CN113097860A - 半导体激光器驱动电流电路及输出频率实时反馈方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光器驱动电流电路及输出频率实时反馈方法，该装置包括：单片机处理器MCU、数模转换器DAC、buffer电路、基准源、模拟加法器、运放跟随器、半导体激光管芯、1x2耦合器、激光器频率检测装置；其中，MCU控制DAC输入数字量，改变其输出电压；通过buffer电路后增加电压输出驱动能力；模拟加法器将基准源电压与DAC输出电压做加法后输入到运放跟随器；运放跟随器作用为电压‑电流转换，作为激光器驱动电流输入；半导体激光器管芯在驱动电流驱动下输出激光，经过1x2耦合器后，一路作为激光器输出，另一路作为反馈回路输入到激光器频率检测装置中，通过MCU控制驱动电流设置值进行实时反馈，使得激光器输出频率快速精准控制在设置值处。

Description

半导体激光器驱动电流电路及输出频率实时反馈方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种半导体激光器驱动电流电路及输出频率实时反馈方法。

背景技术

半导体激光器具有线宽窄、频率稳定性高、可调谐、驱动电路简单以及易于集成化等优势，广泛应用于各类传感光纤系统中。例如，在谐振式光纤陀螺系统中，通过控制半导体激光器输出频率实现闭环反馈，同时对输出频率进行扫频以获得谐振输出性能，因此需要稳定的驱动电路来精确控制半导体激光器输出频率。

半导体激光器驱动电路主要由恒流源驱动和温控电路组成，稳定的恒流源以及精密快速的温控电路是保证半导体激光器输出性能稳定的关键。但在很多应用场合中，如谐振式光纤陀螺系统，需要对激光器输出频率进行控制，有时需要进行扫频操作获取谐振输出曲线。因此在设计半导体激光器驱动电路时需要考虑到频率可调谐功能，而传统驱动电路设计方案中仅能保证波长固定下激光输出，无法满足频率可调谐功能。同时，利用光谱仪对激光器输出波长检测的精度为0.01nm，对应频率检测精度为1.25GHz(中心波长为1550nm)，无法满足在应用中对激光器输出频率进行实时监测、控制要求。

综上，传统方案中存在激光器输出频率不可调谐，以及无法对输出频率实时监控、反馈来精确控制激光器频率的技术问题。

发明内容

本发明实施例提供一种半导体激光器驱动电流电路及输出频率实时反馈方法，以解决传统方案中无法对激光器输出频率进行精确控制，更无法对输出频率实时监控、反馈来精确控制激光器频率的技术问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种半导体激光器驱动电流电路，包括单片机处理器MCU、数模转换器DAC、buffer电路、基准源、模拟加法器、运放跟随器、半导体激光管芯、第一1x2耦合器、激光器频率检测装置，所述MCU通过指令控制所述DAC的输出电压，所述输出电压通过所述buffer电路后增加电压输出驱动能力，所述模拟加法器将所述基准源输出电压V_REF与所述buffer电路的输出电压做加法后输入到所述运放跟随器，所述运放跟随器用于电压-电流转换，其输出的电路作为所述半导体激光器驱动电流输入，所述半导体激光器管芯在驱动电流驱动下输出激光，经过所述1x2耦合器后，一路信号光作为激光器输出，另一路信号光作为反馈回路输入到所述激光器频率检测装置，通过所述激光器频率检测装置验证频率控制值是否与设置值有偏差，随后输入到所述MCU中对电流设置值进行实时反馈，使得激光器输出频率控制在设置值处。

进一步地，所述数模转换器DAC位数为12位，其最大输出数字量为0xFFF，最小输出数字量为0x000。

进一步地，通过所述buffer电路后增加电压输出驱动能力，其满量程电压输出范围为0～V_FS。

进一步地，所述模拟加法器的最大输出电压为V_REF+V_FS，对应DAC输入数字量为0xFFF，最小输出电压为V_REF，对应DAC输入数字量为0x000。

进一步地，所述运放跟随器通过阻值为R_S的采样电阻将所述模拟加法器输出电压值转换成半导体激光器驱动电流。

进一步地，所述半导体激光器驱动电流的改变范围为:V_REF/R_S～(V_REF+V_FS)/R_S。

进一步地，所述半导体激光器驱动电流的控制精度为：

进一步地，所述的激光器频率检测装置包括声光移频器、第二1x2耦合器、光功率计、准直系统、F-P腔、光电探测器、信号发生器、示波器、锁相放大器，信号光输入到所述的激光器频率检测装置，首先经过所述声光移频器后传输到所述第二1x2耦合器后，一路光输入到所述光功率计进行光功率监测，另一路光通过所述准直系统进行准直，随后进入腔长正弦调制后的F-P腔发生多光束干涉增强，透射输出由所述光电探测接收并转换成电压信号，所述光电探测器将所述F-P腔透射谱输出电信号输入到所述锁相放大器中进行同步解调，输出值即为激光器频率实际值f与设置值f₀误差信号Δf成正比的电压信号ΔV。

进一步地，所述的激光器频率检测装置中准直系统和F-P腔均放置在隔振平台上，减少外部环境振动引入的测量误差。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种半导体激光器输出频率实时反馈方法，该方法在权利要求1～9所述的一种半导体激光器驱动电流电路中实现，包括以下步骤：

步骤一：MCU设置驱动电流初始数字量D₀，对应激光器输出频率为f₀，12位DAC将数字量转换成相应电压值V₀＝V_FS·D₀/2^12；

步骤二：模拟加法器将基准源电压V_REF与MCU设置初始电压V₀相加，得到实际驱动电压设置值V_S＝V₀+V_REF；

步骤三：电压跟随器将设置电压值转换为驱动电流I_S0＝V_S/R_S，此时半导体激光器输出频率实际值为f；

步骤四：半导体激光器输出激光经过1x2耦合器后一路作为整体输出，另一路输入到激光器频率检测装置中，该装置解算出反应激光器频率实际值f与设置值f₀误差信号Δf的电压信号ΔV，MCU根据该电压信号设置调整数字量ΔD，使得ΔV值趋于零：

ΔD＝K·ΔV

其中K为比例反馈系数，最终为保证半导体激光器输出频率精准控制在设定值处，实际驱动电流为：

至此，完成了可调谐半导体激光器输出频率实时反馈方案全过程，使得激光器输出频率精准控制在设定值处。

根据以上技术方案，本发明的有益效果如下：本发明中利用MCU输出数字量来控制驱动电流，所以能够简捷快速地更改驱动电流大小，实现频率可调谐的功能；采用DAC模块将数字量转换成模拟电压值，因此提高了驱动电流的控制精度；同时增加了激光器频率检测装置，能够对激光器输出频率进行监测，MCU根据频率测量值来改变驱动电流值实现输出频率实时反馈，使得激光器输出频率快速精准地控制在设定值处。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的可调谐半导体激光器驱动电流电路示意图；

图2是根据一示例性实施例示出的激光器频率检测装置示意图；

图3是根据一示例性实施例示出的激光器频率检测装置在不同调制电压下锁相放大器解调输出曲线；

图4是根据一示例性实施例示出的方案中所用半导体激光器驱动电流调谐曲线；

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

图1是根据一示例性实施例示出的可调谐半导体激光器驱动电流电路示意图，本发明实施例提供一种半导体激光器驱动电流电路，可以包括单片机处理器MCU、数模转换器DAC、buffer电路、基准源、模拟加法器、运放跟随器、半导体激光管芯、第一1x2耦合器、激光器频率检测装置，所述MCU通过指令控制所述DAC的输出电压，改变其输出电压，所述输出电压通过所述buffer电路后增加电压输出驱动能力，所述模拟加法器将所述基准源输出电压V_REF与所述buffer电路的输出电压做加法后输入到所述运放跟随器，所述运放跟随器用于电压-电流转换，其输出的电路作为所述半导体激光器驱动电流输入，所述半导体激光器管芯在驱动电流驱动下输出激光，经过所述1x2耦合器后，一路信号光作为激光器输出，另一路信号光作为反馈回路输入到所述激光器频率检测装置，通过所述激光器频率检测装置验证频率控制值是否与设置值有偏差，随后输入到所述MCU中对电流设置值进行实时反馈，使得激光器输出频率控制在设置值处。

根据以上技术方案，本申请通过MCU控制数字量来改变半导体激光器驱动电流实现激光器输出频率可调谐功能，同时利用频率检测装置测量值输入至MCU实现激光器输出频率实时反馈，本技术方案能够简捷快速地改变驱动电流，同时反馈回路的存在使得激光器输出频率精准地稳定在设定值处。

本方案中可调谐半导体激光器驱动电流电路采取的数字量控制电流，通过上位机可快速方便地更改驱动电流，达到调谐频率的目的，同时增加了输出频率监控、反馈模块，能够保证激光器输出频率快速精准地控制在设定值处。

本实施例中，所述数模转换器DAC位数为12位，其最大输出数字量为0xFFF，最小输出数字量为0x000。

本实施例中，通过所述buffer电路后增加电压输出驱动能力，其满量程电压输出范围为0～V_FS，本实例中，V_FS＝0.2V。

本实施例中，所述模拟加法器的最大输出电压为V_REF+V_FS，对应DAC输入数字量为0xFFF，最小输出电压为V_REF，对应DAC输入数字量为0x000。

本实施例中，所述运放跟随器通过阻值为R_S(本实例采用R_S＝10Ω)的采样电阻将所述模拟加法器输出电压值转换成半导体激光器驱动电流，所述半导体激光器驱动电流的改变范围为:V_REF/R_S～(V_REF+V_FS)/R_S，本方案中对应驱动电流改变范围为150～170mA，所述半导体激光器驱动电流的控制精度为：

图2是根据一示例性实施例示出的激光器频率检测装置示意图，所述的激光器频率检测装置包括声光移频器10、第二1x2耦合器11、光功率计12、准直系统14、F-P腔15、光电探测器16、信号发生器17、示波器18、锁相放大器19，信号光输入到声光移频器10后传输到1x2耦合器11，一路光输入到光功率计12进行光功率监测，另一路光通过望远准直系统14进行准直；随后进入腔长正弦调制后的F-P腔15发生多光束干涉增强，透射输出由光电探测器16接收并转换成电压信号；光电探测器16将F-P腔透射谱输出电信号输入到锁相放大器19中进行同步解调，输出值即为激光器频率实际值f与设置值f₀误差信号Δf成正比的电压信号ΔV。利用腔长正弦调制下的F-P腔测量系统对激光器输出频率进行监测，测量原理简单，测量范围可通过改变调制电压幅值调整，能够实时为MCU1提供频率控制误差反馈值。

本实施例中，所述的激光器频率检测装置中准直系统和F-P腔均放置在隔振平台13上，减少外部环境振动引入的测量误差。

本发明实施例还提供一种半导体激光器输出频率实时反馈方法，该方法在上述的一种半导体激光器驱动电流电路中实现，包括以下步骤：

步骤一：MCU设置驱动电流初始数字量D₀，对应激光器输出频率为f₀，12位DAC将数字量转换成相应电压值V₀＝V_FS·D₀/2^12；

步骤二：模拟加法器将基准源电压V_REF与MCU设置初始电压V₀相加，得到实际驱动电压设置值V_S＝V₀+V_REF；

步骤三：电压跟随器将设置电压值转换为驱动电流I_S0＝V_S/R_S，此时半导体激光器输出频率实际值为f；

步骤四：半导体激光器输出激光经过1x2耦合器后一路作为整体输出，另一路输入到激光器频率检测装置中，该装置解算出反应激光器频率实际值f与设置值f₀误差信号Δf的电压信号ΔV，MCU根据该电压信号设置调整数字量ΔD，使得ΔV值趋于零：

ΔD＝K·ΔV

其中K为比例反馈系数，最终为保证半导体激光器输出频率精准控制在设定值处，实际驱动电流为：

至此，完成了可调谐半导体激光器输出频率实时反馈方案全过程，使得激光器输出频率精准控制在设定值处。

实施例1：

F-P腔施加的腔长正弦调制信号为L＝L₀+L₁sin(2πf_mt)，其中L₀为F-P腔静止腔长，本实施例中为50mm；L₁为腔长正弦调制信号幅值，其大小由信号发生器17提供的正弦信号电压幅值V_m和腔长调制系数K_m决定，且满足L₁＝V_m/K_m，此处K_m为38.4nm/V，电压幅值V_m取0.2V、0.5V、0.75V三种幅值；f_m为腔长正弦调制信号频率，本实施例中设置为200Hz，因此在腔长正弦调制下F-P腔透射输出I_t为：

其中I₀为输入光强，F为F-P腔精细度，n为腔内介质折射率，f为激光器频率，c为光速，利用锁相放大器对透射输出I_t中f_m分量进行提取，结果如图3所示，图中给出了三种调制电压幅值下，锁相放大器19的解调输出值，由图中曲线可得，在解调输出曲线的中心段解调输出强度值与激光器输出频率变化量成正比，且随着正弦调制电压的增大，线性区测量范围也随之增大，图中0.2V、0.5V、0.75V三种电压幅值分别对应50MHz、120MHz、200MHz的测量范围，因此解调结果可表示为：

ΔV＝G_t·P₀·Δf (2)

其中电压信号ΔV反应了激光器频率误差信号Δf，G_t为锁相放大器增益系数，P₀为锁相放大器输入光功率值。

本方案中利用F-P腔腔长调制，将激光器输出频率信息加载在该调制频率分量上，同时利用锁相放大器对该频率分量进行提取解调出激光器输出频率信息，能够滤除高频误差信号对测量的干扰，同时隔振平台13能够抑制实验平台振动引起的误差。

实施例2：

结合具体参数，本实施例提供的一种半导体激光器输出频率实时反馈方法，可描述为包括以下步骤：

步骤一：MCU1设置驱动电流初始数字量D₀＝0x7FF，对应激光器输出频率为f₀，12位DAC将数字量转换成相应电压值V₀＝V_FS＝0.1V；

步骤二：模拟加法器5将1.5V基准源电压4与MCU1设置初始电压V₀相加，得到实际驱动电压设置值V_S＝1.6V；

步骤三：电压跟随器6将设置电压值转换为驱动电流I_S0＝V_S/10Ω＝160mA，此时半导体激光器输出频率实际值为f；

步骤四：半导体激光器7输出激光经过1x2耦合器8后一路作为整体输出，另一路输入到激光器频率检测装置9中，该装置解算出反应激光器频率实际值f与设置值f₀误差信号Δf的电压信号ΔV，MCU根据该电压信号设置调整数字量ΔD，使得ΔV值趋于零：

ΔD＝K·ΔV(3)

其中K为比例反馈系数，最终为保证半导体激光器输出频率精准控制在设定值处，实际驱动电流为：

图4给出了本发明实施例中所用半导体激光器驱动电流调谐系数曲线，由图可知驱动电流调谐系数为K_I＝-6.416MHz/mA，因此调整数字量ΔD可进一步表示为：

经过上述过程，可快速精确地将半导体激光器输出频率控制在设定值处。

本实施例中给出了MCU1数字量反馈值ΔD与频率检测装置9输出值ΔV之间的关系式，因此MCU1能够对激光器输出频率进行实时快速地反馈补偿，使得输出频率精准稳定地控制在设定值处。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种半导体激光器驱动电流电路，其特征在于，包括单片机处理器MCU、数模转换器DAC、buffer电路、基准源、模拟加法器、运放跟随器、半导体激光管芯、第一1x2耦合器、激光器频率检测装置，所述MCU通过指令控制所述DAC的输出电压，所述输出电压通过所述buffer电路后增加电压输出驱动能力，所述模拟加法器将所述基准源输出电压V_REF与所述buffer电路的输出电压做加法后输入到所述运放跟随器，所述运放跟随器用于电压-电流转换，其输出的电路作为所述半导体激光器驱动电流输入，所述半导体激光器管芯在驱动电流驱动下输出激光，经过所述1x2耦合器后，一路信号光作为激光器输出，另一路信号光作为反馈回路输入到所述激光器频率检测装置，通过所述激光器频率检测装置验证频率控制值是否与设置值有偏差，随后输入到所述MCU中对电流设置值进行实时反馈，使得激光器输出频率控制在设置值处。

2.根据权利要求1所述的一种半导体激光器驱动电流电路，其特征在于，所述数模转换器DAC位数为12位，其最大输出数字量为0xFFF，最小输出数字量为0x000。

3.根据权利要求1所述的一种半导体激光器驱动电流电路，其特征在于，通过所述buffer电路后增加电压输出驱动能力，其满量程电压输出范围为0～V_FS。

4.根据权利要求1所述的一种半导体激光器驱动电流电路，其特征在于，所述模拟加法器的最大输出电压为V_REF+V_FS，对应DAC输入数字量为0xFFF，最小输出电压为V_REF，对应DAC输入数字量为0x000。

5.根据权利要求1所述的一种半导体激光器驱动电流电路，其特征在于，所述运放跟随器通过阻值为R_S的采样电阻将所述模拟加法器输出电压值转换成半导体激光器驱动电流。

6.根据权利要求1所述的一种半导体激光器驱动电流电路，其特征在于，所述半导体激光器驱动电流的改变范围为:V_REF/R_S～(V_REF+V_FS)/R_S。

7.根据权利要求1所述的一种半导体激光器驱动电流电路，其特征在于，所述半导体激光器驱动电流的控制精度为：

8.根据权利要求1所述的一种半导体激光器驱动电流电路，其特征在于，所述的激光器频率检测装置包括声光移频器、第二1x2耦合器、光功率计、准直系统、F-P腔、光电探测器、信号发生器、示波器、锁相放大器，信号光输入到所述的激光器频率检测装置，首先经过所述声光移频器后传输到所述第二1x2耦合器后，一路光输入到所述光功率计进行光功率监测，另一路光通过所述准直系统进行准直，随后进入腔长正弦调制后的F-P腔发生多光束干涉增强，透射输出由所述光电探测接收并转换成电压信号，所述光电探测器将所述F-P腔透射谱输出电信号输入到所述锁相放大器中进行同步解调，输出值即为激光器频率实际值f与设置值f₀误差信号Δf成正比的电压信号ΔV。

9.根据权利要求1所述的一种半导体激光器驱动电流电路，其特征在于，所述的激光器频率检测装置中准直系统和F-P腔均放置在隔振平台上，减少外部环境振动引入的测量误差。

10.一种半导体激光器输出频率实时反馈方法，其特征在于，该方法在权利要求1～9所述的一种半导体激光器驱动电流电路中实现，包括以下步骤：

步骤一：MCU设置驱动电流初始数字量D₀，对应激光器输出频率为f₀，12位DAC将数字量转换成相应电压值V₀＝V_FS·D₀/2^12；

步骤二：模拟加法器将基准源电压V_REF与MCU设置初始电压V₀相加，得到实际驱动电压设置值V_S＝V₀+V_REF；

步骤三：电压跟随器将设置电压值转换为驱动电流I_S0＝V_S/R_S，此时半导体激光器输出频率实际值为f；

步骤四：半导体激光器输出激光经过1x2耦合器后一路作为整体输出，另一路输入到激光器频率检测装置中，该装置解算出反应激光器频率实际值f与设置值f₀误差信号Δf的电压信号ΔV，MCU根据该电压信号设置调整数字量ΔD，使得ΔV值趋于零：

ΔD＝K·ΔV

其中K为比例反馈系数，最终为保证半导体激光器输出频率精准控制在设定值处，实际驱动电流为：

至此，完成了可调谐半导体激光器输出频率实时反馈方案全过程，使得激光器输出频率精准控制在设定值处。

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