CN107248696B - 一种自补偿式半导体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自补偿式半导体激光器，包括激光器本体、声光调制器、分光片、鉴频模块和补偿电路模块；激光器输出的光频信号和补偿电路模块产生的射频信号送至声光调制器中；声光调制器适于将光频信号和射频信号进行合成并将合成后的光信号送至分光片；分光片适于将光信号至少分成两路，其中一路送至实际的光物理环境，其中另一路送至鉴频模块；鉴频模块适于对光信号进行鉴频处理得到光检信号，并将光检信号送至补偿电路模块；补偿电路模块适于在光检信号的参考下输出补偿电压并送至声光调制器。在本发明中，通过补偿电路模块的功能作用，在传统鉴频环境技术基础上，形成了闭环式补偿响应，使输出至用户端实际的光物理环境的激光光频更稳定。
Description
技术领域
本发明涉及激光器领域，具体涉及一种自补偿式半导体激光器。
背景技术
随着数字化集成芯片的广泛应用，现代电子线路技术中较多领域采用了数字化芯片集成来取代传统独立的元器件，从而搭建集成度高、精度高的电路模块。在半导体激光器伺服电路中，国内外均采用了DDS及集成度高的处理处理器完成整个***的闭环工作。在这些数字化高集成度芯片应用时，其电路的响应速度很容易达到1μs量级（小于半导体激光器环路响应时间），但是在具体的一台半导体激光器中，由于其内部的物理***机理，以及现有程序化数字控制技术的限制，导致实际的***环路响应效果并未能达到预期的目标。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种带补偿的自补偿式半导体激光器。
本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种自补偿式半导体激光器，包括激光器本体、声光调制器、分光片、鉴频模块和补偿电路模块；
所述激光器输出的光频信号和补偿电路模块产生的射频信号送至所述声光调制器中；
所述声光调制器适于将所述光频信号和射频信号进行合成并将合成后的光信号送至分光片；
所述分光片适于将光信号至少分成两路，其中一路送至实际的光物理环境，其中另一路送至鉴频模块；
所述鉴频模块适于对所述光信号进行鉴频处理得到光检信号，并将所述光检信号送至所述补偿电路模块；
所述补偿电路模块适于在所述光检信号的参考下输出补偿电压并送至所述声光调制器。
进一步的，所述补偿电路模块包括程控放大模块、中央处理器、压控变换模块、温度采集模块、温度补偿模块、恒压环境模块、VCXO模块和DDS模块；
所述程控放大模块适于对光检信号进行增益放大以得到正确的纠偏信号输送到压控变换模块，所述增益放大的倍数由所述中央处理器设置；
所述温度采集模块是由贴合在VCXO模块表面的热敏电阻构成，适于对所述VCXO模块的工作环境温度进行测量；
所述压控变换模块适于在所述中央处理器的使能下对所述程控放大模块和温度补偿模块的输出电压进行处理，得到压控电压作用于所述恒压环境模块；
所述恒压环境模块适于将所述压控电压进行转换并输送至所述VCXO模块以使所述VCXO模块的输出信号频率发生变化；
所述DDS模块适于在以由VCXO模块输出信号作为外参考时钟的条件下，受所述中央处理器控制产生射频信号至所述声光调制器。
所述温度补偿模块适于根据所述温度采集模块输出的温度电信号得到温度补偿电压信号，并将该温度补偿电压信号输送至压控变换模块，所述温度补偿模块的受调节端连接到所述中央处理器的调节端。
进一步的，所述压控变换模块是由求和电路子模块和电压变换子模块构成，所述纠偏信号和温度补偿电压信号输入到求和电路模块，所述求和电路模块对纠偏信号和温度补偿电压信号进行叠加后送至电压变换模块，所述电压变换子模块由A/D子模块和D/A子模块组成，所述A/D子模块和D/A子模块受所述中央处理器使能控制工作， A/D子模块和D/A子模块一直保持处于工作状态。
进一步的，所述恒压环境模块包括LM350A调整器、采样电阻、运算放大器、差分放大器和调整器，所述采样电阻对所述VCXO端电流进行采样产生微弱采样电压，所述微弱采样电压经所述运算放大器同相放大后送至所述差分放大器的负端，差分放大器将负端的采样电压与正端由所述中央处理器设定的电压的差值进行放大,输出到调整器的调整端,形成闭环反馈。
进一步的，所述运算放大器选用运放 AD797。
进一步的，所述差分放大器选用运放 OP07。
本发明的有益效果是：
在本发明中，通过补偿电路模块的功能作用，在传统鉴频环境技术基础上，形成了闭环式补偿响应，使输出至用户端实际的光物理环境的激光光频更稳定。
附图说明
下面结合附图对本发明的自补偿式半导体激光器作进一步说明。
图1是本发明中自补偿式半导体激光器的结构框图；
图2是补偿电路模块的结构框图；
图3是程控放大的电路结构图；
图4是温度采集模块与温度补偿模块的电路结构图；
图5是压控变换模块的结构框图；
图6是恒压环境模块的电路结构图；
图7是DDS模块的引脚连接图；
图8是DDS模块与外界的串行通讯的时序图。
具体实施方式
根据图1所示，本发明包括一种自补偿式半导体激光器，包括激光器本体、声光调制器（AOM）、分光片、鉴频模块和补偿电路模块。
激光器输出的光频信号和补偿电路模块产生的射频信号送至声光调制器中。
声光调制器适于将光频信号和射频信号进行合成并将合成后的光信号送至分光片。
分光片适于将光信号至少分成两路，其中一路送至实际的光物理环境，其中另一路送至鉴频模块。
鉴频模块为现有的传统的鉴频环境，适于对光信号进行鉴频处理得到光检信号，并将光检信号送至补偿电路模块。
补偿电路模块适于适于在所述光检信号的参考下输出补偿电压并送至所述声光调制器。
可以作为优选的是：如图2所示，补偿电路模块包括程控放大模块、中央处理器、压控变换模块、温度采集模块、温度补偿模块、恒压环境模块、VCXO模块和DDS模块。
如图3所示，程控放大模块适于对光检信号进行增益放大以得到正确的纠偏信号输送到压控变换模块，增益放大的倍数由中央处理器设置。
温度采集模块是由贴合在VCXO模块表面的热敏电阻构成，适于对VCXO模块的工作环境温度进行测量。温度补偿模块适于根据温度采集模块输出的温度电信号得到温度补偿电压信号，并将该温度补偿电压信号输送至压控变换模块，温度补偿模块的受调节端连接到中央处理器的调节端。具体如图4所示，其中两个R以及R1为具有相同温度系数的电阻，其阻值应该选择与Rk相当。这里R1的值反映了实际VCXO工作环境温度T。Rk为一个热敏电阻，它贴于VCXO的表面，用以感知VCXO实际的工作环境温度T。故当VCXO的工作环境温度T无变化时，上图中电桥处于平衡，输送至压控变换模块的温度补偿电压值为0。一旦VCXO的工作环境温度T发生变化，则热敏电阻Rk的阻值将变小（温度升高）或变大（温度降低），那么电桥两端存在电压差，经运算放大器A差分放大后变为温度补偿电压输送至压控变换模块。整个电路的放大增益由运算放大器的负反馈电阻Rw调节，Rw为一数字电位计，中央处理器通过调节Rw的阻值以达到上述电路补偿因子改变功能。
如图5所示，压控变换模块适于在中央处理器的使能下对程控放大模块和温度补偿模块的输出电压进行处理，得到压控电压作用于恒压环境模块。可作为进一步优选的是：压控变换模块是由求和电路子模块和电压变换子模块构成，纠偏信号和温度补偿电压信号输入到求和电路模块，求和电路模块对纠偏信号和温度补偿电压信号进行叠加后送至电压变换模块，电压变换子模块由A/D子模块和D/A子模块组成，A/D子模块和D/A子模块受中央处理器使能控制工作，A/D子模块和D/A子模块一直保持处于工作状态。以并行8位A/D、D/A为例：量子纠偏信号经A/D转换得到的8位数据总线直接接至8位D/A的输入总线，即8位A/D采样直接驱动8位D/A输出压控电压作用于VCXO，使VCXO输出信号频率发生变化。同时，中央处理器将存储8位A/D采样数据，做进一步的伺服处理。通过上述连接方式，整个电路的响应速度将提高。本发明保护范围不限于8位数据采样，也应用于不同位采样。如果选择8位A/D，10位D/A，则将A/D的8位总路线直接接至10位D/A的低8位端即可。
恒压环境模块将压控电压进行转换并输送至VCXO模块以使VCXO模块的输出信号频率发生变化。如图6所示，U1(LM350A)为调整器,是电路的核心部件。VCXO端电流经采样电阻 R5,产生微弱的采样电压,经过超低噪声运算放大器 U2同相放大。放大的电压信号送往由 U3组成的差分放大器的负端。差分放大器把负端采样电压与正端的微处理器设定电压的差值进行放大,输出到调整器的调整端,形成闭环反馈。若有某种情况使负载电流增加,则采样电阻上的电压增加,使同相放大器 U2输出电压变大,差分放大器输出电压减小,调整器调整端电压减小,调整器输出电压变低,使负载电流减小,从而维持了负载电流的动态稳定,反之亦然。可以看出,差分放大器的正端微处理器设定值决定了负载电流的大小。若U3正端电压升高,即微处理器设定值升高，则调整器调整端电压升高,调整器输出电压升高,负载电流增加,同相放大器输出增加,差分放大器负端电压升高,直到 U3正负端电压相等,***再次动态稳定。
采样电阻串联在负载回路内,并由此检测负载电流变化。因此,采样电阻的稳定性将直接影响到电路的性能,且采样电阻还应有足够大的功率,否则也会影响电路的性能甚至烧坏。在实际电路中选用大功率锰铜材料制成的精密电阻。采样放大器 U2选用超低噪声运放 AD797。因为它处于闭环反馈的第一级,所以要尽量减小噪声的影响。差分放大器 U3选用高精度运放 OP07,提供高精度的比较结果。D4是为了防止引线较长使线路中出现反向感应电压而损坏电路。加上 D4可使反向感应电压经过 D4构成闭合回路,从而保护电路。
DDS模块适于在以由VCXO模块输出信号作为外参考时钟的条件下，受中央处理器控制产生射频信号至声光调制器。如图7所示，MCLK引脚接外部时钟源，使DDS的IOUT引脚输出端频率信号的稳定度与外部时钟源一致。对于内部没有PLL倍频环节的DDS芯片，通常MCLK端输入时钟源的频率应高于IOUT端输出信号频率的4倍，如输出信号频率为5MHz,那么MCLK时钟端的信号频率应该大于20MHz，以期望得到更好的相位噪声，通过外部滤波电路后，可得到比较纯净的信号谱。FSELECT为键控调频信号输入端，也就是我们的调制方波信号输入端，DDS内部有两个频率控制寄存器，通过编程的方式将预先设置好的频率值F0、F1保存在寄存器中，当FSELECT端有有方波信号输入时(即电平上升沿或下降沿转换)，DDS的IOUT端将会随之分别从频率控制寄存器中读出F1或F0的值作为输出，并且会保持信号的相位无变化。PSEL0、PSEL1为两路信号频率F1、F0的相位调节端，在应用中，我们拟保持F1、F0在切换时的相位连续，故在设计中直接将PSEL0、PSEL1接地。DDS与外界的主要通讯(如F1、F0值)时序是通过引脚FSYNC、SCLK、SDATA来完成的，其串行通讯的时序如图8所示。
当FSYNC为高电平时，SCLK，SDATA引脚为高阻状态。当FSYNC为低电平时，DDS将处于通讯状态，此时引脚SCLK有一下降沿的脉冲时，将使挂在数据总线SDATA上的DATA写入DDS数据缓冲区，直至最终一个DATA写入时，DDS将根据引脚FSELECT上的状态选择F1或F0作为IOUT端的输出。
对于内部无PLL倍频模块DDS芯片，引脚MCLK输入的外部时钟频率即为***的时钟频率，以输出5MHz频率信号为例，MCLK的时钟输入端信号频率为20MHz。DDS内部有2个32位频率控制寄存器（F0、F1），在上述串行通讯时序中，DATA位应该是32位。由此可知，在此MCLK外部输入时钟频率20MHz时，AD9832的最小的频率分辨率为：
IOUT输出20MHz时，对应的32位频率控制寄存器的值全为1；输出5MHz时，对应的数值为（5MHz/20MHz）*232，将所得到的十进制值转化为二进制对应32位频率控制寄存器的值。根据串行通讯时序，通过微处理器将相应的32位值写入到相应的频率控制寄存器中（如F0）。同样的原理，调制的另一路单频亦能够通过相类似的方法将32位值写入到相应的频率控制寄存器中（如F1）。通过改变DDS引脚FSELECT电平的高低，就可以实现在内部F0、F1频率间的切换，从而输出键控调频信号。其中改变引脚FSELECT电平的信号由单片机产生。
本发明的不局限于上述实施例，本发明的上述各个实施例的技术方案彼此可以交叉组合形成新的技术方案，另外凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。
Claims (5)
1.一种自补偿式半导体激光器，其特征在于：包括激光器本体、声光调制器、分光片、鉴频模块和补偿电路模块；
所述激光器输出的光频信号和补偿电路模块产生的射频信号送至所述声光调制器中；
所述声光调制器适于将所述光频信号和射频信号进行合成并将合成后的光信号送至分光片；
所述分光片适于将光信号至少分成两路，其中一路送至实际的光物理环境，其中另一路送至鉴频模块；
所述鉴频模块适于对所述光信号进行鉴频处理得到光检信号，并将所述光检信号送至所述补偿电路模块；
所述补偿电路模块适于在所述光检信号的参考下输出补偿电压并送至所述声光调制器；
所述补偿电路模块包括程控放大模块、中央处理器、压控变换模块、温度采集模块、温度补偿模块、恒压环境模块、VCXO模块和DDS模块；
所述程控放大模块适于对光检信号进行增益放大以得到正确的纠偏信号输送到压控变换模块，所述增益放大的倍数由所述中央处理器设置；
所述温度采集模块是由贴合在VCXO模块表面的热敏电阻构成，适于对所述VCXO模块的工作环境温度进行测量；
所述压控变换模块适于在所述中央处理器的使能下对所述程控放大模块和温度补偿模块的输出电压进行处理，得到压控电压作用于所述恒压环境模块；
所述恒压环境模块适于将所述压控电压进行转换并输送至所述VCXO模块以使所述VCXO模块的输出信号频率发生变化；
所述DDS模块适于在以由VCXO模块输出信号作为外参考时钟的条件下，受所述中央处理器控制产生射频信号至所述声光调制器；
所述温度补偿模块适于根据所述温度采集模块输出的温度电信号得到温度补偿电压信号，并将该温度补偿电压信号输送至压控变换模块，所述温度补偿模块的受调节端连接到所述中央处理器的调节端。
2.根据权利要求1所述自补偿式半导体激光器，其特征在于：所述压控变换模块是由求和电路子模块和电压变换子模块构成，所述纠偏信号和温度补偿电压信号输入到求和电路子模块，所述求和电路子模块对纠偏信号和温度补偿电压信号进行叠加后送至电压变换子模块，所述电压变换子模块由A/D子模块和D/A子模块组成，所述A/D子模块和D/A子模块受所述中央处理器使能控制工作， A/D子模块和D/A子模块一直保持处于工作状态。
3.根据权利要求2所述自补偿式半导体激光器，其特征在于：所述恒压环境模块包括LM350A调整器、采样电阻、运算放大器、差分放大器和调整器，所述采样电阻对所述VCXO端电流进行采样产生微弱采样电压，所述微弱采样电压经所述运算放大器同相放大后送至所述差分放大器的负端，差分放大器将负端的采样电压与正端由所述中央处理器设定的电压的差值进行放大,输出到调整器的调整端,形成闭环反馈。
4.根据权利要求3所述自补偿式半导体激光器，其特征在于：所述运算放大器选用运放AD797。
5.根据权利要求4所述自补偿式半导体激光器，其特征在于：所述差分放大器选用运放OP07。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20210803 |
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