EFDA泵浦源半导体激光器驱动电源的设计

EFDA泵浦源半导体激光器驱动电源的设计
阮颖;叶波
【摘要】设计了一种EFDA泵浦源半导体激光器的驱动电源,采用由PC机和单片机构成的上下位机的控制结构,具有恒定功率和恒定电流两种控制模式.该驱动电源具有激光器保护电路,电流精度和光功率控制精度分别为0.15％和0.2％.%A power supply for the semiconductor LD for EDFA pumping source is designed,which has an up and lower computer controlling structure consisted of PC and MCU. The power supply have the two modes of constant optical power and constant-current. Also the power supply provides protection circuit for the semi conductor LD. The precision of current and optical power can achieve 0.15% and 0.2%,respectively.
【期刊名称】《光通信技术》
【年(卷),期】2011(035)010
【总页数】3页(P60-62)
【关键词】光纤放大器;驱动电源;恒流;恒功
【作者】阮颖;叶波
【作者单位】上海电力学院计算机与信息工程学院,上海200090;上海电力学院计算机与信息工程学院,上海200090
【正文语种】中文
【中图分类】TN929.11
0 引言
Internet、交互式多媒体等数据业务的高速发展，对信号传输速率和带宽的要求越来越高，光纤通信系统中密集波分复用DWDM技术为信号传输速率和通信容量
增长提供了一种解决方案。

光纤放大器直接对光信号进行放大，无需要经过光-电-光复杂变换过程，是光纤通信系统中的关键功能器件。

作为光纤放大器之一的EDFA，利用光纤中掺铒离子（Er3+）的受激辐射来实现光信号放大，其噪声低、稳定性好、与光纤线路耦合小。

EDFA的信号增益频谱宽，可用于宽带信号的放大。

此外，EDFA具有较高的饱和功率，可用来弥补通道的光损耗，扩展带宽载波能力，尤其适合用于DWDM光纤通信系统[1]。

泵浦源是EDFA的核心元件之一，为光
信号放大提供能量，使Er3+形成粒子数反转分布。

EDFA的泵浦源主要是980nm 半导体激光器（LD），由于泵浦源直接决定着EDFA的性能，因此要求半导体激
光器工作稳定可靠、寿命长，这对其驱动电源提出了较高要求。

为此，本文设计了一种基于PC和单片机控制的半导体激光器驱动电源。

1 系统总体结构
在电流阈值以上的线性区域，半导体激光器注入电流的微小变化就会引起输出功率发生很大变化[2]，为了使激光器输出稳定的激光，供电电路必须是低噪声的稳定
的恒流源[3]。

此外由于半导体激光器外微分量子效应的存在，使激光器输出I-P
特性曲线发生变化，即激光器在相同工作电流驱动下的输出功率不同。

因此，设计的半导体激光器驱动电源基于电流和光功率双重闭环反馈，以使激光器稳定工作。

驱动电源控制系统采用PC机和单片机AT89S52的上下位机结构。

PC机（上位机）设定半导体激光器的工作电流、光功率参数，通过RS232串行通信将上述设
置以控制命令形式传给单片机（下位机）；单片机根据PC机控制命令，调整控制电路，使其工作在PC机指定的工作状态，并将激光器的电流、电压、光功率参数
数据进行存储、上传和显示。

下位机控制系统主要实现电流驱动及保护、电流和光功率控制等功能。

激光器驱动电流由大功率双极晶体管的发射极电流提供；电流控制(CC)和光功率控制(PC)分别利用精密电阻和硅探测器对激光器的输出电流和光功率进行实时采样，经高精度ADC后与设置值进行比较，正方向或负方向调整D/A 转换电路中的数字电位器阻值，实现完全基于软件的CC和PC闭环负反馈控制。

图1为系统的总体原理框图。

图1 系统原理框图
2 电流驱动和控制
为了给激光器提供稳恒的工作电流，我们设计了如图2所示的电流驱动和控制电路。

I和II构成了稳压和滤波电路，同时将数字电位器Rdr1的输出电压进行放大。

III为驱动放大电路，其核心器件为集电极最大值达15A的大功率晶体管Q1。

IV
是由继电器K1和达林顿管Q2组成的开关电路，使激光器LD接入电流通路，或
从电流通路断开。

V和VI分别为半导体激光器的电压和驱动电流检测电路。

数字电位器是电流控制的核心元件，设计中选用了具有SPI串行接口，总抽头数为512的MCP41100，只需3条SPI串行总线与单片机相连，并且与传统的同精度
的DAC比较成本低廉。

如图2所示，数字电位器Rdr1两端电压VAB由稳压管
D3箝位，输出抽头W的电压Vr与数字电位器的数字设定值Dr和VAB的关系如式（1）：
其中DT为数字电位器的总抽头数。

在驱动电源工作时，通过改变Rdr1抽头位置，即利用软件调节Dr改变其输出电压Vr，进而改变功率晶体管的基极电压VB，达
到调整半导体激光器驱动电流的目的。

为了实现激光器驱动电流的恒定控制，采用了如图2中第VI部分所示的电流检测电路，其中选用了失调电压和漂移小并易于进行增益调节的单片式仪表放大器
AD620作为电流检测的运算放大器。

AD620的闭环增益G由外部电阻R7决定，计算如式（2）：
图2 电流控制电路原理图
图3 光功率测量的原理图
3 光功率控制
为了降低由于外微分量子效应引起激光器输出特性改变对光功率的影响，设计了光功率闭环反馈控制电路。

利用硅光电探测器（PD）将经衰减后的部分光功率转化
为光电流，将光电流通过以运算放大器为核心的测量电路进行电流/电压转化，
再与设置光功率比较，调整驱动电流，实现功率控制。

图3为光功率测量的原理图。

在光功率控制过程中，控制精度与光电流的测量精度直接相关。

实验证明，选用的980nm激光器发射激光经衰减片后被硅探测器接收后，产生的光电流Is大小在微安级。

影响光电流测量灵敏度的是运算放大器（OP）的偏置电流Ib，要实现光电流的准确测量，必须使Is大于Ib。

设计中选用CMOS工艺集成的斩波稳零高精度运放ICL7650，其偏置电流在室温时为1.5pA，低于光电流3个数量级，因此偏
置电流对光电流的影响基本可以忽略。

此外相比其他高阻运放，ICL7650具有自
动稳零功能，适合做缓变的光电流的测量。

由于ICL7650斩波频率低（200Hz），为消除输出信号的斩波尖峰噪声，设计中采用了RC低通滤波器。

4 保护设计
半导体激光器作为一种结型器件，对于电冲击的承受能力差。

在实际使用中，半导体激光器常因受静电、瞬态电压、浪涌电流冲击造成激光器永久损坏或寿命降低[2,4]，为此在驱动电源设计了保护电路。

4.1 开关电路保护
通过单片机对开关电路中的核心器件继电器进行开闭控制，保障激光器的安全接入。

如图4所示，激光器LD接在继电器动触点3、4两端。

常闭触点5、6接地，常
开触点7、8接入驱动放大电路中。

当半导体激光器电源不工作时，继电器动簧片使动触点3、4与常闭触点相连，激光器正负极两端对地短路，处于安全状态。

当驱动电源开启时，弹簧片切到常开触点7、8，使激光器接入到驱动放大电路的电
流通路。

激光器并联的电容C限制继电器切换后激光器两端电压突变[5]。

二极管
D避免激光器两端承受过大的反向电压。

图4 继电器连线图
4.2 慢启动与慢关闭
在驱动电源开始工作时，由于数字电位器芯片本身特性，上电时数字量就设在
100H，此时驱动放大电路中的功率晶体管基极电压约为1.5V。

如果把激光器直接接在回路中，则上电的瞬间晶体管的输出端会产生较大的电流突变，形成的浪涌冲击极可能损坏激光器[6]。

为避免这种情况，在数字电位器初始化程序中，给数字
电位器设定小的数字量作为初始值，保证驱动放大电路中的功率晶体管不导通，流过激光器的电流为零。

然后利用单片机定时器T1的中断，缓慢调节（约2s）数字电位器的数字量，直至设定值，从而实现激光器慢启动。

在电源关断时，同样使激光器的驱动电流缓慢降为零，实现了慢关闭。

4.3 过流监测
为了避免老化过程中可能出现过流而对器件造成的损坏，采用运算放大器LM358
进行电压比较监控驱动电流，一旦出现过流将产生外部中断信号WARN向单片机申请中断，用继电器使激光器从电流回路断开。

为了使电路具有对不同电流值进行监控的灵活性，在作为参考电位的运算放大器同相端接入另一个数字电位器Rdr2，采用软件对参考电位进行调整。

过流监测电路的原理图如图5所示。

5 测试与结果分析
选取单支980nm激光器，在室温下利用参数测试仪测得驱动电流408mA时的光功率为308mW。

然后，在45℃下用设计的半导体激光器驱动电源分别进行了恒
定电流和恒定光功率测试实验。

测试时，PC机设定电流值（400mA）和光功率值(400mW)，分别对激光器的驱动电流、光功率进行5次测量，再得到其平均值x。

此外，选取5支激光器并联接入驱动电源，在0～2A可调范围内，以步进
100mA调整设定电流,对驱动电流进行测量。

为衡量系统的精度，选用方差σ2作为精度指标。

方差表示测量数据x偏离平均值的大小，σ2越大，数据越离散，精
度越低；反之，数据越聚合，精度越高。

方差的控制误差σ2x（方差与设定值的比值）更能反映系统的精度。

测试结果表明，半导体驱动电源恒定电流的方差的控制误差小于0.2%，而恒定光功率的方差的控制误差小与0.15%，驱动电源具有较高的精度。

此外，要减小系统误差，可以在电流控制电路中选用分辨率更高的数字电位器。

图5 过流监测电路原理图
6 结束语
本文提出的这种EFDA泵浦源半导体激光器的驱动电源，采用单片机和PC构成的上下位机控制结构，能实现驱动电流和光功率的双重闭环控制，使激光器稳定可靠工作。

该驱动电源还可用于激光器的可靠性测试系统中。

参考文献：
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