激光器綜合參數(shù)測試實驗系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

劉　海，馬翰林，冷樂蒙，李　雷，荊勝羽，張　勝

(中國礦業(yè)大學　信息與電氣工程學院, 江蘇　徐州　221008)

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·實 驗 技 術·

激光器綜合參數(shù)測試實驗系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

劉海，馬翰林，冷樂蒙，李雷，荊勝羽，張勝

(中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院, 江蘇徐州221008)

該文設計實現(xiàn)了一種半導體激光器綜合參數(shù)測試實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過微處理器控制搭建好的激光器驅(qū)動電路與激光器溫度控制電路，運用控制變量法，分別采集驅(qū)動電流或溫度改變后激光器的電壓、電流和光功率等數(shù)據(jù)，通過串口將數(shù)據(jù)返回到上位機進行數(shù)據(jù)處理并繪制對應的曲線圖。通過測試，實驗系統(tǒng)可完成激光器綜合參數(shù)的測試，并可用于光電技術綜合實驗及專業(yè)綜合實踐能力訓練。

半導體激光器；參數(shù)測試；P-I-V曲線；實驗系統(tǒng)

近年來，隨著半導體激光器在光通信領域、光電子行業(yè)的應用和發(fā)展，其作為光源已廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科學技術、生物醫(yī)療等社會生產(chǎn)的眾多領域，為推進社會的發(fā)展起了重要作用[1-3]。在生產(chǎn)實踐中，半導體激光器性能主要通過其性能參數(shù)進行表征。這些參數(shù)在一定程度上體現(xiàn)了半導體激光器工作原理、物理特性，為評價其性能提供了依據(jù)。因此將半導體綜合參數(shù)測試引入教學實驗中具有重要意義。

半導體激光器相關實驗是激光原理與激光技術、光電子技術科學等專業(yè)的重要組成部分。在實驗內(nèi)容方面，許多高校與教學工作者做了很多探索[4-9]。但是，在實際教學中，對半導體激光器工作原理和工作過程缺乏直觀認識。為了滿足教學需要，將半導體激光器綜合參數(shù)測定實驗系統(tǒng)引入教學工作中，通過測定激光器相關參數(shù)，幫助學生進一步了解其工作原理，不僅有助于深入理解理論知識，提高實驗技能，還可培養(yǎng)學生分析與解決問題的能力，完善了半導體激光器的教學內(nèi)容。

該測試系統(tǒng)與光電技術方向課程教學相對應，滿足社會需求并培養(yǎng)學生的專業(yè)綜合實踐能力，因此，設計出一種穩(wěn)定、快速、溫度控制精度高[10-13]的激光器綜合參數(shù)測試實驗系統(tǒng)顯得尤為重要。

1　測試系統(tǒng)總體結構

本測試實驗系統(tǒng)總體結構主要由系統(tǒng)硬件和PC機軟件兩部分組成。測試系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。系統(tǒng)硬件主要包括微處理器、光探測器、激光器驅(qū)動電路、激光器溫控電路、串行通信接口、軟件及其他外圍電路和器件。PC機軟件主要包括標定界面、串行通信和激光器工作參數(shù)設置界面、P-I-V曲線繪制模塊、光譜圖繪制模塊、激光器測試參數(shù)顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲與歷史數(shù)據(jù)調(diào)取模塊和測試單生成模塊等。

圖1　測試系統(tǒng)結構框圖

2　測試系統(tǒng)硬件設計

測試系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，其主要工作過程是：1)以微處理器為核心，構建ARM最小系統(tǒng)電路，通過微處理器自帶D/A端口分別與激光器驅(qū)動電路和激光器溫控電路連接，由PC機軟件通過串行通信1接口與微處理器通信，控制DA1、DA2輸出，進而完成對半導體激光器工作電流和工作溫度的控制；2)由微處理器I/O口控制光開關，使激光分別進入光探測器和光譜儀，光探測器將光信號轉換為電信號，經(jīng)運算電路放大輸入A/D端口，光譜儀通過串口通信2接口將激光光譜信息數(shù)據(jù)傳輸并處理；3)PC機軟件通過串行通信1接口讀取Flash中已處理好的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)備份和激光器綜合性能參數(shù)、P-I-V曲線和光譜圖等信息顯示，生成測試報告。

2.1測試系統(tǒng)硬件電路設計

測試系統(tǒng)的核心采用STM32F405高性能單片機。該單片機采用工作頻率高達168 MHz的高性能ARM Cortex-M4內(nèi)核，其Flash存儲器和SARM存儲器容量分別為1 MB和192 MB，同時具有4 KB的后備SRAM。STM32F405具有18個A/D轉換通道以及2個分辨率為12位的D/A轉換通道，1個低功耗RTC，12個通用16位定時器，2個通用32位定時器。由于測試系統(tǒng)的設計是為了測試半導體激光器的綜合特性參數(shù)，同時實現(xiàn)對半導體激光器工作狀態(tài)的有效控制和數(shù)據(jù)讀取。在最小系統(tǒng)基礎上引出D/A端口、A/D端口、串行通信接口和SPI通信端口等，通過配合測試系統(tǒng)其他模塊電路完成實驗測試功能。

半導體激光器輸出波長和功率的變化主要通過改變激光器注入電流和工作溫度來實現(xiàn)。由于其主要通過硬件電路改變激光器工作狀態(tài)，并經(jīng)由光纖輸入光探測器檢測光信號強度，不需要使用超聲對激光器光束方向與光強進行調(diào)制。本實驗系統(tǒng)為了獲得半導體激光器P-I曲線、V-I曲線、閾值電流、背光功率、光譜等特性參數(shù)的數(shù)據(jù)信息，設計了激光器驅(qū)動電路和溫控電路，控制半導體激光器的工作狀態(tài)，由串行通信接口電路傳輸測試數(shù)據(jù)。

激光器驅(qū)動電路由TLC2272運算放大器和FZT1047三極管以及其他電容、電阻元器件組成。電路中LASERPOWR+和LASERPOWER-分別接激光器的LD+和LD-，其中ILASER、VLASER端口用于連接單片機A/D端口，讀取激光器工作電路電流和電壓。PC機軟件通過控制單片機D/A端口DAC1的輸出，從而控制激光器的工作電流。電路中ESD0402靜電阻抗器為靜電保護元件，起到保護激光器的作用。

溫控電路的設計以帕爾帖效應為基礎，選用DRV591VFPR溫控芯片搭建而成，如圖2所示。TEMRET1接激光器內(nèi)部熱敏電阻，熱敏電阻另一端接地，TADC連接單片機A/D端口，F(xiàn)AULT0、FAULT1為TEC工作狀態(tài)判定管腳。工作時，PC機軟件通過控制單片機D/A端口DAC2的輸出，設定激光器工作溫度對應的參考電壓，與TEMRET1處連接的熱敏電阻感知激光器實際工作溫度產(chǎn)生的分壓，輸入至PID控制器，通過PID控制器控制接入IN+端口的電壓。DRV591VFPR驅(qū)動器有固定的放大增益約為2.3，TEC+與TEC-兩端的電壓Vout不能大于TEC工作的最大電壓，其關系式為：

Vout=2.3(VIN+-VIN-)=2.3(VIN+-VREF)

因此需要在PID輸出級與DRV591輸入端之間加保護電路，電路由兩個二極管組成，一端接3.0 V，另一端接0.6 V。此時PID控制器最小輸出為0.6 V，最大輸出3.0 V。

2.2測試系統(tǒng)單片機軟件設計

單片機軟件設計主要是單片機程序設計，其功能主要有：串行通信協(xié)議，包含PC機軟件與ARM微處理器的串行通信協(xié)議和ARM微處理器與光譜儀的串行通信協(xié)議?？刂艱/A輸出調(diào)節(jié)激光器工作電流、電壓?？刂艫/D轉換，將轉換后的數(shù)值進行處理，計算轉換系數(shù)，完成系統(tǒng)標定。設置激光器工作溫度、工作電流，采集對應的功率、壓降、光譜圖和信噪比等數(shù)據(jù)信息，進行數(shù)據(jù)處理和存儲等。根據(jù)功能的要求，采用模塊化設計方法將程序分解為：主控模塊、D/A轉換控制模塊、A/D轉換控制模塊、系統(tǒng)標定模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和串行通信管理模塊等。單片機程序流程圖如圖3所示。

圖2　激光器溫控電路

圖3　單片機程序流程圖

3　PC機軟件設計

PC機軟件主要在VS2010編譯環(huán)境下，采用C#語言編寫完成。實現(xiàn)功能主要包括：串行通信參數(shù)如波特率、串口選擇等設置，測試系統(tǒng)讀取A/D數(shù)據(jù)與實際值之間轉換系數(shù)的標定，激光器工作溫度、掃描起始電流、掃描電流間隔、掃描終止電流、掃描點等工作參數(shù)設定，激光器測試的P-I、V-I數(shù)據(jù)存儲與P-I-V曲線圖繪制，光譜圖繪制，測試激光器的閾值電流、背光功率、壓降、實際工作溫度、中心波長、信噪比等性能數(shù)據(jù)顯示與存儲，不同波長激光器測試模板選擇，歷史測試數(shù)據(jù)查詢，測試單生成等功能。

軟件采用模塊化設計方法，除窗口主要顯示界面外還包括：標定界面、串行通信和激光器工作參數(shù)設置界面、P-I-V曲線繪制模塊、光譜圖繪制模塊、激光器測試參數(shù)顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲與歷史數(shù)據(jù)調(diào)取模塊和測試單生成模塊等。在設計過程中，按照不同模塊功能設計不同的跳轉界面，相互關聯(lián)。

4　測試實驗

基于上述測試系統(tǒng)硬件設計和PC機軟件設計，選擇波長為1 653 nm的DFB半導體激光器，完成激光器的測試實現(xiàn)。測試中PC機軟件界面與生成測試單如圖4和表1所示。

(a)激光器I-V曲線

(b)激光器輸出光譜圖4　PC機軟件界面

參數(shù)名稱參數(shù)范圍最小值典型值最大值測試數(shù)據(jù)備注閾值電流/mA101510.00輸出功率/mV356.39參考電流/mA5025.00閾值電壓/V231.48工作溫度/℃15253525.00背光電流/μA295.00P-I曲線斜率/W·A-10.19信噪比/dB3553.08譜線寬度/nm0.021@3dB信噪比/dB1653.7

基于設計完成的測試系統(tǒng)，通過對半導體激光器的測試實驗，完成對激光器P-I曲線、V-I曲線、光譜圖以及其他綜合特性參數(shù)的測試，實現(xiàn)了本測試系統(tǒng)的設計要求。

5　結束語

半導體激光器是光電技術方向必須熟悉掌握的器件，激光器綜合參數(shù)測試系統(tǒng)不但可以完成對生產(chǎn)的激光器進行快速地測試，提供P-I曲線、V-I曲線、光譜圖以及其他綜合特性參數(shù)，從而鑒別激光器品質(zhì)好壞，還增加了教學中光電技術課程配套實驗，豐富本科實驗教學內(nèi)容。同時了解該測試系統(tǒng)的工作原理，也對學生理解硬件電路設計、軟件設計流程和上位機與下位機通信實現(xiàn)等知識有一個綜合性提高。實驗系統(tǒng)自試用以來，極大地激發(fā)了學生的實驗興趣，提高了學生動手能力。該測試系統(tǒng)擴展能力強，有利于學生進行自主性綜合實驗設計。

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Design and Implementation of an Integrated Parametric Test System of Laser

LIU Hai，MA Hanlin，LENG Lemeng，LI Lei，JING Shengyu，ZHANG Sheng

(School of Information and Electric Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China)

A semiconductor laser integrated parametric testing and experimental system is designed and implemented.Its main principle is to control the laser driving circuit and the laser temperature control circuit by microprocessor,then collect the data of voltage and current and optical power of laser with the changing of driving current or temperature.These data can subsequently be loaded on a computer for processing and drawing the graph by serial port.With the testing and experimental system, integrated parameters of laser can be tested.Meanwhile this system also can be used in the comprehensive experiment of photoelectric technology and the training of professional comprehensive practical ability.

semiconductor laser; parameter test;P-I-Vcurve; experimental system

2015-04-20；修改日期:2016-06-21

國家自然科學基金(51404268)；中國礦業(yè)大學教改項目(2015YB10)。

劉海(1983-)，男，博士，副教授，主要從事光纖傳感與通信技術方面的研究。

G642

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.006