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EDFA原理性能、生产工艺及失效原因分析摘 要伴随通信技术发展，通信网络在工业数据传输中应用日益增多。现在在工业数据传输领域大多采取同轴电缆通信方法进行，即使经济实用，但在很大程度上限制了应用场所拓展。为了使远距离数据传输实现更灵活方便，本文选择EDFA技术进行远程数据传输。EDFA网络含有网络覆盖率高、速率快等优势，已广泛应用于电力、铁路、石油等行业，这必将成为工业控制及远程监测等领域发展趋势。基于掺铒技术EDFA系统关键由光模块和电模块组成，光模块完成关键放大等功效，电模块完成相关控制。模块各组成部分参数控制、工艺制程、失效模式是EDFA技术关键。电模块辅助使得EDFA通信系统更易监控，本身放大功效也更趋完善。经过研究EDFA关键技术，比较现在应用多种放大模式，并经过分析现在工艺及技术参数实际控制，研究EDFA实效模式，以提升生产控制力，促进EDFA模块长远可靠性提升。关键词：EDFA，数据传输，通信系统，失效分析 Principle of EDFA Performance, Production Process and Failure Cause AnalysisABSTRACTWith the development of communication technology, communication network in the application of industrial data transmission is increasing. At present，using coaxial cable communication way mostly in the field of industrial data transmission, although the economic and practical, but largely limits the applications. In order to make the distance of data transmission to realize more flexible and convenient, this article selects the EDFA technology for remote data transmission. EDFA has network coverage rate is high, the fast rate of has been widely used in electric power, railway, petroleum and other industries, this will become a development trend of industrial control and remote monitoring, etc.EDFA based on erbium-doped system is mainly composed of optical module and electrical modules, optical modules to complete the core function such as amplification, electrical control module to complete related. Light module parameter control of each component, technological process, failure mode is the key of EDFA technology. Auxiliary power module makes the EDFA communication system is easier to monitor and amplification function of itself also more hasten is perfect.EDFAs core technology through research, compare the application of various zoom mode, and through the analysis of the current process and technical parameters of the actual control, study effective patterns of EDFA, in order to improve the production control, make the long-term reliability of EDFA module promotion.KEY WORDS：EDFA, data communication, communicational system, failure analysis目 录摘要ABSTRACT 1 绪论11.1 课题背景和研究意义11.2 中国外发展情况12 光放大技术概述32.1 光放大技术发展概况32.2 光放大技术介绍32.3 光放大器产生42.4 基础光放大器组态42.5 基础光谱特征42.5.1 EDFA放大能级机理42.5.2 EDFA实际展宽谱52.5.3 EDFA掺杂物及原因分析52.6 本章小结53 EDFA结构模型63.1系统组成63.2 EDFA关键模块63.2.1 掺铒光纤（EDF）63.2.2 光耦合器（WDM）73.2.3 光隔离器（ISO）73.2.4 光滤波器（Optical Filter）83.2.5 泵浦源（Pumping Supply）83.3 EDFA数学模型83.4本章小结 94 EDFA监控系统设计104.1 PD光电探测器104.1.1 PD光电探测器实现功效104.1.2 PD光电探测电路设计104.1.3 原理分析124.2 泵浦驱动系统124.2.1 驱动电路功效124.2.2 泵浦驱动电路设计124.2.3 泵浦驱动原理分析144.3 温控系统154.3.1 温控电路功效154.3.2 温控电路设计154.3.3 温度控制原理分析164.4 本章小结165 EDFA工艺及相关参数控制 175.1 关键器件功效介绍175.2 工艺步骤175.2.1项目实施185.2.2制作步骤185.2.3关键测试架构205.3 增益和噪声系数控制215.3.1增益控制215.3.2噪声系数控制235.3 本章小结246 EDFA失效模式分析255.1 EDFA产品之TLB板卡分类简绍 256.2失效模式分析256.2.1 EDFA失效模式一 256.2.2 EDFA失效模式二 256.2.3 EDFA失效模式三 266.2.4 EDFA失效模式四 276.2.5 EDFA失效模式五 276.2.6 EDFA失效模式六 276.3 EDFA实效具体案例分析286.4 本章小结337 EDFA发展趋势及结论34致谢35参考文件361 绪论1.1 课题背景和研究意义二十一世纪是高速信息时代，伴随互联网快速发展，网络规模和应用范围快速扩大，通信技术不停进步，大家对网络带宽资源需求呈指数增加，有线传输一定会更多地采取光纤。在传统光纤通信系统中，光信号在光纤中传输时，不可避免存在着一定损耗和色散，损耗造成光信号能量降低，色散造成光脉冲展宽，所以，每隔一段距离就需要设置一个中继器，方便对信号进行放大和再生中继续传输。处理这一问题常规方法是采取光-电-光中继器，这种光-电-光变换和处理方法在一定程度上已满足不了现代传输要求。光放大器出现改变了这种情况，尤其是1989年诞生掺饵光纤放大器代表光放大器技术是光纤通信技术上一次革命。它能够使对光信号放大和再生中继不再经过光-电转换。尤其是掺饵光纤放大器使信号光在光纤中直接得到增强和放大，这使得通信成本降低，设备简化，运行维护方便。伴随掺饵光纤放大器实用化，愈来愈多用在数字光纤传输系统中，它给原来数字光纤传输系统带来了新发展。掺饵光纤放大器成熟使WDM技术快速进人实用阶段。EDFA有数十到上百纳米增益带宽，一个EDFA放大器就能够替换很多设备实现对WDM系统多信道光信号同时进行放大，使得成本大大下降。更关键是，波分复用技术和EDFA能够直接在原来已经大量铺设G.652光纤网上直接使用，实现了光纤通信容量平滑升级。 1.2 中国外发展情况自英国南安普顿大学物理学家S.B普尔发觉EDF可制作全光放大器，美国贝尔试验室证实全光放大器比电子放大器在性能上提升100倍，1994年在系统配置中实用化以来，其发展突飞猛进，现在技术开发和商品化最成熟，常见C波长EDFA工作在15301565nm光纤损耗最低窗口，含有超出40dB高增益，高输出，对偏振不敏感，无串扰，低噪声，可同时放大多路波长信号，每路波长输出功率24.5dBm等一系列特征，在一对EDFA之间，光信号传输距离已超出100km。其不足是平均增益特征带宽只有35nm，仅覆盖石英单模光纤低损耗窗口一部分，制约了光纤固有能够容纳波长信道数。所以，研制转向L波长EDFA，增加现有EDFA放大带宽是其研发关键方向。L波长EDFA可有效增加信号放大带宽,传输大约在15701605nm，这个波长覆盖了EDF增益曲线末端,尽管和C波长EDFA所覆盖增益波峰有差异，但仍可和很多性能优异C波长产品媲美,比如，有较小辐射和吸收和较低平均反转效率,增益波动系数远小于C。二者基础结构相同，大多数C波长EDFA设计和制造技术仍可用于L波长研制,估量其发展将很快，所存在EDF较长带来无源衰减较大,放大杂散辐射功率急剧累积等不足，经过提升其内部器件性能,正在改善之中。有些色散位移光纤DSF网络制造商已先于C而开发L波长产品，L波长可能成为DSF关键工作窗口。康宁企业L波长EDFA增益波动为1.4%，每25dB增益波动0.35dB,比经典C波长4 6%小，噪声系数比C大1dB,泵浦转换效率PCE低2dB。据报道，L波长EDFA在若干密集波分复用DWDM系统中开始使用，批量生产后,二者价格将相差不大。多数情况下，L波长放大器可经过波长分割和复用技术，一个模块一个模块地加到现有C波长EDFA上,二者相结合开发双向光纤放大器拓朴结构，网络供给商能将DWDM传输窗口波宽提升约1倍,即从35nm增加到64nm以上，每一波长提供40 80信道，速率为2.5Gb/s或10Gb/s，潜在总容量可达1000Gb/s。这种设计许可用户依据需要逐步升级扩容，尽可能避免铺设新光缆而增加投入。现在，一个大功率EDFA通常全部有三个或更多泵浦级，到时，估量这个数目还要翻一番。因为超出8个泵浦级时EDFA会变得十分复杂，期待高能功率芯片在提升光放大功率方面起到更关键作用。采取多纤芯开发多芯EDFA，各个纤芯内光信号均以小信号进行放大，从而在较宽波长范围内取得靠近平坦增益。开发掺铒氟化物光纤放大器EDFFA，放大带宽75nm，增益18dB，在较宽频带内取得平坦增益。在EDF中掺铝，改变铒放大能级分布，扩展可放大频带。利用光纤光栅，介质多层薄膜滤波器，平面光波导作为光纤放大器内部增益均衡器，对放大光谱增益偏差进行赔偿，保持平坦增益谱特征，期待低成本EDFA在网络中发挥更关键作用。2 光放大技术概述2.1 光放大技术发展概况a) 光放大器设想随光纤通信出现而出现；b) 80年代关键以非线性光学放大器研究为主；c) 进入90年代以掺铒光纤放大器为主光放大器进入大发展时期；d) 1994年被OFC会议代表称为“EDFA年”；电信企业信号总端中山市用户端提供信号信号放大和分配信号接收用户端板卡产品珠海市用户端江门市用户端图2-1 EDFA应用图2.2 光放大技术介绍因为器件快速发展和系统革命性改变结果，最近光放大器在通信领域占据中心地位。这些器件能够使大家构想出和试验证实激感人心，新通信系统。实际上，通信中很多相关最新进展（如孤子系统及广域和广播多通道系统）可追溯到和光放大器结合。光放大器可被想象成是一个含有反馈机制激光器（增益介质），其被激发载流子放大入射信号而不产生自己相干信号。和电放大器一样，光放大器能够用来赔偿因为分配、传输或插入部件损耗所造成信号衰减。放大器皆能提供信号增益G，不过它们也全部在系统中引入加性噪声（方差=2）。多种放大器需要一定形式外功率源以提供放大所需能量。电放大器需要一个电压源，而光放大器需要电流源（或光源）。对光放大器来说，电流源用来将载流子泵浦到高能级，然后处于高能级载流子发生衰变并射出一个含有输入信号波长光子。放大器皆有一个品质因数，就是后面提到低噪声系数NF。另外，对于一个给定系统，放大器设计，输入参数和其在信道中位置全部必需最好化。2.3 光放大器产生1980年之前在系统界是不知道光放大器。最近对光放大器进行广泛研究原始动机是想用它替换长距离越洋通信系统中再生中继器，它们在整个跨度内每隔50km放一个。再生中继器是用来纠正光纤衰减和色散影响。它先对光信号进行检测，然后利用它自己内部激光器再将检测到信号作为一个信息号发射出去。再生中继器价格昂贵，比特率和调制方法也是要求好了，消耗功率和从光子转化为电子并在转化为光子花费时间。反之，光放大器可想象成提供增益透明盒，且对经过信号比特率，调制方法，功率和波长不敏感。在放大过程中信号仍保持光形式。光放器可能比再生中继器价格更低廉和更可靠。2.4 基础光放大器组态第一个组态是将光放大器直接放在激光器发射机后面做功率放大器或后置放大器用。这么能够提升信号功率使得即使经过衰减，信号仍大于接收机热噪声。另外，当经过一个有损耗系统时，功率放大器引入噪声将和信号一起被衰减。因为输入到功率放大器上信号通常是大（0.1-1.0mW），对功率放大器来说，关键参数将是最大饱和输出功率，而未必是绝对增益。假如放大器供给功率无须原来激光器发射机功率大，这种组态无任何优点。第二种组态是将放大器在线式插在传输线路一个或多个位置。在线式放大器是用来周期性地纠正光信号衰减，这种损耗或来自光纤吸收损耗或是网络分配引发分光损耗。在线放大器以级联方法存在，一个给定放大器输出信号和噪声经过放大器之间线路衰减后又输给后面放大器。此时需要考虑滤波和隔离等问题。第三种放置放大器方法是将放大器直接放在接收机前面，目前置放大器使用。此时信号传输已经在传输线路上经受严重衰减。因为放大器输出被直接检测，所以关键品质因数是高增益和底放大器噪声。2.5 基础光谱特征2.5.1 EDFA放大能级机理为了制造放大器增益介质，在标准单模光纤硅线芯中掺杂铒离子。因为铒离子有不一样能级，离子将吸收多个不一样光。通常说来，吸收对应于：一个光子被吸收并产生一个跳跃到更高能级上载流子（离子），其能级差，E=hv，大致和光子能量相匹配。不一样波长既可引发基态吸收（GSA），也可引发激发态吸收(ESA)。GSA对应于一个光子将一个载流子从基态激发到更高激发态，而ESA对应于一个光子从非基态激发到更高激发态。因为基态粒子数最多，所以发生GSA机率远大于ESA。一经光子被吸收和载流子被激发到更高能级，后者就又快速地衰减到第一激发态。一旦载流子处于第一激发态，它有很长寿命（10ms左右）。所以我们认为第一激发态是亚稳态。依靠于外部光激励，载流子又将以激励或自发辐射方法衰变到基态并发射一个光子。铒发射意外地处于标准硅光纤最小损耗去周围。对于多种可能波长吸收并非一样强，光子被吸收趋势是严格地由铒离子和光子相互作用截面积决定。吸收系数最强波长是0.98um，第二最强波长是1.48um，弱一点吸收是0.53um和0.8um。幸运是利用QW半导体材料，可制成发射波长在0.98和1.48高功率多模激光二级管，可实现输出功率100mW，而且已商用化。激光二极管是一个诱人泵浦原，因为其结构紧凑，可靠，和价格可能会廉价。2.5.2 EDFA实际展宽谱吸收和发射谱皆含有和相关联带宽。这些带宽和可能被吸收或从一个给定能级发射波长展宽相关，这就使得多模，多波长二级管激发器发光被吸收。这种展宽起因于能级斯托克斯分裂，它许可偏离某一特定波长。这正是我们极想要，因为泵浦激光器波长不可能正确控制，而且对多模激光器来说不可能有正确波长值；信号可能是多个波长一个值，WDM系统尤其如此；宽带宽使得放大器工作起来有很大灵活性。2.5.3 EDFA掺杂物及原因分析共掺杂有其它材料铒光纤关键性有两点：第一，铒离子比硅原子大得多，所以不太溶于硅中，所以难以达成高掺杂浓度使得能在长度上取得高增益值。所以需要用其它更易溶于硅中而尺寸和铒离子相同物质，帮助在光纤芯区掺杂进更多铒。利用掺杂剂能够达成1000ppm（每百万）。第二个理由是和系统性能相关。因为我们期望放大器有尽可能多用途以适应多种多样应用需要，增益带宽应该尽可能宽和均匀。在这方面半导体放大器十分好。因为带宽很大，覆盖200nm左右。业已发觉铝作为共掺物所得性能最好，即使峰值在1.53um周围，而带宽仍保持30nm左右。2.10 本章小结本章关键从EDFA产生、发展、机理、组态等方面分析研究EDFA技术。3 EDFA结构模型3.1 系统组成EDFA 基础结构图3-1所表示：输入PIN泵浦源输出PINEDFA输出光接口输入光接口光学模块温度传感器背板插头A / DD / A泵浦源温控C P URS232接口BCT电源5V电路模块9针D型插座48V告警显示电源开关图3-1 EDFA基础结构3.2 EDFA关键模块3.2.1 掺铒光纤（EDF）图3-2 EDF结构图a)掺铒光纤电子组态：EDF是放大器主体，纤芯中掺有铒元素（Er），Er属稀土锎系元素，Er逸出两个6S和一个4f电子而显示为+3价。其电子组态和惰性气体Xe相同：1S22S22P63S23P63d104S24P64d105S25P6。b)掺铒光纤和一般光纤匹配：掺铒光纤纤芯直径能够比较小，或是标准8um单模光纤尺寸。假如纤径小，于是在常规光纤和掺铒光纤之间就存在失匹配，引发信号和泵浦光损耗。必需仔细地将两根光纤接在一起。减小损耗方法是将两根光纤线芯面对面平贴在一起，再对它们加热使纤芯膨胀，然后它们熔接在一起。c)掺铒光纤内部设计关键点：掺有Er3+石英光纤含有激光增益特征，铒光纤光谱性质关键由铒离子和光纤基质决定，铒离子起主导作用，掺Er3+浓度及在纤芯中分布等对EDFA 特征有很大影响。基质影响有二：其一是造成斯塔克分裂使能级出现亚结构；其二是能级展宽，展宽机理有基质电场扰动展宽和声子展宽，基质扰动展宽属于非均匀加宽，声子展宽属于均匀加宽。为使每个铒离子受到泵浦速率最大，同时所需泵浦功率最小，泵浦功率及铒离子必需尽可能限制在最小模截面内，铒光纤应含有高数值孔径NA，小芯径且只有纤芯掺杂，通常将光纤设计为双层结构。另外阶跃折射率光纤有较大相对折射率差，便于缩小泵浦光模场直径，提升泵浦光功率密度，降低泵浦阈值，达成高泵浦效率。为确保泵浦光和信号光单模传输，光纤截止波长应合适。在EDF 中掺入适量铝元素，使铒离子在EDF 中分布更均匀，从而取得平坦宽带增益谱。3.2.2 光耦合器（WDM）带光耦合器有合波信号光和泵浦光作用，也称光合波器和波分复用器。是EDFA必不可少组成部分，它将绝大多数信号光和泵浦光合路于EDF中。也就是0.98um或1.48um泵浦光和1.55um信号光必需一起摄入掺铒光纤中，一对介质进行泵浦和使信号得到增益。带尾纤光栅基三端口WDMs器件能够实现这一耦合功效，能得到40dB反射损耗。甚至当组合波长像1.48um和1.53um这么靠近时仍然如此，当然，信号传输方向是固定。可是沿着光纤传输而被增益介质吸收泵浦光既能够和信号同向，也能够和光信号反向传输。为此，在掺铒光纤输入和输出处肯定需要WDM。WDM关键有两种形式：980nm/1550nm 或1480nm/1550nm，通常为光纤熔锥型。要求在上述波长周围插入损耗全部小，耦合效率高，耦合频带含有一定宽度且耦合效率平坦，对偏振不敏感。3.2.3 光隔离器（ISO）光隔离器是一个单向光传输器件，对EDFA工作稳定性至关关键。通常光反射会干扰器件正常输出，产生诸如强度涨落、频率漂移和噪声增加等不利影响。我要预防反射光返回放大器中，一致引发EDFANF增加，假如增益很高，甚至能够引发EDFA光激射。当反射出现时噪声系数可能会增大，这是因为反载流子使不需要反射场放大而没有放大所需要信号。提升EDFA稳定性最有效方法是进行光隔离。在输入端加光隔离器消除因放大自发辐射反向传输可能引发干扰，输出端保护器件免受来自下段可能逆向反射。同时输入和输出端插入光隔离器也为了预防连接点上反射引发激光振荡，抑制光路中反射光返回光源侧，从而既保护了光源又使系统工作稳定。要求隔离度在40dB 以上，插入损耗低，和偏振无关。3.2.4 光滤波器（Optical Filter）光滤波器消除被放大自发辐射光以降低放大器噪声，提升系统信噪比（SNR）。为了预防系统性能退化，光滤波器是必需。放大器发出宽带ASE辐射将产生自发辐射-自发辐射拍频噪声。必需用某种方法对它们加以限制，以使得接收机中有合适SNR。在任一EDFA输出处可放置一个1-2nm或更窄些带通滤波器。其次，对于插入级联放大器和很多信道横跨整个增益带宽内WDM系统，波长滤波器仅能够放在接收机前，它将使噪声减到最小并对多信道解复用。通常多采取多层介质膜型带通滤波器，要求通带窄，在1nm以下。现在应用光滤波器带宽为13nm。另外，滤波器中心波长应和信号光波长一致，而且插入损耗要小。3.2.5 泵浦源 （Pumping Supply）泵浦源为信号放大提供能量，即实现粒子数反转分布。依据掺铒光纤(EDF)吸收光谱特征，能够采取不一样波长激光器作为泵源，如：Ar2+激光器（514nm）、倍频YAG（532 nm）、染料激光器（665nm）及半导体激光器（807nm、980nm、1480nm）。但因为在807nm及小于807nm波优点存在强烈激发态吸收（ESA），泵浦效率较低。若用665nm、514nm染料和Ar+激光器泵浦得到25dB以上增益，需要入纤泵浦功率大于100mw，且Ar+激光器体积大难以实用化。现在980nm和1480nmLD已商品化，所以通常采取980nm和1480nm半导体激光器作泵源。泵浦内部结构图3-3： 图3-3 泵浦内部结构图3.4 EDFA数学模型高能态亚稳态泵浦光子信号光子信号光子受激辐射光子Er3+图3-3 EDFA基础原理图我们采取速率方程来描述上下能级间粒子受激吸收、受激辐射及自发辐射，并采取光传输方程来描述EDF 中光强分布。考虑带宽为 K ，中心波长为 K = c / KN束光在EDF中传输，其中包含泵浦光及信号光( K = 0)。设第K 束光光强为I K (r，z)，则第K 束光沿传输方向(光纤轴向)Z 光功率为: （3-1）二能级系统速率方程为： （3-2） （3-3）分别为铒离子掺杂浓度、下能级和上能级粒子数密度；aK 和eK 分别为铒离子受激吸收和受激发射截面；为铒离子荧光寿命；iK 为第K束光归一化光强度。3.5 本章小结本章关键从系统组成、数学模型等方面，分析了EDFA系统。4 EDFA监控系统设计EDFA监控系统是经过提取输入EDFA光功率和输出EDFA光功率，然后计算光功率增益等参数，进而计算这些参数和预设参数值偏差，然后依据偏差调整泵浦激光器泵浦功率大小，最终实现EDFA增益等参数监控。系统关键有PD光电探测器、A/D转换器、泵浦驱动电路、泵浦制冷电路及微处理器组成，即图4-1所表示控制电路（control circuit ）。图4-1 电路控制和整个模块关系图4.1 PD光电探测器4.1.1 PD光电探测器实现功效PD光探测器实现输入输出光功率光电转换，由此将光信号转化为模拟电信号，再分别经过A/D转换器转换为数字电信号传输给微处理器进行处理，微处理器依据电信号处理结果发出对驱动电路、制冷电路等控制信号。4.1.2 PD光电探测电路设计PD监控电路（PD Monitor Circuit）：图4-1 跨阻放大电路图4-2 对数放大电路(AD8305)4.1.3 系统原理分析PIN光电二极管是利用PN结区电场搜集光生载流子光电探测器，基础工作原理是：假如半导体PN收到光照，且能大于或等于半导体材料带隙能量时，光子会释放它能量，并把电子由价带激发到导带而产生光生载流子，及电子和空穴。在P区和N区分别出现附加电子和空穴，并分别积累正负电荷。在没有反向偏压和负载电阻时，P区和N区两端出现一个电动势，称之为光电压。当施加反向偏压和加上负载电阻时，光生载流子自由参与导电，使半导体材料内阻降低，所以流过器件电流增加，在外电路中产生光电流。利用光电导效应工作光电二极管叫光电导探测器。光电探测器作为完成光/电转换探测器件，其响应度、对应波长、响应时间和响应带宽等参数是影响其转换效率关键特征。4.2 泵浦驱动系统4.2.1 驱动电路功效EDFA中使用泵浦源关键是980nm泵浦激光器，980nm和1480nm相比，在转换效率和噪声方面更具优势。早期EDFA中使用泵浦源全部是1480泵浦激光器，直到1992年发明了特殊镜面镀膜技术，部分处理了高功率下镜面灾变问题后，980nm泵浦激光器才开始用在EDFA中。因为其工作特征受温度影响很大而且极易损坏，所以设计和使用时必需注意预防浪涌危害。浪涌是一个瞬间产生强力脉冲，因为电路本省非线性有可能高于电源本身脉冲，使半导体激光器短时间内承受电压而使PN节击穿。其产生关键原因有以下多个方面：a) 电源开关干扰；b) 上电或断电过程引发浪涌；c) 激光器管脚接触不良或控制过快；d) 和半导体激光器并联电容放电产生过电流；e) 多种噪声造成浪涌；4.2.2 泵浦驱动电路设计在掺铒光纤放大器中，对泵浦激光器控制是很关键，泵浦功率对EDFA性能影响是很大，基于EDFA自动增益控制下，对泵浦激光器驱动电流设计尤为关键。图3.2为泵浦激光器驱动原理图，经过PD探测器探测到尾光功率经过放大后送入到单片机，单片机作为控制关键，对驱动电路进行控制，进而确保泵浦激光器输出功率稳定，实现自动功率控制。为了保护泵浦激光器，要对其驱动电流进行限流，这就需要保护电路。a）滤波和缓开启(关断)电路设计图4-3 滤波和缓开启电路图图4-3为其电路设计原理图。图中，C1-C8是滤波电容，L1，C2，C3，C4组成型滤波器，R1，T(复合管)，C5，C6，C7，C8组成含有电了滤波性能缓开启电路。当电了开关使继电器J短路时，电流经过R1向C5和C6充电，直到电容上压降大于Vbc。后才能使T逐步导通，A点电压跟随C6上电压改变，最终达成稳定值。当J断开后，C5上电压因为放电而降低，A点电压也缓缓降低至0，此时称为缓关断。b）半导体激光器稳流电路设计图4-4 稳流电路图图4-3为连续可调稳流电路原理图，图中，R1，C1、稳压管2CW及可调电阻R2组成带有一定延时功效基准电压，在电路开启时，电位器中心点电位是缓慢上升，当2CW开启后，其基准电压才为一定值，这一方法深入抑制了浪涌电流.而运算放大器IC、T组成了一个射极跟随器，Vc2=VR4。所以经过半导体激光器电流恒定Vc2/Ra。恒定电流值改变可经过改变可调电位器阻值来实现。加入C2则是为了预防可变电阻滑动端在滑动过程中接触不良，从而引发浪涌造成损害。c）LD及其保护装置电路保护电路原理图如4-5所表示，图中LD即为我们所用泵浦二极管。C是滤波电容，2DW为锗型稳压管，正向电压低，响应快，稳压电压选为LD许可最大电压之下，此为2.4V。Jc为继电器常闭触点，电源不工作时将LD短路，以预防静电破坏，图4-5 LD及其保护装置图同时在电源开机(关机)瞬问也预防了对LD浪涌冲击。d）LD电源开、关瞬态保护装置控制电路图4-6，继电器JC为常闭触点，A端即为缓开启电路中输出端R:触点处提供基准电压。开机和刚开启时，A端电压高于基准电压，运放输出为低电位，图4-6 LD保护装置控制电路图T不导通，JC闭合，将LD短路。从而保护了因开机或开启时过渡过程而引入尖峰干扰。缓开启电路开启以后，A端负电压值逐步上升。当A端电压低于基准电压以后，运放输出为高电平，T导通，从而使得JC断开，对LD短路保护取消，LD开始工作.当因保护或关机时，A端负电压逐步减小，高于基准电压，运放输出又为低电位，T关闭，JC关闭，短路保护重新开启。4.2.3 泵浦驱动原理分析选择泵浦激光器时，要考虑其特征参数。a）输出光功率，半导体激光器输出功率随驱动电流呈线性增加，但不能超出其额定值。通常输出功率全部依据实际光路要求来确定，并不是越大越好。b）峰值波长，输出功率最大处对应波长称为峰值波长。通常EDFA泵浦激光器峰值波长为980nm或1480nm。c）阈值电流，半导体激光器驱动电流大于某一个值时，谐振腔才会产生振荡，输出激光，这个电流叫做阈值电流，阈值电流越小越好，这么才能确保放大器有更稳定输出。d）光功率稳定度，激光器输出功率会伴随时间改变而改变，经过一段时间后激光器输出值改变值成为光功率稳定度，改变量越低表明输出功率越稳定。4.3 温控系统4.3.1 温控电路功效半导体激光器在正常工作情况下，其工作电流使半导体激光器发烧，温度升高。所以，为了确保它恒温工作，制冷器需要一制冷电流来降温。4.3.2 温控电路设计图4-7 温度控制原理空图因为泵浦激光器输出功率和波长全部和温度相关，所以控制温度改变，将直接影响到我们所制作EDFA性能好坏。图4-7为温控电路整体框图。当温度传感器将温度改变转换成电压改变输出后和基准电压进行比较，得出误差信号输入到PID（百分比积分微分）调整器，在经过PID调整器校正放大后，控制电流调整电路，送到半导体制冷器，控制半导体制冷器以降低泵浦激光器温度。然后把温度改变情况反馈到热敏电阻，形成一个反馈控制环，这么便可动态地控制激光器温度，使其温度稳定在设定值上。半导体激光器在正常工作情况下，其工作电流使半导体激光器发烧，温度升高。所以，为了确保它恒温工作，制冷器需要一制冷电流来降温，这一电流即为直流工作点。为了取得这一工作点，就需要在 PID 正端设置一可调电压，使得温控电路输出提供给半导体制冷器电流产生制冷效应恰好能够使半导体激光器工作在所予置温度。当半导体激光器在稳定工作情况下，因为多种原因引发温度改变转换成电压信号传送到 PID 负输入端，使得正负输入端电位差发生改变，其输出对应产生改变，经过控制电流调整电路，向半导体制冷器输出改变后控制电流，进行