高精度稳定光源研究与设计

李 卓，平敏君，胡子健

高精度稳定光源研究与设计

李 卓，平敏君，胡子健

（萍乡学院 机械电子工程学院，江西 萍乡 337000）

通过外接反馈法，使得半导体激光器输出的光功率达到稳定，能够获得高精度稳定光源，系统硬件电路设计主要包含了电源电路、微控制器电路、串口通信电路、激光器电路。经过分析和调试，系统可提供4种波长（850 nm、1310 nm、1490 nm、1550 nm）且光功率稳定的激光，满足输出光功率稳定的要求，保持在24小时内光功率值的波动范围小于0.2 dBm，拥有串口通信功能，使得稳定光源能够与电脑通信，并可以通过电脑发送命令来修改激光器的输出功率。

外接反馈法；半导体激光器；稳定光源；光功率

光纤通信由于其具有的灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、安全可靠等特点，与其他通信相比发展速度非常迅速[1]。随之发展起来的还有光纤测试技术，稳定光源是光纤测试仪器中最重要的仪器之一。光纤测试不能存在偏差，而光纤测量所需要的光源一般是半导体光源，这种光源发出的光通常受外界环境影响较大，光的输出功率不稳定，一旦光源不稳定，整个通信的测量结果可能出现极大的偏差，所以光源必须要求发出高稳定的光信号[2]。稳定光源就可以发出功率稳定的光信号，它在光纤测量中的地位就像电子电路测试中用的源表一样重要。

稳定光源能够输出光功率稳定的光，与光功率计配合使用，可以测试光纤通信中的各部件的好坏和传输损耗[3]；也可配合其他仪器设备，可测量光纤的其他参数；更可以通过与标准光功率计配合，对刚出厂的光功率计进行校准，使得这些刚出厂的光功率计测量出的光功率更准确。

1 稳定光源系统总体方案

该系统分为电源模块、微控制器模块、串口模块、按键模块、液晶显示模块、激光器稳定模块。见图1所示的系统结构图。

图1 系统结构图

各个模块的作用如下：

电源模块：使用3.3 V和5 V线性稳压电源，为其他模块提供稳定度较高，输出纹波电压较小的不同电压；

微控制器模块：MCU使用的是STM32F103VET6，时钟由外部晶振提供，此模块中MCU提供IO口与各个模块相连接；

串口模块：使得系统可以与电脑通信；

按键模块：通过按键来控制系统的工作；

液晶显示模块：为系统提供液晶显示，以便观察系统中的部分参数；

激光器稳定模块：使得激光器输出功率稳定的光，且可通过串口命令改变输出的光功率。

2 稳定光源系统硬件设计

2.1 激光器电路

在半导体激光器工作时，由于半导体激光器存在温漂特性，导致输出的光功率的稳定性不好。要减小温漂特性对输出光功率的影响，传统方法就是使用软件控制PID算法[4]，虽然使用温度PID算法之后温漂特性对输出光功率的影响有所减少，但是并没有达到稳定的要求。该系统使用外接反馈法来使得输出的光功率稳定，在电路中使用PD来对LD进行监控，利用PD对LD的反馈来使输出的光功率稳定，即使PD的电压稳定即可使LD输出的光功率稳定[5]。

电路设计：图2表示的是激光器电路，在U2构成的电压比较器中，当1脚的电压比3脚的电压大时，会使得4脚的电压增大，MCU在VOUT_A处设置好电压值，即设置好了U2的1脚电压值，在刚打开电源的时候U2的3脚处的电压是0V，所以此时1脚电压比3脚电压大，导致4脚的电压会增大，和4脚相连接的Q18的基极电压也会增大，Q18的电压增大会使经过Q18的电流也增大，通过LD的电流就随之会增大，LD的亮度就会增大；PD跟LD之间有光纤连接，LD的亮度增大就会使通过PD的电流增大，随之R63两端的电压增大，U2的3脚电压也就增大，直到U2的1脚和3脚相等后，电压比较器4脚的电压不会再增大，保持LD在一个稳定的亮度；在激光器运行时，LD输出的光功率由于温漂特性会发生变化，这些变化会被PD所监控到，这样PD的功率也会随改变，使得U2的3脚电压也就改变，经过上述的过程后，最终使得3脚电压与1脚电压相等，LD输出的光功率也就稳定。

图2 激光器电路

2.2 电源电路设计

在系统中我们需要使用较为稳定且纹波小的5 V和3.3 V的直流电压，若直接使用普通的降压法，则电压的稳定性不高，因此这里电源选择的是线性稳压电源。线性稳压电源是将220 V、50 HZ的交流电压经过变压器降压以后，再经过整流、滤波和线性稳压，最后输出一个纹波电压较小的和稳定性高的直流电压，表1所示系统功耗分布说明。

表1 系统功耗分布说明

从表1可以知道3.3 V工作电压下最大功耗需要0.894 W。如果使用线性稳压电源，通常采用70%的效率，得到需要最大功耗为1.28 W，加上激光器驱动电路所需要的功耗，最大选择2.88 W功耗即可满足要求。

在将交流电压降压之后，先要经过如图3所示的电路，该电路是为了防止电源反接而导致电路损坏而设计的，正接输出电压与输入电压一直，反接无输出电压。

图3 电源防反接电路

在经过防反接电路后，就要进行线性稳压电源设计，将输出接入图4所示的5 V电源电路中，得到5 V的线性稳压电源，在电路添加了RC滤波电路。

图4 5 V电源电路

再将5 V的线性稳压电源的输出接入图5所示的3.3 V电源电路中，得到3.3 V的线性稳压电源，在电路中添加LC滤波电路。

图5 3.3 V电源电路

2.3 串口调试电路

不同的用户对激光器输出的功率要求不同，所以在系统中添加了串口调试接口，通过PC机发送串口命令，可以修改系统各个波长的光的输出功率。即使在系统长期使用过后，导致输出的光功率降低，也可使用串口命令来提高输出的光功率。串口接口预留了150欧姆限流电阻，电阻起到几个方面作用，首先电阻串联阻抗匹配，减低反射改善信号质量；其次电阻和输入端构成RC滤波电路，滤除高频，减低噪声；第三串口在连接的时候会产生高电压，串联电阻可减低电压保护芯片。详细见图6串口调试电路。

图6 串口调试电路

2.4 微控制器电路

系统使用的单片机是STM32F103VET6，STM32F103器件采用Cortex-M3内核，CPU最高速度72 MHz。该产品系列具有80个IO口，16 KB~1 MB Flash、多种控制外设、USB全速接口和CAN，并且集成度高和易于开发，满足系统需求，如图7微控制器电路。

图7 微控制器电路

在系统中，MCP4728芯片与MCU中作为I2C的接口相连接，在连接的flash的内容（激光器的电压）发生变化后，通过I2C将内容存储到MCP4728中，由此来改变激光器的电压值。由于电压值是存储在flash中的，断电后存储的值也不会消失，激光器的输出也就不会变化。

图8 MCP4728芯片电路

3 稳定光源系统测试分析

设备启动后，由于激光器的温漂特性，最好先让仪器预热1个小时再读取功率值。此测试结果是在预热前就开始了，将波长为1310 nm的激光器输出与光功率计相连接，光功率计通过串口相连接，通过电脑命令控制，每隔分钟取一次功率值。将记录的功率值计入一个名称为“稳定光源测试.TXT”的文件，将这些值导入Matlab中以生成折线图，并将功率值的最大值max、最小值min、波动最大值d在Matlab的主界面中显示出来，结果如图9所示，图左侧为“稳定光源测试.TXT”的文件的部分数据，右侧为“稳定光源测试.TXT”的数据生成的折线图，观察折线图可知，在经过接近一个小时的预热后，稳定光源输出的光的功率接近一条直线[6]，证明输出的光功率是比较稳定的，而且即使不预热输出的光功率值的波动范围也小于0.2 dBm，符合要求。

图9 光功率稳定性测试图

结语

根据测试结果，系统设计达到了输出光功率稳定的要求，可以使用按键来修改工作模式和调制频率。但是在这个光纤通信飞速发展的时代，稳定光源这类光纤测试设备也同样需要飞速发展，越来越多的地方需要光源，光源的功能也需要越来越强大。

系统还可以进行进一步的完善：系统中输出只有4种波长，现在的激光器可输出波长可调的激光，然后通过液晶来显示输出的波长。这就不需要在换不同波长的激光时来插拔光纤，在插拔光纤时会有插损导致测得的结果出现偏差。

[1] 胡永杰. 光纤通信技术特点及未来发展趋势探讨[J]. 中国新技术新产品, 2011（16）: 21.

[2] 曹瑞明. 半导体激光器功率稳定性的研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨理工大学, 2008.

[3] 苏宝玺, 陈小君, 吴荣琴. 基于光通信中光损耗的测量与研究[J]. 长春师范大学学报, 2017（12）: 19~24.

[4] 贺春贵, 张玉钧, 刘国华, 等. 半导体激光器温度控制电路设计及实验研究[J]. 电子测量技术, 2017（8）: 27~31+41.

[5] 激光光源将会成为未来投影光源系统的发展趋势[J]. 家庭影院技术, 2017（5）: 5.

[6] 于长兴, 卢振生, 张艳鹏. 高功率波长可调谐的激光器设计[J]. 激光杂志, 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，江西萍乡人，助教，硕士，研究方向：嵌入式技术。

TH89

A

2095-9249（2020）03-0028-05

〔责任编校：吴侃民〕