光纖陀螺用SLD光源驅動電路設計

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硬件構成、控制軟件流程以及SLD光源驅動電路等進行分析，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;光源驅動電路

1、SLD穩定性要求

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。在寬光譜范圍內產生高增益單波導放大器的超輻射。在FOG系統中發揮重要作用，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?，光源穩定性強，在中高精度范圍內誤差較小。

SLD穩定通過電流、溫度、功率進行穩定性控制，主要取決于驅動電路控制能力。影響精度的光源穩定度包括光功率、光波長、光偏振。驅動電路解決了功率和波長的穩定性的問題光學手段解決光偏振現象。在SLD光電特性圖上，可以看到穩定的SLD驅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，長期使用會產生功率偏移。在大功率狀態下，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定的控制[1]。

2、SLD驅動電路工作原理

SLD內部包括光檢測器、SLD管芯以及制冷器、溫敏電阻。驅動電路驅動SLD管芯和制冷器，提供SLD的溫度和光功率，驅動電路由溫敏電阻和光檢測器的狀態獲取自動功率控制的參數，根據反饋進行狀態調節。

2.1SLD驅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

了解驅動電路的工作原理，有利于完成驅動電路的設計，兼具經驗和創造力的設計者，能夠實現多功能的巧妙結合。

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。包括調試方便、穩定性強、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，驅動制冷器與預置電壓的設計，可以采用轉換的方法，根據電阻的變化進行恒定電流的設計，電壓變化體現在電阻電橋上，放大器的輸出端設計分立元件，左半部分是恒流源驅動，右半部分是APC電路，此時各個部分的設計完成，反饋體現在電流注入方面，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定性達到最佳效果。

4、數據測試結果

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

為了實時地對SLD光源設計的效果進行監測，采用實驗的方法，針對各類環境和條件下的SLD光源的參數變化進行內在規律的測量。將光源組件放置在數控溫箱內，采用全數字光源控制系統進行采樣和驅動，根據測試項目的需要，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果，完成監控實驗。

對于SLD驅動電源進行設計后，進行集成器件的測量，測得的結果為：

取值時間為60秒，制冷電流為180MA，驅動電流90MA，均方差值為0.07。計算機實時進行數據接收，采用語言百年之，選擇將SLD光源特征參數進行繪圖，數據自動存儲為TXT文本文件，再進行串行通信的參數調整，使用液晶顯示屏對數據進行顯示。

SLD全數字光源控制系統的設計，依據的SLD光源所有特征的參量。使用高速、高精度的數字控制算法，高速D/A數字控制量進行數字控制量的模擬轉換，實現靈活的光源驅動閉環控制，進行遠程監控，利用計算機進行數據傳輸和處理。該系統的主要特征是進行全數字控制主控芯片作為核心[4]。

全數字控制系統包括反饋、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部溫度進行設置，半導體PN結構中的光功率、驅動電流的驅動。反饋模塊包括可調電流驅動，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動都會對SLD過載驅動進行損壞，因此設計上應進行驅動源的驅動，由高精度D/A進行穩壓濾波電路的轉換。產生可調高精度的驅動。電流從0-200MA，驅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、動態好、控制精度高的優勢，采用智能PID進行算法控制?？刂屏鞒萄h進行，系統初始化后進行參數控制，由模塊進行多路SLD光源特性的采樣，根據數控方案，進行參量和控制輸入量的運算，結果進行PID算法驗證，傳送到反闊模塊，放大電路轉換后，模擬信號經過D/A和相應的功率放大，對電流大小進行調整，驅動控制SLD光源模塊，調試的參數包括積分系數、微分系數。

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

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：光纖陀螺的研發和設計。