光纖陀螺用SLD光源驅(qū)動電路設計

張國財 王浩 程文明

摘要：超輻射SLD短相干長度的電光效率較高，作為一種寬光譜的光時域反射儀，在傳感計測、中短程光纖通信等領域應用廣泛。發(fā)揮航空、航海、導航自控定位作用。本文對光纖陀螺理想光源設計中SLD硬件構(gòu)成、控制軟件流程以及SLD光源驅(qū)動電路等進行分析，期望對半導體激光光源提高精度控制具有參考作用。

關鍵詞：光纖陀螺：SLD;光源驅(qū)動電路

1、SLD穩(wěn)定性要求

半導體激光器重量輕、電光效率高、是光源中不可替代的器件。常用的編寫半導體激光器使用的標準14腳待尾纖1.3umSLD。在寬光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生高增益單波導放大器的超輻射。在FOG系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，具有軍事民用等應用背景。擁有短時間相干性和長空間相干性?；诮撬俣葌鞲衅?，光源穩(wěn)定性強，在中高精度范圍內(nèi)誤差較小。

SLD穩(wěn)定通過電流、溫度、功率進行穩(wěn)定性控制，主要取決于驅(qū)動電路控制能力。影響精度的光源穩(wěn)定度包括光功率、光波長、光偏振。驅(qū)動電路解決了功率和波長的穩(wěn)定性的問題光學手段解決光偏振現(xiàn)象。在SLD光電特性圖上，可以看到穩(wěn)定的SLD驅(qū)動電流是光功率恒定的條件。自動功率控制APC電路響應FOG要求，曲線斜率較大，長期使用會產(chǎn)生功率偏移。在大功率狀態(tài)下，溫度上升的過寬導致SLD的波長受到影響，這就要求對于電源進行溫度穩(wěn)定的控制[1]。

2、SLD驅(qū)動電路工作原理

SLD內(nèi)部包括光檢測器、SLD管芯以及制冷器、溫敏電阻。驅(qū)動電路驅(qū)動SLD管芯和制冷器，提供SLD的溫度和光功率，驅(qū)動電路由溫敏電阻和光檢測器的狀態(tài)獲取自動功率控制的參數(shù)，根據(jù)反饋進行狀態(tài)調(diào)節(jié)。

2.1SLD驅(qū)動電路對電流高度進行控制，保證噪聲和偏移較小，一般小于0.05MA，自動電路控制功率用于電流的調(diào)整，大小要滿足功率恒定要求。ATC電路及逆行傳感器、溫敏電阻的控制的目的是達到溫度恒定，用以控制制冷器，制冷系數(shù)為-0.5%攝氏度，控制精度達到0.1攝氏度，電阻變化小于50兆歐[2]。

2.2電路保護主要用于脈沖尖峰和點沖擊的防護。設計中應有慢啟動電路，設置在電源輸入端，做好SLD管芯有電流流入的過載保護處理。

3、電路設計方案

了解驅(qū)動電路的工作原理，有利于完成驅(qū)動電路的設計，兼具經(jīng)驗和創(chuàng)造力的設計者，能夠?qū)崿F(xiàn)多功能的巧妙結(jié)合。

3.1對于恒流源進行分立元件的設計，滿足集成恒流源的運行要求。包括調(diào)試方便、穩(wěn)定性強、體積小、使用方便等。

3.2保護電路通過PIN檢測器進行光功率的轉(zhuǎn)換，控制電流，加強預制電壓的放大效果。做好限流和電流的保護。將電極接在基礎極上，當電極電流出現(xiàn)脈沖后，拉去部分的基極電流，抑制電流提升。

3.3進行電路設計，對于溫敏電阻隨著溫度變化而變化的特性要明確。在進行電路設計的時候，驅(qū)動制冷器與預置電壓的設計，可以采用轉(zhuǎn)換的方法，根據(jù)電阻的變化進行恒定電流的設計，電壓變化體現(xiàn)在電阻電橋上，放大器的輸出端設計分立元件，左半部分是恒流源驅(qū)動，右半部分是APC電路，此時各個部分的設計完成，反饋體現(xiàn)在電流注入方面，通過三極管的功率恒定設計，改變流過SLD電流。注意設計的時候挑選適合的元器件，保證供電電源的交流噪聲和穩(wěn)定性達到最佳效果。

4、數(shù)據(jù)測試結(jié)果

進行電路集成設計，考慮到集成驅(qū)動源的使用，在集成驅(qū)動源的設計方面，發(fā)揮集成驅(qū)動源的體積小、使用方便的特點，在一般要求的SLD驅(qū)動中，將少量外圍器件進行設計，用于SLD控制和調(diào)節(jié)，體現(xiàn)工程化的FOG的小型化器件和集成化實用化的SLD驅(qū)動電源的特性[3]。

為了實時地對SLD光源設計的效果進行監(jiān)測，采用實驗的方法，針對各類環(huán)境和條件下的SLD光源的參數(shù)變化進行內(nèi)在規(guī)律的測量。將光源組件放置在數(shù)控溫箱內(nèi)，采用全數(shù)字光源控制系統(tǒng)進行采樣和驅(qū)動，根據(jù)測試項目的需要，胸痛進行異步通訊的采集以及通用總線GPIB實時的處理，獲得測試設備的光功率、偏振模式以及光譜分析結(jié)果，完成監(jiān)控實驗。

對于SLD驅(qū)動電源進行設計后，進行集成器件的測量，測得的結(jié)果為：

取值時間為60秒，制冷電流為180MA，驅(qū)動電流90MA，均方差值為0.07。計算機實時進行數(shù)據(jù)接收，采用語言百年之，選擇將SLD光源特征參數(shù)進行繪圖，數(shù)據(jù)自動存儲為TXT文本文件，再進行串行通信的參數(shù)調(diào)整，使用液晶顯示屏對數(shù)據(jù)進行顯示。

SLD全數(shù)字光源控制系統(tǒng)的設計，依據(jù)的SLD光源所有特征的參量。使用高速、高精度的數(shù)字控制算法，高速D/A數(shù)字控制量進行數(shù)字控制量的模擬轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)靈活的光源驅(qū)動閉環(huán)控制，進行遠程監(jiān)控，利用計算機進行數(shù)據(jù)傳輸和處理。該系統(tǒng)的主要特征是進行全數(shù)字控制主控芯片作為核心[4]。

全數(shù)字控制系統(tǒng)包括反饋、控制、采樣模塊，通過多通道高精度的采集，將溫敏電阻反映出的內(nèi)部溫度進行設置，半導體PN結(jié)構(gòu)中的光功率、驅(qū)動電流的驅(qū)動。反饋模塊包括可調(diào)電流驅(qū)動，由高精度高速D/A進行功率放大期間的組成。SLD光源任何微秒級的過載驅(qū)動都會對SLD過載驅(qū)動進行損壞，因此設計上應進行驅(qū)動源的驅(qū)動，由高精度D/A進行穩(wěn)壓濾波電路的轉(zhuǎn)換。產(chǎn)生可調(diào)高精度的驅(qū)動。電流從0-200MA，驅(qū)動電流防靜電和防浪涌等均具備。還有防止軟件時空的緩啟動裝置和硬件保護裝置。

主控程序具有誤差小、動態(tài)好、控制精度高的優(yōu)勢，采用智能PID進行算法控制?？刂屏鞒萄h(huán)進行，系統(tǒng)初始化后進行參數(shù)控制，由模塊進行多路SLD光源特性的采樣，根據(jù)數(shù)控方案，進行參量和控制輸入量的運算，結(jié)果進行PID算法驗證，傳送到反闊模塊，放大電路轉(zhuǎn)換后，模擬信號經(jīng)過D/A和相應的功率放大，對電流大小進行調(diào)整，驅(qū)動控制SLD光源模塊，調(diào)試的參數(shù)包括積分系數(shù)、微分系數(shù)。

光源顯示和控制系統(tǒng)采用精準溫控的驅(qū)動方案，在實驗中通過數(shù)控電流源高精度提供SLD光源，以溫敏電阻進行溫度傳感，使得光源穩(wěn)定工作，達到輸出光譜和光功率的目的。模擬控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)測試不同廠家、不同批次的SLD光源，獲得的光功率波動得到好評?？梢悦黠@肯出，數(shù)字控制下的控制參數(shù)通用性極強?？s短了調(diào)試周期，調(diào)試過程也大大簡化。

參考文獻：

[1]吳軍偉，繆玲娟，吳衍記， 等.基于SLD光源變流驅(qū)動的光纖陀螺快速啟動研究[J].導航定位與授時，2019，6（4）：88-93.

[2]孫廣宇，魯軍，王子豪.光纖陀螺用光源恒流驅(qū)動電路設計[J].光學儀器，2020，42（2）：70-74.

作者簡介：張國財（1982—），男，漢族，職稱：工程師，浙江省桐廬縣，單位：浙江航天潤博測控技術有限公司，研究方向：光纖陀螺的研發(fā)和設計。