幾乎每一個電氣設備都有一個過流保護開關，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，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"采用尾光纖設計，可安裝在任何光纖系統(tǒng)，用于保護貴重的設備，并有效避免網(wǎng)絡本身受到高功率信號的破壞。
光保險絲
文中設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在輸入功率小于預先設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，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。其光信息檢測的結構圖如圖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)內載流子數(shù)的變化，載流子的變化又會引起PN結電壓的變化，通過PN結外部的感應器將所檢測的感應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開關特性
由SOA的工作原理可知，當SOA中激活介質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。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 的組成的開關結構圖如圖2所示。
圖2 SOA光開關電路
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)對光信號的開關特性功能。
3.系統(tǒng)設計
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換成光信號耦合進光纖。然后通過單模光纖制成的不同結構形式的光纜傳輸?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換成電信號，然后經(jīng)過對電信號的處理以后，使其恢復為原來的脈碼調制信號送入電接收機。為保證通信質量，在收發(fā)端機之間適當距離上必須設有光中繼器。
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)的結構組成如圖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、波分復用器、中繼放大器、波分解復用器、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，通過波分復用器與波長為λ2的帶數(shù)據(jù)的光調制信號進行波分復用,然后通過中繼放大進入光復用信道,在接收機前端經(jīng)過解復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系曲線，近似為線性。所以，控制光信號經(jīng)由光電轉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)過光電轉換器轉換為電信號，然后通過電信號的數(shù)據(jù)采集電路和A/D轉換電路把轉換后的電信號傳送到單片機中，在單片機中設定一定的閾值電流，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，輸出功率也相應增加，但電流增加到某一值后，由于受載流子增益恢復時間的限制，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，使之恢復入射時的大小。
3.4軟件設計
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轉化器轉化為數(shù)字信號后送入單片機一定的存儲單元中。然后讀取預先設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所需的泵浦驅動電流，否則使輸出為0，即不產(chǎn)生驅動電流。
圖6 軟件設計流程圖
總結
以上就是基于SOA的光保險絲設計介紹了。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)測和開關特性配以單片機設計的光保險絲，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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