半導(dǎo)體激光器自動(dòng)功率控制電路設(shè)計(jì)

　　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(guò)由運(yùn)算放大器A4組成的同相比例運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)，如圖6所示，其比例系數(shù)為1+R_f/R。注意到一點(diǎn)，MAX4008的輸出電阻為10kΩ，而根據(jù)PIN、光強(qiáng)度等的不同，MAX4008的輸出電壓可能會(huì)低至幾毫伏，為了防止輸出電壓在下一級(jí)輸入會(huì)有衰減，在MAX4008與同相比例運(yùn)算電路之間加一級(jí)電壓跟隨器，用于隔離，提高M(jìn)AX4008“帶負(fù)載”的能力。最終，運(yùn)算放大器A4的輸出電壓U₀與MAX4008輸出電壓U_MAX4008的關(guān)系式為：

???????

　　實(shí)際應(yīng)用應(yīng)，R_f和R的阻值需要根據(jù)具體的LD以及PIN參數(shù)來(lái)確定。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　光電探測(cè)器選用SIEMENS SRD00111Z硅PIN光電探測(cè)器來(lái)模擬激光器集成光電探測(cè)器，該光電探測(cè)器最高功率譜密度集中在800nm;作為實(shí)驗(yàn)，選用紅色發(fā)光二極管(LED)來(lái)模擬激光器。DFB蝶形激光器工作電流一般達(dá)到70mA，遠(yuǎn)超過(guò)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(gòu)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(cè)光強(qiáng)。

　　在定量分析中，LED工作電流與LED光強(qiáng)、PIN探測(cè)電流的關(guān)系未知，為了得到其關(guān)系，實(shí)測(cè)了一些采樣點(diǎn)：當(dāng)恒流源輸入電壓從400mV逐漸變化到800mV時(shí)，以50mV為間隔，測(cè)得MAX4008的輸出采樣電壓值如圖7中圓點(diǎn)所示，并利用MATLAB對(duì)這些采樣點(diǎn)進(jìn)行2階多項(xiàng)式曲線擬合，擬合曲線如圖中細(xì)實(shí)線所示。

　　并得到擬合曲線函數(shù)式為：

???????

　　其中，x、y單位均為mV。

　　假設(shè)半導(dǎo)體激光器工作在70mA，根據(jù)(1)式，計(jì)算得到恒流源的輸入電壓應(yīng)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(jì)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(shè)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?yàn)樵?.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(zhuǎn)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(shuō)明自動(dòng)功率控制過(guò)程已建立。

　　我們知道，PIN光電二極管的探測(cè)電流可以反映探測(cè)的光強(qiáng)度，因此通過(guò)觀察MAX4008輸出電壓的穩(wěn)定性即可間接對(duì)LED發(fā)光二極管功率穩(wěn)定性做出判斷。圖9是設(shè)計(jì)電路連續(xù)工作6個(gè)小時(shí)，每隔半個(gè)小時(shí)，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(shuō)明發(fā)光二極管功率穩(wěn)定性良好，自動(dòng)功率控制的功能達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。注意到一點(diǎn)，2.5mV的電壓值和預(yù)期的2.55mV有點(diǎn)偏差，經(jīng)分析，這種偏差是由以下兩方面因素構(gòu)成的，首先，電阻實(shí)際阻值和理論值的偏差導(dǎo)致了信號(hào)值的偏移;其次，對(duì)于毫伏級(jí)別的信號(hào)，運(yùn)算放大器的同相和反相輸入端并非理想虛短，從而導(dǎo)致了信號(hào)值的偏移。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　根據(jù)模擬電路理論和反饋理論知識(shí)，設(shè)計(jì)了半導(dǎo)體激光器自動(dòng)功率控制電路，實(shí)驗(yàn)表明，電路可以穩(wěn)定輸出功率，實(shí)現(xiàn)精確的控制。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用零部件少和容易調(diào)整等特點(diǎn)。MAX4008芯片簡(jiǎn)化了PIN光電探測(cè)器檢測(cè)電路，提高了電流檢測(cè)精度。此外，在正式接入半導(dǎo)體激光器之前，還需要考慮一些問(wèn)題，比如電源浪涌沖擊問(wèn)題，因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器是非常敏感且脆弱的元器件，不適當(dāng)?shù)墓ぷ鳝h(huán)境將導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器永久性損壞^[5,6]，因此保護(hù)特性應(yīng)當(dāng)考慮進(jìn)來(lái)，以防止光學(xué)元件因瞬變電流而受到損害。

　　參考文獻(xiàn)：
　　[1] 王德,李學(xué)千.半導(dǎo)體激光器的最新進(jìn)展及其應(yīng)用現(xiàn)狀[J].光學(xué)精密工程,2001,9,(3):279-283
　　[2] 匡萃方,馮其波,陳士謙,等.基于激光準(zhǔn)直直線度測(cè)量方法的研究[J].光學(xué)技術(shù),2003,29,(6):699-701
　　[3] 安宇鵬,宋振宇,王一丁.基于1665nm激光器測(cè)量甲烷氣體濃度的研究[J].激光與紅外,2010,40,(1):28-31
　　[4] 徐秀芳,胡曉東.半導(dǎo)體激光器的功率穩(wěn)恒控制技術(shù)[J].光子學(xué)報(bào),2001,30,(6):761-764
　　[5] 范珩,田小建.半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)器輸出電路的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008,24,(2-2):298-299,286
　　[6] 鄒文棟,高益慶.單片機(jī)控制的半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)電源[J].激光雜志,2002,23,(4):70-71