半導(dǎo)體激光器控制器的發(fā)展現(xiàn)狀

鐘奇潤(rùn)，姜海明，戴俊珂，謝 康，胡志家

（合肥工業(yè)大學(xué)　儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，合肥230009）

半導(dǎo)體激光器控制器的發(fā)展現(xiàn)狀

鐘奇潤(rùn)，姜海明，戴俊珂，謝 康，胡志家

（合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，合肥230009）

綜述了半導(dǎo)體激光器控制器的發(fā)展現(xiàn)狀，著重介紹了國(guó)內(nèi)外多款激光器控制器的產(chǎn)品性能特點(diǎn)。最后，展望了半導(dǎo)體激光器的發(fā)展趨勢(shì)。

半導(dǎo)體激光器；電流驅(qū)動(dòng)；溫度控制

0　引言

隨著當(dāng)今英特網(wǎng)、社會(huì)信息化的迅猛發(fā)展，人們對(duì)光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率和容量的需求越來(lái)越高，由于密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)能夠更加充分地利用光纖的巨大資源，得以快速發(fā)展[1,2]。喇曼光纖放大器（Raman Fiber Amplifier,RFA）具備任意工作波長(zhǎng)、寬帶增益、分布式放大等優(yōu)良特性，已經(jīng)成為了DWDM通信系統(tǒng)的重要器件之一[3,4]。泵浦源是RFA的核心部分，它為信號(hào)光的放大提供能量，直接決定著RFA的性能[5]。因此，讓泵浦源的半導(dǎo)體激光器能穩(wěn)定可靠地工作是RFA的重中之重，這對(duì)半導(dǎo)體激光器控制器的性能要求很高[6]。基于上述技術(shù)背景，本文總結(jié)了半導(dǎo)體激光器控制器的發(fā)展與研究現(xiàn)狀，并著重介紹了國(guó)內(nèi)外部分廠商的產(chǎn)品。

1　半導(dǎo)體激光器控制器的發(fā)展與研究現(xiàn)狀

與其它類型的激光器相比，半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)及價(jià)格便宜等顯著特點(diǎn)，因此它的應(yīng)用范圍也隨著光通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而更加廣泛。但是，由于半導(dǎo)體激光器是一種相當(dāng)敏感的器件，它對(duì)電沖擊不具備很強(qiáng)的承受能力。在實(shí)際使用過(guò)程中，假如出現(xiàn)操作不當(dāng)，輕則影響激光器輸出功率的穩(wěn)定性，重則降低壽命，甚至造成不可逆的損壞。所以，為了能保證半導(dǎo)體激光器安全而穩(wěn)定地工作，控制器的研制具有重要意義。研究表明，半導(dǎo)體激光器的輸出光功率和波長(zhǎng)，同時(shí)受所注入的驅(qū)動(dòng)電流和工作溫度的影響[7]。要讓激光器工作在穩(wěn)定的狀態(tài)，控制器就必須能將激光器控制在合適的工作溫度，并且提供連續(xù)可調(diào)的電流。同時(shí)，為了防止浪涌沖擊、靜電擊穿等情況的發(fā)生，控制器必須具備完善的保護(hù)措施。

早期的半導(dǎo)體激光器控制器是由純硬件的模擬電路組成的，雖然控制精度較高，可以進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，但它的靈活性受限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制[8]。后來(lái)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展成熟，純模擬電路的半導(dǎo)體激光器控制器也朝著數(shù)字化的方向發(fā)展，使用了諸如單片機(jī)、DSP、FPGA等微控制器和集成芯片。這使得驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)得以簡(jiǎn)化、體積縮小，同時(shí)更加提高了半導(dǎo)體激光器的可靠性。現(xiàn)在，通過(guò)模擬電路與數(shù)字電路的綜合應(yīng)用，半導(dǎo)體激光器控制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)驅(qū)動(dòng)電流、工作溫度的精密控制，使激光器輸出功率的穩(wěn)定性得到提升。因此，它在軍事、醫(yī)療、工商業(yè)等諸多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。

吉林大學(xué)的集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室在半導(dǎo)體激光器控制器的研究上，尤其是在提升MOSFET管的線性度方面，做了大量工作：通過(guò)設(shè)計(jì)雙MOSFET管的電路結(jié)構(gòu)來(lái)減小漏電流引起的偏差，優(yōu)化電壓和電流的線性度；使用兩級(jí)模擬的比例積分負(fù)反饋控制，提高驅(qū)動(dòng)電流的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度；利用DSP技術(shù)，實(shí)現(xiàn)壓控恒流源的高速PID控制及高精度的分段擬合，很好地矯正系統(tǒng)的非線性，平均相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.965。他們研制的控制器系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電流長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定度可達(dá)4.62×10-6，線性度達(dá)0.0291%，在輸出大電流時(shí)穩(wěn)定度也能達(dá)10-3A[9～12]。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)許文海設(shè)計(jì)的連續(xù)半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源方案，在使用單片機(jī)作為主控的同時(shí)，融入FPGA技術(shù)，減輕了主控MCU的負(fù)擔(dān)并簡(jiǎn)化了外圍電路，使系統(tǒng)更加容易進(jìn)行擴(kuò)展，提升了可靠性。該方案溫控部分采用比例積分控制技術(shù)結(jié)合積分分離的思想，實(shí)現(xiàn)了溫度優(yōu)于±0.01℃的高穩(wěn)定度控制，電流穩(wěn)定度也達(dá)到10-4量級(jí)。同時(shí)，單片機(jī)軟啟動(dòng)、激光器管腳短接及限幅電路等設(shè)計(jì)也為激光器的運(yùn)行提供了可靠的保護(hù)措施[13,14]。

中北大學(xué)的劉談平綜合采用PWM和PID反饋技術(shù)，設(shè)計(jì)了可用于激光電視的半導(dǎo)體激光器電源，能同時(shí)控制電源的輸出電壓與輸出電流。他們運(yùn)用開關(guān)電源技術(shù)，克服了線性電源功耗大的缺點(diǎn)，整機(jī)效率可達(dá)92%以上，同時(shí)也具備線性電源易調(diào)制、低紋波的優(yōu)點(diǎn)，得到了0.5%的輸出紋波和0.19%的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定系數(shù)[15]。

國(guó)防科技大學(xué)梁迅研制的高穩(wěn)定高集成半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)器，以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片為核心，運(yùn)用PID反饋控制算法，每隔0.5秒進(jìn)行一次采樣計(jì)算，并改變溫度和電流的控制輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和電流的精密控制。該系統(tǒng)的溫度控制精度為±0.03℃，激光輸出功率穩(wěn)定度為±0.002dB[16]。

以上大部分的半導(dǎo)體激光器控制器都是在模擬控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，加入數(shù)字化的主控芯片，利用軟件實(shí)現(xiàn)各種控制算法，從而完成硬件的部分功能，使得系統(tǒng)的可靠性與精度得到明顯的提高。由此可見(jiàn)，半導(dǎo)體激光器的控制器正朝著數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體激光器輸出功率的穩(wěn)定度可達(dá)0.1%[17]。

2　國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體激光器控制器產(chǎn)品

上海技馳電子生產(chǎn)的連續(xù)半導(dǎo)體激光器電源、大功率恒流電源及半導(dǎo)體制冷電源等產(chǎn)品，采用數(shù)字化設(shè)計(jì)，整機(jī)配置完善、性能穩(wěn)定、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高。其中，J-CW0360系列的連續(xù)半導(dǎo)體激光器控制器輸出電流連續(xù)可調(diào)，具有優(yōu)良的電壓、電流輸出特性，輸出電壓精度為0.01%，紋波噪聲為0.1%；它帶有兩路TEC制冷電源，配備多重保護(hù)，防止開關(guān)機(jī)浪涌、過(guò)沖等現(xiàn)象的發(fā)生，能供中小功率半導(dǎo)體激光器使用。

深圳興博科技的產(chǎn)品在激光工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域以及光纖通信和光纖傳感領(lǐng)域都有應(yīng)用。該公司生產(chǎn)的激光器控制器適用于各種封裝、各種波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器，輸出的電壓、電流大小可根據(jù)用戶需求進(jìn)行定制，電流穩(wěn)定度優(yōu)于0.2%；電源可支持雙路溫控，溫度穩(wěn)定度優(yōu)于±0.1℃；同時(shí)，過(guò)熱、過(guò)流、過(guò)壓及防浪涌等保護(hù)功能，保障了電源的可靠性。

雖然國(guó)內(nèi)對(duì)半導(dǎo)體激光器控制器的研制在蓬勃發(fā)展，但由于起步比較晚，與國(guó)外公司的產(chǎn)品相比尚有一定的差距。

3　國(guó)外半導(dǎo)體激光器控制器產(chǎn)品

為了使半導(dǎo)體激光器安全穩(wěn)態(tài)地工作，世界各大廠家都花費(fèi)大量的人力、物力進(jìn)行研發(fā)工作，并取得了豐碩成果。目前，國(guó)外的半導(dǎo)體激光器控制器生產(chǎn)廠商較多，具代表性的有ILX Lightwave公司、Wavelength Electronics公司和Thorlabs公司等。

美國(guó)Newport旗下的ILX Lightwave公司，在全球激光二極管和其它光電子元件的高性能測(cè)試及測(cè)量解決方案方面，處于市場(chǎng)和技術(shù)上的領(lǐng)先地位。該公司提供了各種系列的激光器驅(qū)動(dòng)電源和溫度控制器，其產(chǎn)品簡(jiǎn)單易用，具有高可靠性和精準(zhǔn)性，被廣泛應(yīng)用于世界范圍內(nèi)的各種研發(fā)和生產(chǎn)領(lǐng)域。其中，代表產(chǎn)品LDC-3700C系列臺(tái)式半導(dǎo)體激光器控制器，是一款高性能、基于微處理器的工業(yè)級(jí)儀表，其電流的穩(wěn)定性高、噪聲低，最大輸出電流可達(dá)4A，短時(shí)間穩(wěn)定度為20ppm，24小時(shí)穩(wěn)定度為40ppm，輸出噪聲低至20μA；內(nèi)部集成有32W的溫度控制器，制冷電流可達(dá)4A，溫度控制部分可以通過(guò)熱敏電阻、IC、RTD溫度傳感器進(jìn)行，1小時(shí)溫度穩(wěn)定度為0.004℃，24小時(shí)溫度穩(wěn)定度為0.01℃。另外，該公司還有多通道半導(dǎo)體激光器控制器供用戶選用，最多有16個(gè)獨(dú)立的通道，可同時(shí)對(duì)多個(gè)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行精密的控制。而且，在ILX Lightwave的每種控制器中都配備了慢啟動(dòng)、可調(diào)的電流限制等保護(hù)措施，為激光器的運(yùn)行提供了可靠的保障。

美國(guó)的Wavelength Electronics公司憑借20多年的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，已生產(chǎn)出多種系列的半導(dǎo)體激光器控制器產(chǎn)品，其產(chǎn)品以精度高、穩(wěn)定性好、體積小及模塊化等特點(diǎn)而聞名。該公司的產(chǎn)品既有能提供完善保護(hù)電路的控制器模塊，也有集成化的電流驅(qū)動(dòng)、溫度控制芯片，體積小、易用的優(yōu)點(diǎn)為體積受限的應(yīng)用提供了便利。其中，WLD3343是一款雙列直插式的電流驅(qū)動(dòng)芯片，可使用+5的單電源供電，驅(qū)動(dòng)電流最大能達(dá)到3A，能在恒定電流和恒定功率兩種模式下工作；同時(shí)具備慢啟動(dòng)、熱關(guān)斷、電流范圍及限定值可調(diào)等功能，使其能與任何類型的激光二極管兼容。該公司生產(chǎn)的LDTC2/2是一款小型半導(dǎo)體激光器控制器，所使用的驅(qū)動(dòng)電源芯片就是WLD3343，最大可輸出2.2A的驅(qū)動(dòng)電流，在恒流模式下，24小時(shí)的穩(wěn)定度為75ppm；溫控芯片使用的是WTC3243，能提供2.2A的制冷電流，利用超穩(wěn)的PI控制，24小時(shí)的溫度穩(wěn)定度為0.002℃。

Thorlabs公司生產(chǎn)的兩套測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)（PRO8和TXP）都是功能強(qiáng)大的光子學(xué)測(cè)試及測(cè)量平臺(tái)。模塊化的設(shè)計(jì)使得一臺(tái)主機(jī)既能控制半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)和溫控模塊，也能控制波分復(fù)用DFB激光源、光開關(guān)等模塊，滿足了研究機(jī)構(gòu)、工業(yè)測(cè)試的需求。用于PRO8平臺(tái)的LDC8000系列激光二極管驅(qū)動(dòng)模塊，具有極低的噪聲和漂移，最大輸出電流從100mA至8A可選，驅(qū)動(dòng)電流設(shè)定精度為16位；每個(gè)模塊都具有高度可靠的保護(hù)功能，如多種限流、軟啟動(dòng)、斷電保護(hù)等。與電流驅(qū)動(dòng)模塊配套使用的TED8000系列溫度控制模塊，能提供最大8A的制冷電流，功率可達(dá)64W，具有極高標(biāo)準(zhǔn)的溫度精度、漂移性能以及噪聲小、雙極性輸出等優(yōu)點(diǎn)，可為激光器的理想運(yùn)行和其它需要精密熱控制的應(yīng)用需求提供優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性。

4　結(jié)束語(yǔ)

以上我們綜述了國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體激光器控制器的發(fā)展現(xiàn)狀，由此可知，半導(dǎo)體激光器控制器正朝著高精度、高穩(wěn)定性、功能多樣、保護(hù)措施完善、模塊化及小型化的方向發(fā)展。目前，半導(dǎo)體激光器控制器的電流控制精度可達(dá)0.001mA，短時(shí)間穩(wěn)定度達(dá)20ppm，長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定度達(dá)40ppm；溫度控制精度為0.001℃，長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定度可達(dá)0.002℃。但是，國(guó)內(nèi)廠家所研制的半導(dǎo)體激光器控制器的性能與國(guó)外廠家的同類產(chǎn)品相比尚有較大差距，主要體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電流精度低、溫控穩(wěn)定性差以及保護(hù)功能缺失等方面。因此，研制電流穩(wěn)定性較高、溫控穩(wěn)定性好以及具備較齊全保護(hù)功能的半導(dǎo)體激光器控制器，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益，并且對(duì)國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體激光器控制技術(shù)的發(fā)展有著重要意義。

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Development situations of semiconductor laser controllers

ZHONG Qi-run,JIANG Hai-ming,DAI Jun-ke,XIE Kang,HU Zhi-jia
(School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering, Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

The article summarizes the current development of the semiconductor laser controllers,and it especially introduces the characteristics of many controllers at home and abroad.Finally,the paper prospects the development trend of the semiconductor laser controller.

semiconductor laser,current driver,temperature control

TN248.4

A

1002-5561（2016）05-0052-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.05.016

2016-01-19。

國(guó)家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號(hào)：60607005,60877033）資助。

鐘奇潤(rùn)（1990-），男，碩士研究生，主要從事半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源方面的研究。