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EDA/PLD中的基于中的基于FPGA的数字激光自动功率控制系统设计的数字激光自动功率控制系统设计

摘要：半导体激光器的自动功率控制是解决激光器阈值漂移的重要手段，本文设计了一个基于FPGA的数字激光

自动功率控制系统，该控制系统主要由光电检测、A/D转换、SOC控制、APC判定、PWM反馈输出及低通滤波

几个部分组成。该自动功率控制系统使用硬件资源少，根据不同的设计要求，通过增加PWM模块和简单的模拟

器件或者改变控制寄存器的设置，就可以实现多级激光功率和多个激光器的控制，可以大大缩短设计周期。　

　自从激光器在1960年发明以来，在激光通信中已经成为了不可或缺的关键设备，半导体激光器（LD）是用于

高速率光传输系统的有吸引力的光源，然而，遗憾的是LD的阈值随温度和寿命变化，且因器件的不同表现出

　　摘要：半导体激光器的自动功率控制是解决激光器阈值漂移的重要手段，本文设计了一个基于FPGA的数字激光自动功率

控制系统，该控制系统主要由光电检测、A/D转换、SOC控制、APC判定、PWM反馈输出及低通滤波几个部分组成。该自动

功率控制系统使用硬件资源少，根据不同的设计要求，通过增加PWM模块和简单的模拟器件或者改变控制寄存器的设置，就

可以实现多级激光功率和多个激光器的控制，可以大大缩短设计周期。

　　自从激光器在1960年发明以来，在激光通信中已经成为了不可或缺的关键设备，半导体激光器（LD）是用于高速率光传

输系统的有吸引力的光源，然而，遗憾的是LD的阈值随温度和寿命变化，且因器件的不同表现出现较大的差异。LD的阈值随

着温度的升高而明显增大。LD阈值的漂移，给使用带来很大的不便，如果采用固定的偏流，则必然引起输出光脉冲峰值功率

的浮动，而且，阈值的漂移破坏了已经设计好的工作点，从而引起有害光电延迟、张弛振荡等现象。在LD高速工作时，这种

现象的危害是不可忽视的。为了克服这些弊病，必须对输出功率进行控制，使LD的工作能够维持在正确的工作点上。

　　姚嘉陵等曾设计基于模拟电路的APC自动激光功率控制电路，通过反馈来自动调整预偏置电流来达到稳定LD输出功率的

控制。基本原理是一方面将LD背向输出的光功率经背向光探测器PD进行检测，然后经过放大器1进行放大，送到比较器的反

相输入端；另一方面，输入信号和从直流稳压电源中取出的直流参考电压经过放大器2放大后送入比较器的同相输入端，比较

器的输出作为反馈被送到LD的驱动端，调节偏流，达到稳定LD输出功率的目的。

　　模拟电路方法实现的优点是增益控制比较稳定，缺点是需要加入的器件较多，且随着使用时间的增加，模拟器件老化会影

响反馈控制的误差，另外，输出的激光功率固定不可变，不能实现多级功率的控制。

　　笔者提出一种基于FPGA的全数字激光器功率自动控制系统，不但可以大大简化电路结构，减少成本，同时消除由器件老

化带来误差，还可以方便的改变激光器的输出功率和实现激光器多级功率的控制。

　　　1 自动功率控制系统整体结构自动功率控制系统整体结构

　　基于FPGA的激光功率自动控制系统结构如图1所示其工作原理是：将半导体激光器LD背向输出的光功率经背向光探测器

PD进行检测后，转换成模拟电压信号，该模拟电压信号经过A/D转换芯片的采样和转换，转换成代表LD实际输出功率的数字

信号，该数字信号被送入FPGA芯片中的APC（自动功率控制模块）进行分类、比较和处理，最终输出调整后的激光器数字偏

流信号，数字偏流信号经过FPGA内部的PWM模块和外部的模拟低通滤波器转换成模拟信号，来驱动半导体激光器LD.SOC用

于设置多级激光器输出功率设置，APC的工作、停止等控制。

　　如图1所示，本文所设计的全数字激光器自动功率控制系统由A/D转换器、FPGA功能设计模块和模拟低通滤波器3个部分

组成。

　　如图2所示，本文中FPGA设计包括3个部分，SOC、APC和PWM。

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