第24卷 第2期
2007年4月
黑龙江大学自然科学学报J OURNAL OF NATURAL SC IENCE O F HE I LONG JI ANG UN IVERS I TY V o l 24N o 2Apr i,l 2007
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980n m 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:TN 248 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 -m ai:l youlongyu @163.co m
1 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P N 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,Q 2截止,C 14、C 15上没有电荷,C 14两端电压为0V,Q 2的e 极相当于接地,C 14通过R 37充电。当C 14两端的电压幅值大于阈值电压V be 时C 15开始充电,直到Q 2的b 极电压约为-13 8V 左右时(三极管Q 2饱和导通时V bc 1 2V),停止充电,C 15则保持一个电压使得Q 2导通。慢启动速度由时间常数R 37C 14决定。
串联电压调整电路的结构如图2所示,电阻R 35、R 39、和电位器W 7组成取样电路,将可调电压调整芯片L M 317T 输出的电压取样传输到放大器A 6 - 端, + 端输入的是基准电压源U 3(采用模拟集成电路)产生的基准电压。放大器的输出对L M 317T 进行调节,调节电位器W 7可以改变L M 317T 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 2m v (10H z 。
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w 5使电路工作于某一工作点后,流过M os 管Q 3的电流I 1就确定了,由于有U 1 U i ;I 1=U 1R L ,于是有I 1=U i R L
。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A 1的反向端 - 和同向端 + ,A 1的输出调整流过反馈支路中的电流I 3。I 3流入LD 回路中MOS 管Q 3的漏极(d ),在I 1由w 5设定后,流过LD 的电流I 2和流过Q 1电流I 3的总和就保持不变。这样I 3的变化趋势与I 2的变化趋势相反,将电路设置成光功率升高时。I 3增大,从而使I 2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。
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