CN100479276C - 一种激光器自动光功率控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光器的自动光功率控制领域，公开一种激光器自动光功率控制电路，包括，背向光功率检测二极管、跨阻放大器、比例积分电路，功率驱动及保护电路和激光器二极管，所述跨阻放大器包括，运放、数模转换器和一固定电阻；所述的数模转换器的输入参考电压Vr与运放的输出端连接，其输出电压连接固定电阻；所述固定电阻的另一端与运放的反向输入端连接。采用本发明，在原有电路的拓扑结构的基础上，通过数模转换器的巧妙使用实现了光功率控制电路的线性化和高精度调节。

Description

一种激光器自动光功率控制电路

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及激光器的自动光功率控制领域，具体涉及一种实现激光器自动光功率控制电路。

背景技术

激光器光功率控制利用激光器组件内的背向光探测器将激光器的背向光输出功率转换为光电流，光电流放大后反馈控制激光器的偏置电流，使激光器输出背向光功率为固定值，从而达到稳定激光器光功率的目的。

如图1所示为APC(自动光功率控制电路)工作原理图，现有的自动光功率控制电路包括，PIN(背向光功率检测二极管，即光检测二极管)11、TIA(Transimpedance Amplifier，跨阻放大器)12、比例积分电路13，功率驱动及保护电路14和LD(激光器二极管)15，经过背向光检测功率检测二极管11输出的光电流通过跨阻放大器12转换成输出功率监测电压。

如图2所示为传统的跨阻放大器12的电路结构框图，从图中可以看出，跨阻放大器包括，运算放大器OA1和跨阻Rtz，其中跨阻Rtz的一端与运算放大器OA1反向输入端连接，另一端与运算放大器OA1的输出端连接，从图2中可以看出跨阻放大器电路的输出电压Vtz正比于光生电流Ipd，即，

Vtz＝Rtz*Ipd    (1)

从公式(1)中可以看出，通过改变跨阻放大器12电路中跨阻Rtz的大小可以改变跨阻放大器电路的输出电压Vtz的大小，而Ipd与激光器输出功率之间满足：

Ipd＝Ka*Pout    (2)

其中Ka为耦合系数(mA/mW)，用来表示激光器的PIN管11的光生电流Ipd与激光器输出功率Pout之间的耦合关系(简化模型)，将上述公式(1)和公式(2)合并可以得到：

Vtz＝Rtz*Ipd＝Rtz*Ka*Pout    (3)

通常跨阻放大器12电路的输出电压Vtz将送到下一级比例积分电路13的运算放大器OA2的反向输入端，与正向设定电压Vset(通常为一参考电压)作比，当两者差值不为零时积分电路起作用，并驱动后续电路改变激光器的偏置电流Ibias，从而改变激光器的输出功率Pout。

由于激光器输出功率的变化将引起PIN管11的光电流Ipd的变化，于是跨阻放大器12电路的输出检测电压Vtz也将跟随Pout的变化而发生改变，直到Vtz与比例积分电路13的正向设定电压Vset相等并最终稳定在该电压，Vtz不变意味着Ipd稳定不变，则Pout也稳定在某个数值，于是APC电路进入稳定工作状态，这也正是APC电路的工作原理。

根据APC电路的上述工作原理可以得到，当APC电路趋于稳定时，Vtz＝Vset，将该等式代入公式(2)得到：

Vset-Vref＝Rtz*Ka*Pout    (4)

当Ka，Vset和Vref(参考电压)给定的条件下，可以得到激光器输出功率Pout与跨阻Rtz的关系式为：

$\mathrm{Pout}=\frac{\mathrm{Vset}-\mathrm{Vref}}{\mathrm{Ka}*\mathrm{Rtz}}---\left(5\right)$

公式(5)说明当APC电路稳定工作时，激光器的输出光功率Pout由跨阻放大器12电路的跨阻Rtz决定，调节Rtz大小即可调节激光器输出功率的大小，图3给出Pout与Rtz的典型关系曲线，从图中可以看出激光器的输出功率Pout与跨阻之间存在非线性关系。

现有技术中，跨阻Rtz一般采用电位器来实现，当采用数字电位器时，输出功率的调节精度将随着电位器的阻值发生改变，Rtz的阻值较大时ΔPout较小，而Rtz的阻值较小时ΔPout则较大，如果用户对输出功率的调节精度要求较高时，则需要提高电位器的位数，来弥补电位器一端调节精度的不足，而在电位器的另一端，调节精度过高造成浪费。

随着激光器技术的进步，高性能激光器不断涌现，而对激光器各参量的控制精度也在不断提高，其中激光器的输出功率作为一个重要的参数，在很多应用场合对其有较高控制精度的要求，使用前述的传统的功率控制不能很好地满足这一要求。

发明内容

为了克服现有技术中存在的问题，本发明提出一种激光器自动光功率控制电路，在该电路中，将传统APC电路中的数字电位器用DAC(digital to anologconventer，数模转换器)替换，并对电路结构做出微小调整，实现对激光器输出功率的线性化调节，同时提高控制精度。

本发明具体是这样实现的：

一种激光器自动光功率控制电路，包括，背向光功率检测二极管、跨阻放大器、比例积分电路，功率驱动及保护电路和激光器二极管；

所述跨阻放大器包括，运算放大器、数模转换器和一固定电阻；

所述的数模转换器的输入参考电压Vr与运算放大器的输出端连接，输出电压与固定电阻连接；

所述固定电阻的另一端与运算放大器的反向输入端连接。

在本发明所述控制电路中，所述的数模转换器的输出电压Vo＝code*Vr/2ⁿ，其中code为写入数模转换器的数值，取值范围为0～2ⁿ-1，n为数模转换器的位数，Vr为数模转换器的输入参考电压。所述的数模转换器是12位的，其写入数值的取值范围为0～4095；

在本发明所述控制电路中，所述的固定电阻取值为1.25K欧姆。

在本发明所述控制电路中，所述的功率驱动及保护电路，可采用VCCS(电压控制电流源电路)实现。

采用本发明，在原有电路的拓扑结构的基础上，通过DAC的巧妙使用实现了光功率控制电路的线性化和高精度调节。

附图说明

图1为APC电路工作原理图；

图2为传统的跨阻放大器的电路结构框图；

图3为采用传统的跨阻放大器的激光器输出功率Pout与设定跨阻Rtz的关系曲线；

图4为本发明所述的跨阻放大器的电路结构框图；

图5为采用本发明所述的跨阻放大器的激光器输出功率Pout与DAC设定值code的关系曲线；

图6为本发明所述的APC电路结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图4所示，本发明所述的电路中，将传统的跨阻放大器12使用DAC加固定电阻R₀替代数字电位Rtz来实现调节功能，从图4中可以得到PIN管11上光生电流Ipd由DAC的输出电压Vo和固定电阻R₀的阻值决定，其关系式可以表示为：

Ipd＝(Vo-Vref)/R₀(6)

DAC的输出电压Vo＝code*Vr/2ⁿ，其中code为写入DAC的数值，取值范围为0～2ⁿ-1，n为DAC的位数，Vr为DAC的输入参考电压，在本发明中Vtz作为参考电压送入DAC。当APC电路稳定工作时，Vtz将等于Vset，此时PIN管11上光生电流Ipd与DAC的code的关系式可以进一步表示为：

Ipd＝(code*Vset/2ⁿ-Vref)/R₀(7)

将公式(7)代入公式(2)得到：

$\mathrm{Pout}=\frac{\mathrm{code}*\mathrm{Vset}/2^n-\mathrm{Vref}}{\mathrm{Ka}*R_0}---\left(8\right)$

公式(8)说明当APC电路稳定工作时，激光器的输出光功率Pout由跨阻放大器12的DAC写入值code，改变code大小即可调节激光器输出功率的大小，图5给出了Pout与code的典型关系曲线：从图5可见新的APC电路实现了激光器输出功率的线性调节，同时在调整范围内各点的调节精度是相同的。

下面结合光模块产品中的功率控制电路来说明本发明的具体应用，在现有的光模块功率控制电路中使用了12Bit的DAC来实现高精度功率控制，具体的应用实例如下图6所示：

按功能划分包括跨阻放大器电路、比例积分放大电路、电压控制电流源电路和激光器内部组件等部分。

其中跨阻放大器12即采用图4的电路结构，该应用实例中Vref电压设定为0V，Vset电压通常设定为1.25V，其控制调节部分，包括DAC和固定电阻R₀，其中，DAC采用12Bit的，而固定电阻R₀取值为1.25K欧姆，激光器的背光管的耦合系数Ka典型值为1mA/mW，将上述参数代入公式(8)可以得到：

Pout＝code/4096(9)

其中code为12bit DAC写入数值，取值范围为0～4095，于是可以得到Pout的变化范围为0～1mW，在全调节范围内Pout的调节精度为0.24uW/step。可见该电路的控制对象Pout与输入量code之间满足线性关系，同时达到了较高的调节精度。

Claims (4)

1.一种激光器自动光功率控制电路，包括，背向光功率检测二极管(11)、跨阻放大器(12)、比例积分电路(13)、功率驱动及保护电路(14)和激光器二极管(15)，其特征在于，

所述跨阻放大器(12)包括，运算放大器(OA1)、数模转换器和一固定电阻(R₀)；

所述的数模转换器的输入参考电压Vr与运算放大器(OA1)的输出端连接，输出电压与固定电阻(R₀)连接；

所述固定电阻(R₀)的另一端与运算放大器(OA1)的反向输入端连接。

2.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于：

所述的数模转换器的输出电压Vo＝code*Vr/2ⁿ，其中code为写入数模转换器的数值，取值范围为0～2ⁿ-1，n为数模转换器的位数，Vr为数模转换器的输入参考电压。

3.如权利要求1或2所述的控制电路，其特征在于：

所述的数模转换器是12位的，其写入数值的取值范围为0～4095；

所述的固定电阻(R₀)取值为1.25K欧姆。

4.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于：

所述的功率驱动及保护电路(14)，采用电压控制电流源电路实现。

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