譚銀炯周 震王 瀟馮麗爽(1.微納測控與低維物理教育部重點實驗室北京1001912.北京航空航天大學(xué)微納測控與教育部重點實驗室北京100191)

RFOG中LD光源驅(qū)動電路設(shè)計

譚銀炯1，2，周 震1，2，王 瀟1，2，馮麗爽1，2
(1.微納測控與低維物理教育部重點實驗室，北京100191；2.北京航空航天大學(xué)微納測控與教育部重點實驗室，北京100191)

諧振式光纖陀螺具有良好的發(fā)展前景，光源在系統(tǒng)中有著很重要的作用。由于慣導(dǎo)系統(tǒng)工作在多變的外界環(huán)境下，環(huán)境因素引起的LD輸出光功率不穩(wěn)定會對陀螺的精度產(chǎn)生極大影響。為減小這種不穩(wěn)定造成的檢測誤差，給出了一種恒流＋溫控的驅(qū)動電路來穩(wěn)定光源輸出功率，實驗測定恒流電路的電流穩(wěn)定性優(yōu)于0.12%。激光器組件內(nèi)包含的熱敏電阻阻值隨溫度變化而改變，通過測量溫控條件下熱敏電阻兩端電壓，計算得到溫度波動為±0.05℃。同時，實驗還測量了在30℃時，LD光源的輸出功率標(biāo)準(zhǔn)差為0.0165mW。

諧振式光纖陀螺；發(fā)光二極管；驅(qū)動電路

0 引言

陀螺是敏感慣性空間角速度運(yùn)動的裝置，是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與慣性儀表的核心部件。諧振式光纖陀螺(Resonator Fiber Optical Gyro，RFOG)是基于激光陀螺和干涉式光纖陀螺發(fā)展起來的一種新型光學(xué)陀螺，它以無源光纖諧振腔為敏感介質(zhì)，能夠在實現(xiàn)高精度的同時有效減小光纖長度，具有無源結(jié)構(gòu)、精度高、體積小、成本低等優(yōu)點，是國內(nèi)外慣性器件發(fā)展的重要方向之一［1］。

半導(dǎo)體激光器(Laser Diode，LD)體積小、轉(zhuǎn)換效率高、價格低廉，能夠滿足RFOG對光源調(diào)諧范圍寬、線寬窄的要求［2］。激光器輸出微小的波動都會引起被測量的較大偏移，從而使最終結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差。因此，要求LD的電源具有很高的電流穩(wěn)定度。

LD的輸出光功率和中心波長會隨著驅(qū)動電流和管芯溫度的漂移而發(fā)生變化，所以為了獲得良好的光源性能，本文采用了相對獨立的恒流和溫控方案，并在溫控電路中引入PID調(diào)節(jié)電路，利用閉環(huán)負(fù)反饋原理，設(shè)計了一個高精度的恒流驅(qū)動和溫控電路，來實現(xiàn)LD輸出光源的穩(wěn)定性。

1 LD的特性

本文使用波長為1550nm的LD光源組件，它采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳帶尾纖的耦合封裝，并內(nèi)置了熱敏電阻和帕爾貼半導(dǎo)體制冷器(Thermoelectric Cooler，TEC)，熱敏電阻用來檢測器件溫度并控制TEC，是實現(xiàn)自動恒溫控制的重要組成部分。內(nèi)置的熱敏電阻常溫下阻值為10kΩ，負(fù)溫度系數(shù)為－0.5kΩ／℃，阻值與溫度大小成反比，當(dāng)溫度上升時阻值減小，電壓值也隨之改變，電壓經(jīng)放大后與設(shè)定溫度電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差電壓。PID網(wǎng)絡(luò)根據(jù)偏差電壓的值控制電橋輸出電流，進(jìn)而驅(qū)動TEC工作。TEC的工作原理以帕爾貼(Peltier)效應(yīng)為基礎(chǔ)，當(dāng)電流流過TEC時，TEC中的n型材料與p型材料之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。TEC既可制冷也可加熱，當(dāng)電流由正極流向負(fù)極時，起制冷作用；當(dāng)電流由負(fù)極流向正極時，起加熱作用。電流的大小與制冷量成正比［3］。

本文所使用的LD光電特性測量結(jié)果如圖1所示。

2 驅(qū)動電路設(shè)計

作為泵浦光源，LD的輸出特性對系統(tǒng)性能起著至關(guān)重要的作用，而LD驅(qū)動電路又直接影響激光器的輸出特性。驅(qū)動電流的波動會造成LD的激光強(qiáng)度噪聲，從而影響激光器輸出功率穩(wěn)定性。此外，瞬態(tài)的電流或電壓尖峰等因素都會使激光器的性能下降或造成永久性損壞［4］。為了確保激光器的輸出性能，安全穩(wěn)定工作，必須為其提供高性能的驅(qū)動電源。

針對以上要求，本文設(shè)計的光源驅(qū)動電路包含兩部分——恒流源部分和溫控部分，保證輸出穩(wěn)定的驅(qū)動電流且管芯溫度不隨時間而產(chǎn)生較大的漂移。

2.1 恒流源電路設(shè)計

圖2為設(shè)計的恒流源電路。半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源開關(guān)時，會在電路中形成一個過渡過程，即在開啟時，驅(qū)動電流出現(xiàn)很大的過沖，隨后經(jīng)過過渡過程才趨穩(wěn)定。這種驅(qū)動電流的過沖易使PN結(jié)電擊穿，解理面遭光損傷和破壞。圖2左側(cè)為RC網(wǎng)絡(luò)形成的慢啟動電路部分，電阻和電容組成的濾波電路可以消除上電和斷電瞬間的浪涌脈沖。電阻和電容的值越大，濾波帶寬也就越低，上電啟動時間和斷電完成時間也就越長。

如果半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電流超過其損壞閾值電流，很容易導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器的損壞，因此本文在驅(qū)動電流中增加了電流限制功能。U2為比較器，可以控制三極管是否工作在截止區(qū)或飽和區(qū)，從而防止工作電流超過閾值。

恒流源的精度受恒壓源Vcc的影響，采用低溫度系數(shù)的電子元器件可以改善恒流源的溫度特性［5］。

2.2 溫控電路設(shè)計

LD是一個對溫度很敏感的器件，它的工作溫度對其工作特性有非常大的影響，半導(dǎo)體激光器的輸出受環(huán)境溫度和本身溫度變化的影響非常嚴(yán)重。由于PN結(jié)的內(nèi)部承受著相當(dāng)大的電流密度和熱耗散功率密度，不可避免地存在各種損耗機(jī)制，相當(dāng)一部分電功率將轉(zhuǎn)化為熱量，引起激光器溫度升高，從而影響激光的輸出。因此，在使用時，特別是高功率輸出時，需要低溫或恒溫裝置，以保證其輸出光強(qiáng)、波長等不發(fā)生顯著變化。

為消除環(huán)境溫度變化對LD輸出特性的影響，采取主動溫控的方案，采用帕爾貼制冷器以保持激光器結(jié)溫恒定，從而排除溫度變化帶來的影響。TEC制冷器是電流驅(qū)動型器件，本文采用了MAX1978溫控芯片，輸出電流驅(qū)動TEC加熱或制冷。MAX1978是Maxim公司研制推出的一款專用于半導(dǎo)體熱電制冷器模塊的最安全、小巧、精確的單片集成溫度控制芯片。它的片內(nèi)集成了場效應(yīng)管、超低漂移的斬波自穩(wěn)零儀表放大器；通過外加溫度控制閉環(huán)電路，理論上可以獲得高達(dá)0.001℃的溫度精度；而且它基本不存在死區(qū)，即使當(dāng)目標(biāo)溫度的設(shè)置點十分接近周圍工作環(huán)境溫度時，也能夠輸出極低的制冷或加熱電流［6］。圖3 為MAX1978經(jīng)典溫度控制系統(tǒng)電路原理圖，系統(tǒng)采用的是5V供電。

本文采用電橋的方式來實現(xiàn)溫控功能，如圖4所示。MAX1978的引腳18(FB－)為設(shè)定溫度的鏈接端，引腳19(FB＋)為實時溫度的鏈接端，也分別是斬波自穩(wěn)零儀表放大器的反向和同向輸入端。設(shè)定值的電壓與熱敏電阻Rth共用一個芯片內(nèi)部參考電壓。R1與R2的阻值相等，Rr為高精度的可調(diào)電位器。當(dāng)需要LD在某個溫度點工作時，只需將電位器調(diào)節(jié)到該溫度點下熱敏電阻的阻值即可。采用電橋的好處是，當(dāng)參考電壓存在漂移或者其精度有所誤差時，經(jīng)過電橋后，目標(biāo)溫度的實時值和設(shè)定值都會受到同等程度的干擾，兩者的差值基本不變，從而消除了漂移及誤差對信號的影響。

電橋出來的偏差電壓將被送入PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是TEC溫度控制的關(guān)鍵模塊，它由電阻、電容和內(nèi)部斬波放大器組成。其中，比例部分可以控制偏差減小過程的快慢，積分部分可以控制消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，實現(xiàn)對設(shè)定值的跟蹤，微分部分用來控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，縮短調(diào)節(jié)時間。

3 測試結(jié)果

利用前面介紹的光源驅(qū)動電路，本文進(jìn)行了恒流輸出測試和溫控條件下功率輸出實驗測試。對于恒流源電路，因為取自電流采樣電阻上的電壓反映了LD的實時驅(qū)動電流，只要此電壓值保持穩(wěn)定，也就意味著LD的驅(qū)動電流很穩(wěn)定。利用數(shù)字萬用表測試并記錄采樣電壓值，每5s測一個數(shù)據(jù)，測試時間為400s，并將測試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電流值。圖5為恒流源的輸出結(jié)果。

從圖5中可以看出，恒流源有一個緩慢啟動的過程，在工作一段時間后，輸出穩(wěn)定在117.2mA左右。測得電流穩(wěn)定性：

LD組件內(nèi)的熱敏電阻的阻值與溫度呈非線性的關(guān)系［7］，特性方程為：

30℃時，熱敏電阻自身溫度變化1℃，電阻值的相對變化約為310Ω。測量了1000s設(shè)定溫度為30℃下FB－端的電壓值，并通過計算得到熱敏電阻的阻值，如圖6所示。

從圖6中可以看出，熱敏電阻的阻值波動為30Ω，所以溫度的波動在±0.05℃。同時，本文測試了在30℃溫控恒流條件下1000s時間內(nèi)的輸出光功率測試結(jié)果，如圖7所示。

它的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)差如下：

4 結(jié)論

本文分析了LD驅(qū)動電路的原理與設(shè)計。針對LD輸出光功率穩(wěn)定性的要求，采用了恒流源＋溫控的方案。測試結(jié)果表明，恒流源的電流穩(wěn)定性優(yōu)于0.12%，溫控條件下溫度的波動性在±0.05℃，輸出光功率的標(biāo)準(zhǔn)差為0.0165mW。該電路已經(jīng)得到實際運(yùn)用，而且該驅(qū)動電路不僅適合RFOG光源的驅(qū)動，還可廣泛應(yīng)用于其他半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動。

[1] 郅銀周.諧振式光纖陀螺閉環(huán)檢測技術(shù)研究[D].北京航空航天大學(xué)，2015. ZHI Yin?zhou. Close?loop detection technology for resonator fiber optical gyro[D].Beihang University，2015.

[2] 馬迎建，宋彭，武學(xué)英.外腔半導(dǎo)體激光器在諧振式光學(xué)陀螺中的應(yīng)用研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，30 (4):51?53＋56. MA Ying?jian，SONG Peng，WU Xue?ying.Application research of external cavity semiconductor laser in resonant optical gyroscope[J].Transducer and Microsystem Tech?nologies，2011，30(4):51?53＋56.

[3] 安龍華.LD抽運(yùn)固體激光器控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].西安理工大學(xué)，2007. AN Long?hua.Research and development of LD?pimped solid?state laser control system[D].Xi'an University of Technology，2007.

[4] 張書云，朱永濤，杜章永，等.帶有自適應(yīng)過流保護(hù)的LD驅(qū)動電源的設(shè)計[J].應(yīng)用激光，2007，27(6): 492?495. ZHANG Shu?yun，ZHU yong?tao，DU Zhang?yong，et al. A design of driver with adaptive over?current protection for LD[J].Applied Laser，2007，27(6):492?495.

[5] 劉杰，李太和，劉軍，等.低功耗光纖陀螺用光源驅(qū)動電路的設(shè)計與實現(xiàn)[J].紅外與激光工程，2005，34(3): 364?367. LIU Jie，LI Tai?he，LIU Jun，et al.Design and realization of FOG source's driving circuit with low power dissipation[J]. Infrared and Laser Engineering，2005，34(3):364?367.

[6] 王峰.寬帶光鎖相環(huán)技術(shù)研究[D].電子科技大學(xué)，2014. WANG Feng.Research on fast optical phase locked loop [D].University of Electronic Science and Technology of China，2014.

[7] 李斌.半導(dǎo)體激光二極管溫度控制器和驅(qū)動電源設(shè)計與實現(xiàn)[D].山西大學(xué)，2007. LI Bin.The design and achievement of temperature con?troller and driver for laser diodes [D]. Shanxi University，2007.

Design of Driving Circuit for LD Used for RFOG

TAN Yin?jiong1，2，ZHOU Zhen1，2，WANG Xiao1，2，F(xiàn)ENG Li?shuang1，2
(1.Key Laboratory of Micro?nano Measurement，Manipulation and Physics(Ministry of Education)，Beijing 100191; 2.Key Laboratory of Precision Opto?mechatronics Technology，Ministry of Education，Beihang University，Beijing 100191)

The resonator fiber optical gyro(RFOG)has an outstanding future，light source plays a very important role in RFOG system.As the navigation system often works in complex environment，the output power would be unstable，which decreases the precision of RFOG.To reduce the error of measurement，this article engages a driving circuit of“constant current source＋temperature controlling circuit”to stable the output light power.In the experiments，the stability of con?stant current is 0.12%.The resistance of the thermistor in the LD module changes due to temperature variation.Under the condition of temperature controlling，the temperature fluctuation is±0.05℃，by measuring the voltage of the thermistor.At the same time，the standard deviation stability of the light source power is 0.0165mW.

resonator fiber optical gyro;light?emitting diode;driving circuit

TN29

A

1674?5558(2017)02?01286

10.3969／j.issn.1674?5558.2017.02.012

譚銀炯，男，碩士，研究方向為激光器鎖頻。

2016?06?27