STM32的窄线宽半导体激光器驱动电路设计_丁少轩.pdf

敬请登录网站在线投稿（）年第期 的窄线宽半导体激光器驱动电路设计丁少轩，刘文耀，潘梓文，刘昊东，陶煜，唐军，刘俊，（中北大学 量子传感与精密测量山西省重点实验室，太原 ；中北大学 动态测试技术国家重点实验室）基金项目：国家自然科学基金（，）。摘要：设计了一种高稳定性的激光器驱动电路。激光器驱动电路硬件主要包括温控模块、恒流驱动模块以及电流调谐模块，电路设计采用 微处理器作为主控芯片，作为温度控制器件，结合 控制方案实现温度控制，设计恒流驱动电路以及电流调谐电路实现半导体激光器的稳定输出。经过测试，功率稳定度为，波长稳定度为 ，电路具有可调谐、体积小、效率高、驱动能力强等优点，能够实现激光器的稳定控制。关键词：半导体激光器；恒流驱动；中图分类号：文献标识码：，（，；，）：，：；引言以谐振式光学陀螺为代表的谐振式光学传感器具有灵敏度高、寿命长、功耗低的特点，可广泛应用于各类传感系统中。激光器作为谐振式光学传感器的光源，其主要作用是在谐振腔中产生谐振现象，作为谐振式光学传感器的核心器件，窄线宽可调谐振激光器对其性能影响至关重要。为了保证激光器的高稳定性，抑制驱动电路噪声对传感系统的影响，对面向谐振式光学传感器的激光器驱动电路的研究与设计具有重要意义。目前，国内外诸多公司、高校对激光器驱动展开了研究，国外所生产的驱动电源不仅价格昂贵，而且尺寸较大，使用要求较高，极大限制了半导体激光器的应用，对于谐振式光学传感器而言，驱动电源的设计不利于其小型化以及集成化，国内相关机构起步较晚，与国外的半导体激光器驱动技术相比，在精度以及稳定性方面都存在一定差距。激光器输出光功率会受到温度以及驱动电流的影响，为此本文主要从降低工作温度和驱动电流的变化展开电路设计，以减小电路中噪声对激光器的影响。本文选用具有高性能、低成本、低功耗等众多优点的 作为 ，利用高精度、低噪声的数字模拟转换器对激光器内部的工作温度和驱动电流等参数进行实时控制，设计了一种面向谐振式光学传感器的具有小尺寸、高精度、高稳定性的窄线宽驱动电路。激光器原理分析与电路设计 原理分析通过对激光器特性进行分析从而展开电路设计。半导体材料对温度十分敏感，以半导体材料为工作介质的半导体激光器对温度也十分敏感，若温度发生变化，半导体激光器的阈值特性、波长、功率等都会受到影响。年第期 在一定温度范围内，阈值电流与温度的关系如下：（）（）（）（）式中，（）为结温在下的阈值电流；（）为结温在下的阈值电流；代表温度灵敏度；为环境温度。半导体激光器输出功率的变化主要来源于外微分子量效率和阈值电流的变化，其中输出功率可表示为：（）（）式中，为外微分量子效率，为普朗克常数；为光频率；为单个电子；为注入电流；为阈值电流。对上述公式进行分析可知，当注入电流一定时，温度的变化会引起阈值电流和外微分量子效率的变化，输出功率也会随温度的变化而变化。综上所述，半导体激光器在工作中会产生温度变化（主要是温度升高），导致激光器的阈值电流、输出功率发生变化，激光器输出波长产生漂移。激光器的光功率波动影响限制光学传感器精度的提高，因此开展激光器驱动电路方案设计，通过集成温控芯片控制工作温度来降低温控电路复杂性和不稳定性，利用运放和 管搭建恒流驱动电路和电流调谐电路，实现窄线宽激光器的稳定输出。驱动电路整体方案设计激光器驱动电路整体设计采用 微处理器作为主控芯片，整体架构如图所示。通过串口通信方式实现控制，通过集成温控芯片 驱动热电制冷器控制激光器的工作温度。利用脉宽调制方法驱动恒流芯片调节激光器驱动电流大小，控制激光器光功率输出；利用 内部 采集激光器内部二极管电压并与设定值比较进行驱动电流的调整，稳定输出光功率，双路 芯片 模拟输出控制驱动电路的电流调谐以及温度调谐预设值，根据工作情况实现激光器的温度调谐以及电流调谐。图驱动电路整体架构 激光器驱动电路设计 控温原理 （）实际上是用两种不同材料的半导体（型和 型）组成 结，当 结中有直流电流通过时，由于两种材料中的电子和空穴在跨越 结移动过程中产生吸热或放热效应（帕尔帖效应），就会使 结表现出制冷或制热的效果，改变电流方向即可实现 加热或制冷，调节电流大小即可控制加热或制冷量的输出。半导体激光器内部集成有 和 电阻，通过改变驱动电流方向控制 的制冷功能，半导体激光器温度变化通过激光器内部温度传感器反馈给系统，实现 的制冷及加热。驱动电路 是一款具有高输出效率的集成 控制器的温控芯片，采用该芯片驱动 实现温度控制，在保证高效率的同时能够精简电路外围配置，减少电路器件，降低电路系统整体功耗尺寸以及成本。该芯片主要功能模块包括温度传感检测电路、误差放大电路、补偿放大电路、电压电流检测和限值电路以及 驱动模块。利用外接的热敏电阻随温度变化的特性来感应模拟激光器管芯温度，经调整系统后输出信号驱动 工作。芯片内部反馈电路主要包括误差放大电路以及补偿放大电路。误差放大电路外接半导体激光器内部热敏电阻，将激光器内部温度转换成相应电压值输入补偿放大电路反向端，补偿放大电路中目标温度作为正向输入信号与外部阻容构成控制端，根据控制信号驱动 电压、电流以及方向，实现激光器驱动温度控制电路。模拟 补偿电路设计 （）控制是一种线性的调节，调节补偿网络是 温控电路中最关键的部分，决定了 控制器的响应速度和温度稳定性。相当于放大倍数可调的放大器，用比例运算和积分运算来提高调节精度。的数学模型可用下式表示：（）（）（）（）式中，为比例系数；为积分系数；为微分系数。针对本次模拟 补偿网络搭建，计算出 控制器大致参数后，根据电阻电容进行实际调整测试工作，经验证该网络可实现当前温度下的稳定控制，本文中 调节补偿网络比例系数与热敏电阻有关，补偿网络电路如图所示。其中 和 的比值即为比例系数，控制被控量向减小误差的方向变化。和 为积分系数，积敬请登录网站在线投稿（）年第期 分网络可记忆积分偏差并进行相应控制。微分系数与 和 有关，微分网络反应偏差信号的变化趋势，在偏差信号变大之前引入早期的修正信号，加快系统的动作，缩短系统的调节时间。图 的模拟 补偿网络 恒流驱动电路半导体激光器的电流驱动模式主要有恒流驱动和恒功率驱动，本文设计的可调谐窄线宽激光器驱动电路采用温度调谐以及电流调谐方式保证激光器输出稳定性，电流调谐会使得驱动电流发生细微变化，不利于恒功率驱动方式。因此，本文中半导体激光器驱动电路采用恒流驱动方式，直接通过电流反馈驱动控制电流，采用这种方式可以获得更高的电流控制精度 。恒流驱动电路与电流调谐电路如图所示。图恒流驱动电路与电流调谐电路恒流驱动电路通过基准电压源直接控制恒流驱动电路的电流输出大小，采用 控制 输出并通过放大电路产生相应的基准电压源。根据运放“虚短虚断”原理，恒流驱动电流为：（）（）式中，为恒流驱动输入，为电流调谐输入。当激光器电流增大时，管栅极电压减小，使得流经 的电流 减小，即激光器的驱动电流减小，保证了激光器驱动电流的稳定性；激光器电流减小时同理。的合适取值与栅源电压匹配，实现 管的稳定工作。采样电阻采用低噪声、低温漂的精密电阻，用来匹配驱动电压信号，最终实现激光器的恒流输出 。软件控制设计本文程序采用语言编写，通过 主控芯片对整个系统进行软件控制，其整体程序逻辑如图所示。当半导体激光器控制电路在通过串口接收到相应指令时，需要对激光器二极管内部温度进行检测以判断是否处于正常工 作 状 态，在 非 工 作 状 态 时 通 过 温 度 控 制 芯 片 控制 调节温度；根据指令判断是否需要进行电流调谐，若需要调谐，则输入偏置电压实现激光器调谐，通过 调节驱动电流输出光功率。图主函数逻辑 数据测试及分析激光器驱动电路作为控制激光器稳定输出的核心工作单元，电路的控制功能以及电路噪声对激光器的稳定性输出有极大的影响，因此对激光器驱动电路进行驱动电路预设电压与驱动电流的线性度测试，并测试激光器在正常工作状态下（）的输出纹波电压，测试结果如图所示。通过 调节激光器驱动电流，根据激光器的实际工作特性展开测试工作，为了保证激光器输出功率稳定、波长稳定，防止激光器产生“调模”现象，在实验过程中需要对激光器工作温度以及驱动电流设置合适的工作区间。激光 器 工 作 温 度 范 围 为 ，预 设 温 度 值 为，激光器工作电流为 ，激光器驱动预设电流为 。通过光谱 仪 测 试 激 光 器 工 作 波 长，其 中 心 波 长 为 ，通过 进行线宽测试以及噪声测试，其中测得线宽为，激光器驱动电路相位噪声测试结果如图所示。对激光器输出光功率以及中心波长进行分析，设置工作电流为 ，工作温度为 ，对整个驱动电路系统进行稳定性测试。测试结果如图所示，输出光功率的稳定度为，测试波长波动为 ，中心波长的稳定度为 。年第期 图驱动电路线性度和纹波电压测试图激光器工作中心波长和相对强度噪声测试 结语本文设计了基于 的窄线宽激光器驱动电路，实现了窄线宽激光器的温度控制以及电流调谐等功能。图激光器输出光功率和输出中心波长测试与其他驱动电路相比，本设计具有集成度高、稳定性好、精度高等优势，对于谐振式光学传感器而言，激光器光源输出的高稳定性能够有效提高传感器的检测精度。本文研制的激光器驱动电路具有较高的输出电流稳定性，激光器光功率稳定度达到，波长稳定度为 ，为谐振式光学传感器提供高稳定的光源，同时也为谐振式光学传感器的集成化和小型化奠定基础。参考文献周鼎 高稳定可调谐窄线宽光纤激光器的研究 深圳：深圳大学，（）：张鹏 半导体激光器的物理特性分析及研究 激光杂志，（）：李诺薇，邹维科，种法力 影响半导体激光器物理特性的影响因素分析与研究 激光杂志，（）：，（），：，（）但堂咏，张国庆，张红亮基于 的半导体激光器控制系统设计 机电工程技术，（）：，敬请登录网站在线投稿（）年第期 表 网络与 网络实验效果对比平台算法模型 计算机平台 值 各个类别的 值 模型大小 嵌入式平台推理时间 检测速率 转化后模型大小 结语本文提出的嵌入式实时车辆检测改进算法通过引入 网络缩小 算法的网络参数以及计算量，使用 结构并添加 模块作为算法的 部分，增强不同尺度特征层的融合。在 数据 集 上 的 实 验 结 果 表 明，改 进 后 的 网络在参数量、计算量上相较于 都有明显减少，并且对车辆的检测精度有小幅度提升。而在嵌入式平台的推理时间相较于 缩短了一半，使得检测速率明显提升，更利于在嵌入式平台上的部署。参考文献 ，：，顾晋，罗素云基于改进的 车辆检测方法农业装备与车辆工程，（）：王硕，王孝兰，王岩松，等 基于改进 的车辆检测方法 计算机与数字工程，（）：王玲，张松，王鹏，等 基于 的车辆目标实时检测算法计算机应用与软件，（）：，：张达为，刘绪崇，周维，等 基于改进 的实时交通标志检测算法 计算机应用，（）：，：，（），：，：，：，（），（），刘永鑫、吴政（硕士研究生），主要研究领域为计算机视觉、深度学习；高成（教授），主要研究领域为机器人视觉伺服、机器人控制；郭超（高级工程师），主要研究领域为计算机视觉。通信作者：高成，。（责任编辑：薛士然收修改稿日期：）薛萌，黄斐，贾仕达，等 基于 的高稳定度半导体激光器驱动系统设计软件导刊，（）：方冉，沈丽娜一种蝶形激光器驱动技术研究安徽师范大学学报（自然科学版），（）：周根弟高稳定度激光光源温度控制算法研究和实现北京：北京邮电大学，穆叶，胡天立，陈晨，等 采用模拟 控制的 激光器温度控制系统研制红外与激光工程，（）：，（）：，（）：，刘霜，李汉钊，刘路，等激光器频率噪声功率谱密度测试技术及在谐振式光纤陀螺中的应用 光学学报，（）：丁少轩（硕士研究生），主要研究方向为电路设计与系统应用；刘文耀（教授），主要研究方向为微纳光学传感、微纳器件制造与系统集成。通信作者：刘文耀，。（责任编辑：薛士然收稿日期：）