小功率半导体激光器的驱动方法设计_周真

Vol.41No.10

红外与激光工程

InfraredandLaserEngineering

2012年10月

Oct.2012

小功率半导体激光器的驱动方法设计

周真1,2，齐忠亮1,2，秦勇1,2

(1.哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院，黑龙江哈尔滨150080；2.黑龙江省高校测控技术与设备重点实验室，黑龙江哈尔滨150080)

摘

要：在光散射测量系统中，半导体激光器(LD)的工作稳定性直接影响检验结果。为了得到稳定的

设计了包含自动温度控制与自动电流控制的LD驱动系统。应用0.5mA恒流源对PT100光功率输出，

温度传感器供电，将LD工作温度转化为电压信号，经前置放大电路与电压比较电路处理后，通过PI控制半导体制冷实现恒温控制系统；根据闭环负反馈原理设计自动电流控制系统以及相应的辅助电路，能为LD提供稳定的、连续可调的驱动电流。经实验表明，系统在驱动额定功率为20mW下工作时，可保证激光器输出功率稳定性优于0.2%。

关键词：半导体激光器；自动电流控制；温度控制；半导体制冷中图分类号：TH744

文献标志码：A

文章编号：1007-2276(2012)10-2689-05

Designofdrivingmethodforlowpowersemiconductorlaser

ZhouZhen1,2,QiZhongliang1,2,QinYong1,2

(1.CollegeofMeasure-ControlTechnologyandCommunicationEngineering,HarbinUniversityofScienceandTechnology,

Harbin150080,China;2.TheHigherEducationalKeyLaboratoryonMeasuring&ControlTechnologyand

InstrumentationsofHeilongjiangProvince,Harbin150080,China)

Abstract:Inthelightscatteringmeasurementsystem,thestabilityofthesemiconductorlaserdiode(LD)directlyaffectsthetestresults.Inordertoobtainstableoutputopticalpower,asystemtodriveLDwasdesigned,whichincludedautomatictemperaturecontrolsystemandautomaticcurrentcontrolsystem.PT100temperaturesensor,whosepowersupplywas0.5mAconstantcurrentsource,afterthepreamplifiercircuitandvoltagecircuitwastreated,throughthePIsystemcontrollingthesemiconductorrefrigerationandrealizeconstanttemperaturecontrolsystem.Accordingtotheclosed-loopnegativefeedbackprinciple,theautomaticcurrentcontrolsystemandthecorrespondingauxiliarycircuitweredesigned,whichcouldprovidestable,continuousadjustabledrivingcurrentforLD.Theexperimentalresultsshowthatindrivingratedpowerof20mWlaser,systemcanensurethestabilityoflaseroutputpowerbetterthan0.2%.Keywords:laserdiode;

automaticcurrentcontrol;

temperaturecontrol;

semiconductorcooling

收稿日期：2012-02-05；修订日期：2012-03-09

基金项目：黑龙江省普通高等学校青年学术骨干支持计划(1251G023)；哈尔滨理工大学青年科学研究基金(2009YF013)；

黑龙江省自然科学基金(F200804)

作者简介：周真(1961-)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为测试计量技术与仪器、生物信息检测等。

2690红外与激光工程第41卷

0引言

半导体激光器(LD)因其体积小、寿命长、易调制等特点被广泛应用于光测量系统中。在光测量系统中，光源的稳定性直接影响系统的测量结果，因此对

LD的输出光功率稳定性有较高要求[1]。国内优质LD激光器输出稳定度在1%~0.1%之间，且比较昂贵。

在LD的使用过程中，随着注入电流的增加，有源区所产生的热量将会引起LD工作温度的升高，从而影响LD的驱动电流阈值以及激光输出功率，对正常使用造成较大影响[2]。因此高性能的LD驱动包括自动温度控制以及LD电流驱动控制两部分，分别实现LD阈值与输出光功率的稳定控制，为光测量系统提供稳定的光功率输出。文中设计完成了包括自动温度控制以及自动电流控制的模拟小功率

LD驱动系统。

1驱动控制系统原理设计

LD的参数特性取决于半导体本身材料与结型结构参数，当激光器通电工作时，二极管将会产生很大热效应，导致PN结温度变化，半导体PN结的物理结构参数也将发生微小变化[3]。因此，温度的变化将引起激光器输出波长以及阈值的变化，良好的温度控制可有效的减小由于温度变化导致的LD输出激光参数的改变[4]。LD属于电流注入驱动器件，其输出光功率取决于注入电流与阈值电流的差值，所以，在保证温度稳定的同时，以恒定的注入电流驱动LD，即可得到稳定的功率输出[5]。系统采用PT100温度传感器设计温度采样电路测量LD的工作温度，通过PI控制驱动半导体制冷器(TEC1-12706)实现LD的恒温控制；根据负反馈原理应用仪用放大器(AD620)设计LD自动电流驱动电路，系统原理如图1所示。

图1系统原理框图

Fig.1Principlediagramofsystem

2温度控制系统

温度对半导体激光器输出功率的影响主要为其外微分量子效率ηD和阈值电流Ith的大小随温度变化，导致的半导体激光器输出功率的变化。线性度较好的激光器，其输出光功率可表示为：

Po=ηD·hve(IQ-Ith)(1)

0

文中所设计温度控制系统主要包括温度采样电路，PI控制电路以及TEC驱动电路。通过实时控制方法，控制LD工作温度，保证LD输出激光阈值的稳定性。

2.1温度采样电路

温度采样电路包括恒流源、前置放大以及比较电路。采用PT100作为温度传感器测量LD的工作温度，该传感器灵敏度高、迟滞低，适用于高精度温度测量[6]。传感器本身具有较好的线性效果，不需要额外设计线性补偿电路，但因为系统精度要求较高，基于TLC2652斩波稳零放大器设计了一个恒流源以及一个前置放大电路。考虑到传感器本身的自热效应对测量精度的影响以及精度要求，恒流源设计为

0.5mA，前置放大器放大倍数为100倍，使用仪用放大器AD620作为温度比较电路，将测量信号与设定信号差值放大后得到PI控制电路的控制信号。电路原理图如图2所示。TLC2652斩波稳零放大器具有优异的直流特性，高共模抑制比，三端稳压器TL431提供稳定2.5V电压。

图2温度采样电路原理图

Fig.2Schematicdiagramoftemperaturesamplingcircuit

2.2比例积分微分(PID)控制

PID控制是精确测量控制中普遍使用的控制方法，结构简单、可调节性强。在温度控制设计中综合

第10期周真等：小功率半导体激光器的驱动方法设计

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考虑系统工作的灵活性与级间放大影响，选用PI并行结构设计，实现对LD工作温度的精确控制功能，电路原理图如图3所示。

图3PI控制电路原理图

Fig.3SchematicdiagramofPIcontrolcircuit

2.3半导体制冷器驱动

半导体制冷器(TEC)是电流型驱动器件。只要改变驱动电流的大小与方向，就能调节TEC的功率与制冷或制热[7]。因为LD在工作过程中将会产生大量的热量，使其工作温度升高，LD连续工作，将会不断的产生热量，所以TEC只实现制冷功能，降低LD的工作温度，当温度低于设定温度值时，TEC停止工作，当温度高于温度设定值时，TEC工作制冷，如此达到热平衡效果，实现LD的工作温度稳定控制效果。TEC驱动电路原理如图4所示。

图4TEC驱动电路原理图

Fig.4SchematicdiagramofTECdrivecircuit

如图所示，由放大器(OP07)分别构成正反比例放大器U1、U2，且放大倍数相同，当控制信号UC为正时，放大器U1输出一个正值信号，抬高三极管

Q1、Q2的基极电压，由于Q1、Q2分别选用NPN型与

PNP型三极管，当基极电压升高时Q1导通，Q2截止；同理三极管Q3截止，Q4导通，即当UC为正信号时三极管Q1、Q4构成回路驱动TEC。反之，若UC为负值时，则Q4、Q3导通驱动TEC，且电流方向反向。

3自动电流控制

从公式(1)中可看出，影响LD输出功率的主要是LD的阈值电流Ith以及其驱动电流IQ的大小。当温度一定时，即LD的阈值稳定，保证注入电流的大小稳定就可以得到一个功率稳定的激光输出，这种驱动方法被称为自动电流控制；由于LD的光功率是与注入电流和阈值电流的差值成正比的，采用光

功率二极管PD检测LD输出光功率大小来控制注入电流的增加或减少，控制注入电流与阈值电流的差值以得到稳定的功率输出，这种方法被称为自动功率控制，且不需要高的温度控制[8]。为了得到波长与功率都稳定的LD光源，采用自动电流控制驱动，其原理如图5所示。

图5自动电流控制原理图

Fig.5SchematicdiagramofACCcontrolcircuit

由电路分析可知，LD的驱动电流IQ与控制电压USET的关系为：

IQ=

GRUSET

1+aG·R(2)

2

式中：G为仪用放大器放大倍数，可通过电阻RG调

整；a为反馈网络放大倍数。当电路参数固定后，a、

G、R1、R2都是固定值，则从公式(2)中可以看出，LD驱动电流IQ与电压设定值USET成正比例关系，通过调整USET，可以线性调整LD的驱动电流，即LD的输出光功率。其中，电流反馈电阻的精度直接影响自动电流控制系统的精度，因此，选用2Ω/0.1%的精密

2692红外与激光工程第41卷

电阻作为反馈电阻。3.1LD过电流保护电路

由于LD在工作过程中易损坏，设计相应的保护电路是必要的[9]。设计过流保护电路，保证LD驱动电流小于最大额定电流，防止LD烧毁无法工作。与LD串联一个电阻，通过测量电阻两端反馈的电压得到LD驱动电流的大小，当反馈电压大于设定值USET时保护闭合，LD短路，防止被烧坏。同时，还包括一个警报电路，用一个LED小灯的暗与亮来提示操作者LD是否正常工作。当LD正常工作时，

LED不发光，当LD处于短路保护时，红色LED小灯亮，具体原理如图6所示。

图6LD保护电路

Fig.6LDprotectioncircuit

图中与LD并联的两个电容起到静电保护作用，并且在LD上电过程中防止电压突变引起浪涌电流对LD造成损坏。同时，使用一个常闭继电器与

LD并联，使LD在不工作时被短路保护，这也是一个简单的LD开关电路，保证LD在不工作时免受静电等因素影响。

当有驱动电流通过时，串联电阻R1会产生相应的电压UO1，经放大器放大后电压U1与警报电压

USET比较，若驱动电流没有达到警报值，反馈电压U1小于警报电压USET，则比较器输出+VEE高电压，LED小灯反接，电路不工作，且放大器U1使三极管导通，继电器同电流断开，LD正常工作；若驱动电流过大，反馈电压U1大于警报电压USET，比较器输出-VEE，则LED小灯正向导通，发光提示警报，同时三极管截止，电路不导通，继电器无电流通过闭合，将LD短路，保护LD不被大电流烧坏。

3.2LD温度警报电路

在系统工作中，为了避免个别元器件的失效引

起的恒温系统不正常工作，文中设计了一个温度警报电路，该电路功能是监视LD的实时工作温度，当工作温度超出警报值时，警报灯亮，提示LD工作温度不正常，并终止工作，在系统重启后，恢复功能。电路原理如图7所示。

图7温度警报电路

Fig.7Temperaturecircuit

如图所示，通过调节电位器VR1、VR2的阻值大小可以调节设定LD工作温度的上下范围。UTEM是

LD工作温度，当LD工作温度正常时放大器U1、U2均输出低电平，由于二极管D1、D2的作用电路截止；

当LD工作温度超出设定范围时，放大器U1或U2输出高电平，三极管导通，LED灯亮，提示操作者

LD工作温度不正常。

4实验结果

为了验证所设计的系统对LD输出光功率的稳定性作用，使用该系统驱动额定功率20mW的激光器，使其工作在26℃，输出光功率10mW左右。其输出功率-时间曲线如图8所示。实验表明其功率输出长期稳定性优于0.2%。

图8LD功率曲线

Fig.8LDpowercurve

第10期周真等：小功率半导体激光器的驱动方法设计

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5结论

文中设计了小功率半导体激光器的驱动系统，其电路构成简单，稳定性强，成本较低，在实际应用测试中，系统可以稳定驱动LD在功率范围内工作，且LD输出功率稳定性优于0.2%，而国内半导体激光器的稳定性普遍在1%~0.1%。符合一般性光测量使用要求，具有实际使用价值，可应用于要求高功率稳定性光源的检测系统中。

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