高稳定性半导体激光器功率控制电路设计和测试

张书君,李 楠,朱晓杰,张 鋆

(1.北京局驻北京地区第四军事代表室,北京 100094;2.中国船舶工业系统工程研究院,北京 100094)

1 引 言

在有些飞行器的表面安装有基于半导体激光器模块的激光信标系统[1],该激光信标系统用于发出指定功率的稳定发散光束,配合地面的光电成像系统对激光信标的捕获、识别和跟踪,从而实现对飞行器位置和姿态的解算。

为便于地面光电成像系统对激光信标的跟踪,需要该激光信标系统在其较宽的工作温度范围内具有很好的输出功率稳定性。常温环境下,使用探测器监测半导体激光器输出功率,与设定的功率值进行比较,调节半导体激光器的供电电流,从而对激光器输出功率进行闭环控制是常用的功率控制方法,可以得到很好的输出功率稳定性[2-4]。除此之外,还有使用恒流源输出稳定的电流对半导体激光器的输出功率进行开环控制的方法[5]。

基于以上两种思路,本文设计了两种半导体激光器模块功率控制电路,通过试验验证分析比较了两种控制电路在高低温条件下对半导体激光器模块输出功率稳定性的控制效果。

2 半导体激光器模块功率控制电路设计

2.1 定功率闭环控制电路

定功率闭环控制电路的原理如图1所示。半导体激光器模块(如图2)内部的光电二极管(PD)将激光二极管(LD)的后端面发射光作为反馈信号转换成光生电流,并经过一个高精度的运放比例放大、滤波后,由单片机系统的模数转换器(A/D)采集实现半导体激光器模块输出功率监测。监测的输出功率值与用户给定的功率值进行比较,经算法处理后通过数模转换器(D/A)输出模拟电压,作为电流控制电路的输入。

图1 定功率闭环控制电路原理框图

图2 半导体激光器模块结构示意图

电流控制电路的原理如图3所示,由单片机系统的D/A输出的控制电压Vr加载在运放A1的同相端,该运放控制场效应管的导通程度,从而获得相应的输出电流,输出电流在取样电阻上产生取样电压,该取样电压经A2放大后作为反馈电压反馈回电压放大器A1的反相输入端,并与同相输入端的电压Vr进行比较,对运放A1的输出电压进行调整,进而对场效应管的输出电流进行调整,使整个电流控制电路处于动态的平衡中,实现稳定的电流输出。输出的电流作为半导体激光器的工作电流,完成功率控制。电路采用12位数模转换器TLV5638产生控制电压,数模转换器的参考电压使用高精度电压源AD780产生,则电流控制精度表示为:

(1)

其中,UREF为参考电压。设定UREF为2.5 V,取样电阻R为温漂<50 ppm/℃的0.1 Ω合金电阻,R1=9.09 kΩ,R2=1 kΩ,则电流控制精度ΔI为0.6 mA。设定半导体激光器的工作电流约为1.7 A,在该状态下工作电流与激光输出功率为线性关系,则半导体激光器的激光输出功率偏差控制在0.036 %以内。

图3 电流控制电路原理框图

在定功率闭环控制电路电路中,半导体激光器模块的激光输出功率由光电二极管监测的激光功率与单片机中设定的输出功率值进行比较来进行闭环控制。

2.2 定电压开环控制电路

定电压开环控制电路的原理如图4所示。由单片机系统直接输出设定的模拟电压作为电流控制电路的输入,电流控制电路的原理与定功率闭环控制电路的电流控制电路原理相同。电流控制电路输出的电流作为半导体激光器的工作电流,完成功率控制。该电路中,半导体激光器模块的输出功率实际由单片机系统输出的模拟电压进行开环控制,单片机中设定的值为半导体激光器的工作电流值。

图4 定电压开环控制电路原理框图

3 输出功率稳定性测试

3.1 测试方法

采用一段时间内激光输出功率不稳定度St衡量半导体激光器模块输出功率的稳定性,不稳定度值越小则半导体激光器模块输出功率越稳定。输出功率不稳定度St的测试方法如下:

1)从半导体激光器模块出光开始计时,到120 s时计时刻为t0,从t0时刻开始采用光功率计对激光输出端功率进行监测,每隔1 s记录1个光功率数据,到时刻tn为止(一般取n≥1800)测得(n+1)个光功率数据P0,P1,P2,…,Pn。

2)计算该组光功率数据的平均值Pave,以及该组光功率数据的最大值和最小值之差ΔP；

3)根据下列公式计算输出功率不稳定度St:

(2)

3.2 测试结果

选取北京凯普林公司和Axcel公司的两型 808 nm半导体激光器模块测试两种电路的输出功率控制效果,两型半导体激光器模块的输出方式均为光纤耦合输出。将两种电路板先后与同一激光器模块连接并放入温箱中,将半导体激光器的光纤连接至温箱外部的激光功率计来测量半导体激光器输出功率。常温下设定半导体激光器模块输出功率点为1250 mW,测试其在-45 ℃、-20 ℃、+55 ℃、+70 ℃四个温度点下出光2 min后30 min内的输出功率不稳定度,测试结果如表1所示。

表1 两种控制方式的输出功率不稳定度测试结果

从测试结果可以看出,同一半导体激光器模块在高温和低温工作时采用定电压开环控制方式的输出功率稳定性整体优于采用定功率闭环控制方式的输出功率稳定性。

3.3 结果分析

半导体激光器是一种温度敏感器件[6-7],工作温度稳定情况下特定的工作电压对应特定的输出功率,输入电流和工作温度的变化直接影响输出功率的稳定性。由于激光信标工作过程中环境温度有较大的波动,设备内部无法提供一个恒定的温度条件,再加上极限温度下激光器模块内部温控能力有限,在工作电压不变的情况下很难保证激光器稳定出光。理想条件下,对半导体激光器进行定功率闭环控制,可以得到很好的输出功率稳定性。

实际上,在定功率闭环控制中用于监测半导体激光器输出功率的光电二极管也是一种温度敏感的器件[8-9]。在高低温条件下光电二极管产生的光生电流与激光器输出功率的对应关系不同于常温条件,故高低温条件下定功率闭环控制电路不能准确监测半导体激光器输出功率,从而不能实现输出功率的准确控制。相比之下,高低温工作时采用定电压开环控制的半导体激光器模块输出功率更加稳定。

4 总 结

本文针对飞行器表面安装激光信标系统以及优化其宽温范围下激光输出功率稳定性的需求,设计了两种半导体激光器模块功率控制电路,并测试了两种电路在高低温工作时的输出功率控制效果。测试结果表明,在高低温工作时,采用定电压开环控制方式的半导体激光器输出功率稳定性优于采用定功率闭环控制的半导体激光器。