外腔半导体激光器驱动源的电路设计与实现
曼苏尔 于晋龙
（天津大学电信学院 天津 300072）
摘要：外腔可调谐半导体激光器系统中的核心部分――半导体激光器是对外界环境很敏感的部件，需要有不随负载变化的恒定电流对其驱动。此外，驱动源需要将给定信号、稳频反馈信号以及标准频率信号进行合成。本文在借鉴常用的一些恒流源设计基础上，给出了一种实用的高精度恒流源的设计，并将几个输入信号进行合成，实现对驱动电流进行控制。对整个电路做出了实验仿真和测试。电流稳定达到0.1％以上。
关键词：外腔半导体激光器，稳流源，慢启动，慢关闭，信号合成
High Accurate Current Stabilization Circuit Design and Experiment
of External Cavity Laser Diode
Hakimi Jinlong Yu
(College of Electronic and Communication Engineering, Tianjin University, Tianjin, 300072)
Abstract: The laser diode which is the key of external cavity laser diode (ECLD) is very tender part. It is easily damaged by the impact of the voltage, current and static when its assembly and running. Nowadays the anti- jamming of most stabilization current laser is shortcoming. In the paper, the principle and method for the high accurate stabilization are described. The project is designed by the experiment and tested.
Keyword: ECLD, stabilization current source, slow startup, sign combination
一、 引言
可调谐半导体激光器具有光谱纯度高、波长覆盖范围广、结构紧凑、效率高、成本低、可靠性好、使用方便和易于集成等突出特点。90年代以来，已在光纤通信、光外差传感、高分辨率光谱测量及生物医学等诸多领域有广泛的应用。
整个可调谐半导体激光器分为激光器、驱动电源、自动功率控制电路（APC）、自动温度控制电路（ATC）、外腔吸收池以及光纤光栅等几部分组成，如下图1所示为整个外腔半导体激光器系统，其核心部分为高精度的半导体激光器，然而半导体激光器是很脆弱的部件。在电路装配时受静电干扰影响，工作过程中受电压、电流的浪涌影响而极易被损坏，当电源被随意关闭或开启、或出现较快速电压波动时都会导致激光器永久性的损坏。
现今常用的半导体激光设备工作用稳流电源抗干扰能力较差，迫切需要有适用于高精度激光器用的稳流驱动源，实现防浪涌、慢启动慢关闭、当然还要有电流负反馈稳定等功能，实现对激光器的驱动和保护。
图1 吸收式外腔半导体激光器稳频原理图
Fig1 Stabilizing frequency for absorption ECLD principle picture
二、 半导体激光器的功率特性分析
各激光二极管的性能都有所不同，本试验中采用的是海特光电子技术公司的N型W15-2303半导体激光器（内带尾纤），其主要参数如图2所示（横坐标为波长，单位nm，纵坐标为功率，单位dBm）。
图2 半导体激光器特性曲线
Fig 2 the characteristic curve of LD
激光器工作温度25.0℃，阈值电流为12.6mA，正向偏置电流25.5mA，选择激光器工作电流在20～40mA。
由图可见，随着外界因素的影响，激光二极管输出光功率将变化，为使得激光强度稳定，必须安装高精度的激光器稳流电路，驱动激光器发射稳定频率的光束。
三、 半导体激光器的稳流电路设计
由图1中看出，吸收式外腔激光器系统中有一个鉴相模块，功能是将输出激光信号的频率与标准信号进行比较，得到一个可以体现频差信号的模拟量，再输入驱动电源中进行反馈控制。因此，驱动电源部共有三个输入端口：输入给定信号、标准频率信号以及鉴相反馈信号。如图3所示。
图3 驱动电源部分示意图 图4 恒流原理图
Fig 3 the circuit of power source part Fig 4 the principle chart pf distant current
通过以上分析，驱动电源主要包含三大部分：稳流源部分、信号合成部分和慢启动慢关闭部分。
1、恒流电路：图4为稳流电路原理图，采用高精度的放大器，运用放大器的“虚短”功能，在给定电压信号和负载之间接入射极跟随器，可以得到面向负载的高阻抗，实现随负载很小变化的恒流功能。
2、信号合成电路：下图5是实现将三个输入端信号进行合成的电路图设计，主要思路是使用精度较高的放大器OP-07进行对称相连，实现信号相加。
1k Hz 信号
鉴相
给定信号 输出信号
图5 信号合成部分原理图
Fig 5 the principle chart of signal compose
将合成的信号输入晶体三级管的基极端，并保证三级管工作在线性区，发射极输出电流作为调制后信号输给激光管做驱动电流。
3、慢启动慢关闭电路：图6为电路图，中间部分是使用达林顿源极接电容实现慢启动
功能，当电源打开后电容充电，达到达林顿开启电压后电源导通。两侧是RC π型电路实现了慢关闭功能，关闭时间表示为τ＝RC，适当选择电容和电阻值调节关闭时间。
图6 慢启动慢关闭电路 图7 激光器保护二极管及电容
Fig 6 the circuit of slow start slow close Fig 7 guard diode and electric capacity of LD 此外，考虑半导体激光器本身易因为高频干扰而损坏，在半导体激光管并联一个小电容，同时并联一个反向二极管防止激光管两端受过大的反向电压而损坏。根据文献[5]中介绍，与激光管并联几个前向导通的二极管可以大大提高激光管的寿命，因为当发生很大前向电压发生时，这些保护二极管将导通，电流将不会从激光管通过，避免了激光管的损坏。如图7所示。
四、 试验测试实现与结论
通过测试实现，该电路结构简单、性能可靠、精度高，能实现慢启动、慢关闭，并且对三个输入端口信号进行合成等功能，实现了对高精度驱动电流控制的要求。
最终将此驱动电路实现对激光器进行高精度电流驱动，使得激光器输出频率漂移在10-5nm以内，达到预期效果。下图8即为使用该驱动电路后激光器的输出光谱图(横坐标为波长，单位nm，纵坐标为功率，单位dBm)。 λ(nm)
图8 激光器输出光谱图（使用此驱动电路后）
Fig 8 optical spectrum chart of LD (after distant current circuit dirving )
利用该高精度恒流源的设计，并将几个输入信号进行合成，实现对驱动电流进行控制。对整个电路做出了实验仿真和测试，电流稳定达到0.1％以上。证实了以上设计方法的科学性和实用性。
参考文献
[1] 潘文。 半导体激光器稳频技术研究[J]。常州工业技术学院学报， 1998年第11卷第5期 pp
26～30
Panwen. The stabilizing frequency technology research of diode laser[J]. Journal of Changzhou Institute of Technology, 1998 11(5), 26~30
[2] 贾宏志，李育林。 半导体激光器驱动电源的设计[J]。应用激光, Vol.19, No.4， pp 181~182
1999年8月 第4期
Hongzhi Jia, yulin Li. The design of drive current supply for diode laser[J]. Applied Laser, vol 19,No4,181~182, 1999,8,(4)
[3] Shan Huang，Huafeng Zhao，Lin Xue. Frequency stabilization of FBG external cavity laser diode,
IEEE 0-7803-7690-0/02[S] , pp 565~567 2002
[4] Tao Yu，Huafeng Zhao，Lin Xue，Shan Huang，Kaijun Zhou. Fabry-Perot filter frequency
stabilization control for multiple ITU wavelengths reference[S]. IEEE 0-7803-7824-5/03, pp 291~294 2003
[5] K.B.MacAdam，A.Steinbach，and C.Wieman. A narrow-band tunable diode laser system with
grating feedback, and a saturated absorption spectrometer for Cs and Rb[J]. Am.J.Phys.60 (12), pp 1098~1110, December 1992
[6] 于复生，艾兴，逢东庆。大功率半导体激光器驱动电源的设计[J]。应用激光。Vol.20, No.6，
pp 257~260 2002
Fusheng Yu, Aixing, Dongqing Feng, The Design for Highpower DiodeLaser Driver[J]. Applied Laser, vol 20,No6,257~260,2002
[7] 孙番典，刘俊刁，熊建文，李庆春。一组高精度的半导体激光二极管伺服控制电路[J]，惠州
大学学报（自然科学版），Vol.21, No.4，pp 35~38 2001
Fandian Sun, Jundiao Liu, jianwen Xiong, Qingchun Li. A Set of High Accurate Servo Circuit for a Semiconductor Laser Diode，JOURNAL OF HUIZHOU UNIVERSITY. 2001 Vol.21, No.4，35~38
中国分类号：TM133
作者简介：
曼苏尔（1977～），男，也门国籍，天津大学电信学院在读博士
专业：电磁场与微波技术，主要研究方向：移动通信、网络管理及业务平台的研究。 mail：[email protected] 联系电话：[1**********]
博士导师：于晋龙（1969～），男，籍贯：天津市，天津大学电信学院教授、博士导师 主要从事高速光纤通信系统以及全光信息处理的研究工作
mail： [email protected] 联系电话：[1**********]
外腔半导体激光器驱动源的电路设计与实现
曼苏尔 于晋龙
（天津大学电信学院 天津 300072）
摘要：外腔可调谐半导体激光器系统中的核心部分――半导体激光器是对外界环境很敏感的部件，需要有不随负载变化的恒定电流对其驱动。此外，驱动源需要将给定信号、稳频反馈信号以及标准频率信号进行合成。本文在借鉴常用的一些恒流源设计基础上，给出了一种实用的高精度恒流源的设计，并将几个输入信号进行合成，实现对驱动电流进行控制。对整个电路做出了实验仿真和测试。电流稳定达到0.1％以上。
关键词：外腔半导体激光器，稳流源，慢启动，慢关闭，信号合成
High Accurate Current Stabilization Circuit Design and Experiment
of External Cavity Laser Diode
Hakimi Jinlong Yu
(College of Electronic and Communication Engineering, Tianjin University, Tianjin, 300072)
Abstract: The laser diode which is the key of external cavity laser diode (ECLD) is very tender part. It is easily damaged by the impact of the voltage, current and static when its assembly and running. Nowadays the anti- jamming of most stabilization current laser is shortcoming. In the paper, the principle and method for the high accurate stabilization are described. The project is designed by the experiment and tested.
Keyword: ECLD, stabilization current source, slow startup, sign combination
一、 引言
可调谐半导体激光器具有光谱纯度高、波长覆盖范围广、结构紧凑、效率高、成本低、可靠性好、使用方便和易于集成等突出特点。90年代以来，已在光纤通信、光外差传感、高分辨率光谱测量及生物医学等诸多领域有广泛的应用。
整个可调谐半导体激光器分为激光器、驱动电源、自动功率控制电路（APC）、自动温度控制电路（ATC）、外腔吸收池以及光纤光栅等几部分组成，如下图1所示为整个外腔半导体激光器系统，其核心部分为高精度的半导体激光器，然而半导体激光器是很脆弱的部件。在电路装配时受静电干扰影响，工作过程中受电压、电流的浪涌影响而极易被损坏，当电源被随意关闭或开启、或出现较快速电压波动时都会导致激光器永久性的损坏。
现今常用的半导体激光设备工作用稳流电源抗干扰能力较差，迫切需要有适用于高精度激光器用的稳流驱动源，实现防浪涌、慢启动慢关闭、当然还要有电流负反馈稳定等功能，实现对激光器的驱动和保护。
图1 吸收式外腔半导体激光器稳频原理图
Fig1 Stabilizing frequency for absorption ECLD principle picture
二、 半导体激光器的功率特性分析
各激光二极管的性能都有所不同，本试验中采用的是海特光电子技术公司的N型W15-2303半导体激光器（内带尾纤），其主要参数如图2所示（横坐标为波长，单位nm，纵坐标为功率，单位dBm）。
图2 半导体激光器特性曲线
Fig 2 the characteristic curve of LD
激光器工作温度25.0℃，阈值电流为12.6mA，正向偏置电流25.5mA，选择激光器工作电流在20～40mA。
由图可见，随着外界因素的影响，激光二极管输出光功率将变化，为使得激光强度稳定，必须安装高精度的激光器稳流电路，驱动激光器发射稳定频率的光束。
三、 半导体激光器的稳流电路设计
由图1中看出，吸收式外腔激光器系统中有一个鉴相模块，功能是将输出激光信号的频率与标准信号进行比较，得到一个可以体现频差信号的模拟量，再输入驱动电源中进行反馈控制。因此，驱动电源部共有三个输入端口：输入给定信号、标准频率信号以及鉴相反馈信号。如图3所示。
图3 驱动电源部分示意图 图4 恒流原理图
Fig 3 the circuit of power source part Fig 4 the principle chart pf distant current
通过以上分析，驱动电源主要包含三大部分：稳流源部分、信号合成部分和慢启动慢关闭部分。
1、恒流电路：图4为稳流电路原理图，采用高精度的放大器，运用放大器的“虚短”功能，在给定电压信号和负载之间接入射极跟随器，可以得到面向负载的高阻抗，实现随负载很小变化的恒流功能。
2、信号合成电路：下图5是实现将三个输入端信号进行合成的电路图设计，主要思路是使用精度较高的放大器OP-07进行对称相连，实现信号相加。
1k Hz 信号
鉴相
给定信号 输出信号
图5 信号合成部分原理图
Fig 5 the principle chart of signal compose
将合成的信号输入晶体三级管的基极端，并保证三级管工作在线性区，发射极输出电流作为调制后信号输给激光管做驱动电流。
3、慢启动慢关闭电路：图6为电路图，中间部分是使用达林顿源极接电容实现慢启动
功能，当电源打开后电容充电，达到达林顿开启电压后电源导通。两侧是RC π型电路实现了慢关闭功能，关闭时间表示为τ＝RC，适当选择电容和电阻值调节关闭时间。
图6 慢启动慢关闭电路 图7 激光器保护二极管及电容
Fig 6 the circuit of slow start slow close Fig 7 guard diode and electric capacity of LD 此外，考虑半导体激光器本身易因为高频干扰而损坏，在半导体激光管并联一个小电容，同时并联一个反向二极管防止激光管两端受过大的反向电压而损坏。根据文献[5]中介绍，与激光管并联几个前向导通的二极管可以大大提高激光管的寿命，因为当发生很大前向电压发生时，这些保护二极管将导通，电流将不会从激光管通过，避免了激光管的损坏。如图7所示。
四、 试验测试实现与结论
通过测试实现，该电路结构简单、性能可靠、精度高，能实现慢启动、慢关闭，并且对三个输入端口信号进行合成等功能，实现了对高精度驱动电流控制的要求。
最终将此驱动电路实现对激光器进行高精度电流驱动，使得激光器输出频率漂移在10-5nm以内，达到预期效果。下图8即为使用该驱动电路后激光器的输出光谱图(横坐标为波长，单位nm，纵坐标为功率，单位dBm)。 λ(nm)
图8 激光器输出光谱图（使用此驱动电路后）
Fig 8 optical spectrum chart of LD (after distant current circuit dirving )
利用该高精度恒流源的设计，并将几个输入信号进行合成，实现对驱动电流进行控制。对整个电路做出了实验仿真和测试，电流稳定达到0.1％以上。证实了以上设计方法的科学性和实用性。
参考文献
[1] 潘文。 半导体激光器稳频技术研究[J]。常州工业技术学院学报， 1998年第11卷第5期 pp
26～30
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[2] 贾宏志，李育林。 半导体激光器驱动电源的设计[J]。应用激光, Vol.19, No.4， pp 181~182
1999年8月 第4期
Hongzhi Jia, yulin Li. The design of drive current supply for diode laser[J]. Applied Laser, vol 19,No4,181~182, 1999,8,(4)
[3] Shan Huang，Huafeng Zhao，Lin Xue. Frequency stabilization of FBG external cavity laser diode,
IEEE 0-7803-7690-0/02[S] , pp 565~567 2002
[4] Tao Yu，Huafeng Zhao，Lin Xue，Shan Huang，Kaijun Zhou. Fabry-Perot filter frequency
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pp 257~260 2002
Fusheng Yu, Aixing, Dongqing Feng, The Design for Highpower DiodeLaser Driver[J]. Applied Laser, vol 20,No6,257~260,2002
[7] 孙番典，刘俊刁，熊建文，李庆春。一组高精度的半导体激光二极管伺服控制电路[J]，惠州
大学学报（自然科学版），Vol.21, No.4，pp 35~38 2001
Fandian Sun, Jundiao Liu, jianwen Xiong, Qingchun Li. A Set of High Accurate Servo Circuit for a Semiconductor Laser Diode，JOURNAL OF HUIZHOU UNIVERSITY. 2001 Vol.21, No.4，35~38
中国分类号：TM133
作者简介：
曼苏尔（1977～），男，也门国籍，天津大学电信学院在读博士
专业：电磁场与微波技术，主要研究方向：移动通信、网络管理及业务平台的研究。 mail：[email protected] 联系电话：[1**********]
博士导师：于晋龙（1969～），男，籍贯：天津市，天津大学电信学院教授、博士导师 主要从事高速光纤通信系统以及全光信息处理的研究工作
mail： [email protected] 联系电话：[1**********]