光通信用的多路半導(dǎo)體激光器監(jiān)控系統(tǒng)研究

摘要：依據(jù)波分復(fù)用(WDM)在光通信中的應(yīng)用需求，研制了一套多路半導(dǎo)體激光器(LD)監(jiān)控系統(tǒng)作為通信系統(tǒng)光源。該系統(tǒng)采用USB 2．0高速傳輸模式，DSP與FPGA構(gòu)建數(shù)字通信單元，以上位機(jī)作為監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了高效調(diào)制多路激光器波長(zhǎng)和功率，同步采集多路數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各路激光器狀態(tài)等功能。所研究的LD恒溫及LD光功率恒值控制具有良好的控制精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在1 h內(nèi)溫度穩(wěn)定性達(dá)±0．01℃，功率穩(wěn)定性達(dá)0．5％。
關(guān)鍵詞：光通信；多路LD監(jiān)控系統(tǒng)；穩(wěn)定性；溫度-波長(zhǎng)調(diào)制

0 引言
    光纖通信以其通信容量大、保密性強(qiáng)、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，已成為未來(lái)通信的主要手段，且隨著WDM技術(shù)在光通信中的應(yīng)用，進(jìn)一步增大了通信容量。由于在一個(gè)光通信窗口內(nèi)同時(shí)傳輸多個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)，且每路光均承載一定的信息量。因此，對(duì)激光光源波長(zhǎng)調(diào)制精度及穩(wěn)定性要求很高。
    目前國(guó)內(nèi)對(duì)單路激光光源的研究日趨成熟，而對(duì)多路激光光源配合工作及上層監(jiān)控系統(tǒng)的研究開(kāi)展較少。一方面，如果各光源獨(dú)立工作，在通信前需分別調(diào)制各光源波長(zhǎng)和功率參數(shù)，降低了調(diào)制效率，尤其在某個(gè)較窄的通信窗口內(nèi)，更需要高效合理地分配波長(zhǎng)資源，單路調(diào)節(jié)難以實(shí)現(xiàn)。另一方面，光源的數(shù)字單元多采用單片機(jī)和串口控制傳輸，速度低、通用I／O少，難以滿足對(duì)多路光源的高效控制和高速采集傳輸?shù)囊??；诖?，本文研制了一套多路LD監(jiān)控系統(tǒng)，由上位機(jī)統(tǒng)一管理，用DSP和FPGA雙控制器替代單片機(jī)，USB 2．0替代串口通信，與上位機(jī)配合實(shí)現(xiàn)了快速精確調(diào)制多路LD參數(shù)(波長(zhǎng)和功率)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各路LD工作狀態(tài)和圖形化顯示等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在1 h內(nèi)，溫度穩(wěn)定性達(dá)±0．01℃，功率穩(wěn)定性達(dá)0．5％。

1 多路LD監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
   如前述，波長(zhǎng)調(diào)制精度和穩(wěn)定性直接影響到WDM的實(shí)現(xiàn)。目前波長(zhǎng)調(diào)制方法主要有電流一波長(zhǎng)調(diào)制和溫度一波長(zhǎng)調(diào)制法，各自優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1?？紤]到光通信對(duì)功率穩(wěn)定性的要求，本文選用溫度一波長(zhǎng)調(diào)制。

    本系統(tǒng)按照自上向下的設(shè)計(jì)思路，由上位機(jī)程序作為監(jiān)控系統(tǒng)的操作平臺(tái)，通過(guò)USB 2．0發(fā)送控制命令，包括開(kāi)／關(guān)電源、調(diào)制參數(shù)(LD溫度和功率初值)和監(jiān)測(cè)。專(zhuān)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(shí)現(xiàn)參數(shù)調(diào)制和數(shù)據(jù)采集，最終由上位機(jī)實(shí)時(shí)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(jì)
    控制系統(tǒng)包括恒溫、恒功率控制單元，遠(yuǎn)程開(kāi)／關(guān)電源和參數(shù)設(shè)定電路的設(shè)計(jì)。其中，恒溫、恒功率控制單元確保了光源波長(zhǎng)、功率的穩(wěn)定，配合參數(shù)設(shè)定電路方便了對(duì)光源參數(shù)的精確調(diào)整。
2．1 恒溫、恒功率單元設(shè)計(jì)
    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(dòng)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(guò)標(biāo)定溫度-電壓和功率-電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由上位機(jī)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(shí)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(shí)際值的偏差信號(hào)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)LD的溫度和功率，使其與設(shè)定值無(wú)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(zhǎng)調(diào)制速度慢，且其穩(wěn)定性也得到了保證。[!--empirenews.page--]

2．2 PI分離控制電路設(shè)計(jì)
    PI控制器原理簡(jiǎn)單、參數(shù)易調(diào)且實(shí)用性強(qiáng)，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(shí)間內(nèi)比較電路輸出有較大的偏差，造成積分積累達(dá)到飽和，可能給恒溫單元帶來(lái)較大的超調(diào)，甚至引起振蕩。
    為了使溫度較快進(jìn)入高穩(wěn)定狀態(tài)，本系統(tǒng)采用PI分離電路的設(shè)計(jì)思路，當(dāng)溫度設(shè)定值與實(shí)際測(cè)量溫度值偏差較大時(shí)，取消積分作用，避免因積分飽和致使其控制量過(guò)大，引起超調(diào)；當(dāng)偏差值較小時(shí)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(shí)際電路中采用電阻串聯(lián)分壓模式，設(shè)定兩個(gè)閾值U1和U2(U1<U2)，通過(guò)閾值比較電路將偏差e(t)(設(shè)定值r(t)與測(cè)量值c(t)的差值)，與兩個(gè)閾值比較后，輸出兩個(gè)控制量分別控制開(kāi)關(guān)K1和K2的通斷。當(dāng)e(t)<U1時(shí)，取消比例作用；當(dāng)U1<e(t)<U2時(shí)，比例積分同時(shí)作用；當(dāng)e(t)>U2時(shí)，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(dòng)TEC，數(shù)值為正時(shí)加熱，且數(shù)值越高加熱功率越大；為負(fù)時(shí)制冷，且絕對(duì)值越大制冷功率越大，如圖3所示。

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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(shí)質(zhì)是通過(guò)改變電壓，間接調(diào)制光源波長(zhǎng)和功率。在光通信中，需要同時(shí)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(dòng)調(diào)整旋鈕的方式，有效提高了調(diào)節(jié)精度和效率，步長(zhǎng)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(jī)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(lèi)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(dòng)型接口芯片，同時(shí)觸發(fā)USB芯片向DSP發(fā)中斷信號(hào)，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(kāi)／關(guān)電源操作與上述類(lèi)似，上位機(jī)發(fā)送開(kāi)／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(kāi)關(guān)量，實(shí)現(xiàn)開(kāi)／關(guān)操作。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
    監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)多路LD的溫度、功率信息實(shí)時(shí)測(cè)量以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。測(cè)量電路主要通過(guò)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(shí)序，可高速同步測(cè)量多路A／D。

    監(jiān)控系統(tǒng)多路測(cè)量單元結(jié)構(gòu)圖如圖7所示，工作流程為：首先上位機(jī)通過(guò)USB 2．0向DSP發(fā)出監(jiān)測(cè)命令，DSP響應(yīng)中斷，配合FPGA同步控制多路A／D時(shí)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(guò)USB中斷傳輸模式傳送至上位機(jī)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)圖形直觀顯示，以便清晰地觀測(cè)各路LD狀態(tài)。
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4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
    實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)為1 550 nm，波長(zhǎng)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(jī)程序結(jié)合VB界面美觀和C++效率高的優(yōu)勢(shì)，采用VB調(diào)用C++動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的編程模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)多路激光器的控制和監(jiān)測(cè)。軟件控制平臺(tái)包括開(kāi)／關(guān)電源和設(shè)定參數(shù)，其電壓設(shè)定最小步長(zhǎng)為0．08 mV，對(duì)應(yīng)的溫度和功率設(shè)定最小步長(zhǎng)分別為0．001℃和0．1 mW。根據(jù)光通信中波長(zhǎng)傳輸窗口及波長(zhǎng)-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(dòng)調(diào)制各路LD溫度。

    實(shí)驗(yàn)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(diǎn)擊發(fā)送選項(xiàng)，即可同時(shí)對(duì)兩路LD參數(shù)調(diào)制。結(jié)果如圖8～圖10所示。實(shí)驗(yàn)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(huì)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(jìn)入穩(wěn)定。

5 結(jié)論
    本文針對(duì)WDM技術(shù)對(duì)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(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多路LD參數(shù)的高效調(diào)制和實(shí)時(shí)同步監(jiān)測(cè)。采用本文的PI分離控制方法可以快速實(shí)現(xiàn)高精度溫度穩(wěn)定控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在1 h內(nèi)溫度穩(wěn)定性達(dá)±0．01℃，功率穩(wěn)定性達(dá)0．5％，滿足光通信中對(duì)激光器光源的需求。