基于FPGA的DFB可调谐激光器驱动技术研究

摘要

随着科学研究的不断深入，半导体激光器在工业生产以及科学技术研究等方面的应用越来越广泛。DFB半导体激光器具有一般半导体激光器的特点：本身体积小，集成度高并且本身具有输出可调谐信号的功能。但是DFB半导体激光器在工作中会受到环境因素的影响，对电流冲击的抵抗力差，其输出对于温度和电流变化的敏感度比较高。为了改善半导体激光器的输出信号的稳定特性，对其驱动电源的要求更加严苛，使得对半导体激光器驱动技术的研究不断地发展。本文针对调频连续波(FMCW)激光测量系统的需求，设计了基于FPGA的DFB可调谐激光器驱动系统。
　　本研究对DFB半导体激光器调谐驱动系统的设计主要是针对电流驱动和温度控制的研究。首先从原理和工作特性上分析DFB半导体激光器具体工作过程及其影响稳定性的主要原因。其次分析基本的恒流及恒温工作原理，提出了 DFB激光器驱动系统方案。本文针对 DFB半导体激光器的特性，设计基本的电流输出以及温度控制的模拟电路，并使用FPGA对系统进行数字闭环控制，提高驱动系统的稳定性，设计出了一种实用的数模结合的激光器电流驱动系统。在电流驱动过程中，通过FPGA控制DA模块以及DDS模块输出控制电压信号，经过加法电路后作为恒流源模块的输入电压，输出可调谐的稳定可调谐电流信号。在恒流输出控制部分，采用电流负反馈和数字 P ID双重控制，从而提高输出电流的稳定性，使得恒流输出时电流稳定度小于0.05%，达到设计要求。在恒温控制系统中，使用温控芯片 MAX1978，通过设计外部模拟PID电路输出控制PWM驱动器输出电流控制TEC制冷制热，同时外部有数字 PID灵活的进一步控制。最后在温度稳定时，温度波动在0.01℃范围内，达到设计要求。通过最后的系统验证，设计的基于FPGA的DFB可调谐激光器驱动系统能够有效的驱动DFB激光器的安全工作，最终输出的电流和温度的稳定性良好，满足设计的要求。

目录

第1章 绪论

1.1课题来源及研究的背景和意义

1.2国内外研究现状及分析

1.3主要研究内容

第2章 系统设计理论分析

2.1引言

2.2 DFB激光器原理与结构

2.3 DFB激光器系统设计原理

2.4 DFB可调谐激光器驱动系统设计整体方案

2.5本章小结

第3章 系统模拟电路设计

3.1引言

3.2 DFB激光器可调谐电流驱动模块设计

3.3 DFB激光器温控模块设计

3.4本章小结

第4章 系统数字模块设计

4.1引言

4.2 FPGA系统硬件电路设计

4.3系统软件设计

4.4本章小结

第5章 系统调试及实验分析

5.1引言

5.2调谐加法电路输出测试

5.3恒流源电路测试

5.4限流电路实验测试

5.5温控电路实验测试

5.6误差影响因素分析

5.7本章小结

结论

参考文献

声明

致谢