA 的组成的开关结构图如图2所示。

SOA光开关电路

  图2 SOA光开关电路

  由图2可知,当输入光信号入射到SOA后,若控制信号为“1”时即泵浦电流注人到SOA 源区,输入的光信号放大输出;若控制信号为“O”时即泵浦电流没有注人到SOA源区,输入的光信号则不能被放大输出,而被SOA源区材料本身所吸收。这样就实现对光信号的开关特性功能。

  3.系统设计

  3.1基本组成与过载原因分析

  目前采用比较多的系统形式是强度调制/直接检波(IM/DD)的光纤数字通信系统。该系统主要由光发射机、光纤、光接收机以及长途干线上必须设置的光中继器组成,如图3所示。

SOA光纤数字通信示意图

  图3 SOA光纤数字通信示意图

  在点对点的光纤通信系统中,信号的传输过程如下:由发射机输出的脉码调制信号送入光发射机,光发射机的主要作用是将电信号转换成光信号耦合进光纤。然后通过单模光纤制成的不同结构形式的光缆传输到光接收机,光接收机的主要作用是将光纤传送过来的光信号转换成电信号,然后经过对电信号的处理以后,使其恢复为原来的脉码调制信号送入电接收机。为保证通信质量,在收发端机之间适当距离上必须设有光中继器。

  由此可知,接收机上接收到的光过载实际上是由两方面因素造成的:①发送机发送信号过载;②传输线路中光中继器、放大器造成的信号过载。光信号的过载对于光接收机有很大的不良影响,长时间接收过载信号会严重减少接收机的使用寿命;大强度的突变过载甚至会对接收机造成直接的损坏。因而,在接收机的接收端设置一种过载保护的光保险丝是必要的。

  3.2光保险丝系统组成

  基于SOA的光保险丝系统的结构组成如图4所示。在图4中,基于SOA的光保险丝系统共由六部分组成:控制光信号发射电路、波分复用器、中继放大器、波分解复用器、光保险丝电路和光接收机。首先,由控制光信号发射电路产生光信号λ1,通过波分复用器与波长为λ2的带数据的光调制信号进行波分复用,然后通过中继放大进入光复用信道,在接收机前端经过解复用的光信号再次分解为波长为λ1的数据光信号和波长为入。的控制光信号,最后这两路信号经过基于SOA 的光保险丝后进入光接收机。

光保险丝系统组成

  图4 光保险丝系统组成

  3.3硬件设计

  基于SOA光保险丝的硬件组成如图5所示。硅光二极管的光电流与入射光的关系曲线,近似为线性。所以,控制光信号经由光电转换后所得到电流强度与入射光强度成正比。这样就能利用转换后的电流的大小衡量人射光的功率的大小,进而通过“光保险丝”控制光路。

光保险丝硬件组成

  图5 光保险丝硬件组成

  基于SOA光保险丝的工作原理如下:首先,把光控制信号经过光电转换器转换为电信号,然后通过电信号的数据采集电路和A/D转换电路把转换后的电信号传送到单片机中,在单片机中设定一定的阈值电流,通过与采样电流作比较,判断是否要产生驱动SOA所需要的注人泵浦电流,以实现光路的切断或是放大的输出。

  为了避免经过SOA 放大后造成的光过载,我们需要做进一步的处理。根据SOA 的增益饱和特性知道:一方面,随着注人电流的增加,放大器的增益将增加,输出功率也相应增加,但电流增加到某一值后,由于受载流子增益恢复时间的限制,增益受到抑制,进一步增加电流,增益不但不增加,反而下降,即出现了饱和。另一方面,当注入电流为一定值时,在未达到饱和前,输出光功率随着输人光功率的增加相应增加,光增益通常为常数。当输入光功率增加到某一很高的值时,由于大量的载流子参与受激H射复合,得不到及时的补充就出现增益饱和甚至增益下降,表现为输出光功率增大的趋势,并且随着输入光功率的增加而减缓。因此,一方面,我们可以使泵浦驱动电流尽量小,使光功率的放大不至于造成过载;另一方面,使泵浦电流足够大,让放大器工作在饱和状态,这样光增益就为常数。然后,就可以在SOA后加入使光功率衰减的器件如光衰减器,使之恢复入射时的大小。

  3.4软件设计

  单片机可以选取AT89C51,AT89C51是一种高性能 CMOS8位微处理器且带有4字节可编程可擦除的只读存储器,其通常是一种灵活性高且价廉的方案。软件流程图的设计如6所示。首先将数据采集器中采集的数据经A/D转化器转化为数字信号后送入单片机一定的存储单元中。然后读取预先设定的存储在寄存器中的阈值电流进行比较判断,若是小于阙值电流则输出 SOA所需的泵浦驱动电流,否则使输出为0,即不产生驱动电流。

软件设计流程图

  图6 软件设计流程图

  总结

  以上就是基于SOA的光保险丝设计介绍了。将来光保险丝可能在光系统中变得十分普遍,就像现在的电子系统中的保险丝一样。而且基于SOA放大器的监测和开关特性配以单片机设计的光保险丝,由于现在大多数的单片机已经集成了A/D模块,而SOA 的体积也很小,所以可以把这种“光保险丝”做成很小的器件,方便在光通信线路中的安装。

订购与质量

图片 产品型号 品牌 描述 数量 价格
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AD6644ASTZ-65 AD6644ASTZ-65 Company:Analog Devices Remark:产品型号:AD6644ASTZ-65 描述:IC ADC 14BIT流水线52LQFP 分类:集成电路(IC),数据采集​​-模数转换器(ADC) 制造商:ADI公司 打包:托盘 零件状态:活性 In Stock:On Order
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CSD19531Q5A CSD19531Q5A Company:Texas Instruments Remark:产品型号:CSD19531Q5A 描述:场效应管N-CH 100V 100A 8SON 分类:分立半导体产品,晶体管-FET,MOSFET-单 制造商:德州仪器 系列:NexFET™ 打包:切割带(CT) 零件状态:活性 In Stock:On Order
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XC5VLX110-1FFG676C XC5VLX110-1FFG676C Company:Xilinx Remark:产品型号:XC5VLX110-1FFG676C 描述:IC FPGA 440 I / O 676FCBGA 分类:集成电路(IC),嵌入式-FPGA(现场可编程门阵列) 制造商:Xilinx公司 系列:Virtex®-5LX 打包:托盘 零件状态:活性 In Stock:On Order
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ADUM2401ARWZ ADUM2401ARWZ Company:Analog Devices Remark:产品型号:ADUM2401ARWZ 描述:DGTL ISO 5000VRMS 4通道GP 16SOIC 分类:隔离器,数字隔离器 制造商:ADI公司 系列:iCoupler® 打包:管 零件状态:活性 In Stock:On Order
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TPS62160DSGR TPS62160DSGR Company:Texas Instruments Remark:产品型号:TPS62160DSGR 描述:IC REG BUCK可调1A 8WSON 分类:集成电路(IC),PMIC-稳压器-DC DC开关稳压器 制造商:德州仪器 系列:DCS-Control™ 打包:切割带(CT) 零件状态:活性 In Stock:On Order
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