李 卓，平敏君，胡子健

高精度穩(wěn)定光源研究與設計

李 卓，平敏君，胡子健

（萍鄉(xiāng)學院 機械電子工程學院，江西 萍鄉(xiāng) 337000）

通過外接反饋法，使得半導體激光器輸出的光功率達到穩(wěn)定，能夠獲得高精度穩(wěn)定光源，系統(tǒng)硬件電路設計主要包含了電源電路、微控制器電路、串口通信電路、激光器電路。經過分析和調試，系統(tǒng)可提供4種波長（850 nm、1310 nm、1490 nm、1550 nm）且光功率穩(wěn)定的激光，滿足輸出光功率穩(wěn)定的要求，保持在24小時內光功率值的波動范圍小于0.2 dBm，擁有串口通信功能，使得穩(wěn)定光源能夠與電腦通信，并可以通過電腦發(fā)送命令來修改激光器的輸出功率。

外接反饋法；半導體激光器；穩(wěn)定光源；光功率

光纖通信由于其具有的靈敏度高、耐腐蝕、抗電磁干擾能力強、安全可靠等特點，與其他通信相比發(fā)展速度非常迅速[1]。隨之發(fā)展起來的還有光纖測試技術，穩(wěn)定光源是光纖測試儀器中最重要的儀器之一。光纖測試不能存在偏差，而光纖測量所需要的光源一般是半導體光源，這種光源發(fā)出的光通常受外界環(huán)境影響較大，光的輸出功率不穩(wěn)定，一旦光源不穩(wěn)定，整個通信的測量結果可能出現(xiàn)極大的偏差，所以光源必須要求發(fā)出高穩(wěn)定的光信號[2]。穩(wěn)定光源就可以發(fā)出功率穩(wěn)定的光信號，它在光纖測量中的地位就像電子電路測試中用的源表一樣重要。

穩(wěn)定光源能夠輸出光功率穩(wěn)定的光，與光功率計配合使用，可以測試光纖通信中的各部件的好壞和傳輸損耗[3]；也可配合其他儀器設備，可測量光纖的其他參數(shù)；更可以通過與標準光功率計配合，對剛出廠的光功率計進行校準，使得這些剛出廠的光功率計測量出的光功率更準確。

1 穩(wěn)定光源系統(tǒng)總體方案

該系統(tǒng)分為電源模塊、微控制器模塊、串口模塊、按鍵模塊、液晶顯示模塊、激光器穩(wěn)定模塊。見圖1所示的系統(tǒng)結構圖。

圖1 系統(tǒng)結構圖

各個模塊的作用如下：

電源模塊：使用3.3 V和5 V線性穩(wěn)壓電源，為其他模塊提供穩(wěn)定度較高，輸出紋波電壓較小的不同電壓；

微控制器模塊：MCU使用的是STM32F103VET6，時鐘由外部晶振提供，此模塊中MCU提供IO口與各個模塊相連接；

串口模塊：使得系統(tǒng)可以與電腦通信；

按鍵模塊：通過按鍵來控制系統(tǒng)的工作；

液晶顯示模塊：為系統(tǒng)提供液晶顯示，以便觀察系統(tǒng)中的部分參數(shù)；

激光器穩(wěn)定模塊：使得激光器輸出功率穩(wěn)定的光，且可通過串口命令改變輸出的光功率。

2 穩(wěn)定光源系統(tǒng)硬件設計

2.1 激光器電路

在半導體激光器工作時，由于半導體激光器存在溫漂特性，導致輸出的光功率的穩(wěn)定性不好。要減小溫漂特性對輸出光功率的影響，傳統(tǒng)方法就是使用軟件控制PID算法[4]，雖然使用溫度PID算法之后溫漂特性對輸出光功率的影響有所減少，但是并沒有達到穩(wěn)定的要求。該系統(tǒng)使用外接反饋法來使得輸出的光功率穩(wěn)定，在電路中使用PD來對LD進行監(jiān)控，利用PD對LD的反饋來使輸出的光功率穩(wěn)定，即使PD的電壓穩(wěn)定即可使LD輸出的光功率穩(wěn)定[5]。

電路設計：圖2表示的是激光器電路，在U2構成的電壓比較器中，當1腳的電壓比3腳的電壓大時，會使得4腳的電壓增大，MCU在VOUT_A處設置好電壓值，即設置好了U2的1腳電壓值，在剛打開電源的時候U2的3腳處的電壓是0V，所以此時1腳電壓比3腳電壓大，導致4腳的電壓會增大，和4腳相連接的Q18的基極電壓也會增大，Q18的電壓增大會使經過Q18的電流也增大，通過LD的電流就隨之會增大，LD的亮度就會增大；PD跟LD之間有光纖連接，LD的亮度增大就會使通過PD的電流增大，隨之R63兩端的電壓增大，U2的3腳電壓也就增大，直到U2的1腳和3腳相等后，電壓比較器4腳的電壓不會再增大，保持LD在一個穩(wěn)定的亮度；在激光器運行時，LD輸出的光功率由于溫漂特性會發(fā)生變化，這些變化會被PD所監(jiān)控到，這樣PD的功率也會隨改變，使得U2的3腳電壓也就改變，經過上述的過程后，最終使得3腳電壓與1腳電壓相等，LD輸出的光功率也就穩(wěn)定。

圖2 激光器電路

2.2 電源電路設計

在系統(tǒng)中我們需要使用較為穩(wěn)定且紋波小的5 V和3.3 V的直流電壓，若直接使用普通的降壓法，則電壓的穩(wěn)定性不高，因此這里電源選擇的是線性穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓電源是將220 V、50 HZ的交流電壓經過變壓器降壓以后，再經過整流、濾波和線性穩(wěn)壓，最后輸出一個紋波電壓較小的和穩(wěn)定性高的直流電壓，表1所示系統(tǒng)功耗分布說明。

表1 系統(tǒng)功耗分布說明

從表1可以知道3.3 V工作電壓下最大功耗需要0.894 W。如果使用線性穩(wěn)壓電源，通常采用70%的效率，得到需要最大功耗為1.28 W，加上激光器驅動電路所需要的功耗，最大選擇2.88 W功耗即可滿足要求。

在將交流電壓降壓之后，先要經過如圖3所示的電路，該電路是為了防止電源反接而導致電路損壞而設計的，正接輸出電壓與輸入電壓一直，反接無輸出電壓。

圖3 電源防反接電路

在經過防反接電路后，就要進行線性穩(wěn)壓電源設計，將輸出接入圖4所示的5 V電源電路中，得到5 V的線性穩(wěn)壓電源，在電路添加了RC濾波電路。

圖4 5 V電源電路

再將5 V的線性穩(wěn)壓電源的輸出接入圖5所示的3.3 V電源電路中，得到3.3 V的線性穩(wěn)壓電源，在電路中添加LC濾波電路。

圖5 3.3 V電源電路

2.3 串口調試電路

不同的用戶對激光器輸出的功率要求不同，所以在系統(tǒng)中添加了串口調試接口，通過PC機發(fā)送串口命令，可以修改系統(tǒng)各個波長的光的輸出功率。即使在系統(tǒng)長期使用過后，導致輸出的光功率降低，也可使用串口命令來提高輸出的光功率。串口接口預留了150歐姆限流電阻，電阻起到幾個方面作用，首先電阻串聯(lián)阻抗匹配，減低反射改善信號質量；其次電阻和輸入端構成RC濾波電路，濾除高頻，減低噪聲；第三串口在連接的時候會產生高電壓，串聯(lián)電阻可減低電壓保護芯片。詳細見圖6串口調試電路。

圖6 串口調試電路

2.4 微控制器電路

系統(tǒng)使用的單片機是STM32F103VET6，STM32F103器件采用Cortex-M3內核，CPU最高速度72 MHz。該產品系列具有80個IO口，16 KB~1 MB Flash、多種控制外設、USB全速接口和CAN，并且集成度高和易于開發(fā)，滿足系統(tǒng)需求，如圖7微控制器電路。

圖7 微控制器電路

在系統(tǒng)中，MCP4728芯片與MCU中作為I2C的接口相連接，在連接的flash的內容（激光器的電壓）發(fā)生變化后，通過I2C將內容存儲到MCP4728中，由此來改變激光器的電壓值。由于電壓值是存儲在flash中的，斷電后存儲的值也不會消失，激光器的輸出也就不會變化。

圖8 MCP4728芯片電路

3 穩(wěn)定光源系統(tǒng)測試分析

設備啟動后，由于激光器的溫漂特性，最好先讓儀器預熱1個小時再讀取功率值。此測試結果是在預熱前就開始了，將波長為1310 nm的激光器輸出與光功率計相連接，光功率計通過串口相連接，通過電腦命令控制，每隔分鐘取一次功率值。將記錄的功率值計入一個名稱為“穩(wěn)定光源測試.TXT”的文件，將這些值導入Matlab中以生成折線圖，并將功率值的最大值max、最小值min、波動最大值d在Matlab的主界面中顯示出來，結果如圖9所示，圖左側為“穩(wěn)定光源測試.TXT”的文件的部分數(shù)據(jù)，右側為“穩(wěn)定光源測試.TXT”的數(shù)據(jù)生成的折線圖，觀察折線圖可知，在經過接近一個小時的預熱后，穩(wěn)定光源輸出的光的功率接近一條直線[6]，證明輸出的光功率是比較穩(wěn)定的，而且即使不預熱輸出的光功率值的波動范圍也小于0.2 dBm，符合要求。

圖9 光功率穩(wěn)定性測試圖

結語

根據(jù)測試結果，系統(tǒng)設計達到了輸出光功率穩(wěn)定的要求，可以使用按鍵來修改工作模式和調制頻率。但是在這個光纖通信飛速發(fā)展的時代，穩(wěn)定光源這類光纖測試設備也同樣需要飛速發(fā)展，越來越多的地方需要光源，光源的功能也需要越來越強大。

系統(tǒng)還可以進行進一步的完善：系統(tǒng)中輸出只有4種波長，現(xiàn)在的激光器可輸出波長可調的激光，然后通過液晶來顯示輸出的波長。這就不需要在換不同波長的激光時來插拔光纖，在插拔光纖時會有插損導致測得的結果出現(xiàn)偏差。

[1] 胡永杰. 光纖通信技術特點及未來發(fā)展趨勢探討[J]. 中國新技術新產品, 2011（16）: 21.

[2] 曹瑞明. 半導體激光器功率穩(wěn)定性的研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱理工大學, 2008.

[3] 蘇寶璽, 陳小君, 吳榮琴. 基于光通信中光損耗的測量與研究[J]. 長春師范大學學報, 2017（12）: 19~24.

[4] 賀春貴, 張玉鈞, 劉國華, 等. 半導體激光器溫度控制電路設計及實驗研究[J]. 電子測量技術, 2017（8）: 27~31+41.

[5] 激光光源將會成為未來投影光源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[J]. 家庭影院技術, 2017（5）: 5.

[6] 于長興, 盧振生, 張艷鵬. 高功率波長可調諧的激光器設計[J]. 激光雜志, 2017（4）: 45~48.

Research and Design of High Precision Stabilized Semiconductor Lasers

LI Zhuo, PING Min-jun, HU Zi-jian

(School of Mechanical and Electronic Engineering, Pingxiang University, Pingxiang Jiangxi 337000, China)

In the paper, the external feedback method is introduced to stabilize the output power of semiconductor lasers. The hardware circuit design mainly includes power supply circuit, microcontroller circuit, serial communication circuit and laser circuit. After analysis and debugging, the system can provide four kinds of laser with stable optical power (850 nm, 1310 nm, 1490 nm, 1550 nm) and meet the requirement of stable output optical power. The fluctuation range of optical power value within 24 hours is less than 0.2 dBm. It has serial communication function, which enables stable light source to communicate with computer, and can modify the parameters of the instrument by sending commands from computer.

external feedback method; semiconductor laser; stable light source; optical power

2019-10-09

李卓（1985—），男，江西萍鄉(xiāng)人，助教，碩士，研究方向：嵌入式技術。

TH89

A

2095-9249（2020）03-0028-05

〔責任編校：吳侃民〕