摘 要

近些年来以来，我国发展面临着很多问题，比如空气污染越来越严重，尤其是华北地区以及东北地区空气污染十分严重，已经使人们面临着健康问题，实时监测空气成分成为必须的一项工作。而且，随着我国经济的发展，需要越来越多的矿产资源的支持，矿产工程又充满了不可测性和危险性，因此必须有一定的稳定设备来检测矿洞中的空气成分，因此我们需要能够稳定监测气体的工具。我国在这方面的研究起步较国外晚。国外对于激光器驱动电路的研究比较早，并且获得了很大的突破，技术方面相对比较成熟了，尤其是日本，美国均有一些技术突破，其中有一些公司例如美国的ILXLightwave Thorlabs以及韩国的M-Teeh等这些公司都掌握了一定的技术水平，这些公司研制出的激光器驱动电路也得到了广泛应用和认可，其技术指标十分优秀，脉冲宽度可以达到皮秒级，电流大小也能达到上百安培。而我国的研究起步就比较晚，在这方面有一些落后，因此研制更加精良，技术标准更高的激光驱动电路势在必行。

因为我们要驱动的是半导体激光器，其对电压和电流都十分敏感，操作不当，或者驱动电路输出不稳定都会造成激光器的损害和失效，存在很大的安全隐患。我此次设计的半导体驱动电路的思路是先通过仿真软件将电路图设计模拟出来，然后仿真运行，当仿真成功后，将系统模块化，将整个电路图分成几个模块，分别对几个模块进行分析和调试，以达到更高的精准度。然后购买硬件组建，将硬件根据电路图焊接调试成功，最后将几个模块组装并进行整体的调试，完成本次驱动电路的设计。

目前我的设计工作已经全面完成，硬件已经焊接调试好，并且可以达到较高的标准。在实际应用过程中，此驱动电路可以驱动半导体激光器发出激光脉冲，并且发出的激光脉冲十分稳定，接近于商用半导体激光器发出的激光标准，我的设计驱动发出的激光脉冲的长度分别是1530.1400 1548.4760 1566.9480。并且可以保证长时间稳定运行。此次电路设计已经基本完成，并且可以实现相应功能。

关键词：半导体激光器 驱动电路 敏感 模块化 激光脉冲

Abstract

In recent years, China's development is facing many problems, such as air pollution is more and more serious, especially in North China and northeast air pollution is very serious, is that people are faced with health problems, real-time monitoring of air composition has become a necessary. Moreover, with the development of China's economy, we need more and more support of mineral resources, mineral engineering and full of uncertainty and risk, so there must be a stable equipment to detect air components of mines, so we need to be able to work out the stability monitoring of gas. Our research in this field started later than abroad. Study abroad in the laser driving circuit is relatively early, and gained a great breakthrough, the technology is relatively mature, especially in Japan, the United States has some technological breakthroughs, some companies such as the United States and South Korea's M-Teeh ILXLightwave Thorlabs, these companies have mastered a certain level of technology, the company developed a laser the driving circuit has been widely used and recognized, its technical performance is very good, the pulse width can reach picosecond, current size can reach hundreds of amperes. But the research in our country started relatively late, and there are some backward in this aspect. Therefore, it is imperative to develop more sophisticated laser drive circuit with higher technical standards.

Because we want to drive the semiconductor laser, which are very sensitive to voltage and current output driver circuit or improper operation, will cause the instability of laser damage and failure, there is a big security risk. The design of the driving circuit of semiconductor my idea is first through the simulation software for circuit design and simulation, simulation, when the simulation is successful, the system is modular, the whole circuit is divided into several modules, respectively, of several modules analysis and debugging, to achieve higher accuracy. Then buy the hardware to build, the hardware according to the circuit diagram welding debugging success, and finally will be a few modules assembled and the whole debugging, completed the drive circuit design.

At present, my design work has been fully completed, the hardware has been welding debugging, and can achieve higher standards. In the actual application process, this circuit can drive semiconductor laser pulse, laser pulse and a very stable, close to the standard commercial laser emitted by the semiconductor laser, I design a driving laser pulse length is 1530.1400 1548.4760 1566.9480 respectively. And it can ensure stable operation for a long time. The circuit design has been basically completed, and can achieve the corresponding function.

Key words: semiconductor laser; drive circuit; sensitive modular laser pulse

目录

第1章绪论 1

1.1课题的背景及意义 1

1.2国内外相关技术及研究现状 2

1.2.1国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 2

1.3论文研究主要内容 3

第2章 方案论证与设计 4

2.1需求分析 4

2.2系统总体分析 4

2.3系统设计原理分析 5

2.3.1 DFB激光器的原理 5

2.3.2 MOS管功率放大器 6

2.3.3 恒流源LM385介绍 7

2.3.4 运算放大器TLC2272 7

2.3.5 PNP管介绍 9

2.3.6温度控制芯片ADN8831介绍 10

第3章 电路整体设计方案 13

3.1电路整体设计图 13

3.2各模块作用 14

3.2.1开环恒流源 14

3.2.2电流监测模块 15

3.2.3光电监测模块 15

3.2.4激光器电路 16

3.2.5温度控制芯片模块 17

3.3 电路工作原理 18

第4章 系统调试及结果 19

4.1电路调试以及数据测量 19

4.2设计结果分析 21

第5章 总结和展望 22

参考文献 23

致谢 24

第1章绪论

1.1课题的背景及意义

近些年来以来，我国发展面临着很多问题，比如空气污染越来越严重，尤其是华北地区以及东北地区空气污染十分严重，已经使人们面临着健康问题，实时监测空气成分成为必须的一项工作。而且，随着我国经济的发展，需要越来越多的矿产资源的支持，矿产工程又充满了不可测性和危险性，因此必须有一定的稳定设备来检测矿洞中的空气成分，因此我们需要能够稳定监测气体的工具。

而分布反馈式激光正好可以满足我们的需求，它具有很多优点，包括在一个激光器中制作几组不同周期的光栅，构成多谐分布反馈激光器，产生几个激光波长，也可作为频率复用光源。而且半导体分布反馈激光器体积小，易放置和工程使用，也可用于监测医学中血管中的生命特征数据。半导体分布反馈激光器可成为长距离大容量单模光纤通信的理想光源，因为这种激光器在高速调制下也能保持单频工作（动态单模）。它有较好的光谱纯度和极其高的边模抑制比。因此它是目前为止最合适的气体，液体监测设备。

因为我们应用的是半导体激光器，其工作是需要注入电流来实现的，其对电压和电流都十分敏感，对电流冲击的对抗能力比较弱。如果其工作输入的电流冲击过大，很有可能瞬间把DFB激光器烧毁。亦或者工作的注入电流不稳定，导致工作状态充满了太多的波动和不确定性，会导致DFB激光器工作状态不稳定，重则破坏激光器的内部原件，轻则会减少原件的使用寿命。总之操作不当，或者驱动电路输出不稳定都会造成激光器的损害和失效，存在很大的安全隐患。因此，半导体激光器的驱动电路的研制成为了人们研究的重要课题，也成为了DFB激光器设备研制中至关重要的技术模块，好的驱动电路是设备正常运行的保障。性能良好的激光器驱动电路一直是一项重要的技术，每个国家的科学家都在这方面付出了很多的辛苦，因为半导体激光器的优良与否直接关系着一个行业的兴衰和一些工程项目中人员的安全问题。因此急需设计出一款高稳定性的半导体驱动电路的模块，使DFB激光驱动电路能在一个稳定的状态下工作。又因为半导体材料对电流冲击的负载能力比较差，因此在实际生产中，对激光器驱动电路安全保护和性能指标有极高的要求。

1.2国内外相关技术及研究现状

1.2.1国外研究现状

国外对于激光器驱动电路的研究比较早，并且获得了很大的突破，技术方面相对比较成熟了，尤其是日本，美国均有一些技术突破，其中有一些公司例如美国的ILXLightwave Thorlabs以及韩国的M-Teeh等这些公司都掌握了一定的技术水平，这些公司研制出的激光器驱动电路也得到了广泛应用和认可，其技术指标十分优秀，脉冲宽度可以达到皮秒级，电流大小也能达到上百安培，其中美国的IL公司在这方面的成就比较突出，其产品LDX-3027是世界上第一台精密激光器驱动电流源。其后生产的LDX-3412也具有低噪音，高稳定性的特点，性能指标十分优良。美国在半导体激光器研制方面的技术水平很高，大部分科研机构的设备仪器都是在美国购置，在我校的光纤实验室也有许多购自美国的光纤实验检测以及辅助设备。日本的半导体激光器驱动电路的研制也不甘落后，日本是一个一直以来以精准技术称雄的国家，从其示波器质量方面就可以看出来。其在数值、指标精准控制方面有自己独特的技术方案，因此日本的半导体激光器驱动电路的研究水平也相当高，其中日本Toshiba等半导体公司在驱动电路的研制方面水平很高，他们对科研精准度的态度以及进行科研的技术方法都值得我们学习。

1.2.2 国内研究现状

由于我国技术发展较迟的原因，我国在半导体激光器研制这方面较国外就有些许落后，技术水平较国外差很远，并没有在世界上畅销的高精度的驱动电路的科研结果，国内使用的半导体激光器驱动电路大多购买自美国，但是为了打破国外的技术垄断，限制国内资源外流。在我国科研单位，高校和企业的合作下，我们在这方面也有一些突破。在理论方面，主要通过控制激光器的驱动电流和工作温度来实现对激光器的驱动。我国很多科研单位和高校做研究自用的驱动电路就是以此来实现，虽然精度没有达到很高的要求，但是在科研应用方面已经足够。精度的提升需要我们所有的相关科研人员的共同努力。令人欣喜的是，国内有一些企业在这方面也有一些突破，打破了没有商业应用的坚冰。其中国内做激光驱动电路较好的的厂家主要有湖北光通，北京海特等公司，虽然有自主生产能力，但是技术水平还不可与国外相提并论，精度也是相差颇多。因此研制更加精良，技术标准更高的激光驱动电路势在必行，这将会给我国带来巨大的社会和经济效益，也是打破国外技术垄断的必然选择。

1.3论文研究主要内容

论文研究的主要内容是设计出一个可以稳定驱动激光器发出激光的驱动电路，重点在驱动电路上，而且由于半导体激光器的特性，驱动电路要保证稳定可靠，电流要可控且不会出现较大范围的波动。所以我的本次毕业设计主要做电路硬件的设计。一开始，我打算用软硬件结合的方式来做半导体激光器的驱动电路，用FPGA来对芯片进行编程，然后通过输出波形信号与恒流源叠加来完成对激光器的驱动。后来我发现如果使用软硬件结合的方式来做驱动电路，好处在于可调性较纯硬件设计要强，通过改变芯片中的数据来改变输出信号，进而改变激光器的工作状态。但是，软硬件结合的方式也就意味着更多的不稳定性，更多的风险。然而在实际应用过程中，这些不确定性和风险对一个工程来说是一个致命的缺点。因此，在我们老师的指导下我开始了纯硬件电路的设计，以实现对激光器的稳定驱动。以达到在某一特定波段内可以投入实验使用的目的。纯硬件驱动电路的设计，较软硬件结合的设计方法要简单，并且组成模块也清晰明了。在本次设计中，主要分为两大模块，分别是开环恒流源进行驱动，温度控制模块，温度控制芯片ADN8831对激光器温度进行控制，保证激光器在温度正常的状态下工作。因为DFB半导体激光器十分敏感这一特性，实际工程中不允许出现任何一种反常工作状态，所以要求在任何一种反常状态下，电路都需要停止工作以确保电路的完好，这就需要电路中加入许多反馈模块，保证电路出现反常状态时，反馈模块会及时做出相应调整，使电路停止工作。因此DFB激光器驱动电路应该是一个庞大的电路群。