ПРОГРАММИРУЕМЫЙ МОДУЛЬ ПИТАНИЯ ЛАЗЕРНОГО ДИОДА ДЛЯ РАБОТЫ В ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ СВЧ СИГНАЛА

​АННОТАЦИЯ

В данной работе описывается разработка и тестирование програмируемого модуля питания лазерного диода с компенсацией температурного изменения оптической мощности.

ABSTRACT

This paper describes the development and testing of a programmable laser diode power supply module with compensation for temperature changes in optical power.

Ключевые слова: лазерное излучение, фотодиод, радиофотонный тракт, источник тока, ПИД-регулятор.

Keywords: laser radiation, photodiode, radiophoton channel, current source, PID controller.

В настоящее время активно развиваются технологии передачи информации на основе волоконно-оптических систем передачи (ВОСП).

Ключевым элементом любой ВОСП является оптический (чаще всего лазерный) источник излучения. От стабильности его характеристик зависит качество и эффективность ВОСП[1].

Лазерные модули, представленные на рынке в настоящее время, состоят не только из лазерного диода, но и фотодиода для контроля и поддержания оптической мощности[2]. Целью данной работы является тестирование разработанного программируемого источника питания, с двумя режимами работы: поддержание тока и поддержание оптической мощности, а также с возможностью мониторинга и управления параметрами с ПК.

Сохранение постоянной оптической мощности лазера невозможно, если температура устройства изменяется (рис. 1). Зависимость порогового тока генерации I_th лазера от температуры можно описать выражением [3]:

                                                             (1)

где I₀, K₁, T_i – постоянные для лазеров различных технологии. Например, для DFB лазеров: I₀ = 1.8мА, K₁= 3.85мА, T_i=40^oC.[3]

Рисунок 1. Зависимость оптической мощности от входного тока

При подаче постоянного тока выходная оптическая мощность лазера изменяется в процессе работы от изменения температуры кристалла. При нагреве лазерного DFB диода вследствие длительной работы, при изменении температуры с 25⁰С до 40⁰С оптическая мощность изменяется на 1 мВт, а с 25⁰С до 60⁰С на 5 мВт.

Для компенсации изменения выходной мощности от изменения температуры лазерные диоды оснащают фотодиодом, который контролирует выходную мощность в процессе работы. Выходной ток фотодиода практически не изменяется при изменении температуры, что позволяет использовать его в качестве обратной связи в контуре регулирования мощности.

Структурная схема разработанного модуля питания (рис. 2) включает в себя: управляемый источник тока для питания лазерного диода, схему измерения тока, схему защиты лазерного диода, усилитель сигнала с фотодиода, линейный регулятор напряжения (LDO) для питания микроконтроллера, порты последовательного интерфейса UART для управления модулем и микроконтроллер для управления узлами модуля.

Рисугнок 2. Структурная схема модуля

Разработанный модуль питания поддерживает работу в следующих режимах: режим стабилизации тока, потребляемого лазерным диодом, и режим стабилизации оптической мощности, с контролем по току фотодиода обратной связи. Реализованное программное обеспечение позволяет в реальном времени изменять режимы работы устройства, изменять ток и выходную мощность, а также производить мониторинг параметров модуля.

Для проведения тестирования модуля были использованы лазерные модули AVANEX A1915LMM, оснащенный лазерным диодом DFB 3SPGroup и встроенным элементом Пельте и терморезистором для измерения температуры, и модуль LDS-1550-DFB-2.5G-15/50, с внешним элементом Пельте. Дополнительно, был использован ТЕС-контроллер Thorlabs TTC001. Данный контроллер позволяет изменять температуру, используя модуль Пельте и терморезистор.

Рисунок 3. Схема проведения эксперимента

Результаты исследования изменения оптической мошности лазерных модулей(рис. 4, 5) при изменении температуры, демонстируют снижение выходной оптической мощности при повышении температуры лезерного модуля.

Рисунок 4. Зависимость выходной мощности от потребляемого тока модуля AVANEX A1915LMM, при различных температурах

Рисунок 5. Зависимость выходной мощности от температуры модуля LDS-1550-DFB-2.5G-15/50

Исследование зависимости тока фотодиода от оптической мощности модулей(рис. 6,7) показывают, что фотодиод, интегрированный в модуле AVANEX A1915LMM, демонстрирует нестабильность своих характеристик при изменении температуры, это связано с чувствительностью фотодиода к длине волны, которая меняется при изменении температуры лазерного диода. Фотодиод, интегрированный в модуль LDS-1550, отличается стабильностью своих характеристик при изменении температуры.

Рисунок 6. Зависимость тока фотодиода от оптической мощности модуля AVANEX A1915LMM, при различных температурах

Рисунок 7. Зависимость тока фотодиода от оптической мощности модуля LDS-1550-DFB-2.5G-15/50, при различных температурах

Использование разработанного модуля в режиме стабилизации мощности, с контролем по току фотодиода(рис. 8, 9), позволяют компенсировать падение оптической мощности во время работы модуля при росте температуры.

Рисунок 8. Зависимость оптической мощности модуля AVANEX A1915LMM, от температуры в режиме постоянного тока и постоянной мощности

Рисунок 9. Зависимость оптической мощности модуля LDS-1550-DFB-2.5G-15/50, от температуры в режиме постоянного тока и постоянной мощности

Таким образом, использование разработанного модуля питания с режимом стабилизации оптической мощности, позволяет снизить температурные изменения оптической мощности более чем в два раза для модуля AVANEX, и полностью стабилизировать оптическую мощность для модуля LDS-1550, что позволяет повысить стабильность работы оптической системы.

Список литературы:

1. B. Razavi, Design of Integrated Circuits for Optical Communications: McGraw Hill, 2003.
2. K. Lau and A. Yariv, "Ultra-high speed semiconductor lasers," Quantum Electronics, IEEE Journal of, vol. 21, pp. 121-138, 1985.
3. M. H.-F. F. C. Group, "Interfacing Maxim Laser Drivers with Laser Diodes," in Application Note: HFAN-2.0: Maxim Integrated Products, 2000.