高穩(wěn)定性半導(dǎo)體激光器功率控制電路設(shè)計(jì)和測(cè)試

張書(shū)君,李 楠,朱曉杰,張 鋆

(1.北京局駐北京地區(qū)第四軍事代表室,北京 100094;2.中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)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(dǎo)體激光器模塊的激光信標(biāo)系統(tǒng)[1],該激光信標(biāo)系統(tǒng)用于發(fā)出指定功率的穩(wěn)定發(fā)散光束,配合地面的光電成像系統(tǒng)對(duì)激光信標(biāo)的捕獲、識(shí)別和跟蹤,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器位置和姿態(tài)的解算。

為便于地面光電成像系統(tǒng)對(duì)激光信標(biāo)的跟蹤,需要該激光信標(biāo)系統(tǒng)在其較寬的工作溫度范圍內(nèi)具有很好的輸出功率穩(wěn)定性。常溫環(huán)境下,使用探測(cè)器監(jiān)測(cè)半導(dǎo)體激光器輸出功率,與設(shè)定的功率值進(jìn)行比較,調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器的供電電流,從而對(duì)激光器輸出功率進(jìn)行閉環(huán)控制是常用的功率控制方法,可以得到很好的輸出功率穩(wěn)定性[2-4]。除此之外,還有使用恒流源輸出穩(wěn)定的電流對(duì)半導(dǎo)體激光器的輸出功率進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制的方法[5]。

基于以上兩種思路,本文設(shè)計(jì)了兩種半導(dǎo)體激光器模塊功率控制電路,通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證分析比較了兩種控制電路在高低溫條件下對(duì)半導(dǎo)體激光器模塊輸出功率穩(wěn)定性的控制效果。

2 半導(dǎo)體激光器模塊功率控制電路設(shè)計(jì)

2.1 定功率閉環(huán)控制電路

定功率閉環(huán)控制電路的原理如圖1所示。半導(dǎo)體激光器模塊(如圖2)內(nèi)部的光電二極管(PD)將激光二極管(LD)的后端面發(fā)射光作為反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換成光生電流,并經(jīng)過(guò)一個(gè)高精度的運(yùn)放比例放大、濾波后,由單片機(jī)系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)采集實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器模塊輸出功率監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)的輸出功率值與用戶給定的功率值進(jìn)行比較,經(jīng)算法處理后通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)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(huán)控制電路原理框圖

圖2 半導(dǎo)體激光器模塊結(jié)構(gòu)示意圖

電流控制電路的原理如圖3所示,由單片機(jī)系統(tǒng)的D/A輸出的控制電壓Vr加載在運(yùn)放A1的同相端,該運(yùn)放控制場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通程度,從而獲得相應(yīng)的輸出電流,輸出電流在取樣電阻上產(chǎn)生取樣電壓,該取樣電壓經(jīng)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(jìn)行比較,對(duì)運(yùn)放A1的輸出電壓進(jìn)行調(diào)整,進(jìn)而對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管的輸出電流進(jìn)行調(diào)整,使整個(gè)電流控制電路處于動(dòng)態(tài)的平衡中,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電流輸出。輸出的電流作為半導(dǎo)體激光器的工作電流,完成功率控制。電路采用12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLV5638產(chǎn)生控制電壓,數(shù)模轉(zhuǎn)換器的參考電壓使用高精度電壓源AD780產(chǎn)生,則電流控制精度表示為:

(1)

其中,UREF為參考電壓。設(shè)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(shè)定半導(dǎo)體激光器的工作電流約為1.7 A,在該狀態(tài)下工作電流與激光輸出功率為線性關(guān)系,則半導(dǎo)體激光器的激光輸出功率偏差控制在0.036 %以?xún)?nèi)。

圖3 電流控制電路原理框圖

在定功率閉環(huán)控制電路電路中,半導(dǎo)體激光器模塊的激光輸出功率由光電二極管監(jiān)測(cè)的激光功率與單片機(jī)中設(shè)定的輸出功率值進(jìn)行比較來(lái)進(jìn)行閉環(huán)控制。

2.2 定電壓開(kāi)環(huán)控制電路

定電壓開(kāi)環(huán)控制電路的原理如圖4所示。由單片機(jī)系統(tǒng)直接輸出設(shè)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(huán)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(dǎo)體激光器的工作電流,完成功率控制。該電路中,半導(dǎo)體激光器模塊的輸出功率實(shí)際由單片機(jī)系統(tǒng)輸出的模擬電壓進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制,單片機(jī)中設(shè)定的值為半導(dǎo)體激光器的工作電流值。

圖4 定電壓開(kāi)環(huán)控制電路原理框圖

3 輸出功率穩(wěn)定性測(cè)試

3.1 測(cè)試方法

采用一段時(shí)間內(nèi)激光輸出功率不穩(wěn)定度St衡量半導(dǎo)體激光器模塊輸出功率的穩(wěn)定性,不穩(wěn)定度值越小則半導(dǎo)體激光器模塊輸出功率越穩(wěn)定。輸出功率不穩(wěn)定度St的測(cè)試方法如下:

1)從半導(dǎo)體激光器模塊出光開(kāi)始計(jì)時(shí),到120 s時(shí)計(jì)時(shí)刻為t0,從t0時(shí)刻開(kāi)始采用光功率計(jì)對(duì)激光輸出端功率進(jìn)行監(jiān)測(cè),每隔1 s記錄1個(gè)光功率數(shù)據(jù),到時(shí)刻tn為止(一般取n≥1800)測(cè)得(n+1)個(gè)光功率數(shù)據(jù)P0,P1,P2,…,Pn。

2)計(jì)算該組光功率數(shù)據(jù)的平均值Pave,以及該組光功率數(shù)據(jù)的最大值和最小值之差ΔP；

3)根據(jù)下列公式計(jì)算輸出功率不穩(wěn)定度St:

(2)

3.2 測(cè)試結(jié)果

選取北京凱普林公司和Axcel公司的兩型 808 nm半導(dǎo)體激光器模塊測(cè)試兩種電路的輸出功率控制效果,兩型半導(dǎo)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(dǎo)體激光器的光纖連接至溫箱外部的激光功率計(jì)來(lái)測(cè)量半導(dǎo)體激光器輸出功率。常溫下設(shè)定半導(dǎo)體激光器模塊輸出功率點(diǎn)為1250 mW,測(cè)試其在-45 ℃、-20 ℃、+55 ℃、+70 ℃四個(gè)溫度點(diǎn)下出光2 min后30 min內(nèi)的輸出功率不穩(wěn)定度,測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 兩種控制方式的輸出功率不穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果可以看出,同一半導(dǎo)體激光器模塊在高溫和低溫工作時(shí)采用定電壓開(kāi)環(huán)控制方式的輸出功率穩(wěn)定性整體優(yōu)于采用定功率閉環(huán)控制方式的輸出功率穩(wěn)定性。

3.3 結(jié)果分析

半導(dǎo)體激光器是一種溫度敏感器件[6-7],工作溫度穩(wěn)定情況下特定的工作電壓對(duì)應(yīng)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(wěn)定性。由于激光信標(biāo)工作過(guò)程中環(huán)境溫度有較大的波動(dòng),設(shè)備內(nèi)部無(wú)法提供一個(gè)恒定的溫度條件,再加上極限溫度下激光器模塊內(nèi)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(wěn)定出光。理想條件下,對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行定功率閉環(huán)控制,可以得到很好的輸出功率穩(wěn)定性。

實(shí)際上,在定功率閉環(huán)控制中用于監(jiān)測(cè)半導(dǎo)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(chǎn)生的光生電流與激光器輸出功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系不同于常溫條件,故高低溫條件下定功率閉環(huán)控制電路不能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)半導(dǎo)體激光器輸出功率,從而不能實(shí)現(xiàn)輸出功率的準(zhǔn)確控制。相比之下,高低溫工作時(shí)采用定電壓開(kāi)環(huán)控制的半導(dǎo)體激光器模塊輸出功率更加穩(wěn)定。

4 總 結(jié)

本文針對(duì)飛行器表面安裝激光信標(biāo)系統(tǒng)以及優(yōu)化其寬溫范圍下激光輸出功率穩(wěn)定性的需求,設(shè)計(jì)了兩種半導(dǎo)體激光器模塊功率控制電路,并測(cè)試了兩種電路在高低溫工作時(shí)的輸出功率控制效果。測(cè)試結(jié)果表明,在高低溫工作時(shí),采用定電壓開(kāi)環(huán)控制方式的半導(dǎo)體激光器輸出功率穩(wěn)定性?xún)?yōu)于采用定功率閉環(huán)控制的半導(dǎo)體激光器。