可調諧激光器多閉環控制驅動系統設計

李永康, 朱興邦, 喻一凡, 孫慶旭, 朱云波, 戴永壽

(1.中國石油大學(華東) 海洋與空間信息學院,山東 青島 266000;2.中國電子科技集團有限公司第四十一研究所國防科技工業光電子一級計量站,山東 青島 266000)

0 引言

可調諧激光器是指輸出波長在一定范圍內連續可調的激光器,其調諧范圍寬、線寬窄,光學效率高,具有重要的應用前景[1]。在高精度的應用系統中,對可調諧激光器輸出激光的光功率、光譜特性和中心波長有嚴格的穩定性要求。保證可調諧激光器高穩定性運行的關鍵元件是半導體激光二極管(Laser Diode,LD),它是一種電流驅動型模塊,對電流的變化十分敏感,微弱的電流變化即會對LD的輸出波長、閾值電流和光功率產生明顯影響[2],因此,設計一款高穩定性的恒流驅動系統至關重要。

當前,主流的可調諧激光器LD驅動方法主要有恒功率控制法和恒電流控制法。恒功率控制法利用光電二極管檢測激光器的輸出功率,通過反饋電路將其變化反饋給電流驅動電路,從而達到輸出功率穩定的目的[3-4]。恒電流控制法則直接將電流作為反饋控制信號,通過壓控恒流源輸出穩定電流[5-6]。由于半導體的溫度敏感性和器件老化等問題,即使保持驅動電流恒定,其輸出功率也可能發生變化[7]。而自動功率控制電路因其輸出功率直接反饋的特點,不會受電流變化影響,但光功率探測器產生的噪聲也會在一定程度上降低LD驅動電流的穩定性。

目前,已有學者對恒流控制法和恒功率控制法進行改進,但仍存在一些問題。文獻[8]通過增加保護電路和抑制環路噪聲對深度負反饋控制恒流源電路進行了改進,但未考慮激光器長期工作時的功率波動;文獻[9]基于負反饋原理設計了一款恒功率控制電路,輸出功率穩定性控制在±3 mW,但忽視了光電探測器的非線性問題,使功率穩定度提高受限;文獻[10]提出一種深度負反饋恒流驅動方法,驅動電流控制穩定度達160 ppm,功率控制穩定度0.02 mW,但該方法電流調節范圍窄,電流控制穩定度無法達到可調諧激光器需求;文獻[11]提出一種基于功放的恒流源驅動方法,電流穩定度優于±0.5 μA,輸出激光波長穩定度控制在10 pm/h,但該方法驅動功率較小,且未考慮高頻信號干擾造成的影響。在商用可調諧激光器驅動源中,德國激光制造商Toptica旗下的可調諧激光器產品和美國制造商Thorlabs旗下產品均能達到千分級的光功率穩定度和1 pm/h甚至更低的輸出波長穩定度。

針對目前LD驅動方法的不足,為進一步提高可調諧激光器輸出激光波長和功率的穩定度,首先基于深度負反饋的控制方式設計了電流環,并通過積分補償和RC濾波提高了反饋控制穩定度;其次為防止功率衰減,在積分反饋電路基礎上設計了儀表放大器反饋回路,實現了激光器功率的線性反饋控制并抑制了共模噪聲對LD驅動電流穩定性的影響;最后以位置式PID為控制方式,對LD驅動電路進行外環控制,完成對電流或功率信號誤差的計算與調整。最終實現了可調諧激光器多閉環控制驅動系統。

1 可調諧激光器多閉環驅動控制系統總體設計方案

驅動控制系統中的光學被控元件選用索雷博的先進可調諧激光增益芯片SAF1550S2,該芯片輸出光功率與注入電流的大小正相關,即在一定范圍內,可以通過LD驅動源的輸出電流來調節激光功率的輸出。而該芯片LD輸出激光波長與功率呈非線性變化關系,故為輸出穩定波長的激光,控制LD功率恒定至關重要。

因為SAF1550S2芯片內部集成有TEC,且應用成熟的TEC控制方式對其進行控制即可實現LD工作的恒溫狀態,故不再討論溫度控制[12-13]。在恒溫控制下,向LD注入穩定的電流便可穩定控制激光器的輸出功率。但考慮到LD長期工作的功率衰減和外腔中光學器件產生的噪聲對功率波動的影響,LD驅動控制系統需通過檢測LD的輸出光功率調整其注入電流以保持功率恒定,實現可調諧激光器的穩定驅動。可調諧激光器多閉環驅動控制系統如圖1所示。

圖1 可調諧激光器多閉環驅動控制系統

可調諧激光器多閉環驅動控制系統是一個負反饋控制的多閉環控制系統。當被控對象為電流時,內部負反饋為電流環,包括積分補償、壓控恒流源、LD、電流采樣和電流放大環節,從而對驅動電流進行采樣、反饋和控制;當被控對象為光功率時,內部負反饋為功率環,包括積分補償、壓控恒流源、LD、PD、功率采樣和儀表放大環節,直接對LD的輸出光功率進行穩定性控制。外環為PID控制,以FPGA作為主控器件,以數字控制的方式有效并快速地實現電流或功率的穩定控制。

2 多閉環驅動系統硬件電路方案與設計

2.1 自動電流控制(ACC)方案與電路設計

由于可調諧激光增益芯片為電流驅動元件,故自動電流控制(ACC)方法的核心是恒流源控制。常規的精密壓控恒流源由單運放、三極管和采樣電阻構成,以負反饋的方式對電流進行控制[14]。但該方式抗干擾能力較弱,故在負反饋的基礎上,引入了積分補償和高頻信號濾波,增強了電流環的抗干擾能力,并與PID構成雙閉環控制,實現了ACC,電流環設計思路如圖2所示。電流控制誤差信號經PID算法計算得到后,與LD電流采樣反饋信號共同作用于積分電路。當系統受到擾動時,反饋電路負端產生一個瞬時響應,而積分環節則產生一個長期的響應,以消除系統的穩態誤差,實現了反饋控制的積分補償。積分電路輸出的控制信號驅動功率三極管生成恒定電流,并將其中因波動產生的高頻信號通過RC電路濾波后反饋給積分電路,以避免對LD產生影響。最終恒流作用于LD,驅動LD產生穩定的激光。

圖2 電流環設計思路

電流環電路原理如圖3所示。

圖3 電流環電路原理圖

電壓設定信號Vset為FPGA經過PID控制算法計算輸出的電流誤差信號,N2為FET精密運算放大器,與電容C1等外圍器件組成積分電路。電壓設定信號作用于N2的負端,LD工作電流信號經過精密電流采樣電阻R7采樣并經過放大器N1放大后作用于N2的正端。電壓設定值隨電流設定值和采樣值的差值變化而變化,電流差值越大,電壓設定值越大,N2輸出電壓值越大,即三極管基極電壓越大,最終驅動LD的電流越大,控制為外環控制。而LD工作電流因波動而改變時,N2正端電壓隨之改變,通過反饋電路的積分補償趨于穩定,且驅動電流的高頻噪聲經RC電路反饋給積分電路,消除了高頻干擾,該控制屬于內環控制。

電流驅動響應時,三極管Q1應工作在放大區,設其放大倍數為K,設三極管驅動電壓為Vin,即流經LD的驅動電流為

(1)

式中,R7為電阻R7的電阻值。

由式(1)可知,激光器的驅動電流與電壓控制端、三極管的放大倍數和采樣電阻呈正相關,三極管和采樣電阻選型完成后,通過控制輸入端電壓即可線性控制LD的驅動電流。

2.2 自動功率控制(APC)方案與電路設計

由于可調諧激光二極管存在器件老化或長時間使用等導致的光功率偏移問題,即在保持電流恒定的狀態下功率仍會波動,故提出了一種自動功率控制(APC)方式,通過檢測LD的功率并進行恒功率控制,根據功率偏差調節驅動電流,而非直接輸出恒定電流,從而避免了光功率偏移問題。

在APC中,需要用到光電探測器對功率進行采樣,光電探測器的核心元件為光功率二極管(PD),是一種把光信號轉換為電信號的元件,它是由PN結組成的半導體器件,并且在反向電壓作用下工作,光的強度越大,其反向電流也越大。但光功率二極管具有非線性特性,常規功率控制方法無法直接對其進行線性控制,故提出應用儀表放大器設計反饋采樣電路,其內部由多級放大電路和差分放大電路構成,可以對信號進行放大和線性化輸出,且可以在噪聲環境中檢測出微弱信號,從而抑制共模噪聲,提高了功率采樣的信噪比。

APC設計思路如圖4所示。

圖4 APC設計思路

首先通過光電探測器采集當前輸出激光功率值并轉換成電壓信號,然后經過電壓偏置電路將電壓轉換到合適范圍內從而易于信號識別和處理,再經過精密儀表放大電路將轉換后的電壓信號進行放大和線性輸出,最后與PID控制信號分別作用于積分反饋電路正端和負端,實現對晶體管的恒壓驅動,從而產生穩定的電流驅動LD工作。

儀表放大器電路設計原理如圖5所示。

圖5 儀表放大器電路設計原理圖

儀表放大器選用ADI公司的AD8421ARZ,它是一款低成本、低功耗、極低噪聲、超低偏置電流的高速儀表放大器,具有較高的共模抑制比(CMRR),并采用獨特的輸入保護方法,能在保持極低噪聲的情況下保證輸入的魯棒性,非常適用于激光器功率控制中的采樣信號處理。其輸出電壓算式為

Vin-=G×(VPD+-VPD-)

(2)

式中,G為增益參數,其算式為

(3)

式中,R10為電阻R10的電阻值。由式(3)可知,經儀表放大器處理的信號呈一定倍數的線性關系。

2.3 保護電路設計

LD對靜電放電、過電壓和過電流情況非常敏感[15],且在LD注入電流的瞬間,浪涌電流會對其造成損傷,因此在設計驅動電路時,要設計相應的保護電路。常規的保護電路只設計了過電壓和過電流保護,并具有小功率的防浪涌設計,不能滿足對可調諧激光二極管的保護需求。文獻[10]采用在LD兩端并聯二極管和電容的方法以起到防止反向浪涌電流沖擊的效果,但該方法只適用于功率較小的驅動電源。

本文設計的保護電路包括限幅電路、過電流保護電路、慢啟動電路和大功率MOS管防浪涌電路。

限幅電路用于驅動源適應不同額定電壓的LD和不同工作模式下電壓的調節范圍。限幅電路原理如圖6所示。

圖6 限幅電路原理圖

由圖6可知,限幅電路主要由運算放大器和二極管組成,Vlim為限幅電壓。當VsetVlim時,Vout=Vlim。

除限幅保護外,對驅動源工作過程中的電流限制也至關重要,超過LD的額定電流會對其造成損壞。過電流保護電路主要由運算放大器和比較器構成,將電流設定閾值相對應的電壓值進行數字設定后,與驅動電流經精密電流采樣電阻采樣后的電壓值作比較,從而輸出開關數字信號。當采樣電壓未超過限定值時,數字信號輸出常態值;當采樣電壓超過限定值時,主控接收到起保護使能的數字信號,從而對設定值進行降低或對驅動進行關斷,以實現保護作用。

為防止LD受到靜電和反向浪涌電流的沖擊,應在LD兩端分別并聯一個容值小的陶瓷電容和一個容值大的電解電容,以實現吸收反向電流和電壓的作用,且能夠實現LD的慢啟動。在此基礎上,還可以在LD兩端并聯一個數字信號控制的大功率MOS管,以實現大電流下的啟停放電,避免擊穿LD。

3 可調諧激光器多閉環控制驅動系統軟件功能設計

可調諧激光器多閉環控制驅動系統以FPGA作為主控芯片,通過位置式PID對硬件電路進行外環控制,與功率環和電流環共同構成多閉環控制系統。

多閉環控制驅動系統軟件功能模塊設計框圖見圖7。

圖7 多閉環控制系統軟件功能模塊設計框圖

該控制驅動系統具體工作流程為:首先,上位機通過PCI-E通信設置可調諧激光器工作電流;然后,通過A/D轉換模塊采集電流采樣電阻兩端電壓或儀表放大器輸出電壓,轉換為電流和功率值后傳遞給LCD模塊進行顯示;最后,將采樣值與目標值進行對比,若存在偏差,根據偏差進行位置式PID運算處理,經PID處理后再對D/A模塊賦值。

位置式PID數學模型為

u(k)=Kpe(k)+Ki∑e(k)+Kd(e(k)-e(k-1))

(4)

式中:u(k)為輸出信號;e(k),e(k-1)為偏差信號;Kp為比例系數;Ki為積分系數;Kd為微分系數。

4 實驗結果與分析

為驗證多閉環控制驅動系統對可調諧激光器驅動控制的穩定性,分別在不同驅動電流和驅動功率條件下對可調諧激光器驅動電流穩定性、光功率穩定性和波長穩定性進行測試。

實驗選用Thorlabs的可調諧激光增益芯片SAF1550作為被控光學元件,并設定驅動溫度為恒溫25 ℃,該芯片輸出激光波長在1530～1570 nm內可調,驅動電流范圍為65～600 mA。

4.1 自動電流控制穩定度測試

通過外腔調諧設定激光波長為1550 nm,設置LD驅動為自動電流控制模式,設置驅動電流為300 mA,對LD驅動電路的電流控制穩定度進行時長為2 h的測試,通過上位機對穩定狀態下電流值進行采樣,結果如圖8所示。

圖8 300 mA設定值時電流2 h穩定度

根據上位機采集的實驗數據和穩定度算式

(5)

可得300 mA下穩定度為190 ppm。式中:Imax為最大電流值;Imin為最小電流值;I0為設定電流值。

4.2 自動功率控制穩定度測試

實驗采用Keysight的8163B功率計進行可調諧激光器功率測量。連接多閉環驅動系統后,將可調諧激光增益芯片上的光纖接頭連接到光功率計上,設定激光波長為1550 nm,功率為10 dB,進行長時間穩定性測量,測量結果如圖9所示。

圖9 輸出光功率穩定度

通過圖9可得,光功率波動穩定在0.005 dB/h以內,穩定性能優越。

4.3 激光器中心波長穩定性測試

實現采用Bristol Instruments的772B波長計對可調諧激光器輸出波長進行測試。在波長計上選擇合適的波長范圍后,將激光增益芯片上的光纖接頭連接到波長計上,設定驅動電流為300 mA,通過外腔調諧激光波長為1560 nm,波長穩定性測試結果如圖10所示。

圖10 1560 nm波長穩定性

波長穩定性算式為

(6)

式中:n為測量次數;λi為每次測量的波長值;λavg為穩定性測試的波長平均值。根據實驗結果可以得出在1560 nm波長下激光波長穩定度λs優于1 pm/h。

5 結束語

為提高可調諧激光器驅動電流控制穩定性和輸出激光功率穩定性,以深度負反饋為控制原理,分別設計了電流控制內環和功率控制內環,并與PID控制外環共同組成了多閉環驅動控制系統。在該系統中,積分補償實現了反饋電路的高穩定性控制,RC濾波電路消除了LD工作時的高頻信號干擾,儀表放大電路實現了功率的低噪聲線性控制,防浪涌保護電路能保護LD免受沖擊電流的損壞。實驗結果表明:在300 mA的設定電流下,電流控制穩定度優于200 ppm;在功率設定為10 dB時,功率控制穩定度優于0.005 dB/h;在1560 nm激光波長設定下,激光波長穩定性優于1 pm/h,證明該多閉環控制驅動系統能夠滿足可調諧激光器的高控制穩定性需求,并已能夠對標國外先進激光器驅動源。