CN113410753A - 可调激光器调节电路及调节系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调激光器调节电路及调节系统，所述可调激光器调节电路包括控制模块、数模转换模块和半导体温度调节模块，所述可调激光器调节电路上电后，所述控制模块发出控制信号至数模转换模块，所述数模转换模块将控制信号转换为模拟电压信号后发送至所述半导体温度调节模块，所述半导体温度调节模块根据接收到的模拟电压信号，对可调激光器进行制冷或制热。本发明可以通过数模转换模块将控制模块发出的控制信号转为高精度的电压信号，并基于该高精度的电压信号，使半导体温度调节模块精准地对可调激光器进行制冷或制热，从而实现快速、精准地对可调激光器频率和功率进行调节。

Description

可调激光器调节电路及调节系统
技术领域
本发明涉及可调激光器技术领域，特别涉及一种可调激光器调节电路及调节系统。
背景技术
ITLA(intergrated tunnable laser，可调激光器)是指在一定范围内可以连续改变激光输出波长的激光器。这种激光器的用途广泛，可用于光谱学、光化学、医学、生物学、集成光学、污染监测、半导体材料加工、信息处理和通信等。对可调激光器的研究一直是近年来的热门话题。
可调激光器对温度十分敏感，通过调节温度能对可调激光器的功率、频率进行调节。现有技术中，一般通过控制芯片结合heater(加热器)的方式控制可调激光器光通路上滤波器的温度，进而调节可调激光器的频率和功率。但是，这种调节方式存在温度控制精度低、调节速度较慢等缺点。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明提供一种可调激光器调节电路及调节系统，可以对可调激光器的频率和功率实现快速、精准地调节。
本实施例采取了以下技术方案：
一种可调激光器调节电路，包括控制模块、数模转换模块和半导体温度调节模块，所述可调激光器调节电路上电后，所述控制模块发出控制信号至数模转换模块，所述数模转换模块将控制信号转换为模拟电压信号后发送至所述半导体温度调节模块，所述半导体温度调节模块根据接收到的模拟电压信号，对可调激光器进行制冷或制热。
进一步的，在所述的可调激光器调节电路中，所述控制模块包括控制芯片，所述控制芯片连接所述数模转换模块。
进一步的，在所述的可调激光器调节电路中，所述控制芯片与所述数模转换模块通过SPI协议传输信号。
进一步的，在所述的可调激光器调节电路中，所述数模转换模块包括DAC芯片，所述DAC芯片分别连接所述控制模块和所述半导体温度调节模块。
进一步的，在所述的可调激光器调节电路中，所述半导体温度调节模块包括TEC和TEC驱动芯片，所述TEC驱动芯片分别连接所述数模转换模块和所述TEC。
进一步的，在所述的可调激光器调节电路中，所述半导体温度调节模块还包括温度传感器，所述温度传感器连接所述TEC驱动芯片，用于检测所述TEC的温度。
进一步的，在所述的可调激光器调节电路中，还包括反馈模块，所述反馈模块分别连接所述半导体温度调节模块和所述控制模块，用于将所述半导体温度调节模块的驱动电流和控制温度反馈至所述控制模块。
进一步的，在所述的可调激光器调节电路中，所述反馈模块包括ADC芯片，所述ADC芯片分别连接所述半导体温度调节模块和所述控制模块。
进一步的，在所述的可调激光器调节电路中，所述ADC芯片与所述控制模块通过SPI协议传输信号。
一种可调激光器调节系统，包括可调激光器和如以上任意一项所述的可调激光调节电路，所述可调激光器在光通路上依次设置有第一调频滤波器、调相滤波器和第二调频滤波器，所述半导体温度调节模块包括三组半导体温度调节子模块，三组半导体温度调节子模块均连接数模转换模块，且分别用于对所述第一调频滤波器、所述调相滤波器和所述第二调频滤波器的温度进行调节。
相较于现有技术，本发明提供的一种可调激光器调节电路及调节系统，可以通过数模转换模块将控制模块发出的控制信号转为高精度的电压信号，并基于该高精度的电压信号，使半导体温度调节模块精准地对可调激光器进行制冷或制热，从而实现快速、精准地对可调激光器频率和功率进行调节。
附图说明
图1为本发明提供的可调激光器调节电路的原理框图。
图2为图1所示可调激光器调节电路中控制模块的具体实施例的结构示意图。
图3为图1所示可调激光器调节电路中数模转换模块的具体实施例的结构示意图。
图4为图1所示可调激光器调节电路中半导体温度调节模块的具体实施例的结构示意图。
图5为图1所示可调激光器调节电路中反馈模块的具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
请参阅图1，本发明提供的可调激光器调节电路包括控制模块10、数模转换模块20和半导体温度调节模块30，可调激光器调节电路上电后，控制模块10发出控制信号至数模转换模块20，数模转换模块20将控制信号转换为模拟电压信号后发送至半导体温度调节模块30，半导体温度调节模块30根据接收到的模拟电压信号，对可调激光器进行制冷或制热。
其中，控制模块10通过SPI总线(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)连接数模转换模块20的输入端。SPI总线是一种4线总线，可以实现控制模块10与数模转换模块20高速、高效率的通信。数模转换模块20的输出端则连接半导体温度调节模块30的控制端。半导体温度调节模块30可设置在可调激光器中，对各组滤波器通过半导体器件进行进行加热或制冷。
可调激光器调节电路工作时，控制模块10用于根据可调激光器频率和功率的调节需求，发出相应的控制信号至数模转换模块20。控制信号一般为数字电压信号，数模转换模块20可以将控制模块10发出的数字电压信号转换为模拟电压信号，并且提高电压信号的精度。半导体温度调节模块30接收高精度的电压信号，并可基于该高精度的电压信号，精准地对可调激光器中各组滤波器进行制冷或制热，从而实现对可调激光器的频率和功率调节需求。
请参阅图2，本申请实施例提供一种控制模块10的结构示意图，控制模块10包括控制芯片U1，并通过控制芯片U1实现控制半导体温度调节模块30进行制热或制冷。控制芯片U1的SPI功能块引脚连接数模转换模块20，并输出与需要控制温度值对应的电压通过SPI协议给到数模转换模块20。
控制芯片U1的型号可选为STM32G431RBI，其为一种带DSP和FPU的170MHz主流MCU芯片，可较好的实现温度调节功能。当然，在其它的实施例中，也可选用其它不同型号但可实现相同功能的控制芯片，本发明对此不做限定。
控制模块10还包括控制芯片U1的外围电路，如滤波电路、复位电路和晶振电路等，外围电路的具体电路结构可根据芯片设计手册及本领域相关通用电路结构进行设计，本发明对此不做赘述。
请参阅图3，本申请实施例提供一种数模转换模块20的结构示意图，数模转换模块20包括DAC(Digital to Analog Convertor，数模转换器)芯片，DAC芯片U2的SPI功能块引脚连接控制芯片U1的SPI功能块引脚，DAC芯片U2的输出引脚连接半导体温度调节模块30的控制端。DAC芯片U2接收控制芯片U1需要控制温度值对应的电压后，可以将其转换为高精度的模拟电压信号，并通过输出引脚传输给半导体温度调节模块30。
DAC芯片U2的型号可选为DAC80508MYZFT，其具有精密内部基准电压，可以输出高精度的调节电压。当然在其它实施例中，也可采用其它型号但可实现相同功能的DAC芯片，本发明对此不做限定。同时，数模转换模块20还包括DAC芯片U2的外围电路，与控制芯片U1的外围电路同理，本发明对DAC芯片U2的外围电路的具体结构不做赘述。
请参阅图4，本申请实施例提供一种半导体温度调节模块30的结构示意图，半导体温度调节模块30包括TEC(Thermo Electric Cooler，半导体制冷器)和TEC驱动芯片U3。TEC是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的温差电制冷组件，具有重量轻、体积小以及高制冷量的优点。并且，改变TEC的工作电流极性时，又可以进行制热。TEC驱动芯片U3用于输出驱动电压至TEC，使TEC在该驱动电压下进行制冷或制热。
同时，半导体温度调节模块30还包括TEC驱动芯片U3的外围电路，并在外围电路中设置好对应芯片规格书的参数，使TEC驱动芯片U3收到DAC芯片U2发送的模拟电压信号时，就能根据外围电路参数通过内部系统输出TEC的驱动电压。TEC根据接收到的驱动电压，以所需的温度调节值为目标进行精确地加热或制冷，实现对可调激光器快速且高精度的温度调节。
TEC驱动芯片U3的型号可选为ADN8834ACBZ-R7，当然在其它实施例中，也可采用其它型号但可实现相同驱动功能的芯片，本发明对此不做限定。同时，TEC驱动芯片U3的外围电路结构及设置参数可以参考芯片设计手册，本发明对TEC驱动芯片U3外围电路的具体结构不做赘述。
进一步的，可调激光器调节电路还可包括反馈模块40。反馈模块40分别连接半导体温度调节模块30和控制模块10，其用于将半导体温度调节模块30的电流及温度反馈给控制模块10，由控制模块10判断半导体温度调节模块30的电流及温度是否符合要求，从而完成闭环调节过程。
同时，为了实现对TEC驱动芯片U3的温度检测，可在TEC的外围设置温度传感器，通过温度传感器检测TEC的温度，并将检测得出的温度传回TEC驱动芯片U3。温度传感器具体可通过热敏电阻，温度传感芯片等方式实现，且输出端连接到TEC驱动芯片U3上的相关引脚。
请参阅图5，本申请实施例提供一种反馈模块40的结构示意图，反馈模块40包括ADC(Analog to Digital Convertor，模数转换器)芯片U4，ADC芯片U4分别连接半导体温度调节模块30和控制模块10。
在具体实施例中，ADC芯片U4通过信号输入引脚连接TEC驱动芯片U3上相关的信号输出引脚，使TEC驱动芯片U3可将工作过程中或工作完成后的温度信号和电流信号发送给ADC芯片U4，并由ADC芯片U4将温度信号和电流信号转换为模拟信号后，通过SPI总线发送给控制芯片U1，由控制芯片U1判断TEC驱动芯片U3的温度和电流是否符合设置，完成可调激光器调节电路的闭环调节流程。
为了更好的理解本发明，请参阅图1-图5，以下结合具体实施例对可调激光器调节电路的调节过程进行详细描述：
控制芯片U1通过SPI功能块引脚(对应引脚G3/H3/A5/A7)连接到DAC芯片U2上相应引脚(对应引脚D2/D3/D4/C4)，首先，控制芯片U1输出需要控制温度值对应的电压通过SPI协议传输给DAC芯片U2。
然后，DAC芯片U2将控制芯片U1发送的电压信号转换为高精度电压信号后，通过B3引脚输出到TEC驱动芯片U3的C4引脚。
TEC驱动芯片U3根据接收到的高精度电压信号，输出对应的TEC驱动电压，驱动TEC对可调激光器中各组滤波器进行制冷或制热。同时，温度传感器通过TEC驱动芯片U3的TH2+引脚，将其检测到的TEC控制过程中或控制完成后的温度发送给TEC驱动芯片U3。
其次，TEC驱动芯片U3控制过程中或完成后的电流通过C3引脚传输给ADC芯片U4的C2引脚上，TEC控制过程中或控制完成后的温度通过TEC控制芯片U1的A3引脚传输到ADC芯片U4的B2引脚上。
ADC芯片U4将接收到的电流信号和温度信号转为数字信号后，通过SPI协议(对应引脚D2/D3/D4/C4)将转换后的信号发送给控制芯片U1(对应引脚F7/F8/G6/G8)，进而判断TEC的温度及电流是否符合设置要求。
其中，控制芯片U1和DAC芯片U2负责提供高精度电压控制数值，TEC驱动芯片U3和TEC负责给可调激光器中的滤波器提供高精度的温度控制，温度传感器负责检测滤波器温度，ADC芯片U4负责向控制芯片U1反馈检测结果，实现闭环调节流程。
此外，请继续参阅图1，本发明还提供一种可调激光器调节系统，包括可调激光器和以上所述的可调激光调节电路，可调激光器在光通路100上依次设置有第一调频滤波器110、调相滤波器120和第二调频滤波器130，半导体温度调节模块包括三组连接数模转换模块30的半导体温度调节子模块，即第一半导体温度调节子模块31、第二半导体温度调节子模块32和第三半导体温度调节子模块33，分别用于对第一调频滤波器110、调相滤波器120和第二调频滤波器130的温度进行调节，且三组半导体温度调节子模块均包括对应的TEC及TEC驱动芯片。
可调激光调节电路中控制模块10可以通过控制第一半导体温度调节子模块31和第三半导体温度调节子模块33，分别对第一调频滤波器110和第二调频滤波器130进行加热或制冷，实现对可调激光器的频率调节。同时，控制模块10还可以通过第二半导体温度调节子模块32，对调相滤波器120进行加热或制冷，调整激光相位进而实现对可调激光器的功率调节。
综上所述，通过本申请中的可调激光器调节电路及可调激光器调节系统，具有以下优点：
1、温度控制精度高。
2、软件控制简单，难度小。
3、温度调节速度快，使可调激光器达到所需调节频率、功率的时间更短。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种可调激光器调节电路，其特征在于，包括控制模块、数模转换模块和半导体温度调节模块，所述可调激光器调节电路上电后，所述控制模块发出控制信号至数模转换模块，所述数模转换模块将控制信号转换为模拟电压信号后发送至所述半导体温度调节模块，所述半导体温度调节模块根据接收到的模拟电压信号，对可调激光器进行制冷或制热。
2.根据权利要求1所述的可调激光器调节电路，其特征在于，所述控制模块包括控制芯片，所述控制芯片连接所述数模转换模块。
3.根据权利要求2所述的可调激光器调节电路，其特征在于，所述控制芯片与所述数模转换模块通过SPI协议传输信号。
4.根据权利要求1所述的可调激光器调节电路，其特征在于，所述数模转换模块包括DAC芯片，所述DAC芯片分别连接所述控制模块和所述半导体温度调节模块。
5.根据权利要求1所述的可调激光器调节电路，其特征在于，所述半导体温度调节模块包括TEC和TEC驱动芯片，所述TEC驱动芯片分别连接所述数模转换模块和所述TEC。
6.根据权利要求5所述的可调激光器调节电路，其特征在于，所述半导体温度调节模块还包括温度传感器，所述温度传感器连接所述TEC驱动芯片，用于检测所述TEC的温度。
7.根据权利要求1所述的可调激光器调节电路，其特征在于，还包括反馈模块，所述反馈模块分别连接所述半导体温度调节模块和所述控制模块，用于将所述半导体温度调节模块的驱动电流和控制温度反馈至所述控制模块。
8.根据权利要求7所述的可调激光器调节电路，其特征在于，所述反馈模块包括ADC芯片，所述ADC芯片分别连接所述半导体温度调节模块和所述控制模块。
9.根据权利要求8所述的可调激光器调节电路，其特征在于，所述ADC芯片与所述控制模块通过SPI协议传输信号。
10.一种可调激光器调节系统，其特征在于，包括可调激光器和如权利要求1-9任意一项所述的可调激光调节电路，所述可调激光器在光通路上依次设置有第一调频滤波器、调相滤波器和第二调频滤波器，所述半导体温度调节模块包括三组半导体温度调节子模块，三组半导体温度调节子模块均连接数模转换模块，且分别用于对所述第一调频滤波器、所述调相滤波器和所述第二调频滤波器的温度进行调节。
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