第24卷󰀁第2期2007年4月󰀁󰀁󰀁黑龙江大学自然科学学报JOURNALOFNATURALSCIENCEOFHEILONGJIANGUNIVERSITY󰀁Vol󰀁24No󰀁2Apri,l2007

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

一种半导体激光器的驱动电路源

李若明1,󰀁刘盛春2,󰀁余有龙1,2,󰀁刘󰀁浩1,󰀁孟凡斌3,󰀁胡󰀁亮1

(1.暨南大学光电工程研究所,广东广州510632;2.黑龙江大学光纤技术研究所,黑龙江哈尔滨150080;3.东北电子技术研究所,辽宁锦州121000)

摘󰀁要:根据半导体激光器对注入电流的稳定性要求高和对电冲击的承受能力差等特性,对

其驱动电路进行了设计。针对具体的980nm泵浦激光器,采用负电源模拟电路方案,研制了包含慢启动和功率稳定功能的驱动电路,其输出驱动电流稳定度达到2󰀁10-4,应用于激光器后得到了

小于4󰀁的光功率稳定度。关键词:驱动电源;半导体激光器;慢启动;低噪声

中图分类号:TN248󰀁4文献标识码:A文章编号:1001-7011(2007)02-0203-04

收稿日期:2006-10-19基金项目:教育部󰀁新世纪优秀人才支持计划󰀁(NCET-04-0828);广东省自然科学基金重点项目(04105843)作者简介:李若明(1982-),男,硕士研究生,主要研究方向:光纤传感网络通讯作者:余有龙(1965-),男,教授,博士生导师,主要研究方向:光纤通信、传感、光纤激光器,E-mai:lyoulongyu@163.com1󰀁引󰀁言

掺铒光纤(EDF)作为增益介质已广泛应用于光纤通信、光纤传感和光纤激光器等领域,其输出功率大小

和功率的稳定性往往取决于泵源功率的稳定性,而泵源一般由半导体激光器(LD)充当,LD又受驱动电路

驱动,因此,研制高性能的驱动电路就显得尤为重要。对于实际使用的LD,只有为其提供稳定的工作电流,才有可能获得稳定的激光输出。另外,谐振腔的形变和PN结的老化与温度相关,温度不仅影响到LD输出

功率的稳定,而且还将影响泵源的寿命,因此有必要控制LD的工作温度。作为结型器件,LD承受电冲击的能力很差,因此其驱动电源中应有保护电路[1],借以缓解浪涌电流的冲击。

目前,LD驱动电路的实现方案可以分为模拟电路和数字电路两类。早期的驱动电路多采用模拟分立元

件构成电路,这样的电路常常存在体积庞大,操作繁琐的缺点[2]。近年来有学者在大功率LD的驱动电路中引入数字电路技术,以模/数和数/模转换芯片转换信号,再用单片机、数字信号处理芯片(DSP)或复杂可编

程逻辑器件(FPGA)处理信号,这样实现了电路操作的简化并完善了电路功能,与此同时,电路中高频部分

对实现系统的电磁兼容性增加了困难。对于只需要稳定的光功率输出的小功率的半导体激光器驱动电源,这种电路结构复杂、成本高,而采用模拟集成电路元件实现的小功率的半导体驱动电路在成本,和电磁兼容

能力上都有优势。

本文基于负电源,采用模拟集成电路元件,针对小功率LD,围绕降低电压源输出噪声、提高驱动电流稳定性、简化操作开展了研究,实现了一种低电压源输出噪声、高驱动电流稳定度、操作简单且成本低廉的驱动

电路。

2󰀁原󰀁理

考虑到稳定输出的LD需要驱动电路包含有高精度恒流源,且避免强浪涌脉冲存在,设计的电路由电压

调整、电流源、光功率控制、温度调整和电流显示等部分组成。

电压调整电路为后续电路提供低噪声的直流电压,这个电压通过电流源转换为电流,电流再经调整后驱动LD发出激光。光功率稳定电路通过反馈控制实现稳定输出功率的目标。温度调整电路通过控制流过半导体激光器模块内部TEC的电流,稳定激光器PN结的温度。

2󰀁1󰀁电压调整电路的设计

电压调整电路采用线性设计方案。为避免火线冲击及邻近交流电路的干扰,在交流电的输入端接入了交流滤波器[3]。电压变换电路的设计同时还具有整流滤波的功能。为避免电源的通、断瞬间在电路中可能

产生的浪涌脉冲对激光器PN结的冲击,引入了慢启动电路,再通过串联调整电路,得到稳定的直流电压。

图1是慢启动的原理,电路开始导通时,Q2截止,C14、C15上没有电荷,C14两端电压为0V,Q2的e极相当

于接地,C14通过R37充电。当C14两端的电压幅值大于阈值电压Vbe时C15开始充电,直到Q2的b极电压约为-13󰀁8V左右时(三极管Q2饱和导通时Vbc󰀁1󰀁2V),停止充电,C15则保持一个电压使得Q2导通。慢启动速

度由时间常数R37C14决定。

串联电压调整电路的结构如图2所示,电阻R35、R39、和电位器W7组成取样电路,将可调电压调整芯片LM317T输出的电压取样传输到放大器A6󰀁-󰀁端,󰀁+󰀁端输入的是基准电压源U3(采用模拟集成电路)产

生的基准电压。放大器的输出对LM317T进行调节,调节电位器W7可以改变LM317T的输出,选用合适的

放大器和基准电压源,通过上述反馈调节可以使得电路输出始终保持很小的噪声[4]。试验结果显示当电压

源输出电压为6V,负载功率为2W时,纹波电压峰-峰值小于1mV/h,输出噪声电压的均方根小于0󰀁2mv(10Hz

2󰀁2󰀁电流源与功率稳定电路的设计

这部分电路是由两个独立的反馈回路构成(如图3),电流源反馈回路是在LD电流回路中串连取样电

阻,通过比较取样电阻两端的电压差和预设的基准电压来调整电流,实现电流源自身的反馈调节。

光功率的反馈控制是将LD发出激光的强度信息通过LD模块内部的PD转化为电信号,输入低噪声运算放大器,通过改变从反馈支路流入LD回路的电流,从而对LD回路的电流实施控制。这部分电路的原理

如图4所示,调节w5使电路工作于某一工作点后,流过Mos管Q3的电流I1就确定了,由于有U1󰀁Ui;I1=

U1RL,于是有I1=UiRL。功率稳定电路的工作原理是这样的:PD转化的电信号和基准电压分别进入放大器A1的

反向端󰀁-󰀁和同向端󰀁+󰀁,A1的输出调整流过反馈支路中的电流I3。I3流入LD回路中MOS管Q3的漏极(d),在I1由w5设定后,流过LD的电流I2和流过Q1电流I3的总和就保持不变。这样I3的变化趋势与I2的变化趋势相反,将电路设置成光功率升高时。I3增大,从而使I2减小,这样就建立了光功率的负反馈调

节。为更有效的保护激光器,在激光器两端并联了开关、锗晶体二极管,和小电容[5]。开关在电源开启时将

LD短路,使LD承受的电冲击减到最小,长时间不用LD时也应该将其短路;锗晶体二极管可以释放反向电

冲击;小电容起到限制LD两端电压突变的作用。󰀁204󰀁黑󰀁龙󰀁江󰀁大󰀁学󰀁自󰀁然󰀁科󰀁学󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第24卷󰀁

2󰀁3󰀁电流显示与温度控制电路

流过LD回路的电流可通过串联在LD回路

中取样电阻两端的电压表示,从取样电阻两端取出电压信号,经过比例运算电路,再将放大后的信

号输送到电压表显示,调节比例系数可使得电压

表显示数值与实际流过电路的电流数值相等。半

导体激光器模块内置有热敏电阻和半导体致冷器(TEC),温度控制电路通过比较预设的基准电压

和热敏电阻两端的电压,驱动电流源给TEC供

电,为了保护TEC防止电流过大造成其损坏,还

加有限流电路(图5)。

3󰀁实验结果

3󰀁1󰀁慢启动电路的输出

所设计的慢启动电路其电压变化的时间特性可借助示波器观察,图6是开启和关闭电源开关观察到的

电压随时间的变化曲线。若定义初始的0V下降到稳定幅度的90%为开启时间󰀁1,定义关断时间󰀁2为从稳

定的电压上升到该电压幅值的10%,从图8可以得出󰀁1>4s,󰀁2>9s。󰀁205󰀁第2期李若明等:一种半导体激光器的驱动电路源3󰀁2󰀁驱动电流短期稳定度

为观察驱动电路稳定性,用Agilent34410A万用表观测了LD的驱动电流随时间的变化关系,图7是在

电路中串接电流表来测量电流随时间的变化,得到电流变化的幅值为0󰀁03mA,按照稳定度计算公式󰀁=󰀁I0/I0计算,电流的短期稳定度为2󰀁10-4.

3󰀁3󰀁光功率短期稳定度

图8为LD在本驱动电路的驱动下的激光功率输出随时间的变化关系,测量光功率和电流随时间变化

时对应一个时刻记录了电流表的读数和光功率计的读数,图8和图7相对应。结果显示光功率变化的幅值小于0󰀁30mW,变化率小于4󰀁。

4󰀁结󰀁论

本文采用负电源模拟方案实现了一种LD的驱动电路,该电路能够提供高稳定度的驱动电流,极大增强

激光器对电冲击的承受能力,并具有稳定输出光功率的反馈调节能力,同时还具有结构简单,成本低廉的特点,各项性能测试的结果显示该电路能满足实验室对驱动电源的要求。值得注意的是电路中功率稳定电路

的反馈调节是基于比例调节,比例调节的精度和过冲量都不理想,这影响了输出光功率的稳定,若将这部分

改进成为比例微分积分(PID)调节,调节精度和过冲量将得到改善,输出光功率的稳定度也能得到提高。最

后,驱动电路的设计思想也可以指导SLED和LED驱动电路的设计。

参考文献

[1]󰀁黄德修,刘雪峰.半导体激光器及其应用[M].北京:国防工业出版社,1999󰀁247-55.[2]󰀁刘󰀁鹏.用于半导体激光器恒流源的信号转换电路设计[D].长春:吉林大学电子科学与工程学院,2004.[3]󰀁滕󰀁明,闫丽丽.选择电源改进激光二极管性能[J].红外与激光技术,1994,23(4):58-61.[4]󰀁曲学基,王增福,曲敬铠.稳定电源电路设计手册[M].北京:电子工业出版社,2003󰀁9-30.[5]󰀁陆耀华.仪器用高稳定度半导体激光器电源[J].电子技术,1994,(6):5-7.

Adrivepowerfor980nmpumplasermodule

LIRuo-ming1,󰀁LIUSheng-chun2,󰀁YUYou-long1,2,󰀁LIUHao1,󰀁MENGFan-bin3,󰀁HULiang1

(1.InstituteofOptoelectronicEngineering,JinanUniversity,Guangzhou,510632,China;2.InstituteofFiberOptics,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China;3.TheNortheastInstituteofElectronicTechnology,Jinzhou121000,China)

Abstract:Accordingtotheperformancecharacteristicsofsemiconductorlaserdiode,suchasthehighstabilityre-

quirementtodrivingcurrentandtheweakendureabilitytoelectricshock,drivepowerforpumplasermodulewas

designed.Concretelyfor980nmpumplaser,usingnegativepoweranalogcircuittechnology,anovellaserdrive

withslowturn-onandopticpowersteadycircuithasbeenrealized.Experimentalresultsshowthestabilizationofoutputcurrentattainsto2󰀁10-4,lessthan4󰀁󰀂lightpowerstabilitywasobtained,whenusethedrivetoalaser

module.Keywords:drivepower;laserdiode(diodelaser);slowturn-on;lownoise󰀁206󰀁黑󰀁龙󰀁江󰀁大󰀁学󰀁自󰀁然󰀁科󰀁学󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第24卷󰀁