高精度穩(wěn)定光源研究與設(shè)計(jì)

李 卓，平敏君，胡子健

高精度穩(wěn)定光源研究與設(shè)計(jì)

李 卓，平敏君，胡子健

（萍鄉(xiāng)學(xué)院 機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 萍鄉(xiāng) 337000）

通過外接反饋法，使得半導(dǎo)體激光器輸出的光功率達(dá)到穩(wěn)定，能夠獲得高精度穩(wěn)定光源，系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)主要包含了電源電路、微控制器電路、串口通信電路、激光器電路。經(jīng)過分析和調(diào)試，系統(tǒng)可提供4種波長（850 nm、1310 nm、1490 nm、1550 nm）且光功率穩(wěn)定的激光，滿足輸出光功率穩(wěn)定的要求，保持在24小時(shí)內(nèi)光功率值的波動(dòng)范圍小于0.2 dBm，擁有串口通信功能，使得穩(wěn)定光源能夠與電腦通信，并可以通過電腦發(fā)送命令來修改激光器的輸出功率。

外接反饋法；半導(dǎo)體激光器；穩(wěn)定光源；光功率

光纖通信由于其具有的靈敏度高、耐腐蝕、抗電磁干擾能力強(qiáng)、安全可靠等特點(diǎn)，與其他通信相比發(fā)展速度非常迅速[1]。隨之發(fā)展起來的還有光纖測試技術(shù)，穩(wěn)定光源是光纖測試儀器中最重要的儀器之一。光纖測試不能存在偏差，而光纖測量所需要的光源一般是半導(dǎo)體光源，這種光源發(fā)出的光通常受外界環(huán)境影響較大，光的輸出功率不穩(wěn)定，一旦光源不穩(wěn)定，整個(gè)通信的測量結(jié)果可能出現(xiàn)極大的偏差，所以光源必須要求發(fā)出高穩(wěn)定的光信號(hào)[2]。穩(wěn)定光源就可以發(fā)出功率穩(wěn)定的光信號(hào)，它在光纖測量中的地位就像電子電路測試中用的源表一樣重要。

穩(wěn)定光源能夠輸出光功率穩(wěn)定的光，與光功率計(jì)配合使用，可以測試光纖通信中的各部件的好壞和傳輸損耗[3]；也可配合其他儀器設(shè)備，可測量光纖的其他參數(shù)；更可以通過與標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)配合，對(duì)剛出廠的光功率計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，使得這些剛出廠的光功率計(jì)測量出的光功率更準(zhǔn)確。

1 穩(wěn)定光源系統(tǒng)總體方案

該系統(tǒng)分為電源模塊、微控制器模塊、串口模塊、按鍵模塊、液晶顯示模塊、激光器穩(wěn)定模塊。見圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

各個(gè)模塊的作用如下：

電源模塊：使用3.3 V和5 V線性穩(wěn)壓電源，為其他模塊提供穩(wěn)定度較高，輸出紋波電壓較小的不同電壓；

微控制器模塊：MCU使用的是STM32F103VET6，時(shí)鐘由外部晶振提供，此模塊中MCU提供IO口與各個(gè)模塊相連接；

串口模塊：使得系統(tǒng)可以與電腦通信；

按鍵模塊：通過按鍵來控制系統(tǒng)的工作；

液晶顯示模塊：為系統(tǒng)提供液晶顯示，以便觀察系統(tǒng)中的部分參數(shù)；

激光器穩(wěn)定模塊：使得激光器輸出功率穩(wěn)定的光，且可通過串口命令改變輸出的光功率。

2 穩(wěn)定光源系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 激光器電路

在半導(dǎo)體激光器工作時(shí)，由于半導(dǎo)體激光器存在溫漂特性，導(dǎo)致輸出的光功率的穩(wěn)定性不好。要減小溫漂特性對(duì)輸出光功率的影響，傳統(tǒng)方法就是使用軟件控制PID算法[4]，雖然使用溫度PID算法之后溫漂特性對(duì)輸出光功率的影響有所減少，但是并沒有達(dá)到穩(wěn)定的要求。該系統(tǒng)使用外接反饋法來使得輸出的光功率穩(wěn)定，在電路中使用PD來對(duì)LD進(jìn)行監(jiān)控，利用PD對(duì)LD的反饋來使輸出的光功率穩(wěn)定，即使PD的電壓穩(wěn)定即可使LD輸出的光功率穩(wěn)定[5]。

電路設(shè)計(jì)：圖2表示的是激光器電路，在U2構(gòu)成的電壓比較器中，當(dāng)1腳的電壓比3腳的電壓大時(shí)，會(huì)使得4腳的電壓增大，MCU在VOUT_A處設(shè)置好電壓值，即設(shè)置好了U2的1腳電壓值，在剛打開電源的時(shí)候U2的3腳處的電壓是0V，所以此時(shí)1腳電壓比3腳電壓大，導(dǎo)致4腳的電壓會(huì)增大，和4腳相連接的Q18的基極電壓也會(huì)增大，Q18的電壓增大會(huì)使經(jīng)過Q18的電流也增大，通過LD的電流就隨之會(huì)增大，LD的亮度就會(huì)增大；PD跟LD之間有光纖連接，LD的亮度增大就會(huì)使通過PD的電流增大，隨之R63兩端的電壓增大，U2的3腳電壓也就增大，直到U2的1腳和3腳相等后，電壓比較器4腳的電壓不會(huì)再增大，保持LD在一個(gè)穩(wěn)定的亮度；在激光器運(yùn)行時(shí)，LD輸出的光功率由于溫漂特性會(huì)發(fā)生變化，這些變化會(huì)被PD所監(jiān)控到，這樣PD的功率也會(huì)隨改變，使得U2的3腳電壓也就改變，經(jīng)過上述的過程后，最終使得3腳電壓與1腳電壓相等，LD輸出的光功率也就穩(wěn)定。

圖2 激光器電路

2.2 電源電路設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)中我們需要使用較為穩(wěn)定且紋波小的5 V和3.3 V的直流電壓，若直接使用普通的降壓法，則電壓的穩(wěn)定性不高，因此這里電源選擇的是線性穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓電源是將220 V、50 HZ的交流電壓經(jīng)過變壓器降壓以后，再經(jīng)過整流、濾波和線性穩(wěn)壓，最后輸出一個(gè)紋波電壓較小的和穩(wěn)定性高的直流電壓，表1所示系統(tǒng)功耗分布說明。

表1 系統(tǒng)功耗分布說明

從表1可以知道3.3 V工作電壓下最大功耗需要0.894 W。如果使用線性穩(wěn)壓電源，通常采用70%的效率，得到需要最大功耗為1.28 W，加上激光器驅(qū)動(dòng)電路所需要的功耗，最大選擇2.88 W功耗即可滿足要求。

在將交流電壓降壓之后，先要經(jīng)過如圖3所示的電路，該電路是為了防止電源反接而導(dǎo)致電路損壞而設(shè)計(jì)的，正接輸出電壓與輸入電壓一直，反接無輸出電壓。

圖3 電源防反接電路

在經(jīng)過防反接電路后，就要進(jìn)行線性穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)，將輸出接入圖4所示的5 V電源電路中，得到5 V的線性穩(wěn)壓電源，在電路添加了RC濾波電路。

圖4 5 V電源電路

再將5 V的線性穩(wěn)壓電源的輸出接入圖5所示的3.3 V電源電路中，得到3.3 V的線性穩(wěn)壓電源，在電路中添加LC濾波電路。

圖5 3.3 V電源電路

2.3 串口調(diào)試電路

不同的用戶對(duì)激光器輸出的功率要求不同，所以在系統(tǒng)中添加了串口調(diào)試接口，通過PC機(jī)發(fā)送串口命令，可以修改系統(tǒng)各個(gè)波長的光的輸出功率。即使在系統(tǒng)長期使用過后，導(dǎo)致輸出的光功率降低，也可使用串口命令來提高輸出的光功率。串口接口預(yù)留了150歐姆限流電阻，電阻起到幾個(gè)方面作用，首先電阻串聯(lián)阻抗匹配，減低反射改善信號(hào)質(zhì)量；其次電阻和輸入端構(gòu)成RC濾波電路，濾除高頻，減低噪聲；第三串口在連接的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生高電壓，串聯(lián)電阻可減低電壓保護(hù)芯片。詳細(xì)見圖6串口調(diào)試電路。

圖6 串口調(diào)試電路

2.4 微控制器電路

系統(tǒng)使用的單片機(jī)是STM32F103VET6，STM32F103器件采用Cortex-M3內(nèi)核，CPU最高速度72 MHz。該產(chǎn)品系列具有80個(gè)IO口，16 KB~1 MB Flash、多種控制外設(shè)、USB全速接口和CAN，并且集成度高和易于開發(fā)，滿足系統(tǒng)需求，如圖7微控制器電路。

圖7 微控制器電路

在系統(tǒng)中，MCP4728芯片與MCU中作為I2C的接口相連接，在連接的flash的內(nèi)容（激光器的電壓）發(fā)生變化后，通過I2C將內(nèi)容存儲(chǔ)到MCP4728中，由此來改變激光器的電壓值。由于電壓值是存儲(chǔ)在flash中的，斷電后存儲(chǔ)的值也不會(huì)消失，激光器的輸出也就不會(huì)變化。

圖8 MCP4728芯片電路

3 穩(wěn)定光源系統(tǒng)測試分析

設(shè)備啟動(dòng)后，由于激光器的溫漂特性，最好先讓儀器預(yù)熱1個(gè)小時(shí)再讀取功率值。此測試結(jié)果是在預(yù)熱前就開始了，將波長為1310 nm的激光器輸出與光功率計(jì)相連接，光功率計(jì)通過串口相連接，通過電腦命令控制，每隔分鐘取一次功率值。將記錄的功率值計(jì)入一個(gè)名稱為“穩(wěn)定光源測試.TXT”的文件，將這些值導(dǎo)入Matlab中以生成折線圖，并將功率值的最大值max、最小值min、波動(dòng)最大值d在Matlab的主界面中顯示出來，結(jié)果如圖9所示，圖左側(cè)為“穩(wěn)定光源測試.TXT”的文件的部分?jǐn)?shù)據(jù)，右側(cè)為“穩(wěn)定光源測試.TXT”的數(shù)據(jù)生成的折線圖，觀察折線圖可知，在經(jīng)過接近一個(gè)小時(shí)的預(yù)熱后，穩(wěn)定光源輸出的光的功率接近一條直線[6]，證明輸出的光功率是比較穩(wěn)定的，而且即使不預(yù)熱輸出的光功率值的波動(dòng)范圍也小于0.2 dBm，符合要求。

圖9 光功率穩(wěn)定性測試圖

結(jié)語

根據(jù)測試結(jié)果，系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到了輸出光功率穩(wěn)定的要求，可以使用按鍵來修改工作模式和調(diào)制頻率。但是在這個(gè)光纖通信飛速發(fā)展的時(shí)代，穩(wěn)定光源這類光纖測試設(shè)備也同樣需要飛速發(fā)展，越來越多的地方需要光源，光源的功能也需要越來越強(qiáng)大。

系統(tǒng)還可以進(jìn)行進(jìn)一步的完善：系統(tǒng)中輸出只有4種波長，現(xiàn)在的激光器可輸出波長可調(diào)的激光，然后通過液晶來顯示輸出的波長。這就不需要在換不同波長的激光時(shí)來插拔光纖，在插拔光纖時(shí)會(huì)有插損導(dǎo)致測得的結(jié)果出現(xiàn)偏差。

[1] 胡永杰. 光纖通信技術(shù)特點(diǎn)及未來發(fā)展趨勢(shì)探討[J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品, 2011（16）: 21.

[2] 曹瑞明. 半導(dǎo)體激光器功率穩(wěn)定性的研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱理工大學(xué), 2008.

[3] 蘇寶璽, 陳小君, 吳榮琴. 基于光通信中光損耗的測量與研究[J]. 長春師范大學(xué)學(xué)報(bào), 2017（12）: 19~24.

[4] 賀春貴, 張玉鈞, 劉國華, 等. 半導(dǎo)體激光器溫度控制電路設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究[J]. 電子測量技術(shù), 2017（8）: 27~31+41.

[5] 激光光源將會(huì)成為未來投影光源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[J]. 家庭影院技術(shù), 2017（5）: 5.

[6] 于長興, 盧振生, 張艷鵬. 高功率波長可調(diào)諧的激光器設(shè)計(jì)[J]. 激光雜志, 2017（4）: 45~48.

Research and Design of High Precision Stabilized Semiconductor Lasers

LI Zhuo, PING Min-jun, HU Zi-jian

(School of Mechanical and Electronic Engineering, Pingxiang University, Pingxiang Jiangxi 337000, China)

In the paper, the external feedback method is introduced to stabilize the output power of semiconductor lasers. The hardware circuit design mainly includes power supply circuit, microcontroller circuit, serial communication circuit and laser circuit. After analysis and debugging, the system can provide four kinds of laser with stable optical power (850 nm, 1310 nm, 1490 nm, 1550 nm) and meet the requirement of stable output optical power. The fluctuation range of optical power value within 24 hours is less than 0.2 dBm. It has serial communication function, which enables stable light source to communicate with computer, and can modify the parameters of the instrument by sending commands from computer.

external feedback method; semiconductor laser; stable light source; optical power

2019-10-09

李卓（1985—），男，江西萍鄉(xiāng)人，助教，碩士，研究方向：嵌入式技術(shù)。

TH89

A

2095-9249（2020）03-0028-05

〔責(zé)任編校：吳侃民〕