1、 光通信用的多路半导体激光器监控系统研究摘要：依据波分复用(wdm)在光通信中的应用需求，研制了一套多路半导体激光器(ld)监控系统作为通信系统光源。该系统采用 usb2.0高速传输模式，dsp 与 fpga构建数字通信单元，以上位机作为监控平台，实现了高效调制多路激光器波长和功率，同步采集多路数据，实时监测各路激光器状态等功能。所研究的 ld恒温及 ld光功率恒值控制具有良好的控制精度。实验结果表明，在 1h内温度稳定性迭0.01，功率稳定性迭 0.5。关键词：光通信；多路 ld监控系统；稳定性；温度一波长调制引言光纤通信以其通信容量大、保密性强、重量轻等优点，已成为未来通信的主要手段，且随
2、着 wdm技术在光通信中的应用，进一步增大了通信容量。由于在一个光通信窗口内同时传输多个波长的光信号，且每路光均承载一定的信息量。因此，对激光光源波长调制精度及稳定性要求很高。目前国内对单路激光光源的研究日趋成熟，而对多路激光光源配合工作及上层监控系统的研究开展较少。一方面，如果各光源独立工作，在通信前需分别调制各光源波长和功率参数，降低了调制效率，尤其在某个较窄的通信窗口内，更需要高效合理地分配波长资源，单路调节难以实现。另一方面，光源的数字单元多采用单片机和串口控制传输，速度低、通用 i/o少，难以满足对多路光源的高效控制和高速采集传输的要求。基于此，本文研制了一套多路 ld监控系统，由上
3、位机统一管理，用 dsp和 fpga双控制器替代单片机，usb 2,0替代串口通信，与上位机配合实现了快速精确调制多路 ld参数(波长和功率)，实时监测各路 ld工作状态和图形化显示等功能。实验结果表明，在 1h内，温度稳定性达土 0.01，功率稳定性达0.5。1 多路 ld监控系统总体设计如前述，波长调制精度和稳定性直接影响到 wdm的实现。目前波长调制方法主要有电流一波长调制和温度一波长调制法，各自优缺点见表。考虑到光通信对功率稳定性的要求，本文选用温度一波长调制。本系统按照自上向下的设计思路，由上位机程序作为监控系统的操作平台，通过 usb 2.0发送控制命令，包括开/关电源、调制参数(
4、ld温度和功率初值)和监测。专用于通信领域的 dsp(tmsvc5416)接收并分析命令，配合 fpga操作 d/a和 a/d等接口，实现参数调制和数据采集，最终由上位机实时显示，多路 ld监控系统总体组成如图l所示。2控制系统设计控制系统包括恒温、恒功率控制单元，远程开关电源和参数设定电路的设计。其中，恒温、恒功率控制单元确保了光源波长、功率的稳定，配合参数设定电路方便了对光源参数的精确调整。2.1恒温、恒功率单元设计恒温、恒功率单元组成框图如图 2所示，各单元又分为设定、采样和驱动电路，共同作用于蝶形封装的半导体激光器。其中热沉一侧的 ld和光电接收器(pd)，组成功率回路；另一侧的热敏电
5、阻(thm)和热电制冷器(tec)组成温度回路。事先通过标定温度一电压和功率一电压的对应关系，由上位机发送设定值，经 d/a电路以电压形式输出到比较电路的一端，同时 thm提取 ld温度信息，pd 串联的采样电阻提取 ld功率信息输出到比较电路的另一端，tec 和 ocl功率放大电路分别根据设定值和实际值的偏差信号动态调节 ld的温度和功率，使其与设定值无限逼近。另外在恒温控制中引入 p1分离电路解决了温度一波长调制速度慢，且其稳定性也得到了保证。2.2p1分离控制电路设计pi控制器原理简单、参数易调且实用性强，因此应用广泛。本系统中的比例环节(p)主要是为了提高温度响应速度，积分环节(i)主
6、要是为了消除静差、提高精度，但在大幅度增减温度设定值或外部干扰情况下，短时间内比较电路输出有较大的偏差，造成积分积累达到饱和，可能给恒温单元带来较大的超调，甚至引起振荡。为了使温度较快进入高稳定状态，本系统采用 pl分离电路的设计思路，当温度设定值与实际测量温度值偏差较大时，取消积分作用，避免因积分饱和致使其控制量过大，引起超调；当偏差值较小时引人积分作用，消除静差，可有效减小外界干扰，提高温度稳定性。在实际电路中采用电阻串联分压模式，设定两个阈值 u(m1)。和(u。u(m2)。时，为防止积分饱和而取消积分作用。pi 加和后输出“(t0)驱动 tec，数值为正时加热，且数值越高加热功率越大；
7、为负时制冷，且绝对值越大制冷功率越大，如图 3所示。图 3p1分离电路图2.3参数设定电路参数设定包括温度设定和功率设定，实质是通过改变电压，间接调制光源波长和功率。在光通信中，需要同时调制多路激光器参数。介于此本文采用多路 16位串行 d/a(ad5542)设定电路，替代传统采用电位器分压、手动调整旋钮的方式，有效提高了调节精度和效率，步长为 0.08 mv，电路如图 4所示。监控系统参数设定结构图如图 5所示，工作流程为：首先上位机向 usb2.0接口芯片 cy7c68001的 fifo中发送调制参数命令，该命令包括：选择 ld的路数、设定参数类型(温度或功率)和参数值。其中，cy7c68
8、001 基于应用层编程，内部集成了 4kb的 fifo空间，不含微处理器内核，属于被动型接口芯片，同时触发 usb芯片向 dsp发中断信号，dsp 响应中断 fifo中的命令，与 fpga协调控制设定参数。图 5监控系统参数设定结构图另外远程开/关电源操作与上述类似，上位机发送开/关电源命令，经 dsp接收命令后，由 fpga控制总电源回路上继电器的 i/o开关量，实现开/关操作。3监测系统监测系统通过对多路 ld的温度、功率信息实时测量以实现监测。测量电路主要通过 a/d采集数据，其电路连接如图 6所示。将温度、功率采样得到的电压经放大器输出到 a/d的模拟输入端，其中 a/d芯片选用 16
9、位高速串行ads8321，采样速率为 100 khz。fpga 基于其并行流水线控制 a/d时序，可高速同步测量多路 a/d。dfb，14 引脚 dip蝶形封装激光器，中心波长为 1550 nm，波长调节范围从 1527.991611.78nm，输出功率最大 15w。上位机程序结合 vb界面美观和 c+效率高的优势，采用 vb调用 c+动态链接库的编程模式，实现对多路激光器的控制和监测。软件控制平台包括开/关电源和设定参数，其电压设定最小步长为 0.08mv，对应的温度和功率设定最小步长分别为 0.001和 0.1mw。根据光通信中波长传输窗口及波长一温度线性关系得出 ld的温度窗口，设定相应
10、温度范围和 ld路数，软件按等间隔均匀分布原则，自动调制各路 ld温度。实验中，室温为 20，设定 ld功率为 3w，温度范围为15040.0，设定 ld为 2路，点击发送选项，即可同时对两路 ld参数调制。结果如图 8图 10所示。实验结果表明温度偏差可控制在0.01，且越接近室温控制效果越好，功率 1h稳定性在 0.5以内。另外，温度参数在重新调整后会出现振荡，取 p1分离电路中阈值电压 u(m1)=0.2 v,u(m2)=2v，适当调整 pi参数，可使温度快速进入稳定。图 6a/d电路连接图监控系统多路测量单元结构图如图 7所示，工作流程为：首先上位机通过 usb2.0向 dsp发出监测
11、命令，dsp 响应中断，配合 fpga同步控制多路 a/d时序。再将采集到的数据按 ld路数、温度和功率参数有规律地存入 dsp程序数组中，当采集满 512b的数据，将数据打包通过 usb中断传输模式传送至上位机10，并将数据通过图形直观显示，以便清晰地观测各路 ld状态。4实验结果与分析实验中 ld选用深圳亩兆科技有限公司生产的本文针对 wdm技术对激光器光源的要求，采用恒温与恒功率电路组合构成模拟单元，dsp 与 fpga模块组合构建数控单元，由上位机远程监控，可以实现对多路 ld参数的高效调制和实时同步监测。采用本文的 p1分离控制方法可以快速实现高精度温度稳定控制。实验结果表明，在 1
12、h内温度稳定性达士 0.01，功率稳定性达 0.5，满足光通信中对激光器光源的需求。参考文献1谢昌敏，仲佳嘉.基于 dwdm的分布式全光网络的实现研究j.国外电子测量技术，2010，29(7)：79-82.2石玢，朱杰.基于 dwdm系统的 fec应用及性能测试j.电子测量技术，2007，30(6)：122-124.3raniguchi.25w 915nm lasers with window structure fabricatedby impurity free vacancy disordenng(ifvd)j.proceedmgsof semiconductor laser c0nfe
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