CN110518455A - 一种消除外腔可调谐半导体激光器内腔非线性的硬件电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除外腔可调谐半导体激光器内腔非线性的硬件电路，包括电压比较器，用于将激光器外腔PZT误差信号转换成正半周期为高电平，负半周期为零的方波信号；模拟乘法器，用于将激光器外腔PZT误差信号和方波信号一起处理，获得正半周期为误差信号负半周期为零的构造的电流误差信号；模拟加法器，用于将构造的电流误差信号和三角波驱动信号通过加法器叠加，最终得到修正后的内腔电流驱动信号。本发明应用于激光器内腔非线性修正，便于后续信号处理及激光器干涉信号绝对距离测量系统等。

Description

一种消除外腔可调谐半导体激光器内腔非线性的硬件电路

技术领域

本发明属于可调谐外腔半导体激光器技术领域，具体涉及一种消除外腔可调谐半导体激光器内腔非线性的硬件电路。

背景技术

激光器具有单色性好，亮度高，方向性好等优点，不仅推动了光学领域的研究进展，在精密测量、激光加工、医学生物学乃至刑侦鉴定等方面都有着较为广泛的应用并在其中扮演着至关重要的角色。可调谐激光器(tunable laser)作为一种波长可以调节的激光器，已成为其中应用极为广泛的一个分支。可调谐半导体激光器的基本原理是通过直接或者间接改变激光器的谐振腔长度，使谐振腔对应的谐振模式发生改变，通过其他频率选择元件进行选择或反馈，最终得到光频可改变的输出。

在激光扫频干涉测量等相关应用中，可调谐外腔半导体激光器的无跳模调谐范围是一个极为重要的改善系统性能的参数，因此，抑制激光器动态调谐过程中的跳模具有重要的研究意义。而可调谐外腔激光器的跳模可分为外腔跳模和内腔跳模，外腔跳模的跳变量较小，内腔跳模的波长跳变量较大。根据同步调谐原理知道激光器外腔主要实现选频作用，内腔主要功能是实现模式匹配，因此，抑制可调谐外腔激光器的跳模现象需要重点是消除可调谐外腔半导体激光器内腔非线性。

现有技术的缺陷和不足：

目前，有关于可调谐外腔半导体激光器内腔非线性修正的方法主要是通过软件算法实现内腔非线性的前馈修正，该方法实际使用中存在着一定的弊端，由于其是通过软件算法构造的前馈修正信号，在实际使用中受限于上位机软件以及算法分析过程，一定程度上限制了半导体激光器内腔非线性的分析及修正过程，不利于激光器产品化推广应用。

基于软件算法实现的半导体激光器内腔非线性前馈修正方法是系统基于离线数据处理分析得到的前馈修正信号。首先，该方法无法实现数据的实时处理，需在实验前采集一段信号再经过算法处理得到修正后的前馈信号。其次，基于软件算法实现的内腔非线性前馈修正需要第三方提供的硬件采集系统支持，利用这套采集系统将信号采集并传回上位机中并通过上位机软件对信号进行处理分析。最后，该方案需要依靠算法编程来实现前馈信号构造，对用户的编程能力和算法分析能力具有一定的要求，大大降低了整体的适用性。

综上所述，现有的可调谐外腔半导体激光器内腔非线性修正方法存在着离线不可实时、软件算法复杂、研发难度大以及非线性修正效果差等问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种消除外腔可调谐半导体激光器内腔非线性的硬件电路，其应用于激光器内腔非线性修正，便于后续信号处理及激光器干涉信号绝对距离测量系统等。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种消除外腔可调谐半导体激光器内腔非线性的硬件电路，包括电压比较器，用于将激光器外腔PZT误差信号转换成正半周期为高电平，负半周期为零的方波信号；

模拟乘法器，用于将激光器外腔PZT误差信号和方波信号一起处理，获得正半周期为误差信号负半周期为零的构造的电流误差信号；

模拟加法器，用于将构造的电流误差信号和三角波驱动信号通过加法器叠加，最终得到修正后的内腔电流驱动信号。

本发明进一步的改进在于，电压比较器包括芯片LM311和若干电阻电容，芯片LM311采用正负12V供电，芯片PIN8脚连接+12V电源，同时+12V电源连接C5电容的一端，C5电容的另一端接地，实现对+12V电源的滤波作用；芯片PIN4引脚接-12V电源，同时-12V电源连接电容C6的一端，电容C6的另一端接地，实现对-12V电源的滤波作用；芯片PIN1脚接END；芯片PIN3脚连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接GND；芯片PIN2脚接电阻R8的一端，电阻R8的另一端接外部输入信号，用于将激光器外腔误差信号通过电阻R8连接PIN2脚实现误差信号输入；PIN7脚为OUT输出脚，其连接电阻R9的一端和电容C4的一端，电阻R9另一端连接+12V电源实现输出信号上拉作用，电容C4的另一端连接PIN2脚，通过电容C4抑制电压比较器振荡，实现电压比较器稳定工作。

本发明进一步的改进在于，模拟乘法器包括芯片AD633，芯片PIN8脚接+12V电源，PIN5脚接-12V电源，PIN2、PIN4和PIN6管脚均接GND；PIN1脚和PIN3脚为乘法器信号输入管脚，其中PIN1脚连接外腔非线性误差信号，PIN3脚连接经比较器电路输出的单周期方波信号；PIN7脚为输出管脚，两输入信号经模拟乘法器相乘后，其结果经由PIN7脚输出至模拟加法器分析处理。

本发明进一步的改进在于，包括芯片LF353，芯片PIN8脚接+12V电源以及电容C1的一端，电容C1另一端连接GND，PIN4脚接-12V电源以及电容C3的一端，电容C3另一端连接GND；模拟乘法器输出单周期误差信号连接P3接线柱的PIN1脚，P3接线柱的PIN2脚连接电阻R11的一端，电阻R11的另一端连接开关SW1的PIN3管脚，开关SW1的PIN1脚接GND，开关SW1的PIN2脚接电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接电阻R5的一端，电阻R5的另一端同时连接电阻R6的一端和LF353的PIN3脚，电阻R6的另一端接GND；芯片PIN3脚同时还连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接P2接线柱，P2接线柱用于连接外部初始三角波驱动信号；芯片PIN2脚同时连接电阻R3的一端和电阻R2的一端，R3的另一端连接GND，R2的另一端连接芯片PIN1脚，同时芯片PIN1脚还同时连接电流输出接口P1和SM1，SM1的管脚PIN2连接GND，其中SM1和P1输出的即是修正后的激光器内腔二极管驱动信号。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种消除外腔可调谐半导体激光器内腔非线性的硬件电路，在可调谐外腔半导体激光器的基础上研究其内腔非线性消除的硬件实现方法。首先，将激光器外腔非线性误差信号和直流比较电平通入电压比较器中，经比较器作用后输出单周期方波信号。接着，将输出的方波信号和原始误差信号经过乘法器相乘得到系统所需的半周期误差信号。最后，将半周期误差信号和原始三角波驱动信号经加法器电路相加得到修正后的内腔激光二极管驱动信号，从而实现可调谐外腔半导体激光器内腔非线性修正。

概括来说，本发明具有以下优点：

第一：基于模拟电路的可调谐外腔半导体激光器内腔非线性修正方案可以实现误差信号的实时提取并修正。由前所述，常用的内腔非线性修正方案采用的是离线的数据处理方式，利用硬件平台采集一段位移信号并传入电脑端，再利用相关数值分析软件对信号进行运算分析实现内腔激光二极管驱动信号构造。本发明基于电压比较器、模拟运算放大器和模拟乘法器构建的内腔非线性修正电路，其可以通过外腔非线性误差信号通过波形变换电路实现内腔驱动信号的构造，从而实现内腔非线性的消除。由于模拟电路具有连续性，且系统时延小，故该方案可实现内腔非线性的实时修正效果。

第二：基于模拟电路的半导体激光器内腔非线性修正系统整体电路结构简单、便于操作、无需软件编程，对研发人员开发难度低。本发明只需要将LM311电压比较器、AD633模拟乘法器和LF353模拟运算放大电路按照功能需求进行连接应用便可实现内腔激光二极管驱动信号的构造，不需要额外的硬件采集系统、嵌入式处理器、存储器等其他硬件外设。系统整体结构简单、易于操作使用。

第三：本发明所述可调谐外腔半导体激光器内腔非线性修正电路稳定可靠、修正效果好。现有的基于嵌入式系统的激光器内腔非线性方案需要依赖单片机等嵌入式硬件实现，由于嵌入式控制器的引入系统易受到电磁、温度等外界环境的干扰，从而使得整个系统的稳定性降低。由于嵌入式系统需要完成AD采集及DA转换等功能，AD采集等受限于系统采样芯片的精度，为了提高系统采样精度需要提升采样速率，采样速率的提升又会给数据存储带来压力。本发明基于模拟硬件电路实现的内腔非线性修正方案避免了数据采样及存储等问题，可实现实时数据处理分析，模拟数据输出，系统精度高、抗干扰能力强。

第四：本发明基于模拟硬件电路实现的激光器内腔非线性修正系统简单易用、成本低廉，便于批量化投产。基于可调谐外腔半导体激光器的内腔非线性修正硬件模拟电路只需要电压比较器、模拟运算放大器、模拟乘法器和外围简单阻容元件便可以实现波形构造，无需微控制器、AD采集系统等其他硬件外设，相对于其他方案来说本发明原理简单清晰，硬件电路易于实现，无需复杂昂贵的硬件外设，整体系统成本非常低廉，便于系统批量化推广使用。

附图说明

图1为内腔非线性修正系统流程图。

图2为内腔非线性修正电路结构图。

图3为电压比较器电路图。

图4为模拟乘法器电路图。

图5为模拟加法器电路图。

图6为系统整体电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做出进一步的说明。

本发明提供的一种消除外腔可调谐半导体激光器内腔非线性的硬件电路，其主要由电压比较器、运算放大器和模拟乘法器构成，可消除半导体激光器内腔非线性，实现输出光频线性变化。本发明用于将已探测的外腔非线性信号经过一定的波形变换得到变换后的信号，再将该变换后的信号同原始三角波驱动信号相加，从而构造得到修正后的内腔驱动信号，再利用该驱动信号驱动PZT内腔激光管工作，循环修正直至消除激光器内腔非线性。具体来说，第一步，将激光器外腔PZT误差信号通过电压比较器，转换成正半周期为高电平，负半周期为零的方波信号。第二步，将激光器外腔PZT误差信号和方波信号一起通入乘法器模块，获得正半周期为误差信号负半周期为零的构造的电流误差信号。第三步，将构造的电流误差信号和三角波驱动信号通过加法器叠加，最终得到修正后的内腔电流驱动信号。

如附图2所示，该硬件电路包括3大模块部分，各模块详细阐述如下：

1、电压比较器电路模块

本模块电路主要实现单周期方波信号输出，将激光器外腔非线性误差信号和参考电平共同通入电压比较器电路中，通过电压比较器作用实现单周期方波信号输出。LM311是一款高灵活性的电压比较器，能工作于5V-30V单个电源或正负15V分离电源，如通常的运算放大器运用一样。其主要实现将外腔非线性的交流信号通过电压比较器转换为半周期方波信号，供后续进一步信号处理。如图1所示，电压比较器电路主要由LM311电压比较器和一些列电阻电容元件共同构成。LM311的供电是正负12V供电，芯片PIN8脚连接+12V电源，同时+12V电源连接C5电容的一端，C5电容的另一端接地，实现对+12V电源的滤波作用。芯片PIN4引脚接-12V电源，同时-12V电源连接电容C6的一端，电容C6的另一端接地，实现对-12V电源的滤波作用。芯片PIN1脚直接接END，PIN5和PIN6不连接。芯片PIN3脚连接10k电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接GND，PIN3脚为比较电平输出管脚，其通过电阻R10接GND相当于该比较器电路参考电平为GND。芯片PIN2脚接10K电阻R8的一端，电阻R8的另一端接外部输入信号，PIN2脚为比较信号输入管脚，将激光器外腔误差信号通过电阻R8连接PIN2脚实现误差信号输入。PIN7脚为OUT输出脚，其连接4.7k电阻R9的一端，电阻R9另一端连接+12V电源，主要实现输出信号上拉作用。此外，PIN7脚还连接104电容C4的一端，电容C4的另一端连接PIN2脚，主要通过电容C4抑制比较器电路振荡，实现比较器电路稳定工作。

2、模拟乘法器电路

模拟乘法器主要实现两模拟信号相乘功能，上述电压比较器输出为单周期方波信号，将该方波信号和原始外腔误差信号共同输入模拟乘法器中相乘，得到单周期误差信号输出，具体模拟乘法器电路如图4所示。模拟乘法器是实现两个模拟量相乘的非线性电子器件，利用它可以方便地实现乘、除、乘方和开方运算电路。此外，由于它还能广泛的应用于广播电视、通讯、仪表和自动控制系统中进行模拟信号的处理，所以近年来发展很快，成为模拟集成电路的重要分支之一。

图4中的AD633是模拟乘法器，其是一款低成本四象限模拟乘法器，其单片集成结构和激光校准使得AD633性能稳定可靠，满足高频电子线路对于模拟元器件的可靠性和稳定性要求，本发明利用模拟乘法器AD633实现单周期误差信号构造。如图4所示，PIN8脚直接接+12V电源，PIN5脚接-12V电源，PIN2、PIN4和PIN6管脚均接GND，该模块为正负双电源供电。PIN1脚和PIN3脚为乘法器信号输入管脚，其中PIN1脚连接外腔非线性误差信号，PIN3脚连接经比较器电路输出的单周期方波信号。PIN7脚为输出管脚，两输入信号经AD633模拟乘法器相乘后，其结果经由PIN7脚输出供下一模块分析处理。

3、模拟加法器电路

加法器电路主要实现将经上述步骤得到的单周期误差信号和原始三角波驱动信号相加得到修正后的内腔激光二极管驱动信号，其具体电路图如图5所示。模拟加法器电路是由万能运放LF353构成的，PIN8脚接+12V电源，同时+12V电源还连接电容C1的一端，电容C1另一端连接GND，主要实现LF353芯片+12V供电并滤波。PIN4脚接-12V电源，同时-12V电源还连接电容C3的一端，电容C3另一端连接GND，主要实现LF353芯片-12V供电并滤波。上述模拟乘法器输出单周期误差信号连接P3接线柱的PIN1脚，P3接线柱的PIN2脚连接0R电阻R11的一端，电阻R11的另一端连接开关SW1的PIN3管脚，开关SW1的PIN1脚直接接GND，开关SW1的PIN2脚接0R电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接3.9k电阻R5的一端，电阻R5的另一端同时连接2k电阻R6的一端和LF353的PIN3脚，电阻R6的另一端接GND。芯片PIN3脚同时还连接3.9K电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接P2接线柱，P2接线柱主要是连接外部初始三角波驱动信号。芯片PIN2脚同时连接3.9K电阻R3的一端和10K电阻R2的一端，R3的另一端连接GND，R2的另一端连接芯片PIN1脚，同时芯片PIN1脚还同时连接电流输出接口P1和SM1，SM1的管脚PIN2连接GND，其中SM1和P1输出的即是修正后的激光器内腔二极管驱动信号。

4、系统整体电路

本发明提出一种消除外腔可调谐半导体激光器内腔非线性的硬件电路，如图6所示，系统主要包括基于LM311的电压比较器电路、基于AD633的模拟乘法器电路和基于LF353的模拟加法器电路。

系统稳定可靠、简单便捷、价格低廉，改变了半导体激光器内腔非线性修正方案离线不可连续，功能冗余复杂，成本高昂不易推广等现状。经过实验验证，该硬件系统对于可调谐外腔半导体激光器内腔非线性修正效果好、输出光频线性度高，本发明基于模拟电路的内腔非线性修正方案切实可行。

Claims (4)

1.一种消除外腔可调谐半导体激光器内腔非线性的硬件电路，其特征在于，包括

电压比较器，用于将激光器外腔PZT误差信号转换成正半周期为高电平，负半周期为零的方波信号；

模拟乘法器，用于将激光器外腔PZT误差信号和方波信号一起处理，获得正半周期为误差信号负半周期为零的构造的电流误差信号；

模拟加法器，用于将构造的电流误差信号和三角波驱动信号通过加法器叠加，最终得到修正后的内腔电流驱动信号。

2.根据权利要求1所述的一种消除外腔可调谐半导体激光器内腔非线性的硬件电路，其特征在于，电压比较器包括芯片LM311和若干电阻电容，芯片LM311采用正负12V供电，芯片PIN8脚连接+12V电源，同时+12V电源连接C5电容的一端，C5电容的另一端接地，实现对+12V电源的滤波作用；芯片PIN4引脚接-12V电源，同时-12V电源连接电容C6的一端，电容C6的另一端接地，实现对-12V电源的滤波作用；芯片PIN1脚接END；芯片PIN3脚连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接GND；芯片PIN2脚接电阻R8的一端，电阻R8的另一端接外部输入信号，用于将激光器外腔误差信号通过电阻R8连接PIN2脚实现误差信号输入；PIN7脚为OUT输出脚，其连接电阻R9的一端和电容C4的一端，电阻R9另一端连接+12V电源实现输出信号上拉作用，电容C4的另一端连接PIN2脚，通过电容C4抑制电压比较器振荡，实现电压比较器稳定工作。

3.根据权利要求1所述的一种消除外腔可调谐半导体激光器内腔非线性的硬件电路，其特征在于，模拟乘法器包括芯片AD633，芯片PIN8脚接+12V电源，PIN5脚接-12V电源，PIN2、PIN4和PIN6管脚均接GND；PIN1脚和PIN3脚为乘法器信号输入管脚，其中PIN1脚连接外腔非线性误差信号，PIN3脚连接经比较器电路输出的单周期方波信号；PIN7脚为输出管脚，两输入信号经模拟乘法器相乘后，其结果经由PIN7脚输出至模拟加法器分析处理。

4.根据权利要求1所述的一种消除外腔可调谐半导体激光器内腔非线性的硬件电路，其特征在于，包括芯片LF353，芯片PIN8脚接+12V电源以及电容C1的一端，电容C1另一端连接GND，PIN4脚接-12V电源以及电容C3的一端，电容C3另一端连接GND；模拟乘法器输出单周期误差信号连接P3接线柱的PIN1脚，P3接线柱的PIN2脚连接电阻R11的一端，电阻R11的另一端连接开关SW1的PIN3管脚，开关SW1的PIN1脚接GND，开关SW1的PIN2脚接电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接电阻R5的一端，电阻R5的另一端同时连接电阻R6的一端和LF353的PIN3脚，电阻R6的另一端接GND；芯片PIN3脚同时还连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接P2接线柱，P2接线柱用于连接外部初始三角波驱动信号；芯片PIN2脚同时连接电阻R3的一端和电阻R2的一端，R3的另一端连接GND，R2的另一端连接芯片PIN1脚，同时芯片PIN1脚还同时连接电流输出接口P1和SM1，SM1的管脚PIN2连接GND，其中SM1和P1输出的即是修正后的激光器内腔二极管驱动信号。