基于FPGA的脉冲DFB激光器驱动电路研究与实现

摘要

随着半导体激光器技术的不断发展，其中DFB分布反馈式激光器得到了越来越广泛的应用。DFB激光器最大的特点是具有优秀的光谱纯度，他的光谱线宽可以做到1MHz以内，边模抑制比SMSR高达40-50dB。由于其优秀的单色性和方便的封装形式，在光纤通信、气体检测、医疗应用、原子钟激光物理系统、光膜磁力仪、精密测量等领域得到了广泛的应用，因此研制DFB驱动电路具有一定现实意义。
　　本文首先对半导体激光器原理和输出特性进行分析，针对半导体激光器特性提出了一种基于FPGA的宽范围可调脉冲激光器驱动电路。本驱动电路设计采用模块化设计，主要包括FPGA脉冲信号发生电路、脉冲整形变换电路、脉冲电流驱动电路、激光器恒温电路部分。首先通过Xilinx Spartan-6系列PFGA开发平台设计脉冲信号的产生电路，使用FPGA内部的PLL模块将外部晶体信号倍频锁相到500MHz，通过分频器设置脉冲重复频率和脉冲信号宽度，结合FPGA内部ODDR双倍时钟单元实现相当于1GHz双倍时钟，输出分辨率为1ns的可调脉宽的脉冲信号。然后通过高速比较器对脉冲信号整形，使脉冲信号的极性和电平幅度适于驱动MOS管构成的脉冲电流驱动电路，通过MOS-Driver电路驱动MOS管构成脉冲电流驱动电路。由于激光器的波长、功率的温度不稳定性，设计的一种基于PID的自动恒温控制电路保证激光器工作环境的温度稳定性。根据电源电磁兼容原理设计了整套驱动电路的PCB，并对整个系统进行的程序设计，最后对系统进行信号测试分析。
　　本系统通过接收USB串口数据，实现对脉冲参数和温度参数的控制。可以实现数字化控制步进为1ns，宽度为10ns-1000ns，重复频率为10Hz-1MHz宽范围脉冲驱动信号。温度控制部分可以设置TEC最大工作电压4.5V，最大工作电流2.5A。实时温度锁定指示信号检测预警，避免DFB激光器烧毁。

目录

声明

第1章 绪论

1.1课题来源

1.2课题的研究背景意义

1.3相关领域国内外研究现状

1.4本文研究内容和组织结构

第2章 半导体激光器原理与脉冲式驱动电路分析

2.1半导体激光器的工作原理和特性分析

2.2 脉冲式半导体激光器驱动电路分析

2.3自动恒温电路分析

2.4 脉冲驱动电路指标分析

2.5本章小结

第3章 脉冲式半导体激光器驱动电路设计与实现

3.1 FPGA脉冲信号发生设计与仿真分析

3.2脉冲信号整形电路设计与实现

3.3基于MOS管的驱动电路设计

3.4自动恒温电路的设计与实现

3.5 本章小结

第4章 脉冲式驱动控制电路与控制程序设计

4.1脉冲式驱动控制电路

4.2 控制程序设计

4.3本章小结

第5章 脉冲式驱动电路实现与测试分析

5.1脉冲式驱动电路系统实现

5.2脉冲信号测试

5.3温控电路测试分析

第6章 总结与展望

6.1全文工作总结

6.2 下一步工作与展望

致谢

参考文献