0 引言
SLD作為光纖陀螺系統的核心器件，其工作特性會影響整個系統的性能及可靠性，因此研究如何對SLD特性參數進行快速準確地測量以完成對器件性能的評價與篩選就具有重要的實際意義。現有的特性測試系統多由分立設備組成，并且體積較大造價昂貴，也不具備現場測試所需的便攜性，而且工作模式單一。
針對以上問題，本文提出了一種可實現便攜式的SLD測控系統設計方案，簡述了其總體設計，重點討論了系統實現中的關鍵技術，然后對實際系統進行了性能測試，分別測試了注入電流、光功率和溫度的穩定性，最后給出了對實際SLD器件的特性測試結果。

1 系統工作原理及設計方案
系統的總體設計如圖1所示。該系統主要以嵌入式微控制器C8051F060為控制核心，利用其內部集成的2個16位的ADC模塊、2個12位DAC模塊和1個8位的ADC模塊便構成了一個基本片上數據控制采集系統，這使得設計體積小、低功耗、高可靠性的便攜式SLD測控系統成為可能，同時也大大降低了成本。整個系統主要由驅動模塊、溫度控制模塊、參數檢測模塊和人機接口模塊組成。其中驅動模塊為器件提供3種驅動方式：恒電流驅動、恒功率驅動和LIV測試；溫度控制模塊通過調節熱電制冷器的電流大小和方向來保持器件工作溫度穩定；參數采集模塊檢測出器件的驅動電流、管壓降、光功率、溫度控制電壓等數據，并送至微控制器的ADC模塊進行預處理，由LCD實時顯示；同時，通過鍵盤可以設定系統的工作方式和參數大小，如為LIV測試則上述數據可通過串口與計算機通信實現遠程控制。

2 驅動模塊設計
驅動模塊主要由驅動電路、保護電路和前置放大電路3部分組成。該模塊可以提供3種工作方式即恒電流驅動方式、恒光功率驅動方式和LIV測試方式。
2．1 恒流驅動
恒流驅動是對SLD的注入電流進行穩恒控制的一種控制方式，實質上是一個采用電流串聯負反饋的壓控電流源。其原理圖如圖2所示。
由微控制器的DAC0設定一個無抖動的電壓，此電壓加在運算放大器的反向輸入端，由運算放大器和三極管構成V-I轉換器，由此獲得相應的輸出電流，輸出電流流經取樣電阻R獲得取樣電壓，該取樣電壓經過放大后反饋回運算放大器的正向輸入端，通過與設定電壓的比較，對輸出電流進行控制，從而形成閉環反饋的動態平衡，使輸出電流恒定。根據虛短-虛斷原則，輸出電流值為電壓設定值與取樣電阻阻值之比，即：
I=VDAC0／R (1)
2．2 恒光功率驅動
恒功率驅動是對SLD的輸出光功率進行穩恒控制的一種控制方式，圖3所示為恒功率驅動電路原理圖。通過一個內部集成的光電探測器(PD)來監測器件的輸出光功率，其分光比為5％，將抽樣光信號轉換成為電信號，通過前置放大電路將監測到的光電流信號進行放大。并將放大后的信號傳送至單片的16位ADC0模塊進行模／數轉換。轉換后的數字量與設定數字量進行比較，對偏差進行補償，調整加在恒流電路上的設定電壓值，從而調整SLD的注入電流。整個控制過程形成閉環動態平衡，從而使輸出光功率恒定。

2．3 LIV測試
LIV測試是在遠程控制時改變SLD注入電流I的同時測試SLD輸出的光功率L和SLD兩端的正向電壓V，采集到的數據以LIV特性識別曲線顯示，包括表示電抗特性的V-I曲線，表示光電轉化特性的L-I曲線。在LIV測試模式下，由遠程計算機設定測試參數后，由驅動模塊產生步進的驅動電流，參數檢測模塊將每個步進點的管壓降V，驅動電流I，光功率L自動記錄下來，并繪制LIV曲線。這些數據和曲線可用來分析SLD的特性，如外量子效率、閾值電流等。
2．4 保護電路
SLD屬于昂貴的半導體器件，其損壞大多是由于靜電和浪涌擊穿造成的。為了消除這些電沖擊對器件的損傷，延長器件的使用壽命，設計了靜電保護電路和限幅電路。

2．4．1 靜電保護電路
將一個接觸電阻很小的繼電器與SLD并聯在一起構成短路保護開關。在SLD不進行工作時開關閉合，這樣未開機時，SLD兩端的電極被短接，從而實現了防止靜電擊穿的功能。在實際應用中，除了常閉開關外，在SLD的兩個電極并聯一個二極管，防止器件由于極性接反而損壞；還在SLD的陽極和陰極之間并連一個電容，這個電容不但可以限制SLD兩端電壓突變，還可以濾除SLD驅動電流上的高頻干擾電流。
2．4．2 限幅電路
每個SLD都有安全工作電流范圍，如果電流超過此范圍，SLD將會損壞，因此必須將SLD的工作電壓限制在給定的范圍內。限幅電路的設計基于比較器原理。圖4所示為設計的限幅保護電路，主要由集成運放UA，儀表放大器UB和二極管D1組成。

工作時，輸入電壓UI作用于驅動電路，并將流過SLD的電流經過取樣電阻進行I-V轉換后由UB采樣得到取樣電阻的壓差Usample，由式(1)可知U1=Usample，將其與限幅電路的上限值進行比較。當輸入電壓UI值小于設定值USET時，UA輸出UO1>0，所以D1截止，UI直接作用在驅動電路上；當輸入電壓值UI于設定值USET時，UA輸出UO1<0，所以D1導通，輸入電壓UI被下拉至USET，從而實現了限幅保護的功能。

USET為保護電路的上限電壓值，限幅電路的電壓傳輸特性如圖5所示。

3 溫度控制模塊設計
環境溫度的變化會對SLD的工作穩定性產生影響，為了使SLD輸出功率穩定必須使其工作溫度恒定。溫度控制的核心器件采用ADN8830集成溫度控制器，該芯片體積小，噪聲低，可提供雙向溫控電流獨立驅動TEC，長時間控制精度可達士0．01℃，并且具有限流保護和溫度設定功能。溫度控制的執行機構為SLD內部集成的半導體致冷器又稱熱電制冷器(Thermo Electric Cooler，TEC)，溫度傳感器則是其內部集成的熱敏電阻(NTC)。溫度控制模塊原理如圖6所示。

由微控制器的DAC1產生溫度控制電壓連接至ADN8830的溫度設定端，可設定器件的工作溫度。通過向TEC提供雙向的驅動電流來控制TEC的加熱和制冷作用，當SLD管芯溫度變化時，NTC感測溫度的變化并將溫度的變化轉換為電信號，該信號經過反饋網絡返回ADN8830。ADN8830通過自身的內部補償網絡調整輸入TEC電漉的方向和大小，形成閉環控制過程，從而達到溫度的恒定。

4 參數檢測模塊設計
該模塊采用高精度的儀表放大器來實時測量SLD的管壓降、驅動電流、光功率和溫度控制電壓等。參數檢測模塊原理如圖7所示。

選用高精度儀表放大器AD620來提取相關參數，其放大倍數為G=1+(50 kΩ／RG)，輸出電壓Vo=(V+-V-)×G，一般將RG斷路，此時運放輸出電壓即為運放正向輸入端與反向輸入端的壓差。將AD620輸出的信號送至單片機的8路10位ADC2模塊進行模數轉換，進行數據計算和處理。
由于取樣電阻的阻值是固定的，所以將取樣電阻壓降與取樣電阻阻值求商即可得到驅動電流值。
熱敏電阻兩端的電壓為：

式中VE為熱敏電阻橋電路的供電電壓；VE=1．25 V，RT為熱敏電阻的阻值。由式(2)可知，NTC的壓降即可換算為熱敏電阻阻值。又已知1℃對應熱敏電阻500 Ω變化，從而采樣熱敏電阻壓降變化即可判斷溫度的變化。
在光功率探測部分已知分光器件的輸入分光比為5％，同時光功率與光電流呈線性光系，在前置放大電路將光電流信號放大轉換成光電壓信號，則光功率與光電壓呈線性關系。將光電壓值送至單片機的16位ADC0模塊進行模／數轉換，由此即可檢測輸出光功率的大小。
將測量所得的各項參數經過單片機處理后，可以通過液晶顯示器(LCD)實時顯示出來，方便用戶讀取實時的工作參數。也可以經過串口將測量數據發送至計算機進行存儲和進一步分析。

5 系統性能測試與分析
為評價該系統的性能，利用該系統對電子44所生產的SLD器件分別進行了2 h的恒流穩定性測試、恒功率穩定性測試、溫度控制穩定性測試和LIV測試。這里穩定度的定義為輸出量的變化量與輸出量的平均值之比，即，穩定度=(最大值-最小值)／平均值。
5．1 驅動電流穩定性測試
在室溫下，采用恒流模式連續測量2 h的驅動電流，每2 min采一個點，其中設定驅動電流為130 mA。測量數據如圖8所示。

由上圖可以得出，驅動電流最大值為130．71 mA，最小值為130．68 mA，平均值130．69 mA。計算其穩定度：穩定度=(130．71—130．68)／130．69=0．023％。
5．2 輸出功率穩定性測試
在室溫下，采用恒光功率模式連續測量2個小時輸出光功率，每2分鐘采一個點，設定輸出光功率為445μW。測量數據如圖9所示。

由上圖可以得出，輸出最大光功率為445．344μW，最小光功率為445.222μW，平均值為445．292μW。計算其穩定度：穩定度=(445．344 —445．222)／445．292=0．026％。
5．3 溫度控制穩定性測試
由于不能夠直接對SLD組件內部溫度進行測量，因此通過測量熱敏電阻兩端的電壓來間接的評定溫度控制穩定度。在室溫下進行了2 h測試，其中控制溫度設定在25℃。測量數據如圖10所示。

由上圖可以看出，NTC壓降最大值為740．5 mV，最小值為740．16 mV，變化量為0．34 mV。由式(1)可以算出熱敏電阻變化量為16Ω，根據熱敏電阻的阻值與溫度的關系可以計算出溫度最大變化為0．03℃。
5．4 LIV特性測試
利用該系統對該器件還進行了LIV特性測試，其中步進電流為5 mA，驅動范圍為0～130 mA，測量數據如圖11所示。
對L-I曲線進行擬合后可得光功率與驅動電流的關系為L=-250．040 57+5．453 51I，由此可計算出閾值電流為46 mA，外量子效率為η=
dP／dI=5．45μW／mA。

6 結論
基于嵌入式微控制器C8051F060設計了一種SLD數字測控系統，該系統集成程度高、體積小、操作簡單，在便攜式的同時還具有較高的性能。該系統不但可以為SLD器件提多功能的驅動，包括恒流驅動、恒功率驅動和恒溫度控制；同時還可以作為LIV測試系統對器件進行特性測試與表征。
測試結果表明，該系統具有很好的性能，其中恒流驅動和恒功率驅動長時間穩定性達到10-4量級，溫度控制偏差為0．03℃。同時該系統也適用于半導體激光器、LED等半導體光源的驅動與測量。