一種激光二極管精密驅(qū)動(dòng)電路

0 引言

半導(dǎo)體激光器自上世紀(jì)60年代問世以來，歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì)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(zhuǎn)換效率高、易調(diào)制、可靠性高、輻射波長范圍寬等，在通信、傳感、激光加工、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，成為目前世界上使用量最大的激光器種類。相比于其他類型的激光器而言，半導(dǎo)體激光器具有其自身的一些特點(diǎn)，如腔長較短、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)射光場相位的波動(dòng);以及由于半導(dǎo)體激光器內(nèi)不完全的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的自發(fā)發(fā)射光子會(huì)增加場強(qiáng)的波動(dòng)，等等;這些特點(diǎn)使得半導(dǎo)體激光器的激光線寬相對較寬，頻率受電流和溫度等環(huán)境因素影響顯著，這些特點(diǎn)制約了其在某些精密測試領(lǐng)域中的應(yīng)用，如精密干涉測量與計(jì)量、高分辨率光譜等等。這也使得針對半導(dǎo)體激光器線寬壓窄和穩(wěn)頻技術(shù)的研究成為熱點(diǎn)。

頻率穩(wěn)定的窄線寬半導(dǎo)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)域有著廣泛的應(yīng)用前景。開展半導(dǎo)體激光器穩(wěn)頻和線寬壓窄首先需要解決其精密驅(qū)動(dòng)問題，為此，本電路在保持其較小體積的前提下，通過采用專用恒流和恒溫控制芯片結(jié)合數(shù)字控制技術(shù)，對半導(dǎo)體激光器的注入電流和工作溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和精密控制，使半導(dǎo)體激光器頻率穩(wěn)定性得到很大的改善，有望在今后半導(dǎo)體激光器線寬壓窄和穩(wěn)頻技術(shù)中得到應(yīng)用。

1 精密驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

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(dǎo)致激射波長的明顯變化和其他器件參數(shù)(如輸出光功率、噪聲性能、模式穩(wěn)定度等)的變化，同時(shí)，激光二極管的PN結(jié)受溫度影響較大，溫度的微小變化將不僅影響到半導(dǎo)體激光器的出射波長、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(zhuǎn)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。基于上述考慮，本文所設(shè)計(jì)的精密驅(qū)動(dòng)電路主要包括恒流(恒功率)和恒溫兩大模塊，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

設(shè)計(jì)中，為了使激光二極管工作性能(如工作波長和輸出光功率)穩(wěn)定，要求驅(qū)動(dòng)電路分別能對溫度和電流進(jìn)行精確的監(jiān)測和控制;而且，為了保證整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的安全運(yùn)行，要求電流控制模塊具備過流保護(hù)、防止浪涌沖擊、延時(shí)軟啟動(dòng)等功能。此外，為能實(shí)現(xiàn)對激光二極管的工作溫度和工作電流進(jìn)行設(shè)定和實(shí)時(shí)監(jiān)控，電路還設(shè)計(jì)有以單片機(jī)為核心的中心處理模塊，由該模塊(需帶有AD和DA轉(zhuǎn)換功能)實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測激光二極管各項(xiàng)參數(shù)性能，如工作溫度、注入電流、光功率等。對激光二極管一類的小型元件進(jìn)行溫度控制，最常用熱電制冷器(Ther mal Electric Cooler，簡稱TEC)。TEC的制作基于帕爾貼效應(yīng)，即電流流過兩種不同導(dǎo)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(xiàn)象。

2 電路器件選型

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行各器件選型和電路設(shè)計(jì)。首先是中心控制模塊，根據(jù)其功率要求，本電路中選用C8051F007，該型號(hào)單片機(jī)是完全集成的低功耗混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU，同時(shí)C8051F007是目前單片機(jī)中價(jià)格相對較低的，而且從其時(shí)鐘頻率和擴(kuò)展性能來講，都要好于普通的單片機(jī)，且完全可以滿足驅(qū)動(dòng)電路數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)控制等應(yīng)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。該芯片是一款專為驅(qū)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(wěn)定性(100ppm/℃)、全屏蔽等特點(diǎn)。芯片內(nèi)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(qū)動(dòng)器，具備軟啟動(dòng)功能。滿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(hào)為TECA1-5V-5V-D。該芯片是專為驅(qū)動(dòng)TEC而設(shè)計(jì)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(fù)反饋原理的溫控技術(shù)，它通過負(fù)反饋減小輸出值與設(shè)定值之間的偏差，從而達(dá)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(shè)計(jì)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(wěn)定性可優(yōu)于0.01℃甚至達(dá)到0.001℃。

為了滿足電路在數(shù)據(jù)采集和控制的要求，單片機(jī)C8051F007作為驅(qū)動(dòng)電路數(shù)據(jù)采集和控制的微處理芯片，可以通過接頭連接下載器下載程序，用以控制單片機(jī)工作，AD和DA轉(zhuǎn)換接口分別連接電流控制芯片和溫度控制芯片，用以設(shè)置和監(jiān)測輸出電流和工作溫度，單片機(jī)可通過串口將所測量的激光二級(jí)管參數(shù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行接收和顯示。

3 電路測試及結(jié)果分析

電路設(shè)計(jì)制作完成后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，以驗(yàn)證其工作性能。實(shí)驗(yàn)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635nm，額定輸出功率5mW，閾值電流20mA。結(jié)合激光二極管的熱傳導(dǎo)方式，本文設(shè)計(jì)了一套溫度控制裝置，它由紫銅熱沉、鋁制散熱片、導(dǎo)熱硅膠、TEC和熱敏電阻等組成。如圖3所示，激光二極管通過絕緣導(dǎo)熱硅膠固定在熱沉上面，附著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對熱沉制冷并通過散熱便能夠間接地實(shí)現(xiàn)對激光器的溫度控制。通過調(diào)節(jié)安裝在激光二極管前的準(zhǔn)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(diào)整架并放置在穩(wěn)定的光學(xué)平臺(tái)上，激光二極管、熱敏電阻和TEC的導(dǎo)線連接驅(qū)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)穩(wěn)定度上，在完成電路的制作及相關(guān)參數(shù)設(shè)定后，即可用該電路驅(qū)動(dòng)激光二極管測試其頻率穩(wěn)定度。

實(shí)驗(yàn)中，激光二極管的波長穩(wěn)定度采用加拿大EXFO Burleigh公司生產(chǎn)的WA—1500型波長計(jì)進(jìn)行測量，其絕對精度可達(dá)到±0.2×10-3nm。將激光二極管開啟預(yù)熱，待穩(wěn)定工作后，把激光耦合到波長計(jì)中，此時(shí)激光二極管輸出單模激光，測量其中心波長。當(dāng)激光器工作于恒溫、恒流模式時(shí)，其激光頻率穩(wěn)定度取決于驅(qū)動(dòng)電路的性能，因此可以通過測量激光器頻率的穩(wěn)定度反演出驅(qū)動(dòng)電路的性能。以1Hz的頻率連續(xù)500s測量輸出激光的波長，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4中圖(a)為測量得到的數(shù)據(jù)與擬合曲線圖，圖(b)為對數(shù)據(jù)處理得到的殘差曲線，經(jīng)過對測量數(shù)據(jù)的分析可知，500s內(nèi)，激光波長測量的平均值為637.4nm，均方差為2.4×10-4nm，根據(jù)擬合曲線得到激光波長的漂移量為7.2×10-4nm。實(shí)驗(yàn)中使用的SANYO公司中心波長為635nm的半導(dǎo)體激光器的波長-電流系數(shù)為0.01～0.02nm/mA，波長-溫度系數(shù)為0.2nm/℃，由此計(jì)算得到電路的電流穩(wěn)定性為1.2～2.4 ×10-2mm，溫度穩(wěn)定性為1.2×10-3℃。

4 總結(jié)

本文詳細(xì)介紹了所設(shè)計(jì)制作的激光二極管數(shù)字式驅(qū)動(dòng)電路，本電路以單片機(jī)C8051F007為控制核心，結(jié)合激光二極管專用恒流控制芯片ATLS100MA103和溫度控制芯片TECA1-5V-5V-D，可實(shí)現(xiàn)對激光二極管注入電流和工作溫度的高精度控制。結(jié)合635nm激光二極管的實(shí)際測試表明，本電路驅(qū)動(dòng)下的激光二級(jí)管輸出激光波長穩(wěn)定度達(dá)到了10-4nm量級(jí)，折算成電流和溫度的穩(wěn)定性分別為1.2～2.4×10-2mA和1.2×10-3℃。本電路可用于半導(dǎo)體激光器穩(wěn)頻和線寬壓窄研究，亦可用于腔衰蕩測量系統(tǒng)等。