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蟆；诖耍疚难兄屏艘惶锥嗦稬D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。考慮到光通信對(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。