半导体激光器驱动电路研究

论文总字数：17580字

摘 要

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 分布式光纤温度传感技术简介 1

1.2 SLD简介与发展 2

1.3 SLD驱动电路的简介 2

第二章 SLD的原理与性能 4

2.1 SLD的工作原理 4

2.2 SLD的P-I特性 4

2.4 SLD的光谱特性 5

2.5 SLD的调制特性 6

第三章 SLD直流驱动电路的设计 8

3.1 SLD直流模块的设计指标 8

3.2 SLD恒流源驱动电路的设计 9

3.2.1 SLD驱动保护电路 9

3.2.2 SLD恒流源驱动电路 11

第四章 SLD脉冲驱动电路的设计 13

4.1 脉冲驱动电路的主要指标 13

4.2 本次设计中的技术指标 13

4.3 几种脉冲驱动电路方案 14

4.3.1 储能电容方案 14

4.3.2 储能电容电感方案 15

4.3.3 高速开关方案 16

4.4 本设计中采用的方案 17

4.4.1 控制信号 18

4.4.2高速开关 18

4.4.3 恒流源 19

4.4.4 电流镜电路 19

4.4.5 其他 19

4.5 基于LTSpice XVII的电路仿真 19

第五章 总结与展望 21

5.1 总结 21

5.2 需要进一步研究的方向 21

致谢 22

参考文献 23

摘 要

分布式光纤温度传感系统（DTS）具有无源、抗电磁干扰、分布测温、耐腐蚀、质量轻、成本低等优点，已得到广泛研究与迅猛发展。DTS是现代城市供暖热力管道健康监测与安全保障的重要手段，可及时发现管道微小泄漏，为管道维修和保养提供科学的预测信息，防止重大泄漏事故发生。超辐射半导体激光器（SLD）是DTS系统中光发射模块的核心器件。为了补偿光接收机收到的噪声，提高系统的测温精度和空间分辨率，实现DTS的数字可调性和远程控制功能，这就要求其中的SLD光源模块具有功率高、频谱宽、调制带宽宽、稳定性高，还要兼具数字化和智能化等特性。本论文主要研究SLD光源模块的驱动电路。

在本文中，首先介绍了DTS系统的功能和意义，然后讨论了SLD芯片的工作原理、特性以及SLD光源模块的发展进程，并设计了两种不同的SLD驱动电路：1）基于分立元件的SLD直流驱动电路；2）基于STM32集成芯片的SLD脉冲（200MHz）驱动电路，包括SLD限流保护、缓启动等分电路。研制了相应的电路模块，测试获得电路参数。SLD直流驱动电路驱动电流为700mA，电流稳定性达到±0.3%。脉冲驱动电路脉冲宽度最小为5ns，占空比可调。

关键词：分布式光纤温度传感系统（DTS），超辐射半导体激光器（SLD），驱动电路。

Abstract

Distributed temperature sensing (DTS) system on optical fiber with passive, anti - electromagnetic interference, distributed temperature measurement, corrosion resistance, light weight, low cost, has been widely studied and rapidly developed. DTS system is an important means for health monitoring and safety assurance of modern urban heating and thermal pipelines. It can timely detect minor leakage of pipelines, provide scientific prediction information for pipeline repair and maintenance, and prevent major leakage accidents. Super luminescent diode (SLD) is the core device of the optical emission module of DTS system.In order to compensate the noise of the optical receiver, improve the spatial resolution and temperature measurement accuracy of the system, and realize DTS digital harmonic remote control, SLD light source module is required to have high power, wide spectrum, wide modulation bandwidth, high stability, digitization and intelligence. This paper mainly studies the driving circuit of SLD light source module.

Firstly, the working principle, basic characteristics, chip structure and the development of SLD light source module are introduced. Based on the theoretical analysis of the reliability of SLD light source module, two different SLD drive circuits are designed: 1) SLD DC drive circuit based on discrete components; 2) SLD pulse (200MHz) driver circuit based on STM32 integrated chip, including SLD current limiting protection, slow start bisector circuit. The driving current of SLD DC drive circuit is 700mA, and the current stability reaches ±0.3%. The minimum pulse width of the pulse drive circuit is 5ns and the duty ratio is adjustable.

Key words: Distributed temperature sensing (DTS) system on fiber optic, Super luminescent diode (SLD), drive circuit.

第一章 绪论

分布式光纤传感技术以其准确、连续地测量物理参数的独特能力，在多个领域得到广泛应用。光纤光缆几十公里沿线的温度和/或应变状况，可达到米或毫米级空间分辨率。基于拉曼效应的分布式光纤温度传感系统（DTS）具有空间分辨率高、快速进行故障定位、干预时间短等优点，是目前为止最成功、应用最广泛的技术[1]。商用DTS已可测量出几十公里传感光纤数米空间分辨率温度分布和确切的温度值。大型对撞机或加速器中心的预加速器，也基于DTS测出温度变化以及冷却液泄漏，从而确保了异常温度变化即时可靠的检测。

获得高性能DTS系统的关键在于研制满足要求光发送、接收、信号采集与处理、核心算法等模块。其中，基于超辐射半导体激光器（SLD）是DTS光发射模块的核心器件。为了补偿光接收机的噪声，提高系统空间分辨率和测温精度，实现DTS数字可调和远程控制，要求SLD光源模块具备高功率、宽频谱、宽调制带宽、高稳定性，数字化和智能化等特性。

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