半导体激光二极管的电流调制与驱动

半导体激光二极管的电流调制与驱动于莎莎，吴国瑞（哈尔滨电工仪表研究所，哈尔滨，150028）摘要：为了提高基于可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）的气体检测系统的精度，通常选用可电流调谐的分布反馈激光器(DFBLD)作为光源，以保证输出中心波长与被测气体吸收峰的高度匹配。结合朗伯—比尔定律与气体吸收谱线理论确定合适的吸收谱线与吸收范围。以FPGA为主控芯片，搭建有稳定电流设计的硬件驱动电路，产生叠加于直流的正弦调制信号与三角波扫描信号。实验结果表明：此方法可以锁定激光器中心波长，使之稳定地与气体吸收峰相匹配，电流稳定度为2×10-2。改变驱动电流进而改变激光器中心波长，该方法亦可以用于CH4，NO2等气体的检测。关键词：TDLAS；DFB激光器；电流调制；波长锁定中文分类号：TP274文献标识码：A文章编号：CurrentmodulationanddrivenforlaserdiodeYuShasha,WuGuorui(HarbinResearchInstituteofElectricalInstrumentation,Harbin150028,China)Abstract：Inordertoimprovetheaccuracyofgasdetectionsystem,whichisbasedontunablediodelaserabsorptionspectroscopy(TDLAS),thedistributedfeed-backlaserdiode(DFBLD)isoftenusedforthelightsourcetoensurethewavelengthofLDandabsorptionlineofthedetectedgasareinhighlycoincidence.TheappropriateabsorptionspectrumandabsorptionrangearedeterminedcombiningwiththeLambert-Beerlawandthetheoryofgasabsorptionlines.FPGA,asthemaincontrolchip,thesinemodulationsignalsandtriangularscanningsignalsareproducedbyahardwaredrivencircuit,whichissetupwithasteadycurrentfunction.Theexperimentresultshowsthatthesystemworkswellinlockingwavelength.CurrentStabilityis2×10-2,whichmakessurethatitiscoincidentwithabsorptionlinesteadily.ThewavelengthofLDcanbechangedbychangingtheinputcurrent.Thismethodcanalsobeusedinothergasdetection,suchasCH4,NO2andsoon.Keywords：TDLAS,DFBLD,currentmodulation,wavelengthlocking0引言TDLAS技术将激光器波长或频率调制技术、气体近红外吸收光谱技术、谐波检测技术相结合，根据透射光强的变化来快速检测气体浓度，具有检测时间短、灵敏度高、针对性强等特点，目前已经成为痕量气体浓度检测的重要方法[1-4]。由TDLAS原理可知，当激光器输出波长与被检测气体的吸收谱线峰值所对应的波长一致时，可以实现气体对光的最大吸收，并最大限度提取到谐波。因此，通常选用输出波长范围较小的DFB作为光源。但DFB激光器的输出波长易受到温度与电流的影响，其输入电流对其输出波长的影响很大[5]。通常情况下，激光器在温度相对稳定时，其典型的波长-电流调制率为0.3nm/mA。因此，在调制激光器的过程中，一般采用先粗调后细调的方式。粗调即通过控制激光器的温度，大致确定其工作波长范围；细调即通过调节激光器电流，进一步锁定输出波长。同时在此直流偏置的基础上叠加三角波与正弦波。其中低频三角波为扫描信号，扫描范围的设定要保证气体对光充分吸收，又不被临近的吸收谱线干扰；高频正弦波为调制信号，其谐波分量则包含了被检测气体的浓度信息[6-7]。文中主要针对电流对DFB激光器的影响进行研究，选用AOI公司的DFB激光器作为光源，基于直接数字频率合成算法（DDS）结合硬件电路产生各种驱动信号，同时设计了输出电流可调的驱动电路，进而实现电流对光源的调制与波长锁定。1TDLAS原理TDLAS原理的基础是量子学中的气体分子选择性吸收理论，即只有能量恰好等于气体某两个能级差的光子才可能被气体所吸收，因此不同的气体能吸收不同的光子。可以用朗伯—比尔(Lambert-Beer)定律来定量描述溶液浓度、吸收池长度与光的吸收之间的关系[8-9]。该定律的数学表达式为0exp[()]IIPCL(1)式中I与I0分别为气室的输入、输出光强（mW）；α(ν)是介质的吸收系数（cm2·mol-1）；P表示气体压强（atm）；C表示待测气体的分子浓度（mol·cm-3·atm-1）；L是吸收池长度（cm）。为提高气体的检测精度，要求在所选的吸收范围内存在被检测气体的较强吸收峰，同时没有干扰气体(如H2O、CO2等)的较强吸收[10]。结合本系统选择的检测气体H2S与干扰气体的吸收谱线，最终选择波数为6340.4cm（波长在1.577μm）附近的区域作为研究对象。该谱线放大后的精细结构如图1所示。文中H2S吸收谱线数据来源于PNNL25C数据库。图1H2S气体在1.577μm附近的吸收谱线Fig.1AbsorptionlinesofH2Snear1.577μm从图1可看出，在1.577μm附近较强的吸收谱线主要有三条，分别对应波长1.57717130μm、1.57718630μm和1.57720115μm。三条谱线的跨度范围仅为0.03nm，相对于激光器的扫描范围，可将三根谱线拟合为一条，吸收线强度为三者累加。2驱动电路设计在实际系统设计中，直接吸收光谱技术易受背景噪声影响，因此多采用调节注入电流来调制光源输出波长的方法。这样将从气室输出的信号分解为各次谐波信号后，利用锁相环提取含有气体浓度信息的谐波信号，经过后续数据处理可以得到被测气体的浓度。根据TDLAS原理，激光器的驱动信号由调制信号与扫描信号叠加而成，其中调制信号为高频率的正弦波，扫描信号为低频率的三角波。图2所示为驱动信号的产生过程。串行控制字DINDDS并行数据驱动电路运放FPGADA转换加法器激光器图2驱动信号的产生框图Fig.2Schematicblockdiagramgeneratedbydrivensignal为保证驱动信号频率、幅度可灵活调节，文中选用Altera公司CycloneII系列的可编程逻辑器件（FieldProgrammableGateArray,FPGA）作为主控芯片，结合硬件电路产生调制扫描信号，同时能够进行气体检测系统中后续的数据处理。数模转换器选用DAC2932，该芯片可提供两路反相电流输出，一路作为调制信号，另外一路可供系统的解调部分使用。利用OPA2690搭建低通滤波电路对正弦波进行平滑处理，经过加法器OP37，将三角波与正弦波叠加输出，叠加电路如图3所示。-5V+5V正弦波调制波R6R5三角波C3R7C2RW+3-2184OPA2690C3C2R5+5VR7R6三角波正弦波调制波图3驱动信号产生电路（部分）Fig.3Circuitdiagramsgeneratedbydrivensignal(partial)根据DFB半导体激光器的手册，保证激光器工作电流稳定是锁定其输出波长的必需条件。文中采用常见的模拟器件搭建激光器的恒流驱动电路，如图4所示。其中，Q1、Q2、Q3需采用同型号同批次产品。因DFB激光器容易受静电损坏，实验中不可直接接触测量，通常采用等效间接测量的方法。由于三级管工作于线性区时，其集电极电流与发射极电流可视为相同，因此，可以通过测量三极管发射极电流间接得到集电极电流。具体方法如下，由图4所示，将激光器连接于集电极，而电阻R4连接于发射极，用万用表测量R4两端的电压，进而得到通过R4也就是三极管发射极电流，便可间接获得通过LD的电流。为了避免电流过大损毁LD，如图4所示将Q1的BE两端与R3并联。当通过R3的电流增加到一定值时，Q1的BE两端电压升高使Q1导通，进而实现对LD的分流。根据DFB激光器手册，其工作阈值电流为20mA，最大工作电流为100mA。将R3选为8欧电阻，则限制激光器的最大工作电流为0.7/8＝87.5mA，不会损坏激光器。-2.9V-3.6VQ2NPN1Q3Q1-5VC1WAVE-4.3VD1RWR1R2R3R4Q1R1C1R2Q2-5VR4Q3R3D1WAVE图4恒流驱动电路Fig.4Circuitdiagramsoftheconstant-currentdriven当外界温度变化时，驱动三极管Q3的BE导通电压会有偏移，最终使激光器的中心谱线发生漂移。为减小温度对驱动电流的影响，增加三级管Q2对Q3进行温度补偿。为保证驱动电路的稳定性和精度，三个三极管Q1、Q2、Q3需要采用相同型号相同批次的元件。3驱动信号的软件设计正弦调制信号由FPGA内部DDS算法产生，经DA芯片、运放转换为模拟正弦信号。选择DAC2932作为数模转换器，其最高频率为40MSPS，是12-bit芯片。设定DDS的时钟频率为30MHz，在一个正弦周期内采样点数为4000，可产生频率为7.5KHz的正弦波，满足设计要求。为使正弦波幅度有较高的精度，可将幅度取为4000，用12位数据表示。三角波的产生是根据DAC2932的手册中所描述的改变串行控制字可以改变其电压输出管脚的输出电压这一特点。设定DAC读取串行控制字的时钟频率7.5MHz，根据DAC2932的工作时序，可将三角波的周期取为24Hz。用示波器观察到的输出波形如图5所示。图(a)OPA2690输出的正弦波图(b)DAC2932中输出的三角波图(c)OP37输出波形图(d)OP37输出波形细节图图5LD调制信号波形图Fig.5WaveformofthemodulationsignalofLD实验结果表明，本方法产生的驱动扫描信号不仅杂波少、精度高，且幅度和频率均可以灵活修改。4实验结果系统样板如图6所示，基于此样板，进行DFB激光器限制电流测试与电流稳定度测试。测试方法与测试结果如下。图6系统样板Fig.6ModelofPCBsystem在室温(约25℃)条件下，开机十分钟后待激光器工作稳定，调节电位器RW，使三极管Q3的集电极电流从70mA逐步增加大100mA。在整个调节过程中，确保驱动三极管工作于线性区。每调节一次，分别记录UE与UCD的值。其中：UE为三极管发射极电阻两端电压；UCD为LD限流电阻两端电压。计算可得集电极电流即三极管发射极电流IE，与流经LD的电流即C极电流ILD。绘制曲线如图7所示。E极电流246810128090100I(mA)测试次数C极电流图7LD限制电流测试曲线Fig.7TestcurveofLDlimitcurrent由图7可知，激光器电流随三极管Q3发射极电流的增大而增大，当增至82mA时趋于稳定。可见激光器限流电路工作正常，且限制电流为82mA。根据激光器手册，满足设计需求，可有效保护激光器。室温(约25℃)条件下，开机，保持激光器温度稳定，驱动电流设置为50mA，等激光器工作状态稳定后，利用光谱仪观察输出光谱，并记录。每十分钟记录一次，连续记录三小时，实验结果如图8所示。I（mA）45.044.544.043.543.042.542.041.541.040.540.0t(min)100120140160180200020406080图8LD电流稳定度测试曲线Fig.8Testcurve