CN109802298B - 蝶形封装sg-dbr可调谐半导体激光器模块控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种蝶形封装SG‑DBR可调谐半导体激光器模块控制系统，包括单片集成压控恒流源驱动电路、光波长锁定电路、高精度TEC控制电路、DSP芯片以及光源模块，DSP芯片通过SPI总线调整所述单片集成压控恒流源驱动电路中的集成恒流源驱动芯片；高精度TEC电路用于控制激光器的工作环境温度恒定在设定值；其由DSP芯片通过DA功能输出电压值至温度控制芯片的相应管脚来设置温度值或直接改变温度控制芯片周边的电路中的相应电阻来设置；光波长锁定电路采集光源模块输出的两路电流值，并转换为电压，通过AD模块转换为数字信号送至DSP芯片或直接输入至DSP芯片内置的AD模块进行采集，用于反馈控制补偿恒流源的输出，保证激光器模块波长和功率输出的稳定。

Description

蝶形封装SG-DBR可调谐半导体激光器模块控制系统

本申请是申请号为201610920193.1，发明创造名称为蝶形封装SG-DBR可调谐半导体激光器模块控制方法的分案申请。

技术领域

本发明涉及的一种用于航空航天的基于光纤光栅传感测试系统中可调谐激光器模块的控制，主要是基于蝶形封装的一种SG-DBR(SampledGratingDistributedBraggReflector)可调谐激光器的控制系统。

背景技术

半导体激光器是目前光通信系统以及光纤传感中最重要的光源，具有体积小，重量轻，转换效率高，省电等特点，便于与其他器件实现单片光电子集成。而在一定范围内可以连续改变激光输出波长的可调谐半导体激光器，由于其特有性能已经被世界各公司和研究机构所重视，此领域也不断的取得了新的进展。特别是在密集波分复用系统和全光网络中作为关键光电子器件，根据市场需求，蝶形封装的可调谐激光器结构紧凑、运行稳定。操作方便、性能完善，成本降低，可实现多波长多功率的输出。所以蝶形封装形式的可调谐激光器应用越来越广泛。

目前国外可调谐半导体激光器的调谐实现原理主要可分为三种：电流调谐、温度调谐与机械调谐，而所选半导体激光器光源也由调谐方式所决定。

电流调谐是通过改变注入电流来实现波长的调谐，其调谐速度为ns级别，主要应用于SG-DBR(采样光栅DBR)与GCSR(辅助光栅定向耦合背向取样反射)激光器。其一般原理是通过改变可调谐激光器内不同位置的光纤光栅和相位控制部分的电流，使光纤光栅的相对折射率发生变化，产生不同的光谱。通过不同区域光纤光栅产生的不同光谱的叠加进行特定波长的选择，从而产生需要的特定波长的激光。通过改变前后布拉格光栅区的注入电流来改变反射区材料有效折射率，布拉格波长随之变化，完成波长的粗调。接着调节相位区的电流使腔模同反射区的反射峰一致实现细调。

但是此类型可调谐激光器存在跳模问题，为了消除中间过程瞬态模式的影响，通常在DBR型可调谐半导体激光器的前光栅节的前端单片集成一个SOA(半导体光放大器)，在波长切换的过程中，SOA作为一个光开关切断激光器的输出，从而达到屏蔽瞬态激射模式的效果。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供了一种蝶形封装SG-DBR连续可调谐半导体激光器控制方法，其特征在于：包括单片集成压控恒流源驱动电路、光波长锁定电路、高精度TEC控制电路、DSP芯片以及光源模块，其特征在于：所述DSP芯片通过SPI总线调整所述单片集成压控恒流源驱动电路中的集成恒流源驱动芯片，用于改变电流输出来控制所述光源模块的波长输出；所述高精度TEC电路用于控制激光器的工作环境温度恒定在设定值；其由所述DSP芯片通过DA功能输出电压值至温度控制芯片的相应管脚来设置温度值或直接改变温度控制芯片周边的电路中的相应电阻来设置；所述光波长锁定电路采集光源模块输出的两路电流值，并转换为电压，通过AD模块转换为数字信号送至DSP芯片或直接输入至所述DSP芯片内置的AD模块进行采集，用于反馈控制补偿恒流源的输出，保证激光器模块波长和功率输出的稳定。

优选地，所述控制电路还包括光解调电路以及PD检测电路，所述光解调电路将外部的光信号输入，通过所述PD检测电路转换后的电压信号送至DSP芯片的AD模块进行采集。

优选地，所述DSP芯片对所述光波长锁定电路采集的波长信息进行校正、解算相关处理来补偿调谐电流操作以及对接收到的外部环境数据进行快速解调。

优选地，所述DSP芯片接口还包括SDRAM芯片。

优选地，所述高精度TEC控制电路控制的所有温度控制芯片的温度稳定性为±0.003℃以下。

优选地，所述DSP芯片接口还包括FLASH芯片，所述FLASH芯片用于存储“波长-电流”查找表。

优选地，所述DSP芯片接口还包括SDRAM、串口通信电路，所述串口通信电路为RS232或者RS485接口电路组成，用于通过上位机发送电流调谐命令用于测试可调谐半导体激光器的“波长-电流”查找表，同时可以将DSP芯片输出的解调结果上传于上位机。

优选地，所述反馈信号包括参考信号和标准信号。

优选地，集成恒流源驱动芯片包括五路电流输出区，分别为半导体光放大器电流输出区、增益区电流输出区、相位区电流输出区、前光栅以及后光栅电流输出区，其中上述各区调整的电流值范围不同。

优选地，所述波长漂移受温度漂移影响，所述高精度TEC控制电路控制光源模块的波长漂范围为5pm。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出根据本发明的蝶形封装SG-DBR连续可调谐半导体激光器模块控制原理图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件。

本发明的控制方法是DSP芯片通过SPI总线功能调整单片集成压控电流源芯片来改变5路电流输出来控制激光器的波长输出，同时在高精度TEC温度控制下，保证激光器由于温度漂移影响波长漂移最小至5个pm之内，恒流源以及温度控制均能控制波长在一定时间内的相对稳定，但是长时间运行后，波长与温度特性曲线会发生变化，导致波长中心频率发生偏移，光源模块内部集成光波长偏移量的传感和对这个偏移量的补偿，所以光源模块会输出参考信号和标准信号两路通过AD转换后送至DSP芯片经过一定计算来确定各调谐节电流的补偿值，进一步保证激光器波长和功率输出的稳定。

整个控制部分包括：数字信号处理器DSP利用SPI通信接口控制集成恒流源驱动芯片实现对可调谐光源的5路电流的控制设计；DSP实现对高精度TEC驱动控制电路设计；单片式SG-DBR可调谐模块的光波长输出的反馈信号通过AD芯片送至DSP芯片进行处理电路设计；DSP芯片的外围FLASH、SDRAM、串口通信电路设计；后期用于可调谐波长解调的PD检测电路设计等。

如图1所示，为本发明的单片集成蝶形封装SG-DBR连续可调谐半导体激光器模块控制原理图。控制方法包括单片集成压控恒流源驱动电路、光波长锁定电路、高精度TEC控制电路、DSP芯片以及光源模块，其中：

包括单片集成压控恒流源驱动电路、光波长锁定电路、高精度TEC控制电路、DSP芯片以及光源模块，其特征在于：

所述DSP芯片通过SPI1总线调整所述单片集成压控恒流源驱动电路中的集成恒流源驱动芯片，用于改变电流输出来控制所述光源模块的波长输出；

所述高精度TEC电路用于控制激光器的工作环境温度恒定在设定值；其由所述DSP芯片通过DA功能输出电压值至温度控制芯片的相应管脚来设置温度值或直接改变温度控制芯片周边的电路中的相应电阻来设置；

所述光波长锁定电路采集光源模块输出的两路电流值，并转换为电压，通过AD模块转换为数字信号送至DSP芯片或直接输入至所述DSP芯片内置的AD模块进行采集，用于反馈控制补偿恒流源的输出，保证激光器模块波长和功率输出的稳定。

所有设计都是基于单片式SG-DBR可调谐光源模块的功能进行，下面对各个模块进一步详细说明：

(1)单片集成恒流源驱动电路：其核心为集成恒流源驱动芯片，此芯片可输出9个通道的电流，但是本发明的蝶形封装激光器模块只需要5路通道输入，所以DSP芯片通过SPI1总线传输控制命令给此集成恒流源驱动芯片，使其输出不同范围的5路电流来满足蝶形封装半导体激光器的电流输入要求。以达到电流控制调谐半导体激光器的连续波长输出。

SG-DBR可调谐半导体激光器模块需要5路恒流源输入，包括前布喇格光栅区、增益区、相位调整区和后布拉格光栅区、半导体放大区。

各个区所需调整的电流值范围不同，发明中使用的是单片集成压控恒流源，集成度高，稳定性好，周边电路设计简单等特点，设计中使用的是MAX5113，此芯片是14位，9通道，电流输出的DAC芯片，该芯片采用3V供电，与系统中其他部分电源系统设计尽量统一；MAX5113包含一个内部参考电压源，SPI接口驱动期间时钟速度最高可达25MHz，9个通道分别可提供恒流源，具有很高的输出同步性。而此芯片的最小尺寸可达3mm*3mm。与一些分立5路镜像、howland等恒流源相比，单片集成式恒流源具有尺寸小，速度快，输出电流数控连续调节，输出同步性好等特点。此发明中是使用DSP内部集成的SPI模块来是实现对MAX5113的控制输出，非常适用于对电控可调谐半导体激光器。

(2)高精度TEC控制电路:其核心为温度控制芯片，用于保证蝶形封装半导体激光器的工作环境温度恒定在某一个设定值。温度控制芯片是专用于温控，精度高，安全性好，外围电路简单，根据设定温度稳定工作某一个温度值，DSP可以控制温度控制芯片的使能和采集温度控制芯片的稳定状态情况。

对于期望温度设置值的设置有两种方式：a.DSP芯片可以通过DA功能输出电压值至温度控制芯片的相应管脚来设置温度值；b.可以直接改变温度控制芯片周边的电路中的相应电阻来设置，相应电阻值确定后，温度设置值就不可以更改。

一般情况下，半导体激光器光源随着温度的升高将出现波长漂移，发光波长随温度变化为0.2～0.3nm/℃，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。另外，温度每升高1℃，半导体激光器的发光强度会相应地减少1％左右。因此，采用良好的散热和恒温系统对于保证半导体激光器的稳定可靠运行具有重要的意义，为了设计高分辨率的连续可调谐激光器光源输出，本发明要求所有温度控制芯片的温度稳定性为±0.003℃以下，例如：MAX1978，HTC1500，WTC3243等。所以高精度TEC控制电路就是基于这些高稳定性的TEC温度控制芯片进行设计。一般蝶形封装内部大多数集成有一个负温度系数的热敏电阻，来感应可调谐半导体激光器光源模块内部的温度变化，此温敏电阻温度传感器和设计的基准温度输入进入差分放大电路，此时产生的偏差送至补偿网络(PID网络)进行补偿来控制驱动后级驱动级的输出；其中温度控制芯片内部大都集成模拟比例积分控制环电路(PID网络)，通过调节周边的电容电阻可以调节，就可以设置TEC的最大加热、制冷电流以及偏置电压；TEC输出的大功率驱动电流一般是有MOSFET管或者H桥电路实现，高稳定的TEC控制芯片一般都会把驱动电路集成与芯片内部。基于以上的原理说明，此高精度TEC控制电路可实现对外部SG-DBR可调谐激光器光源模块的高精度温度控制，实现外部激光器的稳定输出。

(3)光波长锁定电路设计：在对SG-DBR可调谐半导体激光器进行直接调制或者波长切换时会在激光器的输出引入较大的频率抖动，当这种情况出现时会在光通信和光传感测量系统中时，会造成整个系统的劣化。所以为了保证激光器输出波长的稳定，同时根据单片集成SG-DBR可调谐半导体光源模块本身的特性，发明是将光源模块输出的电流信号转换为电压信号后通过正反馈放大电路，直接送至DSP处理器的AD管脚进行采集，而放大器的放大倍数是由DSP通过SPI2来程序控制放大倍数。进一步保证硬件电路的可靠性，保证输入信号在DSP的AD端口的合理范围之内。同时去除光功率作为反馈信号对系统的影响。

光波长锁定电路将可调谐半导体激光器模块输出的两路电流值经过采集电路转换为电压后，通过两种方式对后续数据算法进行处理。方法为：a.通过高分辨率AD芯片(至少是12位AD芯片)转换为数字信号送至DSP芯片进行后续数据算法处理:b.直接输入至DSP芯片内置的AD模块进行采集，然后进行后续数据算法处理。处理完成后的结果用于反馈控制补偿恒流源的输出，保证波长和功率的稳定。

由于对象可调谐半导体激光器输出的电流值波动范围大，为了保证输出至外部AD芯片或者DSP内部集成的AD模块的所容许范围，所以采集电路中使用了数控电位器来控制放大电路的放大倍数。此数控电位器的阻值大小是由DSP通过SPI2来控制。

(4)光解调电路设计：基于可调谐半导体光源的波长输出，经过外界环境的测试目标变化，会引起输出波长的变化。在某个时刻在已知输出波长的情况下，同时对外界环境变化引起的变化通过PD采集电路采集后与已知波长进行对比来进行解调，此发明的是将光源和解调电路同设计到一块电路板上，解调电路是将外部的光信号输入，通过控制电路中的PD检测电路(采用光电二极管，实现光电转换，其后接一个稳定性高、线性好、噪声低、灵敏度髙的跨导放大器做前置放大，放大后的信号经过二级RC滤波电路进行滤波)，转换后的电压信号送至DSP的AD模块进行采集。此电路实现对外界可调谐光输入的检测，为后期控制模块内部软件解调提供数据基础。

(5)此控制系统中还包括外部通信的通信接口，一般是串口RS232或者是抗干扰能力较强传输距离较远的RS485接口电路组成。目的是可以通过上位机发送电流调谐命令用于测试可调谐半导体激光器的“波长-电流”查找表。同时可以将DSP输出的解调结果上传于上位机。其次外扩Flash芯片用于存储“波长-电流”查找表等。为了保证激光器输出波长功率稳定性以及较短的稳定波长输出时间，DSP会对光波长锁定电路采集的波长信息进行校正、解算相关处理来补偿调谐电流操作；以及对接收到的外部环境数据进行快速解调，要求处理器有处理快速处理数据的能力和存储，所以此控制电路还外扩SDRAM芯片。可以满足可调谐半导体激光器的高性能特性。

基于此种控制系统的SG-DBR的蝶形封装可调谐半导体激光器具有体积小，重量轻，波长输出分辨率高，稳定性好等特点，特别适用于大容量的光纤传感网络中，尤其是适用于环境要求特别的航空航天领域。

所述附图仅为示意性的并且未按比例画出。虽然已经结合优选实施例对本发明进行了描述，但应当理解本发明的保护范围并不局限于这里所描述的实施例。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (7)

1.一种蝶形封装SG-DBR可调谐半导体激光器模块控制系统，包括单片集成压控恒流源驱动电路、光波长锁定电路、高精度TEC控制电路、DSP芯片以及光源模块，其特征在于：

所述DSP芯片通过SPI总线调整所述单片集成压控恒流源驱动电路中的集成恒流源驱动芯片，用于改变电流输出来控制所述光源模块的波长输出；

集成恒流源驱动芯片包括五路电流输出区，分别为半导体光放大器电流输出区、增益区电流输出区、相位区电流输出区、前光栅以及后光栅电流输出区，其中各区调整的电流值范围不同；

所述高精度TEC控制电路用于控制激光器的工作环境温度恒定在设定值，保证激光器由于温度漂移影响波长漂移最小至5个pm之内，恒流源以及温度控制均能控制波长在一定时间内的相对稳定；其由所述DSP芯片通过AD模块输出电压值至温度控制芯片的相应管脚来设置温度值或直接改变温度控制芯片周边的电路中的相应电阻来设置；

所述光波长锁定电路采集光源模块的内部集成光波长偏移量的传感和对这个偏移量的补偿，所述采集光源模块输出的参考信号和标准信号的电流，并转换为电压，通过AD模块转换为数字信号送至DSP芯片或直接输入至所述DSP芯片内置的AD模块进行采集，用于反馈控制补偿恒流源的输出，保证激光器模块波长和功率输出的稳定；

所述控制系统还包括光解调电路以及PD检测电路，所述光解调电路将外部的光信号输入，通过所述PD检测电路转换后的电压信号送至DSP芯片的AD模块进行采集。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述DSP芯片对所述光波长锁定电路采集的波长信息进行校正、解算相关处理来补偿调谐电流操作以及对接收到的外部环境数据进行快速解调。

3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于：所述DSP芯片接口还包括SDRAM芯片。

4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述高精度TEC控制电路控制的所有温度控制芯片的温度稳定性为±0.003℃以下。

5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述DSP芯片接口还包括FLASH芯片，所述FLASH芯片用于存储“波长-电流”查找表。

6.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述DSP芯片接口还包括SDRAM、串口通信电路，所述串口通信电路为RS232或者RS485接口电路组成，用于通过上位机发送电流调谐命令用于测试可调谐半导体激光器的“波长-电流”查找表，同时将DSP芯片输出的解调结果上传于上位机。

7.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述波长漂移受温度漂移影响，所述高精度TEC控制电路控制光源模块的波长漂范围为5pm。

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