RFOG中LD光源驅動電路設計

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.北京航空航天大學微納測控與教育部重點實驗室北京100191)

RFOG中LD光源驅動電路設計

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展前景，光源在系統中有著很重要的作用。由于慣導系統工作在多變的外界環境下，環境因素引起的LD輸出光功率不穩定會對陀螺的精度產生極大影響。為減小這種不穩定造成的檢測誤差，給出了一種恒流＋溫控的驅動電路來穩定光源輸出功率，實驗測定恒流電路的電流穩定性優于0.12%。激光器組件內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光源的輸出功率標準差為0.0165mW。

諧振式光纖陀螺；發光二極管；驅動電路

0 引言

陀螺是敏感慣性空間角速度運動的裝置，是慣性導航系統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展起來的一種新型光學陀螺，它以無源光纖諧振腔為敏感介質，能夠在實現高精度的同時有效減小光纖長度，具有無源結構、精度高、體積小、成本低等優點，是國內外慣性器件發展的重要方向之一［1］。

半導體激光器(Laser Diode，LD)體積小、轉換效率高、價格低廉，能夠滿足RFOG對光源調諧范圍寬、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，從而使最終結果產生較大的誤差。因此，要求LD的電源具有很高的電流穩定度。

LD的輸出光功率和中心波長會隨著驅動電流和管芯溫度的漂移而發生變化，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調節電路，利用閉環負反饋原理，設計了一個高精度的恒流驅動和溫控電路，來實現LD輸出光源的穩定性。

1 LD的特性

本文使用波長為1550nm的LD光源組件，它采用標準的14腳帶尾纖的耦合封裝，并內置了熱敏電阻和帕爾貼半導體制冷器(Thermoelectric Cooler，TEC)，熱敏電阻用來檢測器件溫度并控制TEC，是實現自動恒溫控制的重要組成部分。內置的熱敏電阻常溫下阻值為10kΩ，負溫度系數為－0.5kΩ／℃，阻值與溫度大小成反比，當溫度上升時阻值減小，電壓值也隨之改變，電壓經放大后與設定溫度電壓進行比較，產生偏差電壓。PID網絡根據偏差電壓的值控制電橋輸出電流，進而驅動TEC工作。TEC的工作原理以帕爾貼(Peltier)效應為基礎，當電流流過TEC時，TEC中的n型材料與p型材料之間發生能量轉移。TEC既可制冷也可加熱，當電流由正極流向負極時，起制冷作用；當電流由負極流向正極時，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光電特性測量結果如圖1所示。

2 驅動電路設計

作為泵浦光源，LD的輸出特性對系統性能起著至關重要的作用，而LD驅動電路又直接影響激光器的輸出特性。驅動電流的波動會造成LD的激光強度噪聲，從而影響激光器輸出功率穩定性。此外，瞬態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，安全穩定工作，必須為其提供高性能的驅動電源。

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

2.1 恒流源電路設計

圖2為設計的恒流源電路。半導體激光器驅動電源開關時，會在電路中形成一個過渡過程，即在開啟時，驅動電流出現很大的過沖，隨后經過過渡過程才趨穩定。這種驅動電流的過沖易使PN結電擊穿，解理面遭光損傷和破壞。圖2左側為RC網絡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。

如果半導體激光器的驅動電流超過其損壞閾值電流，很容易導致半導體激光器的損壞，因此本文在驅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或飽和區，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，半導體激光器的輸出受環境溫度和本身溫度變化的影響非常嚴重。由于PN結的內部承受著相當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制，相當一部分電功率將轉化為熱量，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、波長等不發生顯著變化。

為消除環境溫度變化對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溫恒定，從而排除溫度變化帶來的影響。TEC制冷器是電流驅動型器件，本文采用了MAX1978溫控芯片，輸出電流驅動TEC加熱或制冷。MAX1978是Maxim公司研制推出的一款專用于半導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。它的片內集成了場效應管、超低漂移的斬波自穩零儀表放大器；通過外加溫度控制閉環電路，理論上可以獲得高達0.001℃的溫度精度；而且它基本不存在死區，即使當目標溫度的設置點十分接近周圍工作環境溫度時，也能夠輸出極低的制冷或加熱電流［6］。圖3 為MAX1978經典溫度控制系統電路原理圖，系統采用的是5V供電。

本文采用電橋的方式來實現溫控功能，如圖4所示。MAX1978的引腳18(FB－)為設定溫度的鏈接端，引腳19(FB＋)為實時溫度的鏈接端，也分別是斬波自穩零儀表放大器的反向和同向輸入端。設定值的電壓與熱敏電阻Rth共用一個芯片內部參考電壓。R1與R2的阻值相等，Rr為高精度的可調電位器。當需要LD在某個溫度點工作時，只需將電位器調節到該溫度點下熱敏電阻的阻值即可。采用電橋的好處是，當參考電壓存在漂移或者其精度有所誤差時，經過電橋后，目標溫度的實時值和設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補償網絡。PID補償網絡是TEC溫度控制的關鍵模塊，它由電阻、電容和內部斬波放大器組成。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的穩態誤差，實現對設定值的跟蹤，微分部分用來控制系統的響應速度，縮短調節時間。

3 測試結果

利用前面介紹的光源驅動電路，本文進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的實時驅動電流，只要此電壓值保持穩定，也就意味著LD的驅動電流很穩定。利用數字萬用表測試并記錄采樣電壓值，每5s測一個數據，測試時間為400s，并將測試數據轉化為電流值。圖5為恒流源的輸出結果。

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，輸出穩定在117.2mA左右。測得電流穩定性：

LD組件內的熱敏電阻的阻值與溫度呈非線性的關系［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時間內的輸出光功率測試結果，如圖7所示。

它的穩定性標準差如下：

4 結論

本文分析了LD驅動電路的原理與設計。針對LD輸出光功率穩定性的要求，采用了恒流源＋溫控的方案。測試結果表明，恒流源的電流穩定性優于0.12%，溫控條件下溫度的波動性在±0.05℃，輸出光功率的標準差為0.0165mW。該電路已經得到實際運用，而且該驅動電路不僅適合RFOG光源的驅動，還可廣泛應用于其他半導體激光器的驅動。

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Design of Driving Circuit for LD Used for RFOG

TAN Yin?jiong1，2，ZHOU Zhen1，2，WANG Xiao1，2，FENG 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