一种基于环路比较的激光器芯片输出光功率自稳定系统的制作方法

1.本发明属于激光器芯片技术领域，具体涉及一种基于环路比较的激光器芯片输出光功率自稳定系统。


背景技术：

2.激光器芯片是将光信号转变为电信号的电子芯片。它通常是由硅或者其他半导体材料制作而成，能够利用光信号进行信息传输。激光器芯片按功能可以分为激光器芯片和探测器芯片，其中激光器芯片主要用于发射信号，将电信号转化为光信号，探测器芯片主要用于接收信号，将光信号转化为电信号。
3.激光器芯片在使用的时候，施加合适的电源电压，就会输出对应功率的激光光源，施加的电源电压与输出的激光光源功率之间，存在一一对应关系。
4.当前市场上，激光器芯片在使用的时候，会先测试出施加的电源电压与输出的激光光源功率之间的关系，再根据需要的输出激光光源功率，施加对应的电源电压即可。
5.通过上面的描述，可以发现，输出的激光光源功率仅仅取决施加的电源电压，当施加的电源电压固定的时候，理论上输出的激光光源功率也是固定的。但由于环境因素(温度等等)的作用，这种固定关系是变化的，即当施加的电源电压固定的时候，输出的激光光源功率随环境因素的改变，会有微小的波动。同时，施加的电源电压本身，也会有微小的电压波动，这种微小的电压波动，也会导致输出的激光光源功率微小的波动。这种输出的激光光源功率微小的波动会导致传输信号干扰。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种基于环路比较的激光器芯片输出光功率自稳定系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于环路比较的激光器芯片输出光功率自稳定系统，包括mcu芯片，所述mcu芯片上电性连接有dac芯片，所述dac芯片的一端电性连接有加法器，所述加法器的一端电性连接有积分器，所述积分器上电性连接有激光器芯片，所述激光器芯片上电性连接有光探测器，所述光探测器上电性连接有电压系数调整模块，所述电压系统调整模块与所述加法器电性连接，所述mcu芯片上电性连接有网口，所述网口上通讯连接有上位机，所述上位机通过所述网口设置所述dac芯片的输出vs，所述输出vs作为正向路径的输入产生v1电压，所述v1电压作为所述激光器芯片的电源电压，控制所述激光器芯片输出的激光光源功率，所述光探测器的输出v2电压作为反馈信号，所述v2电压经过所述电压系数调整模块后，进入所述加法器的输入端，与所述输出vs电压相平衡，以稳定所述激光器芯片输出的激光光源功率，所述光探测器和所述电压系数调整模块组成反馈路径，所述加法器和所述积分器组成正向路径。
8.优选的，所述反馈路径工作时的计算公式如下所示：
9.vs＝-vfb，
10.vfb＝k2*v2，
11.v2＝-vs/k2，
12.v2＝pw*k3，
13.pw＝v2*k3，
14.pw＝-vs/(k2*k3)；
15.其中，vs为施加的电压值，vfb为反馈的电压值，v1为所述积分器的输出，作为所述激光器芯片输出光强的调节电压，v2为所述光探测器的输出电压，k1为所述光探测器的反馈系数，k2为所述电压系数调制模块的反馈系数，k3为所述光探测器的光源功率转换系数。
16.优选的，所述vs与所述k2的值都是固定值，那么所述v2的值也就是固定值，而所述v2为所述光探测器的输出，所述v2固定的时候，表示所述光探测器的输入固定。
17.优选的，所述光探测器的输入来自所述激光器芯片输出的激光光源功率pw，当所述v2固定的时候，表示所述光探测器的输入固定，即所述激光器芯片输出的激光光源功率固定。
18.优选的，所述激光器芯片输出的激光光源功率小范围波动的时候，由于所述反馈路径的作用，自动调节所述v1值，以保证公式pw＝-vs/(k2*k3)的成立，即实现所述激光器芯片输出激光光源功率的自动稳定。
19.优选的，所述v1值的自动调节原理如下：
20.s1、所述激光器芯片输出的激光光源功率变大；
21.s2、所述光探测器的输出v2电压变大；
22.s3、所述电压系数调制模块的输出vfb变大；
23.s4、vfb》vs，导致所述加法器有输出vz；
24.s5、所述加法器的输出vz，导致反向的所述积分器积分；
25.s6、反向的所述积分器积分，导致v1变小；
26.s7、v1变小，导致所述激光器芯片输出的激光光源功率变小；
27.s8、公式pw＝-vs/(k2*k3)的成立。
28.优选的，所述vs确定后，所述激光器芯片输出的激光光源功率固定，当所述激光器芯片受环境影响，输出的激光光源功率变化时，电路的响应时间计算如下：
29.所述激光器芯片输出的激光光源功率受v1电压控制，且v1的变化调节由所述积分器实现，积分时间即为响应时间：
30.t＝(δu*c)/i
31.其中：t为积分时间，δu为电压变化量，c为积分器电容，i为积分电流。
32.优选的，所述加法器和所述积分器中均包括有运算放大器，所述加法器中的运算放大器上并联连接有一个电阻，所述积分器中的运算放大器上并联连接有一个电容。
33.优选的，所述积分器和所述加法器之间电性连接有另一个电阻，所述加法器的两个输出端上分别电性连接有另外的两个电阻。
34.优选的，所述激光器芯片的一端设有与所述积分器电性连接的电源输入端口，所述激光器芯片的另一端设有光输出接口，以及设有与所述光探测器电性连接的光输出检测接口。
35.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
36.本发明的目的是改变现有的激光器芯片的使用方法，通过增加外围反馈环路，来消除输出的激光光源功率微小的波动，即消除激光器芯片输出激光光源功率微小的波动和将激光器芯片输出的激光光源功率微小波动的消除时间控制在1us之内，即通过反馈路径和正向路径完成对激光器芯片进行调节电压，控制激光器芯片输出的激光光源功率，通过光探测器输出反馈信号，经过电压系数调整模块后，进入加法器的输入端，以稳定所述激光器芯片输出的激光光源功率。
附图说明
37.图1为本发明的系统结构示意图；
38.图2为本发明的自动调节v1值的流程示意图；
39.图3为本发明的具体实施例中部分电路示意图之一；
40.图4为本发明的具体实施例中部分电路示意图之二。
具体实施方式
41.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.请参阅图1-图2，本发明提供一种技术方案：一种基于环路比较的激光器芯片输出光功率自稳定系统，包括mcu芯片，所述mcu芯片上电性连接有dac芯片，所述dac芯片的一端电性连接有加法器，所述加法器的一端电性连接有积分器，所述积分器上电性连接有激光器芯片，所述激光器芯片上电性连接有光探测器，所述光探测器上电性连接有电压系数调整模块，所述电压系统调整模块与所述加法器电性连接，所述mcu芯片上电性连接有网口，所述网口上通讯连接有上位机，所述上位机通过所述网口设置所述dac芯片的输出vs，所述输出vs作为正向路径的输入产生v1电压，所述v1电压作为所述激光器芯片的电源电压，控制所述激光器芯片输出的激光光源功率，所述光探测器的输出v2电压作为反馈信号，所述v2电压经过所述电压系数调整模块后，进入所述加法器的输入端，与所述输出vs电压相平衡，以稳定所述激光器芯片输出的激光光源功率，所述光探测器和所述电压系数调整模块组成反馈路径，所述加法器和所述积分器组成正向路径。
43.为了实现对系统进行反馈调节控制，并且实现对数据信息进行有效的计算处理，本实施例中，优选的，所述反馈路径工作时的计算公式如下所示：
44.vs＝-vfb，
45.vfb＝k2*v2，
46.v2＝-vs/k2，
47.v2＝pw*k3，
48.pw＝v2*k3，
49.pw＝-vs/(k2*k3)；
50.其中，vs为施加的电压值，vfb为反馈的电压值，v1为所述积分器的输出，作为所述激光器芯片输出光强的调节电压，v2为所述光探测器的输出电压，k1为所述光探测器的反
馈系数，k2为所述电压系数调制模块的反馈系数，k3为所述光探测器的光源功率转换系数。
51.通过世嘉的电压固定值实现对系统进行调节控制，本实施例中，优选的，所述vs与所述k2的值都是固定值，那么所述v2的值也就是固定值，而所述v2为所述光探测器的输出，所述v2固定的时候，表示所述光探测器的输入固定。
52.通过激光器芯片的输出激光光源功率实现对光探测器进行输入，便于后续进行反馈调节，本实施例中，优选的，所述光探测器的输入来自所述激光器芯片输出的激光光源功率pw，当所述v2固定的时候，表示所述光探测器的输入固定，即所述激光器芯片输出的激光光源功率固定。
53.通过反馈路径的设定实现对激光器芯片的输出进行调节控制，保持输出的稳定性，本实施例中，优选的，所述激光器芯片输出的激光光源功率小范围波动的时候，由于所述反馈路径的作用，自动调节所述v1值，以保证公式pw＝-vs/(k2*k3)的成立，即实现所述激光器芯片输出激光光源功率的自动稳定。
54.为了实现对v1的值进行调节，保持输出的稳定性，本实施例中，优选的，所述v1值的自动调节原理如下：
55.s1、所述激光器芯片输出的激光光源功率变大；
56.s2、所述光探测器的输出v2电压变大；
57.s3、所述电压系数调制模块的输出vfb变大；
58.s4、vfb》vs，导致所述加法器有输出vz；
59.s5、所述加法器的输出vz，导致反向的所述积分器积分；
60.s6、反向的所述积分器积分，导致v1变小；
61.s7、v1变小，导致所述激光器芯片输出的激光光源功率变小；
62.s8、公式pw＝-vs/(k2*k3)的成立。
63.为了实现对激光器芯片在受到环境影响下部的响应时间进行计算，本实施例中，优选的，所述vs确定后，所述激光器芯片输出的激光光源功率固定，当所述激光器芯片受环境影响，输出的激光光源功率变化时，电路的响应时间计算如下：
64.所述激光器芯片输出的激光光源功率受v1电压控制，且v1的变化调节由所述积分器实现，积分时间即为响应时间：
65.t＝(δu*c)/i
66.其中：t为积分时间，δu为电压变化量，c为积分器电容，i为积分电流。
67.为了实现有效的进行加法和积分的计算处理，本实施例中，优选的，所述加法器和所述积分器中均包括有运算放大器，所述加法器中的运算放大器上并联连接有一个电阻，所述积分器中的运算放大器上并联连接有一个电容。
68.为了有效的实现对电压信息进行增益处理，本实施例中，优选的，所述积分器和所述加法器之间电性连接有另一个电阻，所述加法器的两个输出端上分别电性连接有另外的两个电阻。
69.为了使得光探测器能够有效的实现对激光器芯片的输出功率进行获取，便于进行反馈调节，本实施例中，优选的，所述激光器芯片的一端设有与所述积分器电性连接的电源输入端口，所述激光器芯片的另一端设有光输出接口，以及设有与所述光探测器电性连接的光输出检测接口。
70.本发明的具体实施例如下所示：
71.上位机部分采用vc的网络编程，实现上位机控制dac输出值vs的要求；
72.网口电路部分采用stm32单片机加w5500网口芯片的方式，实现网口通信的要求；
73.dac电路部分采用ad5683rbrmz加反相器的方法实现；
74.加法器电路部分采用高精度运放opa2277ua实现；
75.积分器电路部分采用功率运放opa544t实现大功率输出的要求；
76.光探测器采用kg_pd_20g_a型号的光探测器；
77.电压系数调制模块，通过高精度运放opa132ua实现10倍/100倍放大选择；
78.如图3和图4所示：
79.应用的时候，只需要通过上位机设置“激光器芯片输出激光光源功率”值，换算成相应的dac输出值vs，即可实现激光器芯片输出激光光源功率的自动稳定；同时，满足将激光器芯片输出的激光光源功率微小波动的消除时间控制在1us之内的要求；
80.并且当vs确定后，激光器芯片输出的激光光源功率即可固定，当激光器芯片受环境影响，输出的激光光源功率变化时，电路的响应时间计算如下：
81.因为激光器芯片输出的激光光源功率受v1电压控制，假设此时v1＝4v，激光光源功率减少5％，那么需要将v1的电压抬高5％，即需要将v1的电压从4v提升到4.2v，变化量0.2v，此变化量由积分器实现，积分时间即为响应时间：
82.t＝(δu*c)/i
83.其中：t＝积分时间
84.δu＝电压变化量，
85.c＝积分器电容，此处取102值，
86.i＝积分电流，此处取5ma，
87.那么，通过计算可知，t＝0.04us，可见当选用输出电流超过10ma的功率运放，电路响应时间很快，即可满足将激光器芯片输出的激光光源功率微小波动的消除时间控制在1us之内的要求。
88.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种基于环路比较的激光器芯片输出光功率自稳定系统，包括mcu芯片，其特征在于：所述mcu芯片上电性连接有dac芯片，所述dac芯片的一端电性连接有加法器，所述加法器的一端电性连接有积分器，所述积分器上电性连接有激光器芯片，所述激光器芯片上电性连接有光探测器，所述光探测器上电性连接有电压系数调整模块，所述电压系统调整模块与所述加法器电性连接，所述mcu芯片上电性连接有网口，所述网口上通讯连接有上位机，所述上位机通过所述网口设置所述dac芯片的输出vs，所述输出vs作为正向路径的输入产生v1电压，所述v1电压作为所述激光器芯片的电源电压，控制所述激光器芯片输出的激光光源功率，所述光探测器的输出v2电压作为反馈信号，所述v2电压经过所述电压系数调整模块后，进入所述加法器的输入端，与所述输出vs电压相平衡，以稳定所述激光器芯片输出的激光光源功率，所述光探测器和所述电压系数调整模块组成反馈路径，所述加法器和所述积分器组成正向路径。2.根据权利要求1所述的一种基于环路比较的激光器芯片输出光功率自稳定系统，其特征在于：所述反馈路径工作时的计算公式如下所示：vs＝-vfb，vfb＝k2*v2，v2＝-vs/k2，v2＝pw*k3，pw＝v2/k3，pw＝-vs/(k2*k3)；其中，vs为施加的电压值，vfb为反馈的电压值，v1为所述积分器的输出，作为所述激光器芯片输出光强的调节电压，v2为所述光探测器的输出电压，k1为所述光探测器的反馈系数，k2为所述电压系数调制模块的反馈系数，k3为所述光探测器的光源功率转换系数。3.根据权利要求2所述的一种基于环路比较的激光器芯片输出光功率自稳定系统，其特征在于：所述vs与所述k2的值都是固定值，那么所述v2的值也就是固定值，而所述v2为所述光探测器的输出，所述v2固定的时候，表示所述光探测器的输入固定。4.根据权利要求3所述的一种基于环路比较的激光器芯片输出光功率自稳定系统，其特征在于：所述光探测器的输入来自所述激光器芯片输出的激光光源功率pw，当所述v2固定的时候，表示所述光探测器的输入固定，即所述激光器芯片输出的激光光源功率固定。5.根据权利要求4所述的一种基于环路比较的激光器芯片输出光功率自稳定系统，其特征在于：所述激光器芯片输出的激光光源功率小范围波动的时候，由于所述反馈路径的作用，自动调节所述v1值，以保证公式pw＝-vs/(k2*k3)的成立，即实现所述激光器芯片输出激光光源功率的自动稳定。6.根据权利要求5所述的一种基于环路比较的激光器芯片输出光功率自稳定系统，其特征在于：所述v1值的自动调节原理如下：s1、所述激光器芯片输出的激光光源功率变大；s2、所述光探测器的输出v2电压变大；s3、所述电压系数调制模块的输出vfb变大；s4、vfb>vs，导致所述加法器有输出vz；s5、所述加法器的输出vz，导致反向的所述积分器积分；
s6、反向的所述积分器积分，导致v1变小；s7、v1变小，导致所述激光器芯片输出的激光光源功率变小；s8、公式pw＝-vs/(k2*k3)的成立。7.根据权利要求6所述的一种基于环路比较的激光器芯片输出光功率自稳定系统，其特征在于：所述vs确定后，所述激光器芯片输出的激光光源功率固定，当所述激光器芯片受环境影响，输出的激光光源功率变化时，电路的响应时间计算如下：所述激光器芯片输出的激光光源功率受v1电压控制，且v1的变化调节由所述积分器实现，积分时间即为响应时间：t＝(δu*c)/i其中：t为积分时间，δu为电压变化量，c为积分器电容，i为积分电流。8.根据权利要求1所述的一种基于环路比较的激光器芯片输出光功率自稳定系统，其特征在于：所述加法器和所述积分器中均包括有运算放大器，所述加法器中的运算放大器上并联连接有一个电阻，所述积分器中的运算放大器上并联连接有一个电容。9.根据权利要求1所述的一种基于环路比较的激光器芯片输出光功率自稳定系统，其特征在于：所述积分器和所述加法器之间电性连接有另一个电阻，所述加法器的两个输出端上分别电性连接有另外的两个电阻。10.根据权利要求1所述的一种基于环路比较的激光器芯片输出光功率自稳定系统，其特征在于：所述激光器芯片的一端设有与所述积分器电性连接的电源输入端口，所述激光器芯片的另一端设有光输出接口，以及设有与所述光探测器电性连接的光输出检测接口。

技术总结
本发明公开了一种基于环路比较的激光器芯片输出光功率自稳定系统；包括MCU芯片，所述MCU芯片上电性连接有DAC芯片，所述DAC芯片的一端电性连接有加法器，所述加法器的一端电性连接有积分器，所述积分器上电性连接有激光器芯片，所述激光器芯片上电性连接有光探测器，所述光探测器上电性连接有电压系数调整模块，所述电压系统调整模块与所述加法器电性连接，所述MCU芯片上电性连接有网口，所述网口上通讯连接有上位机；本发明通过增加外围反馈环路，来消除输出的激光光源功率微小的波动，即消除激光器芯片输出激光光源功率微小的波动和将激光器芯片输出的激光光源功率微小波动的消除时间控制在1US之内。的消除时间控制在1US之内。的消除时间控制在1US之内。


技术研发人员：孙军 王丽国
受保护的技术使用者：深钛智能科技（苏州）有限公司
技术研发日：2023.07.10
技术公布日：2023/10/11