激光二极管

收稿日期:2001-02-15

作者简介:孙番典(1954-　

),男,广东梅州人,华南师大物理系副教授.基金项目:广东省高教厅自然科学基金项目;惠州大学科研基金项目(C20010204).

第21卷第4期

2001年12月惠州大学学报(自然科学版)Journal of Huizhou University (Nat.Sci.)V ol 1211N o 14Dec 12001一组高精度的半导体激光

二极管伺服控制电路

孙番典1　刘俊刁2　熊建文1　李庆春2

(1华南师范大学物理系　广州　510631　2惠州大学理工学院　惠州　516015)

摘　要　介绍一组高精度的半导体激光二极管伺服控制电路。室温下该电路的电流

稳定度达10-3mA ,温度稳定优于10-2K.

关键词　半导体激光二极管;注入电流稳定;精密温度控制

中图分类号:O453　文献标识码:A 文章编号:1007-6107(2001)04-0033-04

引　言

半导体激光二极管以其体积小,重量轻,价格低,寿命长,耗电少及频率可快速调谐等优点,已经在国民经济和一系列高科技领域获得了广泛应用。然而,此种激光器的工作波长与其工作温度、注入电流之间有着强烈的依赖关系,例如,对近红外线半导体激光二极管,工作温度引起的变化约为013nm/K,注入电流引起的变化约为0103nm/mA 。同时,工作温度和注入电流的变化还会导致半导体激光二极管输出功率的不稳定。对于某些高科技领域应用,例如近些年发展起来的相干光纤通讯,对作为发送光源和外差检测的本振光源所用的半导体激光器的频率稳定性有很高的要求,同时,还要求其输出频率可调。又如,在极受重视的激光探潜和大量的激光光谱和原子分子物理研究中,都要求半导体激光器的频率非常稳定。因此,对半导体激光二极管的注入电流和工作温度的精密控制,并在此基础上对激光器的输出频率进行锁定稳频的技术研究就成为非常必要的。

1　注入电流控制电路

为半导体激光二极管提供注入电流的稳定电路,需要具有极高的电流稳定度、能提供一定范围内连续可调的工作电流和接近从零开始起调的精密可调性。此外,由于半导体激光二极管一般不能承受电流突变的浪涌冲击,电路要求能够抑制,消除电流尖峰脉冲或瞬态浪涌

对激光器引起的冲击损伤。因此,半导体激光二极管供电电源部分需加设慢启动部分,使因电源的开和关引起半导体激光二极管工作电流的突变转化成缓慢改变的过程。

图1为半导体激光二极管注入电流控制电路。该电路采用基准电压与反馈电压相比较来实现注入电流的调节与稳定:即由LM399组成的精密电压基准经粗、细调构成稳流电路的可调电压基准与(半导体激光二极管内置的)光电二极管的取样信号电压一起输入到改进型的直流差分放大器上,得到一个直流电压,该直流电压再与串接在半导体激光二极管的采样

电阻上的并经放大后的反馈电压相比较产生一个差值,用此差值控制压控稳流电路的门(IRF840)的栅极),由这个门调整连续流过半导体激光二极管上的电流。这样,借助于精密电压基准及粗、细调可选择所需的半导体激光二极管注入电流,实现一定范围内控制半导体激光二极管注入电流的目的。电源的慢启动部分则由达林顿管TIP142与相应电阻R 、电容C 组成电压缓升电路,使电源开启时,加到半导体激光二极管上的电压缓慢上升;另外由两个LC 的π形电路及取值较大的电容C 起着电流缓降的作用,使当电源关闭或突然中断时,半导体激光二极管工作电流得以经历稍较长时间(2s 左右)缓慢降为零。

图1　半导体激光二极管注入电流稳定电路

2　温度控制电路

半导体激光二极管工作时,虽然发热量少,但因其体积小,热量难以散发,会使其温度上升。因此,必须从外部控制其温度,消除半导体激光二极管因自身发热和环境温度变化而出现的温度波动。此外,由于工作波长与管温有一定的联系。因此,温控电路应既要能够在一定范围内连续设置工作温度点(温度设置点范围一般273K —313K 之间),又要能够实时检测半导体激光二极管工作温度的微小波动,并加以控制。

图2所示为常用半导体激光二极管工作温度的控温电路;电路中以热敏电阻作为温度传感元件,以半导体致冷器作为热交换元件。预先通过实验对热敏电阻阻值随温度的变化进行定标,并将其安装在被控温系统上。由作为温度传感元件的热敏电阻和作为温度设定的可变电阻组(一般由多圈电位器及按一定方式连接的固定电阻组组成,改变该可变电阻组的阻值

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图2　精密温度控制电路

可在一定范围内连续设置不同的工作温度)以及作为桥臂的固定电阻组成测温电桥。测温电桥将探测到的温差信号转换为电信号,考虑到当被控温系统的温度很接近于予置工作温度时,温度波动的微小改变引起电信号的变化极其微弱,控温电路中设置弱电信号检测中常用的锁相放大。锁相放大电路主要为方波输出部分(IC4060,晶振及其外接电容、电阻)和锁相放大部分(采用比较通用的开关式锁相放大,由反相器IC4011,四开关器IC4066和两级运算放大器OP -07及其外接电路组成)。当温度发生微小变化时,测温电桥上将有一个微小电压输出,此经调制的电压,通过相敏检波器与同频的参考方波相乘,即可得到一个直流电压,该电压大小反映了温差的大小,该电压信号输入到经改造的差分放大电路,并通过比例———积分———微分(PI D )控制器和比较器输入到推动级,控制流经作为热交换元件的半导体制冷器的电流对被控温系统进行加热或制冷。开始通电工作时,被控温系统的温度一般・

53・第4期 惠州大学学报(自然科学版)

不等于予置工作温度,此时电桥处于非平衡状态;待被控温系统的工作温度接近预置温度,电桥趋于平衡,此时流经半导体致冷器上的电流减少;当达到预置温度时,热敏电阻的阻值与温度设定电阻组的预置阻值相等,电桥处于平衡状态,此时没有电流流过半导体致冷器,半导体制冷器停止加热或制冷。实际工作中,该测温电桥为一非平衡电桥。一般地半导体致冷器上会有少量电流流过,维持动态平衡控温系统的工作温度。由于设有锁相放大控制电路,该控温系统的温度稳定度可优于10-2K 。

一个良好的温度控制系统,不仅取决于电路本身,还取决于良好的物理结构,包括物理结构的几何形状,绝热材料的特性及其它因素的配合。为了配合控制电路的工作精度以获得最佳的热稳定性和精确的恒温,半导体制冷器与恒温系统的各接触面都应尽量平滑;在安装时,表面应涂上少量导热硅脂,以达到良好的导热效果。作为温度传感元件的热敏电阻的体积和热容应尽量小,形状上以薄片为宜;在机构结构上应与被控温物体安装在一起并尽可能地靠近,且其表面也应涂上导热硅脂。此外,被控温系统与外界环境应隔以绝热材料以获得良好的热绝缘,减少恒温系统与外界的热交换。在对温度稳定度要求特别高的场合,可采用加设内外双层控温。一般地,在与室温相差不大时,本系统可以安全工作,在与室温相差十几度以上的工作环境时,应考虑加大驱动器件的功率及加大散热块。

3　结束语

本文介绍了一组高精度的电流与温度控制电路,采用本电路可实现半导体激光二极管的注入电流在0—100mA 范围内连续可调(通常用的半导体激光二极管为小功率半导体激光二极管,其工作电流一般在50mA 左右),电流稳定度达10-3mA ,温度的稳定优于10-2K,进一步的应用研究仍在进行中。

本工作得到杨世祺教授的支持、帮助,谨此致谢。

参考文献

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[3]SW ARTZ JM.Fundamentals for usage of cry ogenic temperature ke Shore Cry otronics.inc.A Set of H igh Accurate Servo Circuit for a Semiconductor Laser Diode

S UN Fan 2dian 1　LI U Jun 2diao 2　XI ONGJian 2wen 1　LI Qing 2chun 2

(1Department of Physics ,S outh China Normal University ,G uangzhou 516031,

2C ollege of T ech.,Huizhou University ,Huizhou 516015)

Abstract Introduce a set of high stable serv o circuit for semiconductor laser diode.By using the cir 2cuits ,the fluctuation of the injection current is as low as 10-3mA and the fluctuation of the tem perature is less than 10-2K in the room tem perature.

K ey w ords semiconductor laser diode ;injection current stability ;accurate tem perature control ・63・孙番典　一组高精度的半导体激光二极管伺服控制电路 2001年