基于遺傳算法的DFB激光器驅動系統設計*

張 煒

(安陽工學院 計算機科學與信息工程學院， 河南 安陽 455000)

DFB激光器輸出光功率和輸出波長受其驅動電流的影響.DFB激光器有兩種驅動模式：

1) 直流驅動模式.對流經激光器PN結的電流進行深度負反饋處理，達到較高的電流穩定度及較快的閉環響應時間，是一種最常見的半導體激光器驅動方式.

2) 恒定光功率驅動模式.由于激光器輸出光功率與其驅動電流存在一定的非線性關系，在激光器內部封裝光電二極管，通過檢測激光器輸出功率，不斷調整其驅動電流，保證激光器輸出光功率恒定[1-4].

由于紅外氣體檢測應用中需要保證DFB激光器輸出波長線性可調，因此，選擇恒流驅動模式來設計該驅動電路.在商品化DFB激光器驅動電源方面，國外廠商包括Wavelength、ILXlight和Alpes lasers公司等.國外成熟的激光器驅動產品雖然性能優越，電流波動最大值約為0.2 μA，電流穩定度為0.005%，但是價格昂貴，且為通用性儀器，體積較大.國內研制DFB驅動電源的廠商主要以深圳市南方聯合實業有限公司為代表，雖然形成一定的產品，但是性能指標不高，電流波動最大值僅為1 μA.因此，針對低電流紋波場合，需要結合自身項目實際需求，自主研制高性能DFB激光器驅動系統.

近些年，國內外很多科研機構和生產廠商均研制了用于專業用途的半導體激光器溫度控制系統，在溫度控制范圍和控制精度方面做出了很多貢獻.國外生產廠商如ILX Lightwave，Thorlabs和Newport等的產品一般能夠在-50～100 ℃的環境下正常工作，且控制精度不低于0.001 ℃.國內方面，吉林大學和溫州上通儀表公司聯合研制的產品一般只能在常溫下工作，控制精度僅為±0.1 ℃[5-6].雖然國外半導體激光器溫度控制器參數性能較為優越[7-8]，但是其體積龐大，價格昂貴，不適合便攜式紅外氣體檢測儀器的需求.國外產品的長期穩定度最優性能僅為±0.1 ℃，不能滿足氣體濃度高檢測精度的要求[9-10].

本文基于遺傳算法完成了對近紅外DFB激光器驅動電源的設計工作.驅動電路主要實現激光器的反向高壓保護、防靜電保護、抑制浪涌電壓和過流保護等功能.采用該電源對發射波長為1 563.09 nm的DFB激光器進行測試，實驗結果表明，在電源上電及工作過程中，激光器的驅動電流沒有毛刺產生，輸出中心波長沒有發生漂移現象.因此，該電源具有較高的商業價值.

1 DFB激光器驅動系統

DFB激光器的驅動電源由兩部分組成，分別為低紋波低壓差線性電源和高精度恒流驅動電源.根據DFB激光器技術參數，本文設計的高穩定度DFB驅動系統的設計性能參數如下：線性電源的紋波系數低于0.01，±5 V電源的電流驅動能力為5 A，±12 V電源的電流驅動能力為3 A.DFB激光器的掃描電流頻率為10～1 000 Hz可調，電流變化范圍為20～200 mA可控.DFB激光器的調制電流頻率為5～50 kHz可調，電流變化范圍為1～10 mA可控.DFB激光器驅動系統如圖1所示.

低紋波線性電源為整套DFB激光器驅動系統供電，恒流驅動包括鋸齒波發生器、正弦波發生器、加法器及電壓可控恒流源電路組成.鋸齒波電路負責產生低頻的掃描電流，使DFB激光器的輸出波長緩慢掃過待測氣體的特征吸收峰.正弦波電路產生高頻調制波，并輸出與該高頻調制波同頻同相的方波，作為后端同步檢測系統的基準參考源.在DFB激光器工作溫度不變的情況下，激光器驅動電流恒定時，激光器的中心輸出波長保持穩定.

圖1 DFB激光器驅動系統框圖Fig.1 Diagram of DFB laser driving system

1.1 低紋波低壓差線性電源設計

線性電源系統體積較大，且要求輸入電壓較高.整套系統成本低、結構簡單、轉換效率高(大多開關電源的效率達到95%以上)且比較便攜.開關電源最大的缺點是紋波系數較大，嚴重影響高精度模擬電路的性能.因此，本文選擇以LT1083為核心穩壓芯片的線性電源供電系統.

輸入電壓為+5 V/5 A，輸出電壓為±12 V/3 A的低紋波線性電源即可滿足DFB激光器的驅動需求.每個線性電源均采用LT1083進行設計，采用形同的電路形式，僅僅是輸入變壓器參數、保險絲和反饋電阻的參數略有差異.該款產品內部電路由電磁屏蔽電路、交流電防浪涌電路、輸出濾波電路及過載保護電路組成，能夠有效地保證電源的可靠性和穩定性，電路結構如圖2所示.

圖2 低紋波線性電源電路Fig.2 Low ripple linear power supply circuit

圖2中，C1為耐壓值為1 000 V的高頻電容，用于濾除掉電網中的工頻干擾.F1為5 A的保險絲，限制電路系統的電流.R1、R2和R8為無感水泥電阻，分別與電容C2和C3、C4和C5構成二級RC濾波器，主要用于濾除全波整流輸出中的交流成分.二級管D1防止電源關斷瞬間電壓值失衡以損害穩壓芯片.PNP型晶體管Q1與R6、C11構成電壓緩慢啟動控制電路，晶體管Q1處于飽和狀態，將電阻R2短接到地，此時，輸出電壓為1.25 V.晶體管Q1從飽和狀態漸漸過渡到截止狀態，其內阻從低阻值逐漸增大，直至開路.集成穩壓電源的輸出電壓隨著調節端電位逐漸增高，最后穩定在所設計的電壓值上.輸出電壓緩慢上升的速度由R3和C1來決定.電阻R3與R7決定輸出的電壓值，電容C10用于濾除調節端的紋波，進一步降低輸出電壓的紋波系數.

1.2 高精度恒流驅動系統設計

恒流驅動系統由鋸齒波發生器、正弦波發生器、加法器及電壓可控恒流源電路組成，溫度測量系統由溫度采集系統及溫度控制系統組成.鋸齒波電路負責產生低頻的掃描電流，使激光器的輸出波長緩慢掃過待測氣體的特征吸收峰；正弦波電路產生高頻調制波，并輸出與該高頻調制波同頻同相的方波，作為后端同步檢測系統的基準參考源.

根據TDLAS-WMS檢測理論，驅動DFB激光器的電流由三部分組成，激光器的偏置電流(要求大于閾值電流)、低頻鋸齒波掃描電流及高頻正弦波調制電流.為了減少電路成本，激光器的偏置電流和低頻鋸齒波掃描電流均由數模轉換芯片AD5541產生，高頻正弦波調制電流由AD9851產生.由于數模轉換芯片輸出為階躍電壓，因此，AD5541輸出接入一級低通濾波器，低通濾波器輸出的鋸齒波信號與正弦波信號送入加法器后，疊加電壓送入可控恒流源電路，對激光器的電流進行調控.

1.2.1 鋸齒波產生電路

鋸齒波產生電路如圖3所示.

圖3 鋸齒波產生電路Fig.3 Sawtooth wave generating circuit

本文系統采用8引腳SOIC封裝的AD5541供電，通過MCBSP端口與TMS320LF28335相連接，其基準電壓源采用ADR435芯片.為了降低電路的串擾，磁珠FB和電容C1為其提供電源去耦功能.電阻R1和滑動變阻器R2微調ADR435的輸出電壓，通過6位半數字電壓表，無需外部電容，能夠提供穩定的輸出電壓.在本文系統中，ADR435為多個模數轉換器和數模轉換器提供基準電壓，電容C2、C3為外部濾波電容，進一步穩定穩壓源的基準電壓，緊緊靠近ADR435的基準電壓輸出管腳.電容C4緊緊靠近AD5541芯片，為該芯片提供局部退耦功能.

1.2.2 正弦波產生電路

直接數字式頻率合成器是一種新型的信號產生技術.鑒于直接數字式頻率合成器的優勢，在后端檢測電路中需要與正弦波同頻率同相位的方波作為參考基準，本文選擇亞德諾半導體公司的AD9851芯片作為正弦波信號發生器.

AD9851芯片內建的高速DAC芯片輸出頻率超過30 MHz時，芯片出現嚴重發熱現象，且輸出波形的幅值隨著頻率的增加而減小.為了方便對AD9851內部寄存器進行刷新控制，選擇外部更新模式，通過將更新時鐘管腳拉高來實現，方便用戶通過設置更新時鐘速率來同步編程信息.

1.2.3 電壓可控恒流源電路

恒流源模塊采用深度負反饋架構，通過取樣電阻對負載電流進行取樣，完成對MOSFET柵極驅動電壓的控制.DFB激光器對驅動電流的精度要求很高，負載驅動電路必然是高可靠及高穩定的恒流電路.電壓可控恒流源電路的驅動核心元件MOSFET管要求驅動電流達到100 mA.為了滿足激光器個體差異而引起的驅動電流的差異，可以提高電路的帶負載能力，電路圖如圖4所示.

圖4 電壓可控恒流源電路Fig.4 Voltage controlled constant current source circuit

通過采樣電阻R13對DFB激光器支路的電流進行取樣，將電流信號轉變成電壓信號，通過改變Vgs的電壓值來改變流過分布反饋式激光器的電流幅值.運放U1A和U1B為兩個同類型的低通濾波器.滑動變阻器R3用于調節正弦波輸出信號的幅值.三角波與正弦波通過加法器U1C完成對信號的疊加.MOSFET內部集成一個肖特基勢壘二極管，其為MOSFET在關斷瞬間提供電流釋放回路.

2 遺傳算法神經網絡

遺傳算法能夠快速尋優，其在高維空間中的搜索是從隨機產生的起始點開始的，根據設定的適應度函數指定搜索方向.利用遺傳算法來優化神經網絡的權系數，其步驟如下：

1) 選取神經網絡的輸入和輸出樣本集，確定網絡權系數的編碼方式，隨機得到初始種群，對個體位串譯碼，得到網絡權系數，再求得對應的網絡輸出.

由于神經網絡正模型有25個權值和閾值變量，取個體為W=(w1，w2，…，wi，…，w25).給定變量的門限值，則個體表現為W=[0.095，0.788，0.817，1.919，-1.925，-1.567，…].遺傳算法使用的交叉和變異算子需要確保運算結果位于給定的范圍內.因此，交叉運算在兩個基因的分界處進行.

2) 選定目標函數，得到網絡適應度，對網絡進行評價.將染色體上的權值和閾值分配到神經網絡中，由訓練集樣本{u(k)，y(k)}和{y(k+1)}分別作為輸入和期望輸出，取評價函數為誤差平方和的倒數，即f1=1/Je1.

3) 根據適應度和交叉變異算法來進行選擇操作，得到新種群，再返回步驟1)，直到性能滿足要求，得到優化的系數.

使用標準化的幾何排序方法進行選擇，其表達式為

(1)

式中，q、r和n分別為選擇概率、個體序列號和種群大小.

交叉算法使用數學交叉和啟發式交叉兩種方式，這種組合方式可以提高算法的探測能力.由數學交叉得到的兩個新個體分別為

(2)

(3)

式中，a∈(0，1)為隨機數.

啟發式交叉的表達式為

(4)

式中，r∈(0，1)為隨機數.如果解得數值的和均不在解空間，那么由新產生的隨機數來重新進行交叉運算.

3 DFB激光器驅動測試實驗

為了降低控制系統軟件設計的復雜性，提高DFB激光器輸出波長的穩定性以及電流控制的精度，本文對自主設計的驅動系統性能進行測試.采用該套溫度控制系統對中心波長在1 563.09nm附近的DFB激光器進行系統性能測試實驗.DFB激光器驅動電流具體指標為：掃描電流頻率為10Hz，電流變化范圍為40～80mA；調制電流頻率為5kHz，電流分辨率為1mA.

3.1 系統驅動波形測試

實驗測試過程如下：實驗中，通過主控制器TMS320LF2812將DFB激光器的驅動電流進行設置.在零時刻，DFB激光器驅動系統開始工作，實驗測得的DFB激光器的驅動電流波形如圖5所示.

圖5 DFB激光器驅動波形Fig.5 DFB laser driving waveform

由實驗數據可知，DFB激光器的驅動方式采用低頻鋸齒波疊加高頻正弦波的方式.鋸齒波驅動電流范圍為40～80 mA，頻率為25 Hz.正弦波驅動電流幅值為15 mA，頻率為5 kHz.

3.2 系統驅動穩定性測試

在系統整機調試時，為了防止電磁空間輻射的干擾，將電路放置在高頻屏蔽盒進行測試，測試結果如圖6所示.

圖6 激光器驅動電流電壓關系曲線Fig.6 Relationship curve of laser driving current and voltage

對DFB激光器各驅動電流輸出紋波進行測試，結果如圖7所示.

圖7 驅動電流波動測試結果Fig.7 Test results of driving current fluctuation

選擇北京普源精電科技有限公司生產的型號為DM3061的六位半高精度多功能數字儀表對控制電壓和反饋電壓進行測量.為了滿足采樣電阻與驅動電流峰值的乘積小于ADC8513輸出電壓峰值5 V的要求，反饋支路的采樣電阻選為51.15 Ω，電流的波動最大值為0.62 μA，電流穩定度約為0.015 5%，從而滿足設計要求.

3.3 DFB激光器驅動性能測試

激光器的輸出波長隨電流的變化關系不僅是激光器的重要性質，也是設計驅動系統的重點研究內容.在實驗中，選擇上述驅動系統對DFB激光器驅動電流進行控制，采用傅里葉紅外光譜儀(分辨度為0.125 cm-1)測量DFB激光器的發射光譜，其具體實驗步驟為：

1) 設定DFB激光器的工作溫度為39 ℃，驅動系統控制DFB激光器分別在40、50、60、70和80 mA下工作.此時，分別測量DFB激光器的輸出光譜.

2) 分別設定DFB激光器的工作溫度為40、41、42和43 ℃，重復上述步驟，利用傅里葉紅外光譜儀對激光器輸出的光譜進行測量，結果如圖8所示.

圖8 激光器輸出中心波長與驅動電流的關系Fig.8 Relationship between output centre wavelength and driving current of laser

由圖8可以看出，當DFB激光器的工作溫度恒定時，其輸出中心波長與工作電流呈穩定的線性關系.根據實驗數據得到DFB激光器的一個重要參數，即電流調諧系數為0.06～0.07 nm/mA之間.

3.4 激光器發光光譜測試

在氣體濃度檢測實驗中，為了保證系統的檢測精度并提高系統的可靠性，需要對半導體激光器輸出穩定的發光光譜，這完全由激光器的驅動系統決定.利用本文驅動系統對同一個DFB激光器的輸出光譜連續三次進行測量，結果如圖9所示.

圖9 DFB激光器發光光譜Fig.9 Emitting spectrum of DFB laser

圖9中，設定DFB激光器的工作溫度為41 ℃，工作電流為60 mA.由實驗分析結果可知，測得的三條激光器輸出譜線幾乎完全重合，說明該激光器驅動系統的穩定性良好.

4 結 論

本文設計的基于遺傳算法的自適應DFB激光器驅動系統，其驅動電流控制范圍在40～80 mA之間，電流的波動最大值為0.62 μA，電流穩定度約為0.015 5%.與造價昂貴的商用集成驅動系統相比，本文驅動系統不僅具有較小的體積，同時也具有較低的成本，能夠非常方便地集成到各種半導體激光器的控制系統中，在實際中具有巨大的潛在應用價值.

為了進一步提升該DFB激光器驅動系統的性能指標.在硬件設計方面，下一步工作可在壓控恒流源部分采用數字和模擬雙閉環方式，降低DFB激光器驅動電源輸出電流紋波噪聲.在軟件設計方面，采用遺傳算法和模糊PID相結合的方式，可進一步提升系統穩定度和響應時間的性能指標.