低功率980nm波長半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電路設(shè)計

董陽+陳海燕+程昌彥+黃春雄

摘 要： 設(shè)計一種用于光生微波/毫米波信號源的低功率980 nm波長半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電路，主要包括保護電路、反饋電路、功率檢測、恒流源設(shè)計、溫控電路及單片機顯示電路等。將所設(shè)計的驅(qū)動電路用于LDM9P603型蝶形激光器的驅(qū)動，對980 nm波長泵浦激光器的輸出特性進行測試。

關(guān)鍵詞： 980 nm波長泵浦源； 恒流源； 溫度控制器； 單片機控制器

中圖分類號： TN248.4?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）13?0119?03

Design of driving circuit of low?power 980 nm laser diode

DONG Yang， CHEN Hai?yan， CHENG Chang?yan， HUANG Chun?xiong

（School of Physics Science and Technology， Yangtze University， Jingzhou 434023， China）

Abstract： The driving circuit of a low?power 980 nm LD used for the photonic generation microwave and millimeter wave signal sources was designed， which consists of protection circuit， feedback circuit， optical power detection， constant?current source design， temperature control circuit， MCU display circuit， etc. The circuit is used to derive the LDM9P903 butterfly LD. The output characteristics of 980 nm LD were tested.

Keywords： 980 nm LD； constant?current source； temperature controller； MCU controller

0 引 言

高性能的980 nm波長半導(dǎo)體激光器（LD）在激光器、光放大器、光信息處理等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用[1?5]。穩(wěn)定的驅(qū)動電路是實現(xiàn)高性能980 nm波長泵浦激光器的重要保證。由于LD對于電流變化的承受能力較差，微小的電流變化將導(dǎo)致光輸出的極大變化，這些變化直接危及器件的安全使用，因而在實際應(yīng)用中對驅(qū)動電源的性能穩(wěn)定和安全保護有著很高的要求。為了保證激光器的穩(wěn)定工作、性能可靠和使用壽命長，需要設(shè)計出具有抗干擾能力強、具有保護特性的電源及驅(qū)動電路[6?10] 。

本文設(shè)計一種用于LDM9P603半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電路，該激光器的中心波長為980 nm，并對激光系統(tǒng)的輸出特性進行測試。

1 980 nm波長激光器系統(tǒng)的基本組成

980 nm波長泵浦激光器系統(tǒng)由電源、保護電路、激光二極管驅(qū)動電路、溫控電路及顯示電路組成。激光器系統(tǒng)選用LDM9P603半導(dǎo)體激光器作為系統(tǒng)光源，該激光器是一款具有14引腳的蝶形封裝激光器，其最大正向電流為192 mA，最大輸出功率為110 mW，閾值電流為15 mA，最大工作電壓1.5 V，中心波長為973 nm， 工作溫度范圍為-20 ℃～70 ℃。

2 電源及保護電路

電源電路的好壞直接影響系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，針對開關(guān)閉合和開啟會產(chǎn)生很大沖擊電流，導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器損壞和電流不穩(wěn)定，進而會改變其輸出功率的特點，在設(shè)計電源電路的同時，采用慢啟動電路，電路原理圖如圖1所示。 用12 V的開關(guān)電源供電，濾波后經(jīng)三端集成器U1（LM7806）轉(zhuǎn)變?yōu)? V電壓，通過電阻[R12]給大電容[C11]充電，電容[C12]連接三極管的基極，電容[C11]在充電的過程中電壓不斷升高使得功率管Q3，Q4的狀態(tài)由截止變?yōu)閷?dǎo)通，當(dāng)電容充滿電時，功率管處于導(dǎo)通狀態(tài)，電壓輸出端輸出約5 V的電壓。在輸出端并聯(lián)幾個濾波電容，使輸出電壓紋波更小。該電路給激光器的驅(qū)動電路、溫控電路以及顯示電路供電。

3 電流可調(diào)驅(qū)動電路

半導(dǎo)體激光器在工作時要求工作電流非常穩(wěn)定，電路中的電流不受激光器的非線性特性影響，供電電路必須是低噪聲的恒流電路，電流可調(diào)驅(qū)動電路的原理圖如圖2所示，整個電路由上述慢啟動電路供電。

該電路為電流串聯(lián)負反饋電路，由[R8]采樣的電壓經(jīng)過電壓跟隨器反饋給運算放大器的反向輸入端，正向輸入端接滑動變阻器，改變滑動變阻器阻值可以改變正向輸入電壓，[R8]的采樣電壓[U8]等于滑動變阻器輸入運放正向輸入端的電壓，范圍為0～2 V可調(diào)，通過[R8]的電流[I8=U8R8]變化范圍為0～200 mA，即通過LDM9P603的電流在0～200 mA范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。[R8]選用康銅絲作為采樣電阻，康銅電阻穩(wěn)定性好，電阻隨溫度變化小，Q3，Q4作為調(diào)整管，D2為開關(guān)二級管IN4148，用于減少電流的改變對激光器的損害。

4 溫控電路

溫控電路控制LD泵浦模塊的溫度變化響應(yīng)，使熱電致冷器的驅(qū)動電流維持在合適的工作溫度，其核心部分是MAXIN公司的MAX1969芯片，如圖3所示。MAX1969是高度集成、高效率的脈沖寬度調(diào)制開關(guān)型驅(qū)動器，可以實現(xiàn)0.01 ℃的控制精度。采用直接電流控制，消除了熱電致冷器中的浪涌電流。

5 顯示電路

顯示電路如圖4所示，整個系統(tǒng)主要由8位單片機STC12C5A60S2和1602液晶顯示器構(gòu)成，用于顯示激光器的工作電流與功率的大小，實時監(jiān)測激光器的工作狀態(tài)。STC12C5A60S2是一種增強型51單片機，不僅速度比89C52快，而且內(nèi)部還集成了一個8通道的10位ADC，轉(zhuǎn)換速度為250 kHz，該ADC精度高，轉(zhuǎn)換速度較快，完全可以滿足測量要求。將一個精度較高、穩(wěn)定性好的小電阻[R1]與激光器串聯(lián)，通過單片機測量電阻[R1]兩端的電壓[U1，][U2，]激光器LD兩端的電壓[U2，][U3，]通過程序可以將流過激光器的電流和功率顯示在1602上，其中[I=（U1-U2）R，P=I（U2-U3） 。]

6 測試結(jié)果

圖5為980 nm波長泵浦激光器的輸出特性曲線。激光器的閾值在18 mA左右，當(dāng)泵浦電流為150 mA時，泵浦激光器的輸出功率為54.5 mW。所得輸出功率比廠商所給出的參考值略偏小，這時由于測試光纖的熔接及活動跳線鏈接頭導(dǎo)致額外插入損耗，所得結(jié)果在可接受范圍之內(nèi)。此外，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了測試，結(jié)果表明，系統(tǒng)連續(xù)工作0.5～4.5 h后，系統(tǒng)輸出電流沒有變化，表明驅(qū)動電源的電流穩(wěn)定性較好。

圖4 顯示電路

圖5 980 nm激光器輸出特性

7 結(jié) 語

設(shè)計了用于光生微波-毫米信號源的低功率980 nm波長泵浦激光器系統(tǒng)的驅(qū)動電路，并對激光器系統(tǒng)進行測試，測試結(jié)果表明，激光器的閾值在18 mA左右，當(dāng)泵浦電流為150 mA時，泵浦激光器的輸出功率為54.5 mW。該激光器具有良好的溫度、電流穩(wěn)定性，制作成本低廉。

注：本文通訊作者為陳海燕。

參考文獻

[1] 廖平，莫少武.用于光纖測量的1 310 nm/1 550 nm半導(dǎo)體激光驅(qū)動電源[J].激光技術(shù)，2013，37（4）： 541?546.

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[6] 叢夢龍，李黎，崔艷松，等.控制半導(dǎo)體激光器的高穩(wěn)定度數(shù)字化驅(qū)動電源的設(shè)計[J].光學(xué)精密工程，2010，18（7）：1629?1637.

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[8] 陶寧，姜海明，肖峻，等.光纖放大器抽運模塊LD驅(qū)動電流源設(shè)計[J].激光技術(shù)，2010，34（6）：819?824.

[9] 黎維華，唐軍，陳亞男，等.FEL驅(qū)動激光器的研究[J].激光技術(shù)，2009，33（6）：619?621.

[10] 張壽棋，樓祺洪，周軍，等.連續(xù)可調(diào)納秒脈沖LD驅(qū)動電源的研制[J].激光技術(shù)，2008，32（4）：396?399.

6 測試結(jié)果

圖5為980 nm波長泵浦激光器的輸出特性曲線。激光器的閾值在18 mA左右，當(dāng)泵浦電流為150 mA時，泵浦激光器的輸出功率為54.5 mW。所得輸出功率比廠商所給出的參考值略偏小，這時由于測試光纖的熔接及活動跳線鏈接頭導(dǎo)致額外插入損耗，所得結(jié)果在可接受范圍之內(nèi)。此外，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了測試，結(jié)果表明，系統(tǒng)連續(xù)工作0.5～4.5 h后，系統(tǒng)輸出電流沒有變化，表明驅(qū)動電源的電流穩(wěn)定性較好。

圖4 顯示電路

圖5 980 nm激光器輸出特性

7 結(jié) 語

設(shè)計了用于光生微波-毫米信號源的低功率980 nm波長泵浦激光器系統(tǒng)的驅(qū)動電路，并對激光器系統(tǒng)進行測試，測試結(jié)果表明，激光器的閾值在18 mA左右，當(dāng)泵浦電流為150 mA時，泵浦激光器的輸出功率為54.5 mW。該激光器具有良好的溫度、電流穩(wěn)定性，制作成本低廉。

注：本文通訊作者為陳海燕。

參考文獻

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6 測試結(jié)果

圖5為980 nm波長泵浦激光器的輸出特性曲線。激光器的閾值在18 mA左右，當(dāng)泵浦電流為150 mA時，泵浦激光器的輸出功率為54.5 mW。所得輸出功率比廠商所給出的參考值略偏小，這時由于測試光纖的熔接及活動跳線鏈接頭導(dǎo)致額外插入損耗，所得結(jié)果在可接受范圍之內(nèi)。此外，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了測試，結(jié)果表明，系統(tǒng)連續(xù)工作0.5～4.5 h后，系統(tǒng)輸出電流沒有變化，表明驅(qū)動電源的電流穩(wěn)定性較好。

圖4 顯示電路

圖5 980 nm激光器輸出特性

7 結(jié) 語

設(shè)計了用于光生微波-毫米信號源的低功率980 nm波長泵浦激光器系統(tǒng)的驅(qū)動電路，并對激光器系統(tǒng)進行測試，測試結(jié)果表明，激光器的閾值在18 mA左右，當(dāng)泵浦電流為150 mA時，泵浦激光器的輸出功率為54.5 mW。該激光器具有良好的溫度、電流穩(wěn)定性，制作成本低廉。

注：本文通訊作者為陳海燕。

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