一种多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源，包括高速逻辑器件FPGA构成的数字控制单元、高速数模转换单元DAC和高速运算电压放大电路，高速数模转换单元DAC输出端与高速运算电压放大电路输入端串联连接，组成数模转换放大电路，数字控制单元多个输出端一一与多路数模转换放大电路的输入端连接，多路数模转换放大电路的输出端一一与多个有源光电器件输入端连接；本实用新型同时克服一般电源的缺陷，具有输出电压范围宽、准确度高、切换速度快等特点，成为多电极可调谐激光器静态和动态测试的必备驱动源。
【专利说明】一种多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于电子电气【技术领域】，涉及一种多电极有源光电器件的电源，具体 涉及一种输出电压范围宽、准确度高、切换速度快的多路程控的有源光电器件电源。
【背景技术】
[0002] 随着高速全光网络的迅猛发展，可调谐半导体激光器作为新一代WDM系统以及全 光网络的关键光电子器件被赋予了更高的性能要求。取样光栅分布布拉格反射型（SG-DBR) 激光器作为一种新型的宽可调谐半导体激光器，具有波长调谐范围宽、调谐速度快、低成 本、输出功率大、稳定性好、便于与其它器件集成等优点，在WDM系统中有着广阔的应用前 旦 -5^ 〇
[0003] 请见图1，以四节SG-DBR激光器为例，器件由一个增益节、一个相位节和两个取样 光栅节组成，增益节与普通激光器增益区一样，用于提供激光增益；相位节用于激光器腔长 的调整，实现波长精细调谐；两个取样光栅节如同共同作用的调谐滤波器，用于实现波长选 择也就是所谓的粗调谐，因此该器件需要四路电源来驱动它的四个电极。SG-DBR激光器工 作时，它的四个电极分别串接一个精密限流电阻，再与程控电源相连，改变程控电源的输出 电压，即可改变激光器电极的驱动电流。在SG-DBR激光器的波长定标过程中，需要对前、后 光栅节和相位节的对应的驱动电压（或电流）进行扫描，定出ITU-T规定的各个通信波长 所对应的每节驱动电压（或电流）值；请见图2,是一个SG-DBR激光器的激射波长与其两 个取样光栅节控制电流的关系，在整个电流扫描过程中，要求扫描精度达到〇. 1mA，如果扫 描精度不够，会造成定标结果不准确；另外，在SG-DBR激光器的动态测试过程中，对各个调 谐节电流切换的速度和各路切换的同步精度要求也很高（ns级）；除此之外，还要满足各节 电流的调节范围要求。
[0004] 普通电源电路一般不能同时达到上述要求，因此需要特殊的设计方案。 实用新型内容
[0005] 为了解决上述的技术问题，本实用新型提供了一种用于驱动有源光电器件、特别 是多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源。
[0006] 本实用新型所采用的技术方案是：一种多电极有源光电器件的高速宽范围高精度 程控电源，其特征在于：包括高速逻辑器件FPGA构成的数字控制单元、高速数模转换单元 DAC和高速运算电压放大电路，所述的高速数模转换单元DAC输出端与高速运算电压放大 电路输入端串联连接，组成数模转换放大电路，所述的数字控制单元多个输出端一一与多 路数模转换放大电路的输入端连接，所述的多路数模转换放大电路的输出端一一与多个有 源光电器件输入端连接；所述的数字控制单元控制程控电源输出电压值的大小，高速数模 转换单元DAC将数字控制单元发出的数字信号转换为高精度模拟电压信号，高速运算电压 放大电路将数模转换单元输出的电压信号放大并提升其电流驱动能力，从而为有源光电器 件提供电力。
[0007] 作为优选，所述的程控电源还包括TEC控制电路，所述的TEC控制电路与有源光电 器件内部制冷器相连，实现对该有源光电器件管芯温度的控制。
[0008] 作为优选，所述的TEC控制电路最大可提供3A的制冷电流。
[0009] 作为优选，所述的高速数模转换单元DAC的分辨率为14位，输出电压范围为 ±0. 5V。
[0010] 作为优选，所述的高速运算放大电路输出电压范围为±2. 4V。
[0011] 作为优选，所述的高速运算放大电路中的电压放大器均有最大电流限制功能，电 流限制设定范围为5?200mA。
[0012] 作为优选，所述的高速运算放大电路中的电压放大器最大电流根据所选的放大器 型号不同，电流输出范围为〇?200mA。
[0013] 作为优选，所述的高速逻辑器件FPGA中设置有SE2PR0M存储器，用于保存用户的 控制参数，其容量范围为1?1000KB。
[0014] 作为优选，所述的高速逻辑器件FPGA中集成有DSP资源，用于根据上位机指令快 速计算出各高速数模转换单元DAC要输出的电压值。
[0015] 作为优选，所述的高速运算电压放大电路包括高速运算放大器、电阻R1、电阻R2、 电阻R3、电阻R4、电容C1和电容C2,输入电压连接高速运算放大器同相输入端，同时高速运 算放大器同相输入端通过连接到地，电阻R4高速运算放大器反相输入端通过电阻R1连接 到地，同时，高速运算放大器反相输入端通过并联连接的电阻R2和电容C1跨接到高速运算 放大器输出端，高速运算放大器输出端通过电容C2与地相连，同时通过电阻R3连接被控光 电器件的输入端。
[0016] 作为优选，所述的TEC控制电路包括电压基准源、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻 R8、电阻Rx、运算放大器U1A、运算放大器U1B、TEC控制模块U2和SG - DBR激光器U3 ;电压 基准源的输出端通过串联连接的电阻R5和R6设定运算放大器U1A的同相输入电压，运算 放大器U1A的反相输入端与输出端短接构成电压跟随器，其输出端与TEC控制模块U2的2 脚相连，电压基准源的输出端通过串联连接的电阻R7和R8设定运算放大器U1B的同相输 入电压，运算放大器U1B的反相输入端与其输出端短接构成电压跟随器，其输出端与TEC控 制模块U2的3脚相连，TEC控制模块U2的7脚通过电阻Rx连接到地，TEC控制模块U2的 12脚、13脚分别与U3的1脚、14脚相连。TEC控制模块U2的11脚与SG - DBR激光器U3 的11脚相连。
[0017] 作为优选，所述的程控电源还包括电压监控单元，所述的电压监控单元一端与所 述的数字控制单元连接、另一端与所述的高速运算电压放大电路输出端连接。
[0018] 本实用新型目提供的一种用于驱动有源光电器件，特别是多电极有源器件的程控 电源，并且针对激光器和半导体光放大器TEC的要求，提供一种TEC控制电路。同时克服一 般电源的缺陷，具有输出电压范围宽、准确度高、切换速度快等特点，成为多电极可调谐激 光器静态和动态测试的必备驱动源。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1 :是本实用新型现有技术的四节SG-DBR激光器的示意图。
[0020] 图2 :是本实用新型现有技术的四节SG-DBR激光器的激射波长与其两个取样光栅 节控制电流的关系。
[0021] 图3 :本实用新型实施例的程控电源原理图。
[0022] 图4 :本实用新型实施例的高速运算电压放大电路原理图。
[0023] 图5 :本实用新型实施例的TEC控制电路框图。
[0024] 图6 :本实用新型实施例的四节SG-DBR激光器静态测试框图。
[0025] 图7 :本实用新型实施例的四节SG-DBR激光器动态测试框图。
【具体实施方式】
[0026] 为了便于本领域普通技术人员理解和实施本实用新型，下面结合附图及实施例对 本实用新型作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本 实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0027] 请见图3,本实用新型所采用的技术方案是：一种多电极有源光电器件的高速宽 范围高精度程控电源，其特征在于：包括高速逻辑器件FPGA构成的数字控制单元、高速数 模转换单元DAC、高速运算电压放大电路、TEC控制电路和电压监控单元，高速数模转换单 元DAC输出端与高速运算电压放大电路输入端串联连接，组成数模转换放大电路，数字控 制单元多个输出端一一与多路数模转换放大电路的输入端连接，多路数模转换放大电路的 输出端 与多个有源光电器件输入端连接；数字控制单兀控制程控电源输出电压值的大 小，高速数模转换单元DAC将数字控制单元发出的数字信号转换为高精度模拟电压信号， 高速运算电压放大电路将数模转换单元输出的电压信号放大并提升其电流驱动能力，从而 为有源光电器件提供电力；高速逻辑器件FPGA中设置有SE2PR0M存储器，用于保存用户的 控制参数，其容量范围为1?1000KB，高速逻辑器件FPGA中集成有DSP资源，用于根据上位 机诸如激光器波长类指令快速计算出各高速数模转换单元DAC要输出的电压值；高速逻辑 器件FPGA构成的数字控制单元可同时向10个数模转换单元发出数据，数据更新速率可达 210MPS ;FPGA内部程序可控制其按照用户的要求改变其各路数据，也可以通过通信接口与 上位机进行通信，将用户所需要的数据发给上位机；上位机也可发命令给FPGA，让其执行 相应操作；程控电源上电时各路输出可以根据需要锁定在〇电压值，以保护负载不受冲击； 该程控电源的软件部分包括FPGA程序、上位机PC控制界面两个部分，各部分程序根据所驱 动器件及应用场合的不同分别完成不同的功能；TEC控制电路与有源光电器件内部制冷器 相连，实现对该有源光电器件管芯温度的控制。该TEC控制电路通过从该有源光电器件内 部设置的诸如热敏电阻类温度传感器上采得电压信息，以此获得该有源光电器件的管芯温 度信息，从而设置相应的制冷电流到该有源光电器件内部的制冷器，使得该有源光电器件 管芯温度回到目标工作温度；TEC控制电路最大可提供3A的制冷电流；电压监控单元一端 与所述的数字控制单元连接、另一端与所述的高速运算电压放大电路输出端连接，用于程 控电源的电压监控，一旦发现高速运算电压放大电路输出过压，就会自动切断电源，从而保 护诸如激光器类有源光电器件不会损坏。
[0028] 本实施例的高速数模转换单元DAC的分辨率为14位，输出电压范围为±0.5V; DAC可根据激光器的控制需要同步或异步地改变输出电压值；高速运算放大电路输出电压 范围为±2. 4V ;高速运算放大电路中的电压放大器均有最大电流限制功能，电流限制设定 范围为5?200mA ;高速运算放大电路中的电压放大器最大电流根据所选的放大器型号不 同，电流输出范围为0?200mA。
[0029] 请见图4,本实施例的高速运算电压放大电路包括高速运算放大器、电阻R1、电阻 R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和电容C2,输入电压连接高速运算放大器同相输入端，同时高 速运算放大器同相输入端通过连接到地，电阻R4高速运算放大器反相输入端通过电阻R1 连接到地，同时，高速运算放大器反相输入端通过并联连接的电阻R2和电容C1跨接到高速 运算放大器输出端，高速运算放大器输出端通过电容C2与地相连，同时通过电阻R3连接被 控光电器件的输入端。
[0030] 请见图5,本实施例的TEC控制电路包括电压基准源、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电 阻R8、电阻Rx、运算放大器U1A、运算放大器U1B、TEC控制模块U2和SG - DBR激光器U3 ;电 压基准源的输出端通过串联连接的电阻R5和R6设定运算放大器U1A的同相输入电压，运 算放大器U1A的反相输入端与输出端短接构成电压跟随器，其输出端与TEC控制模块U2的 2脚相连，电压基准源的输出端通过串联连接的电阻R7和R8设定运算放大器U1B的同相 输入电压，运算放大器U1B的反相输入端与其输出端短接构成电压跟随器，其输出端与TEC 控制模块U2的3脚相连，TEC控制模块U2的7脚通过电阻Rx连接到地，TEC控制模块U2 的12脚、13脚分别与U3的1脚、14脚相连。TEC控制模块U2的11脚与SG - DBR激光器 U3的11脚相连。相关功能的实现如下：通过电阻R5?R8设置SG - DBR激光器中TEC所 能承受的最大正向电压和最大反向电压，通过调节电阻Rx阻值设定SG - DBR激光器U3的 工作温度，TEC控制器模块U2可为SG - DBR激光器U3内部TEC提供3A的最大制冷电流。
[0031] 以下针对四节SG-DBR激光器的测试要求，本实施例对本实用新型的程控电源电 路进行详细说明。
[0032] 为了满足被控器件0. 1mA的电流调节精度，需要数模转换单元的分辨率和高速运 算电压放大电路的负载能力同时满足要求。本实施例选用14位数模转换单元DAC，所选驱 动高速运算电压放大电路的最大电流驱动能力为175mA，对于该电流所能达到的理想电流 调节精度为 175mA/213 = (λ 02mA。
[0033] 为了满足电流切换速度的要求，本实施例选用高速逻辑器件FPGA作为数据源，同 时选用高速数模转换单元，使得电流切换速度达到5ns量级，并且满足各路电源同时切换 的要求。
[0034] 由于四节SG-DBR激光器的测试只需要用到四路程控电源来驱动，因此本实施例 在上述多路电源的方案中只输出了 4路同步的电极驱动电压，通过限流电阻转换为4路同 步驱动电流。其中，相位节的驱动电流的范围要求〇?15mA，两个光栅节的驱动电流范围要 求0?30mA，而有源节的驱动电流一般工作在稳定的值，而其范围一般在100mA左右，因此 将其驱动范围控制在90?120mA，针对这些要求，本实施例分别对这四路电流的范围进行 了设定，这主要是通过调节图4所示功率放大电路输出端串接的精密限流电阻R3的阻值以 及FPGA的软件设定完成的。
[0035] 所选数模转换单元输出电流IDAC范围为0?2. 4mA，经过电阻R4转变成功率运算 放大器的同向输入电压Vin
[0036] Vin= IdaxXR4
[0037] 经该运算放大器放大后，得到运算放大器的输出电压VTOT为
[0038]
【权利要求】
1. 一种多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源，其特征在于：包括高速逻 辑器件FPGA构成的数字控制单元、高速数模转换单元DAC和高速运算电压放大电路，所述 的高速数模转换单元DAC输出端与高速运算电压放大电路输入端串联连接，组成数模转换 放大电路，所述的数字控制单元多个输出端一一与多路数模转换放大电路的输入端连接， 所述的多路数模转换放大电路的输出端一一与多个有源光电器件输入端连接；所述的数字 控制单元控制程控电源输出电压值的大小，高速数模转换单元DAC将数字控制单元发出的 数字信号转换为高精度模拟电压信号，高速运算电压放大电路将数模转换单元输出的电压 信号放大并提升其电流驱动能力，从而为有源光电器件提供电力。
2. 根据权利要求1所述的多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源，其特征 在于：所述的程控电源还包括TEC控制电路，所述的TEC控制电路与有源光电器件内部制冷 器相连，实现对该有源光电器件管芯温度的控制。
3. 根据权利要求2所述的多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源，其特征 在于：所述的TEC控制电路最大可提供3A的制冷电流。
4. 根据权利要求1所述的多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源，其特征 在于：所述的高速数模转换单元DAC的分辨率为14位，输出电压范围为±0. 5V。
5. 根据权利要求1所述的多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源，其特征 在于：所述的高速运算放大电路输出电压范围为±2. 4V。
6. 根据权利要求1所述的多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源，其特征 在于：所述的高速运算放大电路中的电压放大器均有最大电流限制功能，电流限制设定范 围为5?200mA。
7. 根据权利要求1或6所述的多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源， 其特征在于：所述的高速运算放大电路中的电压放大器最大电流根据所选的放大器型号不 同，电流输出范围为〇~200mA。
8. 根据权利要求1所述的多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源，其特征 在于：所述的高速逻辑器件FPGA中设置有SE2PROM存储器，用于保存用户的控制参数，其容 量范围为1?1000KB。
9. 根据权利要求1所述的多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源，其特征 在于：所述的高速逻辑器件FPGA中集成有DSP资源，用于根据上位机指令快速计算出各高 速数模转换单元DAC要输出的电压值。
10. 根据权利要求1所述的多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源，其特 征在于：所述的高速运算电压放大电路包括高速运算放大器、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电 阻R4、电容C1和电容C2,输入电压连接高速运算放大器同相输入端，同时高速运算放大器 同相输入端通过连接到地，电阻R4高速运算放大器反相输入端通过电阻R1连接到地，同 时，高速运算放大器反相输入端通过并联连接的电阻R2和电容C1跨接到高速运算放大器 输出端，高速运算放大器输出端通过电容C2与地相连，同时通过电阻R3连接被控光电器件 的输入端。
11. 根据权利要求2所述的多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源，其特 征在于：所述的TEC控制电路包括电压基准源、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻Rx、 运算放大器U1A、运算放大器U1B、TEC控制模块U2和SG - DBR激光器U3 ;电压基准源的输 出端通过串联连接的电阻R5和R6设定运算放大器U1A的同相输入电压，运算放大器U1A 的反相输入端与输出端短接构成电压跟随器，其输出端与TEC控制模块U2的2脚相连，电 压基准源的输出端通过串联连接的电阻R7和R8设定运算放大器U1B的同相输入电压，运 算放大器U1B的反相输入端与其输出端短接构成电压跟随器，其输出端与TEC控制模块U2 的3脚相连，TEC控制模块U2的7脚通过电阻Rx连接到地，TEC控制模块U2的12脚、13 脚分别与U3的1脚、14脚相连；TEC控制模块U2的11脚与SG - DBR激光器U3的11脚相 连。
12.根据权利要求1所述的多电极有源光电器件的高速宽范围高精度程控电源，其特 征在于：所述的程控电源还包括电压监控单元，所述的电压监控单元一端与所述的数字控 制单元连接、另一端与所述的高速运算电压放大电路输出端连接。
【文档编号】G05F1/46GK203838586SQ201420241043
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年5月9日 优先权日:2014年5月9日
【发明者】吕辉, 吴裕斌, 余永林, 盛飞, 黄楚云 申请人:湖北工业大学