多通道可调谐激光器实验系统设计与实现

刘 海，冷乐蒙，马翰林，李 雷，张 胜，荆胜羽

(中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008)

现今，伴随光电技术的不断发展，可调谐激光器作为一种更加理想的通信光源在光通信系统中受到广泛关注[1-3]。传统可调谐激光器需封装多个激光器，不仅占用空间大，而且性价比低，限制了其应用范围。可调谐激光器不仅可以减少激光器数量，降低成本，还具有波长调节和自动恢复波长等功能。因此，设计出一个精确度高、集成度高及可实时监测工作状态的多路可调谐激光器有一定的必要性。

另一方面，激光器相关知识是始终贯穿光电子等技术学科的主线，在激光器相关实验内容及实验形式方面应尽量做到目的明确、内容丰富[4-7]，保证教学工作的高质量与高效率，因此，许多教学工作者对此都进行了深入的探索与研究[8-11]。为满足教学需要，丰富教学内容，将该多通道可调谐激光器引入相关专业的实验教学中，可选取单一通道进行激光器参数测定实验，帮助学生了解激光器工作原理并结合理论知识提高教学质量。同时，该系统作为可调谐光源也可满足光发射及波分复用等相关实验的要求。因此，实现参数可调及稳定性好[11-15]的可调谐激光器实验系统尤为必要。

本文所设计的可调谐激光器实验系统是通过多通道可调谐激光器控制模块来调节激光器工作状态，并通过处理器自带的模数转换装置对激光器电流信号采样，直观地在上位机软件界面显示。可将理论教学中所涉及的激光器相关知识点，如激光器阈值电压、P-I-V参数等，与实际数据联系在一起，保证实验教学的直观性与可操作性。另外，该实验系统易于扩展及成本低等优点可作为光电子和激光原理等课程的综合实践平台，可通过扩展硬件完成光电子和激光原理等课程相关设计实践，有助于学生对相关课程的深入理解，并且可以提高学生软硬件设计的综合能力。

1 实验系统总体结构

该多路可调谐激光器实验系统总体结构框图如图1所示，系统硬件包括供电模块、串行通信模块、微处理器、激光器温度控制模块、多通道激光器电流驱动模块和多通道激光器数据采集电路和激光器。上位机软件接收数据并作相应处理，其具体功能有电流设定、系统状态读取、串口端口选择、温度设定、波长选择和标定保存。

图1 多路可调谐激光器系统结构框图

2 系统硬件设计

本实验采用江西旭锋光电技术有限公司生产的14管脚蝶形封装分布反馈激光器(DFB-1650)，实物如图2所示。激光器输出中心波长受工作温度与驱动电流影响，可通过控制各个通道的驱动电流与工作温度达到多通道可调谐输出的目的。该系统硬件主要由微处理器、激光器温度控制电路、多通道激光器电流驱动电路、多通道激光器数据采集电路组成。

微处理器是以STM32F103为核心构建的ARM最小系统，微处理器读取数据后通过自带DA转换端口控制输入激光器温控电路的模拟信号值进而控制激光器温度。微处理器还通过SPI接口控制多通道激光器电流驱动电路和多通道激光器数据采集电路，电流驱动电路根据SPI接口输出的指令向所选定通道输入设定电流，多通道激光器数据采集电路采集选定通道电流电压数据存储到微处理器Flash中供计算机读取。光谱仪的作用是检测多通道可调谐激光器发出激光的波长是否符合设定要求，如果符合要求，可以用软件的标定保存功能记录该对应的驱动电流与工作温度。

图2 激光器实物图

2.1 微处理器

本实验系统微处理器选用。本设计采用STM32F103高性能单片机，其内核为32位Cortex-M3架构的CPU，工作频率高达72 MHz，且其Flash存储器和SRAM存储器容量分别为128 K和20 K，内置2个12为模数转换通道，2个SPI通信接口，其最小系统如图3所示。

图3 STM32F103电路

2.2 激光器温度控制电路

激光器温控电路围绕DRV591VFPR芯片搭建而成，电路如图4所示，图中DRV591VFPR芯片是一种大电流功率驱动器，其输出电流最大值为3 A，并且包含PWM发生器、门驱动电路和H桥结构的4个场效应管。该芯片根据输入端口IN+的电压可控制TEC电流的流向，可以双向驱动TEC，根据帕尔贴效应，TEC会工作在加热或者制冷状态，PWM开关频率可达500 kHz，工作电压为2.8～5.5 V。TEMRET1接口接激光器内部热敏电阻，热敏电阻另一端接地，ADC-TH为热敏电阻的分压，与单片机AD端口相连。温控电路工作时，激光器工作温度对应的参考电压是由DAC2输入模拟信号来设定的，该信号由上位机软件通过单片机自带DA端口控制，参考电压与热敏电阻分压输入至PID控制器，通过PID控制器控制输入IN+端口的电压。DRV591VFPR驱动器的放大增益是固定的，约为2.3，TEC+与TEC-两端的电压Vout不能大于TEC的最大工作电压，其关系式为：

Vout=2.3(Vin+-Vin-)=2.3(Vin+-VREF)

由此可见，为防止Vout大于TEC最大工作电压，需要在PID输出级和DRV591驱动放大器IN+输入端口之间加保护电路，该电路由两个二极管组成，一端接3.0V，一端接0.6V，若PID输出级过小，0.6V会接入IN+端，若过大则3.0V会接入IN+端，保证Vout不大于TEC最大工作电压。在温度控制电路中涉及的PWM发生、门驱动电路、AD转换等都可以锻炼学生对知识的实用能力，将理论与实践有效结合。

图4 激光器温控电路

2.3 多通道激光器电流驱动电路

由于需要电流驱动的通道数有9个，并且要求调节范围为0～100mA，所以这里采用Max5110芯片搭建驱动电路。Max5110芯片是一个14位、9通道的电流输出数字模拟转换器，最低工作电压为+3.0V，可在-45℃～+105℃温度范围内工作，具备SPI接口和过热保护功能。需要注意的是Max5110芯片9个通道中只有通道5与通道6直接满足0～100mA的电流调节范围，将通道4与通道7合并使用来满足0～100mA的要求，这两个通道均能通过最大90mA的电流。如图5所示，该驱动电路由SPI接口与微处理器MOSI，SCLK，MISO，NSS1，NSS2，NSS3端口相连接，微处理器接收计算机发出的指令，通过SPI接口控制3个Max5110芯片向选定通道输出设定电流。9个通道中前8路通道连接激光器，第9路通道连接光放大器，其作用为增强发出的光以提高可调谐激光器的稳定性和精确度。

图5 电流驱动电路

2.4 多通道激光器数据采集电路

数据采集电路由TLC2272运算放大器与一些电容、电阻元器件连接组成，如图6所示。图中Laser+接激光器正极LD+，激光器负极LD-接地，反接的二极管D7起过流保护作用。LASER1+是驱动电路中的第一通道输出端口，IR1+与Laser+为P5与P8两个测量点的电压，通过一个电压跟随电路和一个求差电路作用得到V-La1、IR-La1，其中V-La1为激光器的电压，IR-La1为固定电阻R47两端的电压，根据固定电阻伏安特性U=IR，计算出其电流，即可得激光器电流。图5中只显示了第一通道数据采集的电路，另外8路通道的数据采集方式与该电路相同。

采集得到的数据通过AD转换输入微处理器中。这里选用TLV2556芯片，它是一款12位的AD转换芯片，具有11个模拟信号输入通道，支持SPI接口控制，并且其具有高转换速率和抗温度变化能力。具体电路如图7所示，这里采集9个通道共有18个数据，所以用了两个TLV2556芯片，由微处理器通过SPI串行接口控制，其中ADC-TH为热敏电阻分压。

图6 单通道数据采集电路

3 系统软件设计

下位机设计内容主要包括：通信协议，即微处理器与计算机通信之间用到的协议；DA转换程序，设置工作温度和通道电流；AD转换，进行数据采集，并将转换后的数值进行处理，计算转换系数，完成系统标定。

设计采用模块化设计方法，将程序分解为主控模块、DA转换控制模块、AD转换控制模块、系统标定模块、数据处理模块及串行通信管理模块等，其中DA转换、AD转换和串口通信模块采用中断处理方式，程序流程图如图8所示。

图7 AD转换电路

图8 微处理器程序流程图

上位机软件设计在VS2010编译环境下，采用C语言编写完成。其功能主要包括串行通信参数设置、采集数据值与实际值转换系数的标定、通道选择及其电流的设定、激光器工作温度的设定、波长符合要求的激光对应的通道电流与激光器工作温度数据的标定保存功能、对标定保存的波长选择功能及监测各个通道电流的功能。

软件采用的是模块化设计方法，除显示界面外主要包括电流设定模块、串口选择、温度设定、波长选择、标定保存模块和系统状态显示模块。软件的主界面图如图9所示。

图9 计算机软件界面图

在计算机软件上设定通道1电流55mA，SOA通道电流20mA，温度设定为19℃，点击写入下位机使装置进入工作状态，通过光谱仪分析得波长为1 536.61nm，显示结果图10所示。

图10 设定电流55 mA、SOA电流20 mA、温度19℃的显示结果

4 实验数据处理

可调谐激光器的输出波长受两个重要因素影响，即通过激光器的电流和激光器工作温度。实验得出，固定温度为25℃时数据如表1所示，固定电流为10 mA的数据如表2所示，将其分别线性拟合得到可调谐激光器输出波长与电流、温度的关系，如图11所示。

表1温度为25℃时电流与波长的变化

I/mA20304050λ/nm1653.091653.191653.281653.38

表2电流为10 mA时温度与波长的变化

T/℃30354045λ/nm1653.501653.911654.461654.93

图11 半导体激光器输出波长变化与电流、温度的关系

5 结束语

该实验系统以微处理器为核心，实现上位机对微处理器的控制，数据被计算、传输、存储后显示在软件界面上。该实验系统可代替传统的多个激光器，降低了工程成本，减小了装置体积，通过计算机软件即可进行全数字化操作控制，简明易懂，电流与温度双重调节波长，精度高。

[1]程开富.半导体光电子激光器技术的发展[J].电子元器件应用,2008,10(8):78-80.

[2]陈辉,高红,张云刚,等.半导体激光器的发展及其在激光光谱学中的应用[J].哈尔滨师范大学自然科学学报.2005，21(1)：40-43.

[3]李振宇.可调谐激光器在光通信网络中的应用[J]．通信技术，2009，42(8)：4-5.

[4]李维晖,佟秋丽.浅谈半导体激光器在物理实验中的应用[J].大学物理实验.2000，13(4)：7-8.

[5]马再如.关于提高激光原理与激光技术课教学质量的探讨[J].高等教育研究.2012,29(1):59-61.

[6]胡绍民，罗晖.《激光原理》课程教学体会[J].高等教育研究学报,2012,35(1):71-73.

[7]胡浩军,梁永辉,马浩统,等.关于改进光电工程类本科专业实践能力培养环节设置的思考[J].高等教育研究学报，2012，35(1) :57-59．

[8]王丽,宋扬.本科生毕业设计多模光纤脉冲展宽在实践教学中的作用[J].实验技术与管理，2007，24(5):12-17.

[9]吴飞斌,张晋平,刘冰.激光通信综合实验演示仪设计[J].实验技术与管理,2012,29(2):55-60.

[10]马丽娜,梁迅,胡正良,等.光纤技术实验课程的优化探索[J]．教育教学论坛.2012(4) :235-236．

[11]施建华,王弘刚,梁永辉,等.关于“光学工程”学科课程建设的几点思考[J].光学技术，2007，32(增刊) :309-312．

[12]陈月娥,王勇,超低噪声单频可调谐光纤激光器[J].光学精密工程,2013,21(5):1110-1115.

[13]卢洪斌,王向朝,王学锋,等.半导体激光器光强光热调制特性的研究[J].中国激光.2000，27(11)：969-972.

[14]张文平,李明山,尚卫东,等.二极管泵浦激光器中的二极管温控精度[J].红外与激光工程,2008,37(1):69-72.

[15]汪瑜.半导体激光器热特性分析研究[D].吉林:长春理工大学,2009(3):16-17.