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CN103441423B - 窄线宽可调激光器系统及运行方法 - Google Patents

窄线宽可调激光器系统及运行方法 Download PDF

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CN103441423B
CN103441423B CN201310395264.7A CN201310395264A CN103441423B CN 103441423 B CN103441423 B CN 103441423B CN 201310395264 A CN201310395264 A CN 201310395264A CN 103441423 B CN103441423 B CN 103441423B
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尹怡辉
代丰羽
朱少林
王景国
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CETC 34 Research Institute
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Abstract

本发明为窄线宽可调激光器系统及运行方法，系统的可调激光器模块含有半导体激光器和与之连接的驱动电路和波长可调控制子模块，电源管理子模块的接电感和二极管的开关稳压器将正电压转换为负电压为系统供电。与主机连接的微控制器经数模转换与驱动电路连接，传递主机指令和激光器状态。微控制器与掉电检测子模块定时检测激光器电路电压，发现掉电及时恢复。其运行方法为：初始化后微控制器向激光器发送预置的默认数据帧，读取激光器返回数据帧，确定无误，定时检测有无掉电，接收主机更新指令发送给激光器，将激光器当前的工作状态信息传送给主机。本系统只需单电源供电，易于嵌入使用；主机的调谐控制界面简单直观，掉电自检确保运行可靠。

Description

窄线宽可调激光器系统及运行方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，具体为一种窄线宽可调激光器系统及运行方法。
背景技术
可调谐激光器是一种重要的光源器件，在波分复用系统、本振、可重构光分叉复用网络、干涉测量系统、包交换技术、多业务提供平台、交叉连接及光开关等领域均需要使用可调谐激光器。
可调谐激光器具有成本低、体积小、重量轻、电光转换效率高、控制简单等特点，并且波长、功率及通道间隔可调，因此得到越来越广泛的应用。可调谐激光器多用外腔半导体激光器实现，在可调波长范围内，使用热可调标准具滤波器来实现所选定波长的单模操作,内部的波长锁定器保证了波长的稳定性，直接通过控制电路可以快速地使能波长开关，从而达到调谐的目的。集成的半导体光放大器用来完成对光功率的控制，波长锁定器通过对半导体光放大器的反馈控制实现前向输出功率的监测和稳定。
研究表明，目前半导体激光器的失效约50%是由于驱动问题，约25%是激光器自身原因，另外25%是不正确的使用导致的。因此在激光器外围附加驱动电路显得尤为重要。驱动电路的性能直接影响到电光转换效率、激光器输出稳定性和激光器的寿命，对于可调激光器还需要加入外围的控制电路。为了便于生产和安装，可调激光器和附加的所有驱动电路、控制电路预安装在专用的电路板上，组成一个可调激光器模块。
目前集成可调激光器模块存在三个主要的技术问题：1、需要正、负两组电源供电，可调激光器需要一组大电流的负电压供电。为了让可调激光器模块易于嵌入到其它系统当中，研制了由单电源供电的可调激光器模块。单电源采用极性反转拓扑结构完成正电压到负电压的转换，由于极性反转拓扑结构在其控制至输出转移函数中具有一个右半平面零点，因此该拓扑结构存在稳定性问题。2、控制复杂，使用可调激光器模块的相关开发人员或工程人员等需要非常熟悉OIF（光互联论坛，OpticalInternetworkingForum的缩写）的多源协议。3、在一些有特殊要求的场合（如存在其它强电磁干扰的场合）可调激光器会出现掉电等故障，这些应用场合由于经常涉及到国家的防务安全，更需要可调激光器模块的工作稳定可靠。
因此目前亟需开发一个克服上述问题的可调激光器系统。
发明内容
本发明的目的是设计一种窄线宽可调激光器系统，配有电源管理子模块，该模块中开关稳压器实现正电压到负电压的转换，本可调激光器模块使用普通的单电源供电，易于嵌入应用系统安装使用。
本发明的另一目的是设计上述窄线宽可调激光器系统的运行方法。
本发明的设计的窄线宽可调激光器系统，包括有可调激光器模块，可调激光器模块含有半导体激光器和安装在电路板上的、与激光器连接的驱动电路子模块和波长可调控制子模块，还包括电源管理子模块，电源管理子模块的主要部件为开关稳压器，正电压接入开关稳压器的输入端，开关稳压器的输出端接电感和二极管，实现输入正电压反转为负电压，输出负电压。开关稳压器的输入端和输出端还分别接有输入电容和输出电容，作为补偿电容以提供更大的相位裕量。
本窄线宽可调激光器系统与主机相连接，微控制器经数模转换子模块与驱动电路子模块连接，微控制器经四线数字接口与主机连接。主机的控制信息经微控制器、数模转换子模块送入驱动电路子模块，控制激光器的波长调谐，激光器的工作状态也经微控制器传送给主机。主机可置于远端。
本窄线宽可调激光器系统还配有掉电检测子模块，该子模块包括精密仪表放大器和模数转换器，精密仪表放大器与激光器电路上的检测电阻相并联，精密仪表放大器经模数转换器与微控制器连接。精密仪表放大器采集检测电阻的电压值并放大，经模数转换器将模拟电压信号转换为数字电压信号。微控制器由其内的时钟控制定时检测电压信号，低于其所存储的激光器正常工作的电压值，则判断为掉电，微控制器向激光器发送指令，经数模转换子模块和驱动电路子模块送入激光器，使之恢复正常工作，避免激光器掉电停止工作，保证其工作稳定可靠。
本窄线宽可调激光器系统还配有保护电路子模块，其与激光器连接，包括延时软启动保护电路、限流保护电路和上电冲击保护电路三个部分，防止驱动电路子模块的过驱动、避免半导体激光器受到电冲击，保护激光器安全启动和可靠工作。
本发明窄线宽可调激光器系统的运行方法的步骤如下：
Ⅰ、开始
电源管理子模块通电，给可调激光器模块和微控制器供电，微控制器初始化；
II、默认数据帧
微控制器向激光器发送一组默认数据帧，包括激光器的输出光的功率、波长及通道间隔，此默认数据帧根据用户需要预先设置；
III、读取返回数据帧
激光器收到默认数据帧，按此运行，同时发送返回数据帧到微控制器；微控制器收到返回数据帧确认激光器运行无误，将激光器当前的工作状态信息传送给主机；否则返回步骤II，微控制器重新向激光器发送默认数据帧；
IV、激光器掉电检测
微控制器由其内的时钟控制定时采集掉电检测子模块的检测电压信号，当电压检测正常时，继续定时检测；而当检测电压低于其所存储的激光器正常工作的电压值，则判断为掉电，返回步骤II，微控制器重新向激光器发送默认数据帧；定时检测周期在微控制器设定；
Ⅴ、主机控制指令
当需要更新激光器的波长、光功率、通道间隔时，管理人员从主机的控制界面向微控制器发送中断当前运行请求及更改波长、光功率、通道间隔中一项或多项的数据；
VI、发送更新数据帧
微控制器接收主机控制指令，并立即执行中断请求，将更新数据帧发送给激光器；
VII、读取更新数据帧的返回数据帧
激光器收到更新数据帧，按此在新的状态运行，同时发送返回数据帧到微控制器；微控制器收到返回数据帧确认激光器按更新状态运行无误，将激光器当前的工作状态信息传送给主机；否则返回步骤VI，微控制器重新向激光器发送更新数据帧；
VIII、继续激光器掉电检测
微控制器由其内的时钟控制定时采集掉电检测子模块的检测电压信号，当电压检测正常时，继续定时检测；否则返回步骤VI，微控制器重新向激光器发送更新数据帧。
与现有技术相比，本发明窄线宽可调激光器系统及运行方法的优点为：1、电源管理子模块实现了正电压到负电压的转换，本系统的可调激光器模块只需要9～20V的单电源供电，激光器模块更易于嵌入到其它系统当中；2、通过主机实现了激光器模块的可调谐，主机的软件控制界面简单直观，不需要开发人员或工程人员去了解具体的通信协议就可以完成激光器模块光功率、波长和通道间隔的调谐；3、掉电检测子模块和微控制器实现了激光器模块的自检，解决了激光器的掉电问题，以确保特殊场合激光器运行不中断，增强了可调激光器的鲁棒性和实用性；4、保护电路确保激光器启动和运行的安全。
附图说明
图1本窄线宽可调激光器系统实施例的结构框图；
图2图1中电源管理子模块的结构框图；
图3本窄线宽可调激光器系统的运行方法实施例微控制器的流程图。
具体实施方式
以下结合实施例的附图对本发明进一步说明。
窄线宽可调激光器系统实施例
本窄线宽可调激光器系统实施例的结构框图见图1。可调激光器模块含有半导体激光器和安装在电路板上的、与激光器连接的驱动电路子模块、波长可调控制子模块、掉电检测子模块和保护电路。本例的半导体激光器为26管脚蝶形制冷外腔半导体激光器。微控制器通过串行外设接口SPI（SerialPeripheralInterface）与数模转换子模块连接，数模转换子模块的输出端连接驱动电路子模块。
本例采用STC15L2K60S2微控制器，其内部集成了高精度R/C时钟，常温下温飘为5‰，无须另加外部晶振，工作电压为2.4～3.6V，共用激光器模块的电源，无需额外的电源。本例微控制器经四线数字接口RS422与置于远端的主机连接。两组高速异步串行通信端口，同时接收主机发送的命令和返回激光器模块状态信息。
驱动电路子模块包括提供给激光器的高稳定度、低纹波系数的恒流源和热电制冷器（TEC）控制电路，均由微控制器控制。
电源管理子模块为激光器模块和微控制器提供电源，电源管理子模块的结构框图如图2所示，正电压Vin接入开关稳压器的输入端，开关稳压器的输出端接电感L和二极管D，开关稳压器的输入端和输出端还分别接有输入电容Cin和输出电容Cout，作为补偿电容，输出负电压Vout。由于激光器模块在启动时需要1.5A的电流，在高负载电流条件下，走线和组件布局至关紧要，否则大的开关电流将导致电路发生故障。本例的安装电源管理子模块的印刷电路板部分无覆铜面，输入电容Cin与开关稳压器输入引脚的距离小于3mm，二者间连线长度为0.8mm～1.2mm，输出电容Cout的走线与开关稳压器的距离大于等于10mm，避免大的开关电流将导致电路发生故障。输出电流大于或等于1.5A的线性稳压器作为电源管理子模块正电压电源。
所述掉电检测子模块包括精密仪表放大器AD8221和模数转换器，精密仪表放大器与激光器电路上的检测电阻相并联，精密仪表放大器经模数转换器与微控制器连接。为了避免精密仪表放大器AD8221电源引脚上的噪声会使其性能恶化，使之得到稳定的直流电压供电，其电源引脚加旁路电容以去耦。
本例采用单电源系统，仪表放大器的输入范围在仪表放大器供电电源的电压范围内，即在其正电源和地电位之间，仪表放大器输出电压差小于其电源电压。
所述保护电路子模块包括延时软启动保护电路、限流保护电路和上电冲击保护电路三个部分。
窄线宽可调激光器系统的运行方法实施例
本例为上述窄线宽可调激光器系统实施例的运行方法，微控制器运行的流程图如图3所示，包括如下步骤：
Ⅰ、开始
电源管理子模块通电，给可调激光器模块和微控制器供电，微控制器初始化；
II、默认数据帧
微控制器向激光器发送一组默认数据帧，包括激光器的输出光的功率、波长及通道间隔，此默认数据帧根据用户需要预先设置，即设置激光器默认的工作状态；本例默认数据帧为激光器的输出光功率为15.5dBm，通道间隔为50GHz，波长为1550.12nm。
III、读取返回数据帧
激光器收到默认数据帧，按此运行，同时发送返回数据帧到微控制器；微控制器收到返回数据帧确认激光器运行无误；否则返回步骤II，微控制器重新向激光器发送默认数据帧；
IV、激光器掉电检测
微控制器由其内的时钟控制定时采集掉电检测子模块的检测电压信号，当电压检测正常时，继续定时检测；否则返回步骤II，微控制器重新向激光器发送默认数据帧；定时检测周期在微控制器设定，本例设为100毫秒ms；
Ⅴ、主机控制指令
当需要更新激光器的波长、光功率、通道间隔时，管理人员从主机的控制界面向微控制器发送中断当前运行请求及更改波长、光功率、通道间隔中一项或多项的数据；
通过主机的控制系统界面可以在可调范围内，按通道间隔完成波长上、下任意调整，也可以在可调范围内直接输入所需波长值实现波长的任意调整。本例基于ITU通道间隔的波长可调范围为1528.38nm～1563.45nm。本例设置10、14、15.5dBm三种输出光功率工作点。中心波长间隔可选择50GHz、100GHz或200GHz等多种ITU通道间隔；
VI、发送更新数据帧
微控制器接收主机控制指令，并立即执行中断请求，将更新数据帧发送给激光器；
VII、读取更新数据帧的返回数据帧
激光器收到更新数据帧，按此在新的状态运行，同时发送返回数据帧到微控制器；微控制器收到返回数据帧确认激光器按更新状态运行无误；否则返回步骤VI，微控制器重新向激光器发送更新数据帧；
VIII、继续激光器掉电检测
微控制器由其内的时钟控制定时采集掉电检测子模块的检测电压信号，当电压检测正常时，继续定时检测；否则返回步骤VI，微控制器重新向激光器发送更新数据帧。
上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.窄线宽可调激光器系统的运行方法，所述窄线宽可调激光器系统包括有可调激光器模块，可调激光器模块含有半导体激光器和安装在电路板上的、与激光器连接的驱动电路子模块和波长可调控制子模块，
还包括电源管理子模块，电源管理子模块的主要部件为开关稳压器，正电压接入开关稳压器的输入端，开关稳压器的输出端接电感和二极管，输出负电压；
所述开关稳压器的输入端和输出端还分别接有输入电容和输出电容；
安装所述电源管理子模块的印刷电路板部分无覆铜面，所述输入电容与开关稳压器输入引脚的距离小于3mm，二者间连线长度为0.8mm～1.2mm；输出电容Cout的走线与开关稳压器的距离大于等于10mm；
输出电流大于或等于1.5A的线性稳压器作为电源管理子模块正电压电源；
微控制器经数模转换子模块与驱动电路子模块连接，微控制器经四线数字接口与主机连接；
还配有掉电检测子模块，该掉电检测子模块包括精密仪表放大器和模数转换器，精密仪表放大器与激光器电路上的检测电阻相并联，精密仪表放大器经模数转换器与微控制器连接；
所述窄线宽可调激光器系统运行方法的特征在于步骤如下：
Ⅰ、开始
电源管理子模块通电，给可调激光器模块和微控制器供电，微控制器初始化；
Ⅱ、默认数据帧
微控制器向激光器发送一组默认数据帧，包括激光器的输出光的功率、波长及通道间隔，此默认数据帧根据用户需要预先设置；
Ⅲ、读取返回数据帧
激光器收到默认数据帧，按此运行，同时发送返回数据帧到微控制器；微控制器收到返回数据帧确认激光器运行无误，将激光器当前的工作状态信息传送给主机；否则返回步骤Ⅱ，微控制器重新向激光器发送默认数据帧；
Ⅳ、激光器掉电检测
微控制器由其内的时钟控制定时采集掉电检测子模块的检测电压信号，当电压检测正常时，继续定时检测；而当检测电压低于其所存储的激光器正常工作的电压值，则判断为掉电，返回步骤Ⅱ，微控制器重新向激光器发送默认数据帧；定时检测周期在微控制器设定；
Ⅴ、主机控制指令
当需要更新激光器的波长、光功率、通道间隔时，管理人员从主机的控制界面向微控制器发送中断当前运行请求及更改波长、光功率、通道间隔中一项或多项的数据；
Ⅵ、发送更新数据帧
微控制器接收主机控制指令，并立即执行中断请求，将更新数据帧发送给激光器；
Ⅶ、读取更新数据帧的返回数据帧
激光器收到更新数据帧，按此在新的状态运行，同时发送返回数据帧到微控制器；微控制器收到返回数据帧确认激光器按更新状态运行无误，将激光器当前的工作状态信息传送给主机；否则返回步骤Ⅵ，微控制器重新向激光器发送更新数据帧；
Ⅷ、继续激光器掉电检测
微控制器由其内的时钟控制定时采集掉电检测子模块的检测电压信号，当电压检测正常时，继续定时检测；否则返回步骤Ⅵ，微控制器重新向激光器发送更新数据帧。
2.根据权利要求1所述的窄线宽可调激光器系统的运行方法，其特征在于：
所述精密仪表放大器的电源引脚加旁路电容。
3.根据权利要求1所述的窄线宽可调激光器系统的运行方法，其特征在于：
所述仪表放大器的输入范围在其供电电源电压范围内，其输出电压差小于其电源电压范围。
4.根据权利要求1所述的窄线宽可调激光器系统的运行方法，其特征在于：
还配有保护电路子模块，其与激光器连接，包括延时软启动保护电路、限流保护电路和上电冲击保护电路三个部分。
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