基于FPGA技术的高速数字化半导体光源控制系统研究

论文摘要

基于半导体技术的激光和宽带光源器件具有体积小、电流驱动和控制简便等独特优点,目前已在光纤通信和传感领域得到广泛的应用。但半导体光源的输出功率受电流和温度波动影响较大,必须进行实时控制才能满足通信和传感应用的要求。本论文在详细研究半导体光源的驱动和控制方式的基础上,采用最新的现场可编程门阵列器件(Field Programmable Gate Array, FPGA)结合优化的数字控制算法,运用双路并行闭环控制,实现了一种高度集成化半导体光源控制系统。论文中首先在理论上详细研究了传统的比例积分微分(Proportion Integral Differention, PID)控制算法,推导了增量式PID控制算法和积分分离式PID控制算法。结合光源控制的要求,确定了适于半导体光源控制的数值算法,增加了硬件PID无法灵活处理的输出摆幅自动调整功能,大大提高了控制算法的可靠性及输出的稳定性。论文中提出了一种集成化的双闭环结构来控制半导体光源的温度和输出功率。以单片FPGA为核心同时监测光源的温度和功率的实时变化,通过硬件并行高速执行PID算法,自动调控光源的注入电流和制冷电流。两个闭环系统在同一个时钟驱动下,完成温度和功率的控制。根据控制结果整定出比例、积分和微分三个参数,实现了良好的温度和功率实时控制。通过对980nm半导体激光器泵浦的自发辐射光放大(Amplified Spontaneous Emission, ASE)宽带光源的测试结果表明,激光泵浦器件温度波动小于0.01℃,宽带光源输出功率短期稳定度为±0.35%,长期稳定度为±0.56%。实验结果表明,这种基于FPGA技术的高速数字化半导体光源控制系统真正实现了光源控制软件算法的硬件化和高速化。完全适用于现有半导体光源的自动控制,控制效果完全满足光纤通信和传感应用中的实际要求。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究的目的与意义
• 1.2 半导体光源的分类
• 1.3 半导体光源的应用
• 1.3.1 光纤通信领域
• 1.3.2 光纤传感领域
• 1.4 半导体光源控制系统的研究现状
• 1.5 本章小结
• 第2章 半导体光源及探测器件
• 2.1 半导体光源
• 2.1.1 半导体激光器
• 2.1.2 光放大器
• 2.2 探测器件
• 2.2.1 PIN 光电二极管
• 2.2.2 温度探测器件
• 2.3 本章小结
• 第3章 控制系统的设计方案
• 3.1 硬件选择
• 3.2 控制算法
• 3.3 参数整定
• 3.4 本章小结
• 第4章 控制软件和硬件电路的设计
• 4.1 控制系统结构框图
• 4.2 温度控制系统
• 4.3 功率控制系统
• 4.4 软件设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 实验结果及数据分析
• 5.1 实验数据分析
• 5.1.1 温度部分
• 5.1.2 功率部分
• 5.2 结果比对
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表论文