半導體激光器自動功率控制電路設計

　　引言

　　半導體激光器具有光學特性優(yōu)秀、單色性好、體積小和壽命長等一系列的優(yōu)點，隨著科技的發(fā)展，已被廣泛應用在國防、通信、醫(yī)療和測量等領域中^[1-3]。半導體激光器需要專用的驅(qū)動電路，一般均采用恒流源電路。市場上專業(yè)的激光器驅(qū)動設備性能好，功能強大，然而價格昂貴，體積較大，對產(chǎn)品開發(fā)來說，一款小巧、功能簡單、性能穩(wěn)定、價格低廉的激光器驅(qū)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(tài)，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(chǎn)生的影響。而在發(fā)射閾值電流以上時，半導體激光器的發(fā)光功率與驅(qū)動電流成線性關系^[4]，這使得通過控制驅(qū)動電流來調(diào)整發(fā)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(tǒng)原理框圖，整體電路形成一個閉合環(huán)路，通過負反饋機制穩(wěn)定激光器的輸出功率。該驅(qū)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(jù)比較器輸出電壓的高低循環(huán)跳變來對電容進行充放電，最終將其電壓值穩(wěn)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(qū)動LD激光器，它的輸入電壓和激光器驅(qū)動電流成正比例關系。

　　系統(tǒng)上電后，電壓比較器的正端設定正電壓值V_SET，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(qū)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V_SET后，比較器輸出由低電平跳變?yōu)楦唠娖剑又鴪?zhí)行上述過程的反過程：電容放電、激光器功率減小，由此循環(huán)往復，最終穩(wěn)定激光器發(fā)光功率。

　　恒流源

　　半導體激光器的可靠穩(wěn)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(yōu)點，其結構如圖2所示。

　　電路通過B_IN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(huán)，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(xiàn)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(shù)為A=10，流經(jīng)激光器電流I與輸入電壓U的關系為：

　　I=0.1U (1)

　　其中，I的單位為毫安，U的單位為伏特，即當輸入電壓由0V變化到2.5V時，可實現(xiàn)激光器電流由0mA到250mA的線性變化。

　　電容充放電模塊

　　電容充放電模塊是形成反饋回路、實現(xiàn)自動功率控制至關重要的一部分。穩(wěn)定激光器功率是通過微調(diào)流經(jīng)激光器的電流實現(xiàn)的，這種微調(diào)功能的實現(xiàn)是需要某種自動起伏變化的機制才能實現(xiàn)的，而大電容的電壓可以緩慢變化，符合這種機制的要求。前已述及，該模塊根據(jù)前一級比較器輸出電壓的高低循環(huán)跳變來對電容進行充放電，將電容電壓值穩(wěn)定在某預定值，從而間接控制激光器電流，電路圖如圖3所示。