用于光纖測(cè)量的1310nm/1550nm半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)電源

廖 平，莫少武

（中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410083）

用于光纖測(cè)量的1310nm/1550nm半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)電源

廖 平，莫少武

（中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410083）

為了實(shí)現(xiàn)光纖的精確快速測(cè)量，設(shè)計(jì)了一種高穩(wěn)定功率連續(xù)可調(diào)的1310nm/1550nm半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)電源。該電源采用電流串聯(lián)負(fù)反饋技術(shù)組成精密恒流源驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光二極管，恒溫控制電路驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷器，從而保證了激光器輸出功率的穩(wěn)定。控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線電路實(shí)現(xiàn)激光源的功率連續(xù)可調(diào)及激光的選擇，通過變速積分PID控制算法消除了積分飽和，加速系統(tǒng)溫度的穩(wěn)定。采用激光保護(hù)和軟啟動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器可靠穩(wěn)定運(yùn)行。結(jié)果表明，半導(dǎo)體激光器工作在室溫25℃時(shí)，溫度穩(wěn)定性達(dá)±0.01℃，激光長(zhǎng)期輸出功率穩(wěn)定度達(dá)±0.018dB。相對(duì)于傳統(tǒng)的1310nm/1550nm半導(dǎo)體激光光源，該光源穩(wěn)定性高、穩(wěn)定速度快、體積小，方便光纖在線測(cè)量。

激光技術(shù)；激光電源；恒溫控制；比例-積分-微分；控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線

引 言

半導(dǎo)體激光器作為一種新型激光光源，其效率高、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、可靠性高、能夠直接調(diào)制［1］。但是半導(dǎo)體激光器作為高量子效率器件，微小的電流變化不僅會(huì)造成半導(dǎo)體激光功率的波動(dòng)，還會(huì)造成輸出波長(zhǎng)光譜的變化。由于半導(dǎo)體激光為電流驅(qū)動(dòng)型器件，高穩(wěn)定的恒流驅(qū)動(dòng)是輸出功率穩(wěn)定的前提。同時(shí)半導(dǎo)體激光器對(duì)溫度非常敏感，環(huán)境溫度的變化不僅會(huì)引起驅(qū)動(dòng)電流的變化，還會(huì)使激光的閥值電流、量子效率、輸出波長(zhǎng)和功率發(fā)生很大變化。因此，恒溫控制使半導(dǎo)體激光工作在室溫下是非常重要的。

隨著光纖通信的高速發(fā)展，1310nm/1550nm半導(dǎo)體激光器被廣泛用于光纖測(cè)量、光無源器件檢測(cè)等方面。而傳統(tǒng)的1310nm/1550nm半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)控制精度低，系統(tǒng)開機(jī)后需等待較長(zhǎng)的時(shí)間后才能正常使用，在運(yùn)行一定時(shí)間后系統(tǒng)輸出功率會(huì)產(chǎn)生較大的偏移和波動(dòng)。為此作者設(shè)計(jì)出一種高穩(wěn)定度連續(xù)可調(diào)的激光電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有快速穩(wěn)定和長(zhǎng)期輸出穩(wěn)定度，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試和工廠應(yīng)用，達(dá)到很好的效果。

1 系統(tǒng)原理

半導(dǎo)體激光器是依靠載流子的注入而工作的，注入電流的穩(wěn)定性對(duì)半導(dǎo)體激光器的功率輸出有很大的影響。圖1為本系統(tǒng)所選的1310nm半導(dǎo)體激光器的 P-I曲線，半導(dǎo)體激光的閥值電流為9.98mA，當(dāng)注入電流小于該電流時(shí)，激光器的增益小于諧振器的損耗，無法形成激光震蕩；當(dāng)注入電流大于閥值電流時(shí)產(chǎn)生了激光震蕩，激光器發(fā)出激光。在外界條件一定的情況下，半導(dǎo)體激光器的輸出光功率隨著注入電流的增加，在一定范圍內(nèi)呈線性增加。當(dāng)注入電流發(fā)生微小改變時(shí)，激光器輸出功率也會(huì)相應(yīng)的改變，因此，半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電源必須是一個(gè)恒流源，具有很高的電流穩(wěn)定度和很小的紋波系數(shù)，否則激光器的工作狀態(tài)就會(huì)受到影響［2］。在這里采用放大器加場(chǎng)效應(yīng)管組成電流串聯(lián)負(fù)反饋電路實(shí)現(xiàn)恒流控制。

Fig.1 P-I characteristic curve of semiconductor diode

半導(dǎo)體激光器自身工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，從而使激光器的溫度升高，同時(shí)外界環(huán)境溫度的變化也會(huì)影響激光器。溫度的變化將對(duì)半導(dǎo)體激光器的閥值電流產(chǎn)生明顯的影響，溫度升高、閥值電流增大、輸出功率降低，并且影響波長(zhǎng)的穩(wěn)定性。所以恒溫控制對(duì)于激光器十分重要，恒定的工作溫度才能保證激光器具有最大的效率和最小的功率波動(dòng)［3-4］。目前很多激光器內(nèi)置半導(dǎo)體制冷器（thermoelectric coolers，TEC），因此，有效地控制TEC是穩(wěn)定激光輸出的重要條件。制冷器TEC由N型和P型半導(dǎo)體材料組成的電偶通過半導(dǎo)體金屬片串聯(lián)、并聯(lián)或者串并聯(lián)焊接而成，其一面熱端一面冷端，當(dāng)電子從其中一個(gè)電偶的P型材料流至N型材料時(shí)，先吸收熱量再將熱量放出，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，從而形成冷熱端，如電子運(yùn)動(dòng)方向相反，冷熱端也改變方向［5］。

2 硬件電路

該系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電源模塊和主機(jī)模塊組成，驅(qū)動(dòng)電源模塊包括恒流源驅(qū)動(dòng)電路、恒溫控制電路、激光源保護(hù)和軟啟動(dòng)電路、控制器局域網(wǎng)絡(luò)（controller area network，CAN）總線電路。主機(jī)模塊由激光源選擇和功率調(diào)節(jié)電路、液晶顯示電路組成，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，完成光源1310nm和1550nm的選擇以及光功率的調(diào)節(jié)。其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

Fig.2 System block diagram of laser power supply

2.1 激光源驅(qū)動(dòng)電路

激光源驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，它包括恒流源驅(qū)動(dòng)電路、軟啟動(dòng)電路和激光源選擇電路。

該恒流源驅(qū)動(dòng)電路主要由放大器U4、場(chǎng)效應(yīng)管Q2、采樣電阻Rs組成，通過負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的恒流源輸出［6-7］。放大器U4A的輸入電壓為U，則激光二極管U3A的電流I=U/Rs。由此可見，驅(qū)動(dòng)電流的精度與輸入電壓U和采樣電阻Rs有關(guān)。本系統(tǒng)中采用 ADI公司生產(chǎn)的精密模擬微控制器ADuC841，其內(nèi)部集成高精密的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（digital to analog converter，DAC）和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analog to digital converter，ADC）以及大容量Flash，特別適用于測(cè)控系統(tǒng)［8］。U即為12位DAC的輸出電壓，其DAC參考電壓為2.5V，溫度系數(shù)為5×10-6/℃，則其分辨率為2.5V/4096=0.61mV。采樣電阻Rs=30Ω、精度為0.1％、溫度系數(shù)為15× 0-6/℃，0805封裝的高精密低漂移電阻，因此驅(qū)動(dòng)電流的分辨率為0.61mV/30Ω=0.02mA，保證了驅(qū)動(dòng)電流的精度。在該電路中，模擬電源AVDD、負(fù)載激光二極管U3A、場(chǎng)效應(yīng)管Q2以及采樣電阻Rs構(gòu)成一個(gè)串聯(lián)負(fù)反饋回路，C56和R40并聯(lián)引入一個(gè)零點(diǎn)，通過加速補(bǔ)償將原來高頻極點(diǎn)移至低頻段來減小系統(tǒng)的震蕩；R43和C58構(gòu)成高通濾波器，作用在于為反饋系數(shù)F提供一對(duì)極點(diǎn)和零點(diǎn)，從而使F的高頻響應(yīng)降低；R41，R42和C57進(jìn)行積分濾波，使輸出電流中高次諧波成分無法（或大部分無法）進(jìn)入運(yùn)放，從而提高了驅(qū)動(dòng)電流的穩(wěn)定性。

Fig.3 Laser source driving circuit

半導(dǎo)體激光二極管是一種結(jié)型器件，抗沖擊能力很差。因此，必須保證激光器兩端不能加上階躍電壓，因?yàn)檫@種上升沿很陡的階躍電壓，即使幅度很小，也會(huì)對(duì)激光器產(chǎn)生不良影響。軟啟動(dòng)電路可以很好地解決這個(gè)問題，所謂軟啟動(dòng)，就是電流源開機(jī)后，電流不是立即加到半導(dǎo)體激光器上，而是通過一定的時(shí)間，從0開始逐漸上升到目標(biāo)值，這樣就從根本上保證了半導(dǎo)體激光器不受電流源開啟時(shí)而產(chǎn)生電沖擊的影響。如圖3所示，當(dāng)soft_start_signal為低電平時(shí)，Q3，Q4打開，power_DAC的電壓被拉低至0，激光不工作；當(dāng)soft_start_signal為高電平時(shí)，Q3關(guān)閉，Q4隨著C49放電而逐漸關(guān)閉，從而使power_ DAC的電壓從0逐漸上升到目標(biāo)值，U4采用的是軌對(duì)軌放大器AD8630，能夠輸出0至電源電壓，實(shí)現(xiàn)激光器的軟啟動(dòng)過程。

激光源選擇和保護(hù)電路由場(chǎng)效應(yīng)管Q1和繼電器K1組成，半導(dǎo)體激光二極管兩端通過常閉繼電器K1短路，即使未開機(jī)，也被保護(hù)免受靜電的破壞。由于浪涌電流在電源接通和斷開時(shí)大量出現(xiàn)，通過控制繼電器就可以避開浪涌電流的沖擊［9］。U4C起限流作用，防止電路出現(xiàn)異常電流過大燒壞激光。

2.2 恒溫控制電路

恒溫控制電路包括溫度采集電路和制冷器驅(qū)動(dòng)電路。

Fig.4 Temperature collection circuit

溫度采集電路如圖4所示，U3B為激光器內(nèi)置的負(fù)溫度系數(shù)（negative temperature coefficient，NTC）熱敏電阻，其具有體積小、穩(wěn)定性好、靈敏度高、價(jià)格低廉等顯著特點(diǎn)，雖然線性度很差，但是激光只要工作在溫度穩(wěn)定的條件就行，一般為室溫下。

制冷器驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示，制冷器TEC驅(qū)動(dòng)采用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX1968A。MAX1968A是一款高效率、高集成、高精度開關(guān)型驅(qū)動(dòng)芯片，適用于Peltier熱電制冷器模塊。

Fig.5 TEC driving circuit

2.3 CAN總線電路

為了實(shí)現(xiàn)激光功率連續(xù)可調(diào)，通過CAN總線進(jìn)行通信。激光源中CAN控制器采用SJA1000，CAN收發(fā)器采用TJA1050T。主機(jī)采用Cortex-M3內(nèi)核的STM32fF103CBT6，內(nèi)部集成CAN控制器。該電路CAN總線兩端必須接2個(gè)120Ω的終端匹配電阻，同時(shí)采用光電隔離器HCPL0600，忽略它們會(huì)使數(shù)據(jù)通信的抗干擾性和可靠性大大降低［10］。主機(jī)通過按鍵輸入要調(diào)節(jié)的激光功率，然后轉(zhuǎn)換為2個(gè)字節(jié)（12位）的數(shù)據(jù)，然后按1個(gè)字節(jié)報(bào)文標(biāo)識(shí)符+1位激光波長(zhǎng)選擇位+2個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)位+1個(gè)字節(jié)校驗(yàn)位發(fā)送給CAN總線，下位機(jī)接收到CAN數(shù)據(jù)后就可以改變激光的打開和輸出功率。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)軟件分為主機(jī)和驅(qū)動(dòng)電源兩部分，通過CAN總線相互通信。上電后，主機(jī)初始化以1310nm波長(zhǎng)默認(rèn)功率工作，然后通過外部中斷來選擇波長(zhǎng)和功率的調(diào)節(jié)。驅(qū)動(dòng)電源初始化后先檢測(cè)環(huán)境的溫度是否加熱或者制冷，然后通過比例積分微分（proportion-integration-differentiation，PID）算法調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度至室溫，再通過CAN總線中斷來判斷激光源的打開和功率的調(diào)節(jié)，在運(yùn)行過程中通過定時(shí)器中斷實(shí)時(shí)環(huán)境檢測(cè)并調(diào)節(jié)溫度實(shí)現(xiàn)恒溫控制，其流程圖如圖6所示。

Fig.6 Flow chart of system software

3.1 變速積分PID

在普通PID的控制算法中，積分的作用是通過消除靜差來提高系統(tǒng)的精度。由于積分系數(shù)是常數(shù)，所以在整個(gè)控制過程中，積分項(xiàng)增量不變。而系統(tǒng)對(duì)積分項(xiàng)的要求是系統(tǒng)偏差小時(shí)積分作用應(yīng)該加強(qiáng)，而在偏差大時(shí)積分作用應(yīng)減弱甚至全無。對(duì)于溫度過程控制變化比較緩慢且?guī)в屑儨蟓h(huán)節(jié)，積分系數(shù)若取小了則不能及時(shí)消除靜差，若取大了則又會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，甚至積分飽和。在此系統(tǒng)中采用變速積分PID算法，來改變積分項(xiàng)的累積速度，加速了系統(tǒng)溫度的穩(wěn)定，效果顯著［11-12］。變速積分PID公式如下：

式中，U（k）表示變速積分的輸出值，kp，ki，kd為比例常數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)；E（k），E（k-1）為k，k-1時(shí)刻12位ADC采樣熱敏電阻值與目標(biāo)值的差。

式中，A和B為變速積分PID的積分控制區(qū)間，當(dāng)溫差變大時(shí)，積分部分的作用變小；溫差很小時(shí)，積分作用變強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的快速穩(wěn)定。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

系統(tǒng)采用14腳雙列直插式封裝（dual in-line package，DIP）封裝半導(dǎo)體激光器，內(nèi)部集成熱敏電阻、制冷器TEC用于恒溫控制。本系統(tǒng)中，通過PID參量確定得kp=12，ki=0.03，kd=10，A=200，B= 100，采樣時(shí)間為0.4s，通過定時(shí)器中斷采集熱敏電阻的阻值，換算得到溫度曲線如圖7所示。從圖中可知，系統(tǒng)溫度的控制精度為±0.01℃，并很快就穩(wěn)定到室溫25℃，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

Fig.7 Temperature curve of the laser power supply

實(shí)驗(yàn)中1310nm激光器的額定功率為4.324mW，額定電流為35mA，圖8為激光工作在額定功率下電流曲線圖，通過采集放大器U4C的電壓值除以精密電阻Rs的阻值得到，橫坐標(biāo)為采樣點(diǎn)，采樣時(shí)間為0.2s，采樣1500個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。從圖可知，該電流源非常穩(wěn)定，最大偏差為±0.02mA，紋波電流基本為0。

Fig.8 Current curve of the laser power supply

圖9是激光電源工作12h后，用標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)通過上位機(jī)測(cè)得的2000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)繪成的功率曲線圖，橫坐標(biāo)為采樣點(diǎn)，采樣時(shí)間為0.05s。從圖中可知，激光電源輸出的平均功率為1.435dBm，最大偏差為±0.006dBm，光源穩(wěn)定度為±0.018dB。

Fig.9 Power curve of the laser power supply

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)使用精密模擬微控制器ADuC841對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行恒流控制，利用變速積分PID算法對(duì)系統(tǒng)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，主機(jī)通過CAN總線實(shí)現(xiàn)激光源1310nm和1550nm的選擇和功率的連續(xù)可調(diào)。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，溫度穩(wěn)定性達(dá)±0.01℃，光源長(zhǎng)期穩(wěn)定度±0.018dB，保證了激光長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的光功率輸出。因此，該系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于光纖測(cè)量以及光無源器件檢測(cè)等很多方面。

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1310nm/1550nm sem iconductor laser power supp ly for the optical fiber measurement

LIAO Ping，MO Shao-wu
（State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing，College of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha 410083，China）

A high stability and continuously adjustable 1310nm/1550nm semiconductor laser power supply was designed for accurate and rapid measurement of the optical fiber.The laser power supply uses precision constant current source to drive the semiconductor laser diodes by applying the current negative feedback control technology and constant temperature control circuit to drive thermoelectric coolers，and ensures the stability of the laser output power.The contrdler area network bus circuit realizes continuous power adjustment and laser source selection，and variable integration proportion-integration-differentiation algorithm eliminates the integral saturation and accelerates the system temperature stability.The laser power supply works reliably and stably under laser protection and soft-start circuit.The experimental results show that the system has stability of temperature of±0.01℃and the long-term output power stability of±0.018dB when the laser works at room temperature 25℃.Compared with the traditional 1310nm/1550nm laser power supply，the system has high and fast stability，small size and facilitates the optical fiber onlinemeasurement.

laser technique；laser power supply；constant temperature control；proportion-integration-differentiation；contrdler area network bus

TN86

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2013.04.028

1001-3806（2013）04-0541-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（90923030）

廖 平（1964-），男，博士，教授，主要從事機(jī)電一體化和計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)的研究。

E-mail：liaoping0＠163.com

2012-08-27；

2012-09-03