stm32与可调谐激光器模块

1万 · 2019-10-21 10:52

1970年美国康宁公司研制出第一根商用光纤，光电子通讯技术应运而生，时至今日
该技术己发展了近半个世纪。现今社会的信息化与智能化在高速前进，光纤通讯能够避
免电缆通讯系统具有的电磁干扰、体积大、重量重等问题，因此光电子通讯技术不仅被
应用在互联网与无线通讯方面，在军事国防、航空航天等领域也具有广泛的应用前景，
光纤通讯技术凭借着高带宽、低损耗等特点己经逐步成为了全世界通讯网络的主要传输
方式。随着科技的不断发展，人们对于光纤通讯带宽容量的需求不断提高，为应对这一
问题，该领域己逐步发展出了波分复用(WDM)、时分复用(TDM、空分复用(SDM
等多种技术，其中波分复用技术是光纤通讯中的一种传输技术，通过一根光纤可以对多
种波长的激光进行组合传输，一根光纤可被看作为多条“虚拟“光纤，每条”虚拟“光
纤都独立地传输着数据，随着单根光纤中信道数的成倍增加，光纤通讯网络的数据容量
与传输速度都可以得到极大的提高。密集波分复用(DWDM)是指WDM系统技术中
信道间隔较小的技术，通常在1530^-1565nm的波段中信道的波长间隔为0.4}2nm，最
多可以在一个光纤上承载8一80个波长，能够使得光纤的带宽资源得到充分利用，因此
DWDM成为了解决当前问题的最佳方式[f1}21

1万 · 2019-10-21 10:53

早期DWDM系统多用于8/16/32个波长，通道间隔为100GHz，工作波长位于C波
段。随着DWDM系统的逐步提高，通信波长可将C波段与L波段进行完全覆盖，单模
光纤内信道数呈倍数增长。到2010年底，国内运营商己经完成了1 OOGb/s技术实验室
规模测试验证。2014年丹麦科技大学一研究团队宣称以实现实现了单模光纤43Tbps的
传输速率。
通讯网络包含了传输和节点两部分，并不是单一的光路信号传递，现今的动态光网
络除了具备数据传输功能外，还拥有路由处理、交换等功能，使得光网络更具简便性与
扩展性[[3,4]。然而在当下的光通讯网络与DWDM技术应用中，进行光交换处理时需要通
过几十个固定的单波长激光器模块对几十个信道的波长进行单一备份，这种做法将给系
统的管理增加难度，与此同时，单独封装这些激光器模块不仅会导致高昂的成本开销，
还会大大降低激光器的综合利用率。因此当前通讯带宽的技术难题也并没有由于单模光
纤可传输速率的提高而得到妥善解决，光纤的传输容量也没有得到有效的利用。
光电子通讯技术的提高在很大程度上依赖于发射光源的利用，光源模块作为光发射
机而位于光纤通讯系统的最前端，决定了通讯系统性能的优劣，在系统中光源模块首次
将电流转化为光信号，在此过程中通过软硬件电路与激光器结合，以实现可调谐激光器
的控制驱动，为光源器件提供实际使用基础，直接影响了光源输出的激光性能。制作具
有高性价比、性能优良的波长可调谐光源模块是降低光通讯网络运营成本的关键，也是
近年来研究的热点。

1万 · 2019-10-21 10:55

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1万 · 2019-10-21 10:56

外腔式可调谐半导体激光器(ECTL)。该种激光器通常以微机电系统(1V}MS
改变外腔衍射光栅角度来实现波长调谐功能，不同的衍射角度能够得到不同波长的激
射，衍射光栅角度的改变将导致激光器输出波长随之改变。图1-3所示为S antur公司2002
年研制的可调谐激光器，利用腔外的双轴1V}MS倾斜镜旋转将DFB激光器阵列的激光
祸合至光纤，配合温度的改变实现波长的精确调谐。该种结构由于存在外腔结构，有着
相对较长的有源区，可以具有输出功率大与线宽窄的特点。但是该类激光器包含了外腔
部分与微机电系统，不仅导致了成本的上升，还导致了激光器的庞大的体积，难以实现
单片集成，机械结构与外腔光路增加了其内部结构的复杂性，输出波长的精度差，调谐
速率的控制难度大，在调谐过程中很难保障其稳定性，因此在商品化量产与光通讯系统
的实际应用中存在难度

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TEC通过半导体材料的帕尔贴效应实现温度控制。利用两种半导体材料组成热电
偶，当有电流流过热电偶时，热量会从一段传输到另一端，出现一端放热，另一端吸热
的现象，这种现象被称为帕尔贴效应。当对利用该原理所制造的TEC通入电流时，TEC
的一面会产生热量，另一端会吸收热量，通入电流相反时，效果亦相反。该种方式可实
现激光器温度的控制，具有体积小、易调控、低损耗等优点

1万 · 2019-10-21 10:59

在泵浦强光的激励下，EDFA可以将1550nm波长的信号激光进行光学放大，最终
得到大功率的信号光输出。

1万 · 2019-10-21 11:02

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1万 · 2019-10-21 11:03

该光源系统的微控制处理器S TM32F 103 VET6通过RS-232串口通讯的方式实现上
位机指令接收和信息反馈，根据指令要求设置外部电路驱动激光器阵列与泵浦激光器。
S TM32F 103 VET6以SPI通讯的方式驱动外部电流型DAC芯片Max5110实现激光器阵
列的多通道电流驱动。由于泵浦激光器所需驱动电流相对较大，故采用三极管放大方式
实现恒流驱动，该驱动电流由S TM32F 103 VET6自身的DA通道设定。通过TEC驱动
芯片Max8521实现激光器阵列与泵浦激光器的温度调控，激光器阵列的工作温度由
S TM32F 103 VET6自身DAC通道设定，由于泵浦激光器工作温度无需调节，故设定为
J恒定温度25 0C，热敏电阻作为温度反馈器件，通过STM32自身ADC通道进行采集。
光电探测器对EDFA所输出的激光通过分光器进行反馈采集，反馈量与实际输出量成线
性关系，根据采集量对泵浦激光器的驱动电流进行PID控制，以实现光源模块输出的高
度恒定。系统电路外接了OLED显示模块，用于信息的直观显示。

1万 · 2019-10-21 11:03

1万 · 2019-10-21 11:04

S TM32F 103 VET6丰富的IO端口与强大的片内资源为本文的模块设计提供了便利，
本文设计中外部高频晶振选择频率为8MHz，采用串行单线调试(S WD)模式，以更少
的引脚接口与更高的可靠性完成程序调试与下载，串口被用来与上位机软件通讯，接受
上位机命令与反馈光源模块信息。SPI接口PB13, PB14, PB15用于驱动Max5110芯片，
选取了PB12, PDB, PD9, PD10, PD11, PD12作为多个SPI通讯对象的片选引脚。DAC
通道PAS与PA4分别用于设定泵浦激光器的驱动电流与REC激光器阵列的工作温度，
选取ADC端口PAO, PA1, PA2, PA3与PA6用于采集光源模块输出的分光功率、激光
器阵列的工作温度以及泵浦激光器驱动电流等参数。选取IO端口PEO与PB9推挽输出
高电平或低电平至温控芯片使能端，使得TEC温度控制电路开启或关闭。

1万 · 2019-10-21 11:05

1万 · 2019-10-21 11:06

本文采用ADM3202芯片作为电平转换芯片，该芯片具有极低的功耗与较高的转换
效率，是一种双通道的高速RS232接口器件，其最高数据速率为230 kbps。在该芯片的
经典应用电路中，引脚TIN与ROUT分别连接S TM32F 103 VET6所发出与接收的串行
数据，引脚TOUT与RIN分别连接RS-232标准电平的串口设备。通过C3, C4, C5,
C6四个外部电荷泵电容(C0.1 wF)作为倍压器与反相器，配合芯片内部的电压倍增与电
压转换电路实现RS-232电平与TTL电平之间的转换，因此利用模块电路系统中的3.3V
单电源对其供电即可工作。