一種激光二極管精密驅動(dòng)電路

0 引言

半導體激光器自上世紀60年代問(wèn)世以來(lái)，歷經(jīng)半個(gè)世紀的發(fā)展，由于其一系列突出的優(yōu)點(diǎn)，如體積小、價(jià)格低、轉換效率高、易調制、可靠性高、輻射波長(cháng)范圍寬等，在通信、傳感、激光加工、醫療等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應用，成為目前世界上使用量最大的激光器種類(lèi)。相比于其他類(lèi)型的激光器而言，半導體激光器具有其自身的一些特點(diǎn)，如腔長(cháng)較短、品質(zhì)因子較低、固體增益介質(zhì)受載流子濃度變化的影響很大;特別是閾值電流附近，注入載流子濃度的瞬態(tài)變化會(huì )造成自發(fā)發(fā)射光場(chǎng)相位的波動(dòng);以及由于半導體激光器內不完全的粒子數反轉所產(chǎn)生的自發(fā)發(fā)射光子會(huì )增加場(chǎng)強的波動(dòng)，等等;這些特點(diǎn)使得半導體激光器的激光線(xiàn)寬相對較寬，頻率受電流和溫度等環(huán)境因素影響顯著(zhù)，這些特點(diǎn)制約了其在某些精密測試領(lǐng)域中的應用，如精密干涉測量與計量、高分辨率光譜等等。這也使得針對半導體激光器線(xiàn)寬壓窄和穩頻技術(shù)的研究成為熱點(diǎn)。

頻率穩定的窄線(xiàn)寬半導體激光器在原子和分子光譜學(xué)、激光冷卻、光通訊、光傳感器、激光干涉、激光拉曼光譜、氣體分析和檢測等眾多領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用前景。開(kāi)展半導體激光器穩頻和線(xiàn)寬壓窄首先需要解決其精密驅動(dòng)問(wèn)題，為此，本電路在保持其較小體積的前提下，通過(guò)采用專(zhuān)用恒流和恒溫控制芯片結合數字控制技術(shù)，對半導體激光器的注入電流和工作溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監測和精密控制，使半導體激光器頻率穩定性得到很大的改善，有望在今后半導體激光器線(xiàn)寬壓窄和穩頻技術(shù)中得到應用。

1 精密驅動(dòng)電路設計

從工作方式和特性研究可知，激光二極管是一種高功率密度且具有極高量子效率的器件，電流微小的變化將導致激射波長(cháng)的明顯變化和其他器件參數(如輸出光功率、噪聲性能、模式穩定度等)的變化，同時(shí)，激光二極管的PN結受溫度影響較大，溫度的微小變化將不僅影響到半導體激光器的出射波長(cháng)、輸出功率及閾值電流等特性，還會(huì )增大激光輸出噪聲，甚至影響激光器的正常工作。同時(shí)，由于存在較大損耗，激光二極管的一部分電功率會(huì )轉化為熱量，若不采取恒溫散熱措施，激光器的壽命會(huì )大大縮短?；谏鲜隹紤]，本文所設計的精密驅動(dòng)電路主要包括恒流(恒功率)和恒溫兩大模塊，其結構如圖1所示。

設計中，為了使激光二極管工作性能(如工作波長(cháng)和輸出光功率)穩定，要求驅動(dòng)電路分別能對溫度和電流進(jìn)行精確的監測和控制;而且，為了保證整個(gè)驅動(dòng)電路的安全運行，要求電流控制模塊具備過(guò)流保護、防止浪涌沖擊、延時(shí)軟啟動(dòng)等功能。此外，為能實(shí)現對激光二極管的工作溫度和工作電流進(jìn)行設定和實(shí)時(shí)監控，電路還設計有以單片機為核心的中心處理模塊，由該模塊(需帶有AD和DA轉換功能)實(shí)時(shí)控制和監測激光二極管各項參數性能，如工作溫度、注入電流、光功率等。對激光二極管一類(lèi)的小型元件進(jìn)行溫度控制，最常用熱電制冷器(Ther mal Electric Cooler，簡(jiǎn)稱(chēng)TEC)。TEC的制作基于帕爾貼效應，即電流流過(guò)兩種不同導體的界面時(shí)，會(huì )向外界釋放熱量或從外界吸收熱量的現象。

2 電路器件選型

根據上述設計方案，進(jìn)行各器件選型和電路設計。首先是中心控制模塊，根據其功率要求，本電路中選用C8051F007，該型號單片機是完全集成的低功耗混合信號片上系統型MCU，同時(shí)C8051F007是目前單片機中價(jià)格相對較低的，而且從其時(shí)鐘頻率和擴展性能來(lái)講，都要好于普通的單片機，且完全可以滿(mǎn)足驅動(dòng)電路數據采集、系統控制等應用的要求。更為重要的是，C8051F007具有如下重要接口：12位多通道AD C、可編程增益放大器和2個(gè)12位DAC。

電路中的恒流控制模塊選用鞍山核心電子有限公司的ATLS100MA103。該芯片是一款專(zhuān)為驅動(dòng)激光二極管的電子芯片，其體積小巧、免散熱片，具有超低噪音(2 μA)、大電流(100mA)、高精度(0.1%)、高穩定性(100ppm/℃)、全屏蔽等特點(diǎn)。芯片內部包含了限流器、溫度傳感器、關(guān)斷和軟啟動(dòng)電路、電流傳感器及低噪聲驅動(dòng)器，具備軟啟動(dòng)功能。滿(mǎn)足電路對激光二極管電流控制的要求。

電路中的恒溫控制模塊同樣選用鞍山核心電子有限公司的產(chǎn)品，型號為T(mén)ECA1-5V-5V-D。該芯片是專(zhuān)為驅動(dòng)TEC而設計的一種小款電子芯片，具有體積小巧、零電磁干擾等特點(diǎn)。TECA1-5V-5V-D控制器的溫度控制電路是一種基于閉環(huán)負反饋原理的溫控技術(shù)，它通過(guò)負反饋減小輸出值與設定值之間的偏差，從而達到對溫度的實(shí)時(shí)、精確控制的目的?；赥ECA1-5V-5V-D芯片，本文設計了溫度控制電路，電路采用+5V供電，理論效率≥90%，最大輸出電流2.5A，溫度穩定性可優(yōu)于0.01℃甚至達到0.001℃。

為了滿(mǎn)足電路在數據采集和控制的要求，單片機C8051F007作為驅動(dòng)電路數據采集和控制的微處理芯片，可以通過(guò)接頭連接下載器下載程序，用以控制單片機工作，AD和DA轉換接口分別連接電流控制芯片和溫度控制芯片，用以設置和監測輸出電流和工作溫度，單片機可通過(guò)串口將所測量的激光二級管參數發(fā)送給計算機進(jìn)行接收和顯示。

3 電路測試及結果分析

電路設計制作完成后，進(jìn)行實(shí)驗測試，以驗證其工作性能。實(shí)驗中選用的激光二極管是日本SANYO公司生產(chǎn)的GaAlAs紅光激光二極管DL-

3148-025，中心波長(cháng)635nm，額定輸出功率5mW，閾值電流20mA。結合激光二極管的熱傳導方式，本文設計了一套溫度控制裝置，它由紫銅熱沉、鋁制散熱片、導熱硅膠、TEC和熱敏電阻等組成。如圖3所示，激光二極管通過(guò)絕緣導熱硅膠固定在熱沉上面，附著(zhù)在熱沉上的熱敏電阻將溫度反饋回溫控芯片，溫控芯片控制TEC對熱沉制冷并通過(guò)散熱便能夠間接地實(shí)現對激光器的溫度控制。通過(guò)調節安裝在激光二極管前的準直透鏡可以改變輸出激光的發(fā)散角，將整個(gè)溫控裝置安裝在光學(xué)調整架并放置在穩定的光學(xué)平臺上，激光二極管、熱敏電阻和TEC的導線(xiàn)連接驅動(dòng)電路。由于電流和溫度的控制精度最終反映在激光二極管的頻率(或波長(cháng))穩定度上，在完成電路的制作及相關(guān)參數設定后，即可用該電路驅動(dòng)激光二極管測試其頻率穩定度。

實(shí)驗中，激光二極管的波長(cháng)穩定度采用加拿大EXFO Burleigh公司生產(chǎn)的WA—1500型波長(cháng)計進(jìn)行測量，其絕對精度可達到±0.2×10-3nm。將激光二極管開(kāi)啟預熱，待穩定工作后，把激光耦合到波長(cháng)計中，此時(shí)激光二極管輸出單模激光，測量其中心波長(cháng)。當激光器工作于恒溫、恒流模式時(shí)，其激光頻率穩定度取決于驅動(dòng)電路的性能，因此可以通過(guò)測量激光器頻率的穩定度反演出驅動(dòng)電路的性能。以1Hz的頻率連續500s測量輸出激光的波長(cháng)，得到的實(shí)驗結果如圖4所示。

圖4中圖(a)為測量得到的數據與擬合曲線(xiàn)圖，圖(b)為對數據處理得到的殘差曲線(xiàn)，經(jīng)過(guò)對測量數據的分析可知，500s內，激光波長(cháng)測量的平均值為637.4nm，均方差為2.4×10-4nm，根據擬合曲線(xiàn)得到激光波長(cháng)的漂移量為7.2×10-4nm。實(shí)驗中使用的SANYO公司中心波長(cháng)為635nm的半導體激光器的波長(cháng)-電流系數為0.01～0.02nm/mA，波長(cháng)-溫度系數為0.2nm/℃，由此計算得到電路的電流穩定性為1.2～2.4 ×10-2mm，溫度穩定性為1.2×10-3℃。

4 總結

本文詳細介紹了所設計制作的激光二極管數字式驅動(dòng)電路，本電路以單片機C8051F007為控制核心，結合激光二極管專(zhuān)用恒流控制芯片ATLS100MA103和溫度控制芯片TECA1-5V-5V-D，可實(shí)現對激光二極管注入電流和工作溫度的高精度控制。結合635nm激光二極管的實(shí)際測試表明，本電路驅動(dòng)下的激光二級管輸出激光波長(cháng)穩定度達到了10-4nm量級，折算成電流和溫度的穩定性分別為1.2～2.4×10-2mA和1.2×10-3℃。本電路可用于半導體激光器穩頻和線(xiàn)寬壓窄研究，亦可用于腔衰蕩測量系統等。