专利名称：一种高稳定度半导体激光光源稳定性控制系统的制作方法
技术领域：
本发明是一种高稳定度半导体激光光源稳定性控制系统。
背景技术：
半导体激光光源作为光电器件的源头，其稳定性对测量结果的准确性和可靠性而 言十分重要。因此其稳定性一直是衡量光源的重要指标。 实际中常用到的半导体光源有表面光发射二极管(LED)、激光二极管(LD)、超辐 射发光二极管(SLD)等，而目前对它们的稳定性控制系统基本是"恒流源+数字温控"，该系 统虽然能很灵活的调节控制过程，但千篇一律的采用这种控制势必影响控制效果，同时该 系统控制对象不明确，缺乏针对性，适用范围受限制，因而只适合于控制精度要求不高的场 合，而对于一些有特殊要求和控制精度要求高的场合就暴露出了它的弊端。
发明内容
本发明的内容是针对目前控制方案的不足，提出一种高稳定度半导体激光光源稳 定性控制系统。 高稳定度半导体激光光源稳定性控制系统包括由光源管芯、热敏电阻、热电制冷 器组成的光源组件，还包括第一结电压采样电路、第二结电压采样电路、光功率采样电路、 光波长检测电路、内温度采样电路、外温度采样电路、多通道A/D采样器、主控芯片CPU、第 一 D/A转换器、第二 D/A转换器、精密电流源电路和制冷器驱动电路，第一结电压采样电路、 第二结电压采样电路、光功率采样电路、光波长检测电路、内温度采样电路、外温度采样电 路分别与光源组件相连，第一结电压采样电路、第二结电压采样电路用于采样光源管芯的 结电压，光功率采样电路、光波长检测电路分别用于采样光源管芯的光功率和光波长，内温 度采样电路、外温度采样电路用于采样光源组件的温度信号，第一结电压采样电路、第二结 电压采样电路、光功率采样电路、光波长检测电路、内温度采样电路、外温度采样电路的输 出分别送入多通道A/D采样器；多通道A/D转换器将接收到的采样信号送入主控芯片CPU ; 主控芯片CPU将采样信号处理后分两路输出一路经第二 D/A转换器送入精密电流源电路， 输出端与光源组件相连，为光源管芯提供驱动电流；另一路输出送入制冷器驱动电路，输出 端与光源组件相连，用以驱动热电制冷器工作，另外主控芯片CPU输出一路电压信号经第 一 D/A转换器送入第一结电压采样电路，为第一结电压采样电路提供比较基准电压信号。
所述的由光源管芯、热敏电阻、热电制冷器组成的光源组件的内部模块连接关系 为光源管芯和内热敏电阻紧贴于导热材料的上表面，导热材料的下表面紧贴于热电制冷 器的上表面，热电制冷器的下表面紧贴于光源组件外壳的内表面，通过光源组件外壳与外 界交换热量，外热敏电阻紧贴于光源组件外壳的外表面，以采样光源组件外壳的温度信号， 光源组件的第一接口 、光源组件的第四接口 、光源组件的第六接口 、光源组件的第七接口 、 光源组件的第八接口分别与第一结电压采样电路、精密电流源电路、内温度采样电路、外温 度采样电路、制冷器驱动电路相连，光源组件的第二接口 、光源组件的第三接口与第二结电
4压采样电路相连，光源组件的第五接口与光功率采样电路、光波长检测电路相连。 所述的光源管芯的驱动电流来自光源组件的第四接口，后接精密电阻，在光源组
件的第一接口 、光源组件的第二接口 、光源组件的第三接口处被采样，光源组件的第一接口
与第一结电压采样电路相连，光源组件的第二接口 、光源组件的第三接口与第二结电压采
样电路相连。 所述的第一结电压采样电路从光源组件的第一接口、第一D/A转换器的第九接口 处采样信号，经放大、滤波、缓冲、保护后送出到多通道A/D采样器的第十接口，光源组件的 第一接口与光源管芯负输出端相连。 所述的第二结电压采样电路从光源组件的第二接口、光源组件的第三接口处采样 信号，经放大、滤波、缓冲后送出到多通道A/D采样器的第十一接口 ，光源组件的第二接口 、 光源组件的第三接口连接到光源管芯的精密电阻两端。 本发明的高稳定度半导体激光光源稳定性控制系统，同时采样光源的温度、结电 压、光功率、光波长等光源稳定性评价指标，针对不同应用场合合理设置各控制参数的比 重，控制精度更高，应用范围更广，光源控制更稳定。
图1是高稳定度半导体激光光源稳定性控制系统的结构框图；
图2是本发明的光源组件装置连接示意图；
图3是本发明的光源管芯电气连接示意图；
图4是本发明的第一结电压采样电路示意图；
图5是本发明的第二结电压采样电路示意图。
具体实施例方式以下结合附图进一步说明本发明。 如图1所示，高稳定度半导体激光光源稳定性控制系统包括由光源管芯1、热敏电 阻2、热电制冷器3组成的光源组件，还包括第一结电压采样电路4、第二结电压采样电路5、 光功率采样电路6、光波长检测电路7、内温度采样电路8、外温度采样电路9、多通道A/D采 样器10、主控芯片CPU11、第一D/A转换器12、第二D/A转换器13、精密电流源电路14和制 冷器驱动电路15，第一结电压采样电路4、第二结电压采样电路5、光功率采样电路6、光波 长检测电路7、内温度采样电路8、外温度采样电路9分别与光源组件相连，第一结电压采样 电路4、第二结电压采样电路5用于采样光源管芯1的结电压，光功率采样电路6、光波长检 测电路7分别用于采样光源管芯1的光功率和光波长，内温度采样电路8、外温度采样电路 9用于采样光源组件的温度信号，第一结电压采样电路4、第二结电压采样电路5、光功率采 样电路6、光波长检测电路7、内温度采样电路8、外温度采样电路9的输出分别送入多通道 A/D采样器10 ;多通道A/D转换器10将接收到的采样信号送入主控芯片CPU11 ;主控芯片 CPU11将采样信号处理后分两路输出一路经第二 D/A转换器13送入精密电流源电路14， 输出端与光源组件相连，为光源管芯1提供驱动电流；另一路输出送入制冷器驱动电路15， 输出端与光源组件相连，用以驱动热电制冷器3工作，另外主控芯片CPU11输出一路电压信 号经第一 D/A转换器12送入第一结电压采样电路4，为第一结电压采样电路提供比较基准电压信号。 如图2所示，光源管芯1、热敏电阻2、热电制冷器3组成的光源组件的内部模块连 接关系为光源管芯1和内热敏电阻2-1紧贴于导热材料17的上表面，把光源管芯1和内 热敏电阻2-1的温度传递传递给导热材料17，导热材料17的下表面紧贴于热电制冷器3的 上表面，热电制冷器3的下表面紧贴于光源组件外壳18的内表面，热电制冷器3把导热材 料17的热量通过光源组件外壳18传递给外界，外热敏电阻2-2紧贴于光源组件外壳18的 外表面，以采样光源组件外壳18的温度信号，光源组件的第一接口 Jl、光源组件的第四接 口 J4、光源组件的第六接口 J6、光源组件的第七接口 J7、光源组件的第八接口 J8分别与第 一结电压采样电路4、精密电流源电路14、内温度采样电路8、外温度采样电路9、制冷器驱 动电路15相连，光源组件的第二接口 J2与光源组件的第三接口 J3与第二结电压采样电路 5相连，光源组件的第五接口 J5与光功率采样电路6、光波长检测电路7相连。
如图3所示，光源管芯D31的驱动电流来自光源组件的第四接口 J4，后接精密电阻 R31流入大地，电容C31起到缓启动的功能，防止驱动电流剧变，有效保护光源管芯，在光源 组件的第一接口 Jl、光源组件的第二接口 J2、光源组件的第三接口 J3处被采样，光源管芯 的负端电压通过光源组件的第一接口 Jl供第一结电压采样电路(4)采样，第二结电压采样 电路通过光源组件的第二接口 J2、光源组件的第三接口 J3采样精密电阻R31两端的电压， 光源组件的第四接口 J4与精密电流源电路14相连。 如图4所示，第一结电压采样电路4从光源组件的第一接口 J1、第一D/A转换器 12的第九接口 J9处采样信号，经电阻R41、电容C41、电阻R42、电容C42组成的RC滤波电 路滤波后送入精密仪器放大器U41，放大后经电阻R43、 R44、电容C43组成的T型滤波电路 滤波后进入运算放大器U42、电阻R45组成的跟随器，跟随器输出进入由二极管D41、稳压管 D42、电阻R46、电容C44组成的保护电路，保证电压在正常的采样范围内，输出送入到多通 道A/D采样器10的第十接口 J10，光源组件的第一接口 Jl与光源管芯负输出端相连。
如图5所示，第二结电压采样电路5从光源组件的第二接口J2、光源组件的第三接 口 J3处采样信号，经电阻R51、电容C51、电阻R52，电容C52组成的RC滤波电路滤波后送入 精密仪器放大器U51，放大后经电容C53、C54、L51组成的ji型滤波电路滤波后进入运算放 大器U52、电阻R55组成的跟随器，输出送入多通道A/D采样器10的第i^一接口 Jll，光源 组件的第二接口 J2、光源组件的第三接口 J3连接到光源管芯1的精密电阻R31两端。
该方案具体运算过程和应用场合如下 主控芯片CPU11通过第一结电压采样电路4、第二结电压采样电路5、光功率采样 电路6、光波长检测电路7、内温度采样电路8、外温度采样电路9这6路采样分别得到光源 组件的6个特征参量Al， A2， A3， A4， A5， A6，以这6个特征参量为控制对象得到输出量Ul、 U2分别送到第二 D/A转换器13和制冷器驱动电路15，用以调整管芯驱动电流和制冷器驱 动电流，从而改变光源的工作状态。因此可以把2个输出量看做是6个特征参量的函数
Ul = f! (Kl Al+K2 A2+K3 A3+K4 A4+K5 A5+K6 A6)
U2 = f2 (Kl Al+K2 A2+K3 A3+K4 A4+K5 A5+K6 A6) 其中，K1、K2、K3、K4、K5、K6分别为特征参量Al、 A2、A3、 A4、A5、 A6的系数，代表其 所占的比重。 针对不同的要求和控制对象，合理调节个参量的比重即可得到不同的控制效果。
6
取K1 = K2 = K3 = K4 = K6 = 0，以内温度信号为对象实施温控，精密电流源电路 提供恒定电流，即得到"恒流源+数字温控"控制方案，适用于中低精度要求的LED， LD， SLD 等光源； 取K1 = K2 = K4 = K6 = 0，以内温度信号为对象实施温控，以光功率为对象调节管 芯驱动电流，即可得到"自动功率控制方案"，适用于对光功率稳定性要求特别高的场合；
取Kl = K2 = K3 = K6 = 0，以内温度信号为对象实施温控，以输出波长漂移为对 象实施反馈控制，即可得到"波长锁定方案"，适用于对输出波长漂移有特殊要求的场合；
取K5 # 0，K6 # 0，内、外温度采样电路配合使用，能提前预知温度的变化，适用于 温度变化剧烈的场合； 取K1 # 0，K2 # O，将光源管芯结电压作为控制对象，保证管芯驱动电流的高精度 控制，适用于高精度要求的半导体激光光源。 光源管壳因温变应力对光源和光纤耦合效率会产生影B向，同时精密电流的微小变 化也会导致光源结电压的变化，因此对于中高精度的光源就要考虑对结电压和光源组件外 壳温度的控制，此时需对六个参量同时控制，调节各个参量所占的比重将会得到理想的控 制效果。
权利要求
一种高稳定度半导体激光光源稳定性控制系统，其特征在于包括由光源管芯(1)、热敏电阻(2)、热电制冷器(3)组成的光源组件，还包括第一结电压采样电路(4)、第二结电压采样电路(5)、光功率采样电路(6)、光波长检测电路(7)、内温度采样电路(8)、外温度采样电路(9)、多通道A/D采样器(10)、主控芯片CPU(11)、第一D/A转换器(12)、第D/A转换器(13)、精密电流源电路(14)和制冷器驱动电路(15)，第一结电压采样电路(4)、第二结电压采样电路(5)、光功率采样电路(6)、光波长检测电路(7)、内温度采样电路(8)、外温度采样电路(9)分别与光源组件相连，第一结电压采样电路(4)、第二结电压采样电路(5)用于采样光源管芯(1)的结电压，光功率采样电路(6)、光波长检测电路(7)分别用于采样光源管芯(1)的光功率和光波长，内温度采样电路(8)、外温度采样电路(9)用于采样光源组件的温度信号，第一结电压采样电路(4)、第二结电压采样电路(5)、光功率采样电路(6)、光波长检测电路(7)、内温度采样电路(8)、外温度采样电路(9)的输出分别送入多通道A/D采样器(10)；多通道A/D转换器(10)将接收到的采样信号送入主控芯片CPU(11)；主控芯片CPU(11)将采样信号处理后分两路输出一路经第D/A转换器(13)送入精密电流源电路(14)，输出端与光源组件相连，为光源管芯(1)提供驱动电流；另一路输出送入制冷器驱动电路(15)，输出端与光源组件相连，用以驱动热电制冷器(3)工作，另外主控芯片CPU(11)输出一路电压信号经第一D/A转换器(12)送入第一结电压采样电路(4)，为第一结电压采样电路提供比较基准电压信号。
2. 根据权利要求1所述的一种高稳定度半导体激光光源稳定性控制系统，其特征还在于，所述的由光源管芯(D、热敏电阻(2)、热电制冷器(3)组成的光源组件的内部模块连接关系为光源管芯(1)和内热敏电阻(2-1)紧贴于导热材料(17)的上表面，导热材料(17)的下表面紧贴于热电制冷器(3)的上表面，热电制冷器(3)的下表面紧贴于光源组件外壳(18)的内表面，通过光源组件外壳(18)与外界交换热量，外热敏电阻(2-2)紧贴于光源组件外壳(18)的外表面，以采样光源组件外壳(18)的温度信号，光源组件的第一接口 (Jl)、光源组件的第四接口 (J4)、光源组件的第六接口 (J6)、光源组件的第七接口 (J7)、光源组件的第八接口 (J8)分别与第一结电压采样电路(4)、精密电流源电路(14)、内温度采样电路(8)、外温度采样电路(9)、制冷器驱动电路(15)相连，光源组件的第二接口 (J2)、光源组件的第三接口 (J3)与第二结电压采样电路(5)相连，光源组件的第五接口 (J5)与光功率采样电路(6)、光波长检测电路(7)相连。
3. 根据权利要求2所述的一种高稳定度半导体激光光源稳定性控制系统，其特征在于，所述的光源管芯(1)的驱动电流来自光源组件的第四接口 (J4)，后接精密电阻(R31)，在光源组件的第一接口 (Jl)、光源组件的第二接口 (J2)、光源组件的第三接口 (J3)处被采样电路采样，光源组件的第一接口 (Jl)与第一结电压采样电路(4)相连，光源组件的第二接口 (J2)、光源组件的第三接口 (J3)与第二结电压采样电路(5)相连。
4. 根据权利要求1所述的一种高稳定度半导体激光光源稳定性控制系统，其特征还在于，所述的第一结电压采样电路(4)从光源组件的第一接口 (J1)、第一D/A转换器(12)的第九接口 (J9)处采样信号，经放大、滤波、缓冲、保护后送出到多通道A/D采样器(10)的第十接口 (J10)，光源组件的第一接口 (Jl)与光源管芯负输出端相连。
5. 根据权利要求1所述的一种高稳定度半导体激光光源稳定性控制系统，其特征还在于，所述的第二结电压采样电路(5)从光源组件的第二接口 (J2)、光源组件的第三接口 (J3)处采样信号，经放大、滤波、缓冲后送出到多通道A/D采样器(10)的第十一接口(Jll)，光源组件的第二接口 (J2)、光源组件的第三接口 (J3)连接到光源管芯(1)的精密电阻(R31)两端。
全文摘要
本发明公开的一种高稳定度半导体激光光源的稳定性控制系统，综合了对光源管芯的电流、热敏电阻的温度、热电制冷器的制冷量等物理参数的控制策略，采用第一结电压采样电路、第二结电压采样电路、光功率采样电路、光波长检测电路、内温度采样电路、外温度采样电路、多通道A/D采样器、主控芯片、两个D/A转换器、精密电流源电路和制冷器驱动电路。本发明能同时采样光源的温度、结电压、光功率、光波长等光源稳定性评价指标，针对不同应用场合合理设置各控制参数的比重，控制精度更高，应用范围更广，光源控制更稳定。
文档编号H01S5/068GK101694922SQ20091015338
公开日2010年4月14日 申请日期2009年10月19日 优先权日2009年10月19日
发明者刘承, 孙丽艳, 舒晓武, 车双良, 郭文正, 黄腾超 申请人:浙江大学;