CN103701033B

CN103701033B - 一种用于dfb激光器的工作保护系统

Info

Publication number: CN103701033B
Application number: CN201310605712.1A
Authority: CN
Inventors: 王同志; 张生生; 李峰; 周德民
Original assignee: State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd; Shanghai Boom Fiber Sensing Technology Co Ltd
Current assignee: State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd; Shanghai Boom Fiber Sensing Technology Co Ltd
Priority date: 2013-11-26
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2020-02-04
Anticipated expiration: 2033-11-26
Also published as: CN103701033A

Abstract

本发明公开了一种用于DFB激光器的工作保护系统，DFB激光器内设有激光二极管和半导体制冷器，该工作保护系统包括恒流保护系统以及恒温保护系统；恒流保护系统包括恒流电压比较电路、开关电路以及恒流驱动电路；恒温保护系统包括恒温电压比较电路和恒温驱动电路。本发明具有以下有益效果：设置恒流电压比较电路和开关电路对恒流驱动电路的通断进行控制，设置恒温电压比较电路对恒温驱动电路的通断进行控制，从而为DFB激光器提供了硬件保护，硬件保护响应快且工作稳定；设置三种采样电路，对激光器的工作进行实时监测，并可远程对恒流驱动电路和恒温驱动电路进行控制，从而为DFB激光器提供了软件保护，软件保护操作便捷。

Description

一种用于DFB激光器的工作保护系统

技术领域

本发明属于DFB激光器技术领域，具体涉及DFB激光器的驱动与保护技术。

背景技术

分布反馈激光器（DFB，Distributed Feed Back）是一种理想的电子—光子直接转换器件，有很高的量子效率，微小的电流和温度变化将导致输出光功率的极大变化。DFB激光器作为电流驱动型器件，在实际工业应用中，要求驱动激光器的驱动电流应具有最低的电噪声和很高的稳定性，因为驱动电流的波动不仅会造成激光强度噪声，还会造成输出波长光谱线宽的展宽，因此，高稳定度的驱动电流是输出功率稳定的前提。此外，DFB激光器是对温度很敏感的器件，环境温度的波动不仅能引起供给电流的波动，还会使激光器的阈值电流和输出功率发生变化。因此，保证DFB激光器连续工作在恒定的室温下是极其重要的外部条件。所以，对DFB激光器进行恒温恒流驱动，为光纤传感系统提供一个优质的光源是至关重要的。

然而，DFB激光器本身又是一种非常容易损坏且昂贵的器件，瞬间的电流过大都会使得激光器永久的损坏。另外，对于蝶形DFB激光器，一般都是内置半导体制冷器（TEC，Thermoeletric Cooler），通过外部的温控电路进行激光器的温度控制。当外部所给的温控信号过大或者过小，都会使得激光器温度过高或者过低，从而严重影响激光器的寿命。因此，在驱动激光器的时候对激光器进行有效的保护是至关重要的。

现有的激光器驱动保护技术主要是“软保护”，即通过软件控制驱动电流保持稳定，同时通过软件发送温控信号控制TEC制冷器的稳定工作。其缺陷在于：当软件失效或发生错误时，DFB激光器的驱动电流和温度失去控制，会导致安全隐患。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种用于DFB激光器的工作保护系统，利用该工作保护系统，即可对DFB激光器进行软件保护，又可以进行硬件保护。具体的技术方案如下：

一种用于DFB激光器的工作保护系统，DFB激光器内设有激光二极管和半导体制冷器，该工作保护系统包括恒流保护系统以及恒温保护系统；

恒流保护系统包括恒流电压比较电路、开关电路以及恒流驱动电路；恒流驱动电路通过开关电路与激光二极管连接；

恒流驱动电路接收一恒流控制电压，并根据恒流控制电压输出一恒定的驱动电流，开关电路的通断控制驱动电流是否输入激光二极管；

恒流电压比较电路接收恒流控制电压以及一恒流参考电压，将恒流控制电压与恒流参考电压进行比较，并根据比较结果输出一开关控制信号，开关控制信号控制开关电路的通断；

恒温保护系统包括恒温电压比较电路和恒温驱动电路，恒温电压比较电路、恒温驱动电路以及半导体制冷器依次串联连接；

恒温驱动电路接收一恒温控制电压，并根据恒温控制电压输出一PWM温控信号到半导体制冷器；

恒温电压比较电路接收恒温控制电压以及一恒温参考电压，将恒温控制电压与恒温参考电压进行比较，并根据比较结果发送一温控开关信号到恒温驱动电路，控制恒温驱动电路与半导体制冷器的通断。

作为优化方案，恒流电压比较电路包括第一输入端、第二输入端以及输出端，开关电路包括输入端、输出端以及控制端，恒流驱动电路包括输入端、输出端；恒流电压比较电路的输出端与开关电路的控制端连接，开关电路的输入端与恒流驱动电路的输出端连接；开关电路的输出端与激光二极管连接；

恒流驱动电路的输入端用于接收恒流控制电压，其输出端用于输出驱动电流；恒流电压比较电路的第一输入端用于接收恒流控制电压，其第二输入端用于接收恒流参考电压，其输出端用于输出开关控制信号。

作为优化方案，恒温电压比较电路包括第一输入端、第二输入端以及输出端，恒温驱动电路包括输入端、输出端以及控制端；恒温电压比较电路的输出端与恒温驱动电路的控制端连接，恒温驱动电路的输出端与半导体制冷器连接；

恒温驱动电路的输入端用于接收恒温控制电压，其输出端用于输出PWM温控信号；恒温电压比较电路的第一输入端用于接收恒温控制电压，其第二输入端用于接收恒温参考电压，其输出端用于输出温控开关信号。

作为优化方案，激光二极管跨接有一激光二极管保护电路，激光二极管保护电路包括三极管。

作为优化方案，恒流电压比较电路包括型号为LM397的电压比较器。

作为优化方案，开关电路包括一三极管。

作为优化方案，恒温电压比较电路包括型号为LM397的电压比较器。

作为优化方案，恒流驱动电路包括依次连接的第一运算放大器、第二运算放大器以及三极管。

作为优化方案，恒温驱动电路包括PID控制电路和PWM信号发生电路；其中，PWM信号发生电路用于输出PWM温控信号给半导体制冷器，PID控制电路用于根据恒温控制电压控制PWM信号发生电路的输出。

作为优化方案，恒温驱动电路包括一恒温驱动芯片，恒温驱动芯片的型号为ADN8830。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明设置恒流电压比较电路和开关电路对恒流驱动电路的通断进行控制，设置恒温电压比较电路对恒温驱动电路的通断进行控制，从而为DFB激光器提供了硬件保护，硬件保护响应快且工作稳定；

（2）设置三种采样电路，对激光二极管、恒流驱动电路以及恒温驱动电路的工作进行实时监测，并可远程对恒流驱动电路和恒温驱动电路进行控制，从而为DFB激光器提供了软件保护，软件保护操作便捷。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为恒流保护系统的电路原理图；

图3为输出恒流控制电压和恒温控制电压的D/A转换器的电路原理图；

图4为恒流电压比较电路的电路原理图；

图5为恒温电压比较电路的电路原理图；

图6为恒温驱动电路的电路原理图。

上图中序号为：1-DFB激光器、11-激光二极管、12-半导体制冷器、2-恒流保护系统、21-恒流电压比较电路、22-开关电路、23-恒流驱动电路、3-恒温保护系统、31-恒温电压比较电路、32-恒温驱动电路、4-激光二极管保护电路、51-光信号采集放大电路、52-光功率采样电路、6-温度采样电路、7-电流采样电路。

具体实施方式

下面结合附图以实施例的方式详细描述本发明。

实施例1：

如图1所示，一种用于DFB激光器的工作保护系统，DFB激光器1内设有激光二极管11和半导体制冷器12，该工作保护系统包括恒流保护系统2、恒温保护系统3、光信号采集放大电路51、光功率采样电路52、温度采样电路6、电流采样电路7。

恒流保护系统2包括恒流电压比较电路21、开关电路22以及恒流驱动电路23，恒流驱动电路23通过开关电路22与激光二极管11连接。其中，恒流电压比较电路21包括第一输入端、第二输入端以及输出端，开关电路22包括输入端、输出端以及控制端，恒流驱动电路23包括输入端、输出端；恒流电压比较电路21的输出端与开关电路22的控制端连接，开关电路22的输入端与恒流驱动电路23的输出端连接；开关电路22的输出端与激光二极管11连接。

恒流驱动电路23的输入端输入恒流控制电压，并根据恒流控制电压输出一恒定的驱动电流，开关电路22的通断控制驱动电流是否输入激光二极管11；驱动电流的大小决定了DFB激光器1的输出。恒流电压比较电路21的第一输入端输入恒流控制电压，恒流电压比较电路21的第二输入端输入恒流参考电压，恒流电压比较电路21将恒流控制电压与恒流参考电压进行比较，并根据比较结果发送一开关控制信号到开关电路22的控制端；该开关控制信号控制开关电路22的通断。

其中，恒流控制电压是由外部输入的一个电压值，用于对恒流驱动电路输出的驱动电流的大小进行控制；恒流控制电压可由一16位的多通道D/A转换器输出，通过外接的处理器对D/A转换器的输出进行控制，可以实时调整D/A转换器的输出，即实时调整恒流控制电压。如图3所示，芯片U8即为上述D/A转换器，引脚PW SET的输出即为恒流控制电压。而恒流参考电压则是可根据需要进行设置的一个标准电压值，作为恒流控制电压的比较标准；恒流参考电压可由一稳压二极管实现，如图4所示，图4中的型号为ADR510的稳压二极管U3即用于提供恒流参考电压。

如图4所示，在本实施例中，恒流电压比较电路21包括一电压比较器LM397。该电压比较器的引脚VIN＋即为恒流电压比较电路21的第一输入端，与D/A转换器的引脚PW SET连接，用于接收恒流控制电压；该电压比较器的引脚VIN－即为恒流电压比较电路21的第二输入端，用于接收5V的恒流参考电压，且与稳压二极管连接；该电压比较器的引脚VS和引脚OUTPUT连接到一SWITCH点，该SWITCH点即为恒流电压比较电路21的输出端。

开关电路22包括一三极管。如图2所示，在本实施例中，该三极管采用低导通内阻的场效应管，即图2中的Q2。该场效应管Q2的栅极（G）即为所述开关电路22的控制端，该场效应管Q2的源极（S）即为所述开关电路22的输入端，该场效应管Q2的漏极（D）即为所述开关电路22的输出端。当恒流控制电压大于恒流参考电压时，恒流电压比较电路21会发送一触发电平（即前文所述的开关控制信号）给该场效应管，通过场效应管的开关作用，关断恒流驱动电路23，从而保护激光二极管11。

如图2所示，在本实施例中，恒流驱动电路23包括两个型号为OP284ES的运算放大器U4A（第一运算放大器）和U4B（第二运算放大器）以及三极管Q3，其中，PW SET即为恒流驱动电路23的输入端，三极管Q3的集电极（C）即为恒流驱动电路23的输出端。其中，MODU输入功率调制信号，U4A作为一个加法器电路将功率调制信号与恒流驱动电压进行叠加，而恒流效果是由U4B以及三极管Q3产生的，图中的LD_VOL1即为采样电流信号的采样点。

恒温保护系统3包括恒温电压比较电路31和恒温驱动电路32，恒温电压比较电路31、恒温驱动电路32以及半导体制冷器12依次串联连接；其中，恒温电压比较电路31包括第一输入端、第二输入端以及输出端，恒温驱动电路32包括输入端、输出端以及控制端；恒温电压比较电路31的输出端与恒温驱动电路32的控制端连接，恒温驱动电路32的输出端与半导体制冷器12连接。

恒温驱动电路32的输入端输入恒温控制电压，并根据恒温控制电压输出一PWM温控信号给半导体制冷器12。恒温电压比较电路31的第一输入端输入恒温控制电压，恒温电压比较电路31的第二输入端输入恒温参考电压，恒温电压比较电路31将恒温控制电压与恒温参考电压进行比较，并根据比较结果发送一温控开关信号到恒温控制电压的控制端，从而控制恒温驱动电路32的开关，进而控制恒温驱动电路32与半导体制冷器12之间的通断。

其中，恒温控制电压是由外部输入的一个电压值，用于对恒温驱动电路32输出的PWM温控信号进行控制；恒温控制电压可由一16位的多通道D/A转换器输出，通过外接的处理器对D/A转换器的输出进行控制，可以实时调整D/A转换器的输出，即实时调整恒温控制电压。如图3所示，芯片U8即为上述D/A转换器，引脚TEMPSET的输出即为恒温控制电压。而恒温参考电压则是可根据需要进行设置的一个标准电压值，作为恒温控制电压的比较标准；恒温参考电压可由一稳压二极管输入实现，如图5所示，图5中的型号为ADR510的稳压二极管U3即用于提供恒温参考电压。

如图5所示，在本实施例中，恒温电压比较电路31包括一电压比较器LM397。该电压比较器的引脚VIN＋即为恒温电压比较电路31的第一输入端，与D/A转换器的引脚TEMPSET连接，用于接收恒温控制电压；该电压比较器的引脚VIN－即为恒温电压比较电路31的第二输入端，用于接收5V的温参考电压，且与稳压二极管连接；该电压比较器的引脚VS和引脚OUTPUT连接到一SD点，该SD点即为恒温电压比较电路31的输出端。

恒温驱动电路32包括PID控制电路和PWM信号发生电路；其中，PWM信号发生电路用于输出PWM温控信号给半导体制冷器12，PID控制电路用于根据恒温控制电压控制PWM信号发生电路的输出。如图6所示，在本实施例中，恒温驱动电路32包括一恒温驱动芯片，该恒温驱动芯片的型号为ADN8830，其内部集成了PID控制电路和PWM信号发生电路。恒温驱动芯片的工作流程如下：恒温驱动芯片的引脚TEMPSET即作为恒温驱动电路32的输入端，恒温控制电压输入到引脚TEMPSET，引脚THERMIN连接到激光器内部一用于反馈制冷情况的热敏电阻，引脚THERMIN与引脚TEMPSET之间产生压差，差值信号送入芯片内部放大器进行放大；放大后的信号通过内部集成的PID控制电路进行精度纠正，纠正后的信号被送入内部集成的PWM信号发生电路；PWM信号发生电路输出用于PWM温控的触发信号（即前文所述的PWM温控信号），该触发信号控制半导体制冷器12（TEC）对DFB激光器1进行制冷（图6中的TEC－和TEC＋即连接到半导体制冷器12控制其工作）。恒温驱动芯片的引脚SD即作为恒温驱动电路32的控制端，恒温电压比较电路31输出温控开关信号到引脚SD，控制芯片的开启或者关闭。

如图1所示，电流采样电路7与恒流驱动电路23连接，用于对驱动电流进行采样；温度采样电路6与半导体制冷器12连接，用于采集半导体制冷器12内部制冷的温度值；光功率采样电路52通过一光信号采集放大电路51与激光二极管11连接，用于采集DFB激光器输出的光功率数据。在本实施例中，电流采样电路7、温度采样电路6以及光功率采样电路52均为设有A/D转换器的采样电路，上述A/D转换器可采用带可编程放大功能的双通道16为A/D转换器。可将光功率采样电路52、温度采样电路6以及电流采样电路7分别与外部的控制器连接，由外部控制器对采集到的驱动电流、温度以及光功率数据进行分析，再由外部控制器根据分析结果对恒流控制电压以及恒温控制电压进行调整，从而实现了对DFB激光器的软件保护。

在本实施例中，如图2所示，其中，D1为激光二极管11，激光二极管11跨接有一激光二极管保护电路4，该激光二极管保护电路4包括三极管Q1和电阻R2。三极管Q1为型号为MMBT3904的NPN型三极管。该三极管Q1的集电极（C）与基极（B）跨接在激光二极管11两端，该三极管Q1的基极（B）与发射极（E）之间连接一电阻R2，该电阻R2串联在激光器恒流源中。当驱动电流过大时，电阻R2两端的电压变大，三极管Q1导通，流到激光二极管11中的过大电流被泄放掉，从而对激光二极管11进行了保护。

本发明的总体的工作流程如下：

（1）对于恒流保护系统：

首先，根据需要为恒流电压比较电路21设置一适当的恒流参考电压。然后，将恒流控制电压分别输入到恒流电压比较电路21和恒流驱动电路23，恒流驱动电路23输出恒定的驱动电流给激光二极管11，从而驱动DFB激光器1工作。

通常情况下，开关电路22是导通的，当恒流控制电压高于恒流参考电压时，恒流电压比较电路21输出开关控制信号，开关电路22关断，从而在恒流控制电压发生异常时对激光二极管11进行保护。

若恒流参考电压设置得不合适，驱动电流过大而开关电路22却没有关断时，激光二极管保护电路4会泄放激光二极管11中的过大电流，提供了另一重保护。

根据光功率采样电路52采集到的光功率数据以及电流采样电路7采集到的驱动电流数据，可以实时调整恒流控制电压，从而根据需要调整DFB激光器1的输出。

（2）对于恒温保护系统：

首先，根据需要为恒温电压比较电路31设置一适当的恒温参考电压；然后将恒温控制电压分别输入到恒温电压比较电路31和恒温驱动电路32，恒温驱动电路32输出PWM温控信号控制半导体制冷器12制冷，从而调节DFB激光器1在恒定的温度下工作。

当恒温控制电压大于恒温参考电压时，恒温电压比较电路31输出温控开关信号将恒温驱动电路32关闭，恒温驱动电路32不再向半导体制冷器12输出PWM温控信号，从而在恒温控制电压发生异常时对半导体制冷器12进行保护。

根据温度采样电路6采集到的半导体制冷器12内部制冷的温度值，可以实时调整恒温控制电压，从而根据需要调整DFB激光器1的工作温度。

以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims

1.一种用于DFB激光器的工作保护系统，所述DFB激光器内设有激光二极管和半导体制冷器，其特征在于，该工作保护系统包括恒流保护系统以及恒温保护系统；

所述恒流保护系统包括恒流电压比较电路、开关电路以及恒流驱动电路；所述恒流驱动电路通过所述开关电路与所述激光二极管连接；

所述恒流驱动电路接收一恒流控制电压，并根据所述恒流控制电压输出一恒定的驱动电流，所述开关电路的通断控制所述驱动电流是否输入所述激光二极管；

所述恒流电压比较电路接收所述恒流控制电压以及一恒流参考电压，将所述恒流控制电压与所述恒流参考电压进行比较，并根据比较结果输出一开关控制信号，所述开关控制信号控制所述开关电路的通断；

所述恒温保护系统包括恒温电压比较电路和恒温驱动电路，所述恒温电压比较电路、恒温驱动电路以及所述半导体制冷器依次串联连接；

所述恒温驱动电路接收一恒温控制电压，并根据所述恒温控制电压输出一PWM温控信号到所述半导体制冷器；

所述恒温电压比较电路接收所述恒温控制电压以及一恒温参考电压，将所述恒温控制电压与所述恒温参考电压进行比较，并根据比较结果发送一温控开关信号到所述恒温驱动电路，控制所述恒温驱动电路与所述半导体制冷器的通断。

2.根据权利要求1所述的一种用于DFB激光器的工作保护系统，其特征在于，所述恒流电压比较电路包括第一输入端、第二输入端以及输出端，所述开关电路包括输入端、输出端以及控制端，所述恒流驱动电路包括输入端、输出端；所述恒流电压比较电路的输出端与所述开关电路的控制端连接，所述开关电路的输入端与所述恒流驱动电路的输出端连接；所述开关电路的输出端与所述激光二极管连接；

所述恒流驱动电路的输入端用于接收所述恒流控制电压，所述恒流驱动电路的输出端用于输出所述驱动电流；所述恒流电压比较电路的第一输入端用于接收所述恒流控制电压，所述恒流电压比较电路的第二输入端用于接收所述恒流参考电压，所述恒流电压比较电路的输出端用于输出开关控制信号。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于DFB激光器的工作保护系统，其特征在于，

所述恒温电压比较电路包括第一输入端、第二输入端以及输出端，所述恒温驱动电路包括输入端、输出端以及控制端；所述恒温电压比较电路的输出端与所述恒温驱动电路的控制端连接，所述恒温驱动电路的输出端与所述半导体制冷器连接；

所述恒温驱动电路的输入端用于接收所述恒温控制电压，所述恒温驱动电路的输出端用于输出所述PWM温控信号；所述恒温电压比较电路的第一输入端用于接收所述恒温控制电压，所述恒温电压比较电路的第二输入端用于接收所述恒温参考电压，所述恒温电压比较电路的输出端用于输出温控开关信号。

4.根据权利要求1所述的一种用于DFB激光器的工作保护系统，其特征在于，所述激光二极管跨接有一激光二极管保护电路，所述激光二极管保护电路包括三极管和电阻，所述电阻与所述激光二极管串联；所述三极管的基极和集电极分别跨接在所述激光二极管的两端，且基极和发射极分别跨接在所述电阻的两端。

5.根据权利要求1所述的一种用于DFB激光器的工作保护系统，其特征在于，所述恒流电压比较电路包括型号为LM397的电压比较器。

6.根据权利要求1所述的一种用于DFB激光器的工作保护系统，其特征在于，所述开关电路包括一三极管。

7.根据权利要求1所述的一种用于DFB激光器的工作保护系统，其特征在于，所述恒温电压比较电路包括型号为LM397的电压比较器。

8.根据权利要求1所述的一种用于DFB激光器的工作保护系统，其特征在于，所述恒流驱动电路包括依次连接的第一运算放大器、第二运算放大器以及三极管。

9.根据权利要求1所述的一种用于DFB激光器的工作保护系统，其特征在于，所述恒温驱动电路包括PID控制电路和PWM信号发生电路；其中，所述PWM信号发生电路用于输出所述PWM温控信号给所述半导体制冷器，所述PID控制电路用于根据所述恒温控制电压控制所述PWM信号发生电路的输出。

10.根据权利要求1或9所述的一种用于DFB激光器的工作保护系统，其特征在于，所述恒温驱动电路包括一恒温驱动芯片，所述恒温驱动芯片的型号为ADN8830。