光频标的半导体激光电源恒压电路设计

半导体激光频标的核心是半导体激光器，其输出激光的线宽与稳定性是影响频标性能指标的重要因素之一[1]。半导体激光器是一种具有高功率密度和极高量子效率的器件，其活性区为亚微米级的微细结构，微小的电流和温度的变化将会导致器件光功率输出的极大变化和器件参数(如激射波长、噪声性能、模式跳动)的变化，而这些变化直接危及器件的安全工作和应用的要求[2-3]。
作为应用而言，要求半导体激光电源应具有最低的电噪声和最高稳定性，因为驱动电压的波动不仅会造成半导体激光器的强度噪声，还会造成输出波长谱线的展宽[4-5]。要想半导体激光电源能安全可靠的工作并获得理想的器件性能，除精心设计激光器结构外，半导体激光电源驱动电压的精密控制[6-7]也是经常采用的手段。
本文在借鉴常用的一些恒压源设计基础上，给出了一种实用的高精度恒压源的设计思路，从而实现对半导体激光器驱动电压的精密控制。实验仿真和测试结果表明该精密恒压源能够实现半导体激光器的精密控制，从而为半导体激光频标的设计和实现提供了基础。
 
1精密恒压源原理精密恒压源电路的原理框图如图1所示。由于半导体激光器是很脆弱的部件，在工作过程中出现较快速电压波动时会导致激光器永久性的损坏。因此电源开启后通过专门设计的慢启动电路使半导体激光电源两端电压缓慢上升至15V，同时利用基准电压15V与采样电路两端电压经过差分放大比较电路后得到的比较结果来控制采样电阻两端的压降，达到采样电阻上的压降与设定的基准源分出的电压相等。而高精度的基准电压电路保证了整个系统的精度的提高。调制电路的设计保证了激光器自身对调制信号的干扰几乎没有影响。
图1半导体激光器恒压电路原理图Fig。 2半导体激光电源恒压电路的设计由图1可以看出，半导体激光器的恒压源主要包含以下几部分:慢启动电路、电压采样电路、基准电压、差分放大比较电路和电流调制电路，其电路组成如图2所示。各个子部分详细介绍如下:图2电压差分放大比较电路图Fig。 慢启动电路
慢启动电路由R25、D1、C23、C7和Q1组成。电源开关合上的一瞬间，由于C23和C7上都没有电荷，Q1的e极和b极相当于接地，因此三极管Q1不导通。C23通过R25慢慢充电，当C23上的电压大于Q1的阈值电压Vbe后，三极管开启，C7才通过三极管充电。随着C7的充电会使Vbe减小，三极管又会截止，C7的充电暂停，只有当C23又充一定时间后才能使Q1重新开启，继续对C7充电……如此反复直到Q1的b极电压约为-12V时(1N5242B的稳压值)，充电停止，慢启动过程结束。若C7上的电荷消耗，Q1的e极电压升高，会使三极管重新导通，对C7再次充电。
 
基准源
基准源电路由U1、R1、R2、R3、R4、R5、C3、C8、C9和C10组成。用LM399产生比较用的基准电压。由于基准源的纹波对最后的输出影响较大，所以后面采用RC滤波网络对基准电压进行滤波。C3、C9、C10采用钽电容来提高滤波性能。
 
采样电路
这里为了将电流信号变成电压信号以便反馈控制系统进行处理，使用了一个20的采样电阻。因为需要使用的电流最大为0。25A，所以额定功率应大于1。5W;为了提高长期稳定度，采样电阻的温漂应尽量小。
 
半导体激光电源恒压电路试验结果与分析
通过测试发现，该电路结构简单、性能可靠、精度高，能实现慢启动，实现了对高精度电压的控制要求，可以在此恒压源电路的基础上增加一级高稳定度的恒流驱动电路，使半导体激光器的驱动电源到以下标准：恒压范围0~250mA，电流漂移小于10的负六次，电压稳定度达到0.1%，纹波系数为10的负五次。
次电路实现了激光器进行高精度电压驱动，使得激光器输出频率日漂移在5~6量级以内，达到预期效果，图4即为使用该电路后激光器的输出光谱图。