激光器設(shè)計(jì)原理講解

1、引言光纖傳感器自 20 世紀(jì) 70 年代以來(lái)，以其具有的靈敏度高、耐腐蝕、抗電 磁干擾能力強(qiáng)、 安全可靠等特點(diǎn)取得了飛速的發(fā)展。 同時(shí)， 這些特性也使它可以 實(shí)現(xiàn)某些特殊條件下的測(cè)量工作， 比起常規(guī)檢測(cè)技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)， 是傳感技術(shù) 發(fā)展的一個(gè)主導(dǎo)方向。作為光纖傳感器中關(guān)鍵的光學(xué)元件之一的光源，其穩(wěn)定度直接影響著光纖 傳感器的準(zhǔn)確度。 本文所涉及的光纖傳感器采用的是半導(dǎo)體激光器光源， 半導(dǎo)體 激光器具有單色性好、方向性好、體積小、光功率利用率高等優(yōu)點(diǎn)，但是，光功 率輸出受外界環(huán)境變化的影響較大。 因此，本文針對(duì)半導(dǎo)體激光光源的工作原理 和特性，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單可行的自動(dòng)功率控制 (APC) 驅(qū)動(dòng)

2、電路，通過(guò)背向監(jiān)測(cè)光 電流形成反饋，實(shí)現(xiàn)恒功率控制。并且，引入了慢啟動(dòng)電路，防止電源電壓的干 擾，使激光器不會(huì)受到每次開(kāi)啟電源時(shí)產(chǎn)生的過(guò)流沖擊， 延長(zhǎng)了激光器的使用壽 命。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證， 該電路解決了激光器在使用中輸出功率不穩(wěn)定的問(wèn)題， 其穩(wěn)定 度優(yōu)于 0.5% ，達(dá)到了較好的穩(wěn)流效果。1 光源的工作原理和特性目前，實(shí)際應(yīng)用的光源有表面光發(fā)射二極管(LED)、激光二極管(LD)、超 輻射二極管(SLD)、超熒光光源(SFS)等。隨著光纖傳感技術(shù)的迅速發(fā)展，體積 小、質(zhì)量輕、功耗小、容易與光纖耦合的 LD 等半導(dǎo)體光源應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本 文主要研究半導(dǎo)體 LD 的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。1.1 LD 發(fā)光機(jī)理分

3、析LD 的基本結(jié)構(gòu)為：垂直于 PN 結(jié)面的一對(duì)平行平面構(gòu)成法布里 -珀羅諧振 腔，它們可以是半導(dǎo)體晶體的解理面， 也可以是經(jīng)過(guò)拋光的平面。 其余兩側(cè)面則 相對(duì)粗糙， 用以消除主方向外其他方向的激光作用。 當(dāng)半導(dǎo)體的 PN 結(jié)加有正向 電壓時(shí)，會(huì)削弱 PN 結(jié)勢(shì)壘，迫使電子從 N 區(qū)經(jīng) PN 結(jié)注入 P 區(qū)，空穴從 P 區(qū) 經(jīng)過(guò) PN 結(jié)注入 N 區(qū)，這些注入 PN 結(jié)附近的非平衡電子和空穴將會(huì)發(fā)生復(fù)合， 從而發(fā)射出波長(zhǎng)為 入的光子，其公式入=hc/Eg式中 h 為普朗克常數(shù) ;c 為光速 ;Eg 為半導(dǎo)體的禁帶寬度。如果注入電流足夠大，則會(huì)形成和熱平衡狀態(tài)相反的載流子分布，即粒子 數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)有

4、源層內(nèi)的載流子在大量反轉(zhuǎn)情況下， 少量自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子由于 諧振腔兩端面往復(fù)反射而產(chǎn)生感應(yīng)輻射， 造成選頻諧振正反饋， 或者說(shuō)對(duì)某一頻 率具有增益。當(dāng)增益大于吸收損耗時(shí)，就可從 PN 結(jié)發(fā)出方向性好、相干性強(qiáng)、 亮度高、頻帶窄的激光。 LD 除了具備一般激光的相干性好、方向性強(qiáng)、發(fā)散角 小、能量高度集中外，還具有光電轉(zhuǎn)換效率高、輸出功率大、體積小、重量輕、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗震性強(qiáng)等特點(diǎn)。1.2 LD 輸出特性圖 1 是一種典型的半導(dǎo)體激光器在不同溫度下的輸出功率與正向驅(qū)動(dòng)電流 的關(guān)系曲線。 為了便于看清楚， 圖中底部的近似直線部分有意抬高了一些。 由圖 1 中可以看出：當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流低于閾值時(shí)，激光

5、器只能發(fā)射出熒光，只有當(dāng)驅(qū)動(dòng)電 流大于激光器的閾值電流時(shí)，激光器才能正常工作發(fā)出激光，因此，要使 LD 發(fā) 射激光，就要供給 LD 略大于閾值電流的工作電流。而且， LD 的閾值電流受溫 度的影響，溫度越高，相應(yīng)的閾值電流越大。在某一溫度下，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流低于閾 值電流時(shí)，輸出光功率近似為零 ;當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流高于閾值時(shí)，輸出激光，光輸出功 率隨著驅(qū)動(dòng)電流的增大而迅速增加，并近似呈線性上升。20 60 蜚罰電ffi/tnAQr8.6r4.2I o o D OLD檢出特性曲堆Fin 1 Output curve of tj)本文使用的是波長(zhǎng)為1310 nm的FP同軸激光器，其工作電流為25.0 mA ,

6、輸出功率為0.96 mW，內(nèi)部光路原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。LD與背向檢測(cè)探測(cè)器P D組合，并封裝在一起，LD是正向接法，PD是反向接法。PD用來(lái)檢測(cè)激光器 的背向輸出光功率，其輸出光功率取決于 LD的輸出值。探櫚祥PD3dD御合耦圖2 IMOnm內(nèi)瓢光血原理圈Fig 2 Principk diagrum of interior Ughl of 1 )10 nm FPcuuioJ later1.3 LD的調(diào)制和背光耦合為了方便進(jìn)行光功率自動(dòng)控制，通常，激光器內(nèi)部將LD和背向光檢測(cè)器PD集成在一起，見(jiàn)圖2。其中，LD有2個(gè)光輸出面，主光輸出面輸出的光供用 戶使用，次光輸出面輸出的光（即背向光）被光電二

7、極管PD接收，所產(chǎn)生的光電 流用于監(jiān)控LD的工作狀態(tài)。背向光檢測(cè)器的監(jiān)測(cè)電流與主輸出面光輸出功率呈 線性關(guān)系，根據(jù)背向光檢測(cè)器對(duì) LD的耦合特性，可設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐鈬娐吠瓿蓪?duì) LD的自動(dòng)光功率控制。2 LD驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)由圖3可以看出：LD與監(jiān)測(cè)二極管是集成在一起的元器件。 流入LD的電 流經(jīng)過(guò)APC電路的預(yù)偏置電流。APC電路通過(guò)電流負(fù)反饋電路抑制由于溫度變 化、器件老化等引起的光功率的變化。 APC電路部分采用背向光反饋?zhàn)詣?dòng)偏置 控制方式，即用半導(dǎo)體激光器組件中的 PD光電二極管監(jiān)測(cè)LD背向輸出的光功 率。因?yàn)楸诚蜉敵龉夤β誓芨櫱跋蜉敵龉夤β实淖兓ㄟ^(guò)閉環(huán)控制系統(tǒng)就可以調(diào)節(jié)激光器的電流

8、，達(dá)到輸出穩(wěn)定光功率的目的。圖3越光光瀕工件原理示密圖艸口 3 Schematic diAram of laser source圖4所示的APC電路由運(yùn)算放大器1，2和晶體管Q1以及外圍電路組成，該 電路是一個(gè)以三極管為核心的負(fù)反饋系統(tǒng)， 具有自動(dòng)穩(wěn)定激光器光輸出功率的功 能。反饋取自LD的背向光，由背向光監(jiān)測(cè)二極管檢出并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流，經(jīng) 電容器C1濾波后，進(jìn)入運(yùn)放的反向輸入端，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)VI。運(yùn)放的同向輸入端由LM336和運(yùn)放組成的+2.5 V穩(wěn)定基準(zhǔn)源及變位器R5組成, 基準(zhǔn)電壓的輸出為V2，可以通過(guò)變位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。在給驅(qū)動(dòng)電路加上電壓的瞬間，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的沖擊電流，瞬

9、間電流的 大變化會(huì)影響半導(dǎo)體激光器的使用壽命。此外，一般情況下，電源電壓都是由交流220 V經(jīng)變壓整流提供給驅(qū)動(dòng)電路電壓，外部串入的干擾信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生瞬間 的大電流，這樣，長(zhǎng)期工作也會(huì)影響半導(dǎo)體激光器的使用壽命?；谶@種情況，在設(shè)計(jì)中引人慢啟動(dòng)電路，即在基準(zhǔn)源的輸入端并接二極 管和電容，其中的電容在10470卩F左右，其最佳值在2247 X。這樣，驅(qū) 動(dòng)電路不受電源電壓的干擾，具有慢啟動(dòng)效果，使激光器不會(huì)受到每次開(kāi)啟電源 時(shí)產(chǎn)生的過(guò)流沖擊，延長(zhǎng)了激光器的使用壽命。APC電路控制過(guò)程如下：當(dāng)由于某種原因，使 LD的輸出光功率降低時(shí)， 耦合至光電二極管的電流也同比例減小，即 V1減小，這樣，通常狀態(tài)

10、下的平衡 被打破，使得運(yùn)放1輸出端的電壓即V3將會(huì)增大，于是，三極管Q1的基極電 流增大，集電極電流也隨之增大，而集電極電流正是流入LD的電流。因此，流入激光器的電流增大，輸出光功率相應(yīng)增大，從而使輸出光功率保持不變；反之,亦然。K4 APC 珂 4rirroit根據(jù)本傳感器的激光器的性能參數(shù)，選擇合適的電阻電容進(jìn)行匹配，調(diào)節(jié)電 位器，可以得到不同的光功率輸出值。圖5是在室溫（25C ）下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)曲線圖， 從圖中可以看出：該光纖傳感器 LD光源的閾值電流在8 mA左右，穩(wěn)定工作在 1030mA之間。輸出功率與驅(qū)動(dòng)電流在大于閾值電流后呈較好的線性關(guān)系。正常工作時(shí)能輸出-0.1，-1，-2，-5，-10 dB等可調(diào)的穩(wěn)定的光功率值。電路中的 參數(shù)配置，使流入LD的電流不會(huì)超過(guò)其極限值。實(shí)驗(yàn)證明：該設(shè)計(jì)電路正確可行，基于背向監(jiān)測(cè)器的自動(dòng)光功率反饋保證 了光纖傳感器能夠在功率恒定的情況下正常工作051015202530馳力電.mA靠功胞謹(jǐn)與精出功睪其購(gòu)曲馥盟陽(yáng) 5 Tntlnjc rene bH*c*n driving curn-nt and DDlpui power3結(jié)論本文所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)慢啟動(dòng)和功率自動(dòng)控制電路解決了激光器在 使用中輸出功率不穩(wěn)定的問(wèn)題，其穩(wěn)