发布时间：2021-05-12所属分类：电工职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要：可调谐激光器是光纤光栅解调系统中最主要的部件之一，其输出波长和功率的稳定性影响整个解调系统的性能;文中对MG-Y可调谐激光器的调谐原理进行了分析，设计了一种基于FPGA的可调谐激光器控制电路;使用温度控制芯片ADN8834对MG-Y激光器进行温度控制，通
摘要：可调谐激光器是光纤光栅解调系统中最主要的部件之一，其输出波长和功率的稳定性影响整个解调系统的性能;文中对MG-Y可调谐激光器的调谐原理进行了分析，设计了一种基于FPGA的可调谐激光器控制电路;使用温度控制芯片ADN8834对MG-Y激光器进行温度控制，通过改变电流源的输出电流，控制激光器的输出波长;利用光谱分析仪采集激光器的输出波长，并对激光器的输出波长进行标定，制作“波长-电流”查询表;FPGA通过调用“波长-电流”查询表，实现激光器的波长在1527～1567nm范围内以20pm间隔连续线性扫描。同时搭建光纤布拉格光栅解调系统，验证了可调谐激光器解调光纤光栅中心波长的可行性。
关键词：MG-Y激光器;波长控制;温度控制;“波长-电流”查询表
0引言
随着光纤传感技术的迅速发展及其在各工程领域的广泛应用[12]，光纤传感在全球范围内得到了大量的关注，在工程应用、学术研究等方面吸引着许多专家学者[34]。光纤光栅作为使用范围最广、使用频率最高的一种光纤无源器件，具有抗干扰能力强、耐高温、耐腐蚀、复用性强等优点，能够实现振动、应变、温度等物理量的测量，在光纤传感领域发挥了重要的作用[56]。在光纤光栅的大量应用中光信号作为被测物理量的载体，其解调系统对调谐范围宽、稳定性好的窄线宽可调谐激光器需求越来越多[7]。可调谐激光器作为光谱分析、波分复用和光栅解调的核心器件，越来越受到广泛的关注[8]。当前，可调谐激光器主要有分布反馈式激光器(DFB，distributedfeedbacklaser)和分布布拉格反射式激光器(DBR，distributebraggreflector)。DFB激光器主要利用温度和电流对波长进行调谐，如果仅利用电流进行调谐，其波长调谐范围不足2nm;若仅利用温度进行调谐，其调谐范围大约有4nm，但温度调谐速度慢。DBR激光器内部集成单个反射光栅，波长调谐范围大约为8nm，若要调谐更大的范围，需多支不同波长范围的激光器联合工作。调制光栅Y分支(MG-Y，modulatedgratingY-branch)激光器是DBR型可调谐激光器中的一种单片集成的半导体可调谐激光器，具有调谐范围广、波长切换速度快、输出功率高、稳定性好等特点，是光纤光栅解调系统的理想光源[910]。用可调谐激光器进行光栅解调时，由激光器发出可调谐窄线宽激光，遇到光纤布拉格光栅(FBG，fiberbragggrating)后反射回的光信号由光电探测器接收并转换为相应的电信号[11]，然后进行解调。整个系统的关键在于对可调谐激光器输出波长的精确控制。
目前，市场上激光器的控制系统最多提供两路电流，同时存在体积大、价格昂贵等问题。而MG-Y激光器需要5路电流同时输入才能正常工作。文中针对MG-Y激光器，设计了一种以现场可编程门阵列(FPGA，fieldpro-grammablegatearray)为主控芯片的控制电路。该电路通过温度控制芯片和MG-Y激光器内部的半导体制冷器(TEC，thermoelectriccooler)实现对激光器进行恒温控制。通过改变电流源的输出电流控制MG-Y激光器的输出波长，利用光谱分析仪标定MG-Y激光器的输出波长，然后制作“波长-电流”查询表，实现了MG-Y激光器宽范围、快速调谐，并对激光器的波长调谐特性进行了测试。
1MG-Y可调谐激光器工作原理
MG-Y激光器是一种电子调谐器件，可以实现C波段波长的调谐[1213]，其结构如图1(a)所示。该激光器主要包含左右光栅区、多模干涉耦合器(MMI)、相位区、增益区、半导体光放大器(SOA)[8]。MG-Y激光器的输出波长由左右光栅区反射谱和相位区谐振条件共同控制。通过改变MG-Y激光器左右光栅区和相位区的电流，引发半导体材料自由载流子浓度的发生变化，从而改变半导体材料的有效折射率[14]。其中左右光栅区的采样周期存在一定的差异，产生两个不同梳状的反射谱，利用左右光栅反射率叠加产生的游标效应[1516]，耦合叠加后返回特定波长的反射峰，如图1(b)所示。
通过改变左右光栅区调谐电流的大小控制重合峰的位置，从而对激光器的输出波长进行较宽范围的调谐，仅仅通过左右光栅区是无法实现整个C波段的调谐，再由相位区控制纵模移动实现波长微调，从而得到不同波长的输出光。增益区和半导体光放大器主要控制激光器输出的光功率，对激光器的调谐特性影响甚小。MMI是一种无源器件，不需要电流的输入。
2电路设计
为了保证激光器正常工作，需要对激光器进行功率控制和波长控制，同时由于激光器对温度极其敏感，因此也需对激光器进行温度控制，使温度对其输出波长的影响最小化。MG-Y激光器控制电路的设计原理如图2所示，主要包括可调谐电流源控制电路、温度控制电路等。选用In-tel公司的CycloneIV系列FPGA芯片EP4CE10F17C8N作为核心控制器件。FPGA作为一种可编程的器件，内部主要包含可编程逻辑块、输入输出模块和内部互连资源等，具有引脚数目多、编程配置灵活、逻辑控制能力强、相较于ARM芯片功耗更低等优点[17]。
2.1电流源控制电路
基于MG-Y激光器是一种电流驱动型器件，选用了一款14位9通道电流输出型数模转换器MAX5113，输出电流具有极高的稳定性和精度(μA级)，工作时钟频率最高为25MHz。该芯片9个输出通道中每一路都含有一个独立电流源，并且将多个通道并联可以输出更大范围的电流。FP-GA通过SPI通讯方式驱动MAX5113芯片，该芯片内部的寄存器分为模式配置寄存器和输出配置寄存器。地址01h-09h对应着9个通道的模式配置寄存器，向模式寄存器中写入相应的指令便可控制各通道的工作模式。同时各通道均有一个独立的输出配置寄存器，它们对应的地址为11h-19h，控制各通道输出电流的大小。MAX5113各通道输出电流的大小与其对应的输出配置寄存器内写入数据的大小呈线性关系.
2.2温控电路
由于电流的输入，在激光器工作时会产生自热现象，导致激光器内部管芯温度发生变化。激光器管芯工作温度的变化会直接影响激光器输出波长和输出光功率的稳定性。较小的温度上升，会造成激光器输出光功率下降，同时导致输出波长发生漂移。工作温度过高或者长期工作在较高温度下会造成激光器永久性损坏，所以需要为激光器提供一个安全的工作温度[18]。MG-Y激光器内部集成了半导体制冷器TEC和负温度系数(NTC，negativetemperaturecoefficient)热敏电阻。热敏电阻用来检测激光器管芯的工作温度;TEC用来维持激光器的管芯工作在恒定的温度下，以最小化温度对激光器输出产生的影响。
TEC是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的一种能够进行加热和制冷的器件，有冷端和热端两个工作面。当直流电流在两个端面导通时，其一端面加热，另一端面制冷。当直流电流的方向改变时，加热和制冷面也会发生相应的变化，所以加热或制冷以及加热或制冷的速率取决于流过TEC电流的大小和方向[19]。
如果使用分立的电路实现温度的采样放大以及TEC驱动，会造成电路调试困难，引入更多的噪声等问题。现在针对半导体制冷器TEC的控制已经集成了专用的温度控制芯片，文中电路设计采用的是ADI公司的ADN8834温度控制芯片，其主要集成了温度检测电路，误差放大器、补偿放大器、TEC限压限流电路等，提高了系统的稳定性、精确性以及对温度的控制效果。该芯片采用脉冲宽度调制(PWM，pulsewidthmodulation)驱动和线性驱动相结合的驱动方式，减少输出电流的纹波，精简外围电路，同时还提高了效率。该芯片通过控制TEC输入电流的大小和方向来控制TEC的加热和制冷。通过调整ILIM引脚的分压电阻来限制流过TEC最大正、反向电流的大小，以起到保护TEC的作用。在TEC两端电压限制中，通过调节VLIM引脚上分压电阻的大小，来控制TEC两端的最大电压。通过对最大工作电压、电流的调整，以保证MG-Y激光器在安全状态下，输出稳定的波长和功率。
温度控制芯片ADN8834的外围电路如图3所示，其中VREF引脚输出2.5V、精度为1%的参考电压。根据激光器内部TEC的参数要求ITEC的最大值为0.85A和VTEC的最大值为2.8V，依照公式(2)(其中IS=10μA，IS_V=40μA)可计算出R2、R3、R4、R5分别为7.86kΩ、10kΩ、69.4kΩ、32.9kΩ。
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通过设定IN2P引脚的电压值来设定激光器管芯的工作温度。激光器内部的热敏电阻串入分压电路，热敏电阻将检测到的激光器管芯温度转换成相对应的电压值，并与IN1P引脚上设置的电压VREF/2共同输入误差放大电路，由OUT1引脚输出一个与两者之差成比例的偏差信号。OUT1、IN2P和OUT2共同接入由ADN8834芯片内部的运算放大器与外围电容电阻构成的模拟比例积分微分(PID)控制电路。热敏电阻的阻值实时反馈、PID补偿电路、ADN8834内部的脉冲宽度调制器与激光器内部的半导体制冷器TEC形成对温度的闭环控制，使MG-Y激光器工作温度与设定温度到达一致。
PID网络是对激光器管芯进行温度控制的关键，直接影响整个温控电路的响应时间和控制精度。其数学模型为：
由于热敏电阻和温度并不是呈线性关系，在一定的温度范围内，通常将热敏电阻和电阻RX串联在一起，提高热敏电阻和温度的线性度。文中所使用的MG-Y激光器内部集成的负温度系数热敏电阻在25℃的温度下阻值为10kΩ，热敏电阻材料系数β=3930K。热敏电阻NTC的阻值与温度的关系由公式(3)给出。根据TR=25℃，RNTC=10kΩ，便可计算出热敏电阻NTC在温度T时的阻值RT，其中T和TR为开氏温度。
3性能测试
3.1电流源控制电路试
验测试对电流源芯片MAX5113各通道输出电流进行测试，各通道输出配置寄存器中的数据以500的间隔增加，利用6位半的高精度数字万用表测量各通道的输出电流，并将实测电流和理论电流相比较，OP1和OP9的比较结果如图4所示。
为了提高输出电流的准确性，同时通道1控制激光器波长的微调，以通道1为例，利用最小二乘法对数据进行一次拟合：
i=0.999I-0.0653
拟合后误差的平方和为0.0078，选取10组电流与修正后的数据进行对比，修正后输出电流误差在3μA以内，满足2pm波长调谐的要求。
3.2激光器性能测试
为了验证MG-Y激光器输出波长稳定性好的特点，利用光谱分析仪对其波长稳定性进行测试。在1527～1567nm范围内选取5个波长点(1530.282nm、1536.652nm、1544.408nm、1549.992nm、1561.410nm)进行测试。选取某一波长后，每隔2min采集一次波长，测试结果如图5所示。测试中MG-Y激光器在20min内，波长最多漂移2pm，甚至稳定在同一波长。表明电流源能够输出稳定的电流以及温控电路能对激光器管芯温度进行精确地控制。
为了测试MG-Y激光器调谐范围广，适用于光纤光栅解调的特点。根据光纤布拉格光栅的工作原理：当光源发出的宽带光经过光纤光栅时，在光栅处满足光纤光栅布拉格条件的波长将发生反射，反射回一段波长范围的窄带光，其余波长的光将会发生透射。当外界环境发生变化时，光纤光栅的中心波长会发生漂移，可以根据漂移量的大小来测量外界物理量的变化。搭建如图6(a)所示的测试系统，MG-Y激光器发射的光束通过1×2耦合器遇到光栅时会反射回一小段窄带光，光电探测器接收到反射回的窄带光进行光电转换，输出的电信号由示波器显示。光电探测器选用NewFcous公司生产的可调光电探测器Model2053，其带宽为10MHz，能接收900～1700nm波长范围内的光。
选用一个中心波长在1550nm附近的光纤光栅进行测试，用美国微光光学(MOI)公司生产的SM125光纤光栅解调仪测试其光谱，SM125光纤光栅解调仪的波长扫描范围为1510～1590nm，其扫描间隔为5pm，采集其1527～1567nm波长范围内的数据。利用示波器采集MG-Y激光器扫描一个周期光纤光栅反射光谱的数据。将其和SM125光纤光栅解调仪采集的数据绘制成曲线，见图6(b)所示。从图6(b)可以看出图6(a)系统所测结果与SM125光纤光栅解调仪测得的光纤光栅中心波长几乎一致。
用加热台给光纤光栅提供不同的外界温度，由于热膨胀和热光效应，光纤光栅的中心波长会随温度的变化而改变，这也是光纤光栅可以对温度进行测量的关键。光纤光栅中心波长的改变导致其反射谱发生一定的漂移，利用示波器对不同温度下光纤光栅的反射谱进行采集，并把光栅的中心波长与温度的关系进行拟合，见图6(c)所示。结果表明当温度升高时，光纤光栅的中心波长会向波长增大的方向漂移。
4结束语
在明确MG-Y激光器的调谐特性后，确定了激光器控制系统的整体方案。设计了一种基于FPGA的MG-Y激光器控制电路，实现了激光器在1527～1567nm波长范围内的波长输出。利用温度控制芯片ADN8834对激光器的管芯进行温度控制，通过FPGA控制高分辨率的电流输出型数模转换器MAX5113，实现可调谐激光器波长稳定输出，并对输出波长的稳定性进行了测试。根据MG-Y型激光器的调谐原理，制作了激光器的“波长-电流”查询表，FP-GA通过调用此查询表，快速实现对MG-Y激光器波长的精确控制，并以20pm的间隔连续线性扫描。若要获得更小的扫描间隔，可以通过对相位区插值的方式获得。同时使用单芯片完成5路电流的输出，大大节省了电路板的面积以及整个系统的功耗，更有利于小型化。根据光纤光栅的传感原理，搭建光纤光栅解调系统，对利用可调谐激光器解调光纤光栅中心波长的可行性进行了验证。——论文作者：孔市委，任乾钰，王军，贾平岗
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