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可调谐半导体激光器的精密控制系统设计
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2022-09-11
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为了满足高精密测量领域对半导体激光器高稳定度的要求,设计了一种高稳定度、低噪声的半导体激光器控制系统。 该控制系统由电流驱动和温度控制两部分组成,电流控制部分采用负反馈控制保持电流稳定,温度控制部分采用高度集成的MAX1978作为主控芯片,驱动半导体制冷器进行温度补偿。 经过实验验证,电流在200mA范围内连续可调,电流控制精度高达 1μA,在 3kHz~100kHz带宽内交流噪声有效值小于300nA,长期温度漂移小于2m℃。 结果表明,该系统可用于驱动分布式反馈外腔半导体激光器和分布式布喇格反射半导体激光器。
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第 卷第 期
年 月
激光技术
LASER TECHNOLOGY
VolNo
May
文章编号
可 调 谐 半 导 体 激 光 器 的 精 密 控 制 系 统 设 计
曹延昌熊继军
侯庆志
中北大学 电子测试技术国家重点实验室 太原
摘要 为了满足高精密测量领域对半导体激光器高稳定度的要求设计了一种高稳定度低噪声的半导体激
光器控制系统 该控制系统由电流驱动和温度控制两部分组成电流控制部分采用负反馈控制保持电流稳定温
度控制部分采用高度集成的 MAX 作为主控芯片驱动半导体制冷器进行温度补偿 经过实验验证电流在
mA 范围内连续可调电流控制精度高达 A在 kHz kHz 带宽内交流噪声有效值小于 nA长期温度
漂移小于 m 结果表明该系统可用于驱动分布式反馈外腔半导体激光器和分布式布喇格反射半导体激光器
关键词 光电子学 控制系统 高稳定度 低噪声
中图分类号 TNTP文献标志码 Adoi jgjsissn
Design of precision control systems for tunable semiconductor lasers
CAO Yanchang XIONG Jijun HOU Qingzhi
National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology North University of China Taiyuan China
Abstract In order to meet the requirements of high stability of semiconductor laser in high precision measurement
field a semiconductor laser control system with high stability and low noise was proposed The control system consists of a
current driver and temperature controller A negative feedback was used to maintain the current stability A highly
integrated MAX as main control chip was used to drive the thermoelectric cooler for temperature compensation After
the experiment verification current was adjustable in the range of mA current control accuracy was less than AThe
effective value of alternating current noise voltage within kHz kHz bandwidth was less than nA and longterm
temperature drift was less than mThe results show that the system can be used to drive distribibuted feedback external
cavity LD lasers and distributed Bragg reflector LD lasers
Key words optoelectronics control system high stability low noise
作者简介曹延昌男硕士研究生现主要从事
半导体激光器的控制系统和稳频研究
通讯联系人 Emailcychnucgmailcom
收稿日期收到修改稿日期
引言
半导体激光器作为一种可调谐单色光源具有体
积小效率高成本低易调谐等优点已经成为很多科
研领域中不可缺少的部分
包括原子陀螺仪原子
磁强计
等在内的高精密测量领域需要利用激光对
原子进行冷却俘获和操控对激光器的功率稳定性
线宽频率稳定性都要求很高在不加反馈控制的情况
下要求其频率抖动和漂移应在兆赫兹以内
半导
体激光器的输出波长和功率主要由激光二极管的 PN
结注入电流和结温度决定注入电流的变化会影响增
益介质中载流子浓度禁带宽度而温度变化对谐振腔
的腔长介质折射率有直接影响从而导致激光输出功
率中心频率的变化 因此高精度的激光需要低噪
声低漂移的电流驱动和稳定的温度控制系统 对于典
型的砷化镓铝GaAlAs半导体激光器注入电流对激
光频率的影响约为 MHz A经过外部光栅反馈选模
后电流对频率的影响可以降到 MHz A 左右 因
此对于具有外部光栅的外腔激光器要得到 kHz
的激光线宽交流噪声有效值应该小于 nA
温
度对半导体激光器的频率影响系数约为 GHz 为
了达到兆赫兹量级的线宽和频率稳定度温度长期稳
定度应优于 m
1系统设计
11电流控制系统设计
整个电流控制系统主要由滤波稳压电路参考电
压电路 采 样电路 比 例积分 proportionintegration
PI控制电路几部分组成结构框图如图 所示 系统
采用 V 电压供电 V 电压经过三端稳压芯片
LM 后输出 V 电压经过 型滤波器后为激光二
极管供电 在此处LM 不仅是作为电压调整芯
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rockan
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