半导体激光器自动功率控制电路设计

半导体激光器具有光学特性优秀、单色性好、体积小和寿命长等一系列的优点，随着科技的发展，已被广泛应用在国防、通信、医疗和测量等领域中。半导体激光器需要专用的驱动电路，一般均采用恒流源电路。市场上专业的激光器驱动设备性能好，功能强大，然而价格昂贵，体积较大，对产品开发来说，一款小巧、功能简单、性能稳定、价格低廉的激光器驱动电路很具有实用价值。
在传感和检测等应用领域，往往需要激光器工作在恒定功率状态，而半导体激光器是非线性器件，受温度等影响较大，电路中电阻等元器件的老化也会改变半导体激光器的特性，因此需要补偿各种因素产生的影响。而在发射阈值电流以上时，半导体激光器的发光功率与驱动电流成线性关系，这使得通过控制驱动电流来调整发光功率成为可能。
电路工作原理分析
图1所示为激光器自动功率控制系统原理框图，整体电路形成一个闭合环路，通过负反馈机制稳定激光器的输出功率。该驱动电路由电压比较器、电容充放电模块、恒流源和反馈回路构成，电容充放电模块根据比较器输出电压的高低循环跳变来对电容进行充放电，最终将其电压值稳定在某预设值，从而间接控制恒流源的输入电压，并进一步控制激光器电流，恒流源直接驱动LD激光器，它的输入电压和激光器驱动电流成正比例关系。


图1 激光器自动功率控制系统原理图

系统上电后，电压比较器的正端设定正电压值VSET，负端电压假设为0，则比较器输出的低电平致使电容充放电模块对电容充电，随着电容电压的缓慢上升，恒流源的驱动电流不断升高，激光器输出光强不断升高，PIN探测电流变大，从而导致反馈回路输出电压升高，直至高过比较器正端电压VSET后，比较器输出由低电平跳变为高电平，接着执行上述过程的反过程：电容放电、激光器功率减小，由此循环往复，最终稳定激光器发光功率。


        

恒流源
半导体激光器的可靠稳定工作需要精密电流源，设计使用电流源电路源自于负反馈运算放大电流电路，该电路具有结构简单、噪声小等优点，其结构如图2所示。


图2 具有关断功能的阴极共地型激光器电流源

电路通过BIN输入端电压控制1欧姆电阻电压来控制激光器电流，由LT1789的固定增益输出反馈给LT1006反相输入端而形成闭环，LT1789的引入使激光器阴极得以共地，便于测试。此外，增加了激光器电流关断控制电路，ENABLE使能端通过将Q1的基极电位拉地来关断激光器电流，相当于激光器开关关闭，而当开关打开时，可实现激光器电流缓慢地上升至预定值。元器件选取上，LT1006运算放大器和LT1789仪表放大器均是单电源供电型放大器，能够满足单电源供电的需求。电路工作中，LT1789的放大倍数为A=10，流经激光器电流I与输入电压U的关系为：
I=0.1U (1)
其中，I的单位为毫安，U的单位为伏特，即当输入电压由0V变化到2.5V时，可实现激光器电流由0mA到250mA的线性变化。


        
电容充放电模块
电容充放电模块是形成反馈回路、实现自动功率控制至关重要的一部分。稳定激光器功率是通过微调流经激光器的电流实现的，这种微调功能的实现是需要某种自动起伏变化的机制才能实现的，而大电容的电压可以缓慢变化，符合这种机制的要求。前已述及，该模块根据前一级比较器输出电压的高低循环跳变来对电容进行充放电，将电容电压值稳定在某预定值，从而间接控制激光器电流，电路图如图3所示。


图3 电容充放电模块电路图

当CIN为低电平时，场效应管Q3导通，Q4截止，5V电压通过15k电阻向3300μF电容充电;而当CIN为高电平时，Q4导通，Q3截止，电容又通过100kΩ电阻向地回路放电。图3中的箭头方向指明了电容充放电时的电流流向。运算放大器A3构成电压跟随器将后级电路与电容充放电级隔离，避免后级电路输入电阻对电容充放电时间常数产生影响。这里，选取3300μF大电容是为了让电容电压值缓慢变化，这有助于稳定电容电压值。当电路停止工作后，需要对3300μF电容进行放电，而100k电阻对它的放电速度非常缓慢，因此设计了Q5通路，通路上的1k电阻可在电路停止工作后迅速对大电容放电。


图4 电容充电与放电等效电路模型图

为了对电容充放电过程进行定量分析，可将充放电电路等效成如图4所示的电路模型：
假设在t=0时刻，UC=0，根据电路理论，易得电容电压UC随时间t的变化关系式为：
UC = E(1 - exp(- t/RC)) （2）
同样，对于放电回路，电容电压UC随时间t 的变化关系式为：
UC = exp(lnU0- t/RC) （3）
式中，U0为电容放电初始电压。
如将(2)式中各参数分别取值为E=5V，R=15kΩ，C=3300μF;(3)式中各参数分别取值为U0=5V，R=100kΩ，C=3300μF，根据表达式，仿真得到电容电压随时间变化的波形如图5所示。


图5 电容电压充放电过程仿真波形图

图5表明，对于以上选取的这组电阻电容值，在4.3V电压附近，电容的充电速率为14mV/s、放电速率为13mV/s，说明电容在4.3V附近的充放电速率不仅较慢，而且基本一致，这对稳定电容电压将很有效果。因此，电路在实际运行过程中，需要将电容电压维持在4.3V附近，这需要通过调整电路其他部分元件的取值来实现。


        
反馈回路
一般，蝶形封装激光器中均自带有PIN或PD光电探测器用于探测光强，光电探测器能够得到与检测光强成一定比例关系的电流信号，通过对该电流信号进行电压转换、放大处理即可得到实用的监测信号，这一过程可以体现于图6。


图6 PIN光电探测器构成的固定增益反馈回路

MAX4008是一款高精度电流检测芯片，在光纤应用中专门用于检测PD或PIN光电探测器的电流，它的REF引脚是参考电流输入引脚，OUT引脚是检测电压输出引脚，其电压值大小与REF引脚电流成正比关系。当REF参考电流在250nA到2.5mA范围内变化时，MAX4008的检测精度可维持在5%以内;在精度放宽到10%的前提下，检测电流范围可扩展到10nA到10mA。MAX4008的输出电压UMAX4008与参考电流IREF的关系式为：
UMAX4008(mV)=IRREF(μA) (4)
由此，250nA~2.5mA的REF参考电流值对应的输出电压范围是0.25mV~2.5V。
0.25mV~2.5V的电压值需要变换放大到所需要的电压范围，这通过由运算放大器A4组成的同相比例运算电路实现，如图6所示，其比例系数为1+Rf/R。注意到一点，MAX4008的输出电阻为10kΩ，而根据PIN、光强度等的不同，MAX4008的输出电压可能会低至几毫伏，为了防止输出电压在下一级输入会有衰减，在MAX4008与同相比例运算电路之间加一级电压跟随器，用于隔离，提高MAX4008“带负载”的能力。最终，运算放大器A4的输出电压U0与MAX4008输出电压UMAX4008的关系式为：
U0 =UMAX4008×(1 + Rf/ R ) （5）
实际应用应，Rf和R的阻值需要根据具体的LD以及PIN参数来确定。


        
实验结果与分析
光电探测器选用SIEMENS SRD00111Z硅PIN光电探测器来模拟激光器集成光电探测器，该光电探测器最高功率谱密度集中在800nm;作为实验，选用红色发光二极管(LED)来模拟激光器。DFB蝶形激光器工作电流一般达到70mA，远超过普通发光二极管的正常工作电流，因此用20只发光二极管并联构成一只大电流发光二极管，并将其中的一只引出与PIN密封固定在一起，用于探测光强。
在定量分析中，LED工作电流与LED光强、PIN探测电流的关系未知，为了得到其关系，实测了一些采样点：当恒流源输入电压从400mV逐渐变化到800mV时，以50mV为间隔，测得MAX4008的输出采样电压值如图7中圆点所示，并利用MATLAB对这些采样点进行2阶多项式曲线拟合，拟合曲线如图中细实线所示。


图7 根据采样点拟合得到电流源输入电压与MAX4008输出电压关系曲线图

并得到拟合曲线函数式为：
y = (- 6.5841×10-7 )x2 + (4.3342×10-3 )x - 0.16009  （6）
其中，x、y单位均为mV。
假设半导体激光器工作在70mA，根据(1)式，计算得到恒流源的输入电压应为700mV;将700mV带入拟合公式(6)式，得到MAX4008输出电压约为2.55mV;再由(5)式，并取R=1kΩ、Rf=100kΩ，计算得到输入到电压比较器反相输入端的电压为257.55mV，因此，为了让MAX4008输出电压为2.55mV，就需要设定电压比较器的同相输入端电压为257.55mV。此外，还需要使充放电电容电压维持在4.3V附近，因为在4.3V附近电容的充放电速率基本相同，而恒流源的输入又需要稳定在700mV附近，因此，这里采用电阻分压的方法，将4.3V转换到700mV。图8是电路上电稳定后捕捉到的电压比较器输出端波形图，图中连续跳变的高低电平说明自动功率控制过程已建立。


图8 电压比较器输出波形

我们知道，PIN光电二极管的探测电流可以反映探测的光强度，因此通过观察MAX4008输出电压的稳定性即可间接对LED发光二极管功率稳定性做出判断。图9是设计电路连续工作6个小时，每隔半个小时，MAX4008输出电压的采样值。


图9 连续6小时采样MAX4008输出电压

图9表明，MAX4008的输出采样值基本维持在2.5mV附近，说明发光二极管功率稳定性良好，自动功率控制的功能达到了设计指标。注意到一点，2.5mV的电压值和预期的2.55mV有点偏差，经分析，这种偏差是由以下两方面因素构成的，首先，电阻实际阻值和理论值的偏差导致了信号值的偏移;其次，对于毫伏级别的信号，运算放大器的同相和反相输入端并非理想虚短，从而导致了信号值的偏移。
结束语
根据模拟电路理论和反馈理论知识，设计了半导体激光器自动功率控制电路，实验表明，电路可以稳定输出功率，实现精确的控制。该系统具有结构简单、使用零部件少和容易调整等特点。MAX4008芯片简化了PIN光电探测器检测电路，提高了电流检测精度。此外，在正式接入半导体激光器之前，还需要考虑一些问题，比如电源浪涌冲击问题，因为半导体激光器是非常敏感且脆弱的元器件，不适当的工作环境将导致半导体激光器永久性损坏，因此保护特性应当考虑进来，以防止光学元件因瞬变电流而受到损害。