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USB 2．0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1 h内温度稳定性达±0．01℃，功率稳定性达0．5％。
关键词：光通信；多路LD监控系统；稳定性；温度-波长调制

0 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1 h内，温度稳定性达±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1。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(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1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；另一侧的热敏电阻(THM)和热电制冷器(TEC)组成温度回路。事先通过标定温度-电压和功率-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PI分离电路解决了温度-波长调制速度慢，且其稳定性也得到了保证。

2．2 PI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PI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；当偏差值较小时引入积分作用，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U1和U2(U1<U2)，通过阈值比较电路将偏差e(t)(设定值r(t)与测量值c(t)的差值)，与两个阈值比较后，输出两个控制量分别控制开关K1和K2的通断。当e(t)<U1时，取消比例作用；当U1<e(t)<U2时，比例积分同时作用；当e(t)>U2时，为防止积分饱和而取消积分作用。PI加和后输出μ(t)驱动TEC，数值为正时加热，且数值越高加热功率越大；为负时制冷，且绝对值越大制冷功率越大，如图3所示。

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USB 2．0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，CY7C68001基于应用层编程，内部集成了4 KB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。
    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。

    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USB 2．0向DSP发出监测命令，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512 B的数据，将数据打包通过USB中断传输模式传送至上位机，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DFB，14引脚DIP蝶形封装激光器，中心波长为1 550 nm，波长调节范围从1 527．99～1 611．78 nm，输出功率最大15 W。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0．08 mV，对应的温度和功率设定最小步长分别为0．001℃和0．1 mW。根据光通信中波长传输窗口及波长-温度线性关系得出LD的温度窗口，设定相应温度范围和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3 W，温度范围为15．0～40．0℃，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1 h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U1=0．2 V，U2=2 V，适当调整PI参数，可使温度快速进入稳定。

5 结论
    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PI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 h内温度稳定性达±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。