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，以上位機作為監(jiān)控平臺，實現(xiàn)了高效調(diào)制多路激光器波長和功率，同步采集多路數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測各路激光器狀態(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。實驗結(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-波長調(diào)制
0 引言
光纖通信以其通信容量大、保密性強、重量輕等優(yōu)點，已成為未來通信的主要手段一體電感，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。由于在一個光通信窗口內(nèi)同時傳輸多個波長的光信號，且每路光均承載一定的信息量。因此，對激光光源波長調(diào)制精度及穩(wěn)定性要求很高。
目前國內(nèi)對單路激光光源的研究日趨成熟，而對多路激光光源配合工作及上層監(jiān)控系統(tǒng)的研究開展較少。一方面，如果各光源獨立工作，在通信前需分別調(diào)制各光源波長和功率參數(shù)，降低了調(diào)制效率，尤其在某個較窄的通信窗口內(nèi)，更需要高效合理地分配波長資源，單路調(diào)節(jié)難以實現(xiàn)。另一方面，光源的數(shù)字單元多采用單片機和串口控制傳輸，速度低、通用I／O少，難以滿足對多路光源的高效控制和高速采集傳輸?shù)囊蟆；诖耍疚难兄屏艘惶锥嗦稬D監(jiān)控系統(tǒng)，由上位機統(tǒng)一管理，用DSP和FPGA雙控制器替代單片機，USB 2．0替代串口通信，與上位機配合實現(xiàn)了快速精確調(diào)制多路LD參數(shù)(波長和功率)，實時監(jiān)測各路LD工作狀態(tài)和圖形化顯示等功能。實驗結(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
如前述，波長調(diào)制精度和穩(wěn)定性直接影響到WDM的實現(xiàn)。目前波長調(diào)制方法主要有電流一波長調(diào)制和溫度一波長調(diào)制法，各自優(yōu)缺點見表1。考慮到光通信對功率穩(wěn)定性的要求，本文選用溫度一波長調(diào)制。
本系統(tǒng)按照自上向下的設(shè)計思路，由上位機程序作為監(jiān)控系統(tǒng)的操作平臺，通過USB 2．0發(fā)送控制命令，包括開／關(guān)電源、調(diào)制參數(shù)(LD溫度和功率初值)和監(jiān)測。專用于通信領(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，實現(xiàn)參數(shù)調(diào)制和數(shù)據(jù)采集，最終由上位機實時顯示，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
控制系統(tǒng)包括恒溫、恒功率控制單元，遠(yuǎn)程開／關(guān)電源和參數(shù)設(shè)定電路的設(shè)計。其中，恒溫、恒功率控制單元確保了光源波長、功率的穩(wěn)定，配合參數(shù)設(shè)定電路方便了對光源參數(shù)的精確調(diào)整。
2．1 恒溫、恒功率單元設(shè)計
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)的熱敏功率電感電阻(THM)和熱電制冷器(TEC)組成溫度回路。事先通過標(biāo)定溫度-電壓和功率-電壓的對應(yīng)關(guān)系，由上位機發(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電感的單位，同時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)定值和實際值的偏差信號動態(tài)調(diào)節(jié)LD的溫度和功率，使其與設(shè)定值無限逼近。另貼片電感外在恒溫控制中引入PI分離電路解決了溫度-波長調(diào)制速度慢，且其穩(wěn)定性也得到了保證。
2．2 PI分離控制電路設(shè)計
PI控制器原理簡單、參數(shù)易調(diào)且實用性強，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)計思路，當(dāng)溫度設(shè)定值與實際測量溫度值偏差較大時，取消積分作用，避免因積分飽和致使其控制量過大，引起超調(diào)；當(dāng)偏差值較小時引入積分作用，消除靜差，可有效減小外界干擾，提高溫度穩(wěn)定性。在實際電路中采插件電感用電阻串聯(lián)分壓模式，設(shè)定兩個閾值U1和U2(U1<U2)，通過閾值比較電路將偏差e(t)(設(shè)定值r(t)與測量值c(t)的差值)，與兩個閾值比較后，輸出兩個控制量分別控制開關(guān)K1和K2的通斷。當(dāng)e(t)<U1時，取消比例作用；當(dāng)U1<e(t)<U2時，比例積分同時作用；當(dāng)e(t)>U2時，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TEC，數(shù)值為正時加熱，且數(shù)值越高加熱功率越大；為負(fù)時制冷，且絕對值越大制冷功率越大，如圖3所示。
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