常用光器件外围辅助电路

1、激光器的电气参数
表 x-1 激光器管脚图电阻
8
接地
2
热敏电阻
9
接地
3
LD 负极(-)
10
无
4
监视器 正极(-)
11
激光器正极(+)， 接地
5
监视器 负极(+)
12
Laser RF
图 x-1 激光器结构示意图
6
TEC(+)
7
TEC(-)
13
激光器正极(+)， 接地
14
无
2、恒流驱动电路[2] 产生恒流部分电路如图 x-2 所示。来自基准电压源的控制信号经 R15 输入到运算放大器
x.1.1 设计半导体激光器驱动电路的考虑因素
设计合适的半导体激光器驱动电路，必须深入了解其电气方面的特性。众所周知，激光 器是一种高功率密度且具有极高量子效率的器件，微小的电流和温度波动将导致光输出功率 和器件参数（如激射波长、噪声特性、模式跳动）的极大变化。这些变化增加了相应的强度 噪声，直接危及器件的安全工作和应用的要求。同时，驱动电流的不稳定还会造成输出波长 光谱线宽的展宽。在大电流驱动场合还得考虑激光器电流源的温度系数，因为环境温度的波 动能引起供给电流的波动。此外，激光器本身的温度变化也将对输出光信号参数造成很大的 影响。
若要将电流源输出电流的值采用数字仪表(直流/电压表)显示，则可以从采样电阻 Rs 两 端取出信号，分别经过一个电压跟随器，送入比例运算电路，根据设计电流大小设定合适的 放大比例，再将放大后的信号输送到电压表显示。这里强调一定要使用跟随器可以防止显示 电路对电流源的影响。
to LD
图 x-2 慢启动电路和驱动控制电路
第x章 常用光器件外围辅助电路
本章将从光通信系统的基本功能出发，围绕着光收、发系统的各自特点，介绍光通信系 统中常用的光器件外围辅助电路的原理和具体实现，包括光通信系统中光发射机、光接收机 的具体电路实现，高速外调制系统中激光器驱动电路、外调制器控制电路，光传输系统中用 于制造光放大器所要求的大功率泵浦激光器的驱动电源，以及常用的光器件半导体光放大 器、波导阵列光栅和光开关的驱动及相关控制电路的实现。
3、慢启动电路 考虑到半导体激光器对电冲击的承受能力差，为了有效保护激光器，在电路中加入了慢
启动电路，如图 x-2 所示。LM317 是输出可调三端稳压管，通过可调电阻 R 调节输出电压；
Vout
=1.25×(1+
R) R11
−
I ADJR
(式 x-1)
电路启动时，由于 C 上的电压不能突变，三极管 Q 基极电压 Vb 处于低电位，故 Q 导通， 将 R 短路，这时输出电压 Vout 约为 1.5V。随着对 C 的充电，Vb 升高，Q 逐渐退出饱和区， R 上的电压逐渐增大，输出电压 Vout 也慢慢升高。直到 C 充电完毕，Q 截止，输出电压 Vout 才达到设定值，慢启动速度由时间参数 R11 和 C 决定。这里 LM317 不但可以稳定输出电压， 而且使输出电压缓慢上升，达到慢启动效果。
的同相输入端，反相输入端接采样电阻 Rs，运算放大器输出至场效应管。要得到恒定的输 出电流，实际上只需恒定采样电阻 Rs 两端电压 U 即可。根据运算放大器的特点：同相端反 相输入端电压相等，即电压 Us 由输入到同相端的控制信号电压决定，此电压越小，输出电 流越大，调节控制信号电压即可方便地调节电流源地输出电流。运算放大器需选择稳定、低 噪声、输入失调电压随温度漂移小地放大器，如 LT1026、OP07 等。基准电源的精度和稳定 度对恒流源的输出有很大的影响。图 x-2 中 LM399 是低噪声、高精度、高稳定性稳压芯片， 提供 6.95V 基准电压，其稳定系数小于 0.5ppm/℃，长期稳定度(1000h)达 20ppm。采样电阻 的精密程度也将影响电流输出的稳定性，因为 Is＝Us/Rs，采样电阻需选用温漂<5ppm/℃的 精密电阻。
x.1.2.1 激光器驱动电路
这里以 FITEL 公司的 FOL15DCWB 1550nm 激光器为例，来详细说明其自动温度控制 电路、慢启动电路、恒流驱动电路、保护电路、自动功率等控制电路的实现方法。该激光器 阈值电流为 15mA，激光二极管正向最大电流为 150mA，制冷器最大驱动电流 1.2A。图 x-1 和表 x-1 分别为了 FOL15DCWB 激光器的结构示意图和管脚图。
就更方便了。
x.1.2 激光器驱动电路的实现方式
通常，激光器的电流源有两种方式工作：一种是恒定电流工作方式，另一种是恒定光功 率工作方式。在恒定电流工作方式中，通过电学反馈控制电路，直接提供驱动电流电平的有 效控制，由此获得最低的电流偏差和最高激光器输出的稳定性，这种方式中同时控制激光器 的温度，会产生良好的效果；在恒定光功率工作方式中，由于电流的变化，很难实现好的温 度控制，所以必须内装与反馈回路相连接的监视光电二极管或其他外部探测器以实现驱动电 流的控制。这种工作方式的缺点就是当激光器的温度漂移时，可能造成激光器波长变化和产 生模式跳跃，所以在实际的应用场合，基本采用了恒定功率结合恒定温度的控制方法。
x.1 半导体激光器驱动电路
实际光通信系统中使用的半导体激光器包括了激光二极管、监视光电二极管、光隔离器、 热电制冷片、温度传感器、尾纤或连接器等且具有光发射及相关功能的部件，这些称为激光 组件。一个完整的半导体激光器驱动电路一般主要由几大部分组成，包括电流偏置电路、自 动温度控制电路、自动功率控制电路，此外还包括慢启动电路和保护部分。若半导体激光器 应用于直接调制光通信系统中，则其驱动电路除了必须具备上述功能外，还需信号产生和整 形电路。对于一个商用的光发射模块，还应包括光功率监控电路、激光器温度检测电路以及 相应的接口电路等。在波分复用（WDM）光通信系统特别是某些高精度测量中，半导体激 光器对驱动电流的稳定度和精度要求很高。
图 x-4 激光器自动功率控制电路 温度的变化和器件的老化都会引起激光器阀值电流和光电转换效率的变化，若想精确控制 激光器的光输出功率，需控制激光器的偏流，使其自动跟踪阀值电流的变化，保证激光器总是工 作在最佳偏置状态。自动功率控制可完成上述任务，以保证激光器输出精确光功率。图 x-4 激 光器驱动电路的自动功率控制电路。其电路的工作原理为：由于稳压管 LM136，运算放大 器 LM258(U1B)的同相 输入端 的电 压保持 恒定 ，而通 过调 节电位器 R2 ，改变 放 大 器 LM258(U1A)同相端的输入电压，这里 LM258(U1A)构成的电压跟随器，避免光敏管感应的 光电流对信号的干扰。激光功率的变化导致了激光器组件内部用于背光检测的光电二极管 D2 中光电流的变化，从而通过 R3 引起积分电路中放大器 LM258 的反相端电压的变化，通 过积分电流反馈来控制激光器的驱动电流的大小，完成激光器输出功率的自动反馈控制。 6、保护电路
图 x-3 自动温度控制电路
图 x-3 激光器驱动电路中的自动温度控制电路。图中 R4、R5、R11、R12、R13、R14、R15 和 Rt 组成平衡电桥，其中 Rt 为激光器组件里的热敏电阻，该热敏电阻为负温度系数(NTC)，在常温 下其阻值为 10kΩ，温度系数为-2%~-6.5%。这里 R5 为可调电位器，用以控制激光器工作温 度，在某些特殊应用场合甚至可以利用控制激光器的工作温度来实现激光器输出波长的微 调。在图 x-3 中，放大器 LM324(U1)将电桥失衡信号放大，并经过两级 LM324(U1A，U1C) 组成的 PID 控制，经射随电路输入到三极管中进行电流放大。这里采用了大电流的 PNP 型 (TIP127)和 NPN 型(TIP122)达林顿管分别对激光器组件里的半导体制冷片提供两个方向的 电流，使半导体制冷片根据激光器二极管的具体工作状态，分别工作在制冷和制热两种状态， 从而使半导体二极管的工作温度得到控制。 5、自动功率控制电路
4、自动温度控制电路 激光器的许多关键参数（如激射波长、阈值电流和效率等）都与激光器中二极管的结温
有着密切的联系。工作温度还与激光器的寿命密切相关，粗略估计，每 30℃ 的温升会使寿 命降低一个数量级[2]。因此，作为应用来说，总是期望激光器有尽可能稳定的温度。最简单 的去热办法就是使用无源热沉。如果激光器应用要求高稳定性、还需要使用有效去热的帕尔 帖(Peltier)温控装置，目前激光器组件内部普遍采用这种方式。Peltier 温控组件是一种转移 热的热电半导体器件，也称热电制冷器(TEC)，它的散热取决于电流流动方向。通常，由反 馈回路中的温度传感器（如热敏电阻）结合控制电路供给温控装置组件电流的大小和极性。 通过调节补偿具有双向输出的温度控制器，就能迅速达到并维持一个稳定的激光器的工作温 度。结合采用“比例－积分－微分(PID)”等控制回路设计，可以在宽范围热负荷下维持较 严格的温度控制和快速稳定。温度控制还需要考虑温度传感器类型、传感器的校准和回路增 益的优化。
激光器驱动电路中若没有对电流源进行防护或者防护不当，则会引起激光器的性能变 差，甚至损坏器件，因此在激光器驱动电路中应做适当的安全防护。在应用中需要防护的内 容有：电学瞬变过程、方式突变、软接触开路和静电放电等[1]。电学瞬变过程可能起源于各 种电源启动的瞬变过程、电源的电涌、AC 电路的辐射、使用者本人产生的静电放电和非接 地烙铁等等。大的电学瞬变过程或具有纳秒（ns）脉宽的电流峰形成，可能引起激光器反射 镜面的过热、导致永久性损伤。为了抑制来自外部信号源的瞬变过程，给激光器驱动电路供 电的电源可考虑加入 AC 线路滤波器和屏蔽的隔离变压器，这些电源滤波模块目前已经有很 多商用的成熟产品，可以直接利用。另外为了防止电路中间的器件、仪表启动的瞬变过程， 可以在设计电路时使用慢的启动电路，保证电路启动时间大于 100ms。对于驱动电路的软接 触引起的开路防护，但这个问题往往被忽视掉。为了降低电流噪声，往往在驱动电路的输出 端接上电容滤波器，但由于激光器实际使用过程中可能由于不良的电缆连接器、软焊点或人 为开关线路，发生激光器电缆的瞬间开路。在电路发生瞬间开路时，一旦电接触恢复（或好 转），电容释放它的存储能量，释放能量的过程会产生破坏性的瞬变过程，导致激光器的破 坏。因此在实际电路设计过程中，应该谨慎使用储能元件。另外，静电放电也是导致激光器 过早失效的主要原因之一。为了适应应用场合的供电，一些电源模块都设有未接地的浮置输 出端。在激光器电流源驱动电路中，为了进一步减少线路瞬变的可能性，最好让激光器相对 于大地接地浮置。这时最好是将激光器的接地线直接接在电流源上，如果接地是外壳接地的，
图 x-5 激光器保护电路
为避免由于过流等因素引起激光器不可恢复的损坏，驱动电路中需要加入自动保护电 路。保护电路一般有限流保护和截流保护两种，这里我们介绍限流型保护电路，如图 x-5 所 示。其特点是当电流达到最大设定值后，自动启动保护电路，使电流维持在设定值不定，避 免激光器因过流而停止或损坏。保护电路的设计原理是：通过电位器 R6 从基准电压源 LM399 取出电流控制信号，并输入到比较器 AR1 的同相输入端(U+)，通过电位器 R4 从基准电压源 LM399 输出端取出限流保护信号，并输送到比较器反相输入端(U-)，比较器对两路信号进行 比较，并以输出的比较结果来控制逻辑开关 DG419。电路中采用低功耗、低失调电压比较 器 LM339A，当 U+端口高于 U-端时，LM339A 内输出管截止，相当于输出端开路，通过上 拉电阻 R1 输出高电平；当 U-端电压高于 U+端时，LM339A 内输出管饱和，相当于输出端 接低电平。DG419 是高性能的逻辑开关，匹配电阻小，切换速度快，达到纳秒量级。开关 状态由 6 脚决定：6 脚输入高电平时，开关接通 2 脚；输入低电平时，开关接通 8 脚。在电 流源输出电流未达到最大设定值情况下，即 U+>U-，比较器 LM339A 输出高电平，DG419 输入端 6 脚为高电平，2 脚和 1 脚接通，输出控制信号，通过调节电位器 R6 可调节电流源 电流大小。当 U+<U-时，比较器 LM339A 输出低电平，指示灯 DS1 亮，提示电流过载，同 时 DG419 的 6 脚变为低电平，开关断开 2 脚，接通 8 脚，电流源输出电流大小由限流保护 信号决定并维持在限定值，在电路中通过调节电阻 R4 的大小来控制限流的实际阈值。