方 冉， 沈麗娜

(安徽工商職業(yè)學(xué)院 應(yīng)用工程學(xué)院，安徽 合肥 231131)

引言

半導(dǎo)體激光器誕生距今過去半個多世紀。與其它激光器相比，由于半導(dǎo)體激光器無論在重量、體積和結(jié)構(gòu)等物理特性方面，還是效率、壽命等光電特性方面都具有巨大優(yōu)勢而被廣泛采用。半導(dǎo)體激光器的出現(xiàn)，使光通信行業(yè)的飛速發(fā)展成為可能。在50多年時間里，不斷涌現(xiàn)出多種結(jié)構(gòu)類型半導(dǎo)體激光器[1]。作為半導(dǎo)體激光器中的一種典型產(chǎn)品，蝶形激光器可直接應(yīng)用于摻雜光纖放大器、非線性光纖放大器、ASE光源、鎖模激光器等多種光學(xué)器件中，所以蝶形激光器在光通信系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用[2-3]。

在實際使用中，蝶形激光器一項重要指標——輸出光功率會受到溫度和驅(qū)動電流的巨大影響。因為電流和溫度的任何細小變化都會使輸出光功率偏離預(yù)設(shè)值，進而導(dǎo)致光源輸出的穩(wěn)定性變差。在使用光源進行測量時，就無法滿足所需精度[4]。為此，人們嘗試了很多方法，包括采用新材料、新工藝來提高激光器性能以及改進驅(qū)動電路，使得激光器供電更加穩(wěn)定。根據(jù)半導(dǎo)體激光器的發(fā)光原理，驅(qū)動電流高于閾值電流即可輸出一定功率的光，驅(qū)動電流的大小決定了輸出光的強弱。為了降低閾值電流，可以通過對器件的空穴、電子和光子的控制，同時輔以新材料、新工藝來實現(xiàn)。通過減小溫度和電流的變化，可以有效提高蝶形激光器的輸出穩(wěn)定性。

通過對980nm蝶形激光器的發(fā)光原理和加熱/制冷原理的研究，以STM32作為MCU，對激光器內(nèi)部溫度和輸出光功率等參數(shù)進行實時的控制和反饋，使蝶形激光器穩(wěn)定工作。由于STM32具有高性能、低成本、低功耗、地址空間大、存儲容量大、外設(shè)眾多等一系列優(yōu)點，相對于使用放大器等器件的純硬件電路和使用51單片機控制實現(xiàn)蝶形激光器輸出穩(wěn)定來說[5-6]，用STM32進行控制能夠更好地滿足設(shè)計要求，實現(xiàn)寬溫控制，降低成本。本研究為今后設(shè)計其它基于蝶形激光器的光學(xué)器件提供了參考。

1 原理

蝶形激光器是一種常用、功率較大、功能全面、質(zhì)量可靠的半導(dǎo)體激光器，多為分布反饋式結(jié)構(gòu)。其內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的價電子所處能量較低的能帶為價帶。與價帶相鄰的導(dǎo)帶能量較高，兩者之間部分為禁帶。由于電場激發(fā)，可以使價帶中的電子獲得能量，部分電子從價帶進入導(dǎo)帶并在其中自由運動而形成電流。在價帶中，失去負電電子位置形成正電荷位置，稱為空穴。在外電場的作用下，其中帶負電的電子和帶正電的空穴會產(chǎn)生方向相反的運動而形成電流。當電流注入激光器后，有源區(qū)內(nèi)電子和空穴會在定向移動中不斷復(fù)合并輻射光子，光子在有源層表面光柵處會被反射。有源層表面光柵沿縱向排列，且間隔相等、均勻分布，激光振蕩在此結(jié)構(gòu)中形成光耦合，原理如圖1所示[7]。且只有滿足(1)式時，才能實現(xiàn)動態(tài)的單縱模工作，即分布式反饋條件(一般m取1)，進而產(chǎn)生高功率的激光。

圖1 蝶形激光器的發(fā)光原理Figure 1 The luminous principle of butterfly laser

A=mn/2

(1)

此外，由于蝶形激光器輸出光功率較大，正常工作時會產(chǎn)生大量熱量，如不及時散熱，將會給激光器帶來不可逆的影響，甚至造成激光器的損壞。另一方面，在低溫條件下，激光器工作產(chǎn)生熱量升溫，與環(huán)境溫度的差異會使激光器輸出光功率和波長的穩(wěn)定性受到很大影響。因此，在激光器內(nèi)部利用負溫度系數(shù)電阻的帕爾貼效應(yīng)和帕爾貼介質(zhì)保證了激光器內(nèi)部溫度穩(wěn)定[8]。

對于幾乎不含自由電子的P型半導(dǎo)體和含有自由電子較多的N型半導(dǎo)體，分別呈現(xiàn)正溫差電勢和負溫差電勢。外加正偏電壓時，由于P型半導(dǎo)體電勢高，N型半導(dǎo)體電勢低，電子會在電場的作用下由低電勢向高電勢運動，使得結(jié)頭處溫度升高；反之，結(jié)頭處溫度降低。該效應(yīng)稱為帕爾貼效應(yīng)，又稱半導(dǎo)體熱電效應(yīng)。

一種根據(jù)帕爾貼效應(yīng)設(shè)計的熱電偶如圖2所示，其中的連接片和導(dǎo)線等材料不會對電路特性產(chǎn)生較大影響，并且由于金屬導(dǎo)體優(yōu)良的導(dǎo)熱特性，可以在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體接頭處進行熱量的快速傳導(dǎo)[9]。

圖2 帕爾貼效應(yīng)工作原理圖Figure 2 Working principle of Peltier effect

2 方案設(shè)計

2.1 概述

總體設(shè)計思路如下：模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC實時采集蝶形激光器內(nèi)部的NTC的溫度數(shù)據(jù)反饋至MCU，將采集信號值與預(yù)先設(shè)定的溫度值(電壓值)進行比較并產(chǎn)生兩路PWM方波，驅(qū)動外部的H橋電路進行雙向電流的傳輸，控制蝶形激光器內(nèi)部的TEC制冷或者加熱，以保證激光器內(nèi)部溫度穩(wěn)定。同時，依據(jù)ADC得到的激光器中PD的反饋電壓，利用MCU向DAC輸出相應(yīng)的偏置電壓，進而由BJT產(chǎn)生供LD驅(qū)動的電流，結(jié)合軟件算法對蝶形激光器的功率輸出形成穩(wěn)定閉環(huán)，使得蝶形激光器光功率保持穩(wěn)定。

其原理見圖3和圖4所示。

圖3 自動溫度控制系統(tǒng)圖

圖4 自動功率控制系統(tǒng)圖

軟件方面，采用的STM32是基于Keil 5的IDE對MCU進行編程和調(diào)試。對于整個項目的不同功能，使用模塊化編程的設(shè)計思路，即將每一個子模塊的驅(qū)動以一個.c和一個.h文件進行封裝，在主函數(shù)頭文件中加入所有子模塊的.h文件，并且在需要使用它們的時候，直接調(diào)用。使用這種方式，便于編寫、維護、修改和移植代碼。并且對于硬件的改動，在軟件上也能做到快速升級。此外，每一個功能都可以單獨測試，同時不影響主程序的正常運行。軟件流程圖如圖5所示，功率閉環(huán)的流程如圖6所示。

圖5 軟件整體流程圖

圖6 功率閉環(huán)模塊的流程圖

2.2 溫度閉環(huán)控制

溫度閉環(huán)控制包括溫度采集、電壓(溫度)比較、PID反饋控制和PWM驅(qū)動等過程。

溫度采樣的硬件電路如圖7所示。首先，由穩(wěn)壓芯片REF3012提供1.24V參考電壓信號，通過一個運算放大器，將激光器內(nèi)部的負溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC熱敏電阻)轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)過采樣精度為12位，采樣速率為100KHz的ADC轉(zhuǎn)換器TLV2543送至后端。

圖7 溫度采樣的硬件電路圖

由式(2)和數(shù)據(jù)手冊中的相關(guān)數(shù)據(jù)，得到NTC熱敏電阻值與溫度值的關(guān)系，通過MCU計算得到對應(yīng)的參考溫度(電阻)值，并轉(zhuǎn)換成參考電壓。

RT=R0×e[B·(1/T-1/T0)]

(2)

其中，R0為常溫下的電阻值(一般為25℃)，B為NTC熱敏電阻的系數(shù)，T0為常溫下的電阻值(一般為25℃)，RT和T為對應(yīng)的NTC熱敏電阻值和溫度值。

將采集到的溫度值和參考溫度值進行比較，控制制冷或加熱。由MCU內(nèi)部產(chǎn)生的兩路PWM方波驅(qū)動H橋集成芯片DRV592，從而輸出大小、方向?qū)崟r改變的TEC驅(qū)動電流。此外，當電路溫度過高或電流過載時，芯片內(nèi)部的保護電路可以有效防止由此對系統(tǒng)造成的不可逆的影響，并且示錯指示端會因電路過載而自動復(fù)位。其硬件電路見圖8所示。

圖8 DRV592驅(qū)動電路

2.3 功率閉環(huán)控制

自動功率控制由激光器驅(qū)動和激光器保護構(gòu)成。在激光器驅(qū)動模塊中，由MCU設(shè)定的電壓量通過SPI標準協(xié)議送給12位精度的D/A轉(zhuǎn)換芯片。由電壓跟隨器和基于Darlington管的恒流源電路向激光器輸出恒定的驅(qū)動電流。其原理如圖9所示。

圖9 恒流源驅(qū)動LD的原理圖

激光器的保護模塊由軟件算法實現(xiàn)。為了解決瞬間的開啟和關(guān)閉對激光器造成的不可逆損傷，軟件采用了慢啟動、慢關(guān)閉設(shè)計，延長啟動和關(guān)閉的時間。由單片機控制與激光器驅(qū)動電流相比擬的輸出變量，該變量的值從零開始增加，直到達到預(yù)先設(shè)定的值。在此過程中，激光器的驅(qū)動電流也隨著輸出變量變化，逐漸增加到滿足一定的輸出光功率所需驅(qū)動電流值。慢關(guān)閉過程與之相反，及驅(qū)動電流由大到小逐漸變化到零，即關(guān)閉。從而有效減小了電源開、關(guān)瞬間產(chǎn)生的電流激變帶來的影響。慢啟動、慢關(guān)閉程序模塊可對半導(dǎo)體激光器進行保護,延長其工作壽命。

3 實驗結(jié)果

在25℃條件下，將蝶形激光器的輸出光功率設(shè)置為280.0mW，測試連續(xù)工作時的輸出光功率。前5分鐘，每分鐘測試一次；8小時內(nèi)，每10分鐘測試一次。測試結(jié)果如圖10和圖11所示。

圖10 開機5分鐘輸出光功率測試

圖11 開機8小時輸出光功率測試

用高低溫環(huán)境試驗箱改變蝶形激光器工作環(huán)境溫度并進行測試。溫度箱使環(huán)境溫度從-20℃升高到60℃，在每升高10℃并保溫20min后，對輸出光功率經(jīng)行測試，測試結(jié)果如圖12所示。

圖12 -20℃～60℃輸出光功率測試Figure 12 Output optical power test at -20℃～60℃

經(jīng)測試，該驅(qū)動使980nm蝶形激光器的輸出光功率在100mW～400mW可調(diào)，同時，減小了輸出光功率的波動，開機5分鐘內(nèi)的光功率波動僅為0.1dB，開機8小時內(nèi)光功率波動控制在0.5dB范圍內(nèi)，并且可在-20℃～+60℃的寬溫條件下穩(wěn)定工作，功耗僅為4.55W。

4 結(jié)論

本文根據(jù)對蝶形激光器的原理的探討和研究，通過對驅(qū)動電路的軟、硬件設(shè)計與調(diào)試，實現(xiàn)對激光器內(nèi)部溫度和輸出光功率的實時控制。研究結(jié)果使980nm蝶形激光器的輸出光功率在開機后長時間內(nèi)以及在寬溫范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，達到了研究目的。該研究為今后研究和設(shè)計非線性光纖放大器、ASE光源等光電器件奠定了基礎(chǔ)。