关键词:
蝶形半导体激光器
恒流源
温度控制
噪声抑制
PSO
PID
摘要:
蝶形半导体激光器是小型、高效、集成度高的光学精密器件,常用于光通讯、医疗、军事等领域。它工作时需要稳定的电流和温度,来维持激光器光功率和输出波长的稳定。为保证其工作性能,根据蝶形半导体激光器的内部工作原理和出光特性,设计一款具备恒流源驱动和温度控制功能的激光器低噪声驱动电路,在小体积和低成本的同时,能够提供可调节的电流输出和稳定的工作温度。通过采取有效的噪声抑制措施,实现恒流输出的稳定性,从而提高在其应用领域的可靠性。
恒流驱动电路设计采用压控流型,通过单片机((Microcontroller Unit,MCU)芯片内部数模转换器(Digital to analog converter,DAC)输出电压控制N型金属-氧化物-半导体(N-Metal-Oxide-Semiconductor,NMOS)的导通程度,实现恒流输出和电流可调。同时引入闭环负反馈和噪声抑制措施提高输出电流的稳定性和可靠性。为防止激光器工作时受到损坏,采用延时启动和过流保护等防护措施。
温度控制电路根据激光器内部热电冷却器(Thermo-Electric Cooler,TEC)的工作原理和特性,通过数学建模的方法进行数据采集和曲线拟合求TEC模块传递函数。利用MATLAB中的Simulink仿真工具搭建温度控制系统仿真模型,通过改进粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)迭代寻优PID(ProportionalIntegral-Derivative,PID)控制器参数,最终应用到实际温控电路。通过MCU内部的模数转换器(Analog-to-digital converter,ADC)采集激光器内部热敏电阻上的电压值,转换得到实时温度值,通过PID算法和预设温度值进行对比,比对结果通过MCU输出相应的控制信号到RZ7899芯片引脚,改变电流流入TEC模块的大小及方向,实现温度控制。
为增强人机交互性,驱动OLED屏幕显示激光器实时温度值和电流值,通过独立按键调节电流值大小。最终对驱动电路进行测试分析,测试结果表明,此驱动电路可以给激光器提供稳定的电流和温度。恒流源输出电流值线性关系良好;电流从10m A递增到120m A,输出最大误差0.08m A;恒流源持续输出60m A电流1h,稳定性为0.10%。温度控制电路2h内温度稳定性为0.52%;在电流50m A,温度25℃条件下,激光器连续运行2h,波长最大漂移为0.011nm。