一種可調諧半導體激光器輸出控制方案設計

西安奇芯光電科技有限公司 尚創波 范修宏

本文提出一種可調諧半導體激光器輸出控制的實現方案，方案采用C8051F553+MAX5112做為核心控制芯片，采用USB轉I2C總線方案來實現上位機與控制系統之間的通信,底層控制系統也采用I2C總線與MAX5112與AD5316R進行通訊，通過AD5316R來調節TEC控制器ADN8834的輸出溫度，從而實現對激光器工作溫度的穩定控制，通過MAX5112多路DAC的并聯組合輸出保證了更大的電流輸出范圍以及更高的控制分辨率，從而保證激光器輸出波長的精準調諧。

隨著光通信技術的不斷發展，可調諧半導體激光器已經成為下一代光纖通信系統關鍵器件之一。在傳統大容量的光纖通信系統中，往往需要多個不同波長的DFB激光器組合來實現對不同波長的應用，這樣不僅造成系統空間的大量占用，也會造成系統設計變得相當復雜，同時也增加了系統的功耗，導致系統存在諸多不穩定性，這時候可調諧半導體激光器的優勢就體現出來了，相對于傳統固定波長的DFB激光器，它不僅可以作為DWDM光源，還可以用作接入網作為波長路由器，特別是對于大容量的通信系統優勢尤其明顯，既降低了體積，簡化了設計，又降低了功耗，從而使其能在更多的領域予以應用[1]。

1 系統綜述

該方案上位機系統通過USB轉I2C模塊實現對整個系統的控制，底層控制系統以C8051F553作為主控MCU，通過從I2C與外部上位機系統通信，同時通過主I2C與MAX5112及AD5316R通信，其中通過MAX5112多路DAC的并聯組合輸出不同電流從而實現對可調諧半導體激光器輸出波長的調諧，通過對AD5316R DAC輸出的精準控制，從而實現對TEC控制溫度的調節，并通過ADC采集的TEC溫度從而閉環控制TEC溫度，兩者的組合就能保證整個系統對可調諧半導體激光器的精準控制[2]。

主要的控制模塊有：上位機模塊，USB轉I2C通信模塊，從I2C通信模塊，主控制模塊，DAC控制模塊，ADC轉換模塊，存儲管理模塊，主I2C通信模塊，MAX5112控制模塊，ADN8834控制模塊等模塊組成，物理機構如圖1所示：

圖1 物理機構圖Fig.1 Physical organization diagram

本系統總共有10大子系統，分別是：上位機系統，USB轉I2C通信系統，初始化設備模塊系統、初始化內存系統、ADC（模數轉換）與DAC（數模轉換）系統、主I2C接口通信系統，從I2C通信系統，數據存儲管理系統，MAX5112控制系統，ADN8834閉環控制系統。

上位機系統用于人機交互，提供控制接口，下發控制指令。USB轉I2C系統用于實現U2B轉I2C操作，此系統為獨立實現的系統模塊，有單獨的硬件設備予以支持。ADC轉換系統用于監控TEC熱敏電阻的溫度，監控TEC電壓，TEC電流，系統內核溫度，系統供電電壓等，DAC轉換系統是通過AD5316R來實現，AD5316R是一款I2C通信的4通道DAC芯片，可提供最多4路DAC輸出，此處只用了其中一路作為TEC控制器的溫度調節器，ADN8834閉環控制系統通過實時采集TEC熱敏電阻的阻值，通過查找表換算出對應的溫度值，根據溫度值與設置值的差異調整模塊加熱還是制冷，使激光器工作溫度始終穩定在設置溫度，從而達到動態平衡。MAX5112控制系統通過將其9個通道的DAC寄存器映射至MCU的RAM中，存放在RAM中的值可以通過I2C主機接口或者存儲管理系統中存放的數據對其進行實時更新，這樣就可以實現對MAX5112的實時控制。主I2C系統通過用GPIO根據標準I2C協議模擬I2C時序實現，用于實現與MAX5112及AD5316R芯片的通信。

2 系統組成

2.1 硬件系統

硬件電路部分如圖2所示，C8051F553作為主控MCU，采用I2C總線與MAX5112與AD5316R進行通訊，下發相關命令，讀取相關監控，從而實現對整個底層系統的控制[3]。

圖2 硬件電路MCU控制部分Fig.2 Hardware circuit MCU control part

2.2 上位機系統

用于實現人機交互，提供控制接口，下發控制指令，讀取監控值?？刂芔I界面如圖3所示：

圖3 控制UI界面Fig.3 Control UI interface

2.3 USB轉I2C通信系統

用于實現上位機系統與控制系統之間的通信，通過專用的USB芯片實現數據的透傳以及協議轉換，從而實現USB協議與I2C標準協議之間的相互轉換，從而實現數據轉發，此模塊為獨立的硬件設備來實現。

2.4 底層控制系統

2.4.1 初始化

（1）設備初始化。初始化設備模塊系統用于初始化ADC模塊、DAC模塊、主I2C通信模塊，從I2C通信模塊及定時器等。（2）下載初始化。通過讀取Flash某一指定地址的值是否為指定值來判斷是否為燒錄程序后第一次上電；若不是，則初始化存放在Flash中的AD5316R及MAX5112的默認配置數據，并將此指定地址的值更新為指定值，否是，則跳過初始化，直接使用Flash中存放的數據來初始化AD5316R及MAX5112等相關寄存器。（3）內存系統初始化。將相應數據放入Flash中對應數據段。初始化內存系統通過第一次上電初始化Flash中的AD5316R及MAX5112對應的數據；上電時，用Flash表中對應地址的數據初始化RAM表中的值[4]。

2.4.2 主循環

當系統初始化之后，系統根據需要對系統的工作狀態進行監控，當TEC的設置溫度與采集的熱敏電阻的溫度值有差異的時候，系統將會屏蔽執行相關對AD5316R及MAX5112的配置操作，并實時上報TEC溫度異常標志，直到故障排除，TEC溫度差異小于設定值時才會自動執行對AD5316R及MAX5112的配置操作，同時I2C從接口會實時接收通過上位機系統下發的配置數據，根據下發的數據去實時調整TEC溫度及MAX5112的輸出電流，從而改變可調諧半導體激光器的發射光波長。以下將根據系統主循環流程，從實時數據監控、實時狀態監控、命令解析、TEC溫度設置，數據通信系統幾部分詳細說明。

（1）實時數據監控。對系統TEC溫度，TEC電壓，TEC電流，內核溫度，系統供電電壓等五個量進行實時數據監控。（2）狀態監控。對TEC異常狀態，內核溫度狀態，供電異常狀態，USB通信狀態，I2C讀寫異常狀態，Flash操作異常狀態進行實時監控。（3）命令解析。此功能用于對上位機下發的所有命令進行校驗，解析，判斷，并根據命令調用不同的功能模塊來執行相應操作，并將執行結果返回至通信系統。（4）TEC溫度設置。此功能用于設置當前TEC控制器的目標溫度，當接收到溫度值后，系統會即刻轉換為對應的DAC值，并通過主I2C系統下發至AD5316R,TEC控制器即可根據設置溫度實時調整加熱或制冷電流，從而快速穩定溫度。（5）數據通信系統。1）I2C通信。采用SMBUS I/O接口與上位機進行通信，上位機通過中斷方式對下位機進行讀寫操作。通過I/O模擬I2C時序實現C8051F553與MAX5112及AD5316R等器件之間的數據通信。2）數據的讀取與寫入。從Flash加載并顯示對應數據，并根據操作將數據保存至Flash。

2.4.3 部分代碼示例

部分代碼如圖4所示：

圖4 部分底層控制代碼Fig.4 Some underlying control codes

3 實驗結果分析

從表1可以看出，設置波長與測試波長的偏差都在0.1nm以內，可以看出該系統對可調諧半導體激光器的波長可以進行精確調諧。

表1 設置波長與測試結果對比Tab.1 Comparison between setting wavelength and test results

4 結語

本系統通過C8051F553+MAX5112結合TEC控制器即實現了對可調諧半導體激光器的波長精確調諧，通過對波長精度和波長范圍等完整性的測試、以及進行相關接口測試、集成測試、功能測試、性能評測和負載測試等方面的測試，已經達到嚴格滿足相關技術指標的要求。整個系統操作簡單，占用資源少，已經達到了批量化生產的要求。