半導體激光器自動功率控制電路設計

摘要：設計了半導體激光器恒定功率驅動電路，采用負反饋運算放大電路構成恒流源，電容充放電模塊構成穩壓環節，以高精度電流檢測芯片MAX4008監測PIN光電探測器探測電流，以此為基準，引入功率反饋環節，穩定輸出功率。闡述并分析了電路原理與實驗結果，表明電路運行穩定，實現了精確的自動功率控制。本文網絡版地址：http：//www.eepw. com.cn/article/203226.htm

關鍵詞：半導體激光器；運算放大器；自動功率控制；負反饋

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.1.011

引言

半導體激光器具有光學特性優秀、單色性好、體積小和壽命長等一系列的優點，隨著科技的發展，已被廣泛應用在國防、通信、醫療和測量等領域中[1-3]。半導體激光器需要專用的驅動電路，一般均采用恒流源電路。市場上專業的激光器驅動設備性能好，功能強大，然而價格昂貴，體積較大，對產品開發來說，一款小巧、功能簡單、性能穩定、價格低廉的激光器驅動電路很具有實用價值。

在傳感和檢測等應用領域，往往需要激光器工作在恒定功率狀態，而半導體激光器是非線性器件，受溫度等影響較大，電路中電阻等元器件的老化也會改變半導體激光器的特性，因此需要補償各種因素產生的影響。而在發射閾值電流以上時，半導體激光器的發光功率與驅動電流成線性關系[4]，這使得通過控制驅動電流來調整發光功率成為可能。

電路工作原理分析

圖1所示為激光器自動功率控制系統原理框圖，整體電路形成一個閉合環路，通過負反饋機制穩定激光器的輸出功率。該驅動電路由電壓比較器、電容充放電模塊、恒流源和反饋回路構成，電容充放電模塊根據比較器輸出電壓的高低循環跳變來對電容進行充放電，最終將其電壓值穩定在某預設值，從而間接控制恒流源的輸入電壓，并進一步控制激光器電流，恒流源直接驅動LD激光器，它的輸入電壓和激光器驅動電流成正比例關系。

系統上電后，電壓比較器的正端設定正電壓值VSET，負端電壓假設為0，則比較器輸出的低電平致使電容充放電模塊對電容充電，隨著電容電壓的緩慢上升，恒流源的驅動電流不斷升高，激光器輸出光強不斷升高，PIN探測電流變大，從而導致反饋回路輸出電壓升高，直至高過比較器正端電壓VSET后，比較器輸出由低電平跳變為高電平，接著執行上述過程的反過程：電容放電、激光器功率減小，由此循環往復，最終穩定激光器發光功率。

恒流源

半導體激光器的可靠穩定工作需要精密電流源，設計使用電流源電路源自于負反饋運算放大電流電路，該電路具有結構簡單、噪聲小等優點，其結構如圖2所示。

電路通過BIN輸入端電壓控制1歐姆電阻電壓來控制激光器電流，由LT1789的固定增益輸出反饋給LT1006反相輸入端而形成閉環，LT1789的引入使激光器陰極得以共地，便于測試。此外，增加了激光器電流關斷控制電路，ENABLE使能端通過將Q1的基極電位拉地來關斷激光器電流，相當于激光器開關關閉，而當開關打開時，可實現激光器電流緩慢地上升至預定值。元器件選取上，LT1006運算放大器和LT1789儀表放大器均是單電源供電型放大器，能夠滿足單電源供電的需求。電路工作中，LT1789的放大倍數為A=10，流經激光器電流I與輸入電壓U的關系為：

光電探測器選用S I E M E N S SRD00111Z硅PIN光電探測器來模擬激光器集成光電探測器，該光電探測器最高功率譜密度集中在800nm；作為實驗，選用紅色發光二極管（LED）來模擬激光器。DFB蝶形激光器工作電流一般達到70mA，遠超過普通發光二極管的正常工作電流，因此用20只發光二極管并聯構成一只大電流發光二極管，并將其中的一只引出與PIN密封固定在一起，用于探測光強。

在定量分析中，LED工作電流與LED光強、PIN探測電流的關系未知，為了得到其關系，實測了一些采樣點：當恒流源輸入電壓從400mV逐漸變化到800mV時，以50mV為間隔，測得MAX4008的輸出采樣電壓值如圖7中圓點所示，并利用MATLAB對這些采樣點進行2階多項式曲線擬合，擬合曲線如圖中細實線所示。

并得到擬合曲線函數式為：

我們知道，PIN光電二極管的探測電流可以反映探測的光強度，因此通過觀察MAX4008輸出電壓的穩定性即可間接對LED發光二極管功率穩定性做出判斷。圖9是設計電路連續工作6個小時，每隔半個小時，MAX4008輸出電壓的采樣值。

圖9表明，MAX4008的輸出采樣值基本維持在2.5mV附近，說明發光二極管功率穩定性良好，自動功率控制的功能達到了設計指標。注意到一點，2.5mV的電壓值和預期的2.55mV有點偏差，經分析，這種偏差是由以下兩方面因素構成的，首先，電阻實際阻值和理論值的偏差導致了信號值的偏移；其次，對于毫伏級別的信號，運算放大器的同相和反相輸入端并非理想虛短，從而導致了信號值的偏移。

結束語

根據模擬電路理論和反饋理論知識，設計了半導體激光器自動功率控制電路，實驗表明，電路可以穩定輸出功率，實現精確的控制。該系統具有結構簡單、使用零部件少和容易調整等特點。MAX4008芯片簡化了PIN光電探測器檢測電路，提高了電流檢測精度。此外，在正式接入半導體激光器之前，還需要考慮一些問題，比如電源浪涌沖擊問題，因為半導體激光器是非常敏感且脆弱的元器件，不適當的工作環境將導致半導體激光器永久性損壞[5，6]，因此保護特性應當考慮進來，以防止光學元件因瞬變電流而受到損害。

參考文獻：

[1] 王德，李學千.半導體激光器的最新進展及其應用現狀[J].光學精密工程，2001，9，（3）：279-283

[2] 匡萃方，馮其波，陳士謙，等.基于激光準直直線度測量方法的研究[J].光學技術，2003，29，（6）：699-701

[3] 安宇鵬，宋振宇，王一丁.基于1665nm激光器測量甲烷氣體濃度的研究[J].激光與紅外，2010，40，（1）：28-31

[4] 徐秀芳，胡曉東.半導體激光器的功率穩恒控制技術[J].光子學報，2001，30，（6）：761-764

[5] 范珩，田小建.半導體激光器驅動器輸出電路的設計[J].微計算機信息，2008，24，（2-2）：298-299，286

[6] 鄒文棟，高益慶.單片機控制的半導體激光驅動電源[J].激光雜志，2002，23，（4）：70-71