半導體激光器功率控制系統的研究

郭倩 朱耀麟 朱磊 劉秀平

摘 要： 為了保障半導體激光器具有穩定的發射功率和良好的工作環境，設計完成了自動功率控制電路和自動溫度控制電路。采用負反饋運算放大電路構成恒流源，光電反饋實現閉環控制，可穩定輸出功率。同時，利用FPGA控制DRV593驅動半導體制冷器完成自動溫度控制，將半導體激光器的工作溫度控制在一定范圍內。實驗結果表明，系統工作時，溫度控制精度可達[±0.1] ℃，激光器功率穩定度優于0.74%，實現了精確的功率控制，滿足實際應用需求。

關鍵詞： 自動功率控制； 自動溫度控制； 光電反饋； 半導體制冷器； 激光器； 恒流源

中圖分類號： TN248.4?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）18?0147?03

Research on power control system of semiconductor laser

GUO Qian， ZHU Yaolin， ZHU Lei， LIU Xiuping

（School of Electronics and Information， Xian Polytechnic University， Xian 710048， China）

Abstract： The automatic power control （APC） circuit and automatic temperature control （ATC） circuit were designed and completed to guarantee the stable transmission power and good working environment of the semiconductor laser. The operation amplifying circuit with negative feedback is adopted to form the constant current source. Closed loop control is realized by using optoelectronic feedback， so as to stabilize output power. Automatic temperature control is achieved by using the FPGA to control the DRV593 driven semiconductor cooler， so as to control the working temperature of the semiconductor laser in a certain range. The experimental results show that the system has temperature control accuracy of ±0.1 ℃ and laser power stability of higher than 0.74%， which can realize accurate power control and meet practical application requirements.

Keywords： automatic power control； automatic temperature control； optoelectronic feedback； semiconductor cooler； laser； constant current source

無線激光通信利用激光作為載體在自由空間中進行通信，是一種遠距離激光信號發射與接收的技術[1]。光纖通信與無線激光通信同屬光通信范疇，光纖通信屬于有波導光通信，而無線激光通信屬于大氣波導的光通信[2]。無線激光通信無需鋪設光纖，不受傳輸介質的影響[3]。半導體激光器是無線光通信中的重要單元，本文討論半導體激光器的功率控制問題。

半導體激光器（LD）是一種二極管結構，光學特性優良、單色性與相干性好、光束準直 [3]。但是由于半導體激光器是非線性器件，受溫度等影響較大，工作溫度的改變會影響半導體激光器的輸出波長、閾值電流及輸出功率。因此，LD需要專用的驅動器來補償各種因素造成的影響并穩定發射功率[4] 。本文介紹了一種包括自動功率控制（Automatic Power Control，APC）和自動溫度控制（Automatic Temperature Control，ATC）的小功率LD驅動電路，其注入電流連續可調、電流穩定度較高、溫度可控并具備完善的保護措施。

1 自動功率控制

1.1 控制框圖

半導體激光器自動功率控制有許多方法：一是自動跟蹤偏置電流；二是峰值功率和平均功率的自動控制；三是P?I曲線效率控制法。其中第一種方法可采用光電反饋原理，直接檢測光功率控制偏置電流對激光輸出功率的起伏進行補償[5] 。其結構框圖如圖1所示。

1.2 電路設計

光功率自動控制電路主要包括比較放大模塊、恒流源模塊和光功率反饋模塊。電路原理圖如圖2所示。通過APC電路使驅動電流和輸出功率達到平衡，實現自動功率控制[6]。

半導體激光器是非常脆弱的元件，易受靜電或反向電壓沖擊[7]，需要保護電路防止對LD的損傷。本文采用一個肖特基二極管與LD并聯，起到對LD保護的作用。

2 自動溫度控制

2.1 溫度控制原理

本文設計的溫度控制電路采用自動溫度控制原理，對LD工作溫度進行精密的控制[8]，其原理框圖如圖3所示。溫度控制電路主要分為溫度采樣電路、FPGA主控電路、半導體制冷驅動電路和顯示電路等。

2.2 溫度傳感器

根據使用環境和設計精度要求，本文采用DS18B20作為溫度傳感器。其測量溫度范圍為[-55～125] ℃。

2.3 PWM功率驅動器

半導體制冷器采用DRV593驅動。DRV593是專門為驅動TEC而設計的[±3 A]高效率PWM功率驅動器。工作電壓為[2.8～5.3 V]。DRV593采用先進的PWM技術，開關頻率可根據系統需要設置為100 kHz或者500 kHz。通過控制電流方向可雙向驅動TEC，使其工作在制冷或制熱方式。DRV593采用PQFP封裝，本設計中應用電路如圖4所示。

2.4 FPGA軟件實現

本文設計的自動溫度控制系統，是確定硬件電路之后再依賴于軟件設計來實現的。軟件主要功能是：完成溫度數據的采集，通過液晶顯示屏顯示采集到的溫度；同時將采集到的溫度數據與閾值比較，利用PI控制技術處理后，通過DAC0832完成D/A轉換；最后驅動DRV593控制TEC完成溫度控制。本文采用數字PID控制技術，利用軟件PID算法實現控制功能。數字PID控制技術簡化了參數調試難度、提高了參數調試精度，以確保自動溫度控制系統的控制精度。

3 實驗研究

在室內溫度為25～35 ℃的范圍內，對波長為650 nm的半導體激光器進行實驗。待半導體激光器預熱20 min后，測量采樣電阻[R0]兩端電壓來計算驅動電流，利用光功率計采集輸出光功率。圖5為自動功率控制電路在開環模式下，恒流源工作90 min內驅動電流的變化情況。從圖中可以看出，驅動電流在0.02 mA范圍內波動，方差小于0.003，證明無反饋時恒流源工作穩定。

圖6是半導體激光器工作在自動功率控制模式，開環與閉環兩種情況下輸出功率的變化曲線。當環境溫度變化不大時，對系統進行3 h采樣，從圖中可以看出，開環時輸出功率逐漸下降，波動較大；閉環時輸出功率穩定，波動范圍控制在0.1 mW之內。

當環境溫度變化較大時，僅僅依靠APC不能穩定輸出功率，反而會對半導體激光器造成損害，因此需要APC和ATC同時工作，將工作溫度控制在一定范圍，再利用APC電路完成功率控制[9?10]。圖7為半導體激光器工作在自動功率控制和自動溫度控制模式時，工作3 h內輸出功率的變化曲線。利用ATC將工作溫度控制在27 ℃，由圖中可以看出，輸出功率波動小于0.08 mW，功率穩定度優于0.74%，工作性能良好。

4 結 語

本文針對半導體激光器的實際應用問題，設計完成了小功率LD驅動電路。利用自動功率控制電路和自動溫度控制電路穩定了輸出光功率，提高了半導體激光器的工作性能。所設計的自動功率控制電路采用恒流源驅動及光電負反饋控制，能為半導體激光器提供高穩定、連續可調的驅動電流。自動溫度控制電路以FPGA為核心，利用DRV593驅動TEC完成溫度控制，精度可達[±0.1] ℃。同時，整體驅動電路還具有價格低廉，體積小、操作簡便等優點，可廣泛應用于實際工程中。

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