超辐射发光二极管光源组件内部电场耦合分析

针对超辐射发光二极管(Superluminescent Diode,SLD)光源输出光功率稳定性的需求,用有限元分析方法分析了SLD光源组件内部导体组的分布电容矩阵及电场耦合情况;通过电场耦合模型研究发现温控电路带来的干扰通过分布电容耦合到恒流回路中,影响输出光功率的稳定性;将制冷器接地可减小分布电容,改进恒温电路的驱动方式可减小交流分量的干扰,从而减小电场耦合对输出光功率的影响。     

SLD光源驱动电路设计

SLD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,所以为了获得稳定的输出光功率,光源就需要工作在稳定的驱动电流和稳定的环境温度下.采用"恒流源+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,来提高光源的稳定性、可靠性和耐久性.     

SLD光源与温控电路匹配特性研究

针对光源与温控电路匹配问题,开展了光源组件特性的理论和试验研究,分析了影响两者匹配的原因及解决办法。研究结果表明:光源内部组件——半导体制冷器等效内阻RTEC、温控电流ITEC、TEC制冷/加热效率ε和热敏电阻温度系数β,是影响光源与温控电路匹配的主要因素;光源内部各组件特性受自身特性、工艺、散热条件和环境温度等多种因素影响,导致光源与温控电路的匹配也受相应因素影响;当散热充分时,光源与温控电路的匹配特征可近似用RTEC、β、SLD功率PSLD和ITEC表征;在接近光源实际散热条件下进行匹配测试,可提高光源与温控电路的匹配度,减少后期不匹配几率;不同批次、不同厂家生产的光源的组件特性差异较大,重新匹配和调整温控电路参数,可大幅提高光源利用率。     

1.3μm波长超辐射发光二极管组件

光纤陀螺用关键器件之一是超辐射发光二极管（ＳＬＤ）。采用ＳＬＤ作为光源，光纤陀螺可达到高精度、高灵敏度、高稳定性、低噪声的目的。ＳＬＤ是一种以内部单程增益为特征的光发射器件。表征器件性能的主要技术参数指标是输出功率和光谱宽度。通过理论分析和实验，确定了器件的结构，在研制过程中解决了外延生长、端面镀膜等关键技术。组件采用１４针双列直插式管壳、标准单模光纤耦合封装。组件包括ＳＬＤ、光监视用ＰＩＮ光探测器、热敏电阻和半导体致冷器，可通过外电路对组件实现温控、光控，以便组件能长期稳定工作。组件尾纤输出功率大于３００μＷ，最大超过７００μＷ，光谱宽度大于３０ｎｍ。     

高精度半导体激光器驱动电源及温控电路设计

为了解决布里渊光纤传感系统中半导体激光器光源输出功率和波长易受驱动电流和温度影响的问题,设计了一种高精度恒流驱动和温控电路。该电路利用深度负反馈积分电路对激光器驱动电流进行精密的恒流控制,同时采用集成温度控制芯片MAX1978控制半导体制冷片的工作电流,实现对激光器工作温度的精确控制。结果表明,本设计实现了驱动电流0mA~100mA可调,电流控制最大相对误差为0.06%,电流稳定度为0.02%,温度控制最大误差为0.03℃,在温控的条件下,光功率稳定性达到0.5%,最大漂移量为0.005dBm。该设计实现了对电流和温度的有效控制,保证了输出光的稳定性。     

超辐射发光二极管组件

超辐射发光二极管(SLED)作为一种非相干性宽带光源,是光纤陀螺仪(FOG)和光纤传感器的理想光源,也是光时域反射仪(OTDR)和中短距离光通信的主要光源之一。SLED组件采用8脚蝶形式或14脚双列直插式管壳全金属化气密性封装,标准单模光纤(SMF)或保偏光纤(PMF)耦合输出。组件包括SLED管芯、半导体致冷器(TEC)、热敏电阻,可带背光探测器。使用时可通过外电路(自动温度控制电路ATC、自动功率控制电路APC)对组件实现功率控制和温度控制,以便使组件能长期稳定工作。与光纤耦合效率可达45％以上,光谱宽度大于40nm(工作电流100mA)。     

光纤陀螺光源筛选与评价方法研究

针对光纤陀螺工程化对超辐射发光二极管(SLD)光源筛选的需求,开展了光源筛选和评价方法的试验和理论分析研究。通过构建光纤陀螺光源综合调试和检测系统,对SLD光源所有外部可获取特征进行了实时监测。测试和理论分析结果表明,SLD的离散特性主要受光源内部组件特性的影响;在散热充分的情况下,SLD的离散性可近似由TEC等效内阻、温控电流、热敏电阻温度系数和发光芯片功率来表征;SLD光源的常规评价指标与上述指标相结合,可更为完备地对光源进行筛选。另外,构建的光纤陀螺光源综合调试和检测系统也可直接作为光源筛选系统。     

大功率半导体激光器驱动电源及温控系统设计

为了解决大功率半导体激光器的输出波长和功率的稳定性问题,设计了一套大功率激光器恒流驱动电源及温控系统。利用深度负反馈电路实现对激光器驱动电流的恒流控制,采用硬件比例-积分（Proportional-Integral,PI）温控电路结合恒流驱动,控制半导体制冷器（Thermoelectric Cooler,TEC）的工作电流,实现激光器工作温度的精确控制。所设计的驱动电源可实现输出电流0~12.5 A连续可调,同时具有电流检测、过流保护、晶体管-晶体管逻辑（Transistor-Transistor Logic,TTL）信号调制等功能。所设计的温控系统的控制精度可达到0.05℃,同时设定温度连续可调,温度可实时监测。实验结果表明该设计能够保证稳定的电流输出和温度控制,满足大功率激光器的使用要求。     

大功率半导体激光器高精度温控系统研究

为了减小温度对半导体激光器输出光波长和功率稳定性的影响,设计了由恒流模块驱动半导体制冷器,通过改变恒流模块的电流来控制半导体制冷器的制冷量,利用分段积分的比例-积分-微分控制算法,选择最优控制参量,实现大功率半导体激光器的精密温控系统。系统包括高精度测温电路、控制核心DSP F28335、半导体制冷器控制电路、人机交互及通信模块。在5℃~26℃环境下对系统进行测试,实现50W大功率半导体激光器的恒温控制,温控范围为15℃~45℃,温控精度达到0.02℃。结果表明,该系统温控范围广,控制精度高,满足大功率半导体激光器的温控要求。     

新型小功率半导体激光器驱动及温控电路设计

为了应对带钢激光平直度测量仪中半导体激光器（LD）输出光功率稳定性对平直度测量精度的影响问题,设计了一款高稳定度的LD恒流驱动、温控电路以及保护电路。系统以现场可编程门阵列（FPGA）为控制核心,利用深度负反馈恒流驱动电路实现对LD驱动电流的精准控制;基于ADN8830温控电路实现了对LD工作温度的有效控制;改进后的慢启动电路可实现LD驱动电流缓慢地线性增加到设定值,且准确控制慢启动时间;限流及静电保护电路能够实现激光器过流保护、有效避免浪涌电流和高压静电的损坏。结果表明,该电路可实现激光器驱动电流在0~75 mA连续可调,电流调节精度达0.025 mA,电流短期稳定度达0.014%,长期稳定度达0.016%;在控制工作温度为25 ℃时,输出光功率稳定性为0.205%。     

利用导通电压降监测SLD的输出光功率

由于传统的光功率采集仪精度不高,在实验中无法明显地显示出光功率在短期内的变化,而采集电压的数据采集系统可以很好地解决这个问题。在分析1310 nm超辐射发光二极管(Super Luminescent Diode,SLD)光源的工作原理的基础上,设计了一种在恒温条件下控制驱动电流来使SLD稳定工作的驱动电路,进行了理论分析和实验验证,给出了利用SLD电压降监测输出光功率的新方法,取得了真实可靠的实验数据。通过SLD光源的驱动实验得出输出光功率与驱动电流和SLD两端电压降的相关关系,结果表明,输出光功率与电流具有良好的线性关系,与电压具有良好的正相关指数关系。利用采集电压降监测SLD的输出光功率,大大提高了测试精度和数据分辨率,同时为SLD退化寿命试验提供了新的电学参数。     

一种半导体激光器自动控制系统的设计

根据半导体激光器的工作原理, 使用两片AVR单片机ATMEGA16作为核心控制部件, 并配合触摸屏式人机控制界面和外部硬件电路, 实现了半导体激光器功率稳定输出的自动控制系统。该系统包括恒流源、光功率采样反馈、保护电路、温度控制等部分, 能为半导体激光器提供稳定、准确的驱动电流, 自动光功率控制和恒温控制。     

光纤耦合激光器驱动与控制技术研究

针对一种将多个半导体激光器(LD)芯片串联驱动,通过光纤耦合进行功率合成,构成光纤耦合高功率输出激光模块的特殊驱动要求,研发了小型化高效率激光电流源组件和小型化高效率半导体制冷(TEC)LD模块温度控制组件。组件工作温度范围为-45℃～55℃,实验证明达到了设计性能指标要求。建立了LD模块驱动电流源电路的数学模型,提出了LD模块电流源控制电路的数字化实现方法,并利用ADuC831单片机实现了数字化设计。给出了一种基于TEC的LD模块温度控制组件的结构,建立了简化、实用的温度控制系统数学模型,对TEC的性能系数ξ、控制端的热量Qc和TEC的工作电流I进行了寻优控制,减小了激光器输出波长随温度的漂移。     

光纤陀螺用SLD启动特性及影响研究

光纤陀螺的快速启动在军事、导航等领域极其重要,超辐射发光二极管(SLD)是光纤陀螺中启动速度最慢的器件.对SLD启动特性机理进行分析,采用高速数据采集卡对功率、驱动电流、温控电流和温度的变化情况进行了测试,得到了SLD的常温启动时间约为3～4 s,启动时的最大功率波动误差为4.5％,上电瞬间驱动电流上升时间约为0.3s,SLD的制冷电流与热沉温度存在0.12s的延迟,环境温度与理想温度偏差越大,启动时间越长,而且高温启动时间要比低温启动时间长.分析了不同温度下SLD启动对光纤陀螺附加零偏的影响,增加前放增益可减小附加零偏.     

基于PWM技术的SLD光源温控系统设计

为满足工程中对超辐射发光二极管（SLD）温度控制电路的低功耗设计需求,提出了一种基于数字脉宽调制（PWM）技术的控制方案,实现了SLD光源温控电路的低功耗设计。实验表明,该温度控制电路功耗低,稳定性高,满足了低功耗设计的工程需求,具有良好的实用价值。     

光源谱型对保偏光纤应力传感信号的影响

保偏光纤对入射的线偏振光具有偏振保持能力,用白光干涉系统可实现准分布式应力、温度和位置传感。超辐射发光二极管(SLD)当驱动电流较小时,光谱服从高斯分布;随着驱动电流增加,中心波长向短波方向漂移,光谱畸变,可用两个高斯函数相加拟合。本文详细分析了SLD光源在不同驱动电流下的谱型分布及拟合曲线,并在保偏光纤应力传感系统中进行了实验,实验结果表明随着光源输出功率增加,在耦合点两侧对称分布着伪耦合点。当光源功率为15 mW时,伪耦合点的耦合强度比力致耦合点的耦合强度约小15 dB。