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用于光纤测量的1310nm1550nm半导体激光驱动电源

随着光纤通信的高速发展,1310nm/1550nm半导体激光器被广泛用于光纤测量、光无源器件检测等方面。而传统的1310nm/1550nm半导体激光驱动电源系统控制精度低,系统开机后需等待较长的时间后才能正常使用,在运行一定时间后系统输出功率会产生较大的偏移和波动。为此作者设计出一种高稳定度连续可调的激光电源系统,该系统具有快速稳定和长期输出稳定度,经过实验测试和工厂应用,达到很好的效果。
 
系统原理
半导体激光器是依靠载流子的注入而工作的,注入电流的稳定性对半导体激光器的功率输出有很大的影响。图1为本系统所选的1310nm半导体激光器的P-I曲线,半导体激光的阀值电流为9.98mA,当注入电流小于该电流时,激光器的增益小于谐振器的损耗,无法形成激光震荡;当注入电流大于阀值电流时产生了激光震荡,激光器发出激光。在外界条件一定的情况下,半导体激光器的输出光功率随着注入电流的增加,在一定范围内呈线性增加。当注入电流发生微小改变时,激光器输出功率也会相应的改变,因此,半导体激光器的驱动电源必须是一个恒流源,具有很高的电流稳定度和很小的纹波系数,否则激光器的工作状态就会受到影响[2]。在这里采用放大器加场效应管组成电流串联负反馈电路实现恒流控制。
 激光源驱动电路
硬件电路
该系统由驱动电源模块和主机模块组成,驱动电源模块包括恒流源驱动电路、恒温控制电路、激光源保护和软启动电路、控制器局域网络(controllerareanetwork,CAN)总线电路。主机模块由激光源选择和功率调节电路、液晶显示电路组成,实现人机交互,完成光源1310nm和1550nm的选择以及光功率的调节。其系统框图如图2所示。
 
激光源驱动电路
激光源驱动电路如图3所示,它包括恒流源驱动电路、软启动电路和激光源选择电路。
半导体激光二极管是一种结型器件,抗冲击能力很差。因此,必须保证激光器两端不能加上阶跃电压,因为这种上升沿很陡的阶跃电压,即使幅度很小,也会对激光器产生不良影响。软启动电路可以很好地解决这个问题,所谓软启动,就是电流源开机后,电流不是立即加到半导体激光器上,而是通过一定的时间,从0开始逐渐上升到目标值,这样就从根本上保证了半导体激光器不受电流源开启时而产生电冲击的影响。如图3所示,当soft_start_signal为低电平时,Q3,Q4打开,power_DAC的电压被拉低至0,激光不工作;当soft_start_signal为高电平时,Q3关闭,Q4随着C49放电而逐渐关闭,从而使power_DAC的电压从0逐渐上升到目标值,U4采用的是轨对轨放大器AD8630,能够输出0至电源电压,实现激光器的软启动过程。
激光源选择和保护电路由场效应管Q1和继电器K1组成,半导体激光二极管两端通过常闭继电器K1短路,即使未开机,也被保护免受静电的破坏。由于浪涌电流在电源接通和断开时大量出现,通过控制继电器就可以避开浪涌电流的冲击[9]。U4C起限流作用,防止电路出现异常电流过大烧坏激光。
 
恒温控制电路
恒温控制电路包括温度采集电路和制冷器驱动电路。
温度采集电路如图4所示,U3B为激光器内置的负温度系数(negativetemperaturecoefficient,NTC)热敏电阻,其具有体积小、稳定性好、灵敏度高、价格低廉等显著特点,虽然线性度很差,但是激光只要工作在温度稳定的条件就行,一般为室温下。
 恒温控制电路
CAN总线电路
为了实现激光功率连续可调,通过CAN总线进行通信。激光源中CAN控制器采用SJA1000,CAN收发器采用TJA1050T。主机采用Cortex-M3内核的STM32fF103CBT6,内部集成CAN控制器。该电路CAN总线两端必须接2个120Ω的终端匹配电阻,同时采用光电隔离器HCPL0600,忽略它们会使数据通信的抗干扰性和可靠性大大降低[10]。主机通过按键输入要调节的激光功率,然后转换为2个字节(12位)的数据,然后按1个字节报文标识符+1位激光波长选择位+2个字节数据位+1个字节校验位发送给CAN总线,下位机接收到CAN数据后就可以改变激光的打开和输出功率。
 
软件实现
该系统软件分为主机和驱动电源两部分,通过CAN总线相互通信。上电后,主机初始化以1310nm波长默认功率工作,然后通过外部中断来选择波长和功率的调节。驱动电源初始化后先检测环境的温度是否加热或者制冷,然后通过比例积分微分(proportion-integration-differentiation,PID)算法调节系统温度至室温,再通过CAN总线中断来判断激光源的打开和功率的调节,在运行过程中通过定时器中断实时环境检测并调节温度实现恒温控制,其流程图如图6所示。
 
实验数据
系统采用14脚双列直插式封装(dualin-linepackage,DIP)封装半导体激光器,内部集成热敏电阻、制冷器TEC用于恒温控制。本系统中,通过PID参量确定得kp=12,ki=0.03,kd=10,A=200,B=100,采样时间为0.4s,通过定时器中断采集热敏电阻的阻值,换算得到温度曲线如图7所示。从图中可知,系统温度的控制精度为±0.01°C,并很快就稳定到室温25°C,达到了设计要求。
 
结论
本系统使用精密模拟微控制器ADuC841对半导体激光器进行恒流控制,利用变速积分PID算法对系统温度进行调节,主机通过CAN总线实现激光源1310nm和1550nm的选择和功率的连续可调。通过实验数据表明,温度稳定性达±0.01°C,光源长期稳定度±0.018dB,保证了激光长时间稳定的光功率输出。因此,该系统可以广泛应用于光纤测量以及光无源器件检测等很多方面。
 
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