激光器综合参数测试实验系统的设计与实现

刘　海，马翰林，冷乐蒙，李　雷，荆胜羽，张　胜

(中国矿业大学　信息与电气工程学院, 江苏　徐州　221008)



·实 验 技 术·

激光器综合参数测试实验系统的设计与实现

刘海，马翰林，冷乐蒙，李雷，荆胜羽，张胜

(中国矿业大学信息与电气工程学院, 江苏徐州221008)

该文设计实现了一种半导体激光器综合参数测试实验系统，该系统通过微处理器控制搭建好的激光器驱动电路与激光器温度控制电路，运用控制变量法，分别采集驱动电流或温度改变后激光器的电压、电流和光功率等数据，通过串口将数据返回到上位机进行数据处理并绘制对应的曲线图。通过测试，实验系统可完成激光器综合参数的测试，并可用于光电技术综合实验及专业综合实践能力训练。

半导体激光器；参数测试；P-I-V曲线；实验系统

近年来，随着半导体激光器在光通信领域、光电子行业的应用和发展，其作为光源已广泛应用于工业、农业、国防、科学技术、生物医疗等社会生产的众多领域，为推进社会的发展起了重要作用[1-3]。在生产实践中，半导体激光器性能主要通过其性能参数进行表征。这些参数在一定程度上体现了半导体激光器工作原理、物理特性，为评价其性能提供了依据。因此将半导体综合参数测试引入教学实验中具有重要意义。

半导体激光器相关实验是激光原理与激光技术、光电子技术科学等专业的重要组成部分。在实验内容方面，许多高校与教学工作者做了很多探索[4-9]。但是，在实际教学中，对半导体激光器工作原理和工作过程缺乏直观认识。为了满足教学需要，将半导体激光器综合参数测定实验系统引入教学工作中，通过测定激光器相关参数，帮助学生进一步了解其工作原理，不仅有助于深入理解理论知识，提高实验技能，还可培养学生分析与解决问题的能力，完善了半导体激光器的教学内容。

该测试系统与光电技术方向课程教学相对应，满足社会需求并培养学生的专业综合实践能力，因此，设计出一种稳定、快速、温度控制精度高[10-13]的激光器综合参数测试实验系统显得尤为重要。

1　测试系统总体结构

本测试实验系统总体结构主要由系统硬件和PC机软件两部分组成。测试系统结构框图如图1所示。系统硬件主要包括微处理器、光探测器、激光器驱动电路、激光器温控电路、串行通信接口、软件及其他外围电路和器件。PC机软件主要包括标定界面、串行通信和激光器工作参数设置界面、P-I-V曲线绘制模块、光谱图绘制模块、激光器测试参数显示模块、数据存储与历史数据调取模块和测试单生成模块等。

图1　测试系统结构框图

2　测试系统硬件设计

测试系统原理框图如图1所示，其主要工作过程是：1)以微处理器为核心，构建ARM最小系统电路，通过微处理器自带D/A端口分别与激光器驱动电路和激光器温控电路连接，由PC机软件通过串行通信1接口与微处理器通信，控制DA1、DA2输出，进而完成对半导体激光器工作电流和工作温度的控制；2)由微处理器I/O口控制光开关，使激光分别进入光探测器和光谱仪，光探测器将光信号转换为电信号，经运算电路放大输入A/D端口，光谱仪通过串口通信2接口将激光光谱信息数据传输并处理；3)PC机软件通过串行通信1接口读取Flash中已处理好的数据，进行数据备份和激光器综合性能参数、P-I-V曲线和光谱图等信息显示，生成测试报告。

2.1测试系统硬件电路设计

测试系统的核心采用STM32F405高性能单片机。该单片机采用工作频率高达168 MHz的高性能ARM Cortex-M4内核，其Flash存储器和SARM存储器容量分别为1 MB和192 MB，同时具有4 KB的后备SRAM。STM32F405具有18个A/D转换通道以及2个分辨率为12位的D/A转换通道，1个低功耗RTC，12个通用16位定时器，2个通用32位定时器。由于测试系统的设计是为了测试半导体激光器的综合特性参数，同时实现对半导体激光器工作状态的有效控制和数据读取。在最小系统基础上引出D/A端口、A/D端口、串行通信接口和SPI通信端口等，通过配合测试系统其他模块电路完成实验测试功能。

半导体激光器输出波长和功率的变化主要通过改变激光器注入电流和工作温度来实现。由于其主要通过硬件电路改变激光器工作状态，并经由光纤输入光探测器检测光信号强度，不需要使用超声对激光器光束方向与光强进行调制。本实验系统为了获得半导体激光器P-I曲线、V-I曲线、阈值电流、背光功率、光谱等特性参数的数据信息，设计了激光器驱动电路和温控电路，控制半导体激光器的工作状态，由串行通信接口电路传输测试数据。

激光器驱动电路由TLC2272运算放大器和FZT1047三极管以及其他电容、电阻元器件组成。电路中LASERPOWR+和LASERPOWER-分别接激光器的LD+和LD-，其中ILASER、VLASER端口用于连接单片机A/D端口，读取激光器工作电路电流和电压。PC机软件通过控制单片机D/A端口DAC1的输出，从而控制激光器的工作电流。电路中ESD0402静电阻抗器为静电保护元件，起到保护激光器的作用。

温控电路的设计以帕尔帖效应为基础，选用DRV591VFPR温控芯片搭建而成，如图2所示。TEMRET1接激光器内部热敏电阻，热敏电阻另一端接地，TADC连接单片机A/D端口，FAULT0、FAULT1为TEC工作状态判定管脚。工作时，PC机软件通过控制单片机D/A端口DAC2的输出，设定激光器工作温度对应的参考电压，与TEMRET1处连接的热敏电阻感知激光器实际工作温度产生的分压，输入至PID控制器，通过PID控制器控制接入IN+端口的电压。DRV591VFPR驱动器有固定的放大增益约为2.3，TEC+与TEC-两端的电压Vout不能大于TEC工作的最大电压，其关系式为：

Vout=2.3(VIN+-VIN-)=2.3(VIN+-VREF)

因此需要在PID输出级与DRV591输入端之间加保护电路，电路由两个二极管组成，一端接3.0 V，另一端接0.6 V。此时PID控制器最小输出为0.6 V，最大输出3.0 V。

2.2测试系统单片机软件设计

单片机软件设计主要是单片机程序设计，其功能主要有：串行通信协议，包含PC机软件与ARM微处理器的串行通信协议和ARM微处理器与光谱仪的串行通信协议。控制D/A输出调节激光器工作电流、电压。控制A/D转换，将转换后的数值进行处理，计算转换系数，完成系统标定。设置激光器工作温度、工作电流，采集对应的功率、压降、光谱图和信噪比等数据信息，进行数据处理和存储等。根据功能的要求，采用模块化设计方法将程序分解为：主控模块、D/A转换控制模块、A/D转换控制模块、系统标定模块、数据处理模块和串行通信管理模块等。单片机程序流程图如图3所示。

图2　激光器温控电路

图3　单片机程序流程图

3　PC机软件设计

PC机软件主要在VS2010编译环境下，采用C#语言编写完成。实现功能主要包括：串行通信参数如波特率、串口选择等设置，测试系统读取A/D数据与实际值之间转换系数的标定，激光器工作温度、扫描起始电流、扫描电流间隔、扫描终止电流、扫描点等工作参数设定，激光器测试的P-I、V-I数据存储与P-I-V曲线图绘制，光谱图绘制，测试激光器的阈值电流、背光功率、压降、实际工作温度、中心波长、信噪比等性能数据显示与存储，不同波长激光器测试模板选择，历史测试数据查询，测试单生成等功能。

软件采用模块化设计方法，除窗口主要显示界面外还包括：标定界面、串行通信和激光器工作参数设置界面、P-I-V曲线绘制模块、光谱图绘制模块、激光器测试参数显示模块、数据存储与历史数据调取模块和测试单生成模块等。在设计过程中，按照不同模块功能设计不同的跳转界面，相互关联。

4　测试实验

基于上述测试系统硬件设计和PC机软件设计，选择波长为1 653 nm的DFB半导体激光器，完成激光器的测试实现。测试中PC机软件界面与生成测试单如图4和表1所示。

(a)激光器I-V曲线

(b)激光器输出光谱图4　PC机软件界面

参数名称参数范围最小值典型值最大值测试数据备注阈值电流/mA101510.00输出功率/mV356.39参考电流/mA5025.00阈值电压/V231.48工作温度/℃15253525.00背光电流/μA295.00P-I曲线斜率/W·A-10.19信噪比/dB3553.08谱线宽度/nm0.021@3dB信噪比/dB1653.7

基于设计完成的测试系统，通过对半导体激光器的测试实验，完成对激光器P-I曲线、V-I曲线、光谱图以及其他综合特性参数的测试，实现了本测试系统的设计要求。

5　结束语

半导体激光器是光电技术方向必须熟悉掌握的器件，激光器综合参数测试系统不但可以完成对生产的激光器进行快速地测试，提供P-I曲线、V-I曲线、光谱图以及其他综合特性参数，从而鉴别激光器品质好坏，还增加了教学中光电技术课程配套实验，丰富本科实验教学内容。同时了解该测试系统的工作原理，也对学生理解硬件电路设计、软件设计流程和上位机与下位机通信实现等知识有一个综合性提高。实验系统自试用以来，极大地激发了学生的实验兴趣，提高了学生动手能力。该测试系统扩展能力强，有利于学生进行自主性综合实验设计。

[1]程开富.半导体光电子激光器技术的发展[J].电子元器件应用, 2008, 10(8)：8-81.

[2]陈辉，高红，张云刚，等.半导体激光器的发展及其在激光光谱学中的应用[J].哈尔滨师范大学自然科学学报，2005，21(1)：40-43.

[3]邱琪.光纤通信技术[M].北京：科学出版社, 2011.

[4]李维晖, 佟秋丽.浅谈半导体激光器在物理实验中的应用[J].大学物理实验，2000(4)：6-7.

[5]王丽, 宋扬.本科生毕业设计多模光纤脉冲展宽在实践教学中的作用[J].实验技术与管理，2007，24(5)：12-17.

[6]吴飞斌, 张晋平, 刘冰.激光通信综合实验演示仪设计[J].实验技术与管理,2012, 29(2)：55-60.

[7]马再如.关于提高激光原理与激光技术课教学质量的探讨[J].高等教育研究，2012, 29(1)：59-61.

[8] 胡绍民，罗晖.《激光原理》课程教学体会[J].高等教育研究学报，2012，35(1)：71-73.

[9]王福娟, 蔡志岗, 王嘉辉, 等.光信息专业开放实验的探索与实践[J].大学物理实验，2012(1)：78-80.

[10]陈月娥, 王勇.超低噪声单频可调谐光纤激光器[J].光学精密工程，2013，21(5)：1110-1115.

[11]卢洪斌, 王向朝, 王学锋, 等.半导体激光器光强光热调制特性的研究[J].中国激光，2000，27(11)：969-972.

[12]张文平, 李明山, 尚卫东, 等.二极管泵浦激光器中的二极管温控精度[J].红外与激光工程, 2008，37(1)：69-72.

[13]汪瑜.半导体激光器热特性分析研究[D].吉林：长春理工大学, 2009.

Design and Implementation of an Integrated Parametric Test System of Laser

LIU Hai，MA Hanlin，LENG Lemeng，LI Lei，JING Shengyu，ZHANG Sheng

(School of Information and Electric Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China)

A semiconductor laser integrated parametric testing and experimental system is designed and implemented.Its main principle is to control the laser driving circuit and the laser temperature control circuit by microprocessor,then collect the data of voltage and current and optical power of laser with the changing of driving current or temperature.These data can subsequently be loaded on a computer for processing and drawing the graph by serial port.With the testing and experimental system, integrated parameters of laser can be tested.Meanwhile this system also can be used in the comprehensive experiment of photoelectric technology and the training of professional comprehensive practical ability.

semiconductor laser; parameter test;P-I-Vcurve; experimental system

2015-04-20；修改日期:2016-06-21

国家自然科学基金(51404268)；中国矿业大学教改项目(2015YB10)。

刘海(1983-)，男，博士，副教授，主要从事光纤传感与通信技术方面的研究。

G642

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.006