OTDR系统中激光器驱动电路的设计

OTDR系统中激光器驱动电路的设计 侯 功 。等OTDR系统中激光器驱动电路的设计Design of the Driving Circuit for Lasers in OTDR System像 功 簧 在朝 邓 耨(中国电力科学研究院，江苏 南京 211106)摘 要：激光器驱动电路是光时域反射仪(OTDR)系统中的重要组成部分，其技术指标直接影响整个 OTDR系统的工作性能。对OTDR系统中激光器驱动电路的设计原理进行了论述，讨论了驱动电路对激光器件的选择，详细给出了激光器驱动电路的硬件设计方案。该驱动电路实现了激光脉冲的大功率、脉冲宽度和脉冲频率可调，从而大大提高了 OTDR系统动态探测范围和分辨率，同时充分考虑了对激光器的保护 ．具有很强的可行性和实用性。

关键词：光时域反射仪 脉冲半导体激光器 激光驱动电路 恒流源 保护电路中图分类号：TH741 文献标志码 ：AAbstract：The laser driving circuit is one of the impo~ant pans of optical time domain reflectometer(OTDR)，its technical indexes directlyafect the general operation performance of OTDR．Firstly，the design principle of such driving circuit is expounded．Then the selection of laserdevices is discussed。and the hardware design scheme of the driving circuit is given in detail．This circuit implements high power laser pulseswith adjustable pulse width and frequency，and greatly increases dynamic detection range and resolution for OTDR system-in addition，theprotection for the lasers is fuly to be considered；thus it is highly feasible and practicable.

Keywords：Optical time domain reflectometer(OTDR) Pulsed semiconductor laser Driving circuit of laser Constant current sourceProtection circlJjt0 引言随着光纤通信技术在各个领域的 日益广泛应用 ，对光纤的测试在光纤应用系统研制、建设和维护中成为必不可少的重要环节。

光时域反射仪 (optical time demain reflectometer，OTDR)作为一种专门的光纤测试仪器 ，可测量整个光纤长度 ，分析整个光纤链路的衰减并提供与长度有关的衰减细节，从而对光纤中接头、断点等事件进行精确定位 ，它已成为光纤系统中使用频率最高的现场仪器之一i1]。

光时域反射仪技术复杂．研制难度大。工程应用中要求其动态范围大、盲区小、分辨率高 ，这对 OTDR系统激光器驱动电路提出了很高的指标。

与其他驱动电路相比，OTDR系统中激光器驱动电路要求输出功率大、稳定度高、响应度好，激光脉冲频率、宽度可调。因此，设计应用于 OTDR系统的可靠 、实用 、高 指标 的激 光 器驱 动 电路 变 得 尤 为重要国家863计划基金资助项 目(编号：2011AA05A116)。

修改稿收到 日期：2012—08—30。

第一作者侯功(1987一)。男，2010年毕业于南京工业大学电子信息3-.

程专业，获学士学位，助理工程师；主要从事电力系统通信技术的研究。

《自动化仪表》第34卷第lO期 2013年l0月1 激光器驱动电路的设计1．1 光时域反射仪工作原理1．1．1 光学原理瑞利散射是光纤的一种固有损耗，是指光波在光纤传输时，遇到一些比光波波长小的微粒而向四周散射 ，导致光功率减小的现象口 ]。瑞利散射在整个空间中都有功率分布 ．存在沿着光纤轴向向前或向后的散射。后向瑞利散射通常为沿轴向向后的瑞利散射，它表明了由光纤而导致的衰减程度。假设 P 为光纤的输入端光功率 ．由瑞利散射引起的光纤损耗与传输距离呈指数衰减 ，则距离输入端 z(单位：km)处的光功率为：P(Z)=P e一 (1)式中：P 为在z=0处的输入光功率；oL为光纤的衰减常数。在 z处，后向散射光又经过衰减返 回到光纤入射端，其在光纤的光注入端的返回功率为：( )：下PIN~OL'IVP Ze也z (2) R( )=—— — 一二 式中：r为发射脉冲宽度 ； 为脉冲波形的群速度；6为后向瑞利散射系数。由式(2)可以得到光纤链路上各个距离处的后向瑞利散射强度按距离呈指数衰减。

菲涅尔反射就是光在从一种介质(光纤)传到另81OTDR系统中激光器驱动电路的设计 侯 功。等一 种介质(空气)中时，被原介质(光纤)反射回来的现象。因此，如果光纤有几何缺陷或断裂面或连接点时折射率突变，便会产生菲涅尔反射，反射光也只有一部分能够返回光纤的光注入端 ，强度取决于入射功率和两种介质的折射率 。 。菲涅尔反射有如下关系式 ：／ 、 2P ：P ：f 1 (3)n2+n1式中：P 为二种介质面处的反射光功率；P．为从光纤入射到另一种介质面时的入射光功率；n．、n，分别为不连续处两侧折射率 。

不同介质面产生的菲涅尔反射在沿着光纤反射回光纤入射端时仍要发生瑞利散射，由式(2)和式(3)可推导出对于光纤 中 z处产生的菲涅尔反射光反射回光注入端的功率为：／ 、 2P， (z)：P Z『 1 (4) ＼
n2十 rL由式(4)可知，在一般情况下，菲涅尔反射的强度要远大于后向瑞利散射强度，表现为测量波形中的大功率反射峰。

1．1．2 光时域反射仪工作原理光时域反射仪的基本原理是将一定波长、脉宽、功率和频率的光脉冲注入光纤端面作为探测信号 ，在光脉冲沿着光纤传播时，各处瑞利散射的背向散射部分将不断返回光纤入射端，当光脉冲遇到裂纹时，就会产生菲涅尔反射 ，其背向反射光也会返回光纤入射端 ]。

根据以上原理可确定整个光纤链路的损耗、断点等。

光时域反射仪的工作原理框图如图 1所示。由激光驱动器发出的光脉冲经光学系统、方向耦合器、光纤活动连接器后注入被测光纤．此时在光纤活动连接器处产生一个菲涅尔反射，光脉冲继续前传。在传输过程中不断产生瑞利散射，在光纤终结处又产生一个菲涅尔反射。菲涅尔反射和瑞利散射返回的光经方向耦合器向下变向后传入光学系统，经光电转换后送入信号处理器处理。

82I H i脉冲发生器 光电转换器 放大器 模数转换器信号处理器图 1 光时域反射仪工作原理框图Fig．1 The operation principle block diagram of OTDR光脉冲发射端的接收检测电路检测到后向瑞利散射光 ，经过数字处理提高信噪比以后 ，根据式(2)对接收到的数据作对数转换 ，得到一条近似线性的曲线，便于观察链路上的损耗情况。由于光纤端面和断点处会产生菲涅尔反射，因此只要在发射端探测到背 向反射回来的光．就可以看到前后端面的回波脉冲，它们之间的时间间隔就是光沿纤传输的时间的2倍。求解端面或者断点的位置表达式为：Z- cat (5)式中：C为真空中的光速；n为光纤的折射率；△￡为从发射脉冲到接收到反射峰值的时间间隔。

1．2 光时域反射仪技术指标1．2．1 动态范围由于 OTDR的光接收机、放大器等电路都会产生噪声，因此远处功率较小的后向瑞利散射信号会被噪声所淹没而无法检测，限制了 OTDR的测试距离。对于 OTDR，采用动态范围来衡量测试距离 ]。动态范围反映了光时域反射仪的测长能力。动态范围通常定义为使后向瑞利散射光信号电平等于噪声电平 。即信噪比为 1时可插入的最大光路损耗值。将 OTDR接收机的噪声功率归结为等效噪声功率 P ，由文献[6]可知 ，当对 Ⅳ次发射脉冲所采集到的数据作平均后，接收信噪比变为：：f ]e-2 (6)1．2．2 距离分辨率距离分辨率是指 OTDR的接收器从饱和到能进行测试所需要的时间，反映了光时域反射仪能辨别的光纤中两个事件点间的最小距离I5]。距离分辨率示意图如图2所示。

图 2 距 离分辨率示意 图Fig．2 Schematic diagram of distance resolution图2中： 为两个故障点距离； 为光脉冲宽度 ；为光纤中光波的群速度，近似为 c／n。其中 c为真空中光速，n为光纤折射率，则光脉冲对应的距离为 c~'／n。

由图2可知，当探测光脉冲遇到故障点 2，产生的反射脉冲前沿向后传输距离c'r／n时，故障点 1处产生的反射脉冲向后传输的距离为 c'r／n+X，两个反射脉冲之间PRoCESS AUToM ATION INSTRUMENTATION VoL 34 No．10 October 2013OTDR系统中激光器驱动电路的设计 侯 功。等的距离为 AX=2X—cr／n。因此，要分辨两处的反射信号。就要求 AXe>0，则光时域反射仪能分辨事件点间的最小距离即距离分辨率为 ：≥c~'／2n (7)1．3 激光器驱动电路设计原理由上文可知．OTDR系统中最重要的两项指标是动态范围和距离分辨率。由式(6)可知，动态范围和发射光脉冲频率有关．频率越大，动态范围越大；同时动态范围还取决于脉冲宽度 ， 越大 ，动态范围也越大。由式(7)可知 ，OTDR系统的距离分辨率直接取决于脉冲宽度 ，注入的光脉冲的 越窄 ，则距离分辨率越高。由此可见．激光器驱动电路所产生的光脉冲的技术指标直接影响整个 OTDR系统的工作性能。此外，发射的光Jr越窄，则距离分辨率越高，但同时 的减小却使得射人光纤的光能量降低，动态范围变小，因此对于传统光时域反射仪而言，动态范围和分辨率是不可兼得的。为了克服传统光时域反射仪存在的问题．本文对激光器驱动电路进行了优化，采用 FPGA产生频率和脉宽可调的脉冲，用于优化动态范围或提高分辨率，其原理框图如图3所示。

图 3 FPGA产 生脉冲发 生器原理框 图Fig．3 Principle of the pulse generator produced by FPGA发射脉冲产生与否 由主控器通过 UART接 口和FPGA通信进行控制，发射波形的发射脉宽默认为 10 s¨，可配置为：100 ns、150 ns、300 138、1 gs、3 s、10 s、20 ps；脉冲周期默认为1 638．4 ps，可配置为：16．38 s、32．76 s、65．53 s、163．84 s、327．68 s、655．36 ps、1 638．4 s、3 276．8 ps、6 553．6 ps。

激光器驱动电路通常 由驱动电路 、激光器件及其保护电路组成。驱动电路控制发射脉冲的宽度和频率 ，由于激光器件由电流触发来发射出一定功率的光脉冲，因此驱动电路需将数据转换成一定宽度和频率的电流脉冲来驱动激光器。激光器一般都有一定的门槛电流，通常需要直流偏置电流将其驱动至门限以上才能输出所期望的光输出功率。同时由激光器的P一，特性图 可知，为了提高激光器对一定频率脉冲的快速响应度。需给激光器一个门槛值附近的固定直流偏置，以期能快速产生所需的光功率。另外还必须考虑由光器件连线电感造成的电压摆动。通常发射器的输《自动化仪表》第34卷第 1O期 2013年 10月出功率要求维持在一个很窄的范围，且由于发光器件的发光效率会随时问和温度变化而变化，激光器温度升高，阈值电流也会上升，激光器的输出功率降低。因此 ．为了保证激光器的功率稳定输出，必须保证输入功率的变化率．或者保证激光器的温度稳定。

激光器驱动电路整体原理框图如图4所示。

脉冲发生器I 门槛电流偏置电路脉冲驱动电路 恒流源电路 激光二极管 保护电路l恒温控制电路I图4 激光 器驱动 电路整体原理框 图Fig．4 Overal schematic diagram of the lasers driving circuit分辨率优化的OTDR采用宽度脉冲，虽然可以较快地跟随接收到的信号，但线路噪声较大，因此这种模式下盲 区变小，动态范 围也变小。动态范围优化 的OTDR采用窄脉冲。接收器对跳变沿进行了比分辨率优化时更大的取舍。从连接器反射 回复需要较长的时间．因此这种模式提供了大动态范围，能测量的光纤距离更远，但盲区也变大。

2 脉冲半导体激光器激光器在系统中作为光源，其性能将直接影响信号的拾取。因此需特别考虑三个问题。

① 发光强度。入射光信号越强．则经固体表面散射之后的随机光信号也越强，信号灵敏度也越大，同时入射光强应保持稳定。

② 波长。半导体激光器从红外到可见光区域均有产品，玻璃纤维中的光衰减取决于波长。有文献可知，在 1 310 nm和 1 550 nm附近出现了衰减 曲线的最低值；同时波长越长，瑞利散射的光功率就越弱 。所以1 310 nm的脉冲产生的瑞利散射的轨迹图样比1 550 nm产生的图样要高。但在长距离测试时，1 310 am的波长衰耗较大，激光器发出的激光脉冲在待测光纤的末端会变得很微弱，受噪声影响大 ，此时1 550 nm波长更合适，更容易发现光纤线路上是否存在弯曲过度的情况。

③ 指向性．由于入射光为一束光，因此要求光源指向性要好。脉冲半导体激光器具有全固态、体积小、质量轻、寿命长、效率高、可靠性好、可调制和稳定等特性。因此，选用 OKI生产的波长为1 550 nm、带尾纤输出的 OL5206N一120／P20脉冲型激光器。该激光器波长为1 550 nm，为120 mW，阈值电流为25 mA，工作电流为 800 mA，上升时间为1 D_S，下降时间为 1 ns。

83OTDR系统中激光器驱动电路的设计 侯 功，等3 激光器驱动电路硬件设计由于脉冲型半导体激光器是一种高功率密度、高量子效率的器件，由其 P一，特性曲线可知，在门槛值以上的电流微小的变化将导致光功率输 出的极大变化 ，其对于电冲击的承受能力较差．因而在实际应用中对激光器的驱动电路性能和安全保护有着很高的要求。

本文所设计的激光器驱动电路在实际应用方面做了充分的考虑。对脉冲型激光器的驱动应该从稳定电流和稳定温度两方面人手：①采用精密恒流源为其提供注入电流：②控制激光器的温度，使温度稳定在一个精确的范围内。同时本系统重点考虑了对激光器进行安全有效的保 护，如限流问题、延时启动 和反 向击穿 问题等。

3．1 恒流源电路恒流源电路如图5所示，采用深度负反馈控制原理 ]．以获得最低的电流偏差和最高的激光器输出稳定性图 5 恒 流 源 电路 Fig．5 The constant current source circuit整个恒流源由电压基准电路和电压电流转换电路组成。电压基准经过适当的放大后送人运放 的同相端。该运放控制 MOS管的导通程度，从而获得相应的输出电流，输出电流在取样 电阻上产生取样 电压。该取样电压经放大后作为反馈电压反馈回电压放大器的反相输入端，并与同相输人端的电压进行 比较 ，对输出电压进行调整．进而对跨导放大器的输出电流进行调整，使整个闭环反馈系统处于动态平衡中，以达到稳定输出电流的目的。

电流大小的推导公式如下。

由运放 的虚短、 的虚断可推导出：=丁Uo：-U2 (8)圮—
Uol-
—
U2
一 —
U
—3 r0、R5 尺6由运放 的虚短可知：U2= ，设计 中取 R =R =5 k Q、R =R =10 k Q，则由式(8)、式 (9)可以推导出：= = ÷ (10)2 4 寻u。 一 ·=2u ÷u。 (11)Ul=2Uol一2Uo2 (12)U =2／R (13)由式(13)可知，U f=Ux=2 ，，比较器处于比较开关状态，因此输出电流大小为 ／2 。本系统中激光器正常工作驱动电流为800 mA，减去25 mA偏置电流，则所需恒流源电流大小为775 mA，取 =2 Q，并调节 至所需电压。

3．2 门槛电流偏置电路OL5206N一120／P20脉冲型激光器 的门槛 电流为25 mA。偏置电流电路如图6所示。

lQRl0Ibi_^QloRIl图 6 激 光 器偏 置 恒 流 源 电路Fig．6 The bias constant current circuit of lasers三极管 Q 、Q。的参数相同，即卢。=卢 、Io =， 。

由于两个三级管具有相同的基射极间电压 U 。=U ，且取 JR =尺 。，所以 = 、，。 = 。当双极结型晶体管(BJT)的卢较大时，基极电流 ， 可以忽略，所以 Q。的集电极电流， ，近似等于基准电流，T 即：，， 一 r，IbiS=Io= Iref- (14)取 R =56 Q、R 。= =51 Q，根据式(14)，可产生激光器所需要的偏置电流。本文所设计的恒流源充分利用了 BJT的输出特性 ．在放大区具有近似恒流的特性，其动态输出电阻值很高，同时两个 BJT器件 Q。和Q 。有温度补偿作 用，所 以产生 的偏 置 电流稳定性较好。

3．3 脉冲驱动电路脉冲驱动电路需将脉冲发生器产生的数据转换成一 定宽度和频率的电流脉冲来驱动激光器，脉冲驱动电路如图7所示。由脉冲发生器产生的脉冲经过单端转差分转换器 AD8137转为差分信号，进而驱动差分放大电路。调节差分放大电路的工作点，使恒流源产生的驱动电流按照脉冲发生器所产生的脉冲通过三极84 PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vo1．34 No．10 October 2013OTDR系统中激光器驱动电路的设计 侯 功。等管Q 和Q 支路。同时激光器所需要的偏置电流一直处于供给状态 ，从而提高激光器的响应速度。

图 7 脉 冲驱动 电路Fig．7 The pulse driving circuit单端转差分转换器 AD8137是一款低成本差分驱动器，它应用简便，很容易实现完全差分和单端至差分增益配置。由四个电阻组成的外部反馈网络决定了放大器的闭环增益。

脉冲驱动电路工作原理如下。脉冲发生器产生一定频率和脉宽的脉冲，经AD8137单端信号转为差分信号，以驱动差分放大器。当三极管 Q 基极为正脉冲、三极管 Q 的基极为负脉冲时，三极管 Q 导通、Q截止，驱动电流从 Q 的发射极流出。由三极管的特性可知，I= ，加上门槛电流 ，则流过激光器 ．c OL5206N120／P20的电流正好为其正常工作电流，激光器发出光脉冲。同理，当三极管 Q 基极为负脉冲、三极管 Q6的基极为正脉冲时，三极管 Q 导通 、Q 截止，驱动电流从 Q 的发射极流出，流过激光器的电流只有门槛电流，此时激光器几乎不发出光脉冲。如此反复即可产生所需频率、脉宽、功率的光脉冲。

3．4 恒温控制电路半导体激光器温度控制过程如下。将传感器反馈的采样温度与设置温度进行比较 。差值作为输入变量 ，经过 PID控制电路计算产生相应的控制变量 ；控制变量经由功率驱动器产生相应的电流驱动半导体致冷器(thermo electirc cooler，TEC)，对安装在 TEC上的被控器件半导体激光器进行加热或制冷；同时半导体激光器的温度又被热敏电阻反馈回采样电路、调整输出电流的大小。直到激光器的温度稳定在设置的温度点上，从而实现工作时温度的自动调节。

3．5 半导体激光器保护电路半导体激光器保护电路主要有限流电路、延时软启动电路和防止反向击穿。驱动激光器的恒流源具有将电流限制在半导体激光器的最大额定电流以内的作用。通过在恒流源电路的末极电路 中串联 MOS管的方法，把限制电压与从取样电阻反馈回来的比较电压《自动化仪表》第34卷第10期 2013年10月分别加在运放的反相端和同相端，以共同控制运放的输出 ¨，进而控制 MOS管的导通程度。当限制 电压一 定时，导通程度一定 ，则流过的电流也一定 ，且由于是串联电路 ，所以流过末极电路的电流得到有效的限制。同时，系统在激光器 的两端并联了一个较大的电容 。避免开机时瞬态的冲击电流损坏激光器。当电路瞬间启动时，激光器的两端被短路而不能立刻工作，电容充电延长了激光器电流建立的时间，避免了开机时瞬态冲击电流对激光器的损坏。此外，系统在激光器的两端反向并联了一个二极管，这大大提高了激光管的寿命。

4 结束语本文设计了一种用于 OTDR系统的激光器驱动电路。由分析 OTDR系统的工作原理和技术指标人手，得出了OTDR系统所需激光器驱动电路的设计指标与电路工作原理。重点给出了驱动电路的硬件设计方案。

本文所设计的激光器驱动电路实现了发射功率大于 100 mw、光脉冲宽度可调、频率可调的激光发射 ，其最小脉宽可达 100 ns，脉宽频率可达50 kHz，完全满足OTDR系统所需技术指标。同时本文所设计的驱动电路对激光器的保护也做了充分地考虑 ，有效降低 了半导体激光器的损耗 ，具有很强的实用参考价值。

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