一种基于反馈控制的大电流高速恒流激光输出装置

摘要

本发明涉及一种基于反馈控制的大电流高速恒流激光输出装置，包含LVDS信源、MOS驱动模块、差分开关调制模块、大功率激光管、偏置电流设置模块、调制功率监控模块、偏置电流取样模块、调制电源开关、MCU单元及AGC控制模块；其中，LVDS信源分别与MOS驱动模块、AGC控制模块相连接；差分开关调制模块的输入信号来源于MOS驱动模块并输出到大功率激光管，并受控于MCU单元；大功率激光管的输出电流包含偏置电流及调制电流，供电电源来自于调制电源开关，偏置电流在MCU单元的控制可以进行设置。在MCU单元的控制下，自动控制器偏流和调制电流，并反馈控制LVDS信源的幅度，实现大电流的恒流和高速调制的激光功率的输出，实现低成本的效果。

说明书

技术领域

本发明涉及无线空间激光通信领域，尤其涉及一种基于反馈控制的大电流高速恒流激光输出装置。

背景技术

在空间激光通信领域，激光的功率与通信距离密切相关，激光发射的功率越大，传输的距离越远。在考虑到大气信道的影响，激光的通信波长主要集中在850nm，940nm，1550nm的通信波段的，1550nm波段可以经过掺铒光纤、通过原子能级跃迁实现光放大，从而得到较大的功率。但在850nm、940nm的波段，为了得到较大的激光输出功率，一般是增大通过激光二极管的电流来实现功率的增大，然而电流增大，高速交流恒流输出的难度会加大。现有的850nm、940nm激光器，输出功率达到瓦数量级的，其调制的速率只能达到几百KHZ，实现远距离的低成本的高速空间激光通信变的非常困难。对于远距离无线高速空间光通信，又很难利用现有的小电流交流恒流光纤激光通信调制系统进行扩容与改造；迫切需要一种大电流的交流恒流激光输出装置，低成本的解决无线激光通信增大通信距离导致调制速率下降的困境。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供一种基于反馈控制的大电流高速恒流激光输出装置，旨在解决驱动电流过小，调制速率不高，导致直接调控的空间激光器输出功率不足，无法实现高速远距离、高速率、空间激光通信问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于反馈控制的大电流高速恒流激光输出装置，包含LVDS信源、MOS驱动模块、差分开关调制模块、大功率激光管、偏置电流设置模块、调制功率监控模块、偏置电流取样模块、调制电源开关、MCU单元及AGC控制模块；其中，MCU单元分别与MOS驱动模块、偏置电流设置模块、调制功率监控模块、偏置电流取样模块、调制电源开关和AGC控制模块连接；LVDS信源分别与MOS驱动模块、AGC控制模块相连接；差分开关调制模块的输入信号来源于MOS驱动模块并输出到大功率激光管，并受控于MCU单元；大功率激光管的输出电流包含偏置电流及调制电流，供电电源来自于调制电源开关，偏置电流在MCU单元的控制可以进行设置。

本发明的更进一步优选方案是：所述LVDS信源的基本组成中包含有信源生成单元和可控增益单元；AGC控制模块由DAC转换器将输出数字控制信号转换成模拟量来控制可控增益单元，实现对LVDS信源的输出信息号的幅度控制。

本发明的更进一步优选方案是：MOS驱动模块提供的输出电流最高为15A。

本发明的更进一步优选方案是：所述调制功率监控模块采用电阻取样并通过低通滤波的方式以电压形式输出，取样电阻流过监控功率的光电转换后平均电流后，形成监控电压。

本发明的更进一步优选方案是：所述偏置电流设置模块采用可变恒流源动态跟踪大功率激光管的阈值电流，以达到大功率激光管阈值电流在60mA到120mA。

本发明的有益效果在于，在MCU单元的控制下，自动控制器偏流和调制电流，并反馈控制LVDS信源的幅度，实现大电流的恒流和高速调制的激光功率的输出；基于反馈控制的大电流高速恒流激光输出装置为远距离高速激光通信提供可以控制的激光输出功率和可变阈值的完善的控制，在满足中等距离(3-6Km)和空间无线通信速率(100k-20M)的条件下，通过反馈控制的方式实行大电流高速空间激光通信，为空间激光通信的低成本化提供了一种有效的实现方式，适应于850nm波段的无线空间激光通信。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明基于反馈控制的大电流高速恒流激光输出装置的结构示意图；

图2是本发明AGC控制模块控制的的LVDS信源结构图。

具体实施方式

现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。

结合图1及图2，提供一种基于反馈控制的大电流高速恒流激光输出装置，包含LVDS信源10、MOS驱动模块11、差分开关调制模块12、大功率激光管13、偏置电流设置模块14、调制功率监控模块15、偏置电流取样模块16、调制电源开关17、MCU单元18及AGC控制模块19；其中，MCU单元18分别与MOS驱动模块11、偏置电流设置模块14、调制功率监控模块15、偏置电流取样模块16、调制电源开关17和AGC控制模块19连接；LVDS信源10分别与MOS驱动模块11、AGC控制模块19相连接；差分开关调制模块12的输入信号来源于MOS驱动模块11并输出到大功率激光管13，并受控于MCU单元18；大功率激光管13的输出电流包含偏置电流及调制电流，供电电源来自于调制电源开关17，偏置电流在MCU单元18的控制可以进行设置。在MCU单元18的控制下，自动控制器偏流和调制电流，并反馈控制LVDS信源10的幅度，实现大电流的恒流和高速调制的激光功率的输出；解决无线激光通信增大通信距离导致调制速率下降的困境，实现低成本的无线空间激光通信，尤其适用于850nm波段。

具体的，所述MOS驱动模块11，具有高速的开关能力，能够在nS的时间间隔内，提供高达15A的输出电流；可以驱动输入电容达到几千PF的MOS管，可以实现5V-15V激励电压使激励信号的上升沿达到3nS一下，达到提升调制速度的能力。

差分开关调制模块12的输入信号来源于MOS驱动模块11并输出到大功率激光管13，所述差分开关调制模块12受控于MCU单元18。大功率激光管13的输出电流包含偏置电流和调制电流两个部分。其中偏置电流在MCU单元18的控制可以进行设置。装置为远距离高速激光通信提供可以控制的激光输出功率和可变阈值的完善的控制。

所述调制功率监控模块15采用电阻取样并通过低通滤波的方式以电压形式输出，取样电阻流过调制功率监控模块15的光电转换后平均电流后，形成监控电压，该电压反映了大功率激光管13输出功率的大小，该电压滤除光电转换后的调制信号的高频分量，保持直流平均分量，并以此为基础加以放大，并由此对大功率激光管13输出的光功率进行推算；本发明采用的推算方式是基于MCU单元18嵌入的高精度ADC采样器通过模数转换成的数值信号，可实现调制激光功率的实时监测。

所述偏置电流设置模块14采用可变恒流源动态跟踪大功率激光管13的阈值电流，本发明采用的大电流恒流源与调制电流并联连接到大功率激光管13的阴极，分路进行控制；偏置电流设置在几十mA到上百mA，保证大功率激光管13从自发辐射转变成受激辐射，并根据温度、老化特性进行动态调整，在本实施例中，所述大功率激光管13的阈值电流在60mA到120mA之间。

所述偏置电流取样模块16是通过取样电阻上的电压值,经过AD转换后的数值对设置电流进行检测的控制电路，所述偏置电流取样模块16是将取样的电压值连接到MCU单元18的ADC通道进行采集得到的。

所述MCU单元18是整个反馈控制的核心单元，其基本的组成中包含有多路ADC单元、DAC单元，数字IO单元，同时还嵌入了8051的内核，可以嵌入控制程序，实现反馈控制和综合检测，特别适用于无线激光通信系统的通信状态的监测与控制。

在本实施例中采用的MCU单元18为C8051F852，其是一款低功耗主控制器，采用8051作内核，该主控器内部结构的最多可以实现16路的模拟到数字(AD)转换和1路(数字到模拟)DA的转换，本实例通过2路的10位AD转换实现了偏置电流和激光调制功率的监测，通过1路DA转换器实现了偏置电流的设置，通过内嵌的监控程序实现反馈控制。

进一步结合图2，LVDS信源10是反馈控制的主体单元，其基本组成中包含有信源生成单元30和可控增益单元31；AGC控制模块19由DAC转换器将MCU单元18输出数字控制信号转换成模拟量来控制可控增益单元31，实现对LVDS信源10的输出信息号的幅度控制，特别适用于无线激光通信系统的反馈控制。

具体的，对于本实施例的LVDS信源10，信源生成单元30采用XC7A100TFGG484高速收发器输出的差分信号，可控增益单元31为VA822增益可调节的放大器，由AGC控制模块19控制其幅度后按需输出；当MCU单元18检测调制信号的功率输出功率过小，不能满足实际的通信要求时，低功耗主控制器发出指令，使AGC控制模块19增大LVDS信源10中放大器的放大倍数；从而增加大功率激光管13的激励电压，使大功率激光管13的输出功率增大；反之，MCU单元18检测调制信号的功率输出功率过大，不能满足恒定输出功率时，发出指令，使AGC控制模块19减小LVDS信源10中放大器的放大倍数；从而减小大功率激光管13的激励电压，使大功率激光管13的输出功率减小，达到恒定的输出功率的功能。

即MCU单元18通过采集调制信号的输出功率，通过DAC0800设置VA822的控制电压，动态的控制LVDS信源10的输出信号的幅度，实现了对输出调制激光功率的动态控制。当采集的输出功率大于设定的输出功率时，MCU单元18输出数字信号降低DAC0800的输出电压，DAC0800的输出电压加载到VA822的增益控制端，降低放大器的增益，使输出差分信号源地幅度下降，反之，当采集的输出功率小于设定的输出功率时，MCU单元18输出数字信号增大DAC0800的输出电压，DAC0800的输出电压加载到VA822的增益控制端，增加VA822放大器的增益，使输出差分信号源地幅度增加，周而复始，实现对激光输出功率的动态控制。

在MCU单元18的控制下，自动控制器偏流和调制电流，并反馈控制LVDS信源10的幅度，实现大电流的恒流和高速调制的激光功率的输出；基于反馈控制的大电流高速恒流激光输出装置为远距离高速激光通信提供可以控制的激光输出功率和可变阈值的完善的控制，在满足中等距离(3-6Km)和空间无线通信速率(100k-20M)的条件下，通过反馈控制的方式实行大电流高速空间激光通信，为空间激光通信的低成本化提供了一种有效的实现方式，适应于850nm波段的无线空间激光通信。