低溫漂、高穩(wěn)激光電路技術(shù)研究

［張昕 陳昉 何宗維 盧程宏 覃良標］

1 前言

激光因具有光束質(zhì)量好，利用率高，能量集中，傳輸距離遠等優(yōu)點在航空，測距，光電對抗，醫(yī)療，通信和科研等諸多領(lǐng)域都有著廣泛的應用。因半導體激光器有斜坡效率高、體積小、熱耗低、重量輕、壽命長和偶和效率高等優(yōu)點而成為電光轉(zhuǎn)換的首選和基礎(chǔ)器件。

電泵浦激光工作物質(zhì)導致粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)粒子在能級躍遷的過程中形成激光，泵浦電流的穩(wěn)定性和工作物質(zhì)控溫程度將直接影響著激光的光學性能和器件壽命。因此，低溫漂、高穩(wěn)激光源電性能技術(shù)在激光的產(chǎn)生中顯得尤為重要。本文對引起恒流驅(qū)動電流漂移和激光管芯溫度漂移的因素進行分析，提出了低溫漂、高穩(wěn)激光源技術(shù)設(shè)計方案，并在某航天項目進行了地面驗證。

2 半導體激光器恒流驅(qū)動電路設(shè)計

2.1 驅(qū)動電路工作原理

半導體激光器驅(qū)動電路通常有恒流驅(qū)動控制和恒功率驅(qū)動控制兩種方式，兩種方式均是利用負反饋閉環(huán)控制半導體激光器的驅(qū)動電流，以達到穩(wěn)定半導體激光器輸出光功率穩(wěn)定的目的。恒流驅(qū)動電路通過對半導體激光器的驅(qū)動電流進行取樣、放大，利用閉環(huán)反饋控制電路控制半導體激光器的驅(qū)動電流為恒定值；恒功率驅(qū)動電路通過對半導體激光器內(nèi)部集成的光電二極管（PD）電信號進行采樣，利用閉環(huán)控制電路控制激光器驅(qū)動電流，使激光器的輸出光功率為恒定值。恒流驅(qū)動方式對外圍電路要求比較高，但避免了激光器本身性能變化對光性能的影響；恒功率驅(qū)動方式需對激光器內(nèi)置的PD 電流進行采樣，PD采樣結(jié)果受激光器本體的牽制較大，會影響整個驅(qū)動電路的性能。因此，在一定溫度范圍內(nèi)對激光器輸出光功率穩(wěn)定性和可靠性要求較高的場合，一般會選擇恒流驅(qū)動方式對激光器進行驅(qū)動。

2.2 恒流驅(qū)動電路設(shè)計

2.2.1 恒流驅(qū)動電路方案

恒流驅(qū)動電路采用電壓負反饋來實現(xiàn)電流恒定輸出，原理如圖1 所示?；鶞孰娐樊a(chǎn)生一個高穩(wěn)定的電壓基準，通過電阻網(wǎng)絡設(shè)定合適的電壓值為功率設(shè)定電壓。當輸入電壓或負載等變化而引起輸出電流變化時，采樣電路將按照一定的比例獲取輸出電壓波動信息，并與功率設(shè)定電壓進行比較。差分放大電路把放大后的電壓波動量施加到調(diào)整電路，調(diào)整電路將調(diào)整輸出電流，這樣就形成一個深度負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，達到恒流輸出的目的。

圖1 恒流電路原理圖

另外，在實際應用中還要考慮對核心器件的保護措施。實際應用的半導體激光器恒流驅(qū)動電路中除能產(chǎn)生穩(wěn)定的恒定電流驅(qū)動外包含：開關(guān)緩啟動電路；激光器過流保護電路；高頻信號濾波電路；反向浪涌保護電路等。恒流驅(qū)動電路整體框圖如圖2 所示。

圖2 恒流驅(qū)動電路整體框圖

2.2.2 恒流驅(qū)動電路設(shè)計

恒流驅(qū)動電路如圖3 所示，通過充放電電路，實現(xiàn)對激光器的開關(guān)緩啟動，開關(guān)緩啟動的時間可通過電容值C1和電阻值R2等參數(shù)進行設(shè)定。由基準芯片輸出一個基準電壓，再通過電阻分壓網(wǎng)絡分壓生成功率設(shè)定電壓V0，功率設(shè)定電壓輸入到開關(guān)緩啟動電路，控制恒流電路輸出相應驅(qū)動電流。

圖3 恒流驅(qū)動電路

R10 為采樣電阻，采樣電阻兩端的電壓差為激光器的電流值與采樣電阻值的乘積，采樣電阻R10 與U1-C 一起構(gòu)成采樣環(huán)，對流過激光器的電流進行采樣，并協(xié)同U1-A、Q3、U1-B 和Q4 一起在電壓控制下實現(xiàn)恒流輸出，從而實現(xiàn)激光穩(wěn)定輸出。另外，Vmax數(shù)值的設(shè)定是以半導體激光器額定電流值為參考的。當功率設(shè)置電壓V0小于Vmax時，驅(qū)動激光器的電流取二者相關(guān)的較小值；當功率設(shè)置電壓V0大于Vmax時，驅(qū)動激光器的電流為額定電流，避免驅(qū)動電流過大損壞激光器。圖中的電容C3 用于高頻干擾，避免激光器受損，二極管D1 消除方向浪涌電流對激光器的影響。

2.2.3 恒流驅(qū)動電路溫變特性修正

根據(jù)歐姆定律，由圖3 可知，驅(qū)動激光器的電流ILD可表示為：

由式1 與式2 可得：

其中，Vref為基準輸出電壓，R3和R4為網(wǎng)絡，V0為功率設(shè)置電壓，Voffset為運放失調(diào)電壓，R10為激光器電流采樣電阻。

對式（3）進行微分，可得到誤差傳遞公式如下：

由于R1、R2所選參數(shù)一般在1 K～10 K 范圍內(nèi)，式（4）可簡化為：

從式（5）可以看出，影響驅(qū)動電流穩(wěn)定性的主要因素是：

（1）基準電壓源的穩(wěn)定性dVref；（2）閉環(huán)回路中運放的輸出失調(diào)電壓dVoffset；（3）采樣電阻的變化dR10。

隨著電子元器件技術(shù)的發(fā)展，常用的基準電壓源芯片和運放集成芯片技術(shù)都非常成熟。在芯片的極限溫度下，基準電壓芯片出輸電壓的不確定性為±10 mV，運放集成芯片輸出的失調(diào)電壓為0.2 mV。在實際應用中采樣電阻阻值的選擇不易太大，通常為0.1Ω。采樣電阻的阻值會隨著溫度的變化而發(fā)生相應的變化，在大電流經(jīng)過的情況下這種現(xiàn)象將更加明顯，在環(huán)境溫度-20℃～55℃的試驗中光功率出現(xiàn)了±40 mW波動，這嚴重影響產(chǎn)品的實際應用。

在整機試驗中，隨著環(huán)境溫度的上升，采樣電阻的阻值在不斷變?。画h(huán)境溫度下降，采樣電阻的阻值在增大，表現(xiàn)出負溫度系統(tǒng)的特性。為了最大限度的減小在高低溫環(huán)境下采樣電阻阻值隨溫度變化對恒流電路的影響，本電路采用金屬導線（金屬導線中導電粒子被高溫產(chǎn)生的聲子散射，而減小金屬的導電率，增大金屬阻值）與負溫度系數(shù)的精密薄膜電阻串聯(lián)組成電路的采樣電阻。金屬導線的這種溫度特性剛好與負溫度系數(shù)的電阻相反，在高低溫情況下兩者阻值變化可以相互抵消。

在實驗驗證中記錄了某溫度下一定時間內(nèi)3 600 組驅(qū)動電流值，通過歸一化標準偏差法可計算出驅(qū)動電流的相對穩(wěn)定度，驅(qū)動電流隨溫度變化中隨時間的變化情況如圖4 所示。

圖4 恒流電路驅(qū)動電流變化趨勢圖

在試驗中，恒流電路在常溫下輸出1.35 A的電流，環(huán)境溫度在-20℃～55℃之間變化，驅(qū)動電流漂移為0.5%。理論與實踐證明本恒流驅(qū)動電路驅(qū)動電流的穩(wěn)定性得到了很大的優(yōu)化，實現(xiàn)了低溫漂設(shè)計。

3 激光源溫控電路設(shè)計

半導體激光器管芯是溫度敏感器件，激光器管芯恒溫控制至關(guān)重要，其溫度漂移將會產(chǎn)生光功率波動，波長漂移，嚴重的情況甚至會出現(xiàn)激光器失效等情況。

3.1 溫控電路工作原理

高穩(wěn)半導體激光器一般都有內(nèi)置半導體熱電制冷器（TEC）和溫度傳感器等相關(guān)的溫控元件來保證激光器管芯溫度可控。TEC 是以帕爾貼效應為基礎(chǔ)研制而成，其最基礎(chǔ)的元件是利用一只P 型半導體和一只N 型半導體連成的熱電偶。當通電后在兩個接頭處就會產(chǎn)生溫差，電流從N 流向P，形成制冷面；電流從P 流向N，形成制熱面。若干組熱電偶對串聯(lián)就構(gòu)成了一個簡單的半導體制冷器。在制冷面或制熱面增加一個熱交換器就可以完成半導體制冷器與外界環(huán)境的能量交換。半導體激光器內(nèi)置溫控系統(tǒng)基本的工作原理如圖5 所示。

圖5 溫控系統(tǒng)示意圖

3.2 溫控電路設(shè)計

3.2.1 溫控電路方案設(shè)計

將溫度傳感器（常用熱敏電阻）與激光器管芯置于同一熱沉，可實時監(jiān)測激光器管芯溫度。通過調(diào)節(jié)由R1 和R2 組成的電阻網(wǎng)絡設(shè)定控制器的參考電壓值（一般對應管芯溫度為25℃）。若LD 管芯溫度相對25℃升高，則熱敏電阻的阻值變小，控制器的負輸入端電壓相對也變小，輸出電壓也隨著變化，TEC 驅(qū)動源將驅(qū)使電流從N 型半導體流向P 型半導體，而形成制冷面，實現(xiàn)對LD 管芯進行制冷。若LD 管芯溫度相對25℃降低，則熱敏電阻的阻值變大，控制器的輸入電壓相對也變大，輸出電壓也隨著變化，TEC 驅(qū)動源將驅(qū)使電流從P 型半導體流向N 型半導體，而形成制熱面，實現(xiàn)對LD 管芯進行制熱，方案如圖6所示。通過上述過程即可實現(xiàn)對激光器管芯的恒溫控制。

圖6 溫控系統(tǒng)示意圖

3.2.2 溫控電路設(shè)計

半導體激光器溫度控制系統(tǒng)需要滿足溫度控制精度高，響應速度快，且穩(wěn)定性高的要求，同時要能實現(xiàn)制冷和制熱雙向控制，以適應外界溫度變化或半導體激光器本身工作條件變化的需求。通常情況下，半導體激光器都內(nèi)置TEC，通過選擇TCE的驅(qū)動電路和電阻網(wǎng)絡等來合理的設(shè)計半導體激光器的溫控電路。

TEC 驅(qū)動源按驅(qū)動工作模式可以分為線性工作模式和脈寬調(diào)制工作模式（PWM）兩種類型。TEC 驅(qū)動源線性工作具有噪聲低和可靠性高等優(yōu)點，但也存在工作效率低，控溫范圍容易出現(xiàn)死區(qū)等缺點；TEC 驅(qū)動源脈寬調(diào)制（PWM）的原理決定了其具有工作效率高和相應時間快的優(yōu)點，但同時也有著噪聲高和可靠性低的缺陷。

TEC 線性驅(qū)動源和脈寬調(diào)制（PWM）驅(qū)動源在實際使用中各有利弊，具體采用何種驅(qū)動方式需要根據(jù)實際情況來最終確定。

MAX1968 是MAXIM 公司研制生產(chǎn)的一款高度集成具有紋波噪聲抑制功能的脈寬調(diào)制TEC 驅(qū)動芯片，調(diào)制頻率為500 kHz/1 MHz；芯片單電源供電，供電電壓范圍為3～5.5 V；芯片能夠?qū)崿F(xiàn)最大±3A TEC 驅(qū)動電流，可實現(xiàn)雙向無死區(qū)控溫。該器件為TSSOP-EO 封裝，工作溫度范圍為-40℃～+85℃[1]，特別適合做小功率半導體激光器溫控驅(qū)動。

根據(jù)半導體激光器實際使用情況和MAX1968 芯片資料推薦的電路[1]，經(jīng)過理論仿真與試驗驗證設(shè)計的半導體激光器溫度控制電路如圖7 所示。

圖7 溫控電路設(shè)計方案

設(shè)計電路包括濾波、抑制紋波噪聲、LC 濾波諧振、限流和限壓等電路。在COMP 引腳與GND 之間焊接了0.01 μF的電容，確保電流控制環(huán)的穩(wěn)定工作。另外，在MAX1968的使能引腳中引入了毫秒級的延時，確保MAX1968 芯片完成加電后再實施輸出工作，保護MAX1968 芯片在啟動中不受損，從而對激光器管芯起到良好的控溫作用。

4 結(jié)束語

本文從實際應用角度出發(fā)，較為系統(tǒng)性的分析了影響半導體激光器恒流驅(qū)動電路和溫度控制電路穩(wěn)定性的主要因素，以及針對這些因素所采取的具體相應設(shè)計措施。根據(jù)設(shè)計電路研制的產(chǎn)品順利地通過了某航天項目鑒定級試驗，試驗證明了低溫漂、高穩(wěn)激光技術(shù)研究具有一定的實際工程應用價值。