混沌激光在高速真随机码产生^[1-2]、分布式光纤传感^[3]、保密通信^[4-5]及雷达^[6]等领域具有重要应用.光子集成混沌激光器作为一种体积小,易与其他系统集成,不易受环境影响,且稳定可靠的宽带混沌激光光源,已经受到广泛关注^[7-8].本课题组设计了一种封装在商用蝶形外壳中,具有短腔光反馈的混合集成混沌半导体激光器^[9],经测试驱动该混沌半导体激光器所需的电流值为0～80 mA.混沌激光器所使用的砷化镓、磷化铟及硫化锌等增益介质材料对温度敏感^[10],温度变化会对激光器的激射波长和阈值电流产生影响,进而影响激光器输出的混沌状态.驱动电流对激光器进入混沌的路径,以及输出混沌光状态均有重要影响^[11],因此,对混沌激光器进行高精度的温度和直流驱动控制十分重要.为提高激光器的驱动性能,黄斐等^[12]采用FP7103芯片制作了恒流源,在30 min内实现了0.023%的光功率稳定度; 李永定等^[13]采用TMS320LF2812芯片实现48 h驱动电流稳定度优于0.08%; 袁林成等^[14]利用LM2596芯片得到200～400 kilo-count/s的激光器输出强度波动; 于小雨等^[15]设计一种面向不同半导体热电制冷器(thermoelectric cooler, TEC)混沌激光器的驱动电路,实现对具有不同型号TEC混沌激光器的温度及驱动电流的有效控制,输出到TEC端的最大电压调节范围为0～3.3 V,输出电流稳定度为0.02%,测试激光器输出波长的波动稳定在9 pm以内.然而,文献[15]的驱动电路设计在驱动电流输出的全量程范围内,不能提供稳定的线性调节以及全量程范围内保持最小步进0.01 mA的调节能力.

本研究设计一种基于亚德诺半导体技术公司ADN8810和ADN8835芯片的混沌激光器驱动及温控电路,实现了驱动电流0～80 mA,全量程范围最小步进0.01 mA线性可调的驱动能力. 实验结果表明,本研究设计的混沌激光器驱动及温控电路的输出电流稳定度优于0.007%,2 h内激光器输出光中心波长最大漂移17 pm,激光器温度最大波动 0.17 ℃.

图1为驱动及温控电路的印制电路板(printed circuit board, PCB)图,图2为驱动及温控电路实物图.驱动及温控电路系统包括电源电路、驱动电流

图1 驱动电路PCB版图
Fig.1 (Color online)PCB layout of driving circuit

图2 驱动电路实物图
Fig.2 (Color online)Driving circuit physical diagram

电路、温度控制电路以及激光器接口.使用STM32F407最小系统板实现数据处理^[16]、对驱动电流电路控制芯片ADN8810输入控制码code、接收按键信息、接收驱动电流电路和温度控制电路返回信号的功能; 电源电路主要包括L7805、NSP2951T及ADR4540三种稳压器件,将输入的7.5 V直流电滤波转换为5.000、3.300及4.096 V直流电,提供驱动电路中全部所需电压.激光器温度控制电路包括阻值编程可控的AD5173构成的分压电路,3组滑动变阻器构成的备用分压电路用来调节温控芯片ADN8835的VLIM、ILIM、IN2P引脚的输入电压值,实现调节TEC两端最大工作电压、TEC两端最大工作电流以及设定激光器目标温度的功能,以适应具有不同型号TEC激光器的需要.驱动电流电路以ADN8810芯片为核心,根据接收到的code值为激光器提供全量程线性可调的驱动电流.激光器接口提供一种可以直接焊接蝶形封装激光器的接口,同时提供一种可以焊接标准商用9针接头的过孔,以方便使用激光器夹具来驱动激光器.

在设计中将控制和显示部分分离,在单片机控制部分STM32F407最小系统板上加入控制按键和显示屏,基于STM32F407控制芯片编写控制程序,实用性和可操作性强.将微控制单元(microcontroller unit, MCU)部分分离出来的设计方案增强了设计的应用范围,方便根据需要改变控制所使用的MCU器件,使系统功能具有继续扩展的空间.

PCB设计采用4层结构:顶层和底层为电源层和数据信号的走线层,这两层焊接电子元器件以及接口插件,并使用铺铜消除电源电路对驱动芯片和温控芯片可能产生的电磁干扰; 中间两层为数字接地层和模拟接地层,将数字地和模拟地分开,减少数字电路噪声对模拟电路系统的干扰,提高系统的整体控制效果.

图3为驱动电流电路原理图.其中,驱动电流电路由2块ADN8810芯片及其外围电路构成.单个ADN8810芯片输出驱动电流的满量程值I_FS为

I_FS≈(U_REF)/(10×R_SN)(1)

其中, U_REF为ADR4540稳压元件产生的参考电压,理论值为4.096 V,该参考电压输入ADN8810芯片的VREF引脚; R_SN为电路中参考电阻阻值,本设计中采用10 Ω的高精度低温漂金属膜电阻^[17]作为R_SN. ADN8810芯片输出驱动电流I_OUT为

图3 驱动电流电路原理图
Fig.3 (Color online)Schematic diagram of driving current circuit

I_OUT=code×(U_REF)/(4 096)×1/(R_SN)×

((R_SN)/(15 000)+0.1)(2)

其中,code为STM32向ADN8810芯片输入的控制码数值,其取值范围为0～4 095.

由式(1)可得,单个ADN8810满量程输出约为40 mA. code值每增加1,ADN8810芯片对应接收到I_OUT理论上增加0.010 07 mA,与0.01 mA的期望值相差0.000 07 mA.随着code值的不断增加,0.000 07 mA累积的系统误差会超过0.01 mA,甚至达到最大约0.28 mA.

为了消除系统误差,令I_OUT=0.01 mA, R_SN=10 Ω,code=1,计算可得所需的U_REF为4.069 V.因此,设计中采用一个阻值为1 kΩ与一个阻值为6.8 Ω电阻构成分压电路的办法,使ADN8810芯片的VREF引脚的实际输入电压为4.069 V. code值每增加1,对应驱动电流理论增加值为0.01 mA,理论上消除了系统误差.为了提供更大的驱动能力,驱动电流电路采用两块ADN8810芯片输出串联的设计方式,满量程驱动电流值为80 mA. 此时,驱动电流电路输出的驱动电流值I为

I=I_OUT1+I_OUT2(3)

式(3)仅在两个ADN8810模块的输出驱动电流值相差不大的情况下成立,若两个输出电流值相差较大,会出现互相损耗的现象, I将明显小于I_OUT1与I_OUT2之和.使用STM32的1个串行外设接口(serial peripheral interface, SPI)同时向两块ADN8810输入相同的控制码code值时,得到的驱动电流值与code值的线性关系如图4. 可见,线性度为0.005%,效果良好.测试结果由安捷伦公司34410A型六位半数字万用表测得.

图4 驱动电流值与code值的关系图
Fig.4 Diagram of the corresponding relation between the value of driving current and the value of code

采用上述输入控制码code值方式,驱动电流电路调节的最小步进为0.02 mA.为实现最小0.01 mA的驱动电流调节最小步进,并同时规避互相损耗发生,采用如图5的控制流程.系统开始工作时默认对电流进行控制.首先,进行按键扫描,若SWITCH键未按下,表示当前对驱动电流值进行控制; 接下来判断按下的是up还是down键,来完成对驱动电流值的增加或减少控制.在调节驱动电流值时,先进行BUF₂值判断,通过判断结果确定当前电流值的变化应该在ADN8810模块1还是模块2上实现.code₁和code₂分别指输入到第1和第2块ADN8810芯片中的控制码数值.STM32最小系统板增减驱动电流时采用依次增减code₁和code₂值的方式, 保持两块ADN8810芯片接收到的控制码值相

图5 驱动电流调节控制流程图
Fig.5 Control flow chart of driving current

差不超过1.

图6为输出驱动电流的稳定性测试图. 实验在60 min内,每10 s自动记录驱动电路的输出驱动电流值. 测试激光器为武汉电信器件有限公司生产的分布式反馈(distributed feedback, DFB)激光器,工作电流为0～120 mA.电流测试仪器为安捷伦34410A型数字万用表.实验分别测量驱动电流理论输出为20、40、60及80 mA时的实际驱动电流值,其稳定度^[18]分别为0.000 5%、0.000 1%、0.003 3%及0.006 5%. 可见,输出驱动电流的稳定度优于0.007%.

图7为温度控制电路原理图.将激光器内热敏电阻接入H桥电路^[19-20]测量激光器的实时温度,并通过调节激光器内TEC实现对激光器的温度控制.其中,ADN8835芯片上的OUT1引脚电压U_OUT1反映了当前激光器的实时温度.温度控制电路以ADN8835芯片为控制核心,包括温度设置部分,实现对激光器目标温度的设置; TEC电压和电流控制部分,可以分别控制制冷和制热模式下输出到TEC两端的电压最大值以及流经TEC的最大电流值,达到保护激光器的目的^[21].比例-积分-微分(proportion integration differentiation,PID)控制部分,将激光器目标温度的设置电压与激光器内热敏电阻的反馈电压进行比较,产生差分信号调节激光器内TEC的温度.

输出到TEC两端的最大直流电压可以根据制冷和制热模式分为U_{TEC_MAX_COOLING}和U_{TEC_MAX_HEATING}, 其与VLIM引脚电压的关系为

U_VLIMC=U_REF×(R_V2)/(R_V1+R_V2)(4)

U_VLIMH=U_VLIMC-I_LIMH×(R_V2×R_V1)/(R_V1+R_V2)(5)

U_{TEC_MAX_COOLING}=U_VLIMC×A_VLIM(6)

U_{TEC_MAX_HEATING}=U_VLIMH×A_VLIM(7)

图6 输出驱动电流稳定性测试图
Fig.6 Stability test chart of output driving current

图7 温度控制电路原理图
Fig.7 (Color online)Schematic diagram of temperature control circuit

其中, U_REF是ADN8835上VREF引脚输出的参考电压,U_REF=2.5 V; I_LIMH是ADN8835内部改变电压制冷制热模式的开关电流,根据芯片手册有I_LIMH=10 μA; A_VLIM是由ADN8835内部电路设计决定的一个值,根据手册有A_VLIM=2 V/V; U_VLIMC和U_VLIMH分别为制冷和制热模式下VLIM引脚的输入电压.制冷模式下的最大电压永远大于制热模式下的最大电压,因此,只需使U_{TEC_MAX_COOLING}符合要求即可.按照制冷模式计算, U_VLIMC的范围为0.2～2.2 V.由式(4)和式(6)可得

U_{TEC_MAX_COOLING}=2U_REF×(R_V2)/(R_V1+R_V2)(8)

设计中R_V1采用阻值为10 kΩ的电阻, R_V2接入的是100 kΩ阻值AD5173的一个通道.因此, V_{TEC_MAX_COOLING}的实际范围为0.5～4.5 V.

通过TEC的最大电流根据制冷和制热两种模式分为I_{TEC_MAX_COOLING}和I_{TEC_MAX_HEATING}, 其与ILIM引脚的输入电压关系为

U_ILIMH=U_REF×(R_C2)/(R_C1+R_C2)(9)

U_ILIMC=U_VLIME+I_LIMC×(R_C2×R_C1)/(R_C1+R_C2)(10)

I_{TEC_MAX_COOLING}=(U_ILIMC-1.25)/(R_CS)(11)

I_{TEC_MAX_HEATING}=(1.25-U_ILIMH)/(R_CS)(12)

其中, U_REF=2.5 V; I_LIMC是ADN8835内改变电流制冷加热模式的开关电流,根据手册I_LIMC=40 μA; R_CS是由ADN8835内部电路设计决定的一个电阻值,根据手册 R_CS=0.285 V/A; U_ILIMH≤1.2 V; U_ILIMC≥1.3 V; R_C1=10 kΩ; 制热时R_C2阻值为0～8 kΩ; 制冷时R_C2为10～100 kΩ; 制热模式下TEC最大电流可调范围为0.5～3.6 A; 制冷模式下TEC最大电流可调范围为0.7～4.3 A.

激光器内的U_TEC即为TEC₊与TEC_之间的电压,而TEC₊和TEC_直接与AND8835的LDR和SFB引脚相连. 因此,ADN8835对TEC电压的控制最终是通过对LDR和SFB电压的控制实现的.LDR和SFB引脚的电压U_LDR和U_SFB为

U_LDR=U_B-40(U_OUT2-1.25)(13)

U_SFB=U_LDR+5(U_OUT2-1.25)(14)

其中,U_OUT2为PID控制网络的输出电压; U_B=2.5 V.

定义U_TEC=U_LDR-U_SFB, 则

U_TEC=-5(U_OUT2-1.25)(15)

可见,随着U_OUT2的增大,其差值的幅值呈现先减小再增大的趋势; U_OUT2=1.25 V处是临界点,电压差的幅值在该点发生反转,对应的电流方向、TEC的制冷制热也随之变化. U_OUT2符合以下关系

U_OUT2=U_TEMPSET-(Z₂)/(Z₁)(U_OUT1-U_TEMPSET)(16)

其中, Z₁/Z₂是PID控制网络中OUT2对OUT1的比例关系,由PID控制网络中电阻值与电容值共同决定; U_TEMPSET是温度设定电压,即IN1N引脚的输入电压.激光器温度的调节是一个典型的PID控制过程,在调节过程中,激光器热敏电阻值的变化导致ADN8835的IN1N脚输入电压发生变化,IN1N脚和IN1P脚的1.25 V电压之间存在的电压差,经过差分放大后从OUT1引脚输出反馈电压.将OUT1脚的反馈电压输入到IN2N引脚,经过与温度设定IN2P引脚输入电压之间差分电压的放大,PID网络输出的OUT2电压也不断调整.在ADN8835内部,OUT2输出的电压被输入控制器,按照OUT2输出电压的大小,不断调整内部的线性驱动和PWN驱动,二者同时控制TEC两端电压的改变.当温度达到设定值时,激光器内部热敏电阻阻值变化达到温度设定电阻的阻值,此时LDR和SFB的差值在0 V震荡,TEC的电流流向不断微变,制冷和制热不断切换,最终使温度趋于稳定,达到设定温度值.

OUT1引脚的电压U_OUT1为

U_OUT1=((R_FB)/(R_TH+R_X)-(R_FB)/R+1)×(U_REF)/2(17)

其中, R_FB是PID控制网络中的反馈电阻阻值; R_TH是热敏电阻阻值; R_X是补偿电阻阻值,本设计中R_X=7.68 kΩ; R为25 ℃时的热敏电阻与补偿电阻的阻值之和, R=R_X+R_TH25.

在本温度控制电路设计中,参考电压源于ADN8810芯片VREF引脚产生的2.5 V参考电压,因此, U_OUT1不可能大于2.5 V,也不可能小于0 V.通过U_OUT1可得到激光器的实时温度值.

使用WTD公司的DFB激光器对温控电路的工作效果进行测试. 该DFB激光器的工作电流范围为0～120 mA,TEC端的电压范围为0～3.3 V.使用APEX AP2041B高分辨率光谱仪检测测试激光器的输出光中心波长.将激光器温度设定为25 ℃,光谱仪分辨率设定为1.12 pm,每隔10 s记录1次激光器输出光中心波长,结果如图8. 可见,激光器输出光中心波长在120 min内的最大波动为17 pm.设定激光器温度为25 ℃,待温控电路工作30 min后,使用安捷伦34410A型数字万用表每10 s自动记录温控电路中的U_OUT1, 结果如图9. 可见,在120 min内U_OUT1的最大变化值为24 mV,换算可得激光器的温度波动最大为0.17 ℃.

图8 激光器输出光中心波长随时间的波动
Fig.8 The fluctuation of the center wavelength of the laser output light with time

图9 OUT1引脚电压测量图
Fig.9 OUT1 voltage measurement chart

为了对混沌激光器进行更好控制,根据实际需要设计一种基于ADN8810和ADN8835的驱动及温控电路.本设计具备全量程范围内0.01 mA的驱动电流调节精度,连续线性可调.电路可调节激光器内TEC端的最大电压和最大电流,输出到TEC端的最大电压调节范围为0.5～4.5 V,通过TEC两端的最大电流调节范围为0.5～4.3 A.实验结果表明,本研究设计的驱动及温控电路输出电流稳定度优于0.00 7%.2 h内激光器输出光中心波长最大波动为17 pm,激光器温度最大波动为0.17 ℃,能够满足实际需要.