一种半导体DFB激光器控制电路的设计＊

2020-06-30

广东通信技术 2020年6期

1 引言

近年来光纤通信技术的超高速发展，在大容量、长距离光纤通信系统中要求激光光源必须具有高稳定及高可靠性。其中半导体分布式反馈（Distributed Feedback Laser）激光器因其具有高集成性、高可靠性及高稳定性成为当今比较有前途的光通信光源器件之一，并得到社会上广泛应用和研究。

设计中主要针对电压和电流对半导体分布式反馈激光器的影响进行研制，选择DFB激光器结合硬件电路产生驱动信号，使DFB激光器发送出高稳定光源信号，特别适合在光纤传感、光纤通信等领域的广泛应用。

2 硬件设计及实现

DFB激光器控制电路由ATmegal6微控制器、1 550 nm半导体DFB激光器、驱动电路和LCD192×128液晶显示四部分组成。其驱动电路是负责给激光器提供稳定的电流及电压，激光器由驱动电路控制后发出稳定的光源信号，由LCD192×128液晶显示屏进行显示。

2.1 ATmegal6微控制器

ATmegal6是基于增强AVR RISC结构设计的8位低功耗的CMOS微控制器。ATmegal6具有先进的指令集、单时钟周期指令执行的时间，数据吞吐率达到1MIPS/MHz,进而缓减系统在功率消耗及处理速度间的矛盾。ATmegal6内核具有32个通用工作寄存器与丰富的指令集。32个寄存器都可以直接和运算逻单位（ALU）相互连接，一条指令可在一个时钟周期范围内同时工作访问两个独立单元的寄存器，这种设计增加了代码的效率，是普通的CISC微控制器最高到10倍的数据吞吐率。ATmegal6具有以下特点：16 k字节的系统内可进行编程Flash，1K字节SRAM,512字节EEPROM,32个通用工作寄存器，32个通用I/O口线，支持片内调试和编程，用于边界扫描的JTAG接口，一个SPI串口端口，三个具有比较模式的灵活的定时器/计时器，片内/外中断，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，可编程串行USART,8路10位具有可选差分输入级可进行编程增益的ADC，有起始条件检测器的通用串行接口，以及6个可通过软件进行选择的省电模式。ATmegal6初始化代码如下。

2.2 1550nm半导体DFB激光器

激光器是用来直接输出光信号，是整个控制电路设计中最关键器件。它的性能如何将直接关系到整个光信号的技术指标性能。按照激光器的类型可以分为：量子阱激光器、双异质结激光器、条形激光器和分布式反馈（DFB）激光器。该设计中选用了1 550 nm半导体DFB激光器。DFB（Distributed Feedback Laser）激光器，即是分布式反馈激光器，它的不同地方是内置了布拉格光栅。属于侧面发射的半导体激光器。DFB激光器是主要为半导体材料当介质，其包含砷化镓（GaAs）、锑化镓(GaSb）、硫化锌(ZnS) 、磷化铟(InP)等。DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性（即光谱纯度），它的线宽普遍可以做到1 MHz以内，以及具有非常高的边模抑制比（SMSR），可高达40～50 dB以上。DFB激光器采用芯片设计，芯片分为N极和P极，当注入p-n结的电流较低时，只有自发辐射产生，随电流值的增大增益也增大，达阈值电流时，p-n结产生激光。其引脚封装如图1，其中pin1为激光阳极，pin2为外壳接地，pin3为激光阴极，pin4为监控二极管阳极。DFB激光器的具体技术指标参数如表1所示。

图1 DFB激光器引脚图

表1 DFB激光器技术指标参数

2.3 脉冲电路设计及实现

1 550 nm半导体DFB激光器控制电路主要由驱动电路完成，电路采用了LM358双运算放大器芯片及三极管组成稳定电压及电流回路，其驱动电路设计如图2所示。

图2 驱动电路

LM358双运算放大器芯片内部包含两个高增益、独立的、内部频率补偿的双运算放大器，非常合适于电源的电压范围很宽广的单电源使用，也合适在双电源的工作模式中，在实际推荐的工作条件范围下，电源的电流和电源的电压无关。使用范围包含了直流增益模块、传感放大器和其他所有可用单的电源供电使用的运算放大器的地方。LM为塑封8引线双列贴片式。其具有特性如下：输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5 V）,内部频率补偿，差模输入电压范围宽，等于电源电压范围，直流电压增益高（约100 dB）,共模输入电压范围宽、包括接地，单位增益频带宽（约1 MHz）,低输入失调电压和失调电流，电源电压范围宽、单电源（3～30 V）、双电源（±1.5-±15 V），低输入偏流，低功耗电流、适合于电池供电。其引脚设置如图3所示。

图3 LM358引脚图

2.4 LCD192×128液晶显示

ATmega 16控制器处理后的数据，由LCD192×128液晶显示屏进行显示。LCD192×128是一种点阵中文/图形液晶显示器，不单能显示单一文本材料，还可以实现双图层的合成（“与”、“或”、“同或”、“异或”四种逻辑关系），此外还能产生四阶灰度的效果。LCD192×128液晶显示屏初始化命令代码如下。