功率反馈式高稳定光源电路设计

摘 要： 随着导航精度要求的提高，人们对高精度光纤陀螺如何实现一直进行着深入的探索。从设计光纤陀螺光源的角度出发，通过合理设计高精度TEC温度控制电路和恒流LD驱动控制电路，实现了基于反馈控制的高功率稳定性的掺铒光纤光源。测试结果表明，该硬件系统取得了理想的测试效果。该光源硬件电路设计可以作为实现满足高精度光纤陀螺要求的光源设计的一种参考。

关键词： 光纤陀螺； 掺铒光纤光源； 输出功率； 平均波长稳定性

中图分类号： TN25⁃34； TM13 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2016）02⁃0122⁃04

Design of high stable light source circuit with power feedback

LIU Yanni1， WANG Mengda2

（1. Military Representative Office Positioned in 711 Research Institute， Shanghai 200011， China；

2. College of Automation， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China）

Abstract： With the improvement of the demands for navigation accuracy， the fact that how to realize the acting point of the high⁃precision fiber⁃optic gyroscope （FOG） is explored deeply. Proceeding from the design of FOG light source， the high⁃power stability erbium⁃doped fiber light source based on feedback control was realized by rationally designing the high⁃precision TEC temperature control circuit and constant current LD drive and control circuit. The ideal test results of the hardware system were obtained in the test. The design of the light source hardware circuit can provide a reference for the light source design which can meet the requirements of high⁃precision FOG.

Keywords： fiber⁃optic gyroscope； erbium⁃doped fiber light source； output power； mean wavelength stability

0 引 言

最近几年，高精度光纤陀螺成为国内外惯性导航领域的重点研究内容。到目前为止，国外千分之几精度的光纤陀螺研制水平已经非常成熟，可以实现批量化生产并且在实际工程中广泛使用。其中美国著名的霍尼韦尔（Honeywell）公司旗下的HPFOG型号光纤陀螺的零漂[1]已经低至0.000 23 （°）/h。联信公司研制出零漂达到0.000 57 （°）/h的应用于卫星定向等工作的精密级光纤陀螺。法国IXSEA公司出品的被用于超远距离红外天体观测望远镜上的定向光纤陀螺的精度[2]亦达到了0.000 7 （°）/h。与此同时，我国各个科研机构也在着手研发高精度的光纤陀螺，并且成功取得了一些可喜的成果。其中，中国航天时代电子公司、北京航空航天大学、中国航天三院33所等单位研发的高精度光纤陀螺实验样机精度[3]已经可以达到0.001 （°）/h。对比国外高精度光纤陀螺实现技术，我国这方面科学研究水平稍显不足，还有很大的进步空间。

光源是光纤陀螺的首要组成部分，光源的平均波长稳定性、谱宽和输出功率这三个性能参数指标对于光纤陀螺的高精度实现有着极其重要的意义。光源的谱宽较宽，可以有效地抑制由克尔效应、瑞利背向散射、偏振交叉偶合等引起的相位误差，有助于保持陀螺仪的零偏稳定性。其输出功率较高可以提高光路系统的信噪比，有助于光纤陀螺的灵敏度的提高。其高稳定性的平均波长可以有效抑制由于平均波长的波动引起的陀螺仪标度因数的变化，使得光纤陀螺标度因数能够达到高稳定性。综上所述，光源性能参数是影响光纤陀螺的精度的重要因素[4⁃5]。

掺铒光纤光源具有输出功率高、宽谱、使用寿命长、平均波长稳定性好等特点，是光纤陀螺最理想的光源。本文设计一种掺铒光纤光源，使其性能参数可以达到满足高精度光纤陀螺的使用。提出采用光源输出功率作为反馈量，经过光电转换电路转换为电压信号，并将该电压信号与预期的设定值做差，运用偏差信号调节泵浦激光器的驱动电流，保证光源可以实现高稳定性的输出，把外界干扰对其影响降到最低。完成了掺铒光纤光源的硬件电路设计和实现，为高精度光纤陀螺的研究奠定基础。

1 方案设计

由掺铒光纤光源的发光原理可知：泵浦激光器输出的激光作为泵浦光，泵浦掺铒光纤。在经过掺铒光纤的自发辐射放大后，最终输出可以供光纤陀螺使用的超荧光。假若泵浦激光器的工作状态不能被有效的控制，那么输入到掺铒光纤的泵浦光的波长稳定性和功率稳定性也就不能保证，更不能保证最后掺铒光纤的输出效果。因此，本文所设计的掺铒光纤光源电路即为泵浦激光器控制电路，其设计框图如图1所示。整个控制电路功能有两个：一是通过温度控制模块使泵浦激光器的工作温度恒定在室温，可以稳定泵浦激光器输出波长；二是通过控制恒流LD驱动电路，使得流过LD激光二极管的电流为恒定常量，从而稳定了泵浦激光器的输出功率。

图1 泵浦激光器控制电路设计框图

2 硬件设计与实现

从泵浦光源控制电路设计框图中可以看出，整个泵浦光源控制电路可以概括为两大模块：高精度TEC温度控制模块；恒流LD驱动控制模块。高精度TEC温度控制模块包含TEC高精度温度控制电路、可编程控制器和泵浦光源。恒流LD驱动控制模块包含可编程控制器、光电转换电器、D/A控制量电路、以及主要由运算放大器搭建的恒流源LD电路和泵浦光源。下面，分别叙述泵浦光源整体控制电路中涉及的每个组成电路的设计思路和原理。

2.1 高精度TEC温度控制电路

LTC1923是Linear公司于2001年推出的专门用于高精度TEC温度控制的集成芯片。LTC1923典型温度设置点可以精确到0.1 ℃，通常情况下在LTC1923的前端加上仪表放大器LTC2053以提高温度控制精度至0.01 ℃。

本文设计采用LTC1923高精度TEC温度控制芯片作为温控电路的核心器件，并且通过围绕核心温控芯片LTC1923进行配套电路设计，对泵浦激光器工作的环境进行严格的温度控制[6⁃7]（稳定在室温25 ℃）。

具体温度控制电路工作原理如下分析：泵浦激光器内部含有一个负温度系数的热敏电阻，热敏电阻可以将其工作环境温度的变化转换为其两端电压的变化。LTC2053前置仪表放大器同相输入端的输入信号正是热敏电阻的采样电压信号，该采样信号与LTC2053反相端预先设定好的温度参考电压值（温度设置参考点为25 ℃时，对应的参考电压为1.25 V）的差值经过LTC2053放大10倍输出。经过LTC2053放大10倍的信号输入到LTC1923误差放大器的同相端进一步进行放大。放大后的信号一方面从引脚EAOUT输出，另一方面作为输入信号进入LTC1923内部PWM比较器，与振荡器输出的三角波进行大小比较，输出具有一定占空比的PWM控制信号。该控制信号进入逻辑电路判别器，最终从LTC1923的4个逻辑电平输出引脚输出控制信号。该控制信号控制H桥电路两侧轮流导通，使得LTC1923芯片可以在单一电源供电的情况下提供双向TEC控制电流，实现半导体制冷器的制冷与加热控制功能。整个温度控制电路可以根据泵浦激光器内部温度变化的实际情况，相应地控制TEC制冷或是加热，从而可以使得其内部温度恒定在25 ℃。

2.2 泵浦激光器恒流LD驱动电路

泵浦激光器恒流LD驱动电路由P沟道增强型场效应管、大功率三极管、激光二极管LD、运算放大器、两个阻值大小相等的保护电阻、采样电阻组成。设计采用MOS管与大功率三极管串联方式驱动LD发光，其中通过可编程控制器输出控制信号控制场效应管的栅极电平，进而控制泵浦激光器恒流LD电路是否导通。同时可编程控制器还可以通过改变输送给D/A的数字量的大小，直接控制运算放大器正端的参考电压值，进而调节泵浦激光器的LD的发光功率。

恒流源电路的运算放大器工作方式为串联电流深度负反馈，由处于线性工作状态时运算放大器输入端虚短虚断原理可知：

[U+≈U-] （1）

采样电阻Rs上的电压值应该等于运算放大器正端的参考电压值Vref，流经采样电阻Rs的电流大小可以近似表示为：

[Is=VrefRs] （2）

由式（2）可知，只要Rs和Vref的大小不变，流经采样电阻Rs的电流Is的大小就不会发生变化，进而流经激光二极管LD的电流是恒定电流。

2.3 光电转换电路

光电转换电路的作用是将掺铒光纤输出光的功率转化为电压信号，从而可编程控制器可以根据该电压信号反馈量的大小及时地调整输出给DA芯片的数字量大小，DA芯片将输入的数字量转变为模拟量电压信号输出，以期最终达到稳定输出光功率的目的。目前实际中最常使用的光电转换器件是半导体PIN光电二极管。

2.4 可编程控制器STM32控制电路

在整体的电路设计中我们选择意法半导体公司出品的STM32F103C8T6微控制器作为可编程控制器。STM32F103C8T6微控制器是32位处理器，它的内核采用ARM Cortex⁃M3，该芯片与所有ARM工具和软件兼容。该微控制器内部具有高达64 KB的闪存存储器和20 KB的SRAM存储器、2个12位ADC模数转换器，极大程度上满足了用户的需求。

同时，为了方便用户调试，该芯片可以提供串行线调试（SWD）和JTAG接口。正常工作时，该微控制器工作频率为72 MHz、工作电压范围为2.0～3.6 V、工作环境温度范围为-40～85 ℃。

可编程控制器STM32F103C8T6可以有效地监测各部分电路的工作状态，并及时地进行控制。该微控制器的使用大大提升了整个系统的工作性能和稳定性。

3 软件设计与实现

系统简单的程序设计流程图如图2所示[8]。

在程序控制方面，主要通过STM32F103C8T6单片机实现对于整个系统的实时控制，并且在系统工作状态异常的情况下可以使系统重新启动。

4 光源性能测试

光源性能对于高精度光纤陀螺来说至关重要，高精度光纤陀螺对于光源的谱宽、输出功率稳定性、平均波长稳定性有着严格的要求。

本文设计的内容为泵浦光源的控制电路。为了验证硬件电路设计的最终效果，使用实验室已有的掺铒光纤光源光路系统与本文所设计的掺铒光纤光源电路控制系统联调进行实验测试。

如图3所示为光源在开放的实验室环境条件下的输出功率值（+8.5 dBm即为7.079 mW）。

图2 程序设计流程图

图3 常温下掺铒光纤光源的输出功率示意图

如图4所示为采用光谱分析仪分析光路输出的超荧光的光谱结果，从图中可以看出，泵浦光在经过光路系统之后，输出的超荧光的谱宽高36.154 nm。

图4 光源输出光谱测试结果图

如图5所示为光源输出光功率温度稳定性测试图。测试中，将整体的光源置于温箱中，设定温箱运行程序，使得温箱内部温度值变化范围是从-20 ℃逐步升温到50 ℃，每隔2 s记录一次平均波长数值。通过图5可以看出，掺铒光纤光源的输出功率波动的最大范围约为0.13 mW。由下式可以计算出输出功率的稳定度：

[Pmax-PminP平均=0.137.721×100%=1.68%] （3）

图5 光源输出功率稳定性测试结果图

如图6所示为光源输出光平均波长温度稳定性测试图。测试中，将整体的光源置于温箱中，设定温箱运行程序，使得温箱内部温度值变化范围是从-20 ℃逐步升温到50 ℃，每隔1 min记录1次平均波长数值。

图6 变温环境中光源平均波长稳定性测试结果图

通过图6可以看出在测试的起初阶段光源的平均波长随温度变化较大，后来趋于稳定，波动范围较小。在整个测试时间中平均波长变化的最大范围约为0.13 nm。由下式可以计算出光源平均波长温度稳定性为：

[λmax-λminλ平均=0.13×1061 544.153×70=1.21 ppm/oC] （4）

5 结 语

本文旨在设计一种功率反馈式掺铒光纤光源以满足高精度光纤陀螺的需求。得到了一个输出功率大于7 mW，功率稳定性为1.68%。平均波长温度稳定性为1.21 ppm/℃的掺铒光纤光源，其性能可以很好地满足一般精度光纤陀螺对光源的要求，同时也可以作为实现满足高精度光纤陀螺要求的光源设计的一种参考。

参考文献

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[2] 张桂才.应用于高精度光纤陀螺的超荧光光纤光源[J].红外与激光工程，2006，35（5）：9⁃10.

[3] 李星善，邵志浩，陆俊清，等.基于SLD光源的高精度光纤陀螺 研究[C]//第25届中国控制与决策会议论文集.北京：中国航空学会，2013：1460.

[4] 张桂才.光纤陀螺原理与技术[M].北京：国防工业出版社，2008.

[5] 肖瑞.掺铒光纤光源研究[D].长沙：国防科学技术大学，2002.

[6] 马良柱，霍佃恒.半导体 DFB 激光器的自动温度控制[J].信息与电子工程，2009（5）：443⁃452.

[7] 唐永常.光发射机的调谐与精确控制[J].中国有线电视，2010 （4）：470⁃473.

[8] 蒙博宇.STM32自学笔记[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.