于小雨，王 興，張建忠，張明江，喬麗君，王 濤

1)太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030024；2)太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，光電工程研究所，山西太原 030024

混沌激光在雷達(dá)[1]、光時(shí)域反射儀(optical time domain reflectometer, OTDR)[2]、分布式光纖傳感[3]、保密通信[4]及高速真隨機(jī)碼產(chǎn)生[5]等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用．混沌激光通常采用結(jié)構(gòu)簡單的光反饋半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生．然而，光反饋半導(dǎo)體激光器由半導(dǎo)體激光器加外部平面鏡等分立器件構(gòu)建而成，易受環(huán)境影響，導(dǎo)致輸出不穩(wěn)定，限制了混沌激光的應(yīng)用．為解決這一問題，光子集成混沌激光器作為一種易于集成、穩(wěn)定及寬帶混沌激光產(chǎn)生的光源已得到廣泛關(guān)注[6-7]． 而混沌激光器所使用的砷化鎵、磷化銦及硫化鋅等增益介質(zhì)材料對溫度非常敏感[8]，溫度變化會影響激光器的激射波長和閾值電流產(chǎn)生，這將影響激光器輸出的混沌狀態(tài)．偏置電流對激光器進(jìn)入混沌的路徑以及輸出的混沌光狀態(tài)都有重要影響[9]，因此對混沌激光器進(jìn)行高精度溫度控制和直流驅(qū)動(dòng)控制十分重要．要實(shí)現(xiàn)對具有不同熱電制冷器(thermoelectric cooler, TEC)的混沌激光器的控制，即要求電路能夠?qū)EC的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)控制．

目前的光子集成混沌激光器多采用商品化的溫控源和電流驅(qū)動(dòng)源，商品化的溫控源體積較大，不利于整個(gè)系統(tǒng)的集成．在驅(qū)動(dòng)源的設(shè)計(jì)方面，一些研究工作已經(jīng)開展．例如，中國計(jì)量大學(xué)的羅亮等[10]在120 min的測量時(shí)間內(nèi)，使輸出激光器電流的穩(wěn)定度保持在0.02%，溫度控制使60 min內(nèi)的最大波長漂移量為12 pm，然而該溫控電路采用基于MAX1978的差分放大技術(shù)，無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)對輸出到TEC端的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)．吉林大學(xué)的田小建等[11]實(shí)現(xiàn)激光器輸出波長在10 min內(nèi)的波動(dòng)為100 pm，然而該溫度反饋及控制方法仍無法實(shí)現(xiàn)對輸出到TEC端的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且波長穩(wěn)定度有待提高．本課題組設(shè)計(jì)一種激光器的高精度溫控與直流驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于ADN8830芯片，采用溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)控制，可對混沌激光器的溫度及注入電流進(jìn)行有效調(diào)節(jié)與控制[12]．但該電路仍無法實(shí)現(xiàn)TEC端的電壓調(diào)節(jié)，在對具有其他型號TEC的激光器控制時(shí)，輸出波長的穩(wěn)定性出現(xiàn)嚴(yán)重下降，且該電路只能通過電腦連接控制，實(shí)用性及操作便捷性不佳．

本研究在前期設(shè)計(jì)的混沌激光器控制電路基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了溫度控制電路，使其能夠調(diào)節(jié)TEC端的電壓，最終實(shí)現(xiàn)對具有不同TEC混沌激光器波長的穩(wěn)定控制，使輸出波長的波動(dòng)穩(wěn)定在9 pm以內(nèi)，相比Newport驅(qū)動(dòng)源，將輸出波長的歸一化均方差從0.004 4降至0.002 0；同時(shí)，增設(shè)按鍵控制及狀態(tài)顯示模塊，使設(shè)置與輸出控制集成一體，提高系統(tǒng)的實(shí)用及操作便捷性．

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

溫度控制電路由STM32控制電路、電源電路、激光二級管(laser diode, LD)電流控制電路和溫度控制電路組成，如圖1．其中，STM32控制電路負(fù)責(zé)信號處理，包含插件接口電路，外接顯示屏及按鍵，可對激光器狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置并輸出顯示；電源電路提供所需電壓，分別為5.0 V和3.3 V；以ADN 2830為核心的LD電流控制電路為激光器提供恒流驅(qū)動(dòng)；以ADN8830為核心的激光器溫度控制電路，調(diào)控激光器的輸出波長，通過TEC電壓控制電路可實(shí)現(xiàn)對具有不同型號TEC激光器的調(diào)節(jié)控制．

2 電路設(shè)計(jì)

本研究電路所要驅(qū)動(dòng)的激光器有：① WTD公司的分布式反饋(distributed feedback，DFB)激光器，工作電流范圍為0～120 mA，TEC端電壓范圍為0～3.3 V；② 大連藏龍公司的光發(fā)射次模塊(transmitter optical subassembly, TOSA)激光器，工作電流范圍為0～115 mA, TEC端電壓范圍為0～1.8 V．要實(shí)現(xiàn)對上述激光器的控制，所設(shè)計(jì)電路不僅要能實(shí)現(xiàn)對LD控制電流的調(diào)節(jié)，還要實(shí)現(xiàn)對TEC控制電壓的調(diào)節(jié)．

2.1 溫控電路設(shè)計(jì)

激光器溫度控制可通過對其內(nèi)部熱敏電阻和半導(dǎo)體制冷器的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)．本研究溫控電路以ADN8830溫控芯片為核心，包括：① 溫度設(shè)置反饋單元，實(shí)現(xiàn)對激光器溫度的設(shè)置及溫度狀態(tài)的反饋；② 比例-積分-微分(proportion integration differentiation，PID)控制單元，對激光器的溫度設(shè)置與反饋電壓的差分信號進(jìn)行處理，控制TEC溫度的調(diào)節(jié)速度；③ 橋式驅(qū)動(dòng)電路增大驅(qū)動(dòng)電流，提高對TEC的驅(qū)動(dòng)能力；④ TEC電壓控制電路，控制輸出到TEC電壓，實(shí)現(xiàn)對不同TEC混沌激光器的控制．

要實(shí)現(xiàn)對不同類型TEC混沌激光器的溫度控制，要求電路能對TEC的電壓和電流進(jìn)行調(diào)節(jié)[13]．本設(shè)計(jì)輸出到TEC端的最大電壓VTEC,MAX與ADN8830 的VLIM引腳電壓的關(guān)系為

VTEC,MAX=(1.5-VVLIM)×4

(1)

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 System schematic diagram

其中，VTEC, MAX為TEC端的最大電壓；VVLIM為VLIM腳的輸入電壓，VVLIM≤1.5 V，否則會導(dǎo)致電路輸出紊亂．VTEC, MAX的最大電壓為芯片供電電壓，即3.3 V．根據(jù)式(1)設(shè)計(jì)相應(yīng)的TEC電壓控制電路；當(dāng)電路出現(xiàn)故障時(shí)，可在不切斷電源的情況下設(shè)置VVLIM為1.5 V使VTEC, MAX=0， 進(jìn)而使 TEC停止工作，減少對其他控制電路的影響．VTEC, MAX與VVLIM的對應(yīng)關(guān)系如圖2，當(dāng)VVLIM<0.675 V時(shí)，VTEC, MAX恒定于3.3 V；當(dāng)VVLIM>0.675 V時(shí)，VTEC, MAX與VVLIM呈線性關(guān)系，并隨VVLIM的增大而減?。?/p>

TEC的TEC-和TEC+腳分別與AND8830的OUT_A和OUT_B腳相連接．因此，VVLIM對TEC電壓的調(diào)節(jié)最終通過對OUT_A和OUT_B電壓的控制實(shí)現(xiàn)． OUT_A腳的輸出電壓VOUT_A、 OUT_B腳的輸出電壓VOUT_B及PID控制網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓VCOMPOUT具有如下關(guān)系

VOUT_A=4×(VCOMPOUT-1.5)+VOUT_B

(2)

VOUT_B=-14×(VCOMPOUT-1.5)+1.5

(3)

圖2 TEC端最大電壓VTEC, MAX與VVLIM對應(yīng)關(guān)系 Fig.2 The relationship between VTEC, MAX and VVLIM

VOUT_A和VOUT_B的大小受VCOMPOUT影響，若定義TEC電壓VTEC=VOUT_A-VOUT_B， 則其變化關(guān)系如圖3．可見，隨著VOUT_A和VOUT_B的增大，雖然VTEC的數(shù)值在減小，但其幅值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢；VOUT_A=VOUT_B=1.5 V處是臨界點(diǎn)，VTEC的正負(fù)在該點(diǎn)發(fā)生反轉(zhuǎn)，TEC電流的流向發(fā)生相應(yīng)改變，使TEC的制冷制熱也隨之變化．

圖3 VTEC與VOUT_A及VOUT_B的關(guān)系 Fig.3 (Color online) The relationship among VTEC, VOUT_A and VOUT_B

圖4為控制TEC的全橋式驅(qū)動(dòng)電路，該電路由2個(gè)N型MOS管和2個(gè)P型MOS管組成[14]．本設(shè)計(jì)選用FDW2520C芯片，其含有1個(gè)N型和1個(gè)P型MOS管，兩片組成全橋式驅(qū)動(dòng)電路，通過控制電路中MOS管的開(閉)，實(shí)現(xiàn)對TEC電流流向的控制．

圖4 橋式驅(qū)動(dòng)電路Fig.4 Bridge driver circuit

MOS管的開(閉)由脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)波控制[15]．PWM波的幅值由VLIM端電壓控制[16]， 占空比由PID網(wǎng)絡(luò)控制． 圖4中P1與N2為一對控制組合，P2與N1組成另一對控制組合, PWM波輸出到MOS管P1和N1．當(dāng)P1腳為低電平時(shí)，P1與N2組合導(dǎo)通，電流從TEC-流向TEC+；當(dāng)N1腳為高電平，P2與N1組合導(dǎo)通，電流從TEC+流向TEC-．

2.2 LD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

LD電流驅(qū)動(dòng)電路如圖5，電流控制芯片ADN2830的PSET與IBMON腳相連接，組成閉環(huán)反饋控制電路,通過調(diào)節(jié)PSET端的電阻實(shí)現(xiàn)對激光器電流的調(diào)節(jié)．為提高電流控制的穩(wěn)定性與自動(dòng)化性，本系統(tǒng)采用數(shù)字電位器對ADN2830的PSET端電阻進(jìn)行控制，由于溫控單元的TEC電壓控制及溫度設(shè)置也都采用數(shù)字電位器控制，因此數(shù)字電位器要滿足多個(gè)數(shù)字電位器芯片能夠被STM32芯片的I2C端口獨(dú)立控制的要求．

圖5 LD驅(qū)動(dòng)電路Fig.5 LD driver circuit

數(shù)字電位器 AD5173芯片的AD1和AD0引腳對應(yīng)其地址控制字的AD1和AD0控制位，根據(jù)硬件電路中相應(yīng)引腳所接電平的高低對相應(yīng)控制位進(jìn)行設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)電位器的獨(dú)立控制．由于AD5173有AD0和AD1兩個(gè)身份地址控制位，則STM32的I2C端口可實(shí)現(xiàn)對22個(gè)數(shù)字電位器的獨(dú)立控制． 編寫AD5173相應(yīng)控制程序，通過STM32的I2C端口的SDA和SDL實(shí)現(xiàn)對數(shù)字電位器阻值的調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對LD電流的控制．

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

與之前設(shè)計(jì)相比，本研究增設(shè)插件接口以對按鍵及顯示屏進(jìn)行控制，并基于STM32控制芯片編寫控制程序，使系統(tǒng)集成一體，提高了實(shí)用性和可操作性．

圖6(a)為PCB電路實(shí)物連接圖．其中，上方為顯示及按鍵控制部分，顯示模塊采用型號為OLED12864液晶屏，可顯示輸出電流和控制溫度；下方為測試使用的激光器，分別為DFB和TOSA型；溫度和電流的設(shè)置由3個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)選擇調(diào)節(jié)電流或溫度的SWITCH鍵，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)增大的UP鍵及負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)減小的DOWN鍵．

圖6 實(shí)物連接及控制流程圖Fig.6 (Color online) Physical connection and control flow chart

圖6(b)為控制流程圖．當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí)，對按鍵進(jìn)行掃描；初始默認(rèn)對電流進(jìn)行控制，若SWITCH鍵未按下，顯示屏上端顯示Current,表示當(dāng)前可對電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，若SWITCH鍵按下，則顯示屏上端顯示Temperature，表示當(dāng)前可對溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)；然后判斷是否有UP或DOWN按鍵按下，若按下則對相應(yīng)的電流或溫度值進(jìn)行改變，若無則按上一次調(diào)節(jié)的值進(jìn)行輸出，將所示的電流及溫度值顯示到顯示屏上，實(shí)現(xiàn)對電流和溫度的調(diào)節(jié)及顯示．

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用安捷倫的34410A型臺式萬用表對電路輸出的LD控制電流的穩(wěn)定性進(jìn)行測試，每10 s記錄1次，記錄時(shí)長為100 min，所測數(shù)據(jù)如圖7．其中，圖7(a)、(b)、(c)及(d)分別為20、40、60和80 mA量級的LD電流在100 min內(nèi)的波形．所對應(yīng)的電流波動(dòng)幅度分別為：0.003、0.008、0.009及 0.008 mA，相應(yīng)的電流穩(wěn)定度[17]分別為0.015%、0.020%、0.015%及0.010%，電流穩(wěn)定度在0.020%范圍內(nèi)．

激光器溫度控制的目的是為了控制其輸出光的中心波長，本實(shí)驗(yàn)采用APEX型號為AP2041B的光譜儀，在1.12 pm分辨率下對激光器輸出光的中心波長進(jìn)行測試，中心波長每12 s記錄1次，記錄時(shí)長為120 min．

采用Newport的驅(qū)動(dòng)源對DFB激光器進(jìn)行測試，在溫度為25 ℃，LD工作電流為其2倍閾值電流條件下，激光器輸出光的中心波長在120 min內(nèi)的波動(dòng)幅度為8 pm；用本設(shè)計(jì)電路在相同條件下，激光器輸出光的中心波長的波動(dòng)幅度為7 pm．

然而，兩種驅(qū)動(dòng)源對TOSA激光器的控制效果不同．圖8(a)為用Newport的驅(qū)動(dòng)源驅(qū)動(dòng)TOSA激光器所得到的中心波長在120 min內(nèi)的變化，變化范圍為1 548.291～1 548.305 nm, 變化幅度為14 pm，中心波長的歸一化均方差[18]為0.004 4．本設(shè)計(jì)對TOSA激光器控制輸出的中心波長的變化情況如圖8(b)，在120 min內(nèi)中心波長的變化范圍為1 548.272～1 548.281 nm, 變化幅度為9 pm，中心波長的歸一化均方差為0.002 0．本設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)明顯提高了對TOSA激光器中心波長的控制效果，彌補(bǔ)Newport驅(qū)動(dòng)源對TOSA激光器波長控制效果不佳的問題．

圖7 LD驅(qū)動(dòng)電流穩(wěn)定情況Fig.7 The stability of output currents for LD

圖8 TOSA激光器輸出波長隨時(shí)間變化圖Fig.8 Output wavelengths of TOSA laser over time

結(jié) 語

本設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)對不同TEC型號混沌激光器的溫度及電流的穩(wěn)定控制，輸出到TEC端的最大電壓調(diào)節(jié)范圍為0～3.3 V，輸出電流穩(wěn)定度在0.020%以內(nèi)，通過控制溫度使激光器的輸出波長波動(dòng)穩(wěn)定在9 pm以內(nèi)．與Newport驅(qū)動(dòng)源的相比,本設(shè)計(jì)將TOSA激光器的輸出波長的歸一化均方差從0.004 4降到了0.002 0，控制穩(wěn)定性得到提高．