半導體激光器自動功率控制電路設計

　　0.25mV~2.5V的電壓值需要變換放大到所需要的電壓范圍，這通過由運算放大器A4組成的同相比例運算電路實現(xiàn)，如圖6所示，其比例系數(shù)為1+R_f/R。注意到一點，MAX4008的輸出電阻為10kΩ，而根據(jù)PIN、光強度等的不同，MAX4008的輸出電壓可能會低至幾毫伏，為了防止輸出電壓在下一級輸入會有衰減，在MAX4008與同相比例運算電路之間加一級電壓跟隨器，用于隔離，提高MAX4008“帶負載”的能力。最終，運算放大器A4的輸出電壓U₀與MAX4008輸出電壓U_MAX4008的關系式為：

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　　實際應用應，R_f和R的阻值需要根據(jù)具體的LD以及PIN參數(shù)來確定。

　　實驗結果與分析

　　光電探測器選用SIEMENS SRD00111Z硅PIN光電探測器來模擬激光器集成光電探測器，該光電探測器最高功率譜密度集中在800nm;作為實驗，選用紅色發(fā)光二極管(LED)來模擬激光器。DFB蝶形激光器工作電流一般達到70mA，遠超過普通發(fā)光二極管的正常工作電流，因此用20只發(fā)光二極管并聯(lián)構成一只大電流發(fā)光二極管，并將其中的一只引出與PIN密封固定在一起，用于探測光強。

　　在定量分析中，LED工作電流與LED光強、PIN探測電流的關系未知，為了得到其關系，實測了一些采樣點：當恒流源輸入電壓從400mV逐漸變化到800mV時，以50mV為間隔，測得MAX4008的輸出采樣電壓值如圖7中圓點所示，并利用MATLAB對這些采樣點進行2階多項式曲線擬合，擬合曲線如圖中細實線所示。

　　并得到擬合曲線函數(shù)式為：

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　　其中，x、y單位均為mV。

　　假設半導體激光器工作在70mA，根據(jù)(1)式，計算得到恒流源的輸入電壓應為700mV;將700mV帶入擬合公式(6)式，得到MAX4008輸出電壓約為2.55mV;再由(5)式，并取R=1kΩ、R_f=100kΩ，計算得到輸入到電壓比較器反相輸入端的電壓為257.55mV，因此，為了讓MAX4008輸出電壓為2.55mV，就需要設定電壓比較器的同相輸入端電壓為257.55mV。此外，還需要使充放電電容電壓維持在4.3V附近，因為在4.3V附近電容的充放電速率基本相同，而恒流源的輸入又需要穩(wěn)定在700mV附近，因此，這里采用電阻分壓的方法，將4.3V轉換到700mV。圖8是電路上電穩(wěn)定后捕捉到的電壓比較器輸出端波形圖，圖中連續(xù)跳變的高低電平說明自動功率控制過程已建立。

　　我們知道，PIN光電二極管的探測電流可以反映探測的光強度，因此通過觀察MAX4008輸出電壓的穩(wěn)定性即可間接對LED發(fā)光二極管功率穩(wěn)定性做出判斷。圖9是設計電路連續(xù)工作6個小時，每隔半個小時，MAX4008輸出電壓的采樣值。

　　圖9表明，MAX4008的輸出采樣值基本維持在2.5mV附近，說明發(fā)光二極管功率穩(wěn)定性良好，自動功率控制的功能達到了設計指標。注意到一點，2.5mV的電壓值和預期的2.55mV有點偏差，經(jīng)分析，這種偏差是由以下兩方面因素構成的，首先，電阻實際阻值和理論值的偏差導致了信號值的偏移;其次，對于毫伏級別的信號，運算放大器的同相和反相輸入端并非理想虛短，從而導致了信號值的偏移。

　　結束語

　　根據(jù)模擬電路理論和反饋理論知識，設計了半導體激光器自動功率控制電路，實驗表明，電路可以穩(wěn)定輸出功率，實現(xiàn)精確的控制。該系統(tǒng)具有結構簡單、使用零部件少和容易調(diào)整等特點。MAX4008芯片簡化了PIN光電探測器檢測電路，提高了電流檢測精度。此外，在正式接入半導體激光器之前，還需要考慮一些問題，比如電源浪涌沖擊問題，因為半導體激光器是非常敏感且脆弱的元器件，不適當?shù)墓ぷ鳝h(huán)境將導致半導體激光器永久性損壞^[5,6]，因此保護特性應當考慮進來，以防止光學元件因瞬變電流而受到損害。

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