外腔半导体激光器驱动源的电路设计与实现

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1、外腔半导体激光器驱动源的电路设计与实现曼苏尔于晋龙（天津大学电信学院天津300072）摘要：外腔可调谐半导体激光器系统中的核心部分――半导体激光器是对外界环境很敏感的部件，需要有不随负载变化的恒定电流对其驱动。此外，驱动源需要将给定信号、稳频反馈信号以及标准频率信号进行合成。本文在借鉴常用的一些恒流源设计基础上，给出了一种实用的高精度恒流源的设计，并将几个输入信号进行合成，实现对驱动电流进行控制。对整个电路做出了实验仿真和测试。电流稳定达到0.1％以上。关键词：外腔半导体激光器，稳流源，慢启动，慢关闭，信号合成HighAccurateCurrentStabil

2、izationCircuitDesignandExperimentofExternalCavityLaserDiodeHakimiJinlongYu(CollegeofElectronicandCommunicationEngineering,TianjinUniversity,Tianjin,300072)Abstract:Thelaserdiodewhichisthekeyofexternalcavitylaserdiode(ECLD)isverytenderpart.Itiseasilydamagedbytheimpactofthevoltage,cur

3、rentandstaticwhenitsassemblyandrunning.Nowadaystheanti-jammingofmoststabilizationcurrentlaserisshortcoming.Inthepaper,theprincipleandmethodforthehighaccuratestabilizationaredescribed.Theprojectisdesignedbytheexperimentandtested.Keyword:ECLD,stabilizationcurrentsource,slowstartup,sig

4、ncombination一、引言可调谐半导体激光器具有光谱纯度高、波长覆盖范围广、结构紧凑、效率高、成本低、可靠性好、使用方便和易于集成等突出特点。90年代以来，已在光纤通信、光外差传感、高分辨率光谱测量及生物医学等诸多领域有广泛的应用。整个可调谐半导体激光器分为激光器、驱动电源、自动功率控制电路（APC）、自动温度控制电路（ATC）、外腔吸收池以及光纤光栅等几部分组成，如下图1所示为整个外腔半导体激光器系统，其核心部分为高精度的半导体激光器，然而半导体激光器是很脆弱的部件。在电路装配时受静电干扰影响，工作过程中受电压、电流的浪涌影响而极易被损坏，当电源被随意

5、关闭或开启、或出现较快速电压波动时都会导致激光器永久性的损坏。现今常用的半导体激光设备工作用稳流电源抗干扰能力较差，迫切需要有适用于高精度激光器用的稳流驱动源，实现防浪涌、慢启动慢关闭、当然还要有电流负反馈稳定等功能，实现对激光器的驱动和保护。驱动电流源滤波器低频信号发生器自适应信号处理滤波器放大器鉴相器光电检测饱和吸收池半导体激光器高压温度控制光纤光栅步进电机保护电路图1吸收式外腔半导体激光器稳频原理图Fig1StabilizingfrequencyforabsorptionECLDprinciplepicture一、半导体激光器的功率特性分析各激光二极管的

6、性能都有所不同，本试验中采用的是海特光电子技术公司的N型W15-2303半导体激光器（内带尾纤），其主要参数如图2所示（横坐标为波长，单位nm，纵坐标为功率，单位dBm）。图2半导体激光器特性曲线Fig2thecharacteristiccurveofLD激光器工作温度25.0℃，阈值电流为12.6mA，正向偏置电流25.5mA，选择激光器工作电流在20～40mA。由图可见，随着外界因素的影响，激光二极管输出光功率将变化，为使得激光强度稳定，必须安装高精度的激光器稳流电路，驱动激光器发射稳定频率的光束。一、半导体激光器的稳流电路设计由图1中看出，吸收式外腔激光

7、器系统中有一个鉴相模块，功能是将输出激光信号的频率与标准信号进行比较，得到一个可以体现频差信号的模拟量，再输入驱动电源中进行反馈控制。因此，驱动电源部共有三个输入端口：输入给定信号、标准频率信号以及鉴相反馈信号。如图3所示。驱动电源低频信号发生器鉴相器保护电路LD图3驱动电源部分示意图图4恒流原理图Fig3thecircuitofpowersourcepartFig4theprinciplechartpfdistantcurrent通过以上分析，驱动电源主要包含三大部分：稳流源部分、信号合成部分和慢启动慢关闭部分。1、恒流电路：图4为稳流电路原理图，采用高精度

8、的放大器，运用放大器的“虚短”功能，在