（信号与信息处理专业论文）基于dfb激光器的光纤光栅信号解调技术.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 基于d f b 激光器的光纤光栅信号解调技术 摘要 半导体激光器由于具有体积小、重量轻、高效率、高可靠性等优点，被 广泛应用在光通信、光电子学、医学、军事等许多领域。尤其在光通信领 域，半导体激光器已经成为不可替代的重要光源。 分布反馈式( d i s t r i b u t e df e e d b a c k ，d f b ) 激光器作为半导体激光器的一 种，由于其具有带宽窄、波长可调谐、频率稳定性好等突出优点，被广泛应 用在激光通信和气体检测等许多领域。目前，更窄的线宽和更大的波长可调 谐范围已成为国内外d f b 激光器研究的热点问题。 本文从驱动电路和温度控制电路两方面对d f b 激光器进行了研究。设 计并制作了两种驱动电路：l m 3 1 7 恒流驱动电路和m a x 3 6 6 9 恒功率驱动 电路。并分别对两种驱动情况下d f b 激光器的性能进行了实验研究，通过 比较和分析实验结果得知，采用m a x 3 6 6 9 恒功率驱动时，d f b 激光器具有 更好的稳定性。同时设计并制作了基于l t c l 9 2 3 的温度控制电路，通过改 变参考电压来设定激光器的温度，达到调节激光器中心波长的目的。本文通 过实验研究，成功研制了功率恒定的波长可调谐范围为3 n m 的d f b 激光 器。 本文还搭建了d f b 激光器信号解调系统实验平台，分别从静态信号解 调和动态信号解调两方面进行实验研究，实现了小范围光纤光栅波长信号的 解调和交变电流的解调。 关键词分布反馈式激光器；驱动电路；温度控制电路；信号解调 哈尔滨理工大学下学硕上学位论文 t e c h n i q u e so f f i b e rb r a g gg r a t i n gs i g n a l d e m o d u l a t i o no i ld i s t r i b u t e df e e d b a c kl a s e r a b s t r a c t w i t ha d v a n t a g e so fs m a l lv o l u m e ，l i g h tw e i g h t ，h i g he f f i c i e n c y , h i g h r e l i a b i l i t y , s e m i c o n d u c t o r l a s e ri s w i d e l y u s e di n o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n ， p h o t o n i c s ，m e d i c a l ，m i l i t a r y a n dm a n yo t h e r a r e a s e s p e c i a l l y i n o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n s e m i c o n d u c t o rl a s e r sh a v eb e c o m ei r r e p l a c e a b l ei l l u m i n a n t a sas o r to fs e m i c o n d u c t o r1 a s e r s ，s i n c ei th a sp r o m i n e n ta d v a n t a g e ss u c ha s n a r r o wb a n d w i d t h ，t u n a b l ew a v e l e n g t ha n df r e q u e n c ys t a b i l i t y , d f bl a s e ri s w i d e l ya p p l i e di nl a s e rc o m m u n i c a t i o n ，g a sd e t e c t i o na n dm a n yo t h e ra r e a s a t p r e s e n t ，t h en a r r o w e rl i n e w i d t ha n dt h eg r e a t e r t u n a b l ew a v e l e n g t hr a n g eh a s b e c o m et h eh o ti s s u eo nt h er e s e a r c ho fd f bl a s e ri nd o m e s t i ca n df o r e i g n t h i sp a p e rs t u d i e sd f bl a s e rf r o mt w oa s p e c t s ：d r i v e rc i r c u i ta n d t e m p e r a t u r ec o n t r o lc i r c u i t d e s i g n i n ga n dm a k i n gt w ok i n d so fd r i v e rc i r c u i t ： l m 317c o n s t a n tc u r r e n td r i v e rc i r c u i ta n dm a x 36 6 9c o n s t a n tp o w e rd r i v e r c i r c u i t s t u d yo nd f bl a s e r sp e r f o r m a n c eu n d e rt w ok i n d so fd r i v e rc a s e s b y c o m p a r i n ga n da n a l y s i n ge x p e r i m e n t a lr e s u l t ，d f bl a s e rh a sb e t t e rs t a b i l i t yu n d e r m a x 36 6 9d r i v e r m e a n w h i l ed e s i g n i n ga n dm a k i n gl t c 19 2 3 t e m p e r a t u r e c o n t r o lc i r c u i t ，a d j u s tl a s e r sc e n t e rw a v e l e n g t hb yc h a n g i n gr e f e r e n c ev o l t a g et o 、 s e tl a s e r st e m p e r a t u r e t h r o u g he x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，t h i sp a p e rh a sd e v e l o p e d d f bl a s e rw i t hc o n s t a n tp o w e ra n d3 n mt u n a b l ew a v e l e n g t hr a n g e t h i sp a p e ra l s ob u i l te x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rs i g n a ld e m o d u l a t i o no nd f b i a s e r b ym e a n so fm a k i n ge x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ns t a t i ca n dd y n a m i cs i g n a l d e m o d u l a t i o n ，a c h i e v es i g n a ld e m o d u l a t i o no ns m a l ls c o p eo ff b gw a v e l e n g t h a sw e l la sa l t e r n a t i n gc u r r e n t k e y w o r d sd i s t r i b u t e df e e d b a c kl a s e r , d r i v e rc i r c u i t ，t e m p e r a t u r ec o n t r o lc i r c u i t ， s i g n a ld e m o d u l a t i o n - 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 课题研究背景分析 第1 章绪论 自1 9 6 0 年第一台激光器问世至今，短短的半个世纪，激光器件和激光技 术正以迅猛之势飞速发展着。激光器按其工作物质分类，可以分为气体激光 器、固体激光器、半导体激光器、染料激光器、自由电子激光器、准分子激光 器和化学激光器等。其中，半导体激光器以其轻质量、高效率、可直接调制 和集成能力强等优点，在各种类型的激光器中逐渐崭露头角。 半导体激光器理论的提出最早可以追溯到1 9 5 3 年9 月。美国的科学家 冯纽曼提出，向p n 结注入少量载流子可以使半导体激光器受激发射住1 。 19 7 0 年，双异质结半导体激光器( d h l d ) 在b e l l 实验室研制成功。这使半导体 激光器彻底告别了液氨温度，可以在室温下进行连续工作，这对半导体激光器 的发展有着跨时代的重要意义。至此以后，半导体激光器进入了突飞猛进的发 展时期b 1 。目前，它的品种已达到3 0 0 多种，被广泛应用于光电子学、光通 信、印刷业、医学和军事等领域。半导体激光器的研究和应用已成为国际上最 活跃的研究领域之一。 分布反馈式( d i s t r i b u t e df e e d b a c k ，d f b ) 激光器作为半导体激光器的一种， 也一直是科学家们研究的热点问题。d f b 激光器具有带宽窄、波长可调谐、频 率稳定性好等突出优点，这是其它普通光源所无法比拟的。光通信技术的飞速 发展，一方面，不断促进着d f b 激光器的快速进步；另一方面，也对d f b 激 光器的性能提出了更高的要求。d f b 激光器作为光纤光栅信号窄带光源解调技 术中的重要器件，提高输出功率、保持波长稳定性、增加波长可调谐范围、使 光谱线宽变窄等一系列问题，都是d f b 激光器研究领域中需要继续探索和不 断提高、进步的方面。 多年来，我们课题组一直致力于光纤光栅信号解调技术的研究和应用，对 光纤光栅信号的多种解调方法进行了实验、探索和创新。我们采用的主要解调 方法有：粗波分复用器( c w d m ) 解调法“1 、自发辐射光源( a s e ) 解调法啼、可调 谐法布里一珀罗( f a b r y p e r o t ，f p ) 滤波器解调法硒1 、分布反馈式激光器解调 法。通过理论分析和实验研究相结合，我们积累了大量的宝贵经验。目前，基 于d f b 激光器的光纤光栅信号解调技术是我们课题组的重点研究内容。 哈尔滨理工大学工学硕一卜学位论文 1 2 研究概况 半导体激光器问世以来，在光通信技术领域发挥了重要作用，占有举足轻 重的地位。作为信息时代最有前途、最有代表性的高科技之一，它受到了国内 外研究人员的高度关注。 1 2 1d f b 激光器的研究概况 半导体激光器，也称半导体激光二极管( l a s e rd i o d e ，l d ) ，工作物质是半 导体材料。由于它的良好性能和在光通信等领域的广泛应用，国内外的研究人 员十分看好它的发展前景，对它的研究一直很活跃。可是在高速调制状态下， 普通的半导体激光器会出现光谱展宽的情况，这就会导致信息传输速率受到影 响。为了解决这个问题，研究人员研制出了d f b 激光器n 引。 d f b 激光器是通过内置光纤布拉格光栅来构成谐振腔，利用光栅的分布反 馈来实现纵模选择。d f b 激光器与普通半导体激光器相比，具有单纵模、低损 耗、窄线宽、高稳定性等优点，被广泛应用在长距离光通信领域n 0 1 。 d f b 激光器的概念产生于1 9 7 0 年前后。研究人员在染料激光器的研究过 程中发现，谐振腔可以通过内置光栅的分布反馈来实现。1 9 7 1 年，美国贝尔实 验室的c v s h a n k 和h k o g e l n i k 在d f b 结构实验中首次看到激射现象。次 年，他们对d f b 激光器的工作原理和特性进行了理论分析。提出了d f b 激光 器中存在折射率耦合和增益耦合两种反馈方式，而且d f b 激光器的谐振腔可 以选择模式n 引。1 9 7 3 年，通过光泵砷化镓周期栅表面，中村制作了第一个分布 反馈式激光器。1 9 7 4 年，s c i f r e s 制作了以g a a l a s g a a s 为材料的单异质结电 流注入型分布反馈式激光器。1 9 7 5 年，中村和凯西实现了室温下d f b 激光器 的连续受激发射。7 0 年代中期，s h a n k 和h a u s 在d f b 激光器的内置光栅中引 入非连续变化，这样可以消除模式简并、降低阈值电流。这一理论具体到实践 中就是给光栅的中心引入四分之一波长的相移3 j 枷。1 9 7 7 年，s t r e i f e r w 对 d f b 激光器的理论进行了系统的阐述，并推导出了谐振波长和阈值的表达式。 1 9 7 9 年，研究人员开始将i n g a a s p i n p 材料用于d f b 激光器的制作中。同年 就做出了能在低温环境下工作的d f b 激光器。1 9 8 1 年，第一支能在室温下连 续工作的1 5 5 0 n m 单模稳定d f b 激光器问世。从此，可调谐半导体激光器受到 了研究人员的广泛关注n 副。1 9 8 8 年，我国的罗毅博士和日本的多田邦雄教授采 用m o c v d 技术，实现了增益耦合d f b 激光器引。 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 2 l 世纪，已经进入了4 0 g b i t s 的高速光通信时代，对信息的传送速度、储 存容量和精确度等方面都提出了更高的要求。国外已研制出了调谐范围超过 8 0 n m 的可调谐半导体激光器。目前，各国研究人员都在努力地研制性能更优 良的d f b 激光器，它将有着更加广阔的发展前景 。 1 2 2 光纤光栅信号解调技术的研究概况 1 9 7 8 年，加拿大的k o h i l l 等人在掺锗石英光纤中探测到了光纤的光敏 性，他们采用驻波写入法制造出了第一支光纤光栅。几十年来，人们对光纤光 栅进行了深入的研究并取得了很大进展。人们也越来越深刻的意识到光纤光栅 有着巨大的潜在市场和广阔的发展前景n 引。 光纤光栅信号解调技术是光纤光栅研究领域的关键技术之一。实质上，它 就是一个波长解码过程，通过监测波长信息的变化以获取被测信号的信息。这 就是光纤光栅的解调n 引。目前，光纤光栅信号解调的方法有很多种。 光谱仪检测法是将宽带光源发出的光经过3 d b 耦合器送入光纤光栅，用光 谱仪检测反射回来的光谱。这是最直接、最简单的方法，不过只适合静态信号 解调。它的分辨率可以达到l p m 。要想达到更精确的水平，还可以使用多波长 计，它的分辨率可以达到0 4 p r o 。但由于这些仪器成本高且携带不方便，所以 一般多用于实验室研究中溉2 。 边缘滤波线性解调法是采用边缘滤波器进行光纤光栅信号解调的方法。这 要求在光纤光栅中心波长的漂移范围内，滤波器的特性曲线是线性的。当光纤 光栅的中心波长发生漂移时，滤波器输出的光强也发生了变化，二者之间存在 着一一对应关系。这种方法既适合静态信号解调，也适合动态信号解调2 3 l 。 可调谐滤波器解调方法中最常用的是可调谐f a b r y p e r o t 滤波器解调法。 将宽带光源的光送入光纤光栅，利用3 d b 耦合器将反射回来的光送入f p 腔。 在这里，将f p 腔看做一个窄带滤波器，由压电陶瓷p z t 来驱动。通过改变 p z t 的电压来控制透过f p 腔的光的波长。当反射光的波长和f p 腔的透射波 长一致时，探测到的光强最大。这时与p z t 电压相对应的f p 腔的透射波长就 是光纤光栅的反射波长眩。 可调谐窄带光源解调法就是将窄带光源的光送入光纤光栅，改变窄带光源 的波长使其周期性的扫描光纤光栅，就可以得到光纤光栅的光谱，最大光强处 就对应着光纤光栅的中心波长渊。 光谱成像解调法是将光纤光栅的反射谱( 或透射谱) 经过透镜准直，再利用 哈尔滨理t 大学t 学硕 ? 学位论文 某些分光元件使其在空间上以不同的衍射角进入c c d 分光计。当光纤光栅的 波长漂移时，c c d 接收的位置也会发生相应的变化，这样就可以解调出光纤 光栅的中心波长。这种解调方法的响应速度很快，但是对其中所使用的光学元 件的要求也很高妇6 。7 i 。 非平衡m a c h z e h n d e r 干涉解调法实质上就是一种参量转化方法，将光纤 光栅的波长变化转变成为干涉仪的相位变化。传感光栅的反射光进入干涉仪， 一旦光栅的波长发生变化，干涉仪接收到的反射光也随之变化，导致相位发生 变化。这种方法的检测灵敏度很高，但是容易受到外界环境的干扰，一般多用 于对动态信号的解调中幢8 2 引。 匹配光纤光栅解调法是将宽带光源的光送入传感光栅，反射光再经过一支 与传感光栅参数一样的匹配光栅。当传感光栅的波长不变时，二者的光谱重 合，这时匹配光栅的反射光强最强。一旦传感光栅的波长发生了漂移，它的反 射谱和匹配光栅光谱的重合部分就会变小，匹配光栅的反射光强也变小3 。 除此之外，光纤光栅信号解调的方法还有很多种。例如，锁模解调法、斜 光纤光栅( t f b g ) 解调法、光纤f o u r i e r 变换光谱解调法、啁啾光纤光栅解调法 等旧2 3 l 。作为光纤光栅研究领域的重点和难点，光纤光栅信号解调技术仍需要 国内外研究人员的不断探索和创新。 1 3 本文研究的主要内容 本课题主要研究了d f b 激光器的驱动电路和温度控制电路，并将所设计 的d f b 激光器应用在光纤光栅信号解调技术中。本文的主要研究内容有以下 几个方面： 1 选用恒流驱动和恒功率驱动两种方法，设计并制作d f b 激光器驱动电 路。分别对两种驱动情况下d f b 激光器的工作性能进行实验研究、比较和分 析。 2 设计并制作d f b 激光器温度控制电路。对d f b 激光器实现模拟和数 字两种方式的温度调节。通过调节参考电压使激光器的中心波长发生漂移，实 现波长可调谐d f b 激光器。分别对恒流和恒功率两种驱动情况下d f b 激光器 的温控电路进行实验研究、比较和分析。 3 应用所设计的d f b 激光器分别进行光纤光栅静态信号和交变电流动态 信号解调实验。 哈尔滨理工大学r t 学硕一i ：学位论文 第2 章d f b 激光器驱动电路的设计 2 1 d f b 激光器简介 d f b 激光器是通过内部沿纵向等间隔分布的布拉格光栅来实现光的反馈。 如图2 - 1 a ) 所示，当有电流注入时，空穴和电子在有源区内复合，辐射出一定 能量的光子，这些光子将受到有源层表面每一条光栅的反射，所以称之为分布 反馈。当温度或注入电流发生变化时，内置光栅的间距就会发生变化，致使 d f b 激光器的波长改变，这就起到了选定激光器中心波长的作用。 电流注入 输出光 a ) 结构图 b ) 引脚图 图2 1d f b 激光器的结构图和引脚图 f i g 2 1 咖l c t u r ea n dp a c k a g eo f d f bl a s e r 本课题所选的d f b 激光器采用1 4 脚蝶形封装，中心波长为1 5 5 0 0 0 0 4 0 n m ( 2 5 ) ，输出光功率不超过1 0 m w ，传输速率可达5 g b p s 。d f b 激光器 内部有光电二极管、热电制冷器和温度传感器，引脚结构图如图2 1 b ) 所示。 激光器的正极l d + 与负极l d 之间集成了激光二极管，在适当的电流驱动下受 激发出激光。引脚1 、2 之间集成了1 0 k q 的热敏电阻，用于监测激光器内部 的温度变化；引脚4 、5 之间集成了监控光电二极管( p dm o n i t o ra n o d e ) ，用于 监控激光二极管的输出光功率，保持光功率稳定3 4 蚓；引脚6 、7 之间集成了热 电制冷器( t h e r m o e l e c t r i cc o o l e r ，t e c ) ，通过加热或制冷的方式，保持激光器 温度的稳定。 为了恰当使用d f b 激光器，一定要清楚它的主要参数范围，见表2 1 。 哈尔滨理t 大学t 学硕f j 学位论文 表2 】d f b 激光器的主要参数规格 t a b l e2 - 1t y p i c a lp a r a m e t e rs p e c i f i c a t i o no fd f bl a s e r 参数最小值 典型值最人值 单位 闽值电流( 2 5 。c ) 1 4 02 5 0m a 驱动电流( 2 56 c ) l o o o1 2 0 0m a 激光器正向电压( 2 5 0 ) 1 42 0v 中心波k ：( 2 5 。c ) 1 5 4 9 7 51 5 5 0 0 01 5 5 0 2 5n m 激光器反向电压 2 ov 激光器正向电流 1 5 0 。om a 1 ：作温度范同 4 07 0 2 2 d f b 激光器驱动电路的设计 d f b 激光器对工作条件要求非常苛刻，瞬态电流或电压尖峰等许多因素都 容易损坏激光器，造成性能的急剧恶化。电流的变化还会影响输出激光性能的 准确性和稳定性m 朋。为了解决这个问题，就需要设计一种能保持电流恒定的 驱动电路。 2 2 1 基于l m 3 1 7 的d f b 激光器驱动电路 本课题采用恒流驱动方式，减小电流波动以提高d f b 激光器的稳定性。 设计了一种基于l m 3 1 7 的d f b 激光器驱动电路，见图2 2 。 u 一 3 i no u t 2 一 一 i n 4 1 4 8 a d j l m 3 1 7 2 ，r l 彳r 2 ； 妄忍 i k - - + c l d 2 、0 i l l f 、厂 i 、 一，r 3 望 图2 2 基于l m 3 1 7 的d f b 激光器驱动电路 f i g 2 - 2d r i v e rc i r c u i to fd f bl a s e rb a s e d0 1 1l m 3 17 通过观察表2 1 可知，室温下要使d f b 激光器发出激光，驱动电路提供 哈尔滨理t 大学下学硕卜学位论文 的电流要大于阈值电流，且不能高于1 2 0 m a ，激光器正向电压要小于2 v 。 l m 3 1 7 是正电压稳压器，输出电压在1 2 5 v 到3 7 v 之间可调，输出最大 电流为1 5 a 。如图2 2 所示，o u t 端输出的电压值与电阻r 2 和r 3 有关，满 足关系式： u 。1 2 5 ( 1 + 皂) ( 2 1 ) 式中u 。是o u t 端输出的电压值。当r ，= 2 4 0 f l 、可调电阻r 3 的最大阻值为 5 k q 时，o u t 端输出电压在1 2 5 v 到2 7 v 间可调。因为激光器的最大正向电 压为2 v ，所以应控制电阻r 3 的调节，使输出电压不超过2 v 。此时，测得的 驱动电流在4 2 9 i n a 到l1 9 2 m a 之间。为了避免调节电阻r 3 过度，导致驱动 电流超过最大值，可将r 3 换成1 0 0 f l 的可调电阻。此时，o u t 端输出电压在 1 2 5 v 到1 7 7 v 间可调，驱动电流在1 8 2 m a 到4 0 7 m a 之问可调。驱动电压和 驱动电流的关系曲线见图2 3 。 驱动电压( v i 图2 3l m 3 1 7 驱动电压和电流关系曲线 f i g 2 3r e l m i o n c u r v eb e t w e e nd r i v e rv o l t a g ea n dc u n c n to nl m 317 图2 3 中标注了实际测得的数据和由m m l a b 进行曲线拟合后得到的曲线。 从图中可以看出，l m 3 1 7 的驱动电压和驱动电流具有线性关系。在允许范围内 调节驱动电流，用光谱仪观测d f b 激光器发出的光谱，观察激光器中心波长 和光功率的变化，分析它们之间的变化规律，以选择合适的驱动电流使d f b 激光器j f 常工作。 在实际应用中，可能因为某些误操作使驱动电流超过限定范围，这将会导 致d f b 激光器永久损坏。为了避免这种情况发生，就有必要设计保护电路， 哈尔滨理t 大学t 学硕? l j 学位论文 以保证激光器工作在安全情况下。保护电路如图2 - 4 所示。 图2 - 4 保护电路 f i g 2 - 4p r o t e c t i o nc i r c u i t 、将l m 3 1 7 驱动电路的输出电压接入保护电路狲端。开关s 2 闭合，保护 电路开启。当输入电压小于2 v 时，o u t 端正常输出电压。当输入电压大于 2 v 时，稳压管d 5 导通，二极管d 4 发光，显示过压；同时，稳压管d 7 导 通，将输出电压控制在2 v ，起到了保护作用。 基于l m 3 1 7 的d f b 激光器驱动电路可以保持驱动电流的恒定，从而降低 了电流的变化对激光器性能的影响。保护电路可以保证输入激光器的电压不超 过限定范围，提高了激光器的安全性。但是这种驱动电路只适合在温度不变、 驱动电流恒定的情况下工作，这样才能保证输出激光的中心波长和光功率的稳 定性。 2 2 2 基于m a x 3 6 6 9 的d f b 激光器驱动电路 光功率的稳定性是评价光源质量的一个重要指标。影响d f b 激光器输出 光功率的主要因素有两个： 1 驱动电流。当驱动电流达到阈值电流时，d f b 激光器发光。随着驱动 电流的增加，发出激光的光功率呈线性增大。 2 激光器的内部温度。当驱动电流恒定时，温度的变化会引起阈值电流 的变化，导致输出激光光功率的变化。光功率随着温度的升高而下降。 为了更好的改善d f b 激光器光功率的稳定性，我们选用了一种能对光功 率进行自动控制的芯片来驱动d f b 激光器，如图2 5 所示。 p 5 l 2 3 4 图2 - 5 基于m a x 3 6 6 9 的d f b 激光器驱动电路 f i g 2 - 5d r i v e rc i r c u i to fd f bl a s e rb a s e do nm a x 3 6 6 9 本设计采用m a x i m 公司生产的m a x 3 6 6 9 激光器驱动芯片，该芯片具有 自动光功率控制功能、偏置电流和调制电流监控功能。芯片采用3 3 v 或5 v 单 电源供电，偏置电流的可编程范围是l m a 到8 0 m a ，调制电流的可编程范围是 5 m a 到7 5 m a 之间。m a x 3 6 6 9 有两种封装形式，这里选用3 2 引脚的t q f n 封装。 基于m a x 3 6 6 9 的d f b 激光器驱动电路的主要工作过程是：给芯片提供 3 3 v 电压，驱动激光器发光，b i a s 引脚有偏置电流流入。调节b i a s m a x 引 脚的电位器，设置的最大偏置电流值应高于b i a s 引脚的电流，以保证a p c 电 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 路正常工作。调节a p c s e t 端的电位器，设置激光器输出的平均光功率。此 时，b i a s 引脚的偏置电流也随之变化。激光器内部的光电二极管将光信号转 化成电信号，有监控电流产生，从m d 引脚流入m a x 3 6 6 9 内部，用来监控光 功率的变化。当激光器输出光功率变化时，m d 端的监控电流就会发生变化， 芯片内部a p c 电路自动调节偏置电流的大小，以保证光功率的稳定。 m a x 3 6 6 9 芯片采用3 3 v 电压供电，这就需要电压转换电路。选用低压差 稳压器s p x l l l 7 3 3 v 作为电压转换芯片，转换电路如图2 6 所示。图中p 6 输 入电压为5 v ，p 7 为3 3 v 电压输出端。 u 2 墨p 墨堕型三塑 i o u h 。 “ z ” c 5 - - + o + c 8 、 ：一、，u 、 = 4 7 u f1 0 4 4 7 u f一1 0 4 l 3 l 1 n h 一 图2 - 63 3 v 电压转换电路 f i g 2 - 63 3 vv o l t a g ec o n v e r t i n gc i r c u i t 2 3 驱动电路的实验研究 本课题制作的两种驱动电路实物图见图2 7 。 a ) l m 3 1 7 驱动电路实物图 哈尔滨理工人学丁学硕士学位论文 b ) m a x 3 6 6 9 驱动电路实物图 图2 7 驱动电路实物图 f i g 2 - 7p h y s i c a lo f d r i v e rc i r c u i t 2 3 1l m 317 驱动电路实验研究 使用l m 3 1 7 驱动d f b 激光器发光，用光谱仪观测激光器光谱，光谱图如 图2 8 所示。 醚缀滋缀戮鞭慈菱瑟麓麓笈麓麓黧燃黪然嬲缆筮筮燮黝嬲燮燮熬憋墼缨丝互蔓 每髫荔臻! j 。；亡口，直目- * # 一 01 卜盘1 翟窝胗0 ，j 2 。1 茹2 懈5 “5 1 脚1 谨v 。讧瑚4 。嘶? j 0 1 w 蛳”锄“1 蜘鼬1 1 湖懈1 鞋“加 ；冀艮l l l 图2 - 8 激光光谱图 f i g 2 8s p e c t r u mo fl a s e r 实验是在室温下进行，使用温控电路将激光器的温度控制在2 5 。c ，即保持 温控电路的参考电压稳定在1 2 5 v ，这就排除了温度变化对所发激光中心波长 的影响。调节l m 3 1 7 驱动电路的电位器r 3 ，在限定范围内调节驱动电流，观 察激光器中心波长和光功率的变化情况。表2 2 列出了测得的l m 3 1 7 驱动电 流和激光器中心波长的实验数据。图2 - 9 是它们之间的关系曲线。 表2 - 2l m 3 1 7 驱动电流和激光器中心波长实验数据 t a b l e2 - 2e x p e r i m e n t a ld a t ao fd r i v e rc u r r e n ta n dl a s e rc e n t e rw a v e l e n g t ho nl m 317 驱动电流中心波长驱动电流中心波艮驱动电流中心波长 m an mm an mm an m 1 8 o15 4 9 9 0 52 6 01 5 4 9 9 4 l3 4 0 15 4 9 9 6 8 1 9 01 5 4 9 9 1l2 7 0l5 4 9 9 4 73 5 ol5 4 9 9 7 2 2 0 o1 5 4 9 9 1 62 8 ol5 4 9 9 4 83 6 0 l5 4 9 9 7 4 2 1 o1 5 4 9 9 2 12 9 ol5 4 9 9 5 3 3 7 ol5 4 9 9 7 9 2 2 ol5 4 9 9 2 63 0 o 15 4 9 9 5 6 3 8 ol5 4 9 9 8 2 2 3 ol5 4 9 9 2 93 1 0l5 4 9 9 5 93 9 o15 4 9 9 8 9 2 4 0l5 4 9 9 3 53 2 ol5 4 9 9 6 24 0 0l5 4 9 9 9 4 2 5 0l5 4 9 9 3 73 3 o15 4 9 9 6 44 1 0l5 4 9 9 9 7 驱动电耀( m a ) 图2 - 9l m 31 7 驱动电流和激光器中心波k 关系曲线 f i g 2 9r e l a t i o nc u w cb e t w e e n d r i v e rc u r r e n ta n dl a s e rc e n t e rw a v e l e n g t ho nl m 317 图2 - 9 中可以看到实际测得的数据绘制的曲线和由m a t l a b 进行曲线拟合后 得到的曲线。从测得的实验数据可知，驱动电流从1 8 0 m a 变化到4 1 0 m a ，激 光器的中心波长从1 5 4 9 9 0 5 n m 变化到1 5 4 9 9 9 7 n m 。驱动电流增大，激光器中 心波长也变大。驱动电流增加l m a ，激光器的中心波长向右漂移5 p m 。从关 系曲线图可以看出，l m 3 1 7 驱动电流和激光器中心波长之间满足很好的线性关 系。所以，我们可以采用调节驱动电流的方法来改变激光器的中心波长。 调节驱动电流，使用光功率计测量光功率的变化情况。表2 - 3 是测得的 l m 3 1 7 驱动电流和激光器输出光功率的实验数据。图2 1 0 是它们之间的关系 曲线。 表2 3l m 31 7 驱动电流和激光器输出光功率实验数据 t a b l e2 - 3e x p e r i m e n t a ld a t ao fd r i v e rc u r r e n ta n dl a s e ro p t i c a lo u t p u tp o w e ro nl m 317 驱动电流光功率驱动电流光功率驱动电流光功率 m am wm am wm am w 1 8 o0 8 2 82 6 o1 0 3 53 4 01 2 4 3 1 9 00 8 5 22 7 o1 0 5 83 5 01 2 7 0 2 0 00 8 7 82 8 o1 0 8 83 6 01 2 9 7 2 1 o0 9 0 52 9 01 1 1 43 7 01 3 2 0 2 2 o0 9 3 23 0 o1 1 3 83 8 o1 3 4 6 2 3 o0 9 5 83 1 01 1 6 43 9 o1 3 7 0 2 4 00 9 8 33 2 01 1 9 l4 0 01 3 9 8 2 5 o1 0 0 83 3 01 2 1 64 1 01 4 2 4 驱动电流( m a ) 图2 1 0l m 3 1 7 驱动电流和激光器输出光功率关系曲线 f i g 2 - 10r e l a t i o nc u w eb e t w e e nd r i v e rc u r r e n ta n dl a s e ro p t i c a lo u t p u tp o w e ro nl m 3 17 从实验测得的数据可知，驱动电流从1 8 m a 变化到4 1 m a ，激光器输出光 功率从o 8 2 8 m w 增大到1 4 2 4 m w 。驱动电流增大l m a ，输出光功率大约增加 0 0 2 6 m w 。图2 1 0 是用实测数据绘制的曲线，可以看出驱动电流和光功率之间 满足非常好的线性关系。 - 通过l m 3 1 7 驱动电流和中心波长、光功率的实验可知，调节d f b 激光器 的驱动电流，可以改变激光器的中心波长和输出光功率。且驱动电流分别和中 心波长、光功率之间满足线性关系。由于驱动电流的变化会引起光功率的变 哈尔滨理t 大学t 学硕1 ：学位论文 化，这会大大降低激光器的稳定性。由此可知，l m 3 1 7 驱动电路适合在驱动电 流不变的情况下实现对d f b 激光器的驱动。 2 3 2m a x 3 6 6 9 驱动电路实验研究 使用m a x 3 6 6 9 驱动d f b 激光器发光，用温控电路将激光器的温度恒定 在2 5 ，这就排除了温度变化的影响。作为一种恒功率驱动电路，m a x 3 6 6 9 具有自动功率控制功能。当二极管d l 不发光时，说明自动功率控制电路工 作。与l m 3 1 7 驱动电路不同，m a x 3 6 6 9 的偏置电流不是手动直接调节的，而 是为保持激光器输出光功率的恒定由芯片自动控制的。调节a p c s e t 引脚的电 位器r 1 3 可以改变激光器输出的平均光功率，此时b i a s 引脚的偏置电流也随 之变化。表2 - 4 列出了测得的激光器输出光功率和偏置电流实验数据。二者的 变化关系曲线见图2 1 l 。 表2 4m a x 3 6 6 9 驱动激光器输出光功率和偏置电流实验数据 t a b l e2 - 4e x p e r i m e n t a ld a t ao fl a s e ro p t i c a lo u t p u tp o w e ra n db i a sc i r c u i to nm a x 3 6 6 9 光功率偏置i 乜流光功率偏置电流光功率偏置电流 m wm am wm am wm a 3 97 42 35 00 6 1 82 5 3 67 02 04 50 2 7 32 0 3 36 51 74 00 1 9 61 9 2 96 01 3 3 5 0 1 9 51 8 4 2 65 50 9 6 93 0 光功率( r o w ) 图2 1im a x 3 6 6 9 驱动激光器输出光功率和偏置电流的关系曲线 f i g 2 - 1 lr e l a t i o nc u r v eb e t w e e nl a s e ro p t i c a lo u t p u tp o w e ra n db i a sc i r c u i to nm a x 3 6 6 9 哈尔滨理t 大学工学硕 ：学位论文 从实验测得的数据可知，当d f b 激光器的最大输出光功率为3 9 m w 时， 偏置电流为7 4 r n a ，此时为a p c 有效的临界状态。这是因为m a x 3 6 6 9 能提供 的偏置电流范围是1 8 0 m a ，如果再增大光功率，偏置电流将超出最大限度， 二极管d l 将发光警告a p c 电路失效。从表2 4 可以看出，光功率下降，芯片 自动控制的偏置电流也随之下降。光功率从3 9 m w 降低到0 1 9 5 m w ，偏置电流 从7 4 m a 减d , n1 8 4 m a 。从关系曲线可以看出，激光器输出的光功率和偏置 电流之间满足线性关系。 2 4 本章小结 本章对d f b 激光器的驱动电路进行了设计。分别采用恒流驱动和恒功率 驱动两种方法驱动d f b 激光器发光，使用光谱仪和光功率计观察所发激光的 中心波长和光功率的变化情况，对两种驱动电路的性能进行了分析。基于 l m 3 1 7 的恒流驱动电路能为激光器提供稳定的驱动电流，降低了电流的变化对 所发激光稳定性的影响，但是对光功率不能进行很好的控制，因而该电路适合 在恒温、恒定驱动电流的情况下工作。同时设计了基于m a x 3 6 6 9 的恒功率驱 动电路，该电路具有自动功率控制功能，能保持输出激光光功率的稳定。通过 比较可知，恒功率驱动方式要优于恒流驱动方式，使d f b 激光器的应用范围 更广。 哈尔滨理工人学丁学硕 ：学位论文 第3 章d f b 激光器温度控制电路的设计 d f b 激光器对温度的变化非常敏感。温度作为影响d f b 激光器稳定性的 重要因素之一，主要表现在： 1 温度的变化会引起中心波长的漂移； 2 温度的变化会引起阈值电流的变化； 3 温度的变化会引起光功率的改变； 4 温度的变化会影响激光器的使用寿命。 所以，控制d f b 激光器温度的稳定是保持激光器性能稳定的关键。由于 温度的变化和波长的漂移有一定的变化规律，这样就可以通过控制温度来调节 d f b 激光器的中心波长，实现d f b 激光器的波长可调谐。 3 1 温度控制芯片的选取 d f b 激光器内部集成有热电制冷器、热敏电阻。选择合适的温度控制芯片 可以精确的显示和控制激光器的温度。 内部的热敏电阻紧贴在激光器的内壁上，是由负温度系数很大的半导体材 料制成的，也称为负温度系数( n e g a t i v et e m p e r a t u r ec o e m c i e n t ，n t c ) 热敏 电阻。室温下，热敏电阻阻值为1 0 k q 。温度升高，电阻阻值呈指数关系下 降。这是由于温度升高，电阻内部的载流子( 空穴和自由电子) 数目增加，电阻 阻值下降；而温度降低，载流子数目减少，电阻阻值升高。所以，通过测量热 敏电阻两端电压的变化，就可以知道阻值的变化，从而反馈出激光器内部温度 的变化。 热电制冷器( t h e r m o e l e c t r i cc o o l e r ，t e c ) 是采用半导体材料制成的，利用 珀尔帖效应来实现加热制冷的器件，也称为半导体制冷器。t e c 内部通过电极 将p 型和n 型对连接到一起，称为热电偶。当有直流电流流过的时候，电热 量从一侧转移到另一侧，就形成了热侧和冷侧，这就是t e c 加热制冷的主要 原理。通过控制流过t e c 两端电流的方向，就可以决定t e c 是实现制冷还是 加热功能。控制电流的大小，可以实现对制冷量和加热量的控制。这就可以有 效的控制d f b 激光器的温度稳定性啪骝1 。 要想精确控制d f b 激光器的温度，所选用的温度控制芯片要能有效的检 测并控制温度，还要有很好的保护功能。综合各方面考虑，选用l i n e a r 公司生 哈尔滨理工大学工学硕+ 学位论文 产的l t c l 9 2 3 芯片作为d f b 激光器温度控制芯片。 3 2d f b 激光器温度控制电路的设计 l t c l 9 2 3 是一款高效率、低噪声、采用脉宽调制方法进行t e c 控制的芯 片。它的主要优点有：高精度、低功耗、高集成度。最大漂移电压不超过 2 5 0 ，温度误差小于0 0 l 。它有两种封装形式：3 2 引脚q f n 封装和2 8 引脚的s s o p 封装。这里选用2 8 引脚s s o p 封装形式。它的内部功能结构框 图见。图3 1 。 图3 1l t c l 9 2 3 内部功能框图 f i g