基于锁波的可调谐激光器自动控制系统转让专利
申请号 : CN200710053688.X
文献号 : CN100595985C
文献日 : 2010-03-24
发明人 : 田军 , 高繁荣 , 陈龙 , 许远忠
申请人 : 武汉电信器件有限公司
摘要 :
本发明公开了一种基于锁波的可调谐激光器自动控制系统，涉及一种激光器控制系统。本发明的结构是：单片机(50)、温度控制电路(30)、可调谐LD(20)依次连接，实现温度控制；单片机(50)、偏置电流控制电路(10)、可调谐LD(20)依次连接，实现偏置电流控制；单片机(50)、锁波电路(40)、偏置电流控制电路(10)、可调谐LD(20)依次连接，进一步实现偏置电流控制，从而达到波长锁定的目的；可调谐LD(20)和锁波电路(40)连接，反馈功率监控电流Ipmon与波长监控电流Iwlmon的比值。本发明实现波长的自动控制，控制精度高；电路简单，易于实现；适用于温度控制型分布反馈式(DFB)可调谐激光器外围电路设计。
权利要求 :
1、一种基于锁波的可调谐激光器自动控制系统，包括偏置电流控制电路 (10)、可调谐LD(20)、温度控制电路(30)、锁波电路(40)和单片机(50)， 其特征在于：所述单片机(50)、所述温度控制电路(30)和所述可调谐LD(20)依次连 接，实现温度控制；
所述单片机(50)、所述偏置电流控制电路(10)和所述可调谐LD(20)依 次连接，实现偏置电流控制；
所述单片机(50)、所述锁波电路(40)、所述偏置电流控制电路(10)和所 述可调谐LD(20)依次连接，进一步实现偏置电流控制；
所述可调谐LD(20)和所述锁波电路(40)连接，反馈功率监控电流Ipmon 与波长监控电流Iwlmon的比值；
所述可调谐LD(20)内部集成了热敏电阻Rth(21)和致冷器(22)；
所述温度控制电路(30)包括数字电位器R1(31)、温控仪表放大器(32)、 PID电路(33)和TEC驱动器(34)；
所述数字电位器R1(31)、所述热敏电阻Rth(21)和所述温控仪表放大器(32) 连接，设置一定的温度；
所述温控仪表放大器(32)、所述PID电路(33)、所述TEC驱动器(34)、 所述致冷器(22)、所述可调谐LD(20)、所述热敏电阻Rth(21)和所述温控仪 表放大器(32)依次闭环连接，实现温度的自动控制；
所述温控仪表放大器(32)还和所述TEC驱动器(34)连接，为所述TEC驱 动器(34)提供参考比较电压；
所述偏置电流控制电路(10)包括数字电位器R2(11)、偏置放大器(12)、 偏置PI电路(13)、三极管(14)、偏置仪表放大器(15)和偏置固定电阻(16)；
所述数字电位器R2(11)、所述偏置放大器(12)、所述偏置PI电路(13)、 所述三极管(14)、所述偏置固定电阻(16)和所述可调谐LD(20)依次连接；
所述偏置固定电阻(16)、所述偏置仪表放大器(15)和所述偏置PI电路(13) 依次连接；
偏置电流的控制在该偏置电流控制电路中起着微调波长的作用；
所述锁波电路(40)包括锁波PI电路(41)、差分放大器(42)、第1锁波 放大器(43)、第2锁波放大器(44)、锁波固定电阻(45)和数字电位器R3(46)；
所述锁波电路(40)分为两路，一路是所述锁波固定电阻(45)、所述第1 锁波放大器(43)和所述差分放大器(42)依次连接；另一路是所述数字电位器 R3(46)、所述第2锁波放大器(44)和所述差分放大器(42)依次连接；
所述差分放大器(42)、所述锁波PI电路(41)和所述偏置电流控制电路(10) 依次连接；
所述锁波固定电阻(45)接收来自所述可调谐LD(20)的功率监控电流Ipmon， 所述数字电位器R3(46)接收来自所述可调谐LD(20)的波长监控电流Iwlmon， 所述可调谐LD(20)将功率监控电流Ipmon与波长监控电流Iwlmon的比值传递给 所述锁波电路(40)，经过所述锁波电路(40)将变化情况传递给所述偏置电流 控制电路(10)，从而改变所述可调谐LD(20)的偏置电流达到波长稳定的作用；
所述单片机(50)分别与所述数字电位器R1(31)、所述数字电位器R2(11) 和所述数字电位器R3(46)连接；
所述单片机(50)控制所述偏置电流控制电路(10)、所述温度控制电路(30) 以及所述锁波电路(40)。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种激光器控制系统，尤其涉及一种基于锁波的可调谐激光器自 动控制系统。
背景技术
如图1，目前光通信网络用的传统光源是固定波长激光器(LD)。固定波长 LD的控制电路的设计主要包括：温度控制电路(10)、偏置电流控制电路(30) 和固定波长LD(60)三部分。
随着光通信网络传输容量的发展，对波长数需求越来越多，可调谐LD的出 现刚好满足了这一需求。可调谐LD从技术上主要分为：电流控制技术、温度控 制技术和机械控制技术等类型。本发明主要是针对温度控制型DFB激光器的控 制。与固定波长LD相比，可调谐LD对于波长控制精度要求很高，波长误差必须 小于0.02nm，因此原有的仅由偏置电流控制电路和温度控制电路实现的方法已 经不能实现波长的稳定控制。
随着光通信网络传输容量的发展，对波长数需求越来越多，可调谐LD的出 现刚好满足了这一需求。可调谐LD从技术上主要分为：电流控制技术、温度控 制技术和机械控制技术等类型。本发明主要是针对温度控制型DFB激光器的控 制。与固定波长LD相比，可调谐LD对于波长控制精度要求很高，波长误差必须 小于0.02nm，因此原有的仅由偏置电流控制电路和温度控制电路实现的方法已 经不能实现波长的稳定控制。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种基于锁波的 可调谐激光器自动控制系统(简称自动控制系统)。具体地说，是针对可调谐 LD对于波长控制精度要求高的特点，加入锁波电路和单片机对可调谐LD波长进 行有效的调节和稳定控制；要求实现电路简洁，控制效果好，精确度高，应用方 便。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的可调谐LD的波长调节范围为1547.715～1550.517(共8个通道)， 波长间隔为0.4nm(即信道间隔为50GHz)，允许的波长误差为+/-0.02nm(即锁定 频率精度为+/-2.5GHz)。由于是温度控制型可调谐LD，因此对外界温度的变化 比较敏感，但为了能很好地控制其波长的变化，所以必须对LD外部和内部的温 度进行控制，使其温度保持恒定，同时也要对其偏置点的电流进行严格的控制。
如图2，本发明包括偏置电流控制电路(10)、可调谐LD(20)、温度控制电 路(30)、锁波电路(40)和单片机(50)；
单片机(50)、温度控制电路(30)、可调谐LD(20)依次连接，实现温度 控制；
单片机(50)、偏置电流控制电路(10)、可调谐LD(20)依次连接，实现 偏置电流控制；
单片机(50)、锁波电路(40)、偏置电流控制电路(10)、可调谐LD(20) 依次连接，进一步实现偏置电流控制；
可调谐LD(20)和锁波电路(40)连接，反馈功率监控电流Ipmon与波长监 控电流Iwlmon的比值。
偏置电流控制电路(10)，主要控制可调谐LD的偏置电流。
可调谐LD(20)，采用温度控制型的可调谐LD。
温度控制电路(30)，主要起调节可调谐LD(20)内部温度作用。
锁波电路(40)，主要起控制波长稳定的作用。
单片机(50)，采用Silicon Laboratories C8051F330控制数字电位器。
工作流程：
单片机(50)控制偏置电流控制电路(10)、温度控制电路(30)以及锁波 电路(40)；
偏置电流控制电路(10)控制可调谐LD(20)的偏置电流；
温度控制电路(30)控制可调谐LD(20)内部温度；
可调谐LD(20)将功率监控电流Ipmon与波长监控电流Iwlmon的比值传递给 锁波电路(40)，经过锁波电路(40)将变化情况传递给偏置电流控制电路(10)， 从而改变可调谐LD(20)的偏置电流达到波长稳定作用。
工作原理：
波长调节主要由两个环节来完成：当需要调节波长时，首先通过单片机(50) 来调节温度控制电路(30)中与可调谐LD(20)内部热敏电阻Rth对应的数字电 位器的阻值，使得其阻值与对应波长的相应热敏电阻的阻值保持一致。由于电阻 的阻值发生变化会使温度控制电路(30)的电压产生差值，通过TEC驱动器将变 化反映给可调谐LD(20)内的TEC，导致可调谐LD(20)内部温度变化达到对应 波长所需的温度值；在改变可调谐LD(20)内部温度的同时还要改变可调谐LD (20)的偏置电流，用单片机(50)控制偏置电流控制电路(10)改变偏置点电 压使得其电流值和对应波长所给的理论值(查表)保持一致，这时即能得到所需 的波长。简单来说，调节热敏电阻的阻值对于改变波长来说是粗调，而更改其偏 置电流是微调。锁波电路(40)主要是为了防止外界温度发生变化的时候波长发 生变化而设计的。
本发明具有下列优点和积极效果：
1、实现波长的自动控制，控制精度高。
2、电路简单，易于实现。
3、适用于温度控制型分布反馈式(DFB)可调谐激光器外围电路设计。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的可调谐LD的波长调节范围为1547.715～1550.517(共8个通道)， 波长间隔为0.4nm(即信道间隔为50GHz)，允许的波长误差为+/-0.02nm(即锁定 频率精度为+/-2.5GHz)。由于是温度控制型可调谐LD，因此对外界温度的变化 比较敏感，但为了能很好地控制其波长的变化，所以必须对LD外部和内部的温 度进行控制，使其温度保持恒定，同时也要对其偏置点的电流进行严格的控制。
如图2，本发明包括偏置电流控制电路(10)、可调谐LD(20)、温度控制电 路(30)、锁波电路(40)和单片机(50)；
单片机(50)、温度控制电路(30)、可调谐LD(20)依次连接，实现温度 控制；
单片机(50)、偏置电流控制电路(10)、可调谐LD(20)依次连接，实现 偏置电流控制；
单片机(50)、锁波电路(40)、偏置电流控制电路(10)、可调谐LD(20) 依次连接，进一步实现偏置电流控制；
可调谐LD(20)和锁波电路(40)连接，反馈功率监控电流Ipmon与波长监 控电流Iwlmon的比值。
偏置电流控制电路(10)，主要控制可调谐LD的偏置电流。
可调谐LD(20)，采用温度控制型的可调谐LD。
温度控制电路(30)，主要起调节可调谐LD(20)内部温度作用。
锁波电路(40)，主要起控制波长稳定的作用。
单片机(50)，采用Silicon Laboratories C8051F330控制数字电位器。
工作流程：
单片机(50)控制偏置电流控制电路(10)、温度控制电路(30)以及锁波 电路(40)；
偏置电流控制电路(10)控制可调谐LD(20)的偏置电流；
温度控制电路(30)控制可调谐LD(20)内部温度；
可调谐LD(20)将功率监控电流Ipmon与波长监控电流Iwlmon的比值传递给 锁波电路(40)，经过锁波电路(40)将变化情况传递给偏置电流控制电路(10)， 从而改变可调谐LD(20)的偏置电流达到波长稳定作用。
工作原理：
波长调节主要由两个环节来完成：当需要调节波长时，首先通过单片机(50) 来调节温度控制电路(30)中与可调谐LD(20)内部热敏电阻Rth对应的数字电 位器的阻值，使得其阻值与对应波长的相应热敏电阻的阻值保持一致。由于电阻 的阻值发生变化会使温度控制电路(30)的电压产生差值，通过TEC驱动器将变 化反映给可调谐LD(20)内的TEC，导致可调谐LD(20)内部温度变化达到对应 波长所需的温度值；在改变可调谐LD(20)内部温度的同时还要改变可调谐LD (20)的偏置电流，用单片机(50)控制偏置电流控制电路(10)改变偏置点电 压使得其电流值和对应波长所给的理论值(查表)保持一致，这时即能得到所需 的波长。简单来说，调节热敏电阻的阻值对于改变波长来说是粗调，而更改其偏 置电流是微调。锁波电路(40)主要是为了防止外界温度发生变化的时候波长发 生变化而设计的。
本发明具有下列优点和积极效果：
1、实现波长的自动控制，控制精度高。
2、电路简单，易于实现。
3、适用于温度控制型分布反馈式(DFB)可调谐激光器外围电路设计。
附图说明
图1是固定波长激光器控制电路框图；
图2是本发明结构框图；
图3是温度控制电路框图；
图4是偏置电流控制电路框图；
图5是锁波电路框图；
图6是单片机控制框图；
图7是本发明试验验证框图；
图8是本发明波长λ随温度T变化曲线图；
图9是本发明温度为25℃时的光谱图。
其中：
00-基于锁波的可调谐激光器自动控制系统，简称自动控制系统；
10-偏置电流控制电路，
11-数字电位器R2， 12-偏置放大器， 13-偏置PI电路，
14-三极管， 15-偏置仪表放大器，16-偏置固定电阻；
20-可调谐LD，
21-热敏电阻Rth，22-致冷器；
30-温度控制电路，
31-数字电位器R1，32-温控仪表放大器，33-PID电路，
34-TEC驱动器；
40-锁波电路，
41-锁波PI电路，42-差分放大器，43-第1锁波放大器，
44-第2锁波放大器，45-锁波固定电阻，46-数字电位器R3；
50-单片机。
60-固定波长LD
A-烘箱；B-光衰减器；C-波长计；D-功率计；E-光谱仪。
具体实施方案
下面结合附图和实施例详细说明：
一、各功能块的结构
1、温度控制电路(30)
如图3，温度控制电路(30)包括数字电位器R1(31)、温控仪表放大器(32)、 PID电路(33)和TEC驱动器(34)；
可调谐LD(20)内部集成了热敏电阻Rth(21)和致冷器(22)；
数字电位器R1(31)、热敏电阻Rth(21)和温控仪表放大器(32)连接，设 置一定的温度；
温控仪表放大器(32)、PID电路(33)、TEC驱动器(34)、致冷器(22)、 可调谐LD(20)、热敏电阻Rth(21)、温控仪表放大器(32)依次闭环连接，实 现温度的自动控制；
温控仪表放大器(32)还和TEC驱动器(34)连接，为TEC驱动器(34)提 供参考比较电压。
其中：
数字电位器R1(31)采用精度较高的10位数字电位器；
温控仪表放大器(32)采用精密仪表放大器；
PID电路(33)是一种由电容、电阻和放大器组成的比例、积分、微分电路；
TEC驱动器(34)是一种高效、大电流功率驱动器，集成了PWM发生器、门驱 动电路和H桥结构的四个场效应管，其输出电流最大可达3A；
可调谐LD(20)采用温度控制型的可调谐LD；
热敏电阻Rth(21)，其阻值随温度变化而改变；
致冷器(22)，根据电流的流向，致冷或致热。
工作流程：
数字电位器R1(31)阻值变化传递到温控仪表放大器(32)，然后经过PID 电路(33)将变化传递给TEC驱动器(34)，TEC驱动器(34)变化导致致冷器(22) 工作，从而使可调谐LD(20)温度发生变化，热敏电阻Rth(21)阻值发生改变， 最终导致电路动态平衡。
工作原理：
当改变与热敏电阻Rth(21)对应的数字电位器R1(31)的阻值时，R1和Rth 组成的桥路发生变化，通过温控仪表放大器(32)形成差分电压，差分电压经过 PID电路(33)后将电压送到TEC驱动器(34)，通过TEC驱动器(34)输出一 定电压给致冷器(22)，致冷器(22)根据流过电流的方向，对可调谐LD(20) 进行制冷或加热，使可调谐LD(20)温度稳定在所要求的值。可调谐LD(20) 的温控系统必须满足控制精度高、温度稳定性好的要求，而且它必须是双向控制 的，以适应外界温度变化和可调谐LD(20)工作条件的不确定性。
2、偏置电流控制电路(10)
如图4，偏置电流控制电路(10)包括数字电位器R2(11)、偏置放大器(12)、 偏置PI电路(13)、三极管(14)、偏置仪表放大器(15)和偏置固定电阻(16)；
数字电位器R2(11)、偏置放大器(12)、偏置PI电路(13)、三极管(14)、 偏置固定电阻(16)和可调谐LD(20)依次连接；
偏置固定电阻(16)、偏置仪表放大器(15)和偏置PI电路(13)依次连接；
偏置电流的控制在该偏置电流控制电路(10)中起着微调波长的作用。
其中：
数字电位器R2(11)采用8位精度数字电位器；
偏置放大器(12)采用精密运算放大器；
偏置PI电路(13)为比例积分电路；
三极管(14)为普通贴片放大三极管；
偏置仪表放大器(15)采用精密仪表放大器；
偏置固定电阻(16)为普通贴片电阻。
工作流程：
数字电位器R2(11)的变化导致电压发生变化，电压变化传递给偏置放大器 (12)，经过偏置PI电路(13)，电流流向三极管(14)，经过三极管(14)放大， 一边通过固定电阻(16)流向可调谐LD(20)，另一边偏置固定电阻两端电压变 化传递到偏置仪表放大器(15)，偏置仪表放大器(15)将变化转到偏置PI电路 (13)，从而偏置PI电路(13)、三极管(14)、偏置固定电阻(16)、偏置仪表 放大器(15)组成一个闭环回路，最终形成一个动态平衡。
工作原理：
调节数字电位器R2(11)的阻值从而改变数字电位器R2(11)两端的电压， 经偏置放大器(12)的放大使得数字电位器R2(11)两端电压和偏置放大器(12) 输出端的电压相等。由偏置PI电路(13)、三极管(14)、偏置固定电阻(16) 以及偏置仪表放大器(15)组成闭环控制。由于数字电位器R2(11)的电压发生 变化，则偏置PI电路(13)输入端的电压不等，这时偏置PI电路(13)的输出 电压也相应发生改变，通过三极管(14)的电流放大，电流流向偏置固定电阻(16)， 使得偏置固定电阻(16)两端电压也产生相应变化，经过偏置仪表放大器(15) 将反馈结果传递给偏置PI电路(13)的输入端，通过这种闭环控制使得偏置PI 电路(13)输入端电压最终相等，此时偏置固定电阻(16)两端的电压和偏置仪 表放大器(15)的输出以及数字电位器R2(11)两端的电压均相等，所以改变可 调谐LD(20)的偏置电流可以通过改变数字电位器R2(11)两端的电压来实现。
3、锁波电路(40)
锁波电路(40)主要用在外界温度发生变化时，提供反馈给偏置电流控制电路 (10)，通过改变偏置电流大小来保持波长稳定。
如图5，锁波电路(40)包括锁波PI电路(41)、差分放大器(42)、第1锁波 放大器(43)、第2锁波放大器(44)、锁波固定电阻(45)和数字电位器R3(46)；
锁波电路(40)分为两路，一路是锁波固定电阻(45)、第1锁波放大器(43) 和差分放大器(42)依次连接；
另一路是数字电位器R3(46)、第2锁波放大器(44)和差分放大器(42) 依次连接；
差分放大器(42)、锁波PI电路(41)和偏置电流控制电路(10)依次连接。
其中：
锁波PI电路(41)是一种常用的比例积分电路；
差分放大器(42)是一种常用的精密运算放大器；
第1锁波放大器(43)是一种常用的精密运算放大器；
第2锁波放大器(44)是一种常用的精密运算放大器；
锁波固定电阻(45)是一种常用的贴片电阻；
数字电位器R3(46)采用8位精密数字电位器。
工作流程：
可调谐激光器LD(20)将内部功率监控电流Ipmon和波长监控电流Iwlmon经 过锁波固定电阻(45)和数字电位器R3(46)分别送入第1锁波放大器(43) 和第2锁波放大器(44)，经放大器放大分别送入差分放大器(42)的正端和负 端，经过差分放大器(42)将误差送入锁波PI电路(41)，最终将误差电压Vdiff 送入偏置电流控制电路(10)。
工作原理：
由于该可调谐LD(20)是一种温度控制型LD，因此波长对温度的变化比较 敏感，这样对于温度控制的精度就比较高，但在外界温度变化很恶劣时精度无法 得到保障。这就需要一个补偿电路来保证其波长稳定。温度的改变会导致可调谐 LD(20)内部功率监控电流Ipmon和波长监控电流Iwlmon发生变化，同时他们的 比值也相应发生改变，通过差分放大器(42)将他们的差分电压传递给锁波PI 电路(41)，输出一变化电压Vdiff。将电压Vdiff加入偏置电流控制电路(10)，通 过适当调节偏置电流将波长稳定控制在误差允许范围内。
总之，所述锁波固定电阻(45)接收来自所述可调谐LD(20)的功率监控 电流Ipmon，所述数字电位器R3(46)接收来自所述可调谐LD(20)的波长监控 电流Iwlmon，所述可调谐LD(20)将功率监控电流Ipmon与波长监控电流Iwlmon 的比值传递给所述锁波电路(40)，经过所述锁波电路(40)将变化情况传递给 所述偏置电流控制电路(10)，从而改变所述可调谐LD(20)的偏置电流达到波 长稳定的作用。
4、单片机(50)
如图6，单片机(50)分别与数字电位器R1(31)、数字电位器R2(11)和 数字电位器R3(46)连接。
所述单片机(50)控制所述偏置电流控制电路(10)、所述温度控制电路(30) 以及所述锁波电路(40)。
在这里主要作用是改变数字电位器R1(31)、数字电位器R2(11)和数字电位器 R3(46)的阻值，从而改变其两端的电压，最终达到调节电路的作用。
其中：
数字电位器R1(31)采用精度较高的10位数字电位器；
数字电位器R2(11)采用8位精度数字电位器；
数字电位器R3(46)采用8位精度数字电位器；
单片机(50)采用Silicon Laboratories C8051F330。
二、试验方案
该可调谐LD(20)波长调谐间隔0.4nm，误差允许范围为+/-0.02nm，这对 于控制电路的精度要求很高。因此在试验数据测量的过程中必须按一定的步骤进 行，这样才能得到一组较为准确的数值，为波长的调节精度提供保障。
试验测量的基本依据是可调谐LD(20)的温度-热敏电阻-偏置电流-波 长查询表。但该组数据只能作为参考，在以后的控制中需测量一组更为精确的数 值来保证波长的稳定性。具体方法如下：
如图6，在打开电源之前需断开锁波电路(40)和偏置电流控制电路(10) 的连接，以避免调节过程中Iwlmon/Ipmon比值变化对偏置电流的影响，引起测量 误差。打开电源，通过单片机(50)调节和热敏电阻Rth对应的数字电位器R1(31) 的值，使得该阻值等于所调波长对应的热敏电阻阻值；然后调节数字电位器R2 (11)来改变偏置电流，根据查询表将偏置电流调到对应的值；再调节数字电位 器R3(46)使得Vdiff的电压值为0。断开电源，将锁波电路(40)和偏置电流控 制电路(10)相接，打开电源，观察波长计的波长，适当调节电位器R2(11)使 得实际波长和理论波长最接近，记录此时的R1，R2，R3的阻值，即为该组波长对应 的参量的测量值。通过同样的方式测量其他通道波长对应的参量得到一组完整的 测量值。
三、试验结果
根据测量的每个波长对应的参量值，通过单片机(40)调节数字电位器R1(31)、 数字电位器R2(11)、数字电位器R3(46)的阻值，通过波长计观察均能得到所 要的波长，从而证明了此种波长调节电路的可行性。
验证了其波长调节后还需对其锁波情况进行验证。调节到某一个波长点(以 1550.115nm波长点为例)。当外界温度发生变化时，LD控制电路各参量的变化过 程如下[假设此时经过温度控制电路(30)的调节后可调谐LD(20)内部温度稍微升 高了一点]：
当可调谐LD(20)内部温度T增大时，波长λ增大，但T增大也会导致Iwlmon/Ipmon 的比值减小，这样锁波电路(40)的输出电压Vdiff也相应减少，Vdiff的减少使得和 偏置点相连的偏置固定电阻(16)电压减小也即偏置电流Ibias减小，Ibias减小使得 波长λ减小，这样就补偿了由于可调谐LD(20)内部温度的变化导致的波长的变 化，从而使波长控制在误差允许范围内。
具体验证的试验如图7，通过烘箱(A)改变外界温度观察波长计的波长变化 情况，同时记录每隔10℃点的温度所对应的波长值如表1。
其波长随温度变化曲线如图8所示。
通过表1和图8，可以很好地观察到波长和温度的对应关系。当外界温度发 生改变时，波长会出现小的偏差，实际的标准波长为1550.5170nm，从以上图表 观察可得，波长最大为1550.5279nm，最小值为1550.5136，误差均小于误差要 求0.02nm。
同时测量不同温度时光功率，并保存相应的光谱图。
图9为温度为25℃时的光谱图。
λ＝1550.5167nm；SMSR＝47.83dB；P＝13.07dBm。
通过光谱仪的测量，我们得到不同温度时的边模抑制比都在47dB以上，同 时功率计测得的光功率变化也很小，均在13dBm左右，很好地满足了性能要求。
表1
T(℃) λ(nm) -5 1550.5279 0 1550.5258 10 1550.5232 20 1550.5176 25 1550.5167 30 1550.5199 40 1550.5204 50 1550.5181 60 1550.5137 70 1550.5136
缩略语翻译：
PID电路：比例-积分-微分电路；
TEC驱动器：热电致冷驱动器；
PWM发生器：脉宽调制发生器。
图2是本发明结构框图；
图3是温度控制电路框图；
图4是偏置电流控制电路框图；
图5是锁波电路框图；
图6是单片机控制框图；
图7是本发明试验验证框图；
图8是本发明波长λ随温度T变化曲线图；
图9是本发明温度为25℃时的光谱图。
其中：
00-基于锁波的可调谐激光器自动控制系统，简称自动控制系统；
10-偏置电流控制电路，
11-数字电位器R2， 12-偏置放大器， 13-偏置PI电路，
14-三极管， 15-偏置仪表放大器，16-偏置固定电阻；
20-可调谐LD，
21-热敏电阻Rth，22-致冷器；
30-温度控制电路，
31-数字电位器R1，32-温控仪表放大器，33-PID电路，
34-TEC驱动器；
40-锁波电路，
41-锁波PI电路，42-差分放大器，43-第1锁波放大器，
44-第2锁波放大器，45-锁波固定电阻，46-数字电位器R3；
50-单片机。
60-固定波长LD
A-烘箱；B-光衰减器；C-波长计；D-功率计；E-光谱仪。
具体实施方案
下面结合附图和实施例详细说明：
一、各功能块的结构
1、温度控制电路(30)
如图3，温度控制电路(30)包括数字电位器R1(31)、温控仪表放大器(32)、 PID电路(33)和TEC驱动器(34)；
可调谐LD(20)内部集成了热敏电阻Rth(21)和致冷器(22)；
数字电位器R1(31)、热敏电阻Rth(21)和温控仪表放大器(32)连接，设 置一定的温度；
温控仪表放大器(32)、PID电路(33)、TEC驱动器(34)、致冷器(22)、 可调谐LD(20)、热敏电阻Rth(21)、温控仪表放大器(32)依次闭环连接，实 现温度的自动控制；
温控仪表放大器(32)还和TEC驱动器(34)连接，为TEC驱动器(34)提 供参考比较电压。
其中：
数字电位器R1(31)采用精度较高的10位数字电位器；
温控仪表放大器(32)采用精密仪表放大器；
PID电路(33)是一种由电容、电阻和放大器组成的比例、积分、微分电路；
TEC驱动器(34)是一种高效、大电流功率驱动器，集成了PWM发生器、门驱 动电路和H桥结构的四个场效应管，其输出电流最大可达3A；
可调谐LD(20)采用温度控制型的可调谐LD；
热敏电阻Rth(21)，其阻值随温度变化而改变；
致冷器(22)，根据电流的流向，致冷或致热。
工作流程：
数字电位器R1(31)阻值变化传递到温控仪表放大器(32)，然后经过PID 电路(33)将变化传递给TEC驱动器(34)，TEC驱动器(34)变化导致致冷器(22) 工作，从而使可调谐LD(20)温度发生变化，热敏电阻Rth(21)阻值发生改变， 最终导致电路动态平衡。
工作原理：
当改变与热敏电阻Rth(21)对应的数字电位器R1(31)的阻值时，R1和Rth 组成的桥路发生变化，通过温控仪表放大器(32)形成差分电压，差分电压经过 PID电路(33)后将电压送到TEC驱动器(34)，通过TEC驱动器(34)输出一 定电压给致冷器(22)，致冷器(22)根据流过电流的方向，对可调谐LD(20) 进行制冷或加热，使可调谐LD(20)温度稳定在所要求的值。可调谐LD(20) 的温控系统必须满足控制精度高、温度稳定性好的要求，而且它必须是双向控制 的，以适应外界温度变化和可调谐LD(20)工作条件的不确定性。
2、偏置电流控制电路(10)
如图4，偏置电流控制电路(10)包括数字电位器R2(11)、偏置放大器(12)、 偏置PI电路(13)、三极管(14)、偏置仪表放大器(15)和偏置固定电阻(16)；
数字电位器R2(11)、偏置放大器(12)、偏置PI电路(13)、三极管(14)、 偏置固定电阻(16)和可调谐LD(20)依次连接；
偏置固定电阻(16)、偏置仪表放大器(15)和偏置PI电路(13)依次连接；
偏置电流的控制在该偏置电流控制电路(10)中起着微调波长的作用。
其中：
数字电位器R2(11)采用8位精度数字电位器；
偏置放大器(12)采用精密运算放大器；
偏置PI电路(13)为比例积分电路；
三极管(14)为普通贴片放大三极管；
偏置仪表放大器(15)采用精密仪表放大器；
偏置固定电阻(16)为普通贴片电阻。
工作流程：
数字电位器R2(11)的变化导致电压发生变化，电压变化传递给偏置放大器 (12)，经过偏置PI电路(13)，电流流向三极管(14)，经过三极管(14)放大， 一边通过固定电阻(16)流向可调谐LD(20)，另一边偏置固定电阻两端电压变 化传递到偏置仪表放大器(15)，偏置仪表放大器(15)将变化转到偏置PI电路 (13)，从而偏置PI电路(13)、三极管(14)、偏置固定电阻(16)、偏置仪表 放大器(15)组成一个闭环回路，最终形成一个动态平衡。
工作原理：
调节数字电位器R2(11)的阻值从而改变数字电位器R2(11)两端的电压， 经偏置放大器(12)的放大使得数字电位器R2(11)两端电压和偏置放大器(12) 输出端的电压相等。由偏置PI电路(13)、三极管(14)、偏置固定电阻(16) 以及偏置仪表放大器(15)组成闭环控制。由于数字电位器R2(11)的电压发生 变化，则偏置PI电路(13)输入端的电压不等，这时偏置PI电路(13)的输出 电压也相应发生改变，通过三极管(14)的电流放大，电流流向偏置固定电阻(16)， 使得偏置固定电阻(16)两端电压也产生相应变化，经过偏置仪表放大器(15) 将反馈结果传递给偏置PI电路(13)的输入端，通过这种闭环控制使得偏置PI 电路(13)输入端电压最终相等，此时偏置固定电阻(16)两端的电压和偏置仪 表放大器(15)的输出以及数字电位器R2(11)两端的电压均相等，所以改变可 调谐LD(20)的偏置电流可以通过改变数字电位器R2(11)两端的电压来实现。
3、锁波电路(40)
锁波电路(40)主要用在外界温度发生变化时，提供反馈给偏置电流控制电路 (10)，通过改变偏置电流大小来保持波长稳定。
如图5，锁波电路(40)包括锁波PI电路(41)、差分放大器(42)、第1锁波 放大器(43)、第2锁波放大器(44)、锁波固定电阻(45)和数字电位器R3(46)；
锁波电路(40)分为两路，一路是锁波固定电阻(45)、第1锁波放大器(43) 和差分放大器(42)依次连接；
另一路是数字电位器R3(46)、第2锁波放大器(44)和差分放大器(42) 依次连接；
差分放大器(42)、锁波PI电路(41)和偏置电流控制电路(10)依次连接。
其中：
锁波PI电路(41)是一种常用的比例积分电路；
差分放大器(42)是一种常用的精密运算放大器；
第1锁波放大器(43)是一种常用的精密运算放大器；
第2锁波放大器(44)是一种常用的精密运算放大器；
锁波固定电阻(45)是一种常用的贴片电阻；
数字电位器R3(46)采用8位精密数字电位器。
工作流程：
可调谐激光器LD(20)将内部功率监控电流Ipmon和波长监控电流Iwlmon经 过锁波固定电阻(45)和数字电位器R3(46)分别送入第1锁波放大器(43) 和第2锁波放大器(44)，经放大器放大分别送入差分放大器(42)的正端和负 端，经过差分放大器(42)将误差送入锁波PI电路(41)，最终将误差电压Vdiff 送入偏置电流控制电路(10)。
工作原理：
由于该可调谐LD(20)是一种温度控制型LD，因此波长对温度的变化比较 敏感，这样对于温度控制的精度就比较高，但在外界温度变化很恶劣时精度无法 得到保障。这就需要一个补偿电路来保证其波长稳定。温度的改变会导致可调谐 LD(20)内部功率监控电流Ipmon和波长监控电流Iwlmon发生变化，同时他们的 比值也相应发生改变，通过差分放大器(42)将他们的差分电压传递给锁波PI 电路(41)，输出一变化电压Vdiff。将电压Vdiff加入偏置电流控制电路(10)，通 过适当调节偏置电流将波长稳定控制在误差允许范围内。
总之，所述锁波固定电阻(45)接收来自所述可调谐LD(20)的功率监控 电流Ipmon，所述数字电位器R3(46)接收来自所述可调谐LD(20)的波长监控 电流Iwlmon，所述可调谐LD(20)将功率监控电流Ipmon与波长监控电流Iwlmon 的比值传递给所述锁波电路(40)，经过所述锁波电路(40)将变化情况传递给 所述偏置电流控制电路(10)，从而改变所述可调谐LD(20)的偏置电流达到波 长稳定的作用。
4、单片机(50)
如图6，单片机(50)分别与数字电位器R1(31)、数字电位器R2(11)和 数字电位器R3(46)连接。
所述单片机(50)控制所述偏置电流控制电路(10)、所述温度控制电路(30) 以及所述锁波电路(40)。
在这里主要作用是改变数字电位器R1(31)、数字电位器R2(11)和数字电位器 R3(46)的阻值，从而改变其两端的电压，最终达到调节电路的作用。
其中：
数字电位器R1(31)采用精度较高的10位数字电位器；
数字电位器R2(11)采用8位精度数字电位器；
数字电位器R3(46)采用8位精度数字电位器；
单片机(50)采用Silicon Laboratories C8051F330。
二、试验方案
该可调谐LD(20)波长调谐间隔0.4nm，误差允许范围为+/-0.02nm，这对 于控制电路的精度要求很高。因此在试验数据测量的过程中必须按一定的步骤进 行，这样才能得到一组较为准确的数值，为波长的调节精度提供保障。
试验测量的基本依据是可调谐LD(20)的温度-热敏电阻-偏置电流-波 长查询表。但该组数据只能作为参考，在以后的控制中需测量一组更为精确的数 值来保证波长的稳定性。具体方法如下：
如图6，在打开电源之前需断开锁波电路(40)和偏置电流控制电路(10) 的连接，以避免调节过程中Iwlmon/Ipmon比值变化对偏置电流的影响，引起测量 误差。打开电源，通过单片机(50)调节和热敏电阻Rth对应的数字电位器R1(31) 的值，使得该阻值等于所调波长对应的热敏电阻阻值；然后调节数字电位器R2 (11)来改变偏置电流，根据查询表将偏置电流调到对应的值；再调节数字电位 器R3(46)使得Vdiff的电压值为0。断开电源，将锁波电路(40)和偏置电流控 制电路(10)相接，打开电源，观察波长计的波长，适当调节电位器R2(11)使 得实际波长和理论波长最接近，记录此时的R1，R2，R3的阻值，即为该组波长对应 的参量的测量值。通过同样的方式测量其他通道波长对应的参量得到一组完整的 测量值。
三、试验结果
根据测量的每个波长对应的参量值，通过单片机(40)调节数字电位器R1(31)、 数字电位器R2(11)、数字电位器R3(46)的阻值，通过波长计观察均能得到所 要的波长，从而证明了此种波长调节电路的可行性。
验证了其波长调节后还需对其锁波情况进行验证。调节到某一个波长点(以 1550.115nm波长点为例)。当外界温度发生变化时，LD控制电路各参量的变化过 程如下[假设此时经过温度控制电路(30)的调节后可调谐LD(20)内部温度稍微升 高了一点]：
当可调谐LD(20)内部温度T增大时，波长λ增大，但T增大也会导致Iwlmon/Ipmon 的比值减小，这样锁波电路(40)的输出电压Vdiff也相应减少，Vdiff的减少使得和 偏置点相连的偏置固定电阻(16)电压减小也即偏置电流Ibias减小，Ibias减小使得 波长λ减小，这样就补偿了由于可调谐LD(20)内部温度的变化导致的波长的变 化，从而使波长控制在误差允许范围内。
具体验证的试验如图7，通过烘箱(A)改变外界温度观察波长计的波长变化 情况，同时记录每隔10℃点的温度所对应的波长值如表1。
其波长随温度变化曲线如图8所示。
通过表1和图8，可以很好地观察到波长和温度的对应关系。当外界温度发 生改变时，波长会出现小的偏差，实际的标准波长为1550.5170nm，从以上图表 观察可得，波长最大为1550.5279nm，最小值为1550.5136，误差均小于误差要 求0.02nm。
同时测量不同温度时光功率，并保存相应的光谱图。
图9为温度为25℃时的光谱图。
λ＝1550.5167nm；SMSR＝47.83dB；P＝13.07dBm。
通过光谱仪的测量，我们得到不同温度时的边模抑制比都在47dB以上，同 时功率计测得的光功率变化也很小，均在13dBm左右，很好地满足了性能要求。
表1
T(℃) λ(nm) -5 1550.5279 0 1550.5258 10 1550.5232 20 1550.5176 25 1550.5167 30 1550.5199 40 1550.5204 50 1550.5181 60 1550.5137 70 1550.5136
缩略语翻译：
PID电路：比例-积分-微分电路；
TEC驱动器：热电致冷驱动器；
PWM发生器：脉宽调制发生器。