RFOG中LD光源驱动电路设计

谭银炯周 震王 潇冯丽爽(1.微纳测控与低维物理教育部重点实验室北京1001912.北京航空航天大学微纳测控与教育部重点实验室北京100191)

RFOG中LD光源驱动电路设计

谭银炯1，2，周 震1，2，王 潇1，2，冯丽爽1，2
(1.微纳测控与低维物理教育部重点实验室，北京100191；2.北京航空航天大学微纳测控与教育部重点实验室，北京100191)

谐振式光纤陀螺具有良好的发展前景，光源在系统中有着很重要的作用。由于惯导系统工作在多变的外界环境下，环境因素引起的LD输出光功率不稳定会对陀螺的精度产生极大影响。为减小这种不稳定造成的检测误差，给出了一种恒流＋温控的驱动电路来稳定光源输出功率，实验测定恒流电路的电流稳定性优于0.12%。激光器组件内包含的热敏电阻阻值随温度变化而改变，通过测量温控条件下热敏电阻两端电压，计算得到温度波动为±0.05℃。同时，实验还测量了在30℃时，LD光源的输出功率标准差为0.0165mW。

谐振式光纤陀螺；发光二极管；驱动电路

0 引言

陀螺是敏感惯性空间角速度运动的装置，是惯性导航系统与惯性仪表的核心部件。谐振式光纤陀螺(Resonator Fiber Optical Gyro，RFOG)是基于激光陀螺和干涉式光纤陀螺发展起来的一种新型光学陀螺，它以无源光纤谐振腔为敏感介质，能够在实现高精度的同时有效减小光纤长度，具有无源结构、精度高、体积小、成本低等优点，是国内外惯性器件发展的重要方向之一［1］。

半导体激光器(Laser Diode，LD)体积小、转换效率高、价格低廉，能够满足RFOG对光源调谐范围宽、线宽窄的要求［2］。激光器输出微小的波动都会引起被测量的较大偏移，从而使最终结果产生较大的误差。因此，要求LD的电源具有很高的电流稳定度。

LD的输出光功率和中心波长会随着驱动电流和管芯温度的漂移而发生变化，所以为了获得良好的光源性能，本文采用了相对独立的恒流和温控方案，并在温控电路中引入PID调节电路，利用闭环负反馈原理，设计了一个高精度的恒流驱动和温控电路，来实现LD输出光源的稳定性。

1 LD的特性

本文使用波长为1550nm的LD光源组件，它采用标准的14脚带尾纤的耦合封装，并内置了热敏电阻和帕尔贴半导体制冷器(Thermoelectric Cooler，TEC)，热敏电阻用来检测器件温度并控制TEC，是实现自动恒温控制的重要组成部分。内置的热敏电阻常温下阻值为10kΩ，负温度系数为－0.5kΩ／℃，阻值与温度大小成反比，当温度上升时阻值减小，电压值也随之改变，电压经放大后与设定温度电压进行比较，产生偏差电压。PID网络根据偏差电压的值控制电桥输出电流，进而驱动TEC工作。TEC的工作原理以帕尔贴(Peltier)效应为基础，当电流流过TEC时，TEC中的n型材料与p型材料之间发生能量转移。TEC既可制冷也可加热，当电流由正极流向负极时，起制冷作用；当电流由负极流向正极时，起加热作用。电流的大小与制冷量成正比［3］。

本文所使用的LD光电特性测量结果如图1所示。

2 驱动电路设计

作为泵浦光源，LD的输出特性对系统性能起着至关重要的作用，而LD驱动电路又直接影响激光器的输出特性。驱动电流的波动会造成LD的激光强度噪声，从而影响激光器输出功率稳定性。此外，瞬态的电流或电压尖峰等因素都会使激光器的性能下降或造成永久性损坏［4］。为了确保激光器的输出性能，安全稳定工作，必须为其提供高性能的驱动电源。

针对以上要求，本文设计的光源驱动电路包含两部分——恒流源部分和温控部分，保证输出稳定的驱动电流且管芯温度不随时间而产生较大的漂移。

2.1 恒流源电路设计

图2为设计的恒流源电路。半导体激光器驱动电源开关时，会在电路中形成一个过渡过程，即在开启时，驱动电流出现很大的过冲，随后经过过渡过程才趋稳定。这种驱动电流的过冲易使PN结电击穿，解理面遭光损伤和破坏。图2左侧为RC网络形成的慢启动电路部分，电阻和电容组成的滤波电路可以消除上电和断电瞬间的浪涌脉冲。电阻和电容的值越大，滤波带宽也就越低，上电启动时间和断电完成时间也就越长。

如果半导体激光器的驱动电流超过其损坏阈值电流，很容易导致半导体激光器的损坏，因此本文在驱动电流中增加了电流限制功能。U2为比较器，可以控制三极管是否工作在截止区或饱和区，从而防止工作电流超过阈值。

恒流源的精度受恒压源Vcc的影响，采用低温度系数的电子元器件可以改善恒流源的温度特性［5］。

2.2 温控电路设计

LD是一个对温度很敏感的器件，它的工作温度对其工作特性有非常大的影响，半导体激光器的输出受环境温度和本身温度变化的影响非常严重。由于PN结的内部承受着相当大的电流密度和热耗散功率密度，不可避免地存在各种损耗机制，相当一部分电功率将转化为热量，引起激光器温度升高，从而影响激光的输出。因此，在使用时，特别是高功率输出时，需要低温或恒温装置，以保证其输出光强、波长等不发生显著变化。

为消除环境温度变化对LD输出特性的影响，采取主动温控的方案，采用帕尔贴制冷器以保持激光器结温恒定，从而排除温度变化带来的影响。TEC制冷器是电流驱动型器件，本文采用了MAX1978温控芯片，输出电流驱动TEC加热或制冷。MAX1978是Maxim公司研制推出的一款专用于半导体热电制冷器模块的最安全、小巧、精确的单片集成温度控制芯片。它的片内集成了场效应管、超低漂移的斩波自稳零仪表放大器；通过外加温度控制闭环电路，理论上可以获得高达0.001℃的温度精度；而且它基本不存在死区，即使当目标温度的设置点十分接近周围工作环境温度时，也能够输出极低的制冷或加热电流［6］。图3 为MAX1978经典温度控制系统电路原理图，系统采用的是5V供电。

本文采用电桥的方式来实现温控功能，如图4所示。MAX1978的引脚18(FB－)为设定温度的链接端，引脚19(FB＋)为实时温度的链接端，也分别是斩波自稳零仪表放大器的反向和同向输入端。设定值的电压与热敏电阻Rth共用一个芯片内部参考电压。R1与R2的阻值相等，Rr为高精度的可调电位器。当需要LD在某个温度点工作时，只需将电位器调节到该温度点下热敏电阻的阻值即可。采用电桥的好处是，当参考电压存在漂移或者其精度有所误差时，经过电桥后，目标温度的实时值和设定值都会受到同等程度的干扰，两者的差值基本不变，从而消除了漂移及误差对信号的影响。

电桥出来的偏差电压将被送入PID补偿网络。PID补偿网络是TEC温度控制的关键模块，它由电阻、电容和内部斩波放大器组成。其中，比例部分可以控制偏差减小过程的快慢，积分部分可以控制消除系统的稳态误差，实现对设定值的跟踪，微分部分用来控制系统的响应速度，缩短调节时间。

3 测试结果

利用前面介绍的光源驱动电路，本文进行了恒流输出测试和温控条件下功率输出实验测试。对于恒流源电路，因为取自电流采样电阻上的电压反映了LD的实时驱动电流，只要此电压值保持稳定，也就意味着LD的驱动电流很稳定。利用数字万用表测试并记录采样电压值，每5s测一个数据，测试时间为400s，并将测试数据转化为电流值。图5为恒流源的输出结果。

从图5中可以看出，恒流源有一个缓慢启动的过程，在工作一段时间后，输出稳定在117.2mA左右。测得电流稳定性：

LD组件内的热敏电阻的阻值与温度呈非线性的关系［7］，特性方程为：

30℃时，热敏电阻自身温度变化1℃，电阻值的相对变化约为310Ω。测量了1000s设定温度为30℃下FB－端的电压值，并通过计算得到热敏电阻的阻值，如图6所示。

从图6中可以看出，热敏电阻的阻值波动为30Ω，所以温度的波动在±0.05℃。同时，本文测试了在30℃温控恒流条件下1000s时间内的输出光功率测试结果，如图7所示。

它的稳定性标准差如下：

4 结论

本文分析了LD驱动电路的原理与设计。针对LD输出光功率稳定性的要求，采用了恒流源＋温控的方案。测试结果表明，恒流源的电流稳定性优于0.12%，温控条件下温度的波动性在±0.05℃，输出光功率的标准差为0.0165mW。该电路已经得到实际运用，而且该驱动电路不仅适合RFOG光源的驱动，还可广泛应用于其他半导体激光器的驱动。

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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

谭银炯，男，硕士，研究方向为激光器锁频。

2016⁃06⁃27