CN109638636A - 一种用于半导体激光器控制和状态监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于半导体激光器控制和状态监测装置，包括控制器模块以及连接到控制器模块的激光器内部温度和环境温度监测电路、激光器TEC驱动控制电路、激光器光强监测电路，以及激光器驱动电路；该用于半导体激光器控制和状态监测装置采集激光器内部温度和环境温度、TEC驱动电流、激光器发光强度的状态值并上传到控制器模块，控制器模块选择环境温度、激光器温度、TEC驱动电流、激光器输出光强进行检测，根据内部的PID算法计算控制值，并通过激光器TEC驱动控制电路控制激光器内部TEC的温度，通过激光器驱动电路控制激光器驱动信号强度。本发明相比现有技术具有以下优点：控制激光器的温度稳定性和光强稳定性，保证光信号的质量和光谱满足要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制和状态监测电路，尤其涉及用于半导体激光器控制和状态监测电路。
背景技术
目前，量子通信系统中使用单光子作为量子信息的载体，而半导体激光器作为单光子源的核心部件起着至关重要的作用，半导体激光器在工作过程中由于环境温度、自身温度、驱动信号强度的变化导致输出光信号性能参数的变化，会对量子通信系统的技术指标产生严重影响，所以需要一种半导体激光器控制和状态监测电路来保证半导体激光器的工作状态稳定。
目前关于半导体激光器的控制和状态监测，只是简单的通过采集激光器内部温度，并使用温控芯片控制激光器内部TEC从而使激光器内部温度稳定。
现有技术由于激光器的温度控制电路和温度采集电路简单，从而对温度的控制不能达到很高的精度，反馈速度慢，同时由于只采集激光器温度，没有对环境温度和激光器光强的监测，所以不能保证半导体激光器输出信号和工作状态的稳定。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供了一种能够保证光信号的质量和光谱稳定性的用于半导体激光器控制和状态监测装置。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种用于半导体激光器控制和状态监测装置，包括控制器模块、激光器内部温度和环境温度监测电路、激光器TEC驱动控制电路、激光器光强监测电路，以及激光器驱动电路；
其中激光器内部温度和环境温度监测电路、激光器TEC驱动控制电路、激光器光强监测电路，以及激光器驱动电路均连接到控制器模块；
激光器内部温度和环境温度监测电路、激光器TEC驱动控制电路、激光器光强监测电路分别采集激光器内部温度和环境温度、TEC驱动电流、激光器发光强度的状态值并上传到控制器模块，控制器模块选择环境温度、激光器温度、TEC驱动电流、激光器输出光强进行检测，根据内部的PID算法计算控制值，并通过激光器TEC驱动控制电路控制激光器内部TEC的温度，通过激光器驱动电路控制激光器驱动信号强度。
作为进一步优化的技术方案，所述的激光器内部温度和环境温度监测电路包括环境温度采集电路和激光器温度采集电路，所述环境温度采集电路包括串联的热敏电阻R5和电阻R3，热敏电阻R5和电阻R3之间的接点连接控制器模块，激光器温度采集电路包括串联的热敏电阻U2A和电阻R4，热敏电阻U2A和电阻R4之间的接点连接控制器模块，热敏电阻R5和热敏电阻U2A的另一端连接控制器模块的参考电压输出端，电阻R3和电阻R4接地。
作为进一步优化的技术方案，所述参考电压输出端和环境温度采集电路以及激光器温度采集电路之间还设置有缓冲器，所述缓冲器包括运算放大器U3和电阻R1，参考电压输出端和运算放大器U3的正向输入端相接，电阻R1跨接在运算放大器U3的反向输入端和输出端之间，运算放大器U3的输出端接环境温度采集电路以及激光器温度采集电路。
作为进一步优化的技术方案，所述的激光器内部温度和环境温度监测电路还包括电容C1、C2，电容C2接在温度采集电路的参考电压输入端和地之间，电容C1接在参考电压输出端和地之间，电容C1和C2为滤波电容。
作为进一步优化的技术方案，所述的激光器TEC驱动控制电路包括：TEC驱动芯片U7、激光器内部TEC模块U2C、电阻R9，TEC驱动芯片U7包括TEC控制电压输入端，TEC驱动电流输出端，驱动电压输出端LX1、LX2，驱动电压采集端CS、OS1、OS2，TEC控制电压输入端以及TEC驱动电流输出端均连接控制器模块，TEC模块U2C包括TEC+端和TEC-端，TEC驱动芯片U7的LX1端经电阻R9接TEC模块U2C的TEC+端，TEC驱动芯片U7的LX2端接TEC模块U2C的TEC-端，TEC驱动芯片U7的驱动电压采集端CS接LX1端，TEC驱动芯片U7的驱动电压采集端OS1接TEC模块U2C的TEC+端，TEC驱动芯片U7的驱动电压采集端OS2接TEC模块U2C的TEC-端。
作为进一步优化的技术方案，TEC驱动芯片U7根据输入TEC控制电压来控制芯片输出驱动电流，当输入电压Vctl>Vref时，Vref为TEC驱动芯片U7内部基准电压，TEC模块U2C制热，驱动电流由TEC驱动芯片U7的LX2端经TEC模块U2C、电阻R9流入LX1端，当Vctl<Vref时，TEC模块U2C制冷，驱动电流由TEC驱动芯片U7的LX1端经电阻R9、TEC模块U2C流入LX2端，当Vctl＝Vref时，驱动电流为0。
作为进一步优化的技术方案，当驱动电压采集端OS2和OS1的差值大于系统设置的最大TEC工作电压，则说明TEC模块U2C异常或TEC驱动芯片U7工作异常，系统关闭TEC驱动芯片U7，TEC驱动芯片U7的驱动电压采集端OS1和CS脚分别用于电阻R9两端电压VOS1和VCS的采集，(VOS1-VCS)/R9值等于TEC驱动芯片U7输出的TEC驱动电流ITEC，当该电流值ITEC大于设定最大电流值，说明TEC驱动芯片U7工作异常或TEC异常，系统关闭TEC驱动芯片U7。
作为进一步优化的技术方案，所述的激光器光强监测电路包括：运算放大器U6，激光器背光探测器U2B，电阻R6、R7、R8，电容C3、C4，激光器背光探测器U2B的PD+端接地，运算放大器U6的反向输入端接U2B的PD-端和电阻R6、电容C3，运算放大器U6的正向输入端通过电阻R7接地，运算放大器U6的输出端经串联的电阻R8和电容C4接地，电阻R8和电容C4的中间接点连接控制器模块，将激光器背光探测器U2B输出的电流信号转成电压信号进行采集，其中电阻R8和电容C4构成低通滤波器滤除高频噪声，电容C3和电阻R6的另一端连接电阻R8和电容C4的中间接点。
作为进一步优化的技术方案，所述控制器模块包括控制器U8、DAC芯片U1、以及多路选择芯片U5，DAC芯片U1连接控制器U8，DAC芯片U1的REFOUT输出端和REFIN输入端接一起，作为控制器模块的参考电压输出端，采集的环境温度、激光器温度、TEC驱动电流、激光器输出光强数据均通过多路选择芯片U5输入到DAC芯片U1。
作为进一步优化的技术方案，所述多路选择芯片U5和DAC芯片U1之间还设置有缓冲器，所述缓冲器包括运算放大器U4和电阻R2，多路选择芯片U5的输出端连接运算放大器U4的正向输入端，电阻R2跨接在运算放大器U4的反向输入端和输出端之间，运算放大器U4的输出端连接DAC芯片U1。
本发明相比现有技术具有以下优点：本申请提出的技术包括对环境温度、激光器内部温度、激光器发光光强、激光器内部TEC驱动电流信息进行采集，同时对采集的信息通过PID算法进行计算并快速反馈到控制电路，控制激光器的温度稳定性和光强稳定性，保证光信号的质量和光谱满足要求。
附图说明
图1是本发明一种用于半导体激光器控制和状态监测装置的实施例的结构框图；
图2是本发明实施例的激光器内部温度和环境温度监测电路与控制器模块的连接电路图；
图3是本发明实施例的激光器TEC驱动控制电路图；
图4是本发明实施例的激光器光强监测电路图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
请参阅图1，本发明一种用于半导体激光器控制和状态监测装置包括控制器模块、激光器内部温度和环境温度监测电路、激光器TEC驱动控制电路、激光器光强监测电路，以及激光器驱动电路。其中激光器内部温度和环境温度监测电路、激光器TEC驱动控制电路、激光器光强监测电路，以及激光器驱动电路均连接到控制器模块，激光器内部温度和环境温度监测电路、激光器TEC驱动控制电路、激光器光强监测电路分别采集激光器内部温度和环境温度、TEC驱动电流、激光器发光强度的状态值并上传到控制器模块，控制器模块根据内部的PID算法计算控制值，并通过激光器TEC驱动控制电路控制激光器内部TEC实现温度稳定，通过激光器驱动电路控制激光器驱动信号强度实现光强稳定。
同时参阅图2所示，所述的激光器内部温度和环境温度监测电路包括：运算放大器U3，激光器内部热敏电阻U2A，电阻R1、R3、R4，热敏电阻R5，以及电容C1、C2，控制器模块的参考输出端和运算放大器U3的正向输入端相接，为环境温度和激光器温度采集电路提供参考电压，电阻R1跨接在运算放大器U3的反向输入端和输出端之间，运算放大器U3和电阻R1构成缓冲器用于隔离负载对U1参考输出端的影响，热敏电阻R5和电阻R3串联在运算放大器U3的输出端和地之间，热敏电阻R5和电阻R3之间的接点连接控制器模块，热敏电阻R5和电阻R3构成环境温度采集电路，热敏电阻U2A和电阻R4串联在运算放大器U3的输出端和地之间，热敏电阻U2A和电阻R4之间的接点连接控制器模块，热敏电阻U2A和电阻R4构成激光器温度采集电路。电容C1接在芯片U1的REFOUT输出端和REFIN输入端的接点和地之间，电容C2接在热敏电阻R5和热敏电阻U2A的接点和地之间，电容C1和C2为滤波电容，减小参考电压纹波噪声，提高温度采集电路精度。热敏电阻R5和电阻R3对参考电压进行分压，环境温度的变化导致热敏电阻R5阻值变化从而导致分压变化，变化的电压值对应环境温度的变化并被系统采集，热敏电阻U2A和电阻R4对参考电压进行分压，激光器温度变化导致分压值变化，变化的电压值对应激光器温度的变化并被系统采集，采集的温度数据送入控制器模块。
作为一个例子，所述控制器模块可以包括控制器U8、DAC芯片U1、运算放大器U4、电阻R2，以及多路选择芯片U5。DAC芯片U1连接控制器U8，DAC芯片U1的REFOUT输出端和REFIN输入端接一起，同时和运算放大器U3的正向输入端相接，为环境温度和激光器温度采集电路提供参考电压，多路选择芯片U5的输出端连接运算放大器U4的正向输入端，电阻R2跨接在运算放大器U4的反向输入端和输出端之间，运算放大器U4的输出端连接DAC芯片U1，运算放大器U4和电阻R2构成缓冲器，用于隔离DAC芯片U1对多路选择芯片U5输出端的影响。热敏电阻R5和电阻R3之间的接点连接多路选择芯片U5，热敏电阻U2A和电阻R4之间的接点连接多路选择芯片U5。DAC芯片U1的REFOUT输出端为温度采集电路提供参考电压，输出的参考电压经运算放大器U3和电阻R1构成的缓冲器输出到环境温度采集电路和激光器温度采集电路，环境温度采集电路以及激光器温度采集电路采集的温度通过多路选择芯片U5进入DAC芯片U1。
DAC芯片U1是一款高采样精度、高采样率、伪差分输入的DAC芯片，运算放大器U3、U4是一款高速、高带宽、高输入阻抗、低输出阻抗的轨到轨运算放大器，热敏电阻U2A是激光器内置的高精度热敏电阻，多路选择芯片U5是一款低阻值、高速开关的多路选择器。
当然，上述控制器模块也可以是一个集成的电路模块，其中控制器U8、DAC芯片U1、运算放大器U4、电阻R2，以及多路选择芯片U5均集成在一个电路模块中。
请参阅图3，所述的激光器TEC驱动控制电路包括：TEC驱动芯片U7、激光器内部TEC模块U2C、电阻R9，TEC驱动芯片U7包括TEC控制电压输入端，TEC驱动电流输出端，驱动电压输出端LX1、LX2，驱动电压采集端CS、OS1、OS2，TEC控制电压输入端以及TEC驱动电流输出端均连接控制器模块，更具体的，所述TEC控制电压输入端通过DAC芯片U1连接控制器U8，TEC驱动电流输出端连接多路选择芯片U5，TEC模块U2C包括TEC+端和TEC-端，TEC驱动芯片U7的LX1端经电阻R9接TEC模块U2C的TEC+端，TEC驱动芯片U7的LX2端接TEC模块U2C的TEC-端，TEC驱动芯片U7的驱动电压采集端CS接LX1端，TEC驱动芯片U7的驱动电压采集端OS1接TEC模块U2C的TEC+端，TEC驱动芯片U7的驱动电压采集端OS2接TEC模块U2C的TEC-端。
TEC驱动芯片U7是一款输出能力为±1.5A的TEC驱动芯片，通过外部输入的控制信号来控制TEC模块U2C制热和制冷，同时采集输出端的驱动电流并输出到系统。系统采集激光器的内部温度和环境温度，内部温度和环境温度之间差值作为激光器的计算温度值，计算温度和用户设置的温度存在差值，系统软件的PID算法根据该差值进行比例、积分、微分运算，并根据运算的结果设置DAC芯片U1产生TEC控制电压并输入TEC驱动芯片U7，TEC驱动芯片U7根据输入电压来控制TEC模块U2C制冷或制热。通过采集环境温度用于计算避免环境温度变化和内部温度变化引起的误差，提高激光器温度稳定性。TEC驱动芯片U7根据输入TEC控制电压来控制芯片输出驱动电流，当输入电压Vctl>Vref(TEC驱动芯片U7内部基准电压)时，TEC模块U2C制热，驱动电流由TEC驱动芯片U7的LX2端经TEC模块U2C、电阻R9流入LX1端，当Vctl<Vref时，TEC模块U2C制冷，驱动电流由TEC驱动芯片U7的LX1端经电阻R9、TEC模块U2C流入LX2端。当Vctl＝Vref时，驱动电流为0。
TEC驱动芯片U7的驱动电压采集端OS2和OS1端分别用于TEC模块U2C的TEC-和TEC+的采集，当驱动电压采集端OS2和OS1的差值大于系统设置的最大TEC工作电压，则说明TEC模块U2C异常或TEC驱动芯片U7工作异常，系统关闭TEC驱动芯片U7，TEC驱动芯片U7的驱动电压采集端OS1和CS脚分别用于电阻R9两端电压VOS1和VCS的采集，(VOS1-VCS)/R9值等于TEC驱动芯片U7输出的TEC驱动电流ITEC，当该电流值ITEC大于设定最大电流值，说明TEC驱动芯片U7工作异常或TEC异常，系统关闭TEC驱动芯片U7。
请参阅图4，所述的激光器光强监测电路包括：运算放大器U6，激光器背光探测器U2B，电阻R6、R7、R8，电容C3、C4，激光器背光探测器U2B的PD+端接地，运算放大器U6的反向输入端接U2B的PD-端和电阻R6、电容C3，运算放大器U6的正向输入端通过电阻R7接地，运算放大器U6的输出端经串联的电阻R8和电容C4接地，电阻R8和电容C4的中间接点连接控制器模块，作为一个具体的例子，电阻R8和电容C4的中间接点连接多路选择芯片U5，将激光器背光探测器U2B输出的电流信号转成电压信号进行采集，其中电阻R8和电容C4构成低通滤波器滤除高频噪声，电容C3和电阻R6的另一端连接电阻R8和电容C4的中间接点，电容C3和电阻R6用于提高幅值和相位裕量，避免自激振荡，实现光强精密采集。
运算放大器U6是一款高速、高带宽、高输入阻抗、低输出阻抗的轨到轨运算放大器，激光器二极管输出的光信号被背光探测器U2B检测并转化为电流信号，该电流信号经过由运算放大器U6构成的精密电流转电压电路转化成电压信号并被系统采集，系统程序将该电压信号计算为光强值，采集的光强值与设定的输出光强存在差值，PID算法对该差值进行比例、积分、微分运算，根据运算结果调整激光器驱动信号强度，使激光器输出光强满足要求。
多路选择芯片U5通过FPGA控制用于选择环境温度、激光器温度、TEC驱动电流、激光器输出光强进行检测。
本发明是一种半导体激光器控制和状态监测装置，通过激光器内部温度/环境温度监测电路采集激光器温度值和环境温度值，并根据软件PID算法计算值控制激光器TEC驱动电路对激光器进行加热或降温处理，保证激光器工作温度正常、稳定；通过激光器光强监测电路采集输出光强，并根据软件PID算法计算值控制激光器驱动信号强度调节输出光强，保证激光器输出光信号稳定。
总之，本发明基于激光器温度/环境温度监测电路、激光器光强监测电路、激光器TEC驱动控制电路、软件PID算法实现激光器状态的闭环控制，保证激光器工作状态稳定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于半导体激光器控制和状态监测装置，其特征在于，包括控制器模块、激光器内部温度和环境温度监测电路、激光器TEC驱动控制电路、激光器光强监测电路，以及激光器驱动电路；
其中激光器内部温度和环境温度监测电路、激光器TEC驱动控制电路、激光器光强监测电路，以及激光器驱动电路均连接到控制器模块；
激光器内部温度和环境温度监测电路、激光器TEC驱动控制电路、激光器光强监测电路分别采集激光器内部温度和环境温度、TEC驱动电流、激光器发光强度的状态值并上传到控制器模块，控制器模块选择环境温度、激光器温度、TEC驱动电流、激光器输出光强进行检测，根据内部的PID算法计算控制值，并通过激光器TEC驱动控制电路控制激光器内部TEC的温度，通过激光器驱动电路控制激光器驱动信号强度。
2.根据权利要求1所述的一种用于半导体激光器控制和状态监测装置，其特征在于，所述的激光器内部温度和环境温度监测电路包括环境温度采集电路和激光器温度采集电路，所述环境温度采集电路包括串联的热敏电阻R5和电阻R3，热敏电阻R5和电阻R3之间的接点连接控制器模块，激光器温度采集电路包括串联的热敏电阻U2A和电阻R4，热敏电阻U2A和电阻R4之间的接点连接控制器模块，热敏电阻R5和热敏电阻U2A的另一端连接控制器模块的参考电压输出端，电阻R3和电阻R4接地。
3.根据权利要求2所述的一种用于半导体激光器控制和状态监测装置，其特征在于，所述参考电压输出端和环境温度采集电路以及激光器温度采集电路之间还设置有缓冲器，所述缓冲器包括运算放大器U3和电阻R1，参考电压输出端和运算放大器U3的正向输入端相接，电阻R1跨接在运算放大器U3的反向输入端和输出端之间，运算放大器U3的输出端接环境温度采集电路以及激光器温度采集电路。
4.根据权利要求3所述的一种用于半导体激光器控制和状态监测装置，其特征在于，所述的激光器内部温度和环境温度监测电路还包括电容C1、C2，电容C2接在温度采集电路的参考电压输入端和地之间，电容C1接在参考电压输出端和地之间，电容C1和C2为滤波电容。
5.根据权利要求1所述的一种用于半导体激光器控制和状态监测装置，其特征在于，所述的激光器TEC驱动控制电路包括：TEC驱动芯片U7、激光器内部TEC模块U2C、电阻R9，TEC驱动芯片U7包括TEC控制电压输入端，TEC驱动电流输出端，驱动电压输出端LX1、LX2，驱动电压采集端CS、OS1、OS2，TEC控制电压输入端以及TEC驱动电流输出端均连接控制器模块，TEC模块U2C包括TEC+端和TEC-端，TEC驱动芯片U7的LX1端经电阻R9接TEC模块U2C的TEC+端，TEC驱动芯片U7的LX2端接TEC模块U2C的TEC-端，TEC驱动芯片U7的驱动电压采集端CS接LX1端，TEC驱动芯片U7的驱动电压采集端OS1接TEC模块U2C的TEC+端，TEC驱动芯片U7的驱动电压采集端OS2接TEC模块U2C的TEC-端。
6.根据权利要求5所述的一种用于半导体激光器控制和状态监测装置，其特征在于，TEC驱动芯片U7根据输入TEC控制电压来控制芯片输出驱动电流，当输入电压Vctl>Vref时，Vref为TEC驱动芯片U7内部基准电压，TEC模块U2C制热，驱动电流由TEC驱动芯片U7的LX2端经TEC模块U2C、电阻R9流入LX1端，当Vctl<Vref时，TEC模块U2C制冷，驱动电流由TEC驱动芯片U7的LX1端经电阻R9、TEC模块U2C流入LX2端，当Vctl＝Vref时，驱动电流为0。
7.根据权利要求5所述的一种用于半导体激光器控制和状态监测装置，其特征在于，当驱动电压采集端OS2和OS1的差值大于系统设置的最大TEC工作电压，则说明TEC模块U2C异常或TEC驱动芯片U7工作异常，系统关闭TEC驱动芯片U7，TEC驱动芯片U7的驱动电压采集端OS1和CS脚分别用于电阻R9两端电压VOS1和VCS的采集，(VOS1-VCS)/R9值等于TEC驱动芯片U7输出的TEC驱动电流ITEC，当该电流值ITEC大于设定最大电流值，说明TEC驱动芯片U7工作异常或TEC异常，系统关闭TEC驱动芯片U7。
8.根据权利要求1所述的一种用于半导体激光器控制和状态监测装置，其特征在于，所述的激光器光强监测电路包括：运算放大器U6，激光器背光探测器U2B，电阻R6、R7、R8，电容C3、C4，激光器背光探测器U2B的PD+端接地，运算放大器U6的反向输入端接U2B的PD-端和电阻R6、电容C3，运算放大器U6的正向输入端通过电阻R7接地，运算放大器U6的输出端经串联的电阻R8和电容C4接地，电阻R8和电容C4的中间接点连接控制器模块，将激光器背光探测器U2B输出的电流信号转成电压信号进行采集，其中电阻R8和电容C4构成低通滤波器滤除高频噪声，电容C3和电阻R6的另一端连接电阻R8和电容C4的中间接点。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种用于半导体激光器控制和状态监测装置，其特征在于，所述控制器模块包括控制器U8、DAC芯片U1、以及多路选择芯片U5，DAC芯片U1连接控制器U8，DAC芯片U1的REFOUT输出端和REFIN输入端接一起，作为控制器模块的参考电压输出端，采集的环境温度、激光器温度、TEC驱动电流、激光器输出光强数据均通过多路选择芯片U5输入到DAC芯片U1。
10.根据权利要求9所述的一种用于半导体激光器控制和状态监测装置，其特征在于，所述多路选择芯片U5和DAC芯片U1之间还设置有缓冲器，所述缓冲器包括运算放大器U4和电阻R2，多路选择芯片U5的输出端连接运算放大器U4的正向输入端，电阻R2跨接在运算放大器U4的反向输入端和输出端之间，运算放大器U4的输出端连接DAC芯片U1。
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