基于遺傳算法的DFB激光器驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)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(qū)動電流的影響.DFB激光器有兩種驅(qū)動模式：

1) 直流驅(qū)動模式.對流經(jīng)激光器PN結(jié)的電流進行深度負反饋處理，達到較高的電流穩(wěn)定度及較快的閉環(huán)響應(yīng)時間，是一種最常見的半導體激光器驅(qū)動方式.

2) 恒定光功率驅(qū)動模式.由于激光器輸出光功率與其驅(qū)動電流存在一定的非線性關(guān)系，在激光器內(nèi)部封裝光電二極管，通過檢測激光器輸出功率，不斷調(diào)整其驅(qū)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(yīng)用中需要保證DFB激光器輸出波長線性可調(diào)，因此，選擇恒流驅(qū)動模式來設(shè)計該驅(qū)動電路.在商品化DFB激光器驅(qū)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(qū)動產(chǎn)品雖然性能優(yōu)越，電流波動最大值約為0.2 μA，電流穩(wěn)定度為0.005%，但是價格昂貴，且為通用性儀器，體積較大.國內(nèi)研制DFB驅(qū)動電源的廠商主要以深圳市南方聯(lián)合實業(yè)有限公司為代表，雖然形成一定的產(chǎn)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(jié)合自身項目實際需求，自主研制高性能DFB激光器驅(qū)動系統(tǒng).

近些年，國內(nèi)外很多科研機構(gòu)和生產(chǎn)廠商均研制了用于專業(yè)用途的半導體激光器溫度控制系統(tǒng)，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(chǎn)廠商如ILX Lightwave，Thorlabs和Newport等的產(chǎn)品一般能夠在-50～100 ℃的環(huán)境下正常工作，且控制精度不低于0.001 ℃.國內(nèi)方面，吉林大學和溫州上通儀表公司聯(lián)合研制的產(chǎn)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(shù)性能較為優(yōu)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(chǎn)品的長期穩(wěn)定度最優(yōu)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(qū)動電源的設(shè)計工作.驅(qū)動電路主要實現(xiàn)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(fā)射波長為1 563.09 nm的DFB激光器進行測試，實驗結(jié)果表明，在電源上電及工作過程中，激光器的驅(qū)動電流沒有毛刺產(chǎn)生，輸出中心波長沒有發(fā)生漂移現(xiàn)象.因此，該電源具有較高的商業(yè)價值.

1 DFB激光器驅(qū)動系統(tǒng)

DFB激光器的驅(qū)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(qū)動電源.根據(jù)DFB激光器技術(shù)參數(shù)，本文設(shè)計的高穩(wěn)定度DFB驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計性能參數(shù)如下：線性電源的紋波系數(shù)低于0.01，±5 V電源的電流驅(qū)動能力為5 A，±12 V電源的電流驅(qū)動能力為3 A.DFB激光器的掃描電流頻率為10～1 000 Hz可調(diào)，電流變化范圍為20～200 mA可控.DFB激光器的調(diào)制電流頻率為5～50 kHz可調(diào)，電流變化范圍為1～10 mA可控.DFB激光器驅(qū)動系統(tǒng)如圖1所示.

低紋波線性電源為整套DFB激光器驅(qū)動系統(tǒng)供電，恒流驅(qū)動包括鋸齒波發(fā)生器、正弦波發(fā)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(chǎn)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(chǎn)生高頻調(diào)制波，并輸出與該高頻調(diào)制波同頻同相的方波，作為后端同步檢測系統(tǒng)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(qū)動電流恒定時，激光器的中心輸出波長保持穩(wěn)定.

圖1 DFB激光器驅(qū)動系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of DFB laser driving system

1.1 低紋波低壓差線性電源設(shè)計

線性電源系統(tǒng)體積較大，且要求輸入電壓較高.整套系統(tǒng)成本低、結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換效率高(大多開關(guān)電源的效率達到95%以上)且比較便攜.開關(guān)電源最大的缺點是紋波系數(shù)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(wěn)壓芯片的線性電源供電系統(tǒng).

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(qū)動需求.每個線性電源均采用LT1083進行設(shè)計，采用形同的電路形式，僅僅是輸入變壓器參數(shù)、保險絲和反饋電阻的參數(shù)略有差異.該款產(chǎn)品內(nèi)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(wěn)定性，電路結(jié)構(gòu)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(wǎng)中的工頻干擾.F1為5 A的保險絲，限制電路系統(tǒng)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(gòu)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(guān)斷瞬間電壓值失衡以損害穩(wěn)壓芯片.PNP型晶體管Q1與R6、C11構(gòu)成電壓緩慢啟動控制電路，晶體管Q1處于飽和狀態(tài)，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(tài)漸漸過渡到截止狀態(tài)，其內(nèi)阻從低阻值逐漸增大，直至開路.集成穩(wěn)壓電源的輸出電壓隨著調(diào)節(jié)端電位逐漸增高，最后穩(wěn)定在所設(shè)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(diào)節(jié)端的紋波，進一步降低輸出電壓的紋波系數(shù).

1.2 高精度恒流驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

恒流驅(qū)動系統(tǒng)由鋸齒波發(fā)生器、正弦波發(fā)生器、加法器及電壓可控恒流源電路組成，溫度測量系統(tǒng)由溫度采集系統(tǒng)及溫度控制系統(tǒng)組成.鋸齒波電路負責產(chǎn)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(chǎn)生高頻調(diào)制波，并輸出與該高頻調(diào)制波同頻同相的方波，作為后端同步檢測系統(tǒng)的基準參考源.

根據(jù)TDLAS-WMS檢測理論，驅(qū)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(diào)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(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD5541產(chǎn)生，高頻正弦波調(diào)制電流由AD9851產(chǎn)生.由于數(shù)模轉(zhuǎn)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(diào)控.

1.2.1 鋸齒波產(chǎn)生電路

鋸齒波產(chǎn)生電路如圖3所示.

圖3 鋸齒波產(chǎn)生電路Fig.3 Sawtooth wave generating circuit

本文系統(tǒng)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(diào)ADR435的輸出電壓，通過6位半數(shù)字電壓表，無需外部電容，能夠提供穩(wěn)定的輸出電壓.在本文系統(tǒng)中，ADR435為多個模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器提供基準電壓，電容C2、C3為外部濾波電容，進一步穩(wěn)定穩(wěn)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(chǎn)生電路

直接數(shù)字式頻率合成器是一種新型的信號產(chǎn)生技術(shù).鑒于直接數(shù)字式頻率合成器的優(yōu)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(fā)生器.

AD9851芯片內(nèi)建的高速DAC芯片輸出頻率超過30 MHz時，芯片出現(xiàn)嚴重發(fā)熱現(xiàn)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(nèi)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(xiàn)，方便用戶通過設(shè)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(gòu)，通過取樣電阻對負載電流進行取樣，完成對MOSFET柵極驅(qū)動電壓的控制.DFB激光器對驅(qū)動電流的精度要求很高，負載驅(qū)動電路必然是高可靠及高穩(wěn)定的恒流電路.電壓可控恒流源電路的驅(qū)動核心元件MOSFET管要求驅(qū)動電流達到100 mA.為了滿足激光器個體差異而引起的驅(qū)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)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(nèi)部集成一個肖特基勢壘二極管，其為MOSFET在關(guān)斷瞬間提供電流釋放回路.

2 遺傳算法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

遺傳算法能夠快速尋優(yōu)，其在高維空間中的搜索是從隨機產(chǎn)生的起始點開始的，根據(jù)設(shè)定的適應(yīng)度函數(shù)指定搜索方向.利用遺傳算法來優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)，其步驟如下：

1) 選取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出樣本集，確定網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)的編碼方式，隨機得到初始種群，對個體位串譯碼，得到網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)，再求得對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)輸出.

由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正模型有25個權(quán)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(xiàn)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(jié)果位于給定的范圍內(nèi).因此，交叉運算在兩個基因的分界處進行.

2) 選定目標函數(shù)，得到網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)度，對網(wǎng)絡(luò)進行評價.將染色體上的權(quán)值和閾值分配到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(shù)為誤差平方和的倒數(shù)，即f1=1/Je1.

3) 根據(jù)適應(yīng)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(yōu)化的系數(shù).

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(shù)學交叉和啟發(fā)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(shù)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(shù).

啟發(fā)式交叉的表達式為

(4)

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

3 DFB激光器驅(qū)動測試實驗

為了降低控制系統(tǒng)軟件設(shè)計的復雜性，提高DFB激光器輸出波長的穩(wěn)定性以及電流控制的精度，本文對自主設(shè)計的驅(qū)動系統(tǒng)性能進行測試.采用該套溫度控制系統(tǒng)對中心波長在1 563.09nm附近的DFB激光器進行系統(tǒng)性能測試實驗.DFB激光器驅(qū)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(diào)制電流頻率為5kHz，電流分辨率為1mA.

3.1 系統(tǒng)驅(qū)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(qū)動電流進行設(shè)置.在零時刻，DFB激光器驅(qū)動系統(tǒng)開始工作，實驗測得的DFB激光器的驅(qū)動電流波形如圖5所示.

圖5 DFB激光器驅(qū)動波形Fig.5 DFB laser driving waveform

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

3.2 系統(tǒng)驅(qū)動穩(wěn)定性測試

在系統(tǒng)整機調(diào)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(jié)果如圖6所示.

圖6 激光器驅(qū)動電流電壓關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curve of laser driving current and voltage

對DFB激光器各驅(qū)動電流輸出紋波進行測試，結(jié)果如圖7所示.

圖7 驅(qū)動電流波動測試結(jié)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(chǎn)的型號為DM3061的六位半高精度多功能數(shù)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(qū)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(wěn)定度約為0.015 5%，從而滿足設(shè)計要求.

3.3 DFB激光器驅(qū)動性能測試

激光器的輸出波長隨電流的變化關(guān)系不僅是激光器的重要性質(zhì)，也是設(shè)計驅(qū)動系統(tǒng)的重點研究內(nèi)容.在實驗中，選擇上述驅(qū)動系統(tǒng)對DFB激光器驅(qū)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(fā)射光譜，其具體實驗步驟為：

1) 設(shè)定DFB激光器的工作溫度為39 ℃，驅(qū)動系統(tǒng)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(shè)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(jié)果如圖8所示.

圖8 激光器輸出中心波長與驅(qū)動電流的關(guān)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(wěn)定的線性關(guān)系.根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到DFB激光器的一個重要參數(shù)，即電流調(diào)諧系數(shù)為0.06～0.07 nm/mA之間.

3.4 激光器發(fā)光光譜測試

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

圖9 DFB激光器發(fā)光光譜Fig.9 Emitting spectrum of DFB laser

圖9中，設(shè)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(jié)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(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)定性良好.

4 結(jié) 論

本文設(shè)計的基于遺傳算法的自適應(yīng)DFB激光器驅(qū)動系統(tǒng)，其驅(qū)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(wěn)定度約為0.015 5%.與造價昂貴的商用集成驅(qū)動系統(tǒng)相比，本文驅(qū)動系統(tǒng)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(tǒng)中，在實際中具有巨大的潛在應(yīng)用價值.

為了進一步提升該DFB激光器驅(qū)動系統(tǒng)的性能指標.在硬件設(shè)計方面，下一步工作可在壓控恒流源部分采用數(shù)字和模擬雙閉環(huán)方式，降低DFB激光器驅(qū)動電源輸出電流紋波噪聲.在軟件設(shè)計方面，采用遺傳算法和模糊PID相結(jié)合的方式，可進一步提升系統(tǒng)穩(wěn)定度和響應(yīng)時間的性能指標.