半导体激光器自动功率控制电路设计_张莹

合集下载

半导体激光器稳功率控制系统的设计

用光功率反馈制．
２系统结构原理
系统主要实现电流驱动及保护、功率反馈等光
会损坏器件．由于驱动电源设计的不合理，导致激光
１引言
半导体激光器具有体积小、量轻、换效率重转高、工作寿命长、工作电压低（．Ｖ左右）使用方２５及便、价格低等优点，在科研、测量、工业、事、军医疗等领域中被广泛使用．实际使用中存在的主要问题在是器件的功率不稳定 … ．半导体激光器以电流注入为激励方式，使用其寿命、工作特性在很大程度上取决于所使用的驱动电源的好坏．激光器输出的光功率特性曲线可知，从随着注入电流的增加，功率也在增加．别是在注光特
ｐｗｅｔｂｌｔａｅｕｏ０２．ｏｒｓａｉｉｃｎｂｐｔ．１％ｙ
Ｋｅｒｓｌｓｒｄｏｅｙｗｏｄ：ａｅｉｄ；ｍｉｒｐｏｅｓｒｕｐｔｏｒＷＭｒｖｒｃｏｒｃｓｏ；ｏｔｕｗｅ；Ｐｐｄｉｅ
ＡｂｔａｔＨｉｈ—ｓａｉｔｕｐｔＳｓｓｅｏｉｄａｅｓｉｔｄｃｄＴｅｓｓｅｓｂｓｄｏｈｓｒｃ：ｇｔｂｌｙｏｔｕ ’ ｙｔｍｆｄｏｅｌｓｒｉｎｒｕｅ．ｈｙｔｍｉａｅｎｔｅＭＣＵｏｉｏｆＭＳ４０ａｃｒｉｇｔｅｃａａｔｒｔｆｉｄｓｒｗｈｃｓｃｍｐｓｄｏａｌｕｒｎｏｒｅｅｅａｕｅｃｎＰ３ｃｏｄｎｔｈｒｃｅｉｉｏｏｅｌｅ，ｉｈｉｏｏｅｆｓｂｅｃｒｔｕｓ，ｔｍｐｒｔｒｏ — ｏｈｓｃｄａｔｅｓｔｌｓｓｅ，ｉｈｏｒ￣ｅｂｅｙｔｍｎＯｏ．ＩｃｎｐｏｅｔｎｏｔｏｅｄｏｅａｅｒａｉｒｙｔｍｌｔｗｅｏｇｐｄａｋｓｓｅａｄＳｎｔａｒｔｃｄｃｎｒｌｈｉｄｔｈｅｌｍｅ，ｓｏｎａｔｔｔｈｗａｄｓｔｔｅｏｔｕ ’ ｏｅ．Ｔｅｓｆｒｆｓｗｓｒｎｐ，ｓｏｌｓｎｎｈｒｔｃｉｇｒｌｙａｅａｏｔｄｅｈｕｐｔＳｐｗｒｈｏｔｅｏｌｔｔｇｕｗａｏａｉｌｗｃｏｉｇａｄｔｅｐｏｅｔｅａｒｄｐｅ．Ｔｅｎｈ

基于FPGA的数字激光自动功率控制系统设计

２ＳｈｏｏｎｏｍｔｎＥｇｎｅｉ，ｈｇａｎｅｉ，ｉａ１０４，ｈｎ）．ｃｏｌｆＩｒａｉｎｅｒｇＣａ ’ ＵｉｒｔＸ ’ｎ７０６Ｃｉｆｏｉｎｎｎｖｓｙａ
ＡｂｔａｔｈｕｏｔｏｒｃｎｒｌｏｍｉｏｄｃｏｓｒＳａｍｐｒｎｙｔｏｖｅｐｏｌｍｆｈｅｈｌｒｔＩｓｒｃ：Ｔｅａｔｍａｉｐｗｅｏｔｆｅｃｎｕｔｒｌｅｓｉｎｉｏｔｔｃｏｓａａｗａｓｌｅｔｒｂｅｏｒｓｏｄｄｆｎｏｈｔｉ．ｔｉａｅｉｉｌｌｓｒＡｕｏｔｏｒＣｏｔｌＳｓｍｓｄｓｇｅｈｓｐｐｒａｄｇｔａｅｔｍａｉＰｗｅｎｒｙｔａｃｏｅｗａｅｉｎｄ，ｗｉｈｗａｏｏｅｆｌｓｒｄｔｃｉｎ，Ａ／ｈｃｓｃｍｐｓｄｏａｅｅｅｔｏＤ
其工作原理是：将半导体激光器Ｌ背向输出的光功率Ｄ经背向光探测器Ｐ进行检测后，换成模拟电压信号，模Ｄ转该拟电压信号经过ＡＤ转换芯片的采样和转换．转换成代表／
作者简介：文家（９８）男，西西安人，士，梁１７一，陕硕工程师。研究方向：电气自动化，交通信息工程及控制。
－
１ — ５１
《电子设计工程｝０２年第１２１期

通过采用FPGA器件实现半导体激光器的自动功率控制系统设计

通过采用FPGA器件实现半导体激光器的自动功率控制系统设计自从激光器在1960年发明以来，在激光通信中已经成为了不可或缺的关键设备，半导体激光器（LD）是用于高速率光传输系统的有吸引力的光源，然而，遗憾的是LD的阈值随温度和寿命变化，且因器件的不同表现出现较大的差异。

LD的阈值随着温度的升高而明显增大。

LD阈值的漂移，给使用带来很大的不便，如果采用固定的偏流，则必然引起输出光脉冲峰值功率的浮动，而且，阈值的漂移破坏了已经设计好的工作点，从而引起有害光电延迟、张弛振荡等现象。

在LD高速工作时，这种现象的危害是不可忽视的。

为了克服这些弊病，必须对输出功率进行控制，使LD的工作能够维持在正确的工作点上。

姚嘉陵等曾设计基于模拟电路的APC自动激光功率控制电路，通过反馈来自动调整预偏置电流来达到稳定LD输出功率的控制。

基本原理是一方面将LD背向输出的光功率经背向光探测器PD进行检测，然后经过放大器1进行放大，送到比较器的反相输入端；另一方面，输入信号和从直流稳压电源中取出的直流参考电压经过放大器2放大后送入比较器的同相输入端，比较器的输出作为反馈被送到LD的驱动端，调节偏流，达到稳定LD输出功率的目的。

模拟电路方法实现的优点是增益控制比较稳定，缺点是需要加入的器件较多，且随着使用时间的增加，模拟器件老化会影响反馈控制的误差，另外，输出的激光功率固定不可变，不能实现多级功率的控制。

一种基于FPGA的全数字激光器功率自动控制系统，不但可以大大简化电路结构，减少成本，同时消除由器件老化带来误差，还可以方便的改变激光器的输出功率和实现激光器多级功率的控制。

1 自动功率控制系统整体结构基于FPGA的激光功率自动控制系统结构如图1所示其工作原理是：将半导体激光器LD 背向输出的光功率经背向光探测器PD进行检测后，转换成模拟电压信号，该模拟电压信号经过A/D转换芯片的采样和转换，转换成代表LD实际输出功率的数字信号，该数字信。

一种半导体DFB激光器控制电路的设计

1 DFB激光器引脚图
图2 驱动电路
LM358双运算放大器芯片内部包含两个高增益、独立的、内部频率补偿的双运算放大器，非常合适于电源的电压范围很宽广的单电源使用，也合适在双电源的工作模式中，在实际推荐的工作条件范围下，电源的电流和电源的电压无关。

使用范围包含了直流增益模块、传感放大器和其他所有可用单的电源供电使用的运算放大器的地方。

LM为塑封8引线双列贴片式。

其具有特性如下：输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5 V）,内部频率补偿，差模输入电压范围宽，等于电源电压范围，直流电压增益高（约100 dB）,共模输入电压范围宽、包括接地，单位增益频带宽（约1 MHz）,低输入失调电压和失调电流，电源电压范围宽、单电源（3~30 V）、双电源（±1.5-±15 V），低输入偏流，低功耗电流、适合于电池供电。

其引脚设置如图3所示。

}
void Cls(void)/*
{
uchar i;
for(i=0;i<32;i+=2)
WrAddDdat(i,0x00);
}
3 性能指标测试
将设计中1 550 nm （YOKOGAWA）公司的光谱分析进行测试图4所示，其中心波长是
图4 1 550 nm激光源光谱图。

半导体激光器稳功率控制系统的设计

Design of D iode Laser Stable O utput s Control System
LIU Bo, CAO Ru i m ing, GUO J ian ying
( S chool ofM easure- con trol T echnology and Comm un icat ion Eng ineering, H arb in U n iversity of Science and Techno logy , H arb in 150040 , Ch ina)
第 13卷
第 6期
哈尔滨理工大学学报
Vo l 13 N o 6 Dec ., 2008
2008 年 12 月
JOURNAL HARB I N UN I V. SC I . & TECH.
半导体激光器稳功率控制系统的设计
刘泊, 曹瑞明, 郭建英
( 哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院 , 黑龙江哈尔滨 150040)
4 光功率控制
光功率采样电路如图 4 . 光电二极管 PD 集成在激光器内 , 其电流信号采用精确度为 0 25% , 温飘系数为 5PPM 的 1k电阻采样, 得到的光电转换信号经过放大后 , 输入到单片机的 P6 1 端口, 经 A /D 后, 由 CPU 进行下一步处理 .
3 1 恒流源工作原理其电路主要由 MOSFET 管 Q 1、运放 A1A、 A4B、
第 6期
张礼勇等 : 数字通信系统中位同步信号提取的 FPGA 实现
97
从图 6 中可以看出 , 开始输出的位同步信号滞后 , 相位比较器输出加脉冲控制信号 , 使同步输出时钟的相位向前逐渐调整, 最后达到相位锁定, 即实现了时钟同步 . 本设计应用于低压电力线载波通信模块中 , 要求同步建立的时间小于 0 002s. 相位误差小于 0 07 . 在设计中 FPGA 的高频时钟采用 30 72MH z, 两路窄脉冲的频率为 15 36 MH z , 要求提取的位同步信号的频率, 即码元速率为 120 kH z, 因此分频因子 n = 128. 用数字锁相环法提取位同步信号时, 相位调整误差为: = 2 /n = 0 049 失步后需要重新建立同步所需的最大调整次数为 n /2 次, 由于数字信息是一个随机的脉冲序列, 可近似认为两相邻码元中出现 01 、 10 、 11 、 00 的概率相等 , 其中有过零点的情况占一半 . 而数字锁相法都是从数据过零点中提取标准脉冲的, 因此平均来说, 每 2Tb 秒可调整一次相位 , 故同步建立时间为 ts = 2T b ! ( n / 2) = nT b 因此本设计中的同步建立时间为 0 001s, 对于 120kH z的信号来讲 , 这个建立时间可以满足要求 .

半导体激光器功率控制系统的研究

半导体激光器功率控制系统的研究作者：胡丹扬刘婷婷来源：《环球市场》2018年第27期摘要：本文针对半导体激光器的实际应用问题，设计完成了小功率LD驱动电路。

利用自动功率控制电路和自动温度控制电路稳定了输出光功率，提高了半导体激光器的工作性能。

所设计的自动功率控制电路采用恒流源驱动及光电负反馈控制，能为半导体激光器提供高稳定、连续可调的驱动电流。

自动温度控制电路以FPGA为核心，利用DRV593驱动TEC完成温度控制，精度可达±0.1℃。

同时，整体驱动电路还具有价格低廉，体积小、操作简便等优点，可广泛应用于实际工程中。

关键词：半导体；激光器；功率控制无线激光通信利用激光作为载体在自由空间中进行通信，是一种远距离激光信号发射与接收的技术。

光纤通信与无线激光通信同属光通信范畴，光纤通信属于有波导光通信，而无线激光通信属于大气波导的光通信。

无线激光通信无需铺设光纤，不受传输介质的影响。

半导体激光器是无线光通信中的重要单元，本文讨论半导体激光器的功率控制问题。

一、半导体激光器工作原理半导体激光器是以半导体材料作为激发物质产生激光的器件，其工作原理就是电磁辐射与半导体之间的相互作用。

半导体受激发光时，其内部电子与光子问的相互作用与气体激光器中光子和原子之间的相互作用相似，包括受激吸收、自发辐射和受激发射三个基本过程。

半导体激光器是以直接带隙的半导体材料构成的PN结或者PIN结为工作介质的一种小型化器件，其主要激励方式有电注入式、光泵浦式以及高能电子束激励式三种。

绝大多数情况下，直接使用电流注入式激励半导体激光器，即对半导体PN结加正向电压，使激光器在结型平面内产生受激发射。

其工作原理与一个正向偏置的二极管相似，因此半导体激光器又称为激光二极管。

二、自动功率控制（一）控制框图半导体激光器自动功率控制有许多方法：一是自动跟踪偏置电流；二是峰值功率和平均功率的自动控制；三是P-I曲线效率控制法。

其中第一种方法可采用光电反馈原理，直接检测光功率控制偏置电流对激光输出功率的起伏进行补偿。

基于 MS P430 单片机的稳功率半导体激光器的设计

全日制本科生学年论文`题目：基于MSP单片机的稳功率半导体激光器的设计学院：物理与电子工程专业年级：2011级电子信息科学与技术学生姓名：学号：指导教师：职称：2014年 5 月22 日基于MSP43单片机的稳功率半导体激光器的设计物理与电子工程学院电子信息科学与技术专业 2011级冉佳弘指导教师范嗣强摘要:使用16位低功耗的单片机 MSP 430 F169 对半导体激光器进行控制, 采用APC的控制方式,通过功率的采样值与设定值的比较来控制驱动电流的大小,最后形成一个闭环的负反馈回路。

为保护该半导体激光器而实施了慢启动、慢关闭以及限压和限流等保护措施。

经实验测定,该系统的功率稳定度为 0.5% -0.7% 。

关键词:半导体激光器; 自动功率控制; MSP 430 F169Abstract: With 16 bit and low power MSP 430F 169 microprocessor,a semiconductor is controlled in APC mode. The sampled power is compared with the given value to adjust the driving current and anegative feedback loop control system for semiconductor laser is formed. To protect the semiconductorlaser , slow start , slow end ,current and voltag elimitation are designed. The results show that the power stability of the system is 0.5 % ~ 0.7% .Key words: semiconductor laser ; APC; MSP430F169.引言半导体激光器( L D) 具有体积小、重量轻、价格低、驱动电源简单且不需要高电压( 2.5 V)等独特优点,目前广泛应用于光纤通讯、集成光学、激光印刷、激光束扫描等技术领域。

基于MSP430单片机的稳功率半导体激光器的设计

基于MSP430单片机的稳功率半导体激光器的设计
李峻灵
【期刊名称】《长春工业大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2007(028)003
【摘要】使用16位低功耗的单片机MSP430F169对半导体激光器进行控制,采用APC的控制方武,通过功率的采样值与设定值的比较来控制驱动电流的大小,最后形成一个闭环的负反馈回路.为保护该半导体激光器而实施了慢启动、慢关闭以及限压和限流等保护措施.经实验测定,该系统的功率稳定度为0.5%～0.7%.
【总页数】4页(P271-274)
【作者】李峻灵
【作者单位】哈尔滨师范大学,呼兰学院,黑龙江,哈尔滨,150500
【正文语种】中文
【中图分类】TP202
【相关文献】
1.基于C8051F020单片机的半导体激光器稳频系统 [J], 张胤;王斯琦
2.基于ARM的高功率半导体激光器电源的设计 [J], 赵恒
3.基于单片机的大功率半导体激光器温度控制系统的设计 [J], 庞慧敏;李林书;周哲海
4.基于C8051F020单片机的塞曼稳频激光器控制系统的设计 [J], 李来达;张斌;陈文学
5.基于单片机的大功率半导体激光器温度控制系统的设计 [J], 庞慧敏;李林书;周哲海
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

慢启动半导体激光器驱动电源的设计

慢启动半导体激光器驱动电源的设计
毛海涛;林咏海;张锦龙;冯伟;柴秀丽;牛金星;李方正
【期刊名称】《新乡学院学报（社会科学版）》
【年(卷),期】2005(019)005
【摘要】根据半导体激光器的光功率与电流的关系,通过慢启动电路、纹波调零电路、功率稳恒电路等解决了使用中的电源在工作温度范围内其输出功率不稳定的问题.设计的电路稳定度达到4×10-4.
【总页数】3页(P21-23)
【作者】毛海涛;林咏海;张锦龙;冯伟;柴秀丽;牛金星;李方正
【作者单位】河南大学,物理与信息光电子学院,河南,开封,475001;河南大学,物理与信息光电子学院,河南,开封,475001;河南大学,物理与信息光电子学院,河南,开
封,475001;河南大学,物理与信息光电子学院,河南,开封,475001;河南大学,物理与信息光电子学院,河南,开封,475001;河南大学,物理与信息光电子学院,河南,开
封,475001;河南大学,物理与信息光电子学院,河南,开封,475001
【正文语种】中文
【中图分类】TN248.44
【相关文献】
1.基于半导体激光器驱动电源的设计分析 [J], 吴化楠;
2.高精度半导体激光器驱动电源及温控电路设计 [J], 罗亮;胡佳成;王婵媛;刘泽国
3.半导体激光器驱动电源的设计 [J], 张莹;贾文超;石淼
4.基于半导体激光器驱动电源的设计分析 [J], 吴化楠
5.半导体激光器驱动电源的设计 [J], 张莹;贾文超;石淼
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

图3 电容充放电模块电路图图1 激光器自动功率控制系统原理图图2 具有关断功能的阴极共地型激光
器电流源
2014.1
57
PIN探测电流变大，从而导致反馈回路输出电压升高，直至高过比较器正端电压V SET后，比较器输出由低电平跳变为高电平，接着执行上述过程的反过程：电容放电、激光器功率减小，由此循环往复，最终稳定激光器发光功率。

恒流源
半导体激光器的可靠稳定工作需为伏特，即当输入电压由0V变化到
2.5V时，可实现激光器电流由0mA到
250mA的线性变化。

电容充放电模块
电容充放电模块是形成反馈回
路、实现自动功率控制至关重要的一
部分。

稳定激光器功率是通过微调流
经激光器的电流实现的，这种微调功
能的实现是需要某种自动起伏变化的
了Q5通路，通路上的1k电阻可在电路
停止工作后迅速对大电容放电。

为了对电容充放电过程进行定量
分析，可将充放电电路等效成如图4
所示的电路模型：
假设在t=0时刻，U C=0，根据电
路理论，易得电容电压U C随时间t的
变化关系式为：
(1exp(/))
C
U E t RC
=−−（2）
图4 电容充电与放电等效电路模型图图5 电容电压充放电过程仿真波形图
带有PIN或PD光电探测器用于探测光强，光电探测器能够得到与检测光强成一定比例关系的电流信号，通过对该电流信号进行电压转换、放大处理即可得到实用的监测信号，这一过程可以体现于图6。

MAX4008是一款高精度电流检测芯片，在光纤应用中专门用于检测PD或PIN光电探测器的电流，它的REF引脚是参考电流输入引脚，OUT 引脚是检测电压输出引脚，其电压值考电流值对应的输出电压范围是
0.25mV~2.5V。

0.25mV~2.5V的电压值需要变换
放大到所需要的电压范围，这通过由
运算放大器A4组成的同相比例运算电
路实现，如图6所示，其比例系数为
1+R f/R。

注意到一点，MAX4008的输
出电阻为10kΩ，而根据PIN、光强度
等的不同，MAX4008的输出电压可能
会低至几毫伏，为了防止输出电压在
下一级输入会有衰减，在MAX4008与
同相比例运算电路之间加一级电压跟
实验结果与分析
光电探测器选用S I E M E N S
SRD00111Z硅PIN光电探测器来模拟
激光器集成光电探测器，该光电探
测器最高功率谱密度集中在800nm；
作为实验，选用红色发光二极管
（LED）来模拟激光器。

DFB蝶形激
光器工作电流一般达到70mA，远超
过普通发光二极管的正常工作电流，
因此用20只发光二极管并联构成一只
图6 PIN光电探测器构成的固定增益反馈回路图7 根据采样点拟合得到电流源输入电
压与MAX4008输出电压关系曲线图
图9 连续6小时采样MAX4008输出电压
图8 电压比较器输出波形
一步预测状态方程为
（
状态估计方程为
（滤波增益为：
（12）
计算得到一步预测均方差：
（13）
则均方差误差估计：（14）。