光通信用的多路半導(dǎo)體激光器監(jiān)控系統(tǒng)研究[圖]

0 引言

光纖通信以其通信容量大、保密性強、重量輕等優(yōu)點，已成為未來通信的主要手段，且隨著WDM技術(shù)在光通信中的應(yīng)用，進一步增大了通信容量。由于在一個光通信窗口內(nèi)同時傳輸多個波長的光信號，且每路光均承載一定的信息量。因此，對激光光源波長調(diào)制精度及穩(wěn)定性要求很高。

目前國內(nèi)對單路激光光源的研究日趨成熟，而對多路激光光源配合工作及上層監(jiān)控系統(tǒng)的研究開展較少。一方面，如果各光源獨立工作，在通信前需分別調(diào)制各光源波長和功率參數(shù)，降低了調(diào)制效率，尤其在某個較窄的通信窗口內(nèi)，更需要高效合理地分配波長資源，單路調(diào)節(jié)難以實現(xiàn)。另一方面，光源的數(shù)字單元多采用單片機和串口控制傳輸，速度低、通用I/O少，難以滿足對多路光源的高效控制和高速采集傳輸?shù)囊�求�；�于此，本文研制了一套多路LD監(jiān)控系統(tǒng)，由上位機統(tǒng)一管理，用DSP和FPGA雙控制器替代單片機，USB 2．0替代串口通信，與上位機配合實現(xiàn)了快速精確調(diào)制多路LD參數(shù)(波長和功率)，實時監(jiān)測各路LD工作狀態(tài)和圖形化顯示等功能。實驗結(jié)果表明，在1 h內(nèi)，溫度穩(wěn)定性達±0．01℃，功率穩(wěn)定性達0．5％。

1 多路LD監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

如前述，波長調(diào)制精度和穩(wěn)定性直接影響到WDM的實現(xiàn)。目前波長調(diào)制方法主要有電流一波長調(diào)制和溫度一波長調(diào)制法，各自優(yōu)缺點見表1�？紤]到光通信對功率穩(wěn)定性的要求，本文選用溫度一波長調(diào)制。

本系統(tǒng)按照自上向下的設(shè)計思路，由上位機程序作為監(jiān)控系統(tǒng)的操作平臺，通過USB 2．0發(fā)送控制命令，包括開/關(guān)電源、調(diào)制參數(shù)(LD溫度和功率初值)和監(jiān)測。專用于通信領(lǐng)域的DSP(TMSVC5416)接收并分析命令，配合FPGA操作D/A和A/D等接口，實現(xiàn)參數(shù)調(diào)制和數(shù)據(jù)采集，最終由上位機實時顯示，多路LD監(jiān)控系統(tǒng)總體組成如圖1所示。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)包括恒溫、恒功率控制單元，遠(yuǎn)程開/關(guān)電源和參數(shù)設(shè)定電路的設(shè)計。其中，恒溫、恒功率控制單元確保了光源波長、功率的穩(wěn)定，配合參數(shù)設(shè)定電路方便了對光源參數(shù)的精確調(diào)整。

2．1 恒溫、恒功率單元設(shè)計

恒溫、恒功率單元組成框圖如圖2所示，各單元又分為設(shè)定、采樣和驅(qū)動電路，共同作用于蝶形封裝的半導(dǎo)體激光器。其中熱沉一側(cè)的LD和光電接收器(PD)，組成功率回路；另一側(cè)的熱敏電阻(THM)和熱電制冷器(TEC)組成溫度回路。事先通過標(biāo)定溫度-電壓和功率-電壓的對應(yīng)關(guān)系，由上位機發(fā)送設(shè)定值，經(jīng)D/A電路以電壓形式輸出到比較電路的一端，同時THM提取LD溫度信息，PD串聯(lián)的采樣電阻提取LD功率信息輸出到比較電路的另一端，TEC和OCL功率放大電路分別根據(jù)設(shè)定值和實際值的偏差信號動態(tài)調(diào)節(jié)LD的溫度和功率，使其與設(shè)定值無限逼近。另外在恒溫控制中引入PI分離電路解決了溫度-波長調(diào)制速度慢，且其穩(wěn)定性也得到了保證。

2．2 PI分離控制電路設(shè)計

PI控制器原理簡單、參數(shù)易調(diào)且實用性強，因此應(yīng)用廣泛。本系統(tǒng)中的比例環(huán)節(jié)(P)主要是為了提高溫度響應(yīng)速度，積分環(huán)節(jié)(I)主要是為了消除靜差、提高精度，但在大幅度增減溫度設(shè)定值或外部干擾情況下，短時間內(nèi)比較電路輸出有較大的偏差，造成積分積累達到飽和，可能給恒溫單元帶來較大的超調(diào)，甚至引起振蕩。

為了使溫度較快進入高穩(wěn)定狀態(tài)，本系統(tǒng)采用PI分離電路的設(shè)計思路，當(dāng)溫度設(shè)定值與實際測量溫度值偏差較大時，取消積分作用，避免因積分飽和致使其控制量過大，引起超調(diào)；當(dāng)偏差值較小時引入積分作用，消除靜差，可有效減小外界干擾，提高溫度穩(wěn)定性。在實際電路中采用電阻串聯(lián)分壓模式，設(shè)定兩個閾值U1和U2(U1U2時，為防止積分飽和而取消積分作用。PI加和后輸出μ(t)驅(qū)動TEC，數(shù)值為正時加熱，且數(shù)值越高加熱功率越大；為負(fù)時制冷，且絕對值越大制冷功率越大，如圖3所示。

2．3 參數(shù)設(shè)定電路

參數(shù)設(shè)定包括溫度設(shè)定和功率設(shè)定，實質(zhì)是通過改變電壓，間接調(diào)制光源波長和功率。在光通信中，需要同時調(diào)制多路激光器參數(shù)。介于此本文采用多路16位串行D/A(AD5542)設(shè)定電路，替代傳統(tǒng)采用電位器分壓、手動調(diào)整旋鈕的方式，有效提高了調(diào)節(jié)精度和效率，步長為0．08 mV，電路如圖4所示。

監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，工作流程為：首先上位機向USB 2．0接口芯片CY7C68001的FIFO中發(fā)送調(diào)制參數(shù)命令，該命令包括：選擇LD的路數(shù)、設(shè)定參數(shù)類型(溫度或功率)和參數(shù)值。其中，CY7C68001基于應(yīng)用層編程，內(nèi)部集成了4 KB的FIFO空間，不含微處理器內(nèi)核，屬于被動型接口芯片，同時觸發(fā)USB芯片向DSP發(fā)中斷信號，DSP響應(yīng)中斷FIFO中的命令，與FPGA協(xié)調(diào)控制設(shè)定參數(shù)。

另外遠(yuǎn)程開/關(guān)電源操作與上述類似，上位機發(fā)送開/關(guān)電源命令，經(jīng)DSP接收命令后，由FPGA控制總電源回路上繼電器的I/O開關(guān)量，實現(xiàn)開/關(guān)操作。

3 監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng)通過對多路LD的溫度、功率信息實時測量以實現(xiàn)監(jiān)測。測量電路主要通過A/D采集數(shù)據(jù)，其電路連接如圖6所示。將溫度、功率采樣得到的電壓經(jīng)放大器輸出到A/D的模擬輸入端，其中A/D芯片選用16位高速串行ADS8321，采樣速率為100 kHz。FPGA基于其并行流水線控制A/D時序，可高速同步測量多路A/D。

監(jiān)控系統(tǒng)多路測量單元結(jié)構(gòu)圖如圖7所示，工作流程為：首先上位機通過USB 2．0向DSP發(fā)出監(jiān)測命令，DSP響應(yīng)中斷，配合FPGA同步控制多路A/D時序。再將采集到的數(shù)據(jù)按LD路數(shù)、溫度和功率參數(shù)有規(guī)律地存入DSP程序數(shù)組中，當(dāng)采集滿512 B的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)打包通過USB中斷傳輸模式傳送至上位機，并將數(shù)據(jù)通過圖形直觀顯示，以便清晰地觀測各路LD狀態(tài)。

4 實驗結(jié)果與分析

實驗中LD選用深圳畝兆科技有限公司生產(chǎn)的DFB，14引腳DIP蝶形封裝激光器，中心波長為1 550 nm，波長調(diào)節(jié)范圍從1 527．99～1 611．78 nm，輸出功率最大15 W。上位機程序結(jié)合VB界面美觀和C++效率高的優(yōu)勢，采用VB調(diào)用C++動態(tài)鏈接庫的編程模式，實現(xiàn)對多路激光器的控制和監(jiān)測。軟件控制平臺包括開/關(guān)電源和設(shè)定參數(shù)，其電壓設(shè)定最小步長為0．08 mV，對應(yīng)的溫度和功率設(shè)定最小步長分別為0．001℃和0．1 mW。根據(jù)光通信中波長傳輸窗口及波長-溫度線性關(guān)系得出LD的溫度窗口，設(shè)定相應(yīng)溫度范圍和LD路數(shù)，軟件按等間隔均勻分布原則，自動調(diào)制各路LD溫度。

實驗中，室溫為20℃，設(shè)定LD功率為3 W，溫度范圍為15．0～40．0℃，設(shè)定LD為2路，點擊發(fā)送選項，即可同時對兩路LD參數(shù)調(diào)制。結(jié)果如圖8～圖10所示。實驗結(jié)果表明溫度偏差可控制在±0．01℃，且越接近室溫控制效果越好，功率1 h穩(wěn)定性在0．5％以內(nèi)。另外，溫度參數(shù)在重新調(diào)整后會出現(xiàn)振蕩，取P1分離電路中閾值電壓U1=0．2 V，U2=2 V，適當(dāng)調(diào)整PI參數(shù)，可使溫度快速進入穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本文針對WDM技術(shù)對激光器光源的要求，采用恒溫與恒功率電路組合構(gòu)成模擬單元，DSP與FPGA模塊組合構(gòu)建數(shù)控單元，由上位機遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以實現(xiàn)對多路LD參數(shù)的高效調(diào)制和實時同步監(jiān)測。采用本文的PI分離控制方法可以快速實現(xiàn)高精度溫度穩(wěn)定控制。實驗結(jié)果表明，在1 h內(nèi)溫度穩(wěn)定性達±0．01℃，功率穩(wěn)定性達0．5％，滿足光通信中對激光器光源的需求。