摘要：依據波分復用(WDM)在光通信中的應用需求，研制了一套多路半導體激光器(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構建數字通信單元，以上位機作為監(jiān)控平臺，實現了高效調制多路激光器波長和功率，同步采集多路數據，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。實驗結果表明，在1 h內溫度穩(wěn)定性達±0．01℃，功率穩(wěn)定性達0．5％。
關鍵詞：光通信；多路LD監(jiān)控系統(tǒng)；穩(wěn)定性；溫度-波長調制

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，且隨著WDM技術在光通信中的應用，進一步增大了通信容量。由于在一個光通信窗口內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，對激光光源波長調制精度及穩(wěn)定性要求很高。
    目前國內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，在通信前需分別調制各光源波長和功率參數，降低了調制效率，尤其在某個較窄的通信窗口內，更需要高效合理地分配波長資源，單路調節(jié)難以實現。另一方面，光源的數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的要求?；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，與上位機配合實現了快速精確調制多路LD參數(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。實驗結果表明，在1 h內，溫度穩(wěn)定性達±0．01℃，功率穩(wěn)定性達0．5％。

1 多路LD監(jiān)控系統(tǒng)總體設計
   如前述，波長調制精度和穩(wěn)定性直接影響到WDM的實現。目前波長調制方法主要有電流一波長調制和溫度一波長調制法，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制。

    本系統(tǒng)按照自上向下的設計思路，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／關電源、調制參數(LD溫度和功率初值)和監(jiān)測。專用于通信領域的DSP(TMSVC5416)接收并分析命令，配合FPGA操作D／A和A／D等接口，實現參數調制和數據采集，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)設計
    控制系統(tǒng)包括恒溫、恒功率控制單元，遠程開／關電源和參數設定電路的設計。其中，恒溫、恒功率控制單元確保了光源波長、功率的穩(wěn)定，配合參數設定電路方便了對光源參數的精確調整。
2．1 恒溫、恒功率單元設計
    恒溫、恒功率單元組成框圖如圖2所示，各單元又分為設定、采樣和驅動電路，共同作用于蝶形封裝的半導體激光器。其中熱沉一側的LD和光電接收器(PD)，組成功率回路；另一側的熱敏電阻(THM)和熱電制冷器(TEC)組成溫度回路。事先通過標定溫度-電壓和功率-電壓的對應關系，由上位機發(fā)送設定值，經D／A電路以電壓形式輸出到比較電路的一端，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設定值和實際值的偏差信號動態(tài)調節(jié)LD的溫度和功率，使其與設定值無限逼近。另外在恒溫控制中引入PI分離電路解決了溫度-波長調制速度慢，且其穩(wěn)定性也得到了保證。

2．2 PI分離控制電路設計
    PI控制器原理簡單、參數易調且實用性強，因此應用廣泛。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定值或外部干擾情況下，短時間內比較電路輸出有較大的偏差，造成積分積累達到飽和，可能給恒溫單元帶來較大的超調，甚至引起振蕩。
    為了使溫度較快進入高穩(wěn)定狀態(tài)，本系統(tǒng)采用PI分離電路的設計思路，當溫度設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；當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。在實際電路中采用電阻串聯(lián)分壓模式，設定兩個閾值U1和U2(U1<U2)，通過閾值比較電路將偏差e(t)(設定值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K1和K2的通斷。當e(t)<U1時，取消比例作用；當U1<e(t)<U2時，比例積分同時作用；當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)驅動TEC，數值為正時加熱，且數值越高加熱功率越大；為負時制冷，且絕對值越大制冷功率越大，如圖3所示。

2．3 參數設定電路
    參數設定包括溫度設定和功率設定，實質是通過改變電壓，間接調制光源波長和功率。在光通信中，需要同時調制多路激光器參數。介于此本文采用多路16位串行D／A(AD5542)設定電路，替代傳統(tǒng)采用電位器分壓、手動調整旋鈕的方式，有效提高了調節(jié)精度和效率，步長為0．08 mV，電路如圖4所示。

    監(jiān)控系統(tǒng)參數設定結構圖如圖5所示，工作流程為：首先上位機向USB 2．0接口芯片CY7C68001的FIFO中發(fā)送調制參數命令，該命令包括：選擇LD的路數、設定參數類型(溫度或功率)和參數值。其中，CY7C68001基于應用層編程，內部集成了4 KB的FIFO空間，不含微處理器內核，屬于被動型接口芯片，同時觸發(fā)USB芯片向DSP發(fā)中斷信號，DSP響應中斷FIFO中的命令，與FPGA協(xié)調控制設定參數。
    另外遠程開／關電源操作與上述類似，上位機發(fā)送開／關電源命令，經DSP接收命令后，由FPGA控制總電源回路上繼電器的I／O開關量，實現開／關操作。

3 監(jiān)測系統(tǒng)
    監(jiān)測系統(tǒng)通過對多路LD的溫度、功率信息實時測量以實現監(jiān)測。測量電路主要通過A／D采集數據，其電路連接如圖6所示。將溫度、功率采樣得到的電壓經放大器輸出到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時序，可高速同步測量多路A／D。

    監(jiān)控系統(tǒng)多路測量單元結構圖如圖7所示，工作流程為：首先上位機通過USB 2．0向DSP發(fā)出監(jiān)測命令，DSP響應中斷，配合FPGA同步控制多路A／D時序。再將采集到的數據按LD路數、溫度和功率參數有規(guī)律地存入DSP程序數組中，當采集滿512 B的數據，將數據打包通過USB中斷傳輸模式傳送至上位機，并將數據通過圖形直觀顯示，以便清晰地觀測各路LD狀態(tài)。

4 實驗結果與分析
    實驗中LD選用深圳畝兆科技有限公司生產的DFB，14引腳DIP蝶形封裝激光器，中心波長為1 550 nm，波長調節(jié)范圍從1 527．99～1 611．78 nm，輸出功率最大15 W。上位機程序結合VB界面美觀和C++效率高的優(yōu)勢，采用VB調用C++動態(tài)鏈接庫的編程模式，實現對多路激光器的控制和監(jiān)測。軟件控制平臺包括開／關電源和設定參數，其電壓設定最小步長為0．08 mV，對應的溫度和功率設定最小步長分別為0．001℃和0．1 mW。根據光通信中波長傳輸窗口及波長-溫度線性關系得出LD的溫度窗口，設定相應溫度范圍和LD路數，軟件按等間隔均勻分布原則，自動調制各路LD溫度。

    實驗中，室溫為20℃，設定LD功率為3 W，溫度范圍為15．0～40．0℃，設定LD為2路，點擊發(fā)送選項，即可同時對兩路LD參數調制。結果如圖8～圖10所示。實驗結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。另外，溫度參數在重新調整后會出現振蕩，取P1分離電路中閾值電壓U1=0．2 V，U2=2 V，適當調整PI參數，可使溫度快速進入穩(wěn)定。

5 結論
    本文針對WDM技術對激光器光源的要求，采用恒溫與恒功率電路組合構成模擬單元，DSP與FPGA模塊組合構建數控單元，由上位機遠程監(jiān)控，可以實現對多路LD參數的高效調制和實時同步監(jiān)測。采用本文的PI分離控制方法可以快速實現高精度溫度穩(wěn)定控制。實驗結果表明，在1 h內溫度穩(wěn)定性達±0．01℃，功率穩(wěn)定性達0．5％，滿足光通信中對激光器光源的需求。