DBR 激光器驅(qū)動(dòng)及溫控電路設(shè)計(jì)

劉英杰，孔市委，任乾鈺，沈三民

（中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

0 引 言

半導(dǎo)體激光器因其體積小、壽命長(zhǎng)、可調(diào)諧波長(zhǎng)范圍大且可調(diào)諧等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)、通信、醫(yī)療以及軍事等領(lǐng)域扮演著越來(lái)越重要的角色［1-2］。由于半導(dǎo)體激光器是以一定的半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)產(chǎn)生激光的結(jié)型器件，因此微小的電流變化會(huì)對(duì)激光器的影響巨大［3］。半導(dǎo)體激光器的輸出光功率和中心波長(zhǎng)都會(huì)隨電流改變，而電流對(duì)輸出波長(zhǎng)的影響能夠達(dá)到0.02 nm/mA。另外，溫度變化對(duì)激光器的影響也十分明顯，其引起的波長(zhǎng)變化能夠達(dá)到0.2 ～0.4 nm/℃［4］。因此，設(shè)計(jì)一種穩(wěn)定的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路和溫控系統(tǒng)至關(guān)重要。

分布式布拉格反射（Distributed Bragg Reflector，DBR）激光器是一種線寬窄、波長(zhǎng)調(diào)諧范圍較大的半導(dǎo)體激光器。本文以基于可調(diào)諧激光器的光纖傳感解調(diào)系統(tǒng)為背景，設(shè)計(jì)了一種用于該解調(diào)系統(tǒng)的DBR 激光器（中芯光電科技公司生產(chǎn)，型號(hào)OC110SMF）的驅(qū)動(dòng)及溫控電路，為解調(diào)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的光源。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)DBR 激光器的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）的控制電路，主要由可調(diào)諧電流源模塊、溫度控制模塊及系統(tǒng)電源模塊等幾部分構(gòu)成［5］。整體控制電路原理如圖1 所示。

在DBR 激光器工作時(shí)，輸入激光器的電流大小會(huì)對(duì)激光器自身的溫度變化產(chǎn)生影響。如果電流和溫度同時(shí)變化，激光器將不能保證輸出的穩(wěn)定性［6］。因此，本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路將全面把握溫度和電流，在控制溫度穩(wěn)定性的同時(shí)改變激光器所需的電流大小，保證激光器穩(wěn)定工作。

圖1 控制電路原理框圖

2 電流驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

由于對(duì)DBR 激光器進(jìn)行輸出光功率和中心波長(zhǎng)的改變需要3 路電流才能精確控制，因此電流驅(qū)動(dòng)模塊要至少產(chǎn)生3 路電流以供選擇。本設(shè)計(jì)采用具有9 個(gè)電流通道和14 位高精度電流數(shù)模轉(zhuǎn)換的芯片MAX5113。該芯片在工作時(shí)通過(guò)SPI 通信協(xié)議接收FPGA 發(fā)送的數(shù)字指令，并將它們轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量，以精確控制3 個(gè)電流通道的輸出。它的最高工作頻率可達(dá)25 MHz。

根據(jù)DBR 激光器的技術(shù)指標(biāo)，在最佳溫度25 ℃工作時(shí)，3 路電流的范圍要求如表1 所示。

表1 DBR 激光器3 路電流要求

MAX5113 的通道應(yīng)在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中根據(jù)需求進(jìn)行合理選擇和配置。為了更準(zhǔn)確地控制激光器輸出光的中心波長(zhǎng)，在滿足所需電流范圍的前提條件下，應(yīng)盡可能選擇較小范圍的通道，具體的選擇情況如表2 所示。其中，OP6 和OP9 通道均具有兩個(gè)輸出電流范圍，需要配置相應(yīng)的工作模式，選擇需要的電流范圍。9 個(gè)通道配置工作模式的寄存器地址分別為01h ～09h，在其中寫入相應(yīng)的指令，就可以選擇所需的工作模式。

表2 MAX5113 通道參數(shù)

控制9 個(gè)通道電流輸出大小的寄存器地址分別為11h ～19h。寫入寄存器的數(shù)據(jù)大小與每個(gè)通道輸出電流大小呈線性關(guān)系。因?yàn)镸AX5113 是14位的芯片，所以理論輸出的電流為：

式中，Ifull為各個(gè)通道的輸出電流最大值；N為寫入寄存器的數(shù)字量指令，范圍為0 ～16 384，即0x0000 ～0x3FFF。

3 溫度控制模塊設(shè)計(jì)

由于DBR 激光器內(nèi)部具有半導(dǎo)體熱電制冷片（Thermo Electric Cooler，TEC）和負(fù)溫度系數(shù)（Negative Temperature Coef-ficient，NTC）熱敏電阻，因此要控制溫度穩(wěn)定，只需要根據(jù)熱敏電阻反饋的電壓信號(hào)判斷激光器的實(shí)時(shí)溫度，再將其與設(shè)定溫度的電壓作比較，以判斷此時(shí)需要制冷還是制熱，然后通過(guò)外圍電路控制流過(guò)TEC 的電流大小和方向，從而使TEC 制冷或者制熱，以實(shí)現(xiàn)激光器溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)直至穩(wěn)定［7］。

TEC 由多個(gè)利用P 型和N 型半導(dǎo)體材料制成的電偶對(duì)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖2 所示［8］。它利用珀耳帖效應(yīng)實(shí)現(xiàn)制冷和制熱。當(dāng)直流電流信號(hào)流過(guò)由N型材料和P 型材料共同構(gòu)成的熱電偶器件時(shí)，由于電流方向的不同，它將在節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生制冷或制熱，這種現(xiàn)象稱為珀耳帖效應(yīng)［9］。設(shè)珀耳帖效應(yīng)產(chǎn)生的熱量用Q 表示，則有：

式中，I 為流經(jīng)TEC 的電流，π 為珀耳帖系數(shù)。

珀耳帖系數(shù)與TEC 產(chǎn)生溫差時(shí)的電動(dòng)勢(shì)有著密切聯(lián)系：

式中，α 為TEC 產(chǎn)生溫差時(shí)的電動(dòng)勢(shì)；T 為結(jié)點(diǎn)處的溫度，單位為K。珀耳帖效應(yīng)如圖2 所示。

圖2 TEC 結(jié)構(gòu)和珀耳帖效應(yīng)示意圖

本文設(shè)計(jì)的溫控電路選擇以MAX1978 專用溫控芯片為核心，極大地簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，且溫度控制精度更高，可以通過(guò)FPGA 隨時(shí)改變需要設(shè)定的溫度。

3.1 MAX1978 芯片

MAX1978 是Maxim 公司生產(chǎn)的一款體積小、安全性高以及精度高的溫度控制芯片。它的內(nèi)部集成了自穩(wěn)零斬波運(yùn)算放大器、脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）輸出、基準(zhǔn)電壓源、H 橋電路以及TEC 驅(qū)動(dòng)等模塊。自穩(wěn)零斬波運(yùn)算放大器通過(guò)引腳1（OS2）和引腳47（CS）分別與DBR激光器的TEC 正負(fù)兩端相連，用來(lái)檢測(cè)TEC 的電流。它還與一個(gè)內(nèi)部積分放大器連接，加上外圍電路，共同組成了（Proportion Intergration Differentiation，PID）補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，大大提高了溫度控制精確度。MAX1978 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理如圖3 所示。熱敏電阻檢測(cè)TEC 的溫度，然后將其兩端的電壓和設(shè)定的參考溫度對(duì)應(yīng)的電壓進(jìn)行對(duì)比。兩者的電壓差輸入自穩(wěn)放大器，其輸出將會(huì)經(jīng)過(guò)PID 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后進(jìn)入脈寬調(diào)制輸出PWM 控制器，最后通過(guò)FET 對(duì)TEC 進(jìn)行控制，以調(diào)節(jié)電流的方向和大小，實(shí)現(xiàn)制冷和加熱，直到激光器的工作溫度和所設(shè)定的溫度相同［10］。

圖3 MAX1978 內(nèi)部構(gòu)成及工作原理

3.2 芯片外圍電路設(shè)計(jì)

以MAX1978 為核心的溫控電路如圖4 所示。MAX1978 共有48 引腳，采用5 V 電源供電，內(nèi)部有1.5 V 高精度參考電壓源，可通過(guò)引腳46（REF）輸出。

芯片可以通過(guò)引腳36（FREQ）進(jìn)行開關(guān)頻率的設(shè)置。當(dāng)該引腳接地時(shí)，頻率設(shè)置為500 kHz；當(dāng)該引腳接電壓源時(shí)，頻率設(shè)置為1 MHz。芯片的引腳41（MAXV）可以設(shè)定TEC 兩端的最大電壓：

式中，VMAXV由引腳46（REF）分壓獲得，可以根據(jù)TEC 能夠承受的最大電壓設(shè)計(jì)分壓電路，從引腳46（REF）處的基準(zhǔn)電壓分壓獲得合適的電壓。TEC 通過(guò)的最大正反向電流可以通過(guò)引腳39（VMAXIP）和引腳40（VMAXIN）來(lái)設(shè)置。其中，最大正向電流和最大反向電流分別為：

微電阻RSENSE連接在引腳47（CS）和引腳48（OS1）之間。因?yàn)樽畲箅妷褐凳枪潭ǖ模钥梢酝ㄟ^(guò)選取RSENSE控制流經(jīng)TEC 的電流值。

芯片的引腳18（FB-）和引腳19（FB+）分別連接DBR 激光器的實(shí)時(shí)溫度電壓和用戶設(shè)定的溫度電壓。這兩個(gè)電壓分別連接差分增益電路的反向和同向輸入端。本設(shè)計(jì)使用FPGA 控制DA 模塊的輸出電壓來(lái)控制溫度設(shè)定值對(duì)應(yīng)的電壓，電橋電路如圖5 所示。

其中，NTC 是DBR 激光器內(nèi)部集成的負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，其阻值會(huì)隨著激光器內(nèi)部的溫度變化而變化。FPGA 控制輸入DAC 為溫度設(shè)定點(diǎn)，連接FPGA 控制的DA 模塊輸出端口。REF 連接芯片MAX1978 的引腳46（REF）輸出的參考電壓。當(dāng)激光器內(nèi)部溫度和設(shè)定溫度不同時(shí)，R15和NTC 兩端存在電壓差。該電壓差會(huì)從芯片的引腳18（FB-）和引腳19（FB+）輸入，從而控制TEC 驅(qū)動(dòng)電流來(lái)實(shí)現(xiàn)激光器的制冷和制熱，直到電橋平衡。兩端電壓差為0 V，從而達(dá)到溫度穩(wěn)定。

圖5 溫度控制電橋電路

FPGA 控制的DA 芯片選擇ADI 公司的16 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD5541。另外，選擇芯片ADR421BRZ（溫漂3 ppm）給AD5541 提供基準(zhǔn)電壓，選擇芯片AD8628（溫漂小于0.002 μV/℃）作為基準(zhǔn)電壓緩沖的自穩(wěn)零運(yùn)算放大器，從而實(shí)現(xiàn)高精度的電壓輸出。DA 模塊電路如圖6 所示。

PID 溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)很大程度上決定了整個(gè)溫控模塊的響應(yīng)速度和控制精度。圖4 中C18、C19、C20、R7、R8、R13以及芯片內(nèi)部集成的運(yùn)算放大器共同組成了模擬PID 溫度補(bǔ)償電路［11］。PID 的數(shù)學(xué)模型為［12］：

圖6 DA 模塊電路圖

式中，Kp為比例增益系數(shù)，KI為積分增益系數(shù)，KD為微分增益系數(shù)。模擬PID 溫度補(bǔ)償電路需要根據(jù)實(shí)際測(cè)試情況不斷調(diào)整這3 個(gè)參數(shù)，不斷更換其中的電容電阻，以達(dá)到最優(yōu)的控制效果，最終得到電路中各個(gè)參數(shù)值：C18=10 μF，C19=1 μF，C20=0.047 μF，R7=100 kΩ，R8=20 kΩ，R13=1 MΩ。

4 驅(qū)動(dòng)電路性能測(cè)試

為了驗(yàn)證DBR 激光器驅(qū)動(dòng)電路的性能，需要對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。首先測(cè)試電流源芯片MAX5113 輸出的3 路電流穩(wěn)定性，其次測(cè)試溫控電路的控溫效果，最后測(cè)試激光器輸出波長(zhǎng)的穩(wěn)定性。

4.1 電流穩(wěn)定性測(cè)試

測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置MAX5113 的OP5 通道輸出電流78.58 mA，OP6 通道輸出電流118.53 mA，OP9 通道輸出電流4.90 mA。使用KEITHLEY 6 位半數(shù)字萬(wàn)用表，每隔2 min 對(duì)3 個(gè)通道實(shí)際輸出電流值進(jìn)行測(cè)量，連續(xù)測(cè)量100 min。電流穩(wěn)定性曲線如圖7 所示。由圖7 可知，在100 min 內(nèi)OP5、OP6、OP9 輸出電流的最大誤差值分別為0.02 mA、0.008 mA、0.002 mA，計(jì)算可得此3 通道輸出電流的穩(wěn)定度分別為0.025 4%、0.006 74%、0.040 8%。

圖7 電流穩(wěn)定性曲線

4.2 溫度穩(wěn)定性測(cè)試

設(shè)定DBR 激光器溫度為25 ℃，使用KEITHLEY 6 位半數(shù)字萬(wàn)用表，每隔2 min 對(duì)溫控電路中FB-點(diǎn)的電壓（即激光器內(nèi)部熱敏電阻的分壓值）進(jìn)行測(cè)量，連續(xù)測(cè)量100 min，結(jié)果如圖8 所示。由圖8 可知，在100 min 內(nèi)FB-點(diǎn)的電壓最大變化值為0.09 mV，換算可得激光器的溫度波動(dòng)最大為0.005 8 ℃。

圖8 FB-點(diǎn)電壓

4.3 激光器輸出波長(zhǎng)穩(wěn)定性測(cè)試

為驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)電路對(duì)DBR 激光器輸出波長(zhǎng)的控制效果，使用日本橫河公司的AQ6374 型光譜分析儀對(duì)激光器輸出波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)試。激光器輸出波形如圖9 所示。

由于Gain 電流的變化只對(duì)激光器輸出功率有影響，對(duì)輸出波長(zhǎng)幾乎沒(méi)有影響。設(shè)置Gain 電流為120 mA 保持不變，在Phase 電流為0 mA 時(shí)，使Grating電流從0 mA 到100 mA 變化，每次變化0.5 mA，記錄激光器輸出波長(zhǎng)。輸出波長(zhǎng)變化如圖10（a）所示。設(shè)置Gain 電流為120 mA 保持不變，在Grating 電流為0 時(shí)，使Phase 電流從0 到5 mA 變化，每次變化0.05 mA，記錄激光器輸出波長(zhǎng)。輸出波長(zhǎng)變化如圖10（b）所示。由圖10 可知，激光器輸出波長(zhǎng)可在1 544 ～1 553 nm 之間調(diào)諧。Grating 電流在0 ～100 mA逐漸增大時(shí)，輸出波長(zhǎng)逐漸減??；Phase 電流在0 ～5 mA 變化時(shí)，輸出波長(zhǎng)可以變化0.3 nm。

圖9 激光器輸出波形

圖10 輸出波長(zhǎng)變化

設(shè)置激光器在Gain 電流為120 mA、Grating 電流為22.5 mA、Phase 電流為1.8 mA、溫度為25 ℃時(shí)工作，每隔2 min 對(duì)激光器輸出波長(zhǎng)進(jìn)行記錄，連續(xù)測(cè)量100 min。輸出波長(zhǎng)穩(wěn)定性曲線如圖11 所示。由圖11 可知，在100 min 內(nèi)激光器輸出波長(zhǎng)的最大波動(dòng)為0.002 nm，輸出波長(zhǎng)穩(wěn)定性較好。

圖11 輸出波長(zhǎng)

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以FPGA 為核心，使用高精度電流源芯片MAX5113 和溫控芯片MAX1978 實(shí)現(xiàn)了DBR 激光器的驅(qū)動(dòng)及溫控電路設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的電路能夠?qū)崿F(xiàn)電流的連續(xù)可調(diào)，而且保證了激光器工作溫度穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，3 路輸出電流穩(wěn)定度分別可達(dá)0.025 4%、0.006 74%、0.040 8%，溫度波動(dòng)僅為0.005 8 ℃，輸出波長(zhǎng)在1 544 ～1 553 nm 之間可調(diào)，最大波動(dòng)為0.002 nm。綜上所述，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，滿足實(shí)際需求。