CN208999860U - 一种半导体激光器光功率稳恒控制回路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种半导体激光器光功率稳恒控制回路，包括精密仪用放大器，放大器实现将正向的基准电压值和反向输入端的电压的差值的放大；放大器的输入端连接高电压/高电流运算放大器b、输出端连接运放器a，高电压/高电流运算放大器b和运放器a均连接半导体激光器，控制回路还包括运放器c，运放器c连接高精度电流检测器，高精度电流检测器连接半导体激光器；由于采用了光电负反馈控制，可通过对半导体激光器的输出光功率进行采集与运算，实现半导体激光器注入电流大小的动态调整，补偿输出光功率的变化，从而达到半导体激光器光功率稳恒的工作要求。实现了精确的功率控制，满足实际应用需求，可广泛应用于实际工程中。

Description

一种半导体激光器光功率稳恒控制回路

技术领域

本实用新型属于半导体激光器的功率稳恒控制回路技术领域，涉及一种半导体激光器光功率稳恒控制回路。

背景技术

半导体激光器功率稳恒控制回路是用于控制无线激光通信系统光发射机理想光源的半导体激光器光功率的稳恒输出。

半导体激光器是一种高功率密度并具有极高量子效率的器件，对于电冲击的承受能力差，且其工作性能会随着使用时间的延长或是受到电路中其他元器件的影响而改变，这些变化直接危及器件的安全使用。因此，半导体激光器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。在实际应用中，半导体激光器工作性能和输出功率的稳定性会直接影响系统运算的结果。

早期的半导体激光器输出功率的控制是采用模拟控制方式实现，一般用纯硬件电路搭建，其主要思路是，通过检测电流和软开发控制激光器注入电流的大小，当电流值大于预定值时，软开关关闭，注入电流变小，反之同理，但存在控制精度及稳定性差、易受外界干扰的缺陷，故现在已不采用。后来，半导体激光器输出功率的控制是通过在控制回路中使用高稳定的光强稳定器，来达到稳定光强的目的，如采用ZF-6玻璃片作为磁光旋转子的激光光强稳定器、采用发光二极管和光电二极管组合的光学双稳态稳定器等；现在，随着计算机技术的发展，半导体激光器的输出功率稳恒控制改为了数字控制的方式。半导体激光器输出光功率的控制越来越多的采用单片机、DSP、FPGA 等数字芯片等实现，这种基于数字电路的控制能够增强整个系统的灵活性和智能性，但却存在响应速度慢，不能实时高速控制光源的输出功率等缺点。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种半导体激光器光功率稳恒控制回路，解决了现有光功率稳恒控制回路激光器功率稳定度差的问题。

本实用新型所采用的技术方案是，一种半导体激光器光功率稳恒控制回路，包括精密仪用放大器，精密仪用放大器的同向输入端接基准电压U₊、反向输入端依次接入电阻R_f和电阻R，电阻R接地，精密仪用放大器的输出端连接运放器a的同向输入端，运放器a的反向输入端与运放器a的输出端通过导线连通，精密仪用放大器的同向输入端和反向输入端之间并联有一个R_G；

精密仪用放大器的输入端连接高电压/高电流运算放大器b的输出端，高电压/高电流运算放大器b的反向输入端与高电压/高电流运算放大器b的输出端通过导线连通，高电压/高电流运算放大器b的同向输入端和运放器a的输出端之间通过导线连接有一个电阻R₀；高电压/高电流运算放大器b的同向输入端和运放器a的输出端均连接半导体激光器，半导体激光器是由激光二极管LD和光电二极管PD 封装构成，高电压/高电流运算放大器b的同向输入端和运放器a的输出端均连接激光二极管LD正极，激光二极管LD的负极接地。

控制回路还包括运放器c，运放器c的输出端连接精密仪用放大器的反向输入端，运放器c的反向输入端接在电阻R_f和电阻R之间，运放器c的同向输入端连接高精度电流检测器的输出端、反向输入端端连接在电阻R_f和电阻R之间从而构成负反馈路径，高精度电流检测器的输入端连接光电二极管PD的负极，光电二极管PD的正极接地。

本实用新型的特点还在于，

精密仪用放大器的型号为INA114。

运放器a的型号为OPA547，高电压/高电流运算放大器b型号为 OPA117，运放器c的型号为OPA320。

高精度电流检测器的型号为MAX4008。

激光二极管LD上并联有一个肖特基二极管，肖特基二极管的正极接地、负极连接高电压/高电流运算放大器b的同向输入端

本实用新型的有益效果是，本实用新型的一种半导体激光器光功率稳恒控制回路，该控制回路相对于其他同类控制回路，由于采用了光电负反馈控制，可通过对半导体激光器的输出光功率进行采集与运算，实现半导体激光器注入电流大小的动态调整，补偿输出光功率的变化，从而达到半导体激光器光功率稳恒的工作要求。本系统工作时，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，可广泛应用于实际工程中。

附图说明

图1是本实用新型一种半导体激光器光功率稳恒控制回路结构示意图；

图2是本实用新型一种半导体激光器光功率稳恒控制回路的驱动电流的变化曲线图。

图中，1.精密仪用放大器，2.运放器a，3.高电压/高电流运算放大器b，4.激光二极管LD，5.光电二极管PD，6.运放器c，7.高精度电流检测器，8.肖特基二极管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型的一种半导体激光器光功率稳恒控制回路的结构如图1所示，包括精密仪用放大器1，精密仪用放大器1的同向输入端接基准电压U₊、反向输入端依次接入电阻R_f和电阻R，电阻R接地，精密仪用放大器1的输出端连接运放器a2的同向输入端，运放器a2 的反向输入端与运放器a2的输出端通过导线连通，精密仪用放大器 1的同向输入端和反向输入端之间并联有一个R_G；

精密仪用放大器1的输入端连接高电压/高电流运算放大器b3的输出端，高电压/高电流运算放大器b3的反向输入端与高电压/高电流运算放大器b3的输出端通过导线连通，高电压/高电流运算放大器b3 的同向输入端和运放器a2的输出端之间通过导线连接有一个电阻R₀；高电压/高电流运算放大器b3的同向输入端和运放器a2的输出端均连接半导体激光器，半导体激光器是由激光二极管LD4和光电二极管PD5封装构成，高电压/高电流运算放大器b3的同向输入端和运放器a2的输出端均连接激光二极管LD4正极，激光二极管LD4的负极接地。

控制回路还包括运放器c6，运放器c6的输出端连接精密仪用放大器1的反向输入端，运放器c6的反向输入端连接在电阻R_f和电阻 R之间，运放器c6的同向输入端连接高精度电流检测器7的输出端，高精度电流检测器7的输入端连接光电二极管PD5的负极，光电二极管PD5的正极接地。

精密仪用放大器1的型号为INA114。

运放器a2的型号为OPA547，高电压/高电流运算放大器b3型号为OPA117,运放器c6的型号为OPA320。

高精度电流检测器7的型号为MAX4008。

激光二极管LD4上并联有一个肖特基二极管8，肖特基二极管8 的正极接地、负极连接高电压/高电流运算放大器b3的同向输入端，肖特基二极管8起到对激光二极管LD4保护的作用

放大模块：精密仪用放大器1的同向输入端接基准电压U+，电阻R和R_f构成参考电平,接在放大器的反向输入端，精密仪用放大器1实现将正向的基准电压值和反向输入端的电压的差值的放大；

恒流源模块，由运放器a2和高电压/高电流运算放大器b2高电压/高电流运算放大器构成，运放器a2和高电压/高电流运算放大器 b3是作为电压跟随器，

半导体激光器是由激光二极管LD4和光电二极管PD5封装起来构成，高电压/高电流运算放大器b3用于将半导体激光器上的电压送至放大器的ref引脚，并得出流经电阻R₀的电流就是半导体激光器的驱动电流；

负反馈模块：光电二极管PD用于检测激光二极管发出的光功率，并对其进行光电转换，成为电流信号I₁输出；高精度电流检测器7 输入端接光电二极管的输出电流I₁，并将其转换成电压信号U5，运放器c6的正向输入端接电压信号U5，运放器c6的输出端连接放大器的反相输入端从而构成负反馈路径；

工作时，光电二极管PD5通过从激光器芯片的背向激光中检测到一部分能线性反映输出光功率变化的光功率，经光电转换变成电信号。该信号与基准参考电压进行比较，再由放大电路放大后控制激光二极管的直流偏置电流，这样就能通过改变偏置电流的大小来稳定激光二极管LD4的输出光功率。

当激光器输出光功率减小时，流过光电二极管PD5的光电流减小，反馈电减小，而加载在运放器a的正向输入电流不变，则它与反馈电压的差值增大，即精密仪用放大器1的输出电压U₁增大，从而使半导体激光器驱动电流I₀升高，最终使半导体激光器的输出功率增大；反之同理，当激光器输出光功率增大时，流过光电二极管PD5的光电流增大，反馈电压增大，U₁减小，这样流过半导体激光器的驱动电流I₀减小，从而半导体激光器输出功率减小。通过半导体激光器自动功率控制电路使驱动电流和输出功率达到平衡，实现自动功率控制。实验研究：

在室温20℃下进行了半导体激光器驱动电流稳定性实验：通过测量采样电阻R的两端电压可计算出注入电流。再根据电路工作原理及测量电压与驱动电流的线性关系，得到驱动电流的变化曲线图，如图2所示。实验所用半导体激光器波长为650nm，额定功率为15mW。

从图2驱动电流的变化曲线可以看出，驱动电流在80.233～80.246 范围内波动，最大变化量为0.013mA，根据电流稳定度计算公式算出电流稳定度为0.014％。

Claims (5)

1.一种半导体激光器光功率稳恒控制回路，其特征在于，包括精密仪用放大器(1)，所述精密仪用放大器(1)的同向输入端接基准电压U₊、反向输入端依次接入电阻R_f和电阻R，所述电阻R接地，所述精密仪用放大器(1)的输出端连接运放器a(2)的同向输入端，所述运放器a(2)的反向输入端与所述运放器a(2)的输出端通过导线连通，所述精密仪用放大器(1)的同向输入端和反向输入端之间并联有一个R_G；

所述精密仪用放大器(1)的输入端连接高电压/高电流运算放大器b(3)的输出端，所述高电压/高电流运算放大器b(3)的反向输入端与高电压/高电流运算放大器b(3)的输出端通过导线连通，所述高电压/高电流运算放大器b(3)的同向输入端和所述运放器a(2)的输出端之间通过导线连接有一个电阻R₀；所述高电压/高电流运算放大器b(3)的同向输入端和所述运放器a(2)的输出端均连接半导体激光器，所述半导体激光器是由激光二极管LD(4)和光电二极管PD(5)封装构成，所述高电压/高电流运算放大器b(3)的同向输入端和所述运放器a(2)的输出端均连接激光二极管LD(4)正极，所述激光二极管LD(4)的负极接地；

所述控制回路还包括运放器c(6)，所述运放器c(6)的输出端连接精密仪用放大器(1)的反向输入端，所述运放器c(6)的反向输入端接在电阻R_f和电阻R之间，所述运放器c(6)的同向输入端连接高精度电流检测器(7)的输出端、反向输入端端连接在电阻R_f和电阻R之间从而构成负反馈路径，所述高精度电流检测器(7)的输入端连接光电二极管PD(5)的负极，所述光电二极管PD(5)的正极接地。

2.根据权利要求1所述的一种半导体激光器光功率稳恒控制回路，其特征在于，所述精密仪用放大器(1)的型号为INA114。

3.根据权利要求1所述的一种半导体激光器光功率稳恒控制回路，其特征在于，所述运放器a(2)的型号为OPA547，所述高电压/高电流运算放大器b(3)型号为OPA117,所述运放器c(6)的型号为OPA320。

4.根据权利要求1所述的一种半导体激光器光功率稳恒控制回路，其特征在于，高精度电流检测器(7)的型号为MAX4008。

5.根据权利要求1所述的一种半导体激光器光功率稳恒控制回路，其特征在于，所述激光二极管LD(4)上并联有一个肖特基二极管(8)，所述肖特基二极管(8)的正极接地、负极连接所述高电压/高电流运算放大器b(3)的同向输入端。