一种多路同步输出激光器光源驱动模块的制作方法

1.本实用新型涉及激光器领域，具体涉及一种多路同步输出激光器光源驱动模块。


背景技术：

2.目前qkd(quantum key distribution，量子密钥分发)通信系统主要基于bb84协议，该协议的编码要求qkd系统的发送端需制备两组非正交的四种偏振态单光子。
3.现有的工程方案中通常有两种方法实现四种偏振态单光子制备。
4.一种方法是：采用一个激光器ld作为光源，通过分束器bs一分为四，在分光后的四个光路上分别依次连接强度调制器im、偏振分束器pbs以及电控偏振控制器epc实现每个分支的偏振态单光子制备，最后通过bs合束输出至光纤中。
5.另一种方法是：采用四个激光器ld作为光源，在四个光路上分别依次连接偏振分光器pbs以及偏振态控制器epc实现每个光路的偏振态单光子制备，最后通过bs合束输出至光纤中。
6.由于强度调制器im的成本非常高，方法一只能在科研系统中采用，而在商用系统当中，更多的是采用方法二。但方法二由于采用了四个激光器ld作为系统光源，如果不能保证四个激光器输出时刻的相位一致，系统安全性将存在隐患。
7.在现有的四种偏振态单光子制备当中，输出的光子还具有超窄光脉冲宽度稳定定性差，输出抖动大，消光比小，功率以及波长不稳定的缺陷。
8.因此，需要对现有技术进行改进提供一种具有超窄光脉冲宽度，输出抖动小，消光比大，功率以及波长稳定的多路同步输出激光器光源系统。


技术实现要素：

9.为了解决上述技术问题，提出了一种具有超窄光脉冲宽度，输出抖动小，消光比大，功率以及波长稳定的多路同步输出激光器光源的驱动模块。
10.为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案如下：包括多路激光器光源产生电路，温控电路和处理器，其中：
11.所述多路激光器光源产生电路包括触发信号同步电路、驱动电路和dfb激光器调制电路；
12.任意一路触发信号同步电路与所述处理器连接，用于对多路激光触发信号进行相应延时调节；任意一路驱动电路与所述处理器连接，用于对触发信号进行超窄脉宽调制以及放大处理；任意一路dfb (distributed feedback)激光器调制电路与温控电路连接，所述温控电路又与所述处理器连接，所述温控电路采集dfb激光器调制电路腔内温度反馈至处理器，所述处理器控制dfb激光器调制电路的tec (thermo electric cooler)制冷片对温度进行调节；
13.所述驱动电路包括窄脉冲产生电路和信号调制及放大电路，所述窄脉冲产生电路用于将触发信号调节为超窄脉宽信号并将对其进行增强驱动后发送给信号调制及放大电
路；
14.所述信号调制及放大电路对接收到的信号进行放大后输送至dfb 激光器调制电路。
15.所述触发信号同步电路包括触发信号延时芯片，触发信号延时芯片的调节范围是：实现10ns范围内步进10ps的信号延时调节。
16.优选地，所述触发信号延时芯片型号为mc100ep196bfar2g。
17.优选地，所述窄脉冲产生电路包括一分为二电平转换芯片、窄脉冲延时芯片、电平驱动芯片；
18.一路触发信号经过一分为二电平转换芯片后将信号一分为二输出两组差分信号，然后输入到窄脉冲延时芯片，所述处理器通过spi 总线调节窄脉冲延时芯片内部信号延时值，使得两组差分信号之间相差100ps,然后输入到电平驱动芯片将两组差分信号合成一路100ps 的超窄脉宽信号并增强驱动后输出至dfb激光器调制电路。
19.优选地，所述信号调制及放大电路包括信号调制dac芯片和信号放大芯片，所述处理器fpga芯片通过i2c总线调节信号调制dac芯片的输出，通过信号放大芯片进行信号放大后输出至dfb激光器调制电路。
20.优选地，所述一分为二电平转换芯片型号为nb7l11m、窄脉冲延时芯片型号为nb6l295mntxg、电平驱动芯片型号为mc100lvep05；
21.所述信号调制dac芯片型号为ad56655rbruz
‑
2，信号放大芯片型号为opa4188aipw。
22.优选地，所述温控电路包括温度采集电路、温控adc电路、温控 dac电路、放大电路以及tec驱动电路，所述温度采集电路用于采集 dfb激光器模块腔内的温度并输入温控adc电路进行数模转换后发送给处理器；
23.优选地，所述处理器通过spi总线读取温控adc电路的实时温度采集数据然后根据pid算法计算出温度调节数据，通过i2c总线将温度调节数据输出至温控dac电路进行模数转换后发送给放大电路进行信号放大然后输入到tec驱动电路，所述tec驱动电路根据接收的数据产生tec制冷片的驱动电压完成温度调节。
24.优选地，所述温度采集电路包括运算放大器，所述运算放大器将 dfb激光器模块腔内的热敏电阻输出的电压信号进行直流偏置与放大后输入到温控adc电路；
25.所述运算放大器的型号为opa4350ua。
26.优选地，所述温控adc电路包括adc芯片ads8370ib；所述温控 dac电路包括dac芯片ad56655rbruz
‑
2；所述tec驱动电路包括tec 驱动芯片max8520etp。
27.本实用新型有益的技术效果：
28.本实用新型通过驱动电路驱动增强处理后输出信号具有超窄脉宽，稳定性好，输出抖动小，消光比大，功率以及波长稳定；驱动电路技术指标一致性好，可重复实现多路稳定激光器光源输出；控制精确度高，保证了系统性能。
附图说明
29.图1为本发明的整体结构框图；
30.图2为本发明中触发信号同步电路的整体结构框图；
31.图3为本发明中触发信号同步电路部分电路原理图；
32.图4为本发明中驱动电路部分原理图一；
33.图5为本发明中驱动电路部分原理图二。
34.图6为本发明中温控电路的整体结构框图。
具体实施方式
35.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本实用新型进行进一步详细说明，但本实用新型要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。
36.如图1
‑
6所示，一种多路同步输出激光器光源驱动模块，包括多路激光器光源产生电路，温控电路和处理器，其中：
37.多路激光器光源产生电路并行设置，每一路激光器光源产生电路均与处理器以及温控电路连接；所述温控电路又与处理器连接，且通过处理器控制每一路激光器光源产生电路的温度。
38.具体地，所述每一路激光器光源产生电路都包括触发信号同步电路、驱动电路和dfb激光器调制电路；
39.任意一路触发信号同步电路与所述处理器连接，所述处理器控制触发信号同步电路对触发信号进行相应延时调节；
40.任意一路驱动电路与所述处理器连接，所述处理器控制驱动电路对触发信号进行超窄脉宽调制以及放大处理；
41.任意一路dfb激光器调制电路与温控电路连接，所述温控电路又与所述处理器连接，所述温控电路采集dfb激光器调制电路腔内温度反馈至处理器，所述处理器根据接收到的温度数据结合pid算法计算出调节的数值，并将调节数值发送给dfb激光器调制电路的tec 制冷片对温度进行调节；
42.具体地，所述触发信号同步电路包括触发信号延时芯片，触发信号延时芯片的调节范围是：实现10ns范围内步进10ps的信号延时调节，本实施例中实现2.2ns至12.4ns范围内步进10ps的信号延时调节。
43.所述处理器采用fpga处理器，其芯片型号采用ep4cgx150 系列或其它同等指标型号芯片，本实施例中采用ep4cgx150df27i7 型号芯片，处理器通过10位总线控制触发信号延时芯片从2.2ns至 12.4ns范围内步进10ps的信号延时调节。
44.如3所示，处理器fpga通过10位总线si
‑
delay与触发信号延时芯片u1，的输入输出端口d0
‑
d10端口连接，激光器外部触发信号从触发信号延时芯片u1的输入引脚4和5输入，经过延时处理后从输出引脚20和21延时输出，所述触发信号延时芯片可选用 mc100ep196系列或其它同等指标型号芯片，本实施例中采用 mc100ep196bfar2g芯片。
45.具体地参见图1，处理器控制触发信号同步电路的具体过程如下：以第一路激光器外部信号1#和以第二路激光器外部信号2#为例，两路激光器同时发出触发信号，两路信号依次经过触发信号同步电路、驱动电路和dfb激光器调制电路后输出处理后的激光信号，此时需要借用示波器连接2路电路，将处理后的机激光信号输入到示波器中，通过示波器的波形图得出两路光路的时间差，示波器也可以直接接入到处理器上，将获取的时间差t发送到
处理器中。因为多路激光器几乎是同时发出触发信号的，因此通过两条光路的时间间隔在2.2ns至 12.4ns之间。
46.若第一路信号1#的信号比第二路信号2#的信号早，则处理器控制第一路激光器光源产生电路的触发信号同步电路将地一路的激光触发信号延迟时间t，延时以后，两路激光器光源产生电路输出的信号可以同步输出。
47.所述驱动电路包括窄脉冲产生电路和信号调制及放大电路，所述窄脉冲产生电路用于将触发信号调节为超窄脉宽信号并对其进行增强驱动后发送给信号调制及放大电路；
48.所述信号调制及放大电路对接收到的信号进行放大后输送至dfb 激光器调制电路。
49.优选地，所述窄脉冲产生电路包括一分为二电平转换芯片、窄脉冲延时芯片、电平驱动芯片,其中电平驱动芯片为lvpecl电平驱动芯片；
50.一路触发信号经过一分为二电平转换芯片后将信号一分为二输出两组差分信号，然后输入到窄脉冲延时芯片，所述处理器通过spi 总线调节窄脉冲延时芯片内部信号延时值，使得两组差分信号之间相差100ps,然后输入到电平驱动芯片将两组差分信号合成一路100ps 的超窄脉宽信号并增强驱动后输出至dfb激光器调制电路。
51.所述信号调制及放大电路包括信号调制dac芯片和信号放大芯片，所述处理器fpga芯片通过i2c总线调节信号调制dac芯片的输出，通过信号放大芯片进行信号放大后输出至dfb激光器调制电路。
52.具体地，具体地，所述一分为二电平转换芯片型号可选用nb7l11m 系列或其它同等指标型号，具体采用nb7l11m芯片、窄脉冲延时芯片可选用nb6l295系列或其它同等指标型号，本实施例采用 nb6l295mntxg芯片、电平驱动芯片可选用mc100lvep05系列或其它同等指标型号，本实施例采用型号为mc100lvep05；所述信号调制dac 芯片可选用ad566555系列或其它同等指标型号，本实施例采用 ad56655rbruz
‑
2，信号放大芯片可选用opa4188系列或其它同等指标型号，本实施例中采用opa4188aipw。
53.所述分为二电平转换芯片、窄脉冲延时芯片、lvpecl电平驱动芯片和dfb激光器调制电路依次顺序连接；所述调制dac芯片和信号放大芯片依次连接，所述信号放大芯片又与dfb激光器调制电路电信号连接；fpca处理器通过电信号分别与窄脉冲延时芯片和调制dac 芯片连接，对窄脉冲延时芯片和调制dac芯片进行驱动控制。
54.具体地，整个驱动电路的工作原理为：一路触发信号经芯片 (nb7l11m)输出两组差分信号，然后输入到芯片(nb6l295mntxg)；处理器fpga芯片ep4cgx150df27i7通过spi总线调节芯片 (nb6l295mntxg)内部信号延时值，使得两组差分信号之间相差 100ps，然后输入到芯片；(mc100lvep05)的作用是将两组差分信号合成一路差分信号并增强驱动后输出，由此产生100ps的超窄脉宽信号；该信号输出至dfb激光器调制电路。
55.处理器fpga芯片ep4cgx150df27i7通过i2c总线调节调制dac 芯片(ad56655rbruz
‑
2)的输出，通过信号放大芯片(opa4188aipw) 进行信号放大后输出至dfb激光器调制电路。
56.综上所述，通过窄脉冲产生电路与信号调制及放大电路联合产生驱动信号对dfb激光器完成驱动后输出100ps的超窄脉宽激光光源。
57.所述温控电路包括温度采集电路、温控adc电路、温控dac电路、放大电路以及tec
驱动电路，所述温度采集电路用于采集dfb激光器模块腔内的温度并输入温控adc电路进行数模转换后发送给处理器；
58.优选地，所述处理器通过spi总线读取温控adc电路的实时温度采集数据然后根据pid算法计算出温度调节数据，通过i2c总线将温度调节数据输出至温控dac电路进行模数转换后发送给放大电路进行信号放大然后输入到tec驱动电路，所述tec驱动电路根据接收的数据产生tec制冷片的驱动电压完成温度调节。
59.优选地，所述温度采集电路包括运算放大器(opa4350ua)实现，运算放大器将dfb激光器模块腔内的热敏电阻th输出的电压信号进行直流偏置与放大后输入到温控adc电路。所述温控adc电路包括 adc芯片(ads8370ib)；所述温控dac电路包括dac芯片 (ad56655rbruz
‑
2)；所述tec驱动电路包括tec驱动芯片 (max8520etp)。
60.所述温度采集电路与dfb激光器模块内的th热敏电阻连接，然后温控adc电路与fpga处理器连接，所述fpga处理器又与温控dac 电路连接；所述温控dac电路、放大电路和tec驱动电路依次顺序连接，所述tec驱动电路又与dfb激光器模块中的tec制冷片连接。
61.温控电路的作用是通过采集dfb激光器腔内温度反馈至处理器，由处理器根据pid算法(在过程控制中，按偏差的比例(p)、积分(i) 和微分(d)进行控制的pid控制器(亦称pid调节器)是应用最为广泛的一种自动控制器)对dfb激光器内部的tec制冷片进行温度控制，实现dfb激光器腔内温度快速调节，保证dfb激光器稳定的25 ℃工作温度要求。
62.根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便，并不对实用新型构成任何限制。