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高精度半导体激光器驱动电源

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[1-3],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[4],但其 光功率和波长易受环境温度和自身驱动电流的影响[5]。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. 2 nm/°C ~0. 4nm/°C[5-6]。
目前,电流驱动电路多采用金属氧化物半导体场效应晶体管(metaloxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)为电流控制器 件,过流保护电路复杂[7],温度 控 制 多 采用比 例-积 分-微 分 控 制 器(proportional-integral-deriva-tive,PID)实 现[8-9]。中南 大 学 的XIAO[10]等人 利 用PID算法对激光器温度进行了系统设计,使得控制精度在± 0. 05°C。CONG[11]等人 利 用 功 率MOSFET设计了恒流驱动电路和相应的电流过载电路。已有的方案[12]主要是对温度或电流的单一控制,电流和温度控制精度还有较大提升空间,且电路结构和温度控制算法较为复杂。
本文中设计了一种深度负反馈积分电路并结合限流电路实现对电流的精密控制,同时采用集成温度控制芯片MAX1978[13],通过设定参考温度电压值,实现对激光器工作温度高精度的控制,基本消除了温度、电流波动对出光功率、波长的影响。
 
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(negative tempera-ture coefficient,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](thermoelectric cooler,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。
 高精度半导体激光器驱动电源
驱动电流和温度在个人计算机(personal comput-er,PC)上位机软件面板中设定,控制命令和数据通过串口传至STC12单片机中,STC12单片机控制数模转换器,使得数模转换器输出不同的控制电压,数模转换器的A和B输出口分别为积分电路提供驱动电压和MAX1978提供设定温度参考电压,并结合限流电路和差分放大电路,达到控制电流和温度的作用。
 
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