CN103941790A

CN103941790A - 一种多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源

Info

Publication number: CN103941790A
Application number: CN201410196248.XA
Authority: CN
Inventors: 吕辉; 吴裕斌; 余永林; 盛飞; 黄楚云
Original assignee: Hubei University of Technology
Current assignee: Hubei University of Technology
Priority date: 2014-05-09
Filing date: 2014-05-09
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2034-05-09
Also published as: CN103941790B

Abstract

本发明公开了一种多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源，包括高速逻辑器件FPGA构成的数字控制单元、高速数模转换单元DAC和高速运算电压放大电路，高速数模转换单元DAC输出端与高速运算电压放大电路输入端串联连接，组成数模转换放大电路，数字控制单元多个输出端一一与多路数模转换放大电路的输入端连接，多路数模转换放大电路的输出端一一与多个有源光电器件输入端连接；本发明同时克服一般电源的缺陷，具有输出电压范围宽、准确度高、切换速度快等特点，成为多电极可调谐激光器静态和动态测试的必备驱动源。

Description

一种多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源

技术领域

本发明属于电子电气技术领域，涉及一种多电极有源光电器件的电源，具体涉及一种输出电压范围宽、准确度高、切换速度快的多路程控的有源光电器件电源。

背景技术

随着高速全光网络的迅猛发展，可调谐半导体激光器作为新一代WDM系统以及全光网络的关键光电子器件被赋予了更高的性能要求。取样光栅分布布拉格反射型(SG-DBR)激光器作为一种新型的宽可调谐半导体激光器，具有波长调谐范围宽、调谐速度快、低成本、输出功率大、稳定性好、便于与其它器件集成等优点，在WDM系统中有着广阔的应用前景。

请见图1，以四节SG-DBR激光器为例，器件由一个增益节、一个相位节和两个取样光栅节组成，增益节与普通激光器增益区一样，用于提供激光增益；相位节用于激光器腔长的调整，实现波长精细调谐；两个取样光栅节如同共同作用的调谐滤波器，用于实现波长选择也就是所谓的粗调谐，因此该器件需要四路电源来驱动它的四个电极。SG-DBR激光器工作时，它的四个电极分别串接一个精密限流电阻，再与程控电源相连，改变程控电源的输出电压，即可改变激光器电极的驱动电流。在SG-DBR激光器的波长定标过程中，需要对前、后光栅节和相位节的对应的驱动电压(或电流)进行扫描，定出ITU-T规定的各个通信波长所对应的每节驱动电压(或电流)值；请见图2，是一个SG-DBR激光器的激射波长与其两个取样光栅节控制电流的关系，在整个电流扫描过程中，要求扫描精度达到0.1mA，如果扫描精度不够，会造成定标结果不准确；另外，在SG-DBR激光器的动态测试过程中，对各个调谐节电流切换的速度和各路切换的同步精度要求也很高(ns级)；除此之外，还要满足各节电流的调节范围要求。

普通电源电路一般不能同时达到上述要求，因此需要特殊的设计方案。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种用于驱动有源光电器件、特别是多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源。

本发明所采用的技术方案是：一种多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源，其特征在于：包括高速逻辑器件FPGA构成的数字控制单元、高速数模转换单元DAC和高速运算电压放大电路，所述的高速数模转换单元DAC输出端与高速运算电压放大电路输入端串联连接，组成数模转换放大电路，所述的数字控制单元多个输出端一一与多路数模转换放大电路的输入端连接，所述的多路数模转换放大电路的输出端一一与多个有源光电器件输入端连接；所述的数字控制单元控制程控电源输出电压值的大小，高速数模转换单元DAC将数字控制单元发出的数字信号转换为高精度模拟电压信号，高速运算电压放大电路将数模转换单元输出的电压信号放大并提升其电流驱动能力，从而为有源光电器件提供电力。

作为优选，所述的程控电源还包括TEC控制电路，所述的TEC控制电路与有源光电器件内部制冷器相连，实现对该有源光电器件管芯温度的控制。

作为优选，所述的TEC控制电路最大可提供3A的制冷电流。

作为优选，所述的高速数模转换单元DAC的分辨率为14位，输出电压范围为±0.5V。

作为优选，所述的高速运算放大电路输出电压范围为±2.4V。

作为优选，所述的高速运算放大电路中的电压放大器均有最大电流限制功能，电流限制设定范围为5～200mA。

作为优选，所述的高速运算放大电路中的电压放大器最大电流根据所选的放大器型号不同，电流输出范围为0～200mA。

作为优选，所述的高速逻辑器件FPGA中设置有SE2PROM存储器，用于保存用户的控制参数，其容量范围为1～1000KB。

作为优选，所述的高速逻辑器件FPGA中集成有DSP资源，用于根据上位机指令快速计算出各高速数模转换单元DAC要输出的电压值。

作为优选，所述的高速运算电压放大电路包括高速运算放大器、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和电容C2，输入电压连接高速运算放大器同相输入端，同时高速运算放大器同相输入端通过连接到地，电阻R4高速运算放大器反相输入端通过电阻R1连接到地，同时，高速运算放大器反相输入端通过并联连接的电阻R2和电容C1跨接到高速运算放大器输出端，高速运算放大器输出端通过电容C2与地相连，同时通过电阻R3连接被控光电器件的输入端。

作为优选，所述的TEC控制电路包括电压基准源、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻Rx、运算放大器U1A、运算放大器U1B、TEC控制模块U2和SG—DBR激光器U3；电压基准源的输出端通过串联连接的电阻R5和R6设定运算放大器U1A的同相输入电压，运算放大器U1A的反相输入端与输出端短接构成电压跟随器，其输出端与TEC控制模块U2的2脚相连，电压基准源的输出端通过串联连接的电阻R7和R8设定运算放大器U1B的同相输入电压，运算放大器U1B的反相输入端与其输出端短接构成电压跟随器，其输出端与TEC控制模块U2的3脚相连，TEC控制模块U2的7脚通过电阻Rx连接到地，TEC控制模块U2的12脚、13脚分别与U3的1脚、14脚相连。TEC控制模块U2的11脚与SG—DBR激光器U3的11脚相连。

作为优选，所述的程控电源还包括电压监控单元，所述的电压监控单元一端与所述的数字控制单元连接、另一端与所述的高速运算电压放大电路输出端连接。

本发明目提供的一种用于驱动有源光电器件，特别是多电极有源器件的程控电源，并且针对激光器和半导体光放大器TEC的要求，提供一种TEC控制电路。同时克服一般电源的缺陷，具有输出电压范围宽、准确度高、切换速度快等特点，成为多电极可调谐激光器静态和动态测试的必备驱动源。

附图说明

图1：是本发明现有技术的四节SG-DBR激光器的示意图。

图2：是本发明现有技术的四节SG-DBR激光器的激射波长与其两个取样光栅节控制电流的关系。

图3：本发明实施例的程控电源原理图。

图4：本发明实施例的高速运算电压放大电路原理图。

图5：本发明实施例的TEC控制电路框图。

图6：本发明实施例的四节SG-DBR激光器静态测试框图。

图7：本发明实施例的四节SG-DBR激光器动态测试框图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图3，本发明所采用的技术方案是：一种多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源，其特征在于：包括高速逻辑器件FPGA构成的数字控制单元、高速数模转换单元DAC、高速运算电压放大电路、TEC控制电路和电压监控单元，高速数模转换单元DAC输出端与高速运算电压放大电路输入端串联连接，组成数模转换放大电路，数字控制单元多个输出端一一与多路数模转换放大电路的输入端连接，多路数模转换放大电路的输出端一一与多个有源光电器件输入端连接；数字控制单元控制程控电源输出电压值的大小，高速数模转换单元DAC将数字控制单元发出的数字信号转换为高精度模拟电压信号，高速运算电压放大电路将数模转换单元输出的电压信号放大并提升其电流驱动能力，从而为有源光电器件提供电力；高速逻辑器件FPGA中设置有SE2PROM存储器，用于保存用户的控制参数，其容量范围为1～1000KB，高速逻辑器件FPGA中集成有DSP资源，用于根据上位机诸如激光器波长类指令快速计算出各高速数模转换单元DAC要输出的电压值；高速逻辑器件FPGA构成的数字控制单元可同时向10个数模转换单元发出数据，数据更新速率可达210MPS；FPGA内部程序可控制其按照用户的要求改变其各路数据，也可以通过通信接口与上位机进行通信，将用户所需要的数据发给上位机；上位机也可发命令给FPGA，让其执行相应操作；程控电源上电时各路输出可以根据需要锁定在0电压值，以保护负载不受冲击；该程控电源的软件部分包括FPGA程序、上位机PC控制界面两个部分，各部分程序根据所驱动器件及应用场合的不同分别完成不同的功能；TEC控制电路与有源光电器件内部制冷器相连，实现对该有源光电器件管芯温度的控制。该TEC控制电路通过从该有源光电器件内部设置的诸如热敏电阻类温度传感器上采得电压信息，以此获得该有源光电器件的管芯温度信息，从而设置相应的制冷电流到该有源光电器件内部的制冷器，使得该有源光电器件管芯温度回到目标工作温度；TEC控制电路最大可提供3A的制冷电流；电压监控单元一端与所述的数字控制单元连接、另一端与所述的高速运算电压放大电路输出端连接，用于程控电源的电压监控，一旦发现高速运算电压放大电路输出过压，就会自动切断电源，从而保护诸如激光器类有源光电器件不会损坏。

本实施例的高速数模转换单元DAC的分辨率为14位，输出电压范围为±0.5V；DAC可根据激光器的控制需要同步或异步地改变输出电压值；高速运算放大电路输出电压范围为±2.4V；高速运算放大电路中的电压放大器均有最大电流限制功能，电流限制设定范围为5～200mA；高速运算放大电路中的电压放大器最大电流根据所选的放大器型号不同，电流输出范围为0～200mA。

请见图4，本实施例的高速运算电压放大电路包括高速运算放大器、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和电容C2，输入电压连接高速运算放大器同相输入端，同时高速运算放大器同相输入端通过连接到地，电阻R4高速运算放大器反相输入端通过电阻R1连接到地，同时，高速运算放大器反相输入端通过并联连接的电阻R2和电容C1跨接到高速运算放大器输出端，高速运算放大器输出端通过电容C2与地相连，同时通过电阻R3连接被控光电器件的输入端。

请见图5，本实施例的TEC控制电路包括电压基准源、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻Rx、运算放大器U1A、运算放大器U1B、TEC控制模块U2和SG—DBR激光器U3；电压基准源的输出端通过串联连接的电阻R5和R6设定运算放大器U1A的同相输入电压，运算放大器U1A的反相输入端与输出端短接构成电压跟随器，其输出端与TEC控制模块U2的2脚相连，电压基准源的输出端通过串联连接的电阻R7和R8设定运算放大器U1B的同相输入电压，运算放大器U1B的反相输入端与其输出端短接构成电压跟随器，其输出端与TEC控制模块U2的3脚相连，TEC控制模块U2的7脚通过电阻Rx连接到地，TEC控制模块U2的12脚、13脚分别与U3的1脚、14脚相连。TEC控制模块U2的11脚与SG—DBR激光器U3的11脚相连。相关功能的实现如下：通过电阻R5～R8设置SG—DBR激光器中TEC所能承受的最大正向电压和最大反向电压，通过调节电阻Rx阻值设定SG—DBR激光器U3的工作温度，TEC控制器模块U2可为SG—DBR激光器U3内部TEC提供3A的最大制冷电流。

以下针对四节SG-DBR激光器的测试要求，本实施例对本发明的程控电源电路进行详细说明。

为了满足被控器件0.1mA的电流调节精度，需要数模转换单元的分辨率和高速运算电压放大电路的负载能力同时满足要求。本实施例选用14位数模转换单元DAC，所选驱动高速运算电压放大电路的最大电流驱动能力为175mA，对于该电流所能达到的理想电流调节精度为175mA/213＝0.02mA。

为了满足电流切换速度的要求，本实施例选用高速逻辑器件FPGA作为数据源，同时选用高速数模转换单元，使得电流切换速度达到5ns量级，并且满足各路电源同时切换的要求。

由于四节SG-DBR激光器的测试只需要用到四路程控电源来驱动，因此本实施例在上述多路电源的方案中只输出了4路同步的电极驱动电压，通过限流电阻转换为4路同步驱动电流。其中，相位节的驱动电流的范围要求0～15mA，两个光栅节的驱动电流范围要求0～30mA，而有源节的驱动电流一般工作在稳定的值，而其范围一般在100mA左右，因此将其驱动范围控制在90～120mA，针对这些要求，本实施例分别对这四路电流的范围进行了设定，这主要是通过调节图4所示功率放大电路输出端串接的精密限流电阻R3的阻值以及FPGA的软件设定完成的。

所选数模转换单元输出电流I_DAC范围为0～2.4mA，经过电阻R4转变成功率运算放大器的同向输入电压V_in

V_in＝I_DAC×R4

经该运算放大器放大后，得到运算放大器的输出电压V_OUT为

V_{OUT} = \frac{R_{4} \times R_{2}}{R_{1}} \times I_{DAC}

V_OUT的变化范围为0～2.4V，所以激光器电极的驱动电流为

I_{d} = \frac{V_{OUT}}{R_{3} + R_{d}}

式中R_d为激光器的负载电阻，测出R_d值，调节R₃的值的大小，即可调节激光器电极的电流值。可以看出激光器的驱动电流与DAC的输出电压一一对应，改变DAC的输出电压即可改变驱动电流。

激光器电流的最大限流值为

I_{d \max} = \frac{2.4 V}{R_{3} + R_{d}}

这样，激光器在工作时，各电极的驱动电流均在设定的电流范围之内，避免过流驱动造成激光器损坏。请见表1，各节段的电流调节精度满足SG-DBR激光器静态扫描的电流要求。

表1各节段的电流调节精度

节段名称	电流范围	电流调节精度
			相位节	0～15mA	0.0018mA
前光栅节	0～30mA	0.0036mA
			后光栅节	0～30mA	0.0036mA
增益节	0～120mA	0.015mA

对于SG-DBR激光器，其内部TEC需要外部电流控制，请见图5，为TEC控制电路图，TEC控制模块通过激光器内部热敏电阻上的电压值可以获取激光器管芯温度信息，从而向激光器内部TEC提供相应的制冷电流，将管芯温度控制在设定值。图5中的R5～R8四个电阻值可根据激光器内部TEC所能承受的最大电压来确定，用来防止所加电压超过TEC允许的最大电压以至于损坏TEC。图5中的Rx为激光器管芯温度设定电阻，取Rx＝10KΩ，则管芯温度被设定在25℃。TEC控制电路可为激光器内部TEC提供3A的最大制冷电流。

除了上述硬件设置之外，还需要相应的软件支撑。其软件部分在对SG-DBR激光器进行静态测试和动态测试两种情况下其功能又有所不同。在如图6所示的静态测试环境下，上位机首先通过串口给FPGA发命令，FPGA按设定的步长自动对三个调谐节的驱动电流分别进行递增扫描，并将有源节的驱动电流设定在一个合适的值保持不变。光谱仪将每个电流组合下对应的激光器输出信号波长和边模抑制比(SMSR)通过GPIB总线传给上位PC机。上位机以边模抑制比的值为标准对波长－电流对应关系进行优化，建立波长－电压查询表，通FPGA写入其片外存储器中。上位机可发出扫描终止命令给FPGA以终止电流扫描过程，还可以由上位机设置手动扫描模式及更改扫描步长。

而对于如图7所示的动态测试环境，同样由上位机发命令给FPGA，FPGA从其内部的波长－电压查询表中查出起始波长对应的三个调谐节电压值，然后向四路DAC发出起始波长对应的四路电压值，其中有源节电流在整个过程中保持不变。这个过程实际上是给激光器设定一个上电后的初始工作状态，之后会对激光器从波长λ1→λ2切换的动态过程进行测试。首先将可调谐光滤波器的中心波长调到λ1，由上位机发出λ1波长选择命令给FPGA，FPGA接到命令，从其内部的波长－电压查询表中查出所选波长λ1对应的三个调谐节电流值，对发出的三个调谐节电压值进行更新，使激光器输出信号波长为λ1。再由上位机发出λ2波长选择命令给FPGA，FPGA接到命令，从其内部的波长信息查询表中查出所选波长λ2对应的三个调谐节电压值，对发出的三个调谐节电压值进行更新，同时产生一个触发信号给示波器，这样可以通过示波器测得光电转换模块输出的下降信号相对于触发信号的延时t1。再将可调谐光滤波器的中心波长设置在λ2，重复上述对激光器从波长λ1→λ2的切换，切换时同样由FPGA产生一个触发信号，这样可以通过示波器测得光/电转换模块输出的上升信号相对于触发信号的延时t2。t2-t1即为激光器波长切换的时间。由于触发信号由FPGA产生，因此在波长切换时间中引入了从FPGA到运算放大器电路最终输出之间的延时，所以要对触发信号进行适当的延时以便和激光器驱动电流信号的切换起点相匹配。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源，其特征在于：包括高速逻辑器件FPGA构成的数字控制单元、高速数模转换单元DAC和高速运算电压放大电路，所述的高速数模转换单元DAC输出端与高速运算电压放大电路输入端串联连接，组成数模转换放大电路，所述的数字控制单元多个输出端一一与多路数模转换放大电路的输入端连接，所述的多路数模转换放大电路的输出端一一与多个有源光电器件输入端连接；所述的数字控制单元控制程控电源输出电压值的大小，高速数模转换单元DAC将数字控制单元发出的数字信号转换为高精度模拟电压信号，高速运算电压放大电路将数模转换单元输出的电压信号放大并提升其电流驱动能力，从而为有源光电器件提供电力。

2.根据权利要求1所述的多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源，其特征在于：所述的程控电源还包括TEC控制电路，所述的TEC控制电路与有源光电器件内部制冷器相连，实现对该有源光电器件管芯温度的控制。

3.根据权利要求2所述的多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源，其特征在于：所述的TEC控制电路最大可提供3A的制冷电流。

4.根据权利要求1所述的多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源，其特征在于：所述的高速数模转换单元DAC的分辨率为14位，输出电压范围为±0.5V。

5.根据权利要求1所述的多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源，其特征在于：所述的高速运算放大电路输出电压范围为±2.4V。

6.根据权利要求1所述的多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源，其特征在于：所述的高速运算放大电路中的电压放大器均有最大电流限制功能，电流限制设定范围为5～200mA。

7.根据权利要求1或6所述的多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源，其特征在于：所述的高速运算放大电路中的电压放大器最大电流根据所选的放大器型号不同，电流输出范围为0～200mA。

8.根据权利要求1所述的多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源，其特征在于：所述的高速逻辑器件FPGA中设置有SE2PROM存储器，用于保存用户的控制参数，其容量范围为1～1000KB。

9.根据权利要求1所述的多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源，其特征在于：所述的高速逻辑器件FPGA中集成有DSP资源，用于根据上位机指令快速计算出各高速数模转换单元DAC要输出的电压值。

10.根据权利要求1所述的多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源，其特征在于：所述的高速运算电压放大电路包括高速运算放大器、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和电容C2，输入电压连接高速运算放大器同相输入端，同时高速运算放大器同相输入端通过连接到地，电阻R4高速运算放大器反相输入端通过电阻R1连接到地，同时，高速运算放大器反相输入端通过并联连接的电阻R2和电容C1跨接到高速运算放大器输出端，高速运算放大器输出端通过电容C2与地相连，同时通过电阻R3连接被控光电器件的输入端。

11.根据权利要求1所述的多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源，其特征在于：所述的TEC控制电路包括电压基准源、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻Rx、运算放大器U1A、运算放大器U1B、TEC控制模块U2和SG—DBR激光器U3；电压基准源的输出端通过串联连接的电阻R5和R6设定运算放大器U1A的同相输入电压，运算放大器U1A的反相输入端与输出端短接构成电压跟随器，其输出端与TEC控制模块U2的2脚相连，电压基准源的输出端通过串联连接的电阻R7和R8设定运算放大器U1B的同相输入电压，运算放大器U1B的反相输入端与其输出端短接构成电压跟随器，其输出端与TEC控制模块U2的3脚相连，TEC控制模块U2的7脚通过电阻Rx连接到地，TEC控制模块U2的12脚、13脚分别与U3的1脚、14脚相连；TEC控制模块U2的11脚与SG—DBR激光器U3的11脚相连。12.根据权利要求1所述的多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源，其特征在于：所述的程控电源还包括电压监控单元，所述的电压监控单元一端与所述的数字控制单元连接、另一端与所述的高速运算电压放大电路输出端连接。