［張昕 陳昉 何宗維 盧程宏 覃良標(biāo)］

1 前言

激光因具有光束質(zhì)量好，利用率高，能量集中，傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)在航空，測(cè)距，光電對(duì)抗，醫(yī)療，通信和科研等諸多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。因半導(dǎo)體激光器有斜坡效率高、體積小、熱耗低、重量輕、壽命長(zhǎng)和偶和效率高等優(yōu)點(diǎn)而成為電光轉(zhuǎn)換的首選和基礎(chǔ)器件。

電泵浦激光工作物質(zhì)導(dǎo)致粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)粒子在能級(jí)躍遷的過(guò)程中形成激光，泵浦電流的穩(wěn)定性和工作物質(zhì)控溫程度將直接影響著激光的光學(xué)性能和器件壽命。因此，低溫漂、高穩(wěn)激光源電性能技術(shù)在激光的產(chǎn)生中顯得尤為重要。本文對(duì)引起恒流驅(qū)動(dòng)電流漂移和激光管芯溫度漂移的因素進(jìn)行分析，提出了低溫漂、高穩(wěn)激光源技術(shù)設(shè)計(jì)方案，并在某航天項(xiàng)目進(jìn)行了地面驗(yàn)證。

2 半導(dǎo)體激光器恒流驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)電路工作原理

半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路通常有恒流驅(qū)動(dòng)控制和恒功率驅(qū)動(dòng)控制兩種方式，兩種方式均是利用負(fù)反饋閉環(huán)控制半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電流，以達(dá)到穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器輸出光功率穩(wěn)定的目的。恒流驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行取樣、放大，利用閉環(huán)反饋控制電路控制半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電流為恒定值；恒功率驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體激光器內(nèi)部集成的光電二極管（PD）電信號(hào)進(jìn)行采樣，利用閉環(huán)控制電路控制激光器驅(qū)動(dòng)電流，使激光器的輸出光功率為恒定值。恒流驅(qū)動(dòng)方式對(duì)外圍電路要求比較高，但避免了激光器本身性能變化對(duì)光性能的影響；恒功率驅(qū)動(dòng)方式需對(duì)激光器內(nèi)置的PD 電流進(jìn)行采樣，PD采樣結(jié)果受激光器本體的牽制較大，會(huì)影響整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的性能。因此，在一定溫度范圍內(nèi)對(duì)激光器輸出光功率穩(wěn)定性和可靠性要求較高的場(chǎng)合，一般會(huì)選擇恒流驅(qū)動(dòng)方式對(duì)激光器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

2.2 恒流驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2.2.1 恒流驅(qū)動(dòng)電路方案

恒流驅(qū)動(dòng)電路采用電壓負(fù)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)電流恒定輸出，原理如圖1 所示?；鶞?zhǔn)電路產(chǎn)生一個(gè)高穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)，通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)定合適的電壓值為功率設(shè)定電壓。當(dāng)輸入電壓或負(fù)載等變化而引起輸出電流變化時(shí)，采樣電路將按照一定的比例獲取輸出電壓波動(dòng)信息，并與功率設(shè)定電壓進(jìn)行比較。差分放大電路把放大后的電壓波動(dòng)量施加到調(diào)整電路，調(diào)整電路將調(diào)整輸出電流，這樣就形成一個(gè)深度負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，達(dá)到恒流輸出的目的。

圖1 恒流電路原理圖

另外，在實(shí)際應(yīng)用中還要考慮對(duì)核心器件的保護(hù)措施。實(shí)際應(yīng)用的半導(dǎo)體激光器恒流驅(qū)動(dòng)電路中除能產(chǎn)生穩(wěn)定的恒定電流驅(qū)動(dòng)外包含：開(kāi)關(guān)緩啟動(dòng)電路；激光器過(guò)流保護(hù)電路；高頻信號(hào)濾波電路；反向浪涌保護(hù)電路等。恒流驅(qū)動(dòng)電路整體框圖如圖2 所示。

圖2 恒流驅(qū)動(dòng)電路整體框圖

2.2.2 恒流驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

恒流驅(qū)動(dòng)電路如圖3 所示，通過(guò)充放電電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的開(kāi)關(guān)緩啟動(dòng)，開(kāi)關(guān)緩啟動(dòng)的時(shí)間可通過(guò)電容值C1和電阻值R2等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。由基準(zhǔn)芯片輸出一個(gè)基準(zhǔn)電壓，再通過(guò)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)分壓生成功率設(shè)定電壓V0，功率設(shè)定電壓輸入到開(kāi)關(guān)緩啟動(dòng)電路，控制恒流電路輸出相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電流。

圖3 恒流驅(qū)動(dòng)電路

R10 為采樣電阻，采樣電阻兩端的電壓差為激光器的電流值與采樣電阻值的乘積，采樣電阻R10 與U1-C 一起構(gòu)成采樣環(huán)，對(duì)流過(guò)激光器的電流進(jìn)行采樣，并協(xié)同U1-A、Q3、U1-B 和Q4 一起在電壓控制下實(shí)現(xiàn)恒流輸出，從而實(shí)現(xiàn)激光穩(wěn)定輸出。另外，Vmax數(shù)值的設(shè)定是以半導(dǎo)體激光器額定電流值為參考的。當(dāng)功率設(shè)置電壓V0小于Vmax時(shí)，驅(qū)動(dòng)激光器的電流取二者相關(guān)的較小值；當(dāng)功率設(shè)置電壓V0大于Vmax時(shí)，驅(qū)動(dòng)激光器的電流為額定電流，避免驅(qū)動(dòng)電流過(guò)大損壞激光器。圖中的電容C3 用于高頻干擾，避免激光器受損，二極管D1 消除方向浪涌電流對(duì)激光器的影響。

2.2.3 恒流驅(qū)動(dòng)電路溫變特性修正

根據(jù)歐姆定律，由圖3 可知，驅(qū)動(dòng)激光器的電流ILD可表示為：

由式1 與式2 可得：

其中，Vref為基準(zhǔn)輸出電壓，R3和R4為網(wǎng)絡(luò)，V0為功率設(shè)置電壓，Voffset為運(yùn)放失調(diào)電壓，R10為激光器電流采樣電阻。

對(duì)式（3）進(jìn)行微分，可得到誤差傳遞公式如下：

由于R1、R2所選參數(shù)一般在1 K～10 K 范圍內(nèi)，式（4）可簡(jiǎn)化為：

從式（5）可以看出，影響驅(qū)動(dòng)電流穩(wěn)定性的主要因素是：

（1）基準(zhǔn)電壓源的穩(wěn)定性dVref；（2）閉環(huán)回路中運(yùn)放的輸出失調(diào)電壓dVoffset；（3）采樣電阻的變化dR10。

隨著電子元器件技術(shù)的發(fā)展，常用的基準(zhǔn)電壓源芯片和運(yùn)放集成芯片技術(shù)都非常成熟。在芯片的極限溫度下，基準(zhǔn)電壓芯片出輸電壓的不確定性為±10 mV，運(yùn)放集成芯片輸出的失調(diào)電壓為0.2 mV。在實(shí)際應(yīng)用中采樣電阻阻值的選擇不易太大，通常為0.1Ω。采樣電阻的阻值會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生相應(yīng)的變化，在大電流經(jīng)過(guò)的情況下這種現(xiàn)象將更加明顯，在環(huán)境溫度-20℃～55℃的試驗(yàn)中光功率出現(xiàn)了±40 mW波動(dòng)，這嚴(yán)重影響產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用。

在整機(jī)試驗(yàn)中，隨著環(huán)境溫度的上升，采樣電阻的阻值在不斷變??；環(huán)境溫度下降，采樣電阻的阻值在增大，表現(xiàn)出負(fù)溫度系統(tǒng)的特性。為了最大限度的減小在高低溫環(huán)境下采樣電阻阻值隨溫度變化對(duì)恒流電路的影響，本電路采用金屬導(dǎo)線（金屬導(dǎo)線中導(dǎo)電粒子被高溫產(chǎn)生的聲子散射，而減小金屬的導(dǎo)電率，增大金屬阻值）與負(fù)溫度系數(shù)的精密薄膜電阻串聯(lián)組成電路的采樣電阻。金屬導(dǎo)線的這種溫度特性剛好與負(fù)溫度系數(shù)的電阻相反，在高低溫情況下兩者阻值變化可以相互抵消。

在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中記錄了某溫度下一定時(shí)間內(nèi)3 600 組驅(qū)動(dòng)電流值，通過(guò)歸一化標(biāo)準(zhǔn)偏差法可計(jì)算出驅(qū)動(dòng)電流的相對(duì)穩(wěn)定度，驅(qū)動(dòng)電流隨溫度變化中隨時(shí)間的變化情況如圖4 所示。

圖4 恒流電路驅(qū)動(dòng)電流變化趨勢(shì)圖

在試驗(yàn)中，恒流電路在常溫下輸出1.35 A的電流，環(huán)境溫度在-20℃～55℃之間變化，驅(qū)動(dòng)電流漂移為0.5%。理論與實(shí)踐證明本恒流驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電流的穩(wěn)定性得到了很大的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了低溫漂設(shè)計(jì)。

3 激光源溫控電路設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體激光器管芯是溫度敏感器件，激光器管芯恒溫控制至關(guān)重要，其溫度漂移將會(huì)產(chǎn)生光功率波動(dòng)，波長(zhǎng)漂移，嚴(yán)重的情況甚至?xí)霈F(xiàn)激光器失效等情況。

3.1 溫控電路工作原理

高穩(wěn)半導(dǎo)體激光器一般都有內(nèi)置半導(dǎo)體熱電制冷器（TEC）和溫度傳感器等相關(guān)的溫控元件來(lái)保證激光器管芯溫度可控。TEC 是以帕爾貼效應(yīng)為基礎(chǔ)研制而成，其最基礎(chǔ)的元件是利用一只P 型半導(dǎo)體和一只N 型半導(dǎo)體連成的熱電偶。當(dāng)通電后在兩個(gè)接頭處就會(huì)產(chǎn)生溫差，電流從N 流向P，形成制冷面；電流從P 流向N，形成制熱面。若干組熱電偶對(duì)串聯(lián)就構(gòu)成了一個(gè)簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體制冷器。在制冷面或制熱面增加一個(gè)熱交換器就可以完成半導(dǎo)體制冷器與外界環(huán)境的能量交換。半導(dǎo)體激光器內(nèi)置溫控系統(tǒng)基本的工作原理如圖5 所示。

圖5 溫控系統(tǒng)示意圖

3.2 溫控電路設(shè)計(jì)

3.2.1 溫控電路方案設(shè)計(jì)

將溫度傳感器（常用熱敏電阻）與激光器管芯置于同一熱沉，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光器管芯溫度。通過(guò)調(diào)節(jié)由R1 和R2 組成的電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)定控制器的參考電壓值（一般對(duì)應(yīng)管芯溫度為25℃）。若LD 管芯溫度相對(duì)25℃升高，則熱敏電阻的阻值變小，控制器的負(fù)輸入端電壓相對(duì)也變小，輸出電壓也隨著變化，TEC 驅(qū)動(dòng)源將驅(qū)使電流從N 型半導(dǎo)體流向P 型半導(dǎo)體，而形成制冷面，實(shí)現(xiàn)對(duì)LD 管芯進(jìn)行制冷。若LD 管芯溫度相對(duì)25℃降低，則熱敏電阻的阻值變大，控制器的輸入電壓相對(duì)也變大，輸出電壓也隨著變化，TEC 驅(qū)動(dòng)源將驅(qū)使電流從P 型半導(dǎo)體流向N 型半導(dǎo)體，而形成制熱面，實(shí)現(xiàn)對(duì)LD 管芯進(jìn)行制熱，方案如圖6所示。通過(guò)上述過(guò)程即可實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器管芯的恒溫控制。

圖6 溫控系統(tǒng)示意圖

3.2.2 溫控電路設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)需要滿足溫度控制精度高，響應(yīng)速度快，且穩(wěn)定性高的要求，同時(shí)要能實(shí)現(xiàn)制冷和制熱雙向控制，以適應(yīng)外界溫度變化或半導(dǎo)體激光器本身工作條件變化的需求。通常情況下，半導(dǎo)體激光器都內(nèi)置TEC，通過(guò)選擇TCE的驅(qū)動(dòng)電路和電阻網(wǎng)絡(luò)等來(lái)合理的設(shè)計(jì)半導(dǎo)體激光器的溫控電路。

TEC 驅(qū)動(dòng)源按驅(qū)動(dòng)工作模式可以分為線性工作模式和脈寬調(diào)制工作模式（PWM）兩種類型。TEC 驅(qū)動(dòng)源線性工作具有噪聲低和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但也存在工作效率低，控溫范圍容易出現(xiàn)死區(qū)等缺點(diǎn)；TEC 驅(qū)動(dòng)源脈寬調(diào)制（PWM）的原理決定了其具有工作效率高和相應(yīng)時(shí)間快的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也有著噪聲高和可靠性低的缺陷。

TEC 線性驅(qū)動(dòng)源和脈寬調(diào)制（PWM）驅(qū)動(dòng)源在實(shí)際使用中各有利弊，具體采用何種驅(qū)動(dòng)方式需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)最終確定。

MAX1968 是MAXIM 公司研制生產(chǎn)的一款高度集成具有紋波噪聲抑制功能的脈寬調(diào)制TEC 驅(qū)動(dòng)芯片，調(diào)制頻率為500 kHz/1 MHz；芯片單電源供電，供電電壓范圍為3～5.5 V；芯片能夠?qū)崿F(xiàn)最大±3A TEC 驅(qū)動(dòng)電流，可實(shí)現(xiàn)雙向無(wú)死區(qū)控溫。該器件為TSSOP-EO 封裝，工作溫度范圍為-40℃～+85℃[1]，特別適合做小功率半導(dǎo)體激光器溫控驅(qū)動(dòng)。

根據(jù)半導(dǎo)體激光器實(shí)際使用情況和MAX1968 芯片資料推薦的電路[1]，經(jīng)過(guò)理論仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體激光器溫度控制電路如圖7 所示。

圖7 溫控電路設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)電路包括濾波、抑制紋波噪聲、LC 濾波諧振、限流和限壓等電路。在COMP 引腳與GND 之間焊接了0.01 μF的電容，確保電流控制環(huán)的穩(wěn)定工作。另外，在MAX1968的使能引腳中引入了毫秒級(jí)的延時(shí)，確保MAX1968 芯片完成加電后再實(shí)施輸出工作，保護(hù)MAX1968 芯片在啟動(dòng)中不受損，從而對(duì)激光器管芯起到良好的控溫作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，較為系統(tǒng)性的分析了影響半導(dǎo)體激光器恒流驅(qū)動(dòng)電路和溫度控制電路穩(wěn)定性的主要因素，以及針對(duì)這些因素所采取的具體相應(yīng)設(shè)計(jì)措施。根據(jù)設(shè)計(jì)電路研制的產(chǎn)品順利地通過(guò)了某航天項(xiàng)目鑒定級(jí)試驗(yàn)，試驗(yàn)證明了低溫漂、高穩(wěn)激光技術(shù)研究具有一定的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。