半導(dǎo)體激光器功率控制系統(tǒng)的研究

郭倩 朱耀麟 朱磊 劉秀平

摘 要： 為了保障半導(dǎo)體激光器具有穩(wěn)定的發(fā)射功率和良好的工作環(huán)境，設(shè)計完成了自動功率控制電路和自動溫度控制電路。采用負(fù)反饋運(yùn)算放大電路構(gòu)成恒流源，光電反饋實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，可穩(wěn)定輸出功率。同時，利用FPGA控制DRV593驅(qū)動半導(dǎo)體制冷器完成自動溫度控制，將半導(dǎo)體激光器的工作溫度控制在一定范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)工作時，溫度控制精度可達(dá)[±0.1] ℃，激光器功率穩(wěn)定度優(yōu)于0.74%，實(shí)現(xiàn)了精確的功率控制，滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞： 自動功率控制； 自動溫度控制； 光電反饋； 半導(dǎo)體制冷器； 激光器； 恒流源

中圖分類號： TN248.4?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）18?0147?03

Research on power control system of semiconductor laser

GUO Qian， ZHU Yaolin， ZHU Lei， LIU Xiuping

（School of Electronics and Information， Xian Polytechnic University， Xian 710048， China）

Abstract： The automatic power control （APC） circuit and automatic temperature control （ATC） circuit were designed and completed to guarantee the stable transmission power and good working environment of the semiconductor laser. The operation amplifying circuit with negative feedback is adopted to form the constant current source. Closed loop control is realized by using optoelectronic feedback， so as to stabilize output power. Automatic temperature control is achieved by using the FPGA to control the DRV593 driven semiconductor cooler， so as to control the working temperature of the semiconductor laser in a certain range. The experimental results show that the system has temperature control accuracy of ±0.1 ℃ and laser power stability of higher than 0.74%， which can realize accurate power control and meet practical application requirements.

Keywords： automatic power control； automatic temperature control； optoelectronic feedback； semiconductor cooler； laser； constant current source

無線激光通信利用激光作為載體在自由空間中進(jìn)行通信，是一種遠(yuǎn)距離激光信號發(fā)射與接收的技術(shù)[1]。光纖通信與無線激光通信同屬光通信范疇，光纖通信屬于有波導(dǎo)光通信，而無線激光通信屬于大氣波導(dǎo)的光通信[2]。無線激光通信無需鋪設(shè)光纖，不受傳輸介質(zhì)的影響[3]。半導(dǎo)體激光器是無線光通信中的重要單元，本文討論半導(dǎo)體激光器的功率控制問題。

半導(dǎo)體激光器（LD）是一種二極管結(jié)構(gòu)，光學(xué)特性優(yōu)良、單色性與相干性好、光束準(zhǔn)直 [3]。但是由于半導(dǎo)體激光器是非線性器件，受溫度等影響較大，工作溫度的改變會影響半導(dǎo)體激光器的輸出波長、閾值電流及輸出功率。因此，LD需要專用的驅(qū)動器來補(bǔ)償各種因素造成的影響并穩(wěn)定發(fā)射功率[4] 。本文介紹了一種包括自動功率控制（Automatic Power Control，APC）和自動溫度控制（Automatic Temperature Control，ATC）的小功率LD驅(qū)動電路，其注入電流連續(xù)可調(diào)、電流穩(wěn)定度較高、溫度可控并具備完善的保護(hù)措施。

1 自動功率控制

1.1 控制框圖

半導(dǎo)體激光器自動功率控制有許多方法：一是自動跟蹤偏置電流；二是峰值功率和平均功率的自動控制；三是P?I曲線效率控制法。其中第一種方法可采用光電反饋原理，直接檢測光功率控制偏置電流對激光輸出功率的起伏進(jìn)行補(bǔ)償[5] 。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.2 電路設(shè)計

光功率自動控制電路主要包括比較放大模塊、恒流源模塊和光功率反饋模塊。電路原理圖如圖2所示。通過APC電路使驅(qū)動電流和輸出功率達(dá)到平衡，實(shí)現(xiàn)自動功率控制[6]。

半導(dǎo)體激光器是非常脆弱的元件，易受靜電或反向電壓沖擊[7]，需要保護(hù)電路防止對LD的損傷。本文采用一個肖特基二極管與LD并聯(lián)，起到對LD保護(hù)的作用。

2 自動溫度控制

2.1 溫度控制原理

本文設(shè)計的溫度控制電路采用自動溫度控制原理，對LD工作溫度進(jìn)行精密的控制[8]，其原理框圖如圖3所示。溫度控制電路主要分為溫度采樣電路、FPGA主控電路、半導(dǎo)體制冷驅(qū)動電路和顯示電路等。

2.2 溫度傳感器

根據(jù)使用環(huán)境和設(shè)計精度要求，本文采用DS18B20作為溫度傳感器。其測量溫度范圍為[-55～125] ℃。

2.3 PWM功率驅(qū)動器

半導(dǎo)體制冷器采用DRV593驅(qū)動。DRV593是專門為驅(qū)動TEC而設(shè)計的[±3 A]高效率PWM功率驅(qū)動器。工作電壓為[2.8～5.3 V]。DRV593采用先進(jìn)的PWM技術(shù)，開關(guān)頻率可根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)置為100 kHz或者500 kHz。通過控制電流方向可雙向驅(qū)動TEC，使其工作在制冷或制熱方式。DRV593采用PQFP封裝，本設(shè)計中應(yīng)用電路如圖4所示。

2.4 FPGA軟件實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計的自動溫度控制系統(tǒng)，是確定硬件電路之后再依賴于軟件設(shè)計來實(shí)現(xiàn)的。軟件主要功能是：完成溫度數(shù)據(jù)的采集，通過液晶顯示屏顯示采集到的溫度；同時將采集到的溫度數(shù)據(jù)與閾值比較，利用PI控制技術(shù)處理后，通過DAC0832完成D/A轉(zhuǎn)換；最后驅(qū)動DRV593控制TEC完成溫度控制。本文采用數(shù)字PID控制技術(shù)，利用軟件PID算法實(shí)現(xiàn)控制功能。數(shù)字PID控制技術(shù)簡化了參數(shù)調(diào)試難度、提高了參數(shù)調(diào)試精度，以確保自動溫度控制系統(tǒng)的控制精度。

3 實(shí)驗(yàn)研究

在室內(nèi)溫度為25～35 ℃的范圍內(nèi)，對波長為650 nm的半導(dǎo)體激光器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。待半導(dǎo)體激光器預(yù)熱20 min后，測量采樣電阻[R0]兩端電壓來計算驅(qū)動電流，利用光功率計采集輸出光功率。圖5為自動功率控制電路在開環(huán)模式下，恒流源工作90 min內(nèi)驅(qū)動電流的變化情況。從圖中可以看出，驅(qū)動電流在0.02 mA范圍內(nèi)波動，方差小于0.003，證明無反饋時恒流源工作穩(wěn)定。

圖6是半導(dǎo)體激光器工作在自動功率控制模式，開環(huán)與閉環(huán)兩種情況下輸出功率的變化曲線。當(dāng)環(huán)境溫度變化不大時，對系統(tǒng)進(jìn)行3 h采樣，從圖中可以看出，開環(huán)時輸出功率逐漸下降，波動較大；閉環(huán)時輸出功率穩(wěn)定，波動范圍控制在0.1 mW之內(nèi)。

當(dāng)環(huán)境溫度變化較大時，僅僅依靠APC不能穩(wěn)定輸出功率，反而會對半導(dǎo)體激光器造成損害，因此需要APC和ATC同時工作，將工作溫度控制在一定范圍，再利用APC電路完成功率控制[9?10]。圖7為半導(dǎo)體激光器工作在自動功率控制和自動溫度控制模式時，工作3 h內(nèi)輸出功率的變化曲線。利用ATC將工作溫度控制在27 ℃，由圖中可以看出，輸出功率波動小于0.08 mW，功率穩(wěn)定度優(yōu)于0.74%，工作性能良好。

4 結(jié) 語

本文針對半導(dǎo)體激光器的實(shí)際應(yīng)用問題，設(shè)計完成了小功率LD驅(qū)動電路。利用自動功率控制電路和自動溫度控制電路穩(wěn)定了輸出光功率，提高了半導(dǎo)體激光器的工作性能。所設(shè)計的自動功率控制電路采用恒流源驅(qū)動及光電負(fù)反饋控制，能為半導(dǎo)體激光器提供高穩(wěn)定、連續(xù)可調(diào)的驅(qū)動電流。自動溫度控制電路以FPGA為核心，利用DRV593驅(qū)動TEC完成溫度控制，精度可達(dá)[±0.1] ℃。同時，整體驅(qū)動電路還具有價格低廉，體積小、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中。

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