基于FPGA的TDM抽运光纤喇曼放大器电路设计及实验研究

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:firexuan1983
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光纤放大器作为现代通信网络中的重要组成部分,一直是人们研究的焦点。光纤喇曼放大器(FRA)因为具有任意工作波长、增益波段灵活以及可实现分布式放大等特点,成为现代光纤通信系统中关键技术之一,在密集波分复用(DWDM)通信系统中得到广泛应用。但是光纤喇曼放大器也存在自身的缺点:例如增益不平坦和较高的干扰噪声。目前为了解决增益不平坦的问题,主流的方法是利用空间波分复用(WDM)的方式。主要是通过同时抽运多个波长的光可以获得相对平坦的增益,但由于多个光波之间发生非线性效应容易造成信噪比变低,导致系统性能的下降。本文首先介绍了FRA和时分复用(TDM)的基本原理,然后将TDM技术与FRA结合,在实现增益平坦的同时,避免了不同光波之间的非线性效应,提高系统性能。根据理论分析,构造了TDM抽运FRA的实验结构模型,并对其各部分功能进行概述。然后针对TDM抽运FRA系统中驱动电路系统进行详细设计与实验。根据半导体激光器的特性设计其驱动电路。本论文的主要工作和创新点如下:(1)设计实现了300ms延时的延时电路,避免浪涌电流对激光器造成的冲击损害,在此基础上进行了改进,加入了共模滤波网络来滤除毛刺,使输入电压更加稳定。同时设计了保护电路,对激光器进行过流保护。(2)通过数模混合的方式设计实现了一种高稳定的恒流源。相比于纯模拟电路的恒流源,加入了FPGA(Field Programmable Gate Array)的数字PID(Proportion Integral Differential)算法控制部分后,数字电路的抗干扰能力强,可以克服了模拟电路中受到外界因素导致的随机噪声而引起电流波动的缺点。而纯FPGA的数字电路控制,又会导致控制算法过于复杂,很容易引起超调量过大。与模拟电路结合后,模拟电路将处理后的信号反馈给FPGA,可以降低控制算法的复杂度,并且达到更高的稳定度。(3)针对MOSFET设计加入了半桥驱动电路,基于自举原理解决了其在电路中无法正常导通的问题。设计了一个电源模块,将市电220V的交流电最终转换为的纹波较小电压稳定的5V直流电,来为本文中的电路提供5V的稳定电源,以及3.3V的基准电压。(4)基于MAX1978芯片设计实现了一种高精度的激光器温度控制电路。通过激光器的热敏电阻进行温度采集,基于激光器内部集成的TEC可以制冷和加热的原理,利用MAX1978的外围模拟PID补偿网络来实现温度补偿,达到一个高精度的温度控制。针对以上的电路设计,本文搭建了实际电路进行实验测试,并对实验结果进行了误差分析。结果如下:恒流源实现了0.3%的高稳定输出,温控电路精度达到0.01℃。对电路各模块分别进行了功能测试,包括延时电路、保护电路、半桥驱动电路以及电源模块,都能达到设计要求,总体上实现了高精度的半导体激光器的驱动和温控系统。为搭建TDM抽运FRA系统实验后续工作打下基础。
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