半导体激光器控制器的发展现状

钟奇润，姜海明，戴俊珂，谢 康，胡志家

（合肥工业大学　仪器科学与光电工程学院，合肥230009）

半导体激光器控制器的发展现状

钟奇润，姜海明，戴俊珂，谢 康，胡志家

（合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，合肥230009）

综述了半导体激光器控制器的发展现状，着重介绍了国内外多款激光器控制器的产品性能特点。最后，展望了半导体激光器的发展趋势。

半导体激光器；电流驱动；温度控制

0　引言

随着当今英特网、社会信息化的迅猛发展，人们对光纤通信系统的传输速率和容量的需求越来越高，由于密集波分复用（DWDM）技术能够更加充分地利用光纤的巨大资源，得以快速发展[1,2]。喇曼光纤放大器（Raman Fiber Amplifier,RFA）具备任意工作波长、宽带增益、分布式放大等优良特性，已经成为了DWDM通信系统的重要器件之一[3,4]。泵浦源是RFA的核心部分，它为信号光的放大提供能量，直接决定着RFA的性能[5]。因此，让泵浦源的半导体激光器能稳定可靠地工作是RFA的重中之重，这对半导体激光器控制器的性能要求很高[6]。基于上述技术背景，本文总结了半导体激光器控制器的发展与研究现状，并着重介绍了国内外部分厂商的产品。

1　半导体激光器控制器的发展与研究现状

与其它类型的激光器相比，半导体激光器具有体积小、重量轻、寿命长及价格便宜等显著特点，因此它的应用范围也随着光通信产业的发展而更加广泛。但是，由于半导体激光器是一种相当敏感的器件，它对电冲击不具备很强的承受能力。在实际使用过程中，假如出现操作不当，轻则影响激光器输出功率的稳定性，重则降低寿命，甚至造成不可逆的损坏。所以，为了能保证半导体激光器安全而稳定地工作，控制器的研制具有重要意义。研究表明，半导体激光器的输出光功率和波长，同时受所注入的驱动电流和工作温度的影响[7]。要让激光器工作在稳定的状态，控制器就必须能将激光器控制在合适的工作温度，并且提供连续可调的电流。同时，为了防止浪涌冲击、静电击穿等情况的发生，控制器必须具备完善的保护措施。

早期的半导体激光器控制器是由纯硬件的模拟电路组成的，虽然控制精度较高，可以进行手动调节，但它的灵活性受限，无法实现自动控制[8]。后来，随着半导体技术的发展成熟，纯模拟电路的半导体激光器控制器也朝着数字化的方向发展，使用了诸如单片机、DSP、FPGA等微控制器和集成芯片。这使得驱动系统得以简化、体积缩小，同时更加提高了半导体激光器的可靠性。现在，通过模拟电路与数字电路的综合应用，半导体激光器控制器实现了对驱动电流、工作温度的精密控制，使激光器输出功率的稳定性得到提升。因此，它在军事、医疗、工商业等诸多领域都得到了广泛的应用。

吉林大学的集成光电子学国家重点联合实验室在半导体激光器控制器的研究上，尤其是在提升MOSFET管的线性度方面，做了大量工作：通过设计双MOSFET管的电路结构来减小漏电流引起的偏差，优化电压和电流的线性度；使用两级模拟的比例积分负反馈控制，提高驱动电流的稳定度和准确度；利用DSP技术，实现压控恒流源的高速PID控制及高精度的分段拟合，很好地矫正系统的非线性，平均相关系数高达0.965。他们研制的控制器系统驱动电流长时间稳定度可达4.62×10-6，线性度达0.0291%，在输出大电流时稳定度也能达10-3A[9～12]。

哈尔滨工业大学许文海设计的连续半导体激光器驱动电源方案，在使用单片机作为主控的同时，融入FPGA技术，减轻了主控MCU的负担并简化了外围电路，使系统更加容易进行扩展，提升了可靠性。该方案温控部分采用比例积分控制技术结合积分分离的思想，实现了温度优于±0.01℃的高稳定度控制，电流稳定度也达到10-4量级。同时，单片机软启动、激光器管脚短接及限幅电路等设计也为激光器的运行提供了可靠的保护措施[13,14]。

中北大学的刘谈平综合采用PWM和PID反馈技术，设计了可用于激光电视的半导体激光器电源，能同时控制电源的输出电压与输出电流。他们运用开关电源技术，克服了线性电源功耗大的缺点，整机效率可达92%以上，同时也具备线性电源易调制、低纹波的优点，得到了0.5%的输出纹波和0.19%的长时间稳定系数[15]。

国防科技大学梁迅研制的高稳定高集成半导体激光器驱动器，以数据采集系统芯片为核心，运用PID反馈控制算法，每隔0.5秒进行一次采样计算，并改变温度和电流的控制输出，实现对温度和电流的精密控制。该系统的温度控制精度为±0.03℃，激光输出功率稳定度为±0.002dB[16]。

以上大部分的半导体激光器控制器都是在模拟控制技术的基础上，加入数字化的主控芯片，利用软件实现各种控制算法，从而完成硬件的部分功能，使得系统的可靠性与精度得到明显的提高。由此可见，半导体激光器的控制器正朝着数字化、智能化的方向发展。目前，国内半导体激光器输出功率的稳定度可达0.1%[17]。

2　国内半导体激光器控制器产品

上海技驰电子生产的连续半导体激光器电源、大功率恒流电源及半导体制冷电源等产品，采用数字化设计，整机配置完善、性能稳定、功能强大、性价比高。其中，J-CW0360系列的连续半导体激光器控制器输出电流连续可调，具有优良的电压、电流输出特性，输出电压精度为0.01%，纹波噪声为0.1%；它带有两路TEC制冷电源，配备多重保护，防止开关机浪涌、过冲等现象的发生，能供中小功率半导体激光器使用。

深圳兴博科技的产品在激光工业应用领域以及光纤通信和光纤传感领域都有应用。该公司生产的激光器控制器适用于各种封装、各种波长的半导体激光器，输出的电压、电流大小可根据用户需求进行定制，电流稳定度优于0.2%；电源可支持双路温控，温度稳定度优于±0.1℃；同时，过热、过流、过压及防浪涌等保护功能，保障了电源的可靠性。

虽然国内对半导体激光器控制器的研制在蓬勃发展，但由于起步比较晚，与国外公司的产品相比尚有一定的差距。

3　国外半导体激光器控制器产品

为了使半导体激光器安全稳态地工作，世界各大厂家都花费大量的人力、物力进行研发工作，并取得了丰硕成果。目前，国外的半导体激光器控制器生产厂商较多，具代表性的有ILX Lightwave公司、Wavelength Electronics公司和Thorlabs公司等。

美国Newport旗下的ILX Lightwave公司，在全球激光二极管和其它光电子元件的高性能测试及测量解决方案方面，处于市场和技术上的领先地位。该公司提供了各种系列的激光器驱动电源和温度控制器，其产品简单易用，具有高可靠性和精准性，被广泛应用于世界范围内的各种研发和生产领域。其中，代表产品LDC-3700C系列台式半导体激光器控制器，是一款高性能、基于微处理器的工业级仪表，其电流的稳定性高、噪声低，最大输出电流可达4A，短时间稳定度为20ppm，24小时稳定度为40ppm，输出噪声低至20μA；内部集成有32W的温度控制器，制冷电流可达4A，温度控制部分可以通过热敏电阻、IC、RTD温度传感器进行，1小时温度稳定度为0.004℃，24小时温度稳定度为0.01℃。另外，该公司还有多通道半导体激光器控制器供用户选用，最多有16个独立的通道，可同时对多个半导体激光器进行精密的控制。而且，在ILX Lightwave的每种控制器中都配备了慢启动、可调的电流限制等保护措施，为激光器的运行提供了可靠的保障。

美国的Wavelength Electronics公司凭借20多年的开发经验，已生产出多种系列的半导体激光器控制器产品，其产品以精度高、稳定性好、体积小及模块化等特点而闻名。该公司的产品既有能提供完善保护电路的控制器模块，也有集成化的电流驱动、温度控制芯片，体积小、易用的优点为体积受限的应用提供了便利。其中，WLD3343是一款双列直插式的电流驱动芯片，可使用+5的单电源供电，驱动电流最大能达到3A，能在恒定电流和恒定功率两种模式下工作；同时具备慢启动、热关断、电流范围及限定值可调等功能，使其能与任何类型的激光二极管兼容。该公司生产的LDTC2/2是一款小型半导体激光器控制器，所使用的驱动电源芯片就是WLD3343，最大可输出2.2A的驱动电流，在恒流模式下，24小时的稳定度为75ppm；温控芯片使用的是WTC3243，能提供2.2A的制冷电流，利用超稳的PI控制，24小时的温度稳定度为0.002℃。

Thorlabs公司生产的两套测试和测量系统（PRO8和TXP）都是功能强大的光子学测试及测量平台。模块化的设计使得一台主机既能控制半导体激光器驱动和温控模块，也能控制波分复用DFB激光源、光开关等模块，满足了研究机构、工业测试的需求。用于PRO8平台的LDC8000系列激光二极管驱动模块，具有极低的噪声和漂移，最大输出电流从100mA至8A可选，驱动电流设定精度为16位；每个模块都具有高度可靠的保护功能，如多种限流、软启动、断电保护等。与电流驱动模块配套使用的TED8000系列温度控制模块，能提供最大8A的制冷电流，功率可达64W，具有极高标准的温度精度、漂移性能以及噪声小、双极性输出等优点，可为激光器的理想运行和其它需要精密热控制的应用需求提供优异的温度稳定性。

4　结束语

以上我们综述了国内外半导体激光器控制器的发展现状，由此可知，半导体激光器控制器正朝着高精度、高稳定性、功能多样、保护措施完善、模块化及小型化的方向发展。目前，半导体激光器控制器的电流控制精度可达0.001mA，短时间稳定度达20ppm，长时间稳定度达40ppm；温度控制精度为0.001℃，长时间稳定度可达0.002℃。但是，国内厂家所研制的半导体激光器控制器的性能与国外厂家的同类产品相比尚有较大差距，主要体现在驱动电流精度低、温控稳定性差以及保护功能缺失等方面。因此，研制电流稳定性较高、温控稳定性好以及具备较齐全保护功能的半导体激光器控制器，具有较高的经济效益，并且对国内半导体激光器控制技术的发展有着重要意义。

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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。

国家自然科学基金（批准号：60607005,60877033）资助。

钟奇润（1990-），男，硕士研究生，主要从事半导体激光器驱动电源方面的研究。