半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路的研究與設(shè)計(jì)*

袁林成，蔣書波，宋相龍，陸志峰

（南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，南京 210009）

半導(dǎo)體激光器是由于半導(dǎo)體中的電子躍遷使得光子受到激勵(lì)最終發(fā)射而產(chǎn)生的光振蕩器和光放大器的總稱呼［1］。由于激光具有單色性好和強(qiáng)光光束這倆方面的特性，使得它在很多技術(shù)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用［2］。但由于半導(dǎo)體激光器是高功率密度且具有高量子效率的器件，激光二極管對(duì)電流的沖擊承受能力又差，電流的微小變化將導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器參數(shù)的變化，這些因素都影響到了半導(dǎo)體激光器的安全使用［3-4］。因此在實(shí)際操作中對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的性能和安全性都有很高的要求。為了確保半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)定可靠的工作，設(shè)計(jì)出抗干擾性、可靠性以及安全保護(hù)性等特性強(qiáng)的電路尤為必要。

1 半導(dǎo)體激光器工作原理

半導(dǎo)體激光器以半導(dǎo)體的材料為工作物質(zhì)，它是相干光源。為了得到相干的受激光輸出需要滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和閥值條件。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件是必要的，只有高能態(tài)的粒子數(shù)應(yīng)多于低能態(tài)的粒子數(shù)才能使有源工作物質(zhì)產(chǎn)生增益。而閥值條件則需要前者產(chǎn)生的增益能夠克服有源介質(zhì)內(nèi)部的損耗和輸出損耗。激光器只有在閥值以后才能出現(xiàn)凈增益［5］。由于半導(dǎo)體激光器是一種直接注入電流的電子——光子轉(zhuǎn)換器件，因此常用閥值電流來評(píng)定激光器的性能。

要使半導(dǎo)體激光器輸出相干輻射光，一定要滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件，即滿足激光器閥值條件

式（1）中g(shù)th是閥值增益，αi是增益介質(zhì)內(nèi)部損耗，αout為輸出損耗［6］。

下面主要介紹半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)驗(yàn)研究與設(shè)計(jì)仿真。

2 驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)研究與仿真分析

在正常使用情況下半導(dǎo)體激光器有很長的壽命，但是如果操作不當(dāng)會(huì)造成半導(dǎo)體激光器的性能劣化甚至損壞。這種損壞一般由PN被擊穿或激光諧振腔的解理面被破壞導(dǎo)致。PN結(jié)一旦被擊穿，便不能產(chǎn)生輻射和非平衡載流子復(fù)合。超出閥值的光功率會(huì)損傷解理面，最終使半導(dǎo)體激光器的輸出功率降低或失效。因此，根據(jù)半導(dǎo)體激光器的本身特點(diǎn)，對(duì)半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路有如下要求：

（1）半導(dǎo)體激光器是靠載流子的注入工作的，電流注入的穩(wěn)定性對(duì)激光輸出的穩(wěn)定性有直接影響。因此，驅(qū)動(dòng)電路是一個(gè)恒流源且有很小的紋波系數(shù)。

（2）半導(dǎo)體激光器是一種PN結(jié)結(jié)型器件，承受電沖擊能力較差，容易受外界光影響。因此，驅(qū)動(dòng)電路也應(yīng)具有保護(hù)電路及延時(shí)緩沖電路，防止驅(qū)動(dòng)電路剛工作或工作期間對(duì)激光二極管過渡驅(qū)動(dòng)。

（3）PN結(jié)的溫度過高將產(chǎn)生非線性及增加內(nèi)部損耗影響半導(dǎo)體激光器的工作壽命。因此，驅(qū)動(dòng)電路在激光二極管安放位置應(yīng)具有溫度檢測與控制電路。

2.1 電路設(shè)計(jì)

2.1.1 電源電路與恒流源電路

電源電路對(duì)恒流源電路的穩(wěn)定性具有較大影響，為了輸出低漂移的電流，設(shè)計(jì)選用了輸出線性好、功耗小且輸出電壓誤差在±4%范圍內(nèi)的高精度電源芯片LM2596。另一方面，在反饋控制電路中的參考電源部分，由于直接影響恒流電路電流輸出特性，選用了低溫度系數(shù)15×10-6/℃，工作溫度范圍-40℃～+85℃的MAX6160.

實(shí)驗(yàn)中選用的激光二極管典型參數(shù)要求（典型輸入電流為170 mA，最大不超過230 mA），反饋電路中控制部分電源為由LM2596部分提供，參考電源部分由MAX6160和MAX6125輸出。電路如圖1所示。

圖1 電源電路

為了消除電路啟動(dòng)時(shí)刻的高頻沖擊電流，在反饋電路前端設(shè)計(jì)了延時(shí)緩沖電路，這部分具體原理介紹將在后面詳細(xì)分析。反饋部分由運(yùn)放和倆個(gè)三極管構(gòu)成電流放大，運(yùn)放一端接入反饋電阻與激光二極管，另外一端接入基準(zhǔn)電壓源作為反饋輸入部分。反饋部分通過運(yùn)算放大器構(gòu)成同相比例放大后傳入反相輸入端，構(gòu)成電流負(fù)反饋電路，使電流輸出向相反方向調(diào)節(jié)，2個(gè)三極管增大了反饋系數(shù)，更有利于高效的達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡構(gòu)成恒流電路［7］，如圖2所示。

圖2 恒流源電路

2.1.2 保護(hù)電路

由于在高性能的半導(dǎo)體激光器中，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的電流參數(shù)有很高的要求，再加之半導(dǎo)體激光二極管的價(jià)格昂貴的原因。不得不要求在設(shè)計(jì)半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路時(shí)加入保護(hù)電路，從而保證激光器的安全穩(wěn)定和避免因誤操作等原因造成的不必要的損失。

本驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)電路分成2部分，一部分是保證驅(qū)動(dòng)電路恒流電源部分的電流不超過指定值（依據(jù)激光二極管的電流參數(shù)指標(biāo)），另一部分則為了確保半導(dǎo)體激光二極管的2端電壓不超過指標(biāo)設(shè)定值。在第1部分的保護(hù)中，本設(shè)計(jì)將激光二極管的的反饋部分采樣電阻點(diǎn)的電壓作為后運(yùn)放的同相輸入端，該運(yùn)放的反相輸入端則接入?yún)⒖茧妷涸吹妮敵龆?，將該運(yùn)放的輸出端輸出的電壓進(jìn)行同相比例放大，最后將輸出電壓接入前端基準(zhǔn)電壓源LM2596的控制端和三極管的基極。當(dāng)激光二極管的恒流源的電流超出指標(biāo)值時(shí)將會(huì)關(guān)斷恒流源電路的電源并點(diǎn)亮共陰雙色發(fā)光二極管的紅燈用來指示電路過流狀態(tài)保護(hù)激光二極管，如圖3所示。

圖3 保護(hù)電路

圖3中，在第2部分保護(hù)電路，主要是防止因運(yùn)放失效或反饋電阻短路等特殊原因造成激光二極管倆端電壓惡性增大，此處在激光二極管倆端接入穩(wěn)壓二極管作為過電壓保護(hù)電路。

2.1.3 延時(shí)緩沖電路

激光二極管驅(qū)動(dòng)電路在啟動(dòng)上電時(shí)刻會(huì)產(chǎn)生高頻沖擊電流信號(hào)。電流的突然放大會(huì)會(huì)導(dǎo)致反饋電路部分突發(fā)增大并損害激光二極管。為了使激光二極管在上電瞬間消除尖峰電壓引入了延時(shí)緩沖電路。

延時(shí)緩沖電路由倆部分組成，一部分是深延時(shí)電路，主要用于整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路上電瞬間對(duì)前端電源電路的延時(shí)，如圖4所示，另一部分延時(shí)電路，主要作用是對(duì)反饋部分的電源的延時(shí)，進(jìn)一步增加了電路延遲的時(shí)間。根據(jù)電路零輸入響應(yīng)基本原理［8］，延時(shí)電路設(shè)計(jì)中將延時(shí)時(shí)間定位6 s。

圖4 延時(shí)電路

2.2 電路仿真結(jié)果與討論

在實(shí)際電路調(diào)試之前，利用Multisim電路仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行了搭建與仿真。根據(jù)實(shí)驗(yàn)選用的激光二極管的技術(shù)參數(shù)，選用了與此等效的金屬膜電阻進(jìn)行了等效，由于仿真電路中的電源均為理想的電壓源，故將實(shí)際電路中基準(zhǔn)電壓源部分直接用理想直流電壓替代。仿真結(jié)果圖如圖5所示。

圖5 仿真波形圖

由于實(shí)際電路與仿真電路還存在著一些差異，采用Multisim仿真是在無噪聲和外部環(huán)境干擾情況下得出的仿真結(jié)果圖，通過虛擬示波器的波形圖很明顯得出此恒流源驅(qū)動(dòng)電路滿足實(shí)驗(yàn)要求。因此在此仿真基礎(chǔ)上，繪制出了實(shí)際的電路板，并采用示波器監(jiān)視觀察同樣的電路點(diǎn)，最終將實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路的波形圖與軟件仿真結(jié)果圖作比較，如圖6所示，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)除了在延時(shí)時(shí)間方面的誤差外，其他電流參數(shù)及激光二極管倆端電壓都滿足要求。

圖6 實(shí)際波形圖

最后，為了進(jìn)一步測試激光二極管出射光的光強(qiáng)參數(shù)，本實(shí)驗(yàn)采用已有光路系統(tǒng)，對(duì)激光二極管的參數(shù)做了更深入的測試，如圖7所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，此激光二極管驅(qū)動(dòng)電路輸出強(qiáng)度的波動(dòng)限定在200 kcps～400 ksps范圍內(nèi)，具有極高的穩(wěn)定性與精度，足以滿足后續(xù)實(shí)驗(yàn)要求。對(duì)半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路的研究具有指導(dǎo)性意義。

圖7 強(qiáng)度波動(dòng)圖

3 結(jié)論

本激光二極管驅(qū)動(dòng)電路以激光二極管的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)為依據(jù)，對(duì)電路中設(shè)計(jì)中需要考慮的問題進(jìn)行了全面分析。通過在Multisim模擬環(huán)境中的電路仿真到實(shí)際電路調(diào)試中的觀測，并將倆實(shí)驗(yàn)結(jié)果做了比較，最后通過采用實(shí)驗(yàn)室已有光路系統(tǒng)的測試，發(fā)現(xiàn)該激光二極管驅(qū)動(dòng)電路在精度與穩(wěn)定性上都大大超出了預(yù)想結(jié)果，驗(yàn)證了此激光二極管驅(qū)動(dòng)電路的可行性。

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袁林成（1989-），男，漢，江蘇鹽城人，南京工業(yè)大學(xué)，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榉治鰞x器設(shè)計(jì)，機(jī)器人嵌入式系統(tǒng)等，1033867716@qq.com；

蔣書波（1975-），女，漢，江蘇南京人，南京工業(yè)大學(xué)，副教授，主要研究方向?yàn)榉治鰞x器設(shè)計(jì)，嵌入式系統(tǒng)等，153381253@qq.com。