高精度半导体激光器驱动电源系统的设计

现代电子技术Modern Electronics TechniqueJan. 2024Vol. 47 No. 22024年1月15日第47卷第2期0 引 言可调谐半导体激光吸收光谱（Tunable Diode LaserAbsorption Spectroscopy, TDLAS ）技术具有灵敏度高、通用性强、响应时间短等特点，在大气污染物监测、矿井气体浓度检测等方面取得了广泛应用[1‐4]。

TDLAS 气体检测通常利用含有低频锯齿波和高频正弦波的电流信号对激光器调制，以使出射激光扫描待测气体的吸收谱线，激光被待测气体吸收后光强减弱，从而形成气体吸收峰，吸收峰幅值与气体浓度呈正相关，从而可以反演出待测气体浓度[5‐7]。

DOI ：10.16652/j.issn.1004‐373x.2024.02.017引用格式：徐鹏飞，李炜楠，陈红岩，等.用于TDLAS 气体检测的DFB 激光器驱动电路设计[J].现代电子技术，2024，47（2）：89‐94.用于TDLAS 气体检测的DFB 激光器驱动电路设计徐鹏飞1， 李炜楠1， 陈红岩2， 叶有祥2（1.中国计量大学 机电工程学院， 浙江 杭州 310018； 2.中国计量大学 现代科技学院， 浙江 义乌 322000）摘 要： 分布反馈（DFB ）激光器作为可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS ）技术的常用光源之一，在实际应用中应当同时对驱动电流和温度进行控制，以减小出光质量对气体浓度检测结果的影响。

为了解决上述问题，文中设计一种高精度激光器驱动电路。

由STM32F103RCT6控制AD9834和DAC8560分别产生正弦波和锯齿波信号，对两个信号输入至OP27GS 构成的信号叠加电路进行叠加后，输出至由OP27GS 、AD8065和IRF520场效应管组成的具有限流功能的压控恒流源电路，将电压信号转变为激光器的驱动电流；同时采用MAX1978温控芯片对激光器进行温度控制。

电路设计报告（姓名：_________学号：________）一、半导体激光器驱动电路激光二极管广泛用作于光纤通信中的光源，采用恒流驱动方式。

电路中，VT 1和VT 2构成恒流源，稳压二极管VD Z 为恒流源提供稳定的基准电压，RP 1限制该电路的电流，RP 2调节最佳工作点。

当电流很小时，激光二极管VD 1不发光，光电二极管VD 2检测不到光功率。

这时，比较器A 1输出高电平，监视发光二级管LED 不发光显示。

调节电路中电流使其超过激光二极管的阈值电平时，激光二极管获得足够大的功率而发光，VD 2中有光电流流过，LED 发光显示。

123456ABCD654321D CBATit leN u mb er Rev isio nSize B D ate:5-A p r-2012Sh eet o fFil e:E:\ED A\半导体激光器驱动电路.d d b D raw n By 0.1μF0.1μF100K Ω2K Ω10K Ω820Ω200Ω10K Ω22Ω10ΩRP2500ΩRP11K ΩLED9013V T1V T225C3039A 1LM339A 2LM339V D2PH OTO3.6VV DzV D1LDV CCV CCTTL 输入二、半导体激光器温度控制电路这种驱动电路也可作为热电冷却器TEC 中温度控制电路，如下图。

TEC 控制电路是基于比较器A 1的反馈系统。

若温度高于设定值，A 1反相输入端电压低于其低阈值电平，A 1输出高电平，通过R 1、VT 1和VT 2驱动TEC 。

TEC 电流由VD 1进行限制。

当TEC 被驱动导通时，它使激光制冷，A 1反相输入端电压增大到超过其高阈值电平，A 2输出低电平TEC 截止不工作。

RP 用于设定温度值。

123456ABCD654321D CB ATit leN u mb er Rev isio nSize B D ate:5-A p r-2012Sh eet o fFil e:E:\ED A\半导体激光器温度控制电路.d d b D raw n By 0.1μFV T225C3039V T19013A 1LM33920K ΩRP2.2KΩR110K Ω12Ω10K Ω1MΩV D 2.7VTEC热电冷却器参考书目[1]何希才．常用电子电路应用365例．电子工业出版社，2006.其他什么的大家自己写点吧O(∩_∩)O~。

激光器及其驱动器电路原理与光模块核心电路设计武汉电信器件有限公司模块开发部王松摘要：本文描述了激光器及其驱动、APC及消光比温度补偿电路原理与光模块核心电路设计技术，并简单介绍了半导体激光器的基本结构类型和各自应用特性，着重论述了激光器驱动电路、APC电路、消光比温度补偿电路原理与应用技术，对激光器调制输出接口电路信号与系统也进行了详细的分析计算。

关键词：半导体激光器，驱动，调制电路，APC，温度补偿，阻抗匹配，信号分析，系统1. 引言随着全球信息化的高速发展，人们的工作、学习和生活越来越离不开承载着大量信息的网络，对网络带宽的要求还在不断提高，光载波拥有无比巨大的通信容量，预计光通信的容量可以达到40Tb/s，并且和其他通信手段相比，具有无与伦比的优越性，未来有线传输一定会更多的采用光纤进行信息传递。

近几年以来，干线传输、城域网、接入网、以太网、局域网等越来越多的采用了光纤进行传输，光纤到路边FTTC、光纤到大楼FTTB、光纤到户FTTH、光纤到桌面FTTD 正在不断的发展，光接点离我们越来越近。

在每个光接点上，都需要一个光纤收发模块，模块的接收端用来将接收到的光信号转化为电信号，以便作进一步的处理和识别。

模块的发射端将需要发送的高速电信号转化为光信号，并耦合到光纤中进行传输，发射端需要一个高速驱动电路和一个发射光器件，发射光器件主要有发光二极管（LED）和半导体激光器（LD）。

LED 和LD 的驱动电路有很大的区别，常用的半导体激光器有FP、DFB 和VCSEL 三种。

WTD光模块通常所用发射光器件为FP 和DFB 激光器。

2. 半导体激光器半导体激光器作为常用的光发射器件，其体积小、高频响应好、调制效率高、调谐方便，且大部分激光器无需制冷，是光纤通信系统理想的光源。

激光器有两种基本结构类型：（1）边缘发射激光器，有FP（Fabry-Perot）激光器和分布反馈式（DFB）激光器。

FP激光器是应用最广的一种激光器，但是其噪声大，高频响应较慢，出光功率小，因此FP 激光器多用于短距离光纤通信。

激光器驱动电路及其外部接口的设计摘要近几年以来，随着全球信息化的高速发展，干线传输、城域网、接入网、以太网、局域网等越来越多的采用了光纤进行传输，光纤到路边FTTC、光纤到大楼FTTB、光纤到户FTTH、光纤到桌面FTTD正在不断的发展，光接点离我们越来越近。

在每个光接点上，都需要一个光纤收发模块，模块的接收端用来将接收到的光信号转化为电信号，以便作进一步的处理和识别。

模块的发射端将需要发送的高速电信号转化为光信号，并耦合到光纤中进行传输，发射端需要一个高速驱动电路和一个发射光器件，发射光器件主要有发光二极管（LED）和半导体激光器（LD）。

LED和LD的驱动电路有很大的区别，常用的半导体激光器有FP、DFB 和VCSEL三种。

激光器驱动电路调制输出接口电路是光模块核心电路之一，它主要包括激光器调制输出终端匹配和旁路RC匹配滤波以及激光器直流偏置三个部分电路，每一部分电路的设计将直接关系到模块光信号的输出质量。

关键词：激光器；驱动电路；光模块；温度控制；外部接口电路目录第1章半导体激光器概述第2章激光发射模块2.1 激光发射模块概述2.2 信标光发射模块的设计2.2.1 激光器驱动电路设计2.2.2 温度控制（ATC）电路设计第3章激光器驱动电路外部接口3.1 激光器驱动电路直流BLAS输出隔离3.2 激光器驱动电路调制匹配3.2.1 激光器直流耦合驱动3.2.2 激光器交流耦合驱动3.2.3 激光器直耦与交耦驱动方式的比较第4章激光器驱动电路调制输出信号分析与接口电路设计4.1 传输线理论概述4.2 激光器直流偏置4.3 RC补偿网络第5章结束语参考文献第一章：半导体激光器概述半导体激光器作为常用的光发射器件，其体积小、高频响应好、调制效率高、调谐方便，且大部分激光器无需制冷，是光纤通信系统理想的光源。

激光器有两种基本结构类型：（1）边缘发射激光器，有FP（Fabry-Perot）激光器和分布反馈式（DFB）激光器。

大功率激光器专用电源设计大功率激光器专用电源设计激光技术在现代科学和工业领域发挥着至关重要的作用，而大功率激光器则是其中的重要组成部分。

为了保证大功率激光器的正常运行，一个可靠的专用电源设计是必不可少的。

首先，大功率激光器所需的电源必须具备高效的能量转换特性。

由于激光器工作过程中需要高能量的输入，电源的转换效率直接影响到激光器的输出效能和稳定性。

因此，在设计过程中，我们需要选择高效率的功率转换器，并且要进行合理的能量管理，以最大程度地减少能量损耗。

其次，大功率激光器的专用电源必须具备高精度的电压和电流控制能力。

激光器的工作过程中，需要精确控制输入电压和电流的大小，以确保激光输出的稳定性和一致性。

为此，我们需要在电源设计中加入合适的电压和电流反馈回路，以实现精确的控制和调节。

此外，大功率激光器专用电源还要考虑到系统的稳定性和可靠性。

激光器工作时对电源的要求比较苛刻，对电压和电流的波动都会直接影响到激光输出的稳定性和质量。

因此，在设计过程中，我们需要采取适当的稳压和滤波措施，以减小电源输出的波动。

最后，大功率激光器专用电源设计还需要考虑到电源的安全性和保护功能。

激光器的工作过程中，存在着一定的安全隐患，如过大的电流和短路等问题。

因此，我们需要在设计中加入相应的保护电路，以确保激光器的安全运行，并防止可能的损坏和事故发生。

综上所述，大功率激光器专用电源的设计不仅要考虑到能量转换的高效性，还要具备高精度的电压和电流控制能力，以及系统的稳定性、可靠性和安全性。

只有通过科学合理的设计，才能提供稳定可靠的电源供应，确保大功率激光器的正常运行，并发挥其在科学研究和工业应用中的重要作用。

脉冲式激光驱动电源的研究与设计1.1引言二十世纪后期到二十一世纪初，超短脉冲激光成为强有力的科学研究手段，使科研上升到一个新的层次。

一些国家和部门重点实验室的科研工程，有很大比例围绕着超短脉冲激光及其应用。

由于半导体激光器的增益带宽很宽适于产生超短脉冲激光，且体积小、能耗低、寿命长、价格低廉，操作控制简便，特别适用于军用、工业、交通、医学和科研应用[62] 。

因此，研究如何从LD获得超短脉冲激光就一直受到人们的高度重视，超短脉冲激光器以其自身的优点在激光领域里得到了广泛的应用。

大电流超短脉冲半导体激光器可以直接作为仪器使用，它更可以作为系统的一个关键部件、一个激光光源。

它将作为火花启动庞大的仪器装备制造业，因此研究如何从半导体激光器获得大电流超短脉冲激光备受重视，也是我国亟待解决的科技问题。

目前，美、德、日等国在脉冲驱动源的发展走在了前列，已经达到很高的水平，据文献报道[62,63]，他们目前已能获得电流达几十安培甚至上百安培，脉冲宽度达到纳秒，甚至皮秒级的半导体激光器驱动电源，但该电源还处于实验阶段，尚未商品化。

一些半导体器件公司研制的LD 驱动电源指标也已经很高，并且商品化。

如专门生产小型化高速脉冲源著称的AVTECH 公司生产的型号为AVOZ-A1A-B 、AV-1011- BDE驱动电源，其电流脉冲峰值可达2A，脉宽为100nS脉冲上升时间仅为10nS ，重复频率可达1MHz 。

并带有通用的接口总线，通用性强，可用于驱动多种类型的半导体激光器。

DEI公司的PCO- 7210驱动电源脉宽小于50nS，重复频率也达到1MHz ，峰值电流为十几安培，但这些产品价格昂贵，需要一到两万美金左右。

在国内，对于脉冲式驱动电源的开发，大多用于光纤通信，其对输出电流的要求很低，只有几十毫安即可。

由于半导体激光器的增益带宽很宽，适于产生超短脉冲激光，且体积小、能耗低、寿命长、价格低廉，操作控制简便，特别适用于军用、工业、交通、医学和科研应用。

一种GaN FET的窄脉冲激光器驱动电源系统设计
许源;王武;倪小龙;闫钰锋;于信;白素平
【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2022(30)9
【摘要】针对半导体激光器驱动电路在低纳秒级对激光光脉冲调节困难的问题,研究了一种基于GaN高速半导体器件的半导体激光器的驱动方案,可实现激光光脉冲的宽度、高重复频率的高精度调节;在设计上,利用FPGA门电路现场可编辑、低功耗等特点,基于Xilinx Zynq平台搭建前置时序产生电路,输出时序信号;设计储能电路,通过驱动氮化镓场效应晶体管(GaN FET)作为开关控制储能回路,最终实现激光光脉冲低纳秒级的精密调节;经过实验验证和分析,该驱动电路能稳定输出脉冲宽度3~200 ns可调、重复频率0~1 MHz可调、峰值功率超过70 W、上升沿时间小于5 ns的激光光脉冲信号。

【总页数】8页(P272-279)
【作者】许源;王武;倪小龙;闫钰锋;于信;白素平
【作者单位】长春理工大学光电工程学院;北方导航控制技术股份有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TP331.2;TN47
【相关文献】
1.窄脉冲半导体激光器驱动电路的设计与仿真试验
2.用于半导体激光器的大电流纳秒级窄脉冲驱动电路
3.脉冲激光器大电流窄脉冲驱动设计
4.低功耗窄脉冲编码激光器驱动设计探讨
5.大电流窄脉冲激光器电源的设计
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基于A VR单片机控制的半导体激光电源摘要：激光电源系统以ATmega16为微控制器，基本功能有：查询、显示、稳光、恒温。

半导体激光器激光输出功率受外界温度变化的影响极其严重，最大缺点就是易损坏。

因此制作一款半导体激光器的同时，也应设计出配套的性能可靠的激光电源。

本系统设计精巧、使用安全、整机性能可靠，可在同类型激光器的控制及发光二极管的控制中推广使用。

关键词：激光器单片机电源控制驱动电源的性能对半导体激光器起到非常大的影响，瞬时电流或者电压突变等许多原因都可破坏激光器。

电流、温度的剧烈变化会使输出光功率突变，影响输出的精确、稳定。

基于单片机的智能化控制，对于解决半导体激光器工作的准确性、稳定性和可靠性的问题起到了极大改善作用。

现介绍一种由单片机控制的激光器电源，该系统具有广大的实际使用前景。

1 系统构造系统的整体结构见图1。

组成模块包括：电源管理模块,控制单元模块、温度控制模块、驱动模块等。

因为半导体激光器对驱动电源的特殊要求,电源的设计需非常完善。

电源部分由功率驱动路、使能电路、电流负反馈电路、取样放大路、恒流源电路、限流保护电路等组成。

控制部分主要包括温度和光功率控制，可使半导体激光器输出更加准确、稳定和可靠。

2 激光电源的设计2.1 电流源的驱动电源自身的纹波对输出电流影响非常大，电源电压部分中应使用效果良好的稳压电路和滤波电路，确保电源电压有很低的噪声与干扰纹波和非常高的稳定度，采用恒定电流源电路抑制浪涌电流。

监测单元的作用：当工作时电流突变或高压瞬间冲击时做出快速响应，同时将中断请求送给单片机系统，MCU便将输出电流调低至零，这样实现过电流保护的作用。

2.2 光功率反馈控制设计一个闭环的反馈系统来确保激光器输出光功率的稳定性。

在激光器后端面安放一个光电二极管，对输出光功率进行采样，首先将其转换成监测电流，然后通过电流与电压的转换电路将其转成电压信号，调节控制信号的幅值来调整输出电流，最终达到对半导体激光器输出光功率的恒定控制。

调制型半导体激光器恒流驱动电路设计作者：王冬吕勇来源：《现代电子技术》2010年第07期摘要:半导体激光器驱动电流的微小变化将直接导致其输出光强的波动。

为实现半导体激光器的稳定功率输出,基于电压负反馈原理设计了包含软启动和限流保护电路的恒流驱动电路;同时针对为消除背景光的影响而对光源进行调制的需要,设计了包括晶体振荡电路和分频电路的集成激光器调制电路。

制作具体电路并完成了相关实验。

实验结果表明该电路能够提供高稳定度的驱动电流,电流稳定度达0.05%;软启动和限流保护电路可保护半导体激光器并提高其抗冲击能力。

调制电路产生半导体激光器调制所需的载波信号并直接完成输出光调制,通过开关可方便地实现从256 Hz~512 kHz范围内12种常用调制频率的选择。

关键词:半导体激光器; 驱动电路; 恒流; 调制中图分类号:TN248.4 文献标识码:A文章编号:1004-373X(2010)07-0092-03Design of Modulation Constant Current Driving Circuit for Laser DiodeWANG Dong, Lü Yong(School of Photoelectronic Information and Communication Engineering, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192,China)Abstract: Small change of driving current can directly affect the output light intensity of the laser diode. In order to obtain stable output, based on the voltage negative feedback principle, a constant current driving circuit is designed which also contains slow turn-on and current limit circuits. The modulation of the light source is needed to eliminate the influence of the background light, therefore an integral modulation circuit for laser diode is designed. The results prove that it can provide high stability driving current, the stability of current is up to 0.05%. Slow turn-on and current limit circuits can ensure laser diode operating safety. The integral modulation circuit produces carrier signal needed for laser diode modulation and directly modulates output optical intensity. Twelve kinds of commonly used modulation frequency can be easily selected by switches from 256 Hz to 512 kHz.Key words: semiconductor laser; driving circuit; constant current; modulation0 引言半导体激光器以其超小型、高效率、结构简单等优良特性被广泛应用于科研、国防、医疗、加工等领域,其相应的驱动技术也显得越来越重要[1]。