半導(dǎo)體激光二極管的電流調(diào)制與驅(qū)動-電測與儀表

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上半導(dǎo)體激光二極管的電流調(diào)制與驅(qū)動于莎莎，吳國瑞（哈爾濱電工儀表研究所，哈爾濱，）摘要：為了提高基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)（TDLAS）的氣體檢測系統(tǒng)的精度，通常選用可電流調(diào)諧的分布反饋激光器(DFB LD)作為光源，以保證輸出中心波長與被測氣體吸收峰的高度匹配。結(jié)合朗伯比爾定律與氣體吸收譜線理論確定合適的吸收譜線與吸收范圍。以FPGA為主控芯片，搭建有穩(wěn)定電流設(shè)計的硬件驅(qū)動電路，產(chǎn)生疊加于直流的正弦調(diào)制信號與三角波掃描信號。實驗結(jié)果表明：此方法可以鎖定激光器中心波長，使之穩(wěn)定地與氣體吸收峰相匹配，電流穩(wěn)定度為2×10-2。改變驅(qū)動電流進而改變激光器中心

2、波長，該方法亦可以用于CH4，NO2等氣體的檢測。關(guān)鍵詞：TDLAS；DFB激光器；電流調(diào)制；波長鎖定中文分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：Current modulation and driven for laser diodeYu Shasha, Wu Guorui(Harbin Research Institute of Electrical Instrumentation, Harbin , China)Abstract：In order to improve the accuracy of gas detection system, which is based on t

3、unable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS), the distributed feed-back laser diode (DFB LD) is often used for the light source to ensure the wavelength of LD and absorption line of the detected gas are in highly coincidence. The appropriate absorption spectrum and absorption range are determi

4、ned combining with the Lambert-Beer law and the theory of gas absorption lines. FPGA, as the main control chip, the sine modulation signals and triangular scanning signals are produced by a hardware driven circuit, which is set up with a steady current function. The experiment result shows that the

5、system works well in locking wavelength. Current Stability is 2×10-2, which makes sure that it is coincident with absorption line steadily. The wavelength of LD can be changed by changing the input current. This method can also be used in other gas detection, such as CH4, NO2 and so on.Keywords

6、：TDLAS, DFB LD, current modulation, wavelength locking專心-專注-專業(yè)0引 言TDLAS技術(shù)將激光器波長或頻率調(diào)制技術(shù)、氣體近紅外吸收光譜技術(shù)、諧波檢測技術(shù)相結(jié)合，根據(jù)透射光強的變化來快速檢測氣體濃度，具有檢測時間短、靈敏度高、針對性強等特點，目前已經(jīng)成為痕量氣體濃度檢測的重要方法1-4。 由TDLAS原理可知，當激光器輸出波長與被檢測氣體的吸收譜線峰值所對應(yīng)的波長一致時，可以實現(xiàn)氣體對光的最大吸收，并最大限度提取到諧波。因此，通常選用輸出波長范圍較小的DFB作為光源。但DFB激光器的輸出波長易受到溫度與電流的影響，其輸入電流對其輸出波長的

7、影響很大5。通常情況下，激光器在溫度相對穩(wěn)定時，其典型的波長-電流調(diào)制率為0.3nm/mA。因此，在調(diào)制激光器的過程中，一般采用先粗調(diào)后細調(diào)的方式。粗調(diào)即通過控制激光器的溫度，大致確定其工作波長范圍；細調(diào)即通過調(diào)節(jié)激光器電流，進一步鎖定輸出波長。同時在此直流偏置的基礎(chǔ)上疊加三角波與正弦波。其中低頻三角波為掃描信號，掃描范圍的設(shè)定要保證氣體對光充分吸收，又不被臨近的吸收譜線干擾；高頻正弦波為調(diào)制信號，其諧波分量則包含了被檢測氣體的濃度信息6-7。文中主要針對電流對DFB激光器的影響進行研究，選用AOI公司的DFB激光器作為光源，基于直接數(shù)字頻率合成算法（DDS）結(jié)合硬件電路產(chǎn)生各種驅(qū)動信號，同時

8、設(shè)計了輸出電流可調(diào)的驅(qū)動電路，進而實現(xiàn)電流對光源的調(diào)制與波長鎖定。1 TDLAS原理TDLAS原理的基礎(chǔ)是量子學(xué)中的氣體分子選擇性吸收理論，即只有能量恰好等于氣體某兩個能級差的光子才可能被氣體所吸收，因此不同的氣體能吸收不同的光子?？梢杂美什葼?Lambert-Beer)定律來定量描述溶液濃度、吸收池長度與光的吸收之間的關(guān)系8-9。該定律的數(shù)學(xué)表達式為 (1)式中I與 I0分別為氣室的輸入、輸出光強（mW）；()是介質(zhì)的吸收系數(shù)（cm2·mol-1）；P表示氣體壓強（atm）；C表示待測氣體的分子濃度（mol·cm-3·atm-1）；L是吸收池長度（cm）。為提

9、高氣體的檢測精度，要求在所選的吸收范圍內(nèi)存在被檢測氣體的較強吸收峰，同時沒有干擾氣體(如H2O、CO2等)的較強吸收10。結(jié)合本系統(tǒng)選擇的檢測氣體H2S與干擾氣體的吸收譜線，最終選擇波數(shù)為6340.4cm（波長在1.577m）附近的區(qū)域作為研究對象。該譜線放大后的精細結(jié)構(gòu)如圖1所示。文中H2S吸收譜線數(shù)據(jù)來源于PNNL25C數(shù)據(jù)庫。圖1 H2S氣體在1.577m附近的吸收譜線Fig.1 Absorption lines of H2S near 1.577m從圖1可看出，在1.577m附近較強的吸收譜線主要有三條，分別對應(yīng)波長1.m、1.m和1.m。三條譜線的跨度范圍僅為0.03nm，相對于激光

10、器的掃描范圍，可將三根譜線擬合為一條，吸收線強度為三者累加。2 驅(qū)動電路設(shè)計在實際系統(tǒng)設(shè)計中，直接吸收光譜技術(shù)易受背景噪聲影響，因此多采用調(diào)節(jié)注入電流來調(diào)制光源輸出波長的方法。這樣將從氣室輸出的信號分解為各次諧波信號后，利用鎖相環(huán)提取含有氣體濃度信息的諧波信號，經(jīng)過后續(xù)數(shù)據(jù)處理可以得到被測氣體的濃度。根據(jù)TDLAS原理，激光器的驅(qū)動信號由調(diào)制信號與掃描信號疊加而成，其中調(diào)制信號為高頻率的正弦波，掃描信號為低頻率的三角波。圖2所示為驅(qū)動信號的產(chǎn)生過程。圖2 驅(qū)動信號的產(chǎn)生框圖Fig.2 Schematic block diagram generated by driven signal 為保證驅(qū)

11、動信號頻率、幅度可靈活調(diào)節(jié)，文中選用Altera公司CycloneII系列的可編程邏輯器件（Field Programmable Gate Array, FPGA）作為主控芯片，結(jié)合硬件電路產(chǎn)生調(diào)制掃描信號，同時能夠進行氣體檢測系統(tǒng)中后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。數(shù)模轉(zhuǎn)換器選用DAC2932，該芯片可提供兩路反相電流輸出，一路作為調(diào)制信號，另外一路可供系統(tǒng)的解調(diào)部分使用。利用OPA2690搭建低通濾波電路對正弦波進行平滑處理，經(jīng)過加法器OP37，將三角波與正弦波疊加輸出，疊加電路如圖3所示。圖3 驅(qū)動信號產(chǎn)生電路（部分）Fig.3 Circuit diagrams generated by driven s

12、ignal (partial)根據(jù)DFB半導(dǎo)體激光器的手冊，保證激光器工作電流穩(wěn)定是鎖定其輸出波長的必需條件。文中采用常見的模擬器件搭建激光器的恒流驅(qū)動電路，如圖4所示。其中，Q1、Q2、Q3需采用同型號同批次產(chǎn)品。因DFB激光器容易受靜電損壞，實驗中不可直接接觸測量，通常采用等效間接測量的方法。由于三級管工作于線性區(qū)時，其集電極電流與發(fā)射極電流可視為相同，因此，可以通過測量三極管發(fā)射極電流間接得到集電極電流。具體方法如下，由圖4所示，將激光器連接于集電極，而電阻R4連接于發(fā)射極，用萬用表測量R4兩端的電壓，進而得到通過R4也就是三極管發(fā)射極電流，便可間接獲得通過LD的電流。為了避免電流過大損

13、毀LD，如圖4所示將Q1的BE兩端與R3并聯(lián)。當通過R3的電流增加到一定值時，Q1的BE兩端電壓升高使Q1導(dǎo)通，進而實現(xiàn)對LD的分流。根據(jù)DFB激光器手冊，其工作閾值電流為20mA，最大工作電流為100mA。將R3選為8歐電阻，則限制激光器的最大工作電流為0.7/887.5mA，不會損壞激光器。圖4 恒流驅(qū)動電路Fig.4 Circuit diagrams of the constant-current driven當外界溫度變化時，驅(qū)動三極管Q3的BE導(dǎo)通電壓會有偏移，最終使激光器的中心譜線發(fā)生漂移。為減小溫度對驅(qū)動電流的影響，增加三級管Q2對Q3進行溫度補償。為保證驅(qū)動電路的穩(wěn)定性和精度，

14、三個三極管Q1、Q2、Q3需要采用相同型號相同批次的元件。3 驅(qū)動信號的軟件設(shè)計正弦調(diào)制信號由FPGA內(nèi)部DDS算法產(chǎn)生，經(jīng)DA芯片、運放轉(zhuǎn)換為模擬正弦信號。選擇DAC2932作為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其最高頻率為40MSPS，是12-bit芯片。設(shè)定DDS的時鐘頻率為30MHz，在一個正弦周期內(nèi)采樣點數(shù)為4000，可產(chǎn)生頻率為7.5KHz的正弦波，滿足設(shè)計要求。為使正弦波幅度有較高的精度，可將幅度取為4000，用12位數(shù)據(jù)表示。三角波的產(chǎn)生是根據(jù)DAC2932的手冊中所描述的改變串行控制字可以改變其電壓輸出管腳的輸出電壓這一特點。設(shè)定DAC讀取串行控制字的時鐘頻率7.5MHz，根據(jù)DAC2932的工作

15、時序，可將三角波的周期取為24Hz。用示波器觀察到的輸出波形如圖5所示。圖(a) OPA2690輸出的正弦波圖(b) DAC2932中輸出的三角波圖(c) OP37輸出波形圖(d) OP37輸出波形細節(jié)圖圖5 LD調(diào)制信號波形圖Fig.5 Waveform of the modulation signal of LD實驗結(jié)果表明，本方法產(chǎn)生的驅(qū)動掃描信號不僅雜波少、精度高，且幅度和頻率均可以靈活修改。4 實驗結(jié)果系統(tǒng)樣板如圖6所示，基于此樣板，進行DFB激光器限制電流測試與電流穩(wěn)定度測試。測試方法與測試結(jié)果如下。圖6 系統(tǒng)樣板Fig.6 Model of PCB system在室溫 (約25)

16、條件下，開機十分鐘后待激光器工作穩(wěn)定，調(diào)節(jié)電位器RW，使三極管Q3的集電極電流從70mA逐步增加大100mA。在整個調(diào)節(jié)過程中，確保驅(qū)動三極管工作于線性區(qū)。每調(diào)節(jié)一次，分別記錄UE與UCD的值。其中：UE為三極管發(fā)射極電阻兩端電壓；UCD為LD限流電阻兩端電壓。計算可得集電極電流即三極管發(fā)射極電流IE，與流經(jīng)LD的電流即C極電流ILD。繪制曲線如圖7所示。圖7 LD限制電流測試曲線Fig.7 Test curve of LD limit current由圖7可知，激光器電流隨三極管Q3發(fā)射極電流的增大而增大，當增至82mA時趨于穩(wěn)定?？梢娂す馄飨蘖麟娐饭ぷ髡?，且限制電流為82mA。根據(jù)激光器

17、手冊，滿足設(shè)計需求，可有效保護激光器。室溫(約25)條件下，開機，保持激光器溫度穩(wěn)定，驅(qū)動電流設(shè)置為50mA，等激光器工作狀態(tài)穩(wěn)定后，利用光譜儀觀察輸出光譜，并記錄。每十分鐘記錄一次，連續(xù)記錄三小時，實驗結(jié)果如圖8所示。圖8 LD電流穩(wěn)定度測試曲線Fig.8 Test curve of LD current stability由圖8可知，激光器在三小時的測試時間內(nèi)工作穩(wěn)定，驅(qū)動電流始終以42.4mA為中心小范圍波動。根據(jù)測試數(shù)據(jù)可以計算得，電流穩(wěn)定度2×10-2?？梢詽M足系統(tǒng)要求。5 結(jié)論實驗基于TDLAS原理，利用FPGA結(jié)合硬件電路，產(chǎn)生合適的正弦調(diào)制信號與三角波掃描信號，使檢測

18、氣體對光譜充分吸收，又不受其它氣體干擾。實驗表明，該方法可使驅(qū)動電流穩(wěn)定度達到2×10-2，實現(xiàn)對光源波長的鎖定，結(jié)合頻率與幅度合適的調(diào)試掃描信號，可以有效地提高氣體檢測系統(tǒng)的精度。通過修改參數(shù)，該方法還可以用于其它基于TDLAS原理的氣體檢測系統(tǒng)中。參 考 文 獻1 王立明, 張玉鈞, 何瑩, 等. 痕量氣體激光檢測系統(tǒng)波長鎖定技術(shù)研究J. 光譜學(xué)與光譜分析, 2012, 32(4): 910-914.Wang Liming, Zhang Yujun, He Ying, et al. Study on Wavelength Locking Technology in Trace G

19、ases Detection System Based on Laser TechniquesJ. , 2012, 32(4) : 910-914.2 郭建強, 劉新躍, 王黎, 等.采用可調(diào)諧LD測量CO濃度的方法研究J. 半導(dǎo)體光電, 2010, 31(2): 321-324.Guo Jianqiang, Liu Xinyue, Wang Li, et al. Measurement of CO Concentration with Tunable Semiconductor LaserJ. Semiconductor Optoelectronics, 2010, 31(2): 321-3

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21、ygen Concentration Using Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy and Wavelength Modulation Spectroscopy J. , 2008, 35(10): 1558-1562.5 李家榮, 劉振興, 季興安, 等. 氣體檢測用激光器波長鎖定系統(tǒng)設(shè)計J. 工業(yè)安全與環(huán)保, 2012, 38(10): 66-69.Li Jiarong, Liu Zhenxing, Ji Xingan, et a1. Design of the Laser Wavelength Stabilization System

22、 for Gas DetectionJ. , 2012, 38(10): 66-69.6 樊宏, 高曉明, 鮑健, 等. 天然氣管道泄漏可調(diào)諧二極管激光遙感探測的研究J. 光譜學(xué)與光譜分析, 2006, 26(8): 1423-1427.Fan Hong, Gao Xiaoming, Bao Jian, et a1. Study on Remote Sensing of Methane Leakage Using a Tunable Diode Laser J. , 2006, 26(8): 1423-1427.7 闞瑞峰, 劉文清, 張玉鈞, 等. 調(diào)諧二極管激光吸收光譜法測量環(huán)境空氣中的甲烷含量J. 物理學(xué)報, 2005, 54(4): 1927-1930.Kan Ruifeng, Liu Wenqing, Zhang Yujun, et a1. Absorption measurements of ambient methane with tunable diode laser J. ，2005, 54(4): 1927-1930.8 潘衛(wèi)東, 張佳薇, 戴景民, 等. 體激光吸收光譜