用于光纖測量的1310nm/1550nm半導體激光驅動電源

廖 平，莫少武

（中南大學機電工程學院高性能復雜制造國家重點實驗室，長沙410083）

用于光纖測量的1310nm/1550nm半導體激光驅動電源

廖 平，莫少武

（中南大學機電工程學院高性能復雜制造國家重點實驗室，長沙410083）

為了實現光纖的精確快速測量，設計了一種高穩(wěn)定功率連續(xù)可調的1310nm/1550nm半導體激光驅動電源。該電源采用電流串聯負反饋技術組成精密恒流源驅動半導體激光二極管，恒溫控制電路驅動半導體制冷器，從而保證了激光器輸出功率的穩(wěn)定?？刂破骶钟蚓W絡總線電路實現激光源的功率連續(xù)可調及激光的選擇，通過變速積分PID控制算法消除了積分飽和，加速系統溫度的穩(wěn)定。采用激光保護和軟啟動電路，實現半導體激光器可靠穩(wěn)定運行。結果表明，半導體激光器工作在室溫25℃時，溫度穩(wěn)定性達±0.01℃，激光長期輸出功率穩(wěn)定度達±0.018dB。相對于傳統的1310nm/1550nm半導體激光光源，該光源穩(wěn)定性高、穩(wěn)定速度快、體積小，方便光纖在線測量。

激光技術；激光電源；恒溫控制；比例-積分-微分；控制器局域網絡總線

引 言

半導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、可靠性高、能夠直接調制［1］。但是半導體激光器作為高量子效率器件，微小的電流變化不僅會造成半導體激光功率的波動，還會造成輸出波長光譜的變化。由于半導體激光為電流驅動型器件，高穩(wěn)定的恒流驅動是輸出功率穩(wěn)定的前提。同時半導體激光器對溫度非常敏感，環(huán)境溫度的變化不僅會引起驅動電流的變化，還會使激光的閥值電流、量子效率、輸出波長和功率發(fā)生很大變化。因此，恒溫控制使半導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半導體激光器被廣泛用于光纖測量、光無源器件檢測等方面。而傳統的1310nm/1550nm半導體激光驅動電源系統控制精度低，系統開機后需等待較長的時間后才能正常使用，在運行一定時間后系統輸出功率會產生較大的偏移和波動。為此作者設計出一種高穩(wěn)定度連續(xù)可調的激光電源系統，該系統具有快速穩(wěn)定和長期輸出穩(wěn)定度，經過實驗測試和工廠應用，達到很好的效果。

1 系統原理

半導體激光器是依靠載流子的注入而工作的，注入電流的穩(wěn)定性對半導體激光器的功率輸出有很大的影響。圖1為本系統所選的1310nm半導體激光器的 P-I曲線，半導體激光的閥值電流為9.98mA，當注入電流小于該電流時，激光器的增益小于諧振器的損耗，無法形成激光震蕩；當注入電流大于閥值電流時產生了激光震蕩，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，在一定范圍內呈線性增加。當注入電流發(fā)生微小改變時，激光器輸出功率也會相應的改變，因此，半導體激光器的驅動電源必須是一個恒流源，具有很高的電流穩(wěn)定度和很小的紋波系數，否則激光器的工作狀態(tài)就會受到影響［2］。在這里采用放大器加場效應管組成電流串聯負反饋電路實現恒流控制。

Fig.1 P-I characteristic curve of semiconductor diode

半導體激光器自身工作時會產生熱量，從而使激光器的溫度升高，同時外界環(huán)境溫度的變化也會影響激光器。溫度的變化將對半導體激光器的閥值電流產生明顯的影響，溫度升高、閥值電流增大、輸出功率降低，并且影響波長的穩(wěn)定性。所以恒溫控制對于激光器十分重要，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［3-4］。目前很多激光器內置半導體制冷器（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型半導體材料組成的電偶通過半導體金屬片串聯、并聯或者串并聯焊接而成，其一面熱端一面冷端，當電子從其中一個電偶的P型材料流至N型材料時，先吸收熱量再將熱量放出，實現能量的傳遞，從而形成冷熱端，如電子運動方向相反，冷熱端也改變方向［5］。

2 硬件電路

該系統由驅動電源模塊和主機模塊組成，驅動電源模塊包括恒流源驅動電路、恒溫控制電路、激光源保護和軟啟動電路、控制器局域網絡（controller area network，CAN）總線電路。主機模塊由激光源選擇和功率調節(jié)電路、液晶顯示電路組成，實現人機交互，完成光源1310nm和1550nm的選擇以及光功率的調節(jié)。其系統框圖如圖2所示。

Fig.2 System block diagram of laser power supply

2.1 激光源驅動電路

激光源驅動電路如圖3所示，它包括恒流源驅動電路、軟啟動電路和激光源選擇電路。

該恒流源驅動電路主要由放大器U4、場效應管Q2、采樣電阻Rs組成，通過負反饋實現穩(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，驅動電流的精度與輸入電壓U和采樣電阻Rs有關。本系統中采用 ADI公司生產的精密模擬微控制器ADuC841，其內部集成高精密的數字模擬轉換器（digital to analog converter，DAC）和模擬數字轉換器（analog to digital converter，ADC）以及大容量Flash，特別適用于測控系統［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％、溫度系數為15× 0-6/℃，0805封裝的高精密低漂移電阻，因此驅動電流的分辨率為0.61mV/30Ω=0.02mA，保證了驅動電流的精度。在該電路中，模擬電源AVDD、負載激光二極管U3A、場效應管Q2以及采樣電阻Rs構成一個串聯負反饋回路，C56和R40并聯引入一個零點，通過加速補償將原來高頻極點移至低頻段來減小系統的震蕩；R43和C58構成高通濾波器，作用在于為反饋系數F提供一對極點和零點，從而使F的高頻響應降低；R41，R42和C57進行積分濾波，使輸出電流中高次諧波成分無法（或大部分無法）進入運放，從而提高了驅動電流的穩(wěn)定性。

Fig.3 Laser source driving circuit

半導體激光二極管是一種結型器件，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，因為這種上升沿很陡的階躍電壓，即使幅度很小，也會對激光器產生不良影響。軟啟動電路可以很好地解決這個問題，所謂軟啟動，就是電流源開機后，電流不是立即加到半導體激光器上，而是通過一定的時間，從0開始逐漸上升到目標值，這樣就從根本上保證了半導體激光器不受電流源開啟時而產生電沖擊的影響。如圖3所示，當soft_start_signal為低電平時，Q3，Q4打開，power_DAC的電壓被拉低至0，激光不工作；當soft_start_signal為高電平時，Q3關閉，Q4隨著C49放電而逐漸關閉，從而使power_ DAC的電壓從0逐漸上升到目標值，U4采用的是軌對軌放大器AD8630，能夠輸出0至電源電壓，實現激光器的軟啟動過程。

激光源選擇和保護電路由場效應管Q1和繼電器K1組成，半導體激光二極管兩端通過常閉繼電器K1短路，即使未開機，也被保護免受靜電的破壞。由于浪涌電流在電源接通和斷開時大量出現，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動電路。

Fig.4 Temperature collection circuit

溫度采集電路如圖4所示，U3B為激光器內置的負溫度系數（negative temperature coefficient，NTC）熱敏電阻，其具有體積小、穩(wěn)定性好、靈敏度高、價格低廉等顯著特點，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。

制冷器驅動電路如圖5所示，制冷器TEC驅動采用MAXIM公司生產的MAX1968A。MAX1968A是一款高效率、高集成、高精度開關型驅動芯片，適用于Peltier熱電制冷器模塊。

Fig.5 TEC driving circuit

2.3 CAN總線電路

為了實現激光功率連續(xù)可調，通過CAN總線進行通信。激光源中CAN控制器采用SJA1000，CAN收發(fā)器采用TJA1050T。主機采用Cortex-M3內核的STM32fF103CBT6，內部集成CAN控制器。該電路CAN總線兩端必須接2個120Ω的終端匹配電阻，同時采用光電隔離器HCPL0600，忽略它們會使數據通信的抗干擾性和可靠性大大降低［10］。主機通過按鍵輸入要調節(jié)的激光功率，然后轉換為2個字節(jié)（12位）的數據，然后按1個字節(jié)報文標識符+1位激光波長選擇位+2個字節(jié)數據位+1個字節(jié)校驗位發(fā)送給CAN總線，下位機接收到CAN數據后就可以改變激光的打開和輸出功率。

3 軟件實現

該系統軟件分為主機和驅動電源兩部分，通過CAN總線相互通信。上電后，主機初始化以1310nm波長默認功率工作，然后通過外部中斷來選擇波長和功率的調節(jié)。驅動電源初始化后先檢測環(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）算法調節(jié)系統溫度至室溫，再通過CAN總線中斷來判斷激光源的打開和功率的調節(jié)，在運行過程中通過定時器中斷實時環(huán)境檢測并調節(jié)溫度實現恒溫控制，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的精度。由于積分系數是常數，所以在整個控制過程中，積分項增量不變。而系統對積分項的要求是系統偏差小時積分作用應該加強，而在偏差大時積分作用應減弱甚至全無。對于溫度過程控制變化比較緩慢且?guī)в屑儨蟓h(huán)節(jié)，積分系數若取小了則不能及時消除靜差，若取大了則又會產生超調，甚至積分飽和。在此系統中采用變速積分PID算法，來改變積分項的累積速度，加速了系統溫度的穩(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、積分常數和微分常數；E（k），E（k-1）為k，k-1時刻12位ADC采樣熱敏電阻值與目標值的差。

式中，A和B為變速積分PID的積分控制區(qū)間，當溫差變大時，積分部分的作用變??；溫差很小時，積分作用變強，實現了系統的快速穩(wěn)定。

4 實驗數據

系統采用14腳雙列直插式封裝（dual in-line package，DIP）封裝半導體激光器，內部集成熱敏電阻、制冷器TEC用于恒溫控制。本系統中，通過PID參量確定得kp=12，ki=0.03，kd=10，A=200，B= 100，采樣時間為0.4s，通過定時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，系統溫度的控制精度為±0.01℃，并很快就穩(wěn)定到室溫25℃，達到了設計要求。

Fig.7 Temperature curve of the laser power supply

實驗中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，橫坐標為采樣點，采樣時間為0.2s，采樣1500個數據點。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，用標準光功率計通過上位機測得的2000個數據點繪成的功率曲線圖，橫坐標為采樣點，采樣時間為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 論

本系統使用精密模擬微控制器ADuC841對半導體激光器進行恒流控制，利用變速積分PID算法對系統溫度進行調節(jié)，主機通過CAN總線實現激光源1310nm和1550nm的選擇和功率的連續(xù)可調。通過實驗數據表明，溫度穩(wěn)定性達±0.01℃，光源長期穩(wěn)定度±0.018dB，保證了激光長時間穩(wěn)定的光功率輸出。因此，該系統可以廣泛應用于光纖測量以及光無源器件檢測等很多方面。

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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

國家自然科學基金資助項目（90923030）

廖 平（1964-），男，博士，教授，主要從事機電一體化和計算機測控技術的研究。

E-mail：liaoping0＠163.com

2012-08-27；

2012-09-03