半导体激光器驱动电源的构成

本文所设计系统主要包括半导体激光器驱动模块和温度控制模块,下面将分别对各个模块进行介绍。
 
半导体激光器电源驱动模块
半导体激光器是依靠载流子直接注入而工作的,注入电流的稳定性对激光器的输出有直接、明显的影响。因此,要求半导体激光器的电源是一个恒流源,并且具有很高的电流稳定度和很小的纹波系数,否则激光器的工作状态就会受到影响。
如图1所示,半导体激光器驱动模块采用A CC电流反馈技术,能够实现对正向驱动电流IF的稳定控制。通过电流采样反馈为驱动电流提供有源控制。输出级为低噪声的稳定恒流源,可以实现0～200mA之间连续可调。它是以大功率场效应管为核心,半导体激光器作为负载与之串联,通过控制场效应管的栅极,来实现对半导体激光器电流的控制。
半导体激光器是昂贵而易损的半导体器件,其安全问题将影响应用系统的可靠性,因此驱动电源必须有效保证半导体激光器的安全。半导体激光器损坏的主要原因分为:静电击穿、正向浪涌击穿和正方向直流破坏三类[ 3 ]。本文中的保护电路主要是针对这三种情况进行设计。
将一个接触电阻很小的开关与半导体激光器并联在一起构成短路保护开关。在半导体激光器不进行工作时,开关闭合,使半导体激光器两端的电极短接,从而实现防止静电击穿的功能。在驱动电路中加入慢启动电路,使供给半导体激光器的电压缓慢升高,避免突然上电或断开电源时给器件造成的冲击,此举还能避免电路中分布电感引起的浪涌冲击,起到了防止正向浪涌击穿的作用。另外为了防止正向直流破坏,加入了限幅电路。通过以上措施,可以从根本上保证半导体激光器的安全工作。 半导体激光器电源温度控制模块
 
半导体激光器的参数,包括波长、阈值电流和效率等,都取决于温度。一般来讲,温度每升高1°C,激光波长将增加大约0.  1nm,实际工作中,温度起伏小于0.  1°C时,激光器输出波长稳定度基本满足使用要求;另外工作温度还影响半导体激光器的使用寿命,作为粗略估计,壳体温度每升30°C,寿命就会减少一个数量级。因此需要在尽可能低的温度下操作半导体激光器[ 4, 5 ]。 采取合理的致冷措施和控制以维持LD在恒定温度下工作,是延长LD的使用寿命,保证LD输出光的稳定性的最好措施。基于这种原因,我们设计了温度控制模块。
如图2所示,温度的变化经温度传感器(T H)转变为电信号,然后将其与设定的温度进行比较,得出偏差信号。偏差信号经控制调节电路处理后,驱动执行元件工作使温度稳定在设定温度附近。其中温度传感器是模块中的热敏电阻,用来测量LD的工作温度,其灵敏度高。执行元件是模块中的T EC,它是利用帕尔帖效应的半导体致冷器件,体积小、结构简单、易于控制。工作时,一端制冷,另一端制热,所以可通过改变电流方向变换制冷或制热。采用P I控制技术作为核心,以减少静态误差,提高控制精度。为了防止积分饱和,采用积分分离的思想对积分项加以处理。另外,为了保护T EC,防止其因电流过大而损伤,还增加了限幅电路。