半导体激光器功率控制系统的研究

郭倩 朱耀麟 朱磊 刘秀平

摘 要： 为了保障半导体激光器具有稳定的发射功率和良好的工作环境，设计完成了自动功率控制电路和自动温度控制电路。采用负反馈运算放大电路构成恒流源，光电反馈实现闭环控制，可稳定输出功率。同时，利用FPGA控制DRV593驱动半导体制冷器完成自动温度控制，将半导体激光器的工作温度控制在一定范围内。实验结果表明，系统工作时，温度控制精度可达[±0.1] ℃，激光器功率稳定度优于0.74%，实现了精确的功率控制，满足实际应用需求。

关键词： 自动功率控制； 自动温度控制； 光电反馈； 半导体制冷器； 激光器； 恒流源

中图分类号： TN248.4?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）18?0147?03

Research on power control system of semiconductor laser

GUO Qian， ZHU Yaolin， ZHU Lei， LIU Xiuping

（School of Electronics and Information， Xian Polytechnic University， Xian 710048， China）

Abstract： The automatic power control （APC） circuit and automatic temperature control （ATC） circuit were designed and completed to guarantee the stable transmission power and good working environment of the semiconductor laser. The operation amplifying circuit with negative feedback is adopted to form the constant current source. Closed loop control is realized by using optoelectronic feedback， so as to stabilize output power. Automatic temperature control is achieved by using the FPGA to control the DRV593 driven semiconductor cooler， so as to control the working temperature of the semiconductor laser in a certain range. The experimental results show that the system has temperature control accuracy of ±0.1 ℃ and laser power stability of higher than 0.74%， which can realize accurate power control and meet practical application requirements.

Keywords： automatic power control； automatic temperature control； optoelectronic feedback； semiconductor cooler； laser； constant current source

無线激光通信利用激光作为载体在自由空间中进行通信，是一种远距离激光信号发射与接收的技术[1]。光纤通信与无线激光通信同属光通信范畴，光纤通信属于有波导光通信，而无线激光通信属于大气波导的光通信[2]。无线激光通信无需铺设光纤，不受传输介质的影响[3]。半导体激光器是无线光通信中的重要单元，本文讨论半导体激光器的功率控制问题。

半导体激光器（LD）是一种二极管结构，光学特性优良、单色性与相干性好、光束准直 [3]。但是由于半导体激光器是非线性器件，受温度等影响较大，工作温度的改变会影响半导体激光器的输出波长、阈值电流及输出功率。因此，LD需要专用的驱动器来补偿各种因素造成的影响并稳定发射功率[4] 。本文介绍了一种包括自动功率控制（Automatic Power Control，APC）和自动温度控制（Automatic Temperature Control，ATC）的小功率LD驱动电路，其注入电流连续可调、电流稳定度较高、温度可控并具备完善的保护措施。

1 自动功率控制

1.1 控制框图

半导体激光器自动功率控制有许多方法：一是自动跟踪偏置电流；二是峰值功率和平均功率的自动控制；三是P?I曲线效率控制法。其中第一种方法可采用光电反馈原理，直接检测光功率控制偏置电流对激光输出功率的起伏进行补偿[5] 。其结构框图如图1所示。

1.2 电路设计

光功率自动控制电路主要包括比较放大模块、恒流源模块和光功率反馈模块。电路原理图如图2所示。通过APC电路使驱动电流和输出功率达到平衡，实现自动功率控制[6]。

半导体激光器是非常脆弱的元件，易受静电或反向电压冲击[7]，需要保护电路防止对LD的损伤。本文采用一个肖特基二极管与LD并联，起到对LD保护的作用。

2 自动温度控制

2.1 温度控制原理

本文设计的温度控制电路采用自动温度控制原理，对LD工作温度进行精密的控制[8]，其原理框图如图3所示。温度控制电路主要分为温度采样电路、FPGA主控电路、半导体制冷驱动电路和显示电路等。

2.2 温度传感器

根据使用环境和设计精度要求，本文采用DS18B20作为温度传感器。其测量温度范围为[-55～125] ℃。

2.3 PWM功率驱动器

半导体制冷器采用DRV593驱动。DRV593是专门为驱动TEC而设计的[±3 A]高效率PWM功率驱动器。工作电压为[2.8～5.3 V]。DRV593采用先进的PWM技术，开关频率可根据系统需要设置为100 kHz或者500 kHz。通过控制电流方向可双向驱动TEC，使其工作在制冷或制热方式。DRV593采用PQFP封装，本设计中应用电路如图4所示。

2.4 FPGA软件实现

本文设计的自动温度控制系统，是确定硬件电路之后再依赖于软件设计来实现的。软件主要功能是：完成温度数据的采集，通过液晶显示屏显示采集到的温度；同时将采集到的温度数据与阈值比较，利用PI控制技术处理后，通过DAC0832完成D/A转换；最后驱动DRV593控制TEC完成温度控制。本文采用数字PID控制技术，利用软件PID算法实现控制功能。数字PID控制技术简化了参数调试难度、提高了参数调试精度，以确保自动温度控制系统的控制精度。

3 实验研究

在室内温度为25～35 ℃的范围内，对波长为650 nm的半导体激光器进行实验。待半导体激光器预热20 min后，测量采样电阻[R0]两端电压来计算驱动电流，利用光功率计采集输出光功率。图5为自动功率控制电路在开环模式下，恒流源工作90 min内驱动电流的变化情况。从图中可以看出，驱动电流在0.02 mA范围内波动，方差小于0.003，证明无反馈时恒流源工作稳定。

图6是半导体激光器工作在自动功率控制模式，开环与闭环两种情况下输出功率的变化曲线。当环境温度变化不大时，对系统进行3 h采样，从图中可以看出，开环时输出功率逐渐下降，波动较大；闭环时输出功率稳定，波动范围控制在0.1 mW之内。

当环境温度变化较大时，仅仅依靠APC不能稳定输出功率，反而会对半导体激光器造成损害，因此需要APC和ATC同时工作，将工作温度控制在一定范围，再利用APC电路完成功率控制[9?10]。图7为半导体激光器工作在自动功率控制和自动温度控制模式时，工作3 h内输出功率的变化曲线。利用ATC将工作温度控制在27 ℃，由图中可以看出，输出功率波动小于0.08 mW，功率稳定度优于0.74%，工作性能良好。

4 结 语

本文针对半导体激光器的实际应用问题，设计完成了小功率LD驱动电路。利用自动功率控制电路和自动温度控制电路稳定了输出光功率，提高了半导体激光器的工作性能。所设计的自动功率控制电路采用恒流源驱动及光电负反馈控制，能为半导体激光器提供高稳定、连续可调的驱动电流。自动温度控制电路以FPGA为核心，利用DRV593驱动TEC完成温度控制，精度可达[±0.1] ℃。同时，整体驱动电路还具有价格低廉，体积小、操作简便等优点，可广泛应用于实际工程中。

参考文献

[1] 柯熙政，邓莉君.无线光通信[M].北京：科学出版社，2016.

KE Xizheng， DENG Lijun. Wireless optical communication [M]. Beijing： Science Press， 2016.

[2] 柯熙政，谌娟.无线光MIMO系统中的空时编码理论[M].北京：科学出版社，2014.

KE Xizheng， SHEN Juan. Space?time coding theory in wireless optical MIMO system [M]. Beijing： Science Press， 2014.

[3] 陈丹，柯熙政.基于Turbo码的无线光通信副载波误码性能分析[J].光学学报，2010，30（10）：2859?2863.

CHEN Dan， KE Xizheng. Analysis on error rate of wireless optical communication using subcarrier modulation on Turbo code [J]. Acta Optica Sinica， 2010， 30（10）： 2859?2863.

[4] 柯熙政，赵黎，殷致云，等.无线激光通信中差错控制实验研究[J].電子测量与仪器学报，2009，23（6）：18?23.

KE Xizheng， ZHAO Li， YIN Zhiyun， et al. Experimental research on the error control of wireless laser communication [J]. Journal of electronic measurement and instrumentation， 2009， 23（6）： 18?23.

[5] 柯熙政，殷致云.无线激光通信系统中的编码理论[M].北京：科学出版社，2009.

KE Xizheng， YIN Zhiyun. Coding theory in wireless laser communication system [M]. Beijing： Science Press， 2009.

[6] 柯熙政，殷致云，杨利红.大气激光通信中光PPM偏振调制方案及其关键技术[J].半导体光电，2007（4）：553?555.

KE Xizheng， YIN Zhiyun， YANG Lihong. Light polarization modulation with PPM and its key technique in atmospheric laser communication [J]. Semiconductor optoelectronics， 2007（4）： 553?555.

[7] 王丽黎，柯熙政，席晓莉.激光在雨中传输的分析与计算[J].光散射学报，2005，17（2）：148?153.

WANG Lili， KE Xizheng， XI Xiaoli. Analysis and calculation of laser transmission in rain [J]. The journal of light scattering， 2005， 17（2）： 148?153.

[8] BAE H， Huang Y C， YANG O， et al. Automated power control for mobile laser speckle imaging system [J]. IEEE embedded systems letters， 2009， 1（3）： 73?76.

[9] ZHOU Z， WANG F， YANG Z， et al. The study of optical power control for driving circuit using the 650 nanometer low power semiconductor laser [C]// Proceedings of 2nd International Conference on Measurement， Information and Control. Harbin： IEEE， 2014： 222?224.

[10] JIANG X. Auto power control circuit for laser diode driver [C]// Proceedings of IEEE International Symposium on Microwave， Antenna， Propagation & EMC Technologies for Wireless Communications. Hanzhou： IEEE， 2007： 1394?1397.