一種半導(dǎo)體DFB激光器控制電路的設(shè)計(jì)＊

1 引言

近年來光纖通信技術(shù)的超高速發(fā)展，在大容量、長距離光纖通信系統(tǒng)中要求激光光源必須具有高穩(wěn)定及高可靠性。其中半導(dǎo)體分布式反饋（Distributed Feedback Laser）激光器因其具有高集成性、高可靠性及高穩(wěn)定性成為當(dāng)今比較有前途的光通信光源器件之一，并得到社會上廣泛應(yīng)用和研究。

設(shè)計(jì)中主要針對電壓和電流對半導(dǎo)體分布式反饋激光器的影響進(jìn)行研制，選擇DFB激光器結(jié)合硬件電路產(chǎn)生驅(qū)動信號，使DFB激光器發(fā)送出高穩(wěn)定光源信號，特別適合在光纖傳感、光纖通信等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

2 硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

DFB激光器控制電路由ATmegal6微控制器、1 550 nm半導(dǎo)體DFB激光器、驅(qū)動電路和LCD192×128液晶顯示四部分組成。其驅(qū)動電路是負(fù)責(zé)給激光器提供穩(wěn)定的電流及電壓，激光器由驅(qū)動電路控制后發(fā)出穩(wěn)定的光源信號，由LCD192×128液晶顯示屏進(jìn)行顯示。

2.1 ATmegal6微控制器

ATmegal6是基于增強(qiáng)AVR RISC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的8位低功耗的CMOS微控制器。ATmegal6具有先進(jìn)的指令集、單時鐘周期指令執(zhí)行的時間，數(shù)據(jù)吞吐率達(dá)到1MIPS/MHz,進(jìn)而緩減系統(tǒng)在功率消耗及處理速度間的矛盾。ATmegal6內(nèi)核具有32個通用工作寄存器與豐富的指令集。32個寄存器都可以直接和運(yùn)算邏單位（ALU）相互連接，一條指令可在一個時鐘周期范圍內(nèi)同時工作訪問兩個獨(dú)立單元的寄存器，這種設(shè)計(jì)增加了代碼的效率，是普通的CISC微控制器最高到10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。ATmegal6具有以下特點(diǎn)：16 k字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可進(jìn)行編程Flash，1K字節(jié)SRAM,512字節(jié)EEPROM,32個通用工作寄存器，32個通用I/O口線，支持片內(nèi)調(diào)試和編程，用于邊界掃描的JTAG接口，一個SPI串口端口，三個具有比較模式的靈活的定時器/計(jì)時器，片內(nèi)/外中斷，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，可編程串行USART,8路10位具有可選差分輸入級可進(jìn)行編程增益的ADC，有起始條件檢測器的通用串行接口，以及6個可通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。ATmegal6初始化代碼如下。

2.2 1550nm半導(dǎo)體DFB激光器

激光器是用來直接輸出光信號，是整個控制電路設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵器件。它的性能如何將直接關(guān)系到整個光信號的技術(shù)指標(biāo)性能。按照激光器的類型可以分為：量子阱激光器、雙異質(zhì)結(jié)激光器、條形激光器和分布式反饋（DFB）激光器。該設(shè)計(jì)中選用了1 550 nm半導(dǎo)體DFB激光器。DFB（Distributed Feedback Laser）激光器，即是分布式反饋激光器，它的不同地方是內(nèi)置了布拉格光柵。屬于側(cè)面發(fā)射的半導(dǎo)體激光器。DFB激光器是主要為半導(dǎo)體材料當(dāng)介質(zhì)，其包含砷化鎵（GaAs）、銻化鎵(GaSb）、硫化鋅(ZnS) 、磷化銦(InP)等。DFB激光器最大特點(diǎn)是具有非常好的單色性（即光譜純度），它的線寬普遍可以做到1 MHz以內(nèi)，以及具有非常高的邊模抑制比（SMSR），可高達(dá)40～50 dB以上。DFB激光器采用芯片設(shè)計(jì)，芯片分為N極和P極，當(dāng)注入p-n結(jié)的電流較低時，只有自發(fā)輻射產(chǎn)生，隨電流值的增大增益也增大，達(dá)閾值電流時，p-n結(jié)產(chǎn)生激光。其引腳封裝如圖1，其中pin1為激光陽極，pin2為外殼接地，pin3為激光陰極，pin4為監(jiān)控二極管陽極。DFB激光器的具體技術(shù)指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

圖1 DFB激光器引腳圖

表1 DFB激光器技術(shù)指標(biāo)參數(shù)

2.3 脈沖電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

1 550 nm半導(dǎo)體DFB激光器控制電路主要由驅(qū)動電路完成，電路采用了LM358雙運(yùn)算放大器芯片及三極管組成穩(wěn)定電壓及電流回路，其驅(qū)動電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 驅(qū)動電路

LM358雙運(yùn)算放大器芯片內(nèi)部包含兩個高增益、獨(dú)立的、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，非常合適于電源的電壓范圍很寬廣的單電源使用，也合適在雙電源的工作模式中，在實(shí)際推薦的工作條件范圍下，電源的電流和電源的電壓無關(guān)。使用范圍包含了直流增益模塊、傳感放大器和其他所有可用單的電源供電使用的運(yùn)算放大器的地方。LM為塑封8引線雙列貼片式。其具有特性如下：輸出電壓擺幅大（0至Vcc-1.5 V）,內(nèi)部頻率補(bǔ)償，差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍，直流電壓增益高（約100 dB）,共模輸入電壓范圍寬、包括接地，單位增益頻帶寬（約1 MHz）,低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流，電源電壓范圍寬、單電源（3～30 V）、雙電源（±1.5-±15 V），低輸入偏流，低功耗電流、適合于電池供電。其引腳設(shè)置如圖3所示。

圖3 LM358引腳圖

2.4 LCD192×128液晶顯示

ATmega 16控制器處理后的數(shù)據(jù)，由LCD192×128液晶顯示屏進(jìn)行顯示。LCD192×128是一種點(diǎn)陣中文/圖形液晶顯示器，不單能顯示單一文本材料，還可以實(shí)現(xiàn)雙圖層的合成（“與”、“或”、“同或”、“異或”四種邏輯關(guān)系），此外還能產(chǎn)生四階灰度的效果。LCD192×128液晶顯示屏初始化命令代碼如下。

3 性能指標(biāo)測試

將設(shè)計(jì)中1 550 nm的DFB激光源通過日本橫河（YOKOGAWA）公司的光譜分析進(jìn)行測試，其光譜圖如圖4所示，其中心波長是1 550 nm，輸出功率3.2 dBm。

圖4 1 550 nm激光源光譜圖

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的驅(qū)動控制電路主要是針對1 550 nm半導(dǎo)體DFB激光器進(jìn)行驅(qū)動，使激光器輸出高穩(wěn)定的光源信號，其工作的技術(shù)指標(biāo)通過試驗(yàn)測試都滿足了激光器的技術(shù)指標(biāo)參數(shù)，完全滿足商業(yè)應(yīng)用及推廣。