劉 海，冷樂蒙，馬翰林，李 雷，張 勝，荊勝羽

(中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

現(xiàn)今，伴隨光電技術(shù)的不斷發(fā)展，可調(diào)諧激光器作為一種更加理想的通信光源在光通信系統(tǒng)中受到廣泛關(guān)注[1-3]。傳統(tǒng)可調(diào)諧激光器需封裝多個激光器，不僅占用空間大，而且性價比低，限制了其應(yīng)用范圍。可調(diào)諧激光器不僅可以減少激光器數(shù)量，降低成本，還具有波長調(diào)節(jié)和自動恢復(fù)波長等功能。因此，設(shè)計出一個精確度高、集成度高及可實時監(jiān)測工作狀態(tài)的多路可調(diào)諧激光器有一定的必要性。

另一方面，激光器相關(guān)知識是始終貫穿光電子等技術(shù)學(xué)科的主線，在激光器相關(guān)實驗內(nèi)容及實驗形式方面應(yīng)盡量做到目的明確、內(nèi)容豐富[4-7]，保證教學(xué)工作的高質(zhì)量與高效率，因此，許多教學(xué)工作者對此都進行了深入的探索與研究[8-11]。為滿足教學(xué)需要，豐富教學(xué)內(nèi)容，將該多通道可調(diào)諧激光器引入相關(guān)專業(yè)的實驗教學(xué)中，可選取單一通道進行激光器參數(shù)測定實驗，幫助學(xué)生了解激光器工作原理并結(jié)合理論知識提高教學(xué)質(zhì)量。同時，該系統(tǒng)作為可調(diào)諧光源也可滿足光發(fā)射及波分復(fù)用等相關(guān)實驗的要求。因此，實現(xiàn)參數(shù)可調(diào)及穩(wěn)定性好[11-15]的可調(diào)諧激光器實驗系統(tǒng)尤為必要。

本文所設(shè)計的可調(diào)諧激光器實驗系統(tǒng)是通過多通道可調(diào)諧激光器控制模塊來調(diào)節(jié)激光器工作狀態(tài)，并通過處理器自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置對激光器電流信號采樣，直觀地在上位機軟件界面顯示?？蓪⒗碚摻虒W(xué)中所涉及的激光器相關(guān)知識點，如激光器閾值電壓、P-I-V參數(shù)等，與實際數(shù)據(jù)聯(lián)系在一起，保證實驗教學(xué)的直觀性與可操作性。另外，該實驗系統(tǒng)易于擴展及成本低等優(yōu)點可作為光電子和激光原理等課程的綜合實踐平臺，可通過擴展硬件完成光電子和激光原理等課程相關(guān)設(shè)計實踐，有助于學(xué)生對相關(guān)課程的深入理解，并且可以提高學(xué)生軟硬件設(shè)計的綜合能力。

1 實驗系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該多路可調(diào)諧激光器實驗系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)硬件包括供電模塊、串行通信模塊、微處理器、激光器溫度控制模塊、多通道激光器電流驅(qū)動模塊和多通道激光器數(shù)據(jù)采集電路和激光器。上位機軟件接收數(shù)據(jù)并作相應(yīng)處理，其具體功能有電流設(shè)定、系統(tǒng)狀態(tài)讀取、串口端口選擇、溫度設(shè)定、波長選擇和標定保存。

圖1 多路可調(diào)諧激光器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本實驗采用江西旭鋒光電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的14管腳蝶形封裝分布反饋激光器(DFB-1650)，實物如圖2所示。激光器輸出中心波長受工作溫度與驅(qū)動電流影響，可通過控制各個通道的驅(qū)動電流與工作溫度達到多通道可調(diào)諧輸出的目的。該系統(tǒng)硬件主要由微處理器、激光器溫度控制電路、多通道激光器電流驅(qū)動電路、多通道激光器數(shù)據(jù)采集電路組成。

微處理器是以STM32F103為核心構(gòu)建的ARM最小系統(tǒng)，微處理器讀取數(shù)據(jù)后通過自帶DA轉(zhuǎn)換端口控制輸入激光器溫控電路的模擬信號值進而控制激光器溫度。微處理器還通過SPI接口控制多通道激光器電流驅(qū)動電路和多通道激光器數(shù)據(jù)采集電路，電流驅(qū)動電路根據(jù)SPI接口輸出的指令向所選定通道輸入設(shè)定電流，多通道激光器數(shù)據(jù)采集電路采集選定通道電流電壓數(shù)據(jù)存儲到微處理器Flash中供計算機讀取。光譜儀的作用是檢測多通道可調(diào)諧激光器發(fā)出激光的波長是否符合設(shè)定要求，如果符合要求，可以用軟件的標定保存功能記錄該對應(yīng)的驅(qū)動電流與工作溫度。

圖2 激光器實物圖

2.1 微處理器

本實驗系統(tǒng)微處理器選用。本設(shè)計采用STM32F103高性能單片機，其內(nèi)核為32位Cortex-M3架構(gòu)的CPU，工作頻率高達72 MHz，且其Flash存儲器和SRAM存儲器容量分別為128 K和20 K，內(nèi)置2個12為模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，2個SPI通信接口，其最小系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 STM32F103電路

2.2 激光器溫度控制電路

激光器溫控電路圍繞DRV591VFPR芯片搭建而成，電路如圖4所示，圖中DRV591VFPR芯片是一種大電流功率驅(qū)動器，其輸出電流最大值為3 A，并且包含PWM發(fā)生器、門驅(qū)動電路和H橋結(jié)構(gòu)的4個場效應(yīng)管。該芯片根據(jù)輸入端口IN+的電壓可控制TEC電流的流向，可以雙向驅(qū)動TEC，根據(jù)帕爾貼效應(yīng)，TEC會工作在加熱或者制冷狀態(tài)，PWM開關(guān)頻率可達500 kHz，工作電壓為2.8～5.5 V。TEMRET1接口接激光器內(nèi)部熱敏電阻，熱敏電阻另一端接地，ADC-TH為熱敏電阻的分壓，與單片機AD端口相連。溫控電路工作時，激光器工作溫度對應(yīng)的參考電壓是由DAC2輸入模擬信號來設(shè)定的，該信號由上位機軟件通過單片機自帶DA端口控制，參考電壓與熱敏電阻分壓輸入至PID控制器，通過PID控制器控制輸入IN+端口的電壓。DRV591VFPR驅(qū)動器的放大增益是固定的，約為2.3，TEC+與TEC-兩端的電壓Vout不能大于TEC的最大工作電壓，其關(guān)系式為：

Vout=2.3(Vin+-Vin-)=2.3(Vin+-VREF)

由此可見，為防止Vout大于TEC最大工作電壓，需要在PID輸出級和DRV591驅(qū)動放大器IN+輸入端口之間加保護電路，該電路由兩個二極管組成，一端接3.0V，一端接0.6V，若PID輸出級過小，0.6V會接入IN+端，若過大則3.0V會接入IN+端，保證Vout不大于TEC最大工作電壓。在溫度控制電路中涉及的PWM發(fā)生、門驅(qū)動電路、AD轉(zhuǎn)換等都可以鍛煉學(xué)生對知識的實用能力，將理論與實踐有效結(jié)合。

圖4 激光器溫控電路

2.3 多通道激光器電流驅(qū)動電路

由于需要電流驅(qū)動的通道數(shù)有9個，并且要求調(diào)節(jié)范圍為0～100mA，所以這里采用Max5110芯片搭建驅(qū)動電路。Max5110芯片是一個14位、9通道的電流輸出數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，最低工作電壓為+3.0V，可在-45℃～+105℃溫度范圍內(nèi)工作，具備SPI接口和過熱保護功能。需要注意的是Max5110芯片9個通道中只有通道5與通道6直接滿足0～100mA的電流調(diào)節(jié)范圍，將通道4與通道7合并使用來滿足0～100mA的要求，這兩個通道均能通過最大90mA的電流。如圖5所示，該驅(qū)動電路由SPI接口與微處理器MOSI，SCLK，MISO，NSS1，NSS2，NSS3端口相連接，微處理器接收計算機發(fā)出的指令，通過SPI接口控制3個Max5110芯片向選定通道輸出設(shè)定電流。9個通道中前8路通道連接激光器，第9路通道連接光放大器，其作用為增強發(fā)出的光以提高可調(diào)諧激光器的穩(wěn)定性和精確度。

圖5 電流驅(qū)動電路

2.4 多通道激光器數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集電路由TLC2272運算放大器與一些電容、電阻元器件連接組成，如圖6所示。圖中Laser+接激光器正極LD+，激光器負極LD-接地，反接的二極管D7起過流保護作用。LASER1+是驅(qū)動電路中的第一通道輸出端口，IR1+與Laser+為P5與P8兩個測量點的電壓，通過一個電壓跟隨電路和一個求差電路作用得到V-La1、IR-La1，其中V-La1為激光器的電壓，IR-La1為固定電阻R47兩端的電壓，根據(jù)固定電阻伏安特性U=IR，計算出其電流，即可得激光器電流。圖5中只顯示了第一通道數(shù)據(jù)采集的電路，另外8路通道的數(shù)據(jù)采集方式與該電路相同。

采集得到的數(shù)據(jù)通過AD轉(zhuǎn)換輸入微處理器中。這里選用TLV2556芯片，它是一款12位的AD轉(zhuǎn)換芯片，具有11個模擬信號輸入通道，支持SPI接口控制，并且其具有高轉(zhuǎn)換速率和抗溫度變化能力。具體電路如圖7所示，這里采集9個通道共有18個數(shù)據(jù)，所以用了兩個TLV2556芯片，由微處理器通過SPI串行接口控制，其中ADC-TH為熱敏電阻分壓。

圖6 單通道數(shù)據(jù)采集電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

下位機設(shè)計內(nèi)容主要包括：通信協(xié)議，即微處理器與計算機通信之間用到的協(xié)議；DA轉(zhuǎn)換程序，設(shè)置工作溫度和通道電流；AD轉(zhuǎn)換，進行數(shù)據(jù)采集，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)值進行處理，計算轉(zhuǎn)換系數(shù)，完成系統(tǒng)標定。

設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法，將程序分解為主控模塊、DA轉(zhuǎn)換控制模塊、AD轉(zhuǎn)換控制模塊、系統(tǒng)標定模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及串行通信管理模塊等，其中DA轉(zhuǎn)換、AD轉(zhuǎn)換和串口通信模塊采用中斷處理方式，程序流程圖如圖8所示。

圖7 AD轉(zhuǎn)換電路

圖8 微處理器程序流程圖

上位機軟件設(shè)計在VS2010編譯環(huán)境下，采用C語言編寫完成。其功能主要包括串行通信參數(shù)設(shè)置、采集數(shù)據(jù)值與實際值轉(zhuǎn)換系數(shù)的標定、通道選擇及其電流的設(shè)定、激光器工作溫度的設(shè)定、波長符合要求的激光對應(yīng)的通道電流與激光器工作溫度數(shù)據(jù)的標定保存功能、對標定保存的波長選擇功能及監(jiān)測各個通道電流的功能。

軟件采用的是模塊化設(shè)計方法，除顯示界面外主要包括電流設(shè)定模塊、串口選擇、溫度設(shè)定、波長選擇、標定保存模塊和系統(tǒng)狀態(tài)顯示模塊。軟件的主界面圖如圖9所示。

圖9 計算機軟件界面圖

在計算機軟件上設(shè)定通道1電流55mA，SOA通道電流20mA，溫度設(shè)定為19℃，點擊寫入下位機使裝置進入工作狀態(tài)，通過光譜儀分析得波長為1 536.61nm，顯示結(jié)果圖10所示。

圖10 設(shè)定電流55 mA、SOA電流20 mA、溫度19℃的顯示結(jié)果

4 實驗數(shù)據(jù)處理

可調(diào)諧激光器的輸出波長受兩個重要因素影響，即通過激光器的電流和激光器工作溫度。實驗得出，固定溫度為25℃時數(shù)據(jù)如表1所示，固定電流為10 mA的數(shù)據(jù)如表2所示，將其分別線性擬合得到可調(diào)諧激光器輸出波長與電流、溫度的關(guān)系，如圖11所示。

表1溫度為25℃時電流與波長的變化

I/mA20304050λ/nm1653.091653.191653.281653.38

表2電流為10 mA時溫度與波長的變化

T/℃30354045λ/nm1653.501653.911654.461654.93

圖11 半導(dǎo)體激光器輸出波長變化與電流、溫度的關(guān)系

5 結(jié)束語

該實驗系統(tǒng)以微處理器為核心，實現(xiàn)上位機對微處理器的控制，數(shù)據(jù)被計算、傳輸、存儲后顯示在軟件界面上。該實驗系統(tǒng)可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多個激光器，降低了工程成本，減小了裝置體積，通過計算機軟件即可進行全數(shù)字化操作控制，簡明易懂，電流與溫度雙重調(diào)節(jié)波長，精度高。

[1]程開富.半導(dǎo)體光電子激光器技術(shù)的發(fā)展[J].電子元器件應(yīng)用,2008,10(8):78-80.

[2]陳輝,高紅,張云剛,等.半導(dǎo)體激光器的發(fā)展及其在激光光譜學(xué)中的應(yīng)用[J].哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報.2005，21(1)：40-43.

[3]李振宇.可調(diào)諧激光器在光通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[J]．通信技術(shù)，2009，42(8)：4-5.

[4]李維暉,佟秋麗.淺談半導(dǎo)體激光器在物理實驗中的應(yīng)用[J].大學(xué)物理實驗.2000，13(4)：7-8.

[5]馬再如.關(guān)于提高激光原理與激光技術(shù)課教學(xué)質(zhì)量的探討[J].高等教育研究.2012,29(1):59-61.

[6]胡紹民，羅暉.《激光原理》課程教學(xué)體會[J].高等教育研究學(xué)報,2012,35(1):71-73.

[7]胡浩軍,梁永輝,馬浩統(tǒng),等.關(guān)于改進光電工程類本科專業(yè)實踐能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)設(shè)置的思考[J].高等教育研究學(xué)報，2012，35(1) :57-59．

[8]王麗,宋揚.本科生畢業(yè)設(shè)計多模光纖脈沖展寬在實踐教學(xué)中的作用[J].實驗技術(shù)與管理，2007，24(5):12-17.

[9]吳飛斌,張晉平,劉冰.激光通信綜合實驗演示儀設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理,2012,29(2):55-60.

[10]馬麗娜,梁迅,胡正良,等.光纖技術(shù)實驗課程的優(yōu)化探索[J]．教育教學(xué)論壇.2012(4) :235-236．

[11]施建華,王弘剛,梁永輝,等.關(guān)于“光學(xué)工程”學(xué)科課程建設(shè)的幾點思考[J].光學(xué)技術(shù)，2007，32(增刊) :309-312．

[12]陳月娥,王勇,超低噪聲單頻可調(diào)諧光纖激光器[J].光學(xué)精密工程,2013,21(5):1110-1115.

[13]盧洪斌,王向朝,王學(xué)鋒,等.半導(dǎo)體激光器光強光熱調(diào)制特性的研究[J].中國激光.2000，27(11)：969-972.

[14]張文平,李明山,尚衛(wèi)東,等.二極管泵浦激光器中的二極管溫控精度[J].紅外與激光工程,2008,37(1):69-72.

[15]汪瑜.半導(dǎo)體激光器熱特性分析研究[D].吉林:長春理工大學(xué),2009(3):16-17.