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(中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100036)

0 引言

近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的突飛猛進(jìn)，DFB激光器因其光束質(zhì)量高、譜線寬度窄，在國防、工業(yè)、生物、醫(yī)學(xué)和通信等很多領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用[1]。然而，由于激光器功率密度高、溫度敏感度強(qiáng)，其發(fā)射譜線漂移、倍頻晶體的相位匹配等對環(huán)境溫度十分敏感[2]。想要推進(jìn)半導(dǎo)體激光器在各個行業(yè)的優(yōu)勢應(yīng)用，需設(shè)計性能優(yōu)秀的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動[3]。針對激光器驅(qū)動電源高精度溫控系統(tǒng)性能和激光器功率控制要求，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)一種以STM32為控制核心的DFB激光器驅(qū)動電源。該電源具有雙路TEC分別對激光器泵浦和晶體進(jìn)行溫度控制，并利用壓控恒流源控制激光器驅(qū)動電流，實(shí)現(xiàn)帶有雙路TEC溫控的功率可調(diào)DFB激光器驅(qū)動控制功能。無論是從激光器驅(qū)動性能提高，還是市場經(jīng)濟(jì)性，都有十分重要的意義。

1 驅(qū)動電源設(shè)計原理

DFB激光器驅(qū)動電源設(shè)計原理如圖1所示。

圖1 DFB驅(qū)動電源設(shè)計原理圖

驅(qū)動電源系統(tǒng)主要包括：STM32控制核心、電源電路、溫度采樣電路、光功率采樣電路、DA輸出電路、TEC驅(qū)動電路、LD驅(qū)動電路和RS485串口通訊電路等主要部分組成。

由于STM32具有豐富外設(shè)接口，浮點(diǎn)型運(yùn)算可進(jìn)一步提高運(yùn)算效率與精度[4]。因此，系統(tǒng)選用STM32為核心處理器，實(shí)現(xiàn)DFB驅(qū)動電源數(shù)據(jù)采樣、控制運(yùn)算與輸出調(diào)節(jié)。

常見的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動工作模式有兩種[5]，一種是恒電流工作模式，另一種是恒功率模式。恒電流模式下，驅(qū)動電源通過設(shè)定LD驅(qū)動電流值，并對LD驅(qū)動電流進(jìn)行采樣，調(diào)節(jié)輸出電流值以達(dá)到電流恒定；恒功率模式下，驅(qū)動電源通過光功率采樣電路，采集泵浦實(shí)際發(fā)光功率，調(diào)節(jié)LD驅(qū)動電流實(shí)現(xiàn)恒功率控制。

兩工作模式下，驅(qū)動電源均可控制激光器內(nèi)部晶體和泵浦TEC電流，維持晶體和泵浦內(nèi)部溫度穩(wěn)定。

晶體和泵浦TEC以及激光器泵浦驅(qū)動電路均為壓控恒流源模塊。STM32控制核心通過SPI接口，控制DA芯片實(shí)現(xiàn)雙路TEC及LD驅(qū)動模塊控制電壓調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)激光器工作點(diǎn)穩(wěn)定。此外，系統(tǒng)具有RS485串口通訊電路，用以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電源遠(yuǎn)程控制和參數(shù)調(diào)節(jié)。

1.1 溫度控制原理

DFB激光器內(nèi)部設(shè)有雙路TEC，分別實(shí)現(xiàn)激光器晶體與泵浦的溫度控制。TEC是一種能夠同時進(jìn)行制冷和加熱的半導(dǎo)體器件，根據(jù)帕爾帖(Peltier)效應(yīng)[6]，當(dāng)TEC流過單向電流時，它的一面制冷，而另外一面發(fā)熱；若電流反向，則冷熱面互換[7]。TEC發(fā)熱/制冷量與電流大小有關(guān)，可通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電流大小，實(shí)現(xiàn)恒溫控制。

晶體與泵浦內(nèi)部均放置熱敏電阻，采集阻值變化實(shí)現(xiàn)各組件的溫度采樣。核心處理器比對溫度設(shè)定值與采樣值，對內(nèi)部溫度進(jìn)行PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，驅(qū)動TEC進(jìn)行制冷或加熱，達(dá)到溫度恒定控制效果，雙路溫控系統(tǒng)相互獨(dú)立，原理相同如圖2所示。

圖2 溫度控制系統(tǒng)原理圖

1.2 恒功率控制原理

DFB激光器內(nèi)部設(shè)計有光敏二極管，能夠產(chǎn)生與激光器光強(qiáng)大小成線性的受激電流，受激電流大小表征激光器泵浦發(fā)光功率[8]。

激光器驅(qū)動電源根據(jù)應(yīng)用需要，可進(jìn)行十檔功率設(shè)置。核心控制器通過比較功率設(shè)定值與泵浦實(shí)際功率值，構(gòu)成發(fā)光功率閉環(huán)，利用增強(qiáng)型PI控制方法，調(diào)節(jié)驅(qū)動電源供給LD驅(qū)動電流大小，實(shí)現(xiàn)激光器泵浦恒功率控制。

為采集激光器泵浦發(fā)光功率，對光敏二極管受激電流進(jìn)行采樣。該受激電流流過光功率采樣電路中的精密采樣電阻后，經(jīng)運(yùn)放調(diào)理電路接入核心處理器，通過AD采樣得到激光器發(fā)光功率。核心處理器根據(jù)發(fā)光功率進(jìn)行閉環(huán)運(yùn)算，調(diào)節(jié)LD驅(qū)動模塊的輸出電流，達(dá)到激光器功率恒定，控制原理如圖3所示。

圖3 恒功率控制原理圖

2 驅(qū)動電源硬件設(shè)計

2.1 TEC驅(qū)動電路

TEC利用半導(dǎo)體材料珀爾帖效應(yīng)制成，通過控制流經(jīng)TEC的電流方向與大小，可實(shí)現(xiàn)TEC制冷、加熱及制冷發(fā)熱量控制。由于TEC結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，在激光器溫控領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用[9]。

由于DFB激光器內(nèi)部集成有兩路TEC，對應(yīng)于激光器內(nèi)部晶體與泵浦溫度控制。因此，驅(qū)動電源需要提供兩路TEC驅(qū)動，獨(dú)立進(jìn)行晶體和泵浦TEC驅(qū)動控制。

兩路TEC參數(shù)相同如下：TEC最大電壓均為5 V，其允許通過的最大電流為3.5 A，最高控制溫度可達(dá)60℃，滿足激光器25℃理想工作溫度要求。

針對兩路TEC電氣指標(biāo)，選用鞍山核心電子公司的TEC專用驅(qū)動模塊TEC-5V-4A-D，該模塊輸入電壓5 V，最大輸出電流為4 A，體積小、效率可達(dá)90%，可靠性高，符合TEC驅(qū)動設(shè)計指標(biāo)。TEC驅(qū)動模塊及引腳如圖4所示，該模塊控制電路如圖5。

圖4 TEC驅(qū)動模塊及引腳圖

圖5 TEC驅(qū)動模塊控制電路圖

控制核心通過設(shè)定TEMPSP引腳電壓，設(shè)定驅(qū)動模塊當(dāng)前控制溫度的指令值。該引腳電壓與2腳參考電壓比例決定TEC驅(qū)動設(shè)定溫度，對應(yīng)范圍為0～100%對應(yīng)15～50℃。

電阻Rp1、Rd1、Ri1及電容Ci1、Cd1形成外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)根據(jù)不同TEC進(jìn)行整定，實(shí)現(xiàn)TEC電流快速穩(wěn)定響應(yīng)。

驅(qū)動模塊與激光器內(nèi)部兩熱敏電阻相連，熱敏電阻是一種對溫度十分敏感的器件，通常由一些金屬氧化物高溫?zé)Y(jié)而成，一般制成珠狀、片狀及杠狀等各種形狀[10]。內(nèi)部集成負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)，該電阻25℃下阻值10 K，10℃時阻值約為20 K，40℃時阻值急劇下降到5 K，溫度感應(yīng)敏感，精度較高。通常，熱敏電阻的溫度—阻值關(guān)系可以用經(jīng)驗公式[11]表征為：

其中:RT為溫度為T時的阻值，A為與熱敏電阻材料結(jié)構(gòu)相關(guān)的具有電阻量綱的參數(shù)，β為熱敏電阻固有阻值系數(shù)，T為絕對溫度。

驅(qū)動模塊根據(jù)熱敏電阻當(dāng)前阻值，根據(jù)電阻阻值表及β值，得到激光器內(nèi)各部位溫度，實(shí)現(xiàn)激光器內(nèi)部溫度檢測?？刂破鞅葘囟仍O(shè)定值與實(shí)際反饋值，對TEC進(jìn)行驅(qū)動輸出控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的恒溫控制。

2.2 LD驅(qū)動電路

LD泵浦源需驅(qū)動電路產(chǎn)生恒流源，且輸出穩(wěn)定無浪涌電流。

設(shè)計電源驅(qū)動的激光器所需電流0～1.5 A連續(xù)可調(diào)，LD端電壓0～2.4 V，選用ATLS1.5A104D驅(qū)動模塊進(jìn)行LD控制。

ATLS1.5A104D為ADI公司LD驅(qū)動專用模塊，該模塊滿幅時輸出電流噪聲小于0.95 μA，電流階躍響應(yīng)時間小于200 nS，具有良好輸出穩(wěn)定性與快速性。外部DAC取內(nèi)部參考基準(zhǔn)電壓，并給定電流設(shè)定引腳，調(diào)節(jié)模塊驅(qū)動電流，驅(qū)動模塊及引腳如圖6所示。

圖6 LD驅(qū)動模塊及引腳圖

設(shè)計驅(qū)動模塊外圍電路如圖7所示。

圖7 LD驅(qū)動模塊控制電路圖

通過設(shè)定LD驅(qū)動模塊LIMS及LIM引腳電壓，分別設(shè)定當(dāng)前驅(qū)動電流限值與輸出值。其中，LIMS引腳電壓可對LD驅(qū)動模塊最大輸出電流進(jìn)行限制，LD驅(qū)動輸出電流不大于該引腳設(shè)定的最大值，從而為激光器泵浦提供過流保護(hù)功能，LIM引腳為LD驅(qū)動模塊輸出電流進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定電壓0～2.5 V線性對應(yīng)于驅(qū)動電流0～I(xiàn)MAX，其中IMAX為LIMS腳設(shè)定的最大輸出電流值。

SBDN腳為驅(qū)動模塊工作模式設(shè)定腳，電阻R47、R48、R49為工作模式設(shè)定電路，通過控制器I/O引腳不同輸出狀態(tài)，調(diào)整分壓情況以改變該腳電壓值，可進(jìn)行停止、待機(jī)與工作三種工作模式切換。

驅(qū)動模塊具有輸出電流反饋引腳LIO，該引腳實(shí)時反饋驅(qū)動模塊輸出的驅(qū)動電流大小，反饋對應(yīng)關(guān)系為0～2.5 V對應(yīng)于驅(qū)動電流0～I(xiàn)MAX。STM32控制核心通過AD采樣得到LIO腳電壓，解算出LD驅(qū)動輸出電流，根據(jù)該驅(qū)動電流反饋，調(diào)整驅(qū)動模塊LIM電流設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)LD工作電流與功率的連續(xù)動態(tài)調(diào)節(jié)。

2.3 溫度與光功率采樣電路

溫度采樣利用TEC驅(qū)動模塊及調(diào)理電路進(jìn)行。TEC驅(qū)動模塊除具有工作溫度設(shè)定腳外，還提供溫度反饋量引腳TEMP，該引腳輸出的電壓信號，表征當(dāng)前熱敏電阻阻值下的溫度值，線性對應(yīng)關(guān)系為0～5 V對應(yīng)15～35 ℃。

光功率采樣則是利用激光器泵浦光敏二極管進(jìn)行。為獲取激光器泵浦實(shí)際功率，激光器內(nèi)部LD光源旁置有小棱鏡，對光源進(jìn)行衰減折射，折射后的光照亮光敏二極管，產(chǎn)生受激電流。通過采樣該電流得到LD發(fā)光功率反饋。

溫度與光功率采樣電路實(shí)現(xiàn)方法原理相同。信號經(jīng)調(diào)理電路后，經(jīng)運(yùn)算放大器放大，進(jìn)入核心控制器AD采樣模塊，對相應(yīng)信號進(jìn)行采集。由于溫度及光功率采樣精度直接影響激光器控制效果，選用雙路內(nèi)部補(bǔ)償頻率的高增益運(yùn)放LM358進(jìn)行信號調(diào)理，采樣電路如圖8所示。

圖8 溫度與光功率采樣電路

2.4 DA輸出電路

驅(qū)動電源中，2路TEC及LD驅(qū)動模塊均可等效為壓控恒流源，需通過設(shè)定電壓值提供控制指令。因此，核心控制器需提供3路電壓給定信號，實(shí)現(xiàn)LD及2路TEC的驅(qū)動控制。

STM32最多只有1路DA接口，因此，需要外擴(kuò)DA芯片實(shí)現(xiàn)多路電壓輸出。選用TI公司TLV5614集成芯片，該DAC具有SPI數(shù)據(jù)接口，使能及輸出更新控制端，分辨率可達(dá)12位，動態(tài)響應(yīng)時間小于3 μs。

通過SPI接口與核心控制器連接，實(shí)現(xiàn)4路DA輸出擴(kuò)展，DA輸出電路設(shè)計如圖9所示。

圖9 DA輸出電路設(shè)計

3 驅(qū)動電源軟件設(shè)計

驅(qū)動電源軟件設(shè)計有遠(yuǎn)程工作參數(shù)設(shè)定，雙路TEC溫度采樣、LD電流采樣、光功率采樣，雙路TEC溫度控制，LD功率控制，故障診斷與保護(hù)等功能，流程如圖10所示。

圖10 驅(qū)動電源軟件流程圖

控制核心通過RS422通訊接口獲取驅(qū)動電源啟停、工作模式、最大工作電流、恒功率檔位及功率等工作參數(shù)，判斷是否啟動激光器電源輸出。

激光器電源輸出啟動后，進(jìn)行采樣與控制輸出計算，分別執(zhí)行恒溫控制子函數(shù)、恒流或恒功率控制子函數(shù)?？刂谱雍瘮?shù)根據(jù)1.1與1.2中算法模型，采用PI控制方法，控制雙路TEC溫度及LD功率輸出保持穩(wěn)定。

由于LD泵浦光源額定工作電流為1.5 A，如果調(diào)節(jié)時驅(qū)動電流從零瞬間上升至較大值，該電流沖擊變化會對激光器泵浦造成損傷，進(jìn)而減少激光器的使用壽命[12]；當(dāng)激光器關(guān)斷時，流經(jīng)泵浦電路從較高值瞬間降為零同樣會對激光器造成傷害。因此，在LD電流控制與LD功率控制子函數(shù)中，設(shè)計軟件延時啟動及關(guān)斷電路，控制驅(qū)動電流在到達(dá)設(shè)定值過程中緩慢上升或下降，對激光器進(jìn)行保護(hù)。軟啟動過程如下：

軟件對電流變化斜率進(jìn)行限定，電流從0～1.5 A最快變化時間設(shè)定為1秒，即調(diào)節(jié)過程中，電流變化速率不超過1.5 A/s，從而避免電流突變造成的激光器損壞。

故障診斷與保護(hù)子函數(shù)對激光器進(jìn)行實(shí)時保護(hù)。當(dāng)檢測到LD過流、晶體或泵浦超溫或遠(yuǎn)程通訊接口設(shè)定急停時，進(jìn)入該子函數(shù)。激光器驅(qū)動電源將立即停止電流輸出，并將相應(yīng)故障代碼通過通訊接口上傳，實(shí)現(xiàn)激光器故障診斷與保護(hù)功能。

4 試驗結(jié)果與分析

為驗證設(shè)計DFB激光器驅(qū)動電源驅(qū)動效果，搭建試驗平臺分別對DFB激光器驅(qū)動電源的驅(qū)動電流、溫控系統(tǒng)溫度以及激光器恒功率等性能指標(biāo)進(jìn)行測試。

4.1 驅(qū)動電流測試

因激光器工作需要恒溫環(huán)境且電流不宜發(fā)生突變，驅(qū)動電源電流測試采用LD模擬負(fù)載進(jìn)行。電流測試主要考察電流動態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)態(tài)誤差。

4.1.1 電流動態(tài)響應(yīng)

電流動態(tài)響應(yīng)測試時，設(shè)計幅值為1 A階躍電流指令。測得驅(qū)動電源LD驅(qū)動電流輸出如圖11所示。

圖11 電流動態(tài)響應(yīng)曲線

由圖11可以看出，當(dāng)電流指令給定為1A階躍時，驅(qū)動電源LD電流在6 ms內(nèi)上升至設(shè)定值，響應(yīng)迅速且準(zhǔn)確達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)電流達(dá)到設(shè)定值后，無超調(diào)震蕩現(xiàn)象發(fā)生。由此可知，驅(qū)動電源具有良好的動態(tài)響應(yīng)特性。

4.1.2 電路穩(wěn)態(tài)誤差

驅(qū)動電源給定為1 A電流指令，待驅(qū)動電流上升過程結(jié)束后，測量輸出電流穩(wěn)態(tài)誤差，電流波形如圖12所示。

圖12 電流穩(wěn)態(tài)誤差曲線

由圖12看出，使用示波器交流耦合檔對輸出電流1A時進(jìn)行穩(wěn)態(tài)誤差測量，LD驅(qū)動電流的最大誤差不超過±0.035 A。測量結(jié)果表明，當(dāng)驅(qū)動電源穩(wěn)定運(yùn)行時，驅(qū)動電源具有良好的穩(wěn)態(tài)性能。

上述試驗表明，激光器驅(qū)動電源在階躍及穩(wěn)態(tài)測試時，具有良好的動態(tài)響應(yīng)及較小的穩(wěn)態(tài)誤差，電流輸出控制精度高。激光器驅(qū)動電源設(shè)計

4.2 雙路TEC溫度控制測試

DFB激光器在25℃時為最佳工作狀態(tài)，因此將晶體與泵浦TEC控制的目標(biāo)溫度均設(shè)定為25℃。測試時保持LD光源點(diǎn)亮，以改變激光器內(nèi)部環(huán)境溫度。通過采集熱敏電阻值反應(yīng)當(dāng)前實(shí)際溫度，進(jìn)行雙路溫度控制測試，持續(xù)1小時，測試結(jié)果記錄于表1所示。

試驗表明，該雙路TEC溫度控制電路工作穩(wěn)定，當(dāng)激光器內(nèi)部LD光源連續(xù)工作時，晶體及泵浦TEC溫度控制精度不超過±0.1℃，溫控效果良好，達(dá)到設(shè)計指標(biāo)要求。

4.3 激光器恒功率測試

通過遠(yuǎn)程通訊接口，設(shè)定激光器光功率為80 mW，對應(yīng)激光器驅(qū)動電源提供1 A的LD驅(qū)動電流。對激光器輸出光功率穩(wěn)定性進(jìn)行測試，試驗結(jié)果如表2所示。

表1 雙路TEC溫度控制試驗記錄

注：室溫20℃，時間min，溫度單位℃。

表2 激光器輸出光功率試驗記錄

測試結(jié)果表明，激光器電源驅(qū)動電流誤差不大于2%，且激光器光功率穩(wěn)定度誤差不超過0.5%，電源驅(qū)動性能良好，長時工作穩(wěn)定性強(qiáng)。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種帶有雙路TEC溫控的功率可調(diào)DFB激光器驅(qū)動電源，實(shí)現(xiàn)了激光器雙路溫度控制及輸出功率連續(xù)調(diào)節(jié)。經(jīng)充分測試結(jié)果表明，該驅(qū)動電源體積小、溫度及電流控制精度高、光功率穩(wěn)定性好。內(nèi)部集成TEC及LD驅(qū)動模塊，擴(kuò)展性強(qiáng)、穩(wěn)定性高。相較傳統(tǒng)驅(qū)動電源，大大減小了設(shè)計體積，進(jìn)一步提高了溫度及電流控制精度，在激光器驅(qū)動領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。此外，該設(shè)計方案對其他恒流源設(shè)計也有參考借鑒意義。