高精度半导体激光器驱动电源及温控电路设计

布里渊分布式光纤传感因能同时远距离传感温度和应变，被广泛应用在天然气和石油管道、远距离电力传输线路检测、矿井安全和边境安全监控等领域，具有广阔的发展空间。光源功率和波长的稳定性对布里渊分布式光纤传感系统影响很大，故对半导体激光器的输出光功率、波长提出了较高的要求。半导体激光器具有体积小、效率高、可靠性强、易于调制等特点，被广泛地应用在光通讯、光传感检测领域，但其光功率和波长易受环境温度和自身驱动电流的影响。温度升高，激光器的阈值电流将会增大，自由载流子的吸收损耗增加，输出光功率变小;电流引起的波长漂移系数达0．02nm/mA，温度引起的红移现象使得波长漂移系数达0．2nm/°C～0．4nm/°C。
 
总体方案设计
如图1所示，电路主要包括恒流驱动电路和温度控制电路。电流驱动电路主要包括了数模转换器、负反馈积分电路、限流电路和高精度采样电阻。温度控制电路主要包括MAX1978温度控制电路，该电路根据激光器内置的负温度系数热敏电阻(negativetempera-turecoefficient，NTC)的反馈电压和设定温度对应的参考电压值比较，自动控制流过内置半导体热电制冷片［14-15］(thermoelectriccooler，TEC)电流的大小和方向，实现TEC制冷和制热，自动调节激光器的工作温度。 电路设计
激光器恒流电路设计
如图2所示，激光器的恒流控制电路主要由精密采样电路S、反馈电路U1、积分电路U2、限流电路U3组成。为了更加直观地设定激光器的电流值，在PC上设定驱动电流值，通过串口把数据传至单片机中。利用数模转换器将把恒流电路中电流对应的恒定电压信号转换成模拟电压输出，数模转换器选用Microchop公司生产的12位双通道缓冲电压输出数模转换器MCP4922，由精密基准电压源为通道1提供2．5V的参考电压。 实验结果及数据分析
激光器驱动电流实验结果及分析
电流值由上位机软件直接设定，电流值转换为数模控制器的输出电压，由(2)式可知，电流驱动电压和设定电流之间具有良好的线性关系。试验中，用ＲX70系列的2Ω精密电阻来代替激光器作为取样电阻测量电流，该电阻精度为0．01%，功率为0．125W，温漂为5×10－6/°C。根据激光器的伏安特性，要求电流在0mA～100mA，根据(2)式可知，设定电压在0mV～2000mV。测试中，电流驱动电压的步进为100mV，电压表选用普源公司生产的六位半数字电压表DM3068，通过测量取样电阻两端电压确定电流值。实验数据如表1所示。
 
激光器温度控制性能分析
为了验证温度控制电路的控温效果。在环境温度为20．5°C、设定电流值为80mA情况下，温度设定以1°C步进增加，测量范围为20°C～30°C。相关数据如表4所示。 温度控制对光波长稳定性分析
为了验证激光器输出光波长的稳定性，温度设定在25°C时，每3min读取光谱仪数据，所用的光谱仪为横河公司生产的AQ6370，波长分辨率为0．02nm，功率测量范围为+20dBm～－90dBm，连续测量光波长1h。稳定性数据曲线如图6所示。
 
激光器输出光功率稳定性能分析
实验结果表明，光功率的最大漂移量为0．05dBm(0．0014mW)，稳定度达到0．5%。前15min，温控还没有达到稳定，光功率呈现下降的趋势，之后达到稳定，这也充分说明了温度对光功率的影响。开机0．5h后，测量光功率，稳定性能达到0．2%以上。
 
结论
利用负反馈积分电路和MAX1978实现了对激光器的恒流驱动和温度控制，相比于其它电路，该电路整体结构简单、易于实现且精度较高。经测试，本方案实现了对电流和温度的精度控制，电流相对误差为0．06%，温度控制最大误差为0．03°C，光功率的稳定度达到0．2%以上，而国内半导体激光器的稳定性普遍在1%～0．1%，同时也优于其它方法的温控效果，如参考文献［13］，可用于需稳定性较高的测量系统，此DFB激光器光功率、光波长能长期保持稳定，完全满足布里渊分布式光纤传感应用的需求。目前，该激光源已在布里渊分布式光纤传感上得到应用。