一種可調諧半導體激光器輸出控制方案設計

西安奇芯光電科技有限公司 尚創(chuàng)波 范修宏

本文提出一種可調諧半導體激光器輸出控制的實現(xiàn)方案，方案采用C8051F553+MAX5112做為核心控制芯片，采用USB轉I2C總線方案來實現(xiàn)上位機與控制系統(tǒng)之間的通信,底層控制系統(tǒng)也采用I2C總線與MAX5112與AD5316R進行通訊，通過AD5316R來調節(jié)TEC控制器ADN8834的輸出溫度，從而實現(xiàn)對激光器工作溫度的穩(wěn)定控制，通過MAX5112多路DAC的并聯(lián)組合輸出保證了更大的電流輸出范圍以及更高的控制分辨率，從而保證激光器輸出波長的精準調諧。

隨著光通信技術的不斷發(fā)展，可調諧半導體激光器已經(jīng)成為下一代光纖通信系統(tǒng)關鍵器件之一。在傳統(tǒng)大容量的光纖通信系統(tǒng)中，往往需要多個不同波長的DFB激光器組合來實現(xiàn)對不同波長的應用，這樣不僅造成系統(tǒng)空間的大量占用，也會造成系統(tǒng)設計變得相當復雜，同時也增加了系統(tǒng)的功耗，導致系統(tǒng)存在諸多不穩(wěn)定性，這時候可調諧半導體激光器的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了，相對于傳統(tǒng)固定波長的DFB激光器，它不僅可以作為DWDM光源，還可以用作接入網(wǎng)作為波長路由器，特別是對于大容量的通信系統(tǒng)優(yōu)勢尤其明顯，既降低了體積，簡化了設計，又降低了功耗，從而使其能在更多的領域予以應用[1]。

1 系統(tǒng)綜述

該方案上位機系統(tǒng)通過USB轉I2C模塊實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制，底層控制系統(tǒng)以C8051F553作為主控MCU，通過從I2C與外部上位機系統(tǒng)通信，同時通過主I2C與MAX5112及AD5316R通信，其中通過MAX5112多路DAC的并聯(lián)組合輸出不同電流從而實現(xiàn)對可調諧半導體激光器輸出波長的調諧，通過對AD5316R DAC輸出的精準控制，從而實現(xiàn)對TEC控制溫度的調節(jié)，并通過ADC采集的TEC溫度從而閉環(huán)控制TEC溫度，兩者的組合就能保證整個系統(tǒng)對可調諧半導體激光器的精準控制[2]。

主要的控制模塊有：上位機模塊，USB轉I2C通信模塊，從I2C通信模塊，主控制模塊，DAC控制模塊，ADC轉換模塊，存儲管理模塊，主I2C通信模塊，MAX5112控制模塊，ADN8834控制模塊等模塊組成，物理機構如圖1所示：

圖1 物理機構圖Fig.1 Physical organization diagram

本系統(tǒng)總共有10大子系統(tǒng)，分別是：上位機系統(tǒng)，USB轉I2C通信系統(tǒng)，初始化設備模塊系統(tǒng)、初始化內存系統(tǒng)、ADC（模數(shù)轉換）與DAC（數(shù)模轉換）系統(tǒng)、主I2C接口通信系統(tǒng)，從I2C通信系統(tǒng)，數(shù)據(jù)存儲管理系統(tǒng)，MAX5112控制系統(tǒng)，ADN8834閉環(huán)控制系統(tǒng)。

上位機系統(tǒng)用于人機交互，提供控制接口，下發(fā)控制指令。USB轉I2C系統(tǒng)用于實現(xiàn)U2B轉I2C操作，此系統(tǒng)為獨立實現(xiàn)的系統(tǒng)模塊，有單獨的硬件設備予以支持。ADC轉換系統(tǒng)用于監(jiān)控TEC熱敏電阻的溫度，監(jiān)控TEC電壓，TEC電流，系統(tǒng)內核溫度，系統(tǒng)供電電壓等，DAC轉換系統(tǒng)是通過AD5316R來實現(xiàn)，AD5316R是一款I2C通信的4通道DAC芯片，可提供最多4路DAC輸出，此處只用了其中一路作為TEC控制器的溫度調節(jié)器，ADN8834閉環(huán)控制系統(tǒng)通過實時采集TEC熱敏電阻的阻值，通過查找表換算出對應的溫度值，根據(jù)溫度值與設置值的差異調整模塊加熱還是制冷，使激光器工作溫度始終穩(wěn)定在設置溫度，從而達到動態(tài)平衡。MAX5112控制系統(tǒng)通過將其9個通道的DAC寄存器映射至MCU的RAM中，存放在RAM中的值可以通過I2C主機接口或者存儲管理系統(tǒng)中存放的數(shù)據(jù)對其進行實時更新，這樣就可以實現(xiàn)對MAX5112的實時控制。主I2C系統(tǒng)通過用GPIO根據(jù)標準I2C協(xié)議模擬I2C時序實現(xiàn)，用于實現(xiàn)與MAX5112及AD5316R芯片的通信。

2 系統(tǒng)組成

2.1 硬件系統(tǒng)

硬件電路部分如圖2所示，C8051F553作為主控MCU，采用I2C總線與MAX5112與AD5316R進行通訊，下發(fā)相關命令，讀取相關監(jiān)控，從而實現(xiàn)對整個底層系統(tǒng)的控制[3]。

圖2 硬件電路MCU控制部分Fig.2 Hardware circuit MCU control part

2.2 上位機系統(tǒng)

用于實現(xiàn)人機交互，提供控制接口，下發(fā)控制指令，讀取監(jiān)控值?？刂芔I界面如圖3所示：

圖3 控制UI界面Fig.3 Control UI interface

2.3 USB轉I2C通信系統(tǒng)

用于實現(xiàn)上位機系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間的通信，通過專用的USB芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)的透傳以及協(xié)議轉換，從而實現(xiàn)USB協(xié)議與I2C標準協(xié)議之間的相互轉換，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉發(fā)，此模塊為獨立的硬件設備來實現(xiàn)。

2.4 底層控制系統(tǒng)

2.4.1 初始化

（1）設備初始化。初始化設備模塊系統(tǒng)用于初始化ADC模塊、DAC模塊、主I2C通信模塊，從I2C通信模塊及定時器等。（2）下載初始化。通過讀取Flash某一指定地址的值是否為指定值來判斷是否為燒錄程序后第一次上電；若不是，則初始化存放在Flash中的AD5316R及MAX5112的默認配置數(shù)據(jù)，并將此指定地址的值更新為指定值，否是，則跳過初始化，直接使用Flash中存放的數(shù)據(jù)來初始化AD5316R及MAX5112等相關寄存器。（3）內存系統(tǒng)初始化。將相應數(shù)據(jù)放入Flash中對應數(shù)據(jù)段。初始化內存系統(tǒng)通過第一次上電初始化Flash中的AD5316R及MAX5112對應的數(shù)據(jù)；上電時，用Flash表中對應地址的數(shù)據(jù)初始化RAM表中的值[4]。

2.4.2 主循環(huán)

當系統(tǒng)初始化之后，系統(tǒng)根據(jù)需要對系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行監(jiān)控，當TEC的設置溫度與采集的熱敏電阻的溫度值有差異的時候，系統(tǒng)將會屏蔽執(zhí)行相關對AD5316R及MAX5112的配置操作，并實時上報TEC溫度異常標志，直到故障排除，TEC溫度差異小于設定值時才會自動執(zhí)行對AD5316R及MAX5112的配置操作，同時I2C從接口會實時接收通過上位機系統(tǒng)下發(fā)的配置數(shù)據(jù)，根據(jù)下發(fā)的數(shù)據(jù)去實時調整TEC溫度及MAX5112的輸出電流，從而改變可調諧半導體激光器的發(fā)射光波長。以下將根據(jù)系統(tǒng)主循環(huán)流程，從實時數(shù)據(jù)監(jiān)控、實時狀態(tài)監(jiān)控、命令解析、TEC溫度設置，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)幾部分詳細說明。

（1）實時數(shù)據(jù)監(jiān)控。對系統(tǒng)TEC溫度，TEC電壓，TEC電流，內核溫度，系統(tǒng)供電電壓等五個量進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)控。（2）狀態(tài)監(jiān)控。對TEC異常狀態(tài)，內核溫度狀態(tài)，供電異常狀態(tài)，USB通信狀態(tài)，I2C讀寫異常狀態(tài)，F(xiàn)lash操作異常狀態(tài)進行實時監(jiān)控。（3）命令解析。此功能用于對上位機下發(fā)的所有命令進行校驗，解析，判斷，并根據(jù)命令調用不同的功能模塊來執(zhí)行相應操作，并將執(zhí)行結果返回至通信系統(tǒng)。（4）TEC溫度設置。此功能用于設置當前TEC控制器的目標溫度，當接收到溫度值后，系統(tǒng)會即刻轉換為對應的DAC值，并通過主I2C系統(tǒng)下發(fā)至AD5316R,TEC控制器即可根據(jù)設置溫度實時調整加熱或制冷電流，從而快速穩(wěn)定溫度。（5）數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。1）I2C通信。采用SMBUS I/O接口與上位機進行通信，上位機通過中斷方式對下位機進行讀寫操作。通過I/O模擬I2C時序實現(xiàn)C8051F553與MAX5112及AD5316R等器件之間的數(shù)據(jù)通信。2）數(shù)據(jù)的讀取與寫入。從Flash加載并顯示對應數(shù)據(jù)，并根據(jù)操作將數(shù)據(jù)保存至Flash。

2.4.3 部分代碼示例

部分代碼如圖4所示：

圖4 部分底層控制代碼Fig.4 Some underlying control codes

3 實驗結果分析

從表1可以看出，設置波長與測試波長的偏差都在0.1nm以內，可以看出該系統(tǒng)對可調諧半導體激光器的波長可以進行精確調諧。

表1 設置波長與測試結果對比Tab.1 Comparison between setting wavelength and test results

4 結語

本系統(tǒng)通過C8051F553+MAX5112結合TEC控制器即實現(xiàn)了對可調諧半導體激光器的波長精確調諧，通過對波長精度和波長范圍等完整性的測試、以及進行相關接口測試、集成測試、功能測試、性能評測和負載測試等方面的測試，已經(jīng)達到嚴格滿足相關技術指標的要求。整個系統(tǒng)操作簡單，占用資源少，已經(jīng)達到了批量化生產的要求。