摘要：依據波分復用(WDM)在光通信中的應用需求，研制了一套多路半導體激光器(LD)監控系統作為通信系統光源。該系統采用USB 2．0高速傳輸模式，DSP與FPGA構建數字通信單元，以上位機作為監控平臺，實現了高效調制多路激光器波長和功率，同步采集多路數據，實時監測各路激光器狀態等功能。所研究的LD恒溫及LD光功率恒值控制具有良好的控制精度。實驗結果表明，在1 h內溫度穩定性達±0．01℃，功率穩定性達0．5％。
關鍵詞：光通信；多路LD監控系統；穩定性；溫度-波長調制
0 引言
光纖通信以其通信容量大、保密性強、重量輕等優點，已成為未來通信的主要手段一體電感，且隨著WDM技術在光通信中的應用，進一步增大了通信容量。由于在一個光通信窗口內同時傳輸多個波長的光信號，且每路光均承載一定的信息量。因此，對激光光源波長調制精度及穩定性要求很高。
目前國內對單路激光光源的研究日趨成熟，而對多路激光光源配合工作及上層監控系統的研究開展較少。一方面，如果各光源獨立工作，在通信前需分別調制各光源波長和功率參數，降低了調制效率，尤其在某個較窄的通信窗口內，更需要高效合理地分配波長資源，單路調節難以實現。另一方面，光源的數字單元多采用單片機和串口控制傳輸，速度低、通用I／O少，難以滿足對多路光源的高效控制和高速采集傳輸的要求。基于此，本文研制了一套多路LD監控系統，由上位機統一管理，用DSP和FPGA雙控制器替代單片機，USB 2．0替代串口通信，與上位機配合實現了快速精確調制多路LD參數(波長和功率)，實時監測各路LD工作狀態和圖形化顯示等功能。實驗結果表明，在1 h內，溫度穩定性達±0．01℃，功率穩定性達0．5％。
1 多路LD監控系統總體設計
如前述，波長調制精度和穩定性直接影響到WDM的實現。目前波長調制方法主要有電流一波長調制和溫度一波長調制法，各自優缺點見表1。考慮到光通信對功率穩定性的要求，本文選用溫度一波長調制。
本系統按照自上向下的設計思路，由上位機程序作為監控系統的操作平臺，通過USB 2．0發送控制命令，包括開／關電源、調制參數(LD溫度和功率初值)和監測。專用于通信領域的DSP(TMSVC5416)接收并分析命令，配合FPGA操作D／A和A／D等接口，實現參數調制和數據采集，最終由上位機實時顯示，多路LD監控系統總體組成如圖1所示。
2 控制系統設計
控制系統包括恒溫、恒功率控制單元，遠程開／關電源和參數設定電路的設計。其中，恒溫、恒功率控制單元確保了光源波長、功率的穩定，配合參數設定電路方便了對光源參數的精確調整。
2．1 恒溫、恒功率單元設計
恒溫、恒功率單元組成框圖如圖2所示，各單元又分為設定、采樣和驅動電路，共同作用于蝶形封裝的半導體激光器。其中熱沉一側的LD和光電接收器(PD)，組成功率回路；另一側的熱敏功率電感電阻(THM)和熱電制冷器(TEC)組成溫度回路。事先通過標定溫度-電壓和功率-電壓的對應關系，由上位機發送設定值，經D／A電路以電壓形式輸出到比較電路的一端電感的單位，同時THM提取LD溫度信息，PD串聯的采樣電阻提取LD功率信息輸出到比較電路的另一端，TEC和OCL功率放大電路分別根據設定值和實際值的偏差信號動態調節LD的溫度和功率，使其與設定值無限逼近。另貼片電感外在恒溫控制中引入PI分離電路解決了溫度-波長調制速度慢，且其穩定性也得到了保證。
2．2 PI分離控制電路設計
PI控制器原理簡單、參數易調且實用性強，因此應用廣泛。本系統中的比例環節(P)主要是為了提高溫度響應速度，積分環節(I)主要是為了消除靜差、提高精度，但在大幅度增減溫度設定值或外部干擾情況下，短時間內比較電路輸出有較大的偏差，造成積分積累達到飽和，可能給恒溫單元帶來較大的超調，甚至引起振蕩。
為了使溫度較快進入高穩定狀態，本系統采用PI分離電路的設計思路，當溫度設定值與實際測量溫度值偏差較大時，取消積分作用，避免因積分飽和致使其控制量過大，引起超調；當偏差值較小時引入積分作用，消除靜差，可有效減小外界干擾，提高溫度穩定性。在實際電路中采插件電感用電阻串聯分壓模式，設定兩個閾值U1和U2(U1<U2)，通過閾值比較電路將偏差e(t)(設定值r(t)與測量值c(t)的差值)，與兩個閾值比較后，輸出兩個控制量分別控制開關K1和K2的通斷。當e(t)<U1時，取消比例作用；當U1<e(t)<U2時，比例積分同時作用；當e(t)>U2時，為防止積分飽和而取消積分作用。PI加和后輸出μ(t)驅動TEC，數值為正時加熱，且數值越高加熱功率越大；為負時制冷，且絕對值越大制冷功率越大，如圖3所示。
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