980 nm高穩(wěn)定度激光泵浦源控制系統(tǒng)

980nm高穩(wěn)定度激光泵浦源控制系統(tǒng)田小建;尚祖國;高博;吳戈【摘要】設(shè)計、制作了一款980nm高穩(wěn)定度激光泵浦源控制系統(tǒng)，以滿足摻鉺光纖放大器(EDFA)穩(wěn)定工作的需要.首先，以恒流激勵原理設(shè)計了控制系統(tǒng)的驅(qū)動單元.接著，使用半導(dǎo)體制冷器(TEC)作為泵浦源的溫度控制手段，設(shè)計了控制系統(tǒng)的溫度控制單元.為了驗證控制系統(tǒng)的有效性，選用一款激光泵浦模塊組成了完整的激光泵浦源系統(tǒng).最后，對激光泵浦源的激光輸出進(jìn)行了實驗，研究了光功率與驅(qū)動電流的關(guān)系,以及系統(tǒng)的光功率穩(wěn)定度與光譜穩(wěn)定性等.對系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)測試實驗，結(jié)果顯示:應(yīng)用了本控制系統(tǒng)的激光泵浦源的激光輸出中心波長為975.2nm,光功率可達(dá)600mW,短期光功率穩(wěn)定度為±0.008dB,長期光功率穩(wěn)定度為±0.05dB,比同類激光泵浦源具有更高的穩(wěn)定度.得到的結(jié)果表明:所設(shè)計的激光泵浦源控制系統(tǒng)滿足設(shè)計要求，具有一定的實用價值.【期刊名稱】《光學(xué)精密工程》【年(卷)，期】2015(023)004【總頁數(shù)】6頁(P982-987)【關(guān)鍵詞】激光泵浦源;激光泵浦控制系統(tǒng);恒流源;半導(dǎo)體溫度控制;摻鉺光纖放大器【作者】田小建淌祖國;高博;吳戈【作者單位】吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春130012;吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春130012;吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春130012;吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春130012【正文語種】中文【中圖分類】TN248.4;TN2451引言近年來隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，摻鉺光纖放大器(Erbium-doptedFiberAmplifier,EDFA)的應(yīng)用越來越廣，對其穩(wěn)定性的要求也越來越高。作為EDFA重要組成部分的激光泵浦源，其性能及穩(wěn)定度對EDFA的工作狀態(tài)有很大的影響。激光泵浦源的控制系統(tǒng)是泵浦源的核心，它的穩(wěn)定度最終決定了輸出激光的特性。因此，為了滿足EDFA穩(wěn)定工作的要求，有必要對激光泵浦源控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。目前，市場上的激光泵浦源產(chǎn)品多使用大功率半導(dǎo)體激光二極管(LaserDiode,LD)作為發(fā)光器件，使用半導(dǎo)體制冷器(ThermoelectricCooler,TEC)作為溫度控制手段。應(yīng)用中，主流元器件供應(yīng)商多將LD與TEC封裝在一起，組成14腳蝶形的激光泵浦模塊，本文所設(shè)計的激光泵浦源控制系統(tǒng)就是應(yīng)用于此類泵浦模塊的外圍控制電路。目前，市場上高檔激光泵浦源及泵浦模塊產(chǎn)品主要由JDSU與Oclaro等國際巨頭壟斷，產(chǎn)品價格高昂，而國內(nèi)生產(chǎn)的中檔泵浦源產(chǎn)品則存在輸出激光穩(wěn)定性較低的問題。一般國產(chǎn)泵浦源的短期光功率穩(wěn)定度為0.05dB，長期光功率穩(wěn)定度為0.2dB,與中高檔產(chǎn)品O.OldB、0.05dB的短、長期光功率穩(wěn)定度水平還有一定差距。究其原因，除了應(yīng)用的泵浦模塊不同外，更主要的是激光泵浦源控制系統(tǒng)的穩(wěn)定度不高［1-4］。為了解決上述問題，本文設(shè)計并制作了一款高穩(wěn)定度激光泵浦源控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了驅(qū)動與溫度控制兩個功能，具有較高的驅(qū)動穩(wěn)定度及溫控能力。為了驗證該激光泵浦源控制系統(tǒng)的控制水平，加裝了泵浦模塊，組成了完整的激光泵浦源。與市場同類產(chǎn)品相比，該激光泵浦源在光功率穩(wěn)定度方面達(dá)到了中高檔產(chǎn)品的參數(shù)水平。此外，本激光泵浦源控制系統(tǒng)還具有一定的普適性。在后續(xù)的研究過程中，可以通過微調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計來適應(yīng)其他不同輸出參數(shù)的泵浦模塊。除了上述單體激光器的應(yīng)用外，設(shè)計的激光泵浦源控制系統(tǒng)還可以用在以耦合方式組成的激光陣列上，通過多組協(xié)同的方式來擴展控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍［5］。2基本原理與系統(tǒng)組成2.1基本原理激光泵浦源在EDFA系統(tǒng)中工作時，能量是按照電-光-光的順序轉(zhuǎn)換的。作為能量轉(zhuǎn)換的中間環(huán)節(jié)，激光泵浦源就是一款為實現(xiàn)光中繼提供能量的半導(dǎo)體激光器。由于摻鉺光纖中電子的躍遷是三能級系統(tǒng)，為了提高轉(zhuǎn)換效率、降低噪聲，常選用能無受激吸收的980nm波長作為激勵［6-7］。此外，隨著中繼距離的不斷提高，光源的輸出功率最少要達(dá)到400mW以上。作為一種半導(dǎo)體激光器，激光泵浦源需要通過激勵使工作物質(zhì)達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)來產(chǎn)生激光。常見的激勵方式為電激勵和光泵浦兩種，其中電激勵又分為恒流與脈沖兩種方式。由于激光泵浦模塊多使用LD，因此選用了恒流電激勵方式，所以泵浦光源控制系統(tǒng)的驅(qū)動單元實際就是一款高穩(wěn)定度壓控恒流源［8］。在激光器工作過程中，發(fā)熱對輸出穩(wěn)定性有較大影響。當(dāng)系統(tǒng)工作溫度Tw變化時，會影響到激光器的閾值電流密度Jth。具體關(guān)系為：式中：Tr為室溫，T0是激光器溫度穩(wěn)定性的特征溫度。此外，溫度還會影響輸出光束的質(zhì)量，當(dāng)工作溫度升高時，泵浦模塊的光波長入會發(fā)生波長偏移。目前，半導(dǎo)體激光器的溫度控制主要使用TEC來實現(xiàn)。TEC是以玻爾貼效應(yīng)為基礎(chǔ)，由多組電偶對（PN結(jié)）串聯(lián)制成的，在工作過程中分為冷端與熱端。通過改變TEC上電流的大小與方向即可控制TEC吸、放熱的速率與方向。因此，激光泵浦源控制系統(tǒng)的溫度控制單元實際就是一款雙向壓控電流源［9］。2.2系統(tǒng)組成激光泵浦源控制系統(tǒng)由驅(qū)動單元與溫度控制單元兩部分組成。為了直觀地驗證控制系統(tǒng)的功能及穩(wěn)定性，在實驗中選用了Bookham公司的LC96XH74-20R型激光泵浦模塊，組成了完整的激光泵浦源。該模塊具有14腳蝶形封裝結(jié)構(gòu)，內(nèi)部將LD、TEC、光電二極管(PD)與熱敏電阻封裝在一起。激光泵浦模塊LD的最大驅(qū)動電流為950mA，最大正向電壓為2.5V。泵浦模塊上TEC的最大驅(qū)動電流為1.8A，最大電壓為3.0V。在加入泵浦模塊后，激光泵浦源的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1激光泵浦源結(jié)構(gòu)組成Fig.1Compositionoflaserpumpsource2.2.1驅(qū)動單元驅(qū)動單元主要包括輸出控制電路、驅(qū)動電路、軟啟動保護(hù)電路和電流顯示電路等，如圖2所示。驅(qū)動單元有兩種工作模式：一是恒電流模式，以采樣電阻為基礎(chǔ)，反饋LD的驅(qū)動電流；二是恒功率模式，以泵浦模塊內(nèi)的PD為基礎(chǔ)，通過串聯(lián)在PD上的采樣電阻，將光生電流轉(zhuǎn)換為電壓信號來反饋LD的輸出光功率。兩種模式的輸出控制電路有所差別。恒電流模式采用集成運放式的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，通過反饋網(wǎng)絡(luò)提高控制精度，形成閉環(huán)控制；而恒功率模式則采用模擬比例、積分、微分(PID)電路為驅(qū)動輸出控制電路來實現(xiàn)高精度控制。在應(yīng)用中，由于泵浦模塊的輸出光功率較低，恒電流模式即可滿足實際需要，因此文中主要介紹恒電流模式。在恒電流模式下，輸出控制電路的控制信號經(jīng)過軟啟動電路后，控制驅(qū)動電路輸出電流，并通過采樣與反饋網(wǎng)絡(luò)糾正偏差。在驅(qū)動電路中，還使用了功率器件的并聯(lián)均流技術(shù)，分散驅(qū)動電流，進(jìn)一步提高了驅(qū)動電流的穩(wěn)定性及系統(tǒng)的可靠性。在0.6A的驅(qū)動輸出下，用標(biāo)準(zhǔn)離差率來表示驅(qū)動電流的穩(wěn)定度，測得其1h短期穩(wěn)定度為508x10-6,8h長期穩(wěn)定度為1448x10-6。圖2驅(qū)動單元組成Fig.2Compositionofdriveunit2.2.2溫度控制單元溫控單元是一款半導(dǎo)體激光器專用恒溫控制器。此單元主要由溫度預(yù)設(shè)電路、溫度反饋電路、PID控制電路及TEC輸出電路組成，如圖3所示。該單元利用熱敏電阻阻值隨溫度變化而變化的特點，將溫度反饋電路得到的代表實際溫度的電壓與溫度預(yù)設(shè)電路的電壓進(jìn)行比較，然后通過模擬PID控制電路對電壓信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，最后由橋式驅(qū)動電路控制TEC輸出電流的大小與方向［13］。在TEC選定的情況下，實際的溫度控制能力，即制冷量Qc主要由TEC上的電流來控制。在考慮TEC冷、熱端熱傳導(dǎo)與焦耳效應(yīng)并忽略湯姆遜效應(yīng)的條件下，有：式中：Qj為焦耳熱，Qk為傳導(dǎo)熱，Tc為TEC冷端溫度，Th為TEC熱端溫度，a為熱電系數(shù)，K為熱傳導(dǎo)率，1為電流，R為內(nèi)阻［10-11］。在此單元中，為了減小結(jié)構(gòu)復(fù)雜度沒有選用負(fù)電壓電源，而是以二分之一電源電壓為基準(zhǔn)電壓，以達(dá)到控制TEC雙向電流輸出的要求。此單元的溫度控制精度可達(dá)0.1°C,為保護(hù)泵浦模塊，實際的TEC最大電流設(shè)定為1.6A。3實驗研究3.1光功率與驅(qū)動電流的關(guān)系圖3溫控單元組成Fig.3Compositionoftemperaturecontrolunit驅(qū)動電流與輸出光功率具有一定的相關(guān)性。為了研究其關(guān)系，使用FOD1202HOPTICALPOWERMETER型光功率計監(jiān)控實際光功率，并同時記錄驅(qū)動電流。為保護(hù)光功率計，在輸出端還接入了FOD5418OPTICALATTENUATOR型衰減器，以降低光功率。在實驗中，記錄光功率P與驅(qū)動電流I可以得到輸出電流與光功率的I-P關(guān)系圖，實際結(jié)果如圖4所示。圖4驅(qū)動電流與輸出光功率的關(guān)系Fig.4Relationshipbetweendrivecurrentandopticaloutputpower實驗中，在200mW的功率范圍內(nèi)，每隔10mW記錄一點；超過200mW后，每隔50mW記錄一點，共得28組數(shù)據(jù)。然后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，根據(jù)線性模型的計算方法得斜率為0.6717，誤差為0.00162;功率軸截距為-27，誤差為0.6623。由相關(guān)系數(shù)R的計算公式：得到R=0.99992,其中（Xi,Yi）代表驅(qū)動電流與光功率的第i個數(shù)據(jù)點廣X,■Y為兩數(shù)據(jù)的平均值，N=28。由此可知，在本實驗的功率與驅(qū)動電流范圍內(nèi)，光功率與驅(qū)動電流成線性關(guān)系。3.2光功率穩(wěn)定性在實際應(yīng)用中，激光泵浦源的光功率穩(wěn)定性對EDFA系統(tǒng)的穩(wěn)定工作影響重大。而光功率穩(wěn)定性除了與泵浦模塊有關(guān)外，更主要取決于控制系統(tǒng)驅(qū)動電流的穩(wěn)定性。這里將光功率穩(wěn)定性分為短期穩(wěn)定性及長期穩(wěn)定性。短期穩(wěn)定性以5min為測試時長，選取5s為步長；長期穩(wěn)定性的測試時間為8h，以8min為步長，各60個數(shù)據(jù)點。在室溫25°C的條件下，短期穩(wěn)定性選取150mW的光功率輸出，長期穩(wěn)定性選取400mW為輸出。在實測過程中，短期內(nèi)光功率基本無變化，輸出功率穩(wěn)定，最大的功率變化為0.2mW。長期功率穩(wěn)定性數(shù)據(jù)如圖5所示，光功率變化了4.6mW，驅(qū)動電流變化了6.9mA。對長期穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯擬合，得到其卡方分布參數(shù)為0.04042,相關(guān)系數(shù)為0.96136。圖5長期光功率穩(wěn)定度Fig.5Long-termstabilityofopticalpower功率穩(wěn)定度多使用分貝（dB）作為衡量單位。為了直觀體現(xiàn)功率穩(wěn)定度與功率的關(guān)系，將功率單位由毫瓦（mW）換算為分貝毫（dBm）。在3.1倍的衰減下，其長期穩(wěn)定度由21.1dBm變?yōu)?1.0dBm，變化了0.1dBm。根據(jù)穩(wěn)定度公式：式中：S代表穩(wěn)定度，Pmax為偏移功率的最大值，P0為起始功率。經(jīng)過計算可得：短期穩(wěn)定度約為±0.008dB,長期穩(wěn)定度為±0.05dB。這些數(shù)據(jù)說明該激光泵浦源具有較高的光功率穩(wěn)定度，達(dá)到了市場同類中高檔產(chǎn)品的水平，表明激光泵浦源控制系統(tǒng)的穩(wěn)定度較高。3.3光譜穩(wěn)定性在EDFA系統(tǒng)中，激光泵浦源的中心波長與光譜穩(wěn)定性對其轉(zhuǎn)換效率與噪聲系數(shù)的影響較大。而在激光泵浦源中，輸出激光的中心波長主要由泵浦模塊中集成的單模LD決定，而光譜穩(wěn)定性主要由控制系統(tǒng)對模塊的溫度控制效果決定。圖6實測輸出光譜圖Fig.6Systemoutputspectrum在激光泵浦源輸出端加衰減器，并接入AQ6317型光譜分析儀，檢測輸出激光的中心波長，結(jié)果如圖6所示。實測的中心波長為975.2nm，3dB光譜寬度小于3nm。連續(xù)開啟10min，中心波長有微小偏移，偏移量為0.1nm，表明應(yīng)用本控制系統(tǒng)的激光泵浦源具有較高的光譜穩(wěn)定度。整個控制系統(tǒng)對溫度有良好的控制效果，滿足高穩(wěn)定度的設(shè)計要求。4結(jié)論為了滿足光纖通信對EDFA及激光泵浦源穩(wěn)定工作的要求，本文設(shè)計并制作了一款高穩(wěn)定度激光泵浦源控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以市場常見的激光泵浦模塊為對象，在設(shè)計過程中綜合考量了激光泵浦模塊的實際要求，具有一定的普適性。文中首先介紹了激光泵浦源控制系統(tǒng)的基本原理與系統(tǒng)組成。然后，對應(yīng)用此控制系統(tǒng)的激光泵浦源進(jìn)行了輸出實驗研究。實驗結(jié)果表明，激光泵浦源的最高光功率可達(dá)600mW、中心波長為975.2nm，輸出光功率的短期穩(wěn)定度為±0.008dB，長期穩(wěn)定度為±0.05dB。與市場同類產(chǎn)品相比，在光功率穩(wěn)定性方面具有一定優(yōu)勢，達(dá)到了中高檔產(chǎn)品的水平。由此證明了所設(shè)計的激光泵浦源控制系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定度，達(dá)到了設(shè)計要求，具有一定的實用意義。參考文獻(xiàn)：鄭權(quán)，趙嶺，錢龍生.大功率二極管泵浦固體激光器的應(yīng)用和發(fā)展[J].光學(xué)精密工程，2001,9(1):6-9.ZHENGQ,ZHAOL,QIANLSH.Applicationanddevelopmentofhighpowerdiode-pumpedsolidstatelaser[J].Opt.PrecisionEng.,2001,9(1):6-9.(inChinese)[2]PAVLOVI,ILBEYE,DULGERGILE,etal..High-powerhigh-repetition-ratesingle-modeEr-Yb-dopedfiberlasersystem[J].OpticsExpress,2012,20(9):9471-9475.[3]干煜軍，談新權(quán).EDFA用980nm泵浦源的研制[J].激光與紅外，2001,31(4):219-221.GANYJ,TANXQ.Manufactureof980nmpumplaserforEDFA[J].Laser&Infrared,2001,31(4):219-221.(inChinese)[4]RICHARDSONDJ,NILSSONJ,CLARKSONWA.Highpowerfiberlasers:currentstatusandfutureperspectives[J].JOSAB,2010,27:B63-B92.[5]郝明明，秦莉，朱洪波，等.基于半導(dǎo)體激光陣列的976nm高功率光纖耦合模塊[J].光學(xué)精密工程，2013,21(4):895-903.HAOMM,QINL,ZHUHB,etal..Highpower976nmfibercoupledmodulebasedondiodelasershortbars[J].Opt.PrecisionEng.,2013,21(4):895-903.(inChinese)[6]SEMMALARS,DEVIP.OptimizedgainEDFAofdifferentlengthswithaninfluenceofpumppower[C].Electronics,CommunicationandComputingTechnologies(ICECCT),Tamilnadu,India:IEEE,2011:90-95.[7]QIUT,SANDERSSJ.Stablizedpumplaserwithoutputreflectoronpolarizingopticalfiber:U.S.A,13/740,231[P].2013-1-13.[8]叢夢龍，李黎，崔艷松，等.控制半導(dǎo)體激光器的高穩(wěn)定度數(shù)字化驅(qū)動電源的設(shè)計[J].光學(xué)精密工程，2010,18(7):1629-1636.CONGML,LIL,CUIYS,etal..Desig