高穩定性半導體激光器功率控制電路設計和測試

張書君,李 楠,朱曉杰,張 鋆

(1.北京局駐北京地區第四軍事代表室,北京 100094;2.中國船舶工業系統工程研究院,北京 100094)

1 引 言

在有些飛行器的表面安裝有基于半導體激光器模塊的激光信標系統[1],該激光信標系統用于發出指定功率的穩定發散光束,配合地面的光電成像系統對激光信標的捕獲、識別和跟蹤,從而實現對飛行器位置和姿態的解算。

為便于地面光電成像系統對激光信標的跟蹤,需要該激光信標系統在其較寬的工作溫度范圍內具有很好的輸出功率穩定性。常溫環境下,使用探測器監測半導體激光器輸出功率,與設定的功率值進行比較,調節半導體激光器的供電電流,從而對激光器輸出功率進行閉環控制是常用的功率控制方法,可以得到很好的輸出功率穩定性[2-4]。除此之外,還有使用恒流源輸出穩定的電流對半導體激光器的輸出功率進行開環控制的方法[5]。

基于以上兩種思路,本文設計了兩種半導體激光器模塊功率控制電路,通過試驗驗證分析比較了兩種控制電路在高低溫條件下對半導體激光器模塊輸出功率穩定性的控制效果。

2 半導體激光器模塊功率控制電路設計

2.1 定功率閉環控制電路

定功率閉環控制電路的原理如圖1所示。半導體激光器模塊(如圖2)內部的光電二極管(PD)將激光二極管(LD)的后端面發射光作為反饋信號轉換成光生電流,并經過一個高精度的運放比例放大、濾波后,由單片機系統的模數轉換器(A/D)采集實現半導體激光器模塊輸出功率監測。監測的輸出功率值與用戶給定的功率值進行比較,經算法處理后通過數模轉換器(D/A)輸出模擬電壓,作為電流控制電路的輸入。

圖1 定功率閉環控制電路原理框圖

圖2 半導體激光器模塊結構示意圖

電流控制電路的原理如圖3所示,由單片機系統的D/A輸出的控制電壓Vr加載在運放A1的同相端,該運放控制場效應管的導通程度,從而獲得相應的輸出電流,輸出電流在取樣電阻上產生取樣電壓,該取樣電壓經A2放大后作為反饋電壓反饋回電壓放大器A1的反相輸入端,并與同相輸入端的電壓Vr進行比較,對運放A1的輸出電壓進行調整,進而對場效應管的輸出電流進行調整,使整個電流控制電路處于動態的平衡中,實現穩定的電流輸出。輸出的電流作為半導體激光器的工作電流,完成功率控制。電路采用12位數模轉換器TLV5638產生控制電壓,數模轉換器的參考電壓使用高精度電壓源AD780產生,則電流控制精度表示為:

(1)

其中,UREF為參考電壓。設定UREF為2.5 V,取樣電阻R為溫漂<50 ppm/℃的0.1 Ω合金電阻,R1=9.09 kΩ,R2=1 kΩ,則電流控制精度ΔI為0.6 mA。設定半導體激光器的工作電流約為1.7 A,在該狀態下工作電流與激光輸出功率為線性關系,則半導體激光器的激光輸出功率偏差控制在0.036 %以內。

圖3 電流控制電路原理框圖

在定功率閉環控制電路電路中,半導體激光器模塊的激光輸出功率由光電二極管監測的激光功率與單片機中設定的輸出功率值進行比較來進行閉環控制。

2.2 定電壓開環控制電路

定電壓開環控制電路的原理如圖4所示。由單片機系統直接輸出設定的模擬電壓作為電流控制電路的輸入,電流控制電路的原理與定功率閉環控制電路的電流控制電路原理相同。電流控制電路輸出的電流作為半導體激光器的工作電流,完成功率控制。該電路中,半導體激光器模塊的輸出功率實際由單片機系統輸出的模擬電壓進行開環控制,單片機中設定的值為半導體激光器的工作電流值。

圖4 定電壓開環控制電路原理框圖

3 輸出功率穩定性測試

3.1 測試方法

采用一段時間內激光輸出功率不穩定度St衡量半導體激光器模塊輸出功率的穩定性,不穩定度值越小則半導體激光器模塊輸出功率越穩定。輸出功率不穩定度St的測試方法如下:

1)從半導體激光器模塊出光開始計時,到120 s時計時刻為t0,從t0時刻開始采用光功率計對激光輸出端功率進行監測,每隔1 s記錄1個光功率數據,到時刻tn為止(一般取n≥1800)測得(n+1)個光功率數據P0,P1,P2,…,Pn。

2)計算該組光功率數據的平均值Pave,以及該組光功率數據的最大值和最小值之差ΔP；

3)根據下列公式計算輸出功率不穩定度St:

(2)

3.2 測試結果

選取北京凱普林公司和Axcel公司的兩型 808 nm半導體激光器模塊測試兩種電路的輸出功率控制效果,兩型半導體激光器模塊的輸出方式均為光纖耦合輸出。將兩種電路板先后與同一激光器模塊連接并放入溫箱中,將半導體激光器的光纖連接至溫箱外部的激光功率計來測量半導體激光器輸出功率。常溫下設定半導體激光器模塊輸出功率點為1250 mW,測試其在-45 ℃、-20 ℃、+55 ℃、+70 ℃四個溫度點下出光2 min后30 min內的輸出功率不穩定度,測試結果如表1所示。

表1 兩種控制方式的輸出功率不穩定度測試結果

從測試結果可以看出,同一半導體激光器模塊在高溫和低溫工作時采用定電壓開環控制方式的輸出功率穩定性整體優于采用定功率閉環控制方式的輸出功率穩定性。

3.3 結果分析

半導體激光器是一種溫度敏感器件[6-7],工作溫度穩定情況下特定的工作電壓對應特定的輸出功率,輸入電流和工作溫度的變化直接影響輸出功率的穩定性。由于激光信標工作過程中環境溫度有較大的波動,設備內部無法提供一個恒定的溫度條件,再加上極限溫度下激光器模塊內部溫控能力有限,在工作電壓不變的情況下很難保證激光器穩定出光。理想條件下,對半導體激光器進行定功率閉環控制,可以得到很好的輸出功率穩定性。

實際上,在定功率閉環控制中用于監測半導體激光器輸出功率的光電二極管也是一種溫度敏感的器件[8-9]。在高低溫條件下光電二極管產生的光生電流與激光器輸出功率的對應關系不同于常溫條件,故高低溫條件下定功率閉環控制電路不能準確監測半導體激光器輸出功率,從而不能實現輸出功率的準確控制。相比之下,高低溫工作時采用定電壓開環控制的半導體激光器模塊輸出功率更加穩定。

4 總 結

本文針對飛行器表面安裝激光信標系統以及優化其寬溫范圍下激光輸出功率穩定性的需求,設計了兩種半導體激光器模塊功率控制電路,并測試了兩種電路在高低溫工作時的輸出功率控制效果。測試結果表明,在高低溫工作時,采用定電壓開環控制方式的半導體激光器輸出功率穩定性優于采用定功率閉環控制的半導體激光器。