一种基于四通道并联DFB激光器阵列的线性扫频激光器

一种基于四通道并联dfb激光器阵列的线性扫频激光器
技术领域
1.本发明属于激光传感检测技术领域，具体涉及一种基于四通道并联dfb激光器阵列的线性扫频激光器。


背景技术：

2.基于调频连续波(frequency modulated continuous wave,fmcw)的激光雷达测距技术是一种非接触式、高精度、高效率、无盲区的大尺寸绝对距离的测量技术。其在几何形貌检测、光纤传感、健康监测、集成光路诊断等领域都得到了广泛的应用。其中，线性可调谐激光器作为fmcw激光雷达技术的关键器件，其性能如出光功率、线性度、线宽、扫频带宽等对基于fmcw的光学相干传感系统的应用有着关键影响。其扫频线性度和扫频范围影响系统的分辨率，其线宽决定着系统的最远测量距离和空间分辨率，其体积、成本影响着系统能否实现大规模商用。然而市场上缺乏这样理想的线性可调谐激光器光源，因此，对低成本、小型化的线性扫频窄线宽单纵模激光器的研究非常迫切。
3.目前线性扫频激光器的主要类型包括外腔激光器(external cavity laser,ecl)、分布反馈式(distributed feedback,dfb)激光器、分布布拉格反射(distributed bragg reflector,dbr)激光器以及垂直腔面发射激光器。
4.外腔反馈型可调谐激光器的线宽窄、单模特性好、调谐范围大，但是受限于其机械式的波长调谐方式，调谐速度较慢；且由于ecl激光器内部存在机械结构，在一些震动较大的环境，例如检测飞机机翼应力变化的场景中很难得到应用；
5.基于dfb激光器的可调谐光源目前集成的通道数有限，且其热调谐的方式存在的热平衡过程也决定了其调谐速度较慢；
6.dbr型可调谐激光器通过电流调谐，调谐速度快，但是由于游标效应导致其模式稳定性不好；而垂直腔面发射激光器切换速度较快，但单模特性不够好，功率不高，不适合应用于长距离的传感检测。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于四通道并联dfb激光器阵列的线性扫频激光器。
8.为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
9.一种基于四通道并联dfb激光器阵列的线性扫频激光器，包括蝶形封装的四通道并联dfb激光器阵列模块和外围驱动电路；
10.外围驱动电路包括中心控制模块、稳流模块、温控模块；
11.所述四通道并联dfb激光器阵列模块与稳流模块、温控模块电连接；
12.所述稳流模块、温控模块与中心控制模块电连接；
13.所述中心控制模块用于发送激光器所需工作电流、选择激光器通道、获取激光器内部实时温度信息；
14.所述稳流模块用于接收来自中心控制模块的电流信息并为激光器阵列模块输出其所需的驱动电流；
15.所述温控模块用于控制激光器工作温度。
16.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
17.上述的四通道并联dfb激光器阵列模块包括单片集成的4x1dfb激光器，根据中心控制模块的选择来确定四个单波长激光器的切换顺序。
18.上述的单片集成的4x1dfb激光器，其结构为：四颗单波长的dfb激光器ld1、ld2、ld3、ld4并联排布，并且每个单波长dfb激光器均引入π相移结构；
19.所述π相移结构用于提高单波长激光器的单模特性；
20.所述单波长的dfb激光器ld1、ld2、ld3、ld4，通过y型波导y1将激光器ld1和ld2耦合，通过y型波导y2将激光器ld3和ld4耦合，再通过y型波导y3将波导y1和y2耦合，波导y3后集成了soa，其负责补偿激光器在耦合上带来的损耗。
21.上述的四通道并联dfb激光器阵列模块还包括tec、热敏电阻；
22.所述温控模块通过控制tec来实现对激光器工作温度的控制；
23.中心控制模块通过热敏电阻的阻值来获取激光器内部实时温度。
24.上述的中心控制模块，包括mcu芯片和fpga芯片；
25.所述mcu芯片与fpga芯片总线连接，所述mcu芯片负责和上位机通信，接收来自上位机的电流信息、温度信息、通道切换信息；
26.所述fpga芯片对指令进行处理并将电流信号传给稳流模块。
27.上述的稳流模块，包括dac单元、电压放大电路、滤波电路和基于负反馈式压控式恒流电路；
28.所述dac单元前级与fpga芯片电连接，后级与电压放大电路电连接，负责将fpga输出的数字信号转化为模拟信号；
29.所述电压放大电路与滤波电路电连接，负责将dac单元输出的信号放大为电压控制信号；
30.所述滤波电路与基于负反馈式的压控式恒流电路电连接，负责滤除模拟信号中的高频信号；
31.所述基于负反馈式压控式恒流电路与dfb激光器阵列模块电连接，负责给激光器提供的工作电流。
32.上述的电压放大电路，包括电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电容c1、电容c2和运算放大器a1；
33.所述电阻r1分别连接dac的同相差分输出端和地；
34.所述电阻r2分别连接dac的反相差分输出端和地；
35.所述电阻r5分别连接dac的同相差分输出端和运算放大器a1的反相输入端；
36.所述电阻r6分别连接dac的反相差分输出端和运算放大器a1的反相输入端；
37.所述电阻r3分别连接运算放大器a1的正相输入端和地；
38.所述电阻r4分别连接运算放大器a1的正向输出端和电源vcc；
39.所述电阻r7和电容c2并联至运算放大器a1的反相输入端和输出端；
40.所述电容c1连接至电源vcc和gnd之间；
41.所述运算放大器a1的输出端与滤波电路电连接。
42.上述的滤波电路，包括电阻r8、电阻r9、电阻r10、电阻r11、电阻r12、电容c3、电容c4、电容c5和运算放大器a2；
43.所述电阻r8和电阻r11串联于电压放大电路的输出端和运算放大器a2的反相输入端；
44.所述电容c3连接电阻r8和gnd；
45.所述电阻r12连接电阻r11和运算放大器a2的输出端；
46.所述电容c4连接运算放大器a2的输出端和反相输出端；
47.所述电阻r9和电容c5并联于运算放大器a2的同相输入端和gnd之间；
48.所述电阻r10连接电阻r9和电源vcc；
49.所述运算放大器a2的输出端于负反馈式压控式恒流电路电连接。
50.上述的负反馈式压控式恒流电路，包括电阻r13、电阻r14、电阻r15、电阻r16、电阻r17、电阻r18、电阻r19、电阻r20、电阻r21、电阻r22、电容c6、运算放大器a2、运算放大器a3和三极管q1；
51.所述电阻r13与运算放大器a3的正相输入端和gnd相连；
52.所述电阻r16和电容c6并联于运算放大器a3的反相输入端和输出端之间；
53.所述电阻r20连接运算放大器a3的输出端三极管q1的基极b；
54.所述电阻r21与电源vcc和三极管q1的集电极c连接；
55.所述电阻r14连接运算放大器a3的反相输入端和运算放大器a4的输出端；
56.所述电阻r15连接运算放大器a4的反相输入端和输出端；
57.所述电阻r19连接运算放大器a4的正相输入端和gnd；
58.所述电阻r17连接运算放大器a4的正相输入端和三极管q1的集电极e；
59.所述电阻r18连接运算放大器a4的反相输入端和电阻r22；
60.所述电阻r22连接电阻r17和激光器阵列模块。
61.上述的温控模块，包括pid控制电路、tec驱动电路和电压跟随电路；
62.所述pid控制电路和tec驱动电路电连接；
63.所述tec驱动电路和激光器阵列内部tec电连接；
64.所述电压跟随电路和激光器内部热敏电阻电连接；
65.所述电压跟随电路输出端与中心控制模块电连接，负责电压信息返回给中心控制模块，以此反映出激光器内部实时温度。
66.本发明具有以下有益效果：
67.本发明的温控模块将激光器的温度始终维持在一个恒定的值，在此基础上，通过稳流模块改变激光器的注入电流，使得激光器的波长变化仅受注入电流的影响，而不受温度的影响，从而加快了激光器波长的调谐速度，激光器的波长调谐速度最快可达1mhz，同时由于激光器的波长不受温度的影响，其调谐线性度也得到了显著的提高。
68.本发明可实现四颗通道依次快速扫频，拓展了激光器的扫频范围，最多可实现4nm的波长调谐范围。
69.本发明利用中心控制模块中mcu和fpga的相互配合，可以实现四个激光器通道扫频时的任意组合，提高了激光器的使用灵活性。
附图说明
70.图1是本发明的模块连接流程示意图；
71.图2是本发明的单片集成的4x1dfb激光器芯片图；
72.图3是本发明的稳流模块电压放大电路原理图；
73.图4是本发明的稳流模块滤波电路原理图；
74.图5是本发明的稳流模块负反馈式压控式恒流电路原理图；
75.图6是本发明的激光器注入电流随时间变化过程图；
76.图7是本发明的激光器波长随注入电流变化图；
77.图8是本发明的温控模块结构示意图。
具体实施方式
78.以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
79.参见图1，本发明一种基于四通道并联dfb激光器阵列的线性扫频激光器，包括蝶形封装的四通道并联dfb激光器阵列模块和外围驱动电路；
80.外围驱动电路包括中心控制模块、稳流模块、温控模块；
81.所述四通道并联dfb激光器阵列模块与稳流模块、温控模块电连接；
82.所述稳流模块、温控模块与中心控制模块电连接；
83.所述中心控制模块用于发送激光器所需工作电流、选择激光器通道、获取激光器内部实时温度信息；
84.所述稳流模块用于接收来自中心控制模块的电流信息并为激光器阵列模块输出其所需的驱动电流；
85.所述温控模块用于控制激光器工作温度。
86.实施例中，参见图2，所述四通道并联dfb激光器阵列模块包括单片集成的4x1dfb激光器，根据中心控制模块的选择来确定四个单波长激光器的切换顺序。
87.所述单片集成的4x1dfb激光器，包含四颗dfb激光器ld1、ld2、ld3、ld4，合波y1、y2、y3以及半导体光放大器soa；
88.四颗单波长的dfb激光器ld1、ld2、ld3、ld4并联排布，并且每个单波长dfb激光器均引入π相移结构；
89.所述π相移结构用于提高单波长激光器的单模特性，可以减少激光器间的模式串扰，且增加激光器的单模稳定性；
90.所述单波长的dfb激光器ld1、ld2、ld3、ld4，通过y型波导y1将激光器ld1和ld2耦合，通过y型波导y2将激光器ld3和ld4耦合，再通过y型波导y3将波导y1和y2耦合，波导y3后集成了soa，其负责补偿激光器在耦合上带来的损耗。
91.另外，该激光器芯片集成了四颗激光器，因此外部驱动电路也设计了四个通道。外部设备需要调谐多长的波长范围，光源就依次点亮多少颗激光器，从而实现激光器波长的宽带调谐。激光器的合波和soa加20ma左右的透明电流，用于补偿激光器耦合时带来的损耗。
92.dfb激光器芯片把四颗dfb激光器、三个合波以及soa都集成在同一个光芯片上，激光器的出光方式由外围驱动电路控制，激光器工作时，外围驱动电路先给合波y1、y2、y3以
及soa注入20ma左右的恒定电流，用于补偿损耗；激光器则注入20ma
‑
170ma的工作电流，用于驱动dfb激光器，其中20ma为dfb激光器的阈值电流，170ma为激光器的饱和电流。当激光器ld1扫频完成后，驱动电路中的中心控制模块关闭控制激光器ld1的通道，同时打开控制ld2的通道，然后继续上述加电操作，直到四颗激光器全部加电结束。
93.实施例中，所述四通道并联dfb激光器阵列模块还包括tec、热敏电阻；
94.所述温控模块通过控制tec来实现对激光器工作温度的控制；
95.中心控制模块通过热敏电阻的阻值来获取激光器内部实时温度。
96.实施例中，所述中心控制模块，包括mcu芯片和fpga芯片；
97.所述mcu芯片与fpga芯片通过local bus总线协议连接，所述mcu芯片负责和上位机通信，接收来自上位机的电流信息、温度信息、通道切换信息；
98.所述fpga芯片对指令进行处理并将电流信号传给稳流模块。
99.实施例中，所述稳流模块，包括dac单元、电压放大电路、滤波电路和基于负反馈式压控式恒流电路；
100.所述dac单元前级与fpga芯片电连接，后级与电压放大电路电连接，负责将fpga输出的数字信号转化为模拟信号；
101.所述电压放大电路与滤波电路电连接，负责将dac单元输出的0
‑
20ma的小信号放大为0
‑
2.8v的电压控制信号；
102.所述滤波电路与基于负反馈式的压控式恒流电路电连接，负责滤除模拟信号中的高频信号；
103.所述基于负反馈式压控式恒流电路与dfb激光器阵列模块电连接，将电压信号转化为0
‑
170ma输出的电流信号，负责给激光器提供高精度的工作电流。
104.所述的温控模块，包括pid控制电路、tec驱动电路和电压跟随电路；
105.所述pid控制电路和tec驱动电路电连接；
106.所述tec驱动电路和激光器阵列内部tec电连接；
107.所述电压跟随电路和激光器内部热敏电阻电连接；
108.所述电压跟随电路输出端与中心控制模块电连接，负责电压信息返回给中心控制模块，以此反映出激光器内部实时温度。
109.实施例中，从上位机发出的控制指令通过串口发送给mcu芯片后，由mcu芯片直接控制激光器阵列的温度，各通道电流大小以及通道选择则由fpga芯片处理后发送到稳流模块，以完成任意通道间的快速切换。图6为激光器注入电流随时间的变化。
110.为了实现通道间快速的切换以及激光器电流的快速变化，系统利用fpga芯片可并行处理数据速度快的优势，将mcu芯片和fpga芯片通过local bus连接构成中心控制模块，如附图4所示，mcu的19个io口与fpga相连，分别定义为8位数据位(din[7:0])，8位地址位(addr[7:0])，1位读控制位(read)，1位写控制位(write)，以及1位片选信号(cs)。
[0111]
上位机通过串口通信把控制指令发送给mcu芯片后，mcu芯片通过local bus给fpga芯片发送数据信号din[7:0]和地址寻址信号addr[7:0]，数据信号包含了不同通道激光器的开关状态、开启时延以及电流大小信息，数据信号直接发送给d触发器模块的d端；地址寻址信号通过译码器模块进行译码，并将译码的结果发给到d触发器的时钟端；d触发器通过对时钟端信号的判定选择发送数据信号给稳流模块，实现对各激光器电流大小的控
制。此外，mcu芯片通过数据采集端口ain将电压跟随器采集到的电压信号采集到，转化成此时的热敏电阻的阻值，以获取激光器实时工作温度信息。
[0112]
图3、图4、图5分别为电压放大电路、滤波电路以及基于负反馈的压控式恒流电路的原理图。
[0113]
所述电压放大电路，包括电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电容c1、电容c2和运算放大器a1；
[0114]
所述电阻r1分别连接dac的同相差分输出端和地；
[0115]
所述电阻r2分别连接dac的反相差分输出端和地；
[0116]
所述电阻r5分别连接dac的同相差分输出端和运算放大器a1的反相输入端；
[0117]
所述电阻r6分别连接dac的反相差分输出端和运算放大器a1的反相输入端；
[0118]
所述电阻r3分别连接运算放大器a1的正相输入端和地；
[0119]
所述电阻r4分别连接运算放大器a1的正向输出端和电源vcc；
[0120]
所述电阻r7和电容c2并联至运算放大器a1的反相输入端和输出端；
[0121]
所述电容c1连接至电源vcc和gnd之间；
[0122]
所述运算放大器a1的输出端与滤波电路电连接。
[0123]
实施例中，所述滤波电路，包括电阻r8、电阻r9、电阻r10、电阻r11、电阻r12、电容c3、电容c4、电容c5和运算放大器a2；
[0124]
所述电阻r8和电阻r11串联于电压放大电路的输出端和运算放大器a2的反相输入端；
[0125]
所述电容c3连接电阻r8和gnd；
[0126]
所述电阻r12连接电阻r11和运算放大器a2的输出端；
[0127]
所述电容c4连接运算放大器a2的输出端和反相输出端；
[0128]
所述电阻r9和电容c5并联于运算放大器a2的同相输入端和gnd之间；
[0129]
所述电阻r10连接电阻r9和电源vcc；
[0130]
所述运算放大器a2的输出端于负反馈式压控式恒流电路电连接。
[0131]
实施例中，所述负反馈式压控式恒流电路，包括电阻r13、电阻r14、电阻r15、电阻r16、电阻r17、电阻r18、电阻r19、电阻r20、电阻r21、电阻r22、电容c6、运算放大器a2、运算放大器a3和三极管q1；
[0132]
所述电阻r13与运算放大器a3的正相输入端和gnd相连；
[0133]
所述电阻r16和电容c6并联于运算放大器a3的反相输入端和输出端之间；
[0134]
所述电阻r20连接运算放大器a3的输出端三极管q1的基极b；
[0135]
所述电阻r21与电源vcc和三极管q1的集电极c连接；
[0136]
所述电阻r14连接运算放大器a3的反相输入端和运算放大器a4的输出端；
[0137]
所述电阻r15连接运算放大器a4的反相输入端和输出端；
[0138]
所述电阻r19连接运算放大器a4的正相输入端和gnd；
[0139]
所述电阻r17连接运算放大器a4的正相输入端和三极管q1的集电极e；
[0140]
所述电阻r18连接运算放大器a4的反相输入端和电阻r22；
[0141]
所述电阻r22连接电阻r17和激光器阵列模块。
[0142]
在图5的电路中，设置r17＝r19，r18＝r15，可得到从三极管q1集电极输出的电流
与输入电流vin的关系为：
[0143][0144]
其中，i
out
为输出到激光器的电流，v
in
为滤波电路输入到运算放大器a3正相输出端的电压，u
ld
为激光器工作时两端的电压，通过调整输入电压v
in
，即可调整输出电流至激光器所需要的驱动电流值。由上式可得，在电路参数及激光器工作电压确定的情况下，输出电流仅与输入电压有关，电流大小不会随着三极管q1的导通电阻的变化而波动，为恒流输出，因此具有很高的稳定性。
[0145]
当激光器工作时，为了保证激光波长的准确以及延长激光器的使用寿命，必须保证激光器阵列工作时温度稳定，因此系统中加入了温控系统。
[0146]
温控模块结构示意图如图8所示，tec集成于激光器封装中，通过外部tec驱动器驱动保持温度稳定。温控部分利用了一个pid控制器，该pid控制器通过比较预设的温度对应的电压值与采样自激光器内部热敏电阻端的电压，输出差值信号给tec驱动器，从而控制tec调整激光器温度直至达到预设值。同时，电压跟随器采样测试电阻两端的电压信号，并且输入至mcu的数据采集端ain，以获得激光器工作温度的实时信息。
[0147]
本发明所采用的激光器波长控制方式为控制激光器工作温度为定值，改变激光器的注入电流大小，由于激光器的输出波长与激光器的温度以及注入电流大小有关，在控制激光器工作稳定，仅改变激光器注入电流大小时，激光器的输出波长随电流呈线性变化，如附图7所示，激光器注入电流从阈值电流20ma变化只170ma时，激光器的波长线性变化了1nm左右，通过四个激光器的级联，便可使激光器波长的变化范围拓展为4nm。因此本发明通过对激光器温度的控制以及注入电流的稳定输出，实现了激光器波长宽带地、线性地变化。
[0148]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。