劉　海，馬翰林，冷樂蒙，李　雷，荊勝羽，張　勝

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)　信息與電氣工程學(xué)院, 江蘇　徐州　221008)

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·實(shí) 驗(yàn) 技 術(shù)·

激光器綜合參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉海，馬翰林，冷樂蒙，李雷，荊勝羽，張勝

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院, 江蘇徐州221008)

該文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種半導(dǎo)體激光器綜合參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過微處理器控制搭建好的激光器驅(qū)動(dòng)電路與激光器溫度控制電路，運(yùn)用控制變量法，分別采集驅(qū)動(dòng)電流或溫度改變后激光器的電壓、電流和光功率等數(shù)據(jù)，通過串口將數(shù)據(jù)返回到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并繪制對(duì)應(yīng)的曲線圖。通過測(cè)試，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可完成激光器綜合參數(shù)的測(cè)試，并可用于光電技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)及專業(yè)綜合實(shí)踐能力訓(xùn)練。

半導(dǎo)體激光器；參數(shù)測(cè)試；P-I-V曲線；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

近年來，隨著半導(dǎo)體激光器在光通信領(lǐng)域、光電子行業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展，其作為光源已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、科學(xué)技術(shù)、生物醫(yī)療等社會(huì)生產(chǎn)的眾多領(lǐng)域，為推進(jìn)社會(huì)的發(fā)展起了重要作用[1-3]。在生產(chǎn)實(shí)踐中，半導(dǎo)體激光器性能主要通過其性能參數(shù)進(jìn)行表征。這些參數(shù)在一定程度上體現(xiàn)了半導(dǎo)體激光器工作原理、物理特性，為評(píng)價(jià)其性能提供了依據(jù)。因此將半導(dǎo)體綜合參數(shù)測(cè)試引入教學(xué)實(shí)驗(yàn)中具有重要意義。

半導(dǎo)體激光器相關(guān)實(shí)驗(yàn)是激光原理與激光技術(shù)、光電子技術(shù)科學(xué)等專業(yè)的重要組成部分。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面，許多高校與教學(xué)工作者做了很多探索[4-9]。但是，在實(shí)際教學(xué)中，對(duì)半導(dǎo)體激光器工作原理和工作過程缺乏直觀認(rèn)識(shí)。為了滿足教學(xué)需要，將半導(dǎo)體激光器綜合參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)引入教學(xué)工作中，通過測(cè)定激光器相關(guān)參數(shù)，幫助學(xué)生進(jìn)一步了解其工作原理，不僅有助于深入理解理論知識(shí)，提高實(shí)驗(yàn)技能，還可培養(yǎng)學(xué)生分析與解決問題的能力，完善了半導(dǎo)體激光器的教學(xué)內(nèi)容。

該測(cè)試系統(tǒng)與光電技術(shù)方向課程教學(xué)相對(duì)應(yīng)，滿足社會(huì)需求并培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)綜合實(shí)踐能力，因此，設(shè)計(jì)出一種穩(wěn)定、快速、溫度控制精度高[10-13]的激光器綜合參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)顯得尤為重要。

1　測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)主要由系統(tǒng)硬件和PC機(jī)軟件兩部分組成。測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)硬件主要包括微處理器、光探測(cè)器、激光器驅(qū)動(dòng)電路、激光器溫控電路、串行通信接口、軟件及其他外圍電路和器件。PC機(jī)軟件主要包括標(biāo)定界面、串行通信和激光器工作參數(shù)設(shè)置界面、P-I-V曲線繪制模塊、光譜圖繪制模塊、激光器測(cè)試參數(shù)顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與歷史數(shù)據(jù)調(diào)取模塊和測(cè)試單生成模塊等。

圖1　測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，其主要工作過程是：1)以微處理器為核心，構(gòu)建ARM最小系統(tǒng)電路，通過微處理器自帶D/A端口分別與激光器驅(qū)動(dòng)電路和激光器溫控電路連接，由PC機(jī)軟件通過串行通信1接口與微處理器通信，控制DA1、DA2輸出，進(jìn)而完成對(duì)半導(dǎo)體激光器工作電流和工作溫度的控制；2)由微處理器I/O口控制光開關(guān)，使激光分別進(jìn)入光探測(cè)器和光譜儀，光探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算電路放大輸入A/D端口，光譜儀通過串口通信2接口將激光光譜信息數(shù)據(jù)傳輸并處理；3)PC機(jī)軟件通過串行通信1接口讀取Flash中已處理好的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)備份和激光器綜合性能參數(shù)、P-I-V曲線和光譜圖等信息顯示，生成測(cè)試報(bào)告。

2.1測(cè)試系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的核心采用STM32F405高性能單片機(jī)。該單片機(jī)采用工作頻率高達(dá)168 MHz的高性能ARM Cortex-M4內(nèi)核，其Flash存儲(chǔ)器和SARM存儲(chǔ)器容量分別為1 MB和192 MB，同時(shí)具有4 KB的后備SRAM。STM32F405具有18個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道以及2個(gè)分辨率為12位的D/A轉(zhuǎn)換通道，1個(gè)低功耗RTC，12個(gè)通用16位定時(shí)器，2個(gè)通用32位定時(shí)器。由于測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了測(cè)試半導(dǎo)體激光器的綜合特性參數(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體激光器工作狀態(tài)的有效控制和數(shù)據(jù)讀取。在最小系統(tǒng)基礎(chǔ)上引出D/A端口、A/D端口、串行通信接口和SPI通信端口等，通過配合測(cè)試系統(tǒng)其他模塊電路完成實(shí)驗(yàn)測(cè)試功能。

半導(dǎo)體激光器輸出波長(zhǎng)和功率的變化主要通過改變激光器注入電流和工作溫度來實(shí)現(xiàn)。由于其主要通過硬件電路改變激光器工作狀態(tài)，并經(jīng)由光纖輸入光探測(cè)器檢測(cè)光信號(hào)強(qiáng)度，不需要使用超聲對(duì)激光器光束方向與光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為了獲得半導(dǎo)體激光器P-I曲線、V-I曲線、閾值電流、背光功率、光譜等特性參數(shù)的數(shù)據(jù)信息，設(shè)計(jì)了激光器驅(qū)動(dòng)電路和溫控電路，控制半導(dǎo)體激光器的工作狀態(tài)，由串行通信接口電路傳輸測(cè)試數(shù)據(jù)。

激光器驅(qū)動(dòng)電路由TLC2272運(yùn)算放大器和FZT1047三極管以及其他電容、電阻元器件組成。電路中LASERPOWR+和LASERPOWER-分別接激光器的LD+和LD-，其中ILASER、VLASER端口用于連接單片機(jī)A/D端口，讀取激光器工作電路電流和電壓。PC機(jī)軟件通過控制單片機(jī)D/A端口DAC1的輸出，從而控制激光器的工作電流。電路中ESD0402靜電阻抗器為靜電保護(hù)元件，起到保護(hù)激光器的作用。

溫控電路的設(shè)計(jì)以帕爾帖效應(yīng)為基礎(chǔ)，選用DRV591VFPR溫控芯片搭建而成，如圖2所示。TEMRET1接激光器內(nèi)部熱敏電阻，熱敏電阻另一端接地，TADC連接單片機(jī)A/D端口，F(xiàn)AULT0、FAULT1為TEC工作狀態(tài)判定管腳。工作時(shí)，PC機(jī)軟件通過控制單片機(jī)D/A端口DAC2的輸出，設(shè)定激光器工作溫度對(duì)應(yīng)的參考電壓，與TEMRET1處連接的熱敏電阻感知激光器實(shí)際工作溫度產(chǎn)生的分壓，輸入至PID控制器，通過PID控制器控制接入IN+端口的電壓。DRV591VFPR驅(qū)動(dòng)器有固定的放大增益約為2.3，TEC+與TEC-兩端的電壓Vout不能大于TEC工作的最大電壓，其關(guān)系式為：

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

因此需要在PID輸出級(jí)與DRV591輸入端之間加保護(hù)電路，電路由兩個(gè)二極管組成，一端接3.0 V，另一端接0.6 V。此時(shí)PID控制器最小輸出為0.6 V，最大輸出3.0 V。

2.2測(cè)試系統(tǒng)單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要是單片機(jī)程序設(shè)計(jì)，其功能主要有：串行通信協(xié)議，包含PC機(jī)軟件與ARM微處理器的串行通信協(xié)議和ARM微處理器與光譜儀的串行通信協(xié)議?？刂艱/A輸出調(diào)節(jié)激光器工作電流、電壓?？刂艫/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)值進(jìn)行處理，計(jì)算轉(zhuǎn)換系數(shù)，完成系統(tǒng)標(biāo)定。設(shè)置激光器工作溫度、工作電流，采集對(duì)應(yīng)的功率、壓降、光譜圖和信噪比等數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)等。根據(jù)功能的要求，采用模塊化設(shè)計(jì)方法將程序分解為：主控模塊、D/A轉(zhuǎn)換控制模塊、A/D轉(zhuǎn)換控制模塊、系統(tǒng)標(biāo)定模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和串行通信管理模塊等。單片機(jī)程序流程圖如圖3所示。

圖2　激光器溫控電路

圖3　單片機(jī)程序流程圖

3　PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)

PC機(jī)軟件主要在VS2010編譯環(huán)境下，采用C#語言編寫完成。實(shí)現(xiàn)功能主要包括：串行通信參數(shù)如波特率、串口選擇等設(shè)置，測(cè)試系統(tǒng)讀取A/D數(shù)據(jù)與實(shí)際值之間轉(zhuǎn)換系數(shù)的標(biāo)定，激光器工作溫度、掃描起始電流、掃描電流間隔、掃描終止電流、掃描點(diǎn)等工作參數(shù)設(shè)定，激光器測(cè)試的P-I、V-I數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與P-I-V曲線圖繪制，光譜圖繪制，測(cè)試激光器的閾值電流、背光功率、壓降、實(shí)際工作溫度、中心波長(zhǎng)、信噪比等性能數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)，不同波長(zhǎng)激光器測(cè)試模板選擇，歷史測(cè)試數(shù)據(jù)查詢，測(cè)試單生成等功能。

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，除窗口主要顯示界面外還包括：標(biāo)定界面、串行通信和激光器工作參數(shù)設(shè)置界面、P-I-V曲線繪制模塊、光譜圖繪制模塊、激光器測(cè)試參數(shù)顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與歷史數(shù)據(jù)調(diào)取模塊和測(cè)試單生成模塊等。在設(shè)計(jì)過程中，按照不同模塊功能設(shè)計(jì)不同的跳轉(zhuǎn)界面，相互關(guān)聯(lián)。

4　測(cè)試實(shí)驗(yàn)

基于上述測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)，選擇波長(zhǎng)為1 653 nm的DFB半導(dǎo)體激光器，完成激光器的測(cè)試實(shí)現(xiàn)。測(cè)試中PC機(jī)軟件界面與生成測(cè)試單如圖4和表1所示。

(a)激光器I-V曲線

(b)激光器輸出光譜圖4　PC機(jī)軟件界面

參數(shù)名稱參數(shù)范圍最小值典型值最大值測(cè)試數(shù)據(jù)備注閾值電流/mA101510.00輸出功率/mV356.39參考電流/mA5025.00閾值電壓/V231.48工作溫度/℃15253525.00背光電流/μA295.00P-I曲線斜率/W·A-10.19信噪比/dB3553.08譜線寬度/nm0.021@3dB信噪比/dB1653.7

基于設(shè)計(jì)完成的測(cè)試系統(tǒng)，通過對(duì)半導(dǎo)體激光器的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，完成對(duì)激光器P-I曲線、V-I曲線、光譜圖以及其他綜合特性參數(shù)的測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了本測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

5　結(jié)束語

半導(dǎo)體激光器是光電技術(shù)方向必須熟悉掌握的器件，激光器綜合參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)不但可以完成對(duì)生產(chǎn)的激光器進(jìn)行快速地測(cè)試，提供P-I曲線、V-I曲線、光譜圖以及其他綜合特性參數(shù)，從而鑒別激光器品質(zhì)好壞，還增加了教學(xué)中光電技術(shù)課程配套實(shí)驗(yàn)，豐富本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。同時(shí)了解該測(cè)試系統(tǒng)的工作原理，也對(duì)學(xué)生理解硬件電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)流程和上位機(jī)與下位機(jī)通信實(shí)現(xiàn)等知識(shí)有一個(gè)綜合性提高。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)自試用以來，極大地激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，提高了學(xué)生動(dòng)手能力。該測(cè)試系統(tǒng)擴(kuò)展能力強(qiáng)，有利于學(xué)生進(jìn)行自主性綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

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Design and Implementation of an Integrated Parametric Test System of Laser

LIU Hai，MA Hanlin，LENG Lemeng，LI Lei，JING Shengyu，ZHANG Sheng

(School of Information and Electric Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China)

A semiconductor laser integrated parametric testing and experimental system is designed and implemented.Its main principle is to control the laser driving circuit and the laser temperature control circuit by microprocessor,then collect the data of voltage and current and optical power of laser with the changing of driving current or temperature.These data can subsequently be loaded on a computer for processing and drawing the graph by serial port.With the testing and experimental system, integrated parameters of laser can be tested.Meanwhile this system also can be used in the comprehensive experiment of photoelectric technology and the training of professional comprehensive practical ability.

semiconductor laser; parameter test;P-I-Vcurve; experimental system

2015-04-20；修改日期:2016-06-21

國(guó)家自然科學(xué)基金(51404268)；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)教改項(xiàng)目(2015YB10)。

劉海(1983-)，男，博士，副教授，主要從事光纖傳感與通信技術(shù)方面的研究。

G642

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.006