一种蝶形激光器驱动技术研究

2020-08-20沈丽娜

安徽师范大学学报（自然科学版） 2020年4期

方冉，沈丽娜

(安徽工商职业学院应用工程学院，安徽合肥 231131)

引言

半导体激光器诞生距今过去半个多世纪。与其它激光器相比，由于半导体激光器无论在重量、体积和结构等物理特性方面，还是效率、寿命等光电特性方面都具有巨大优势而被广泛采用。半导体激光器的出现，使光通信行业的飞速发展成为可能。在50多年时间里，不断涌现出多种结构类型半导体激光器[1]。作为半导体激光器中的一种典型产品，蝶形激光器可直接应用于掺杂光纤放大器、非线性光纤放大器、ASE光源、锁模激光器等多种光学器件中，所以蝶形激光器在光通信系统中具有举足轻重的作用[2-3]。

在实际使用中，蝶形激光器一项重要指标——输出光功率会受到温度和驱动电流的巨大影响。因为电流和温度的任何细小变化都会使输出光功率偏离预设值，进而导致光源输出的稳定性变差。在使用光源进行测量时，就无法满足所需精度[4]。为此，人们尝试了很多方法，包括采用新材料、新工艺来提高激光器性能以及改进驱动电路，使得激光器供电更加稳定。根据半导体激光器的发光原理，驱动电流高于阈值电流即可输出一定功率的光，驱动电流的大小决定了输出光的强弱。为了降低阈值电流，可以通过对器件的空穴、电子和光子的控制，同时辅以新材料、新工艺来实现。通过减小温度和电流的变化，可以有效提高蝶形激光器的输出稳定性。

通过对980nm蝶形激光器的发光原理和加热/制冷原理的研究，以STM32作为MCU，对激光器内部温度和输出光功率等参数进行实时的控制和反馈，使蝶形激光器稳定工作。由于STM32具有高性能、低成本、低功耗、地址空间大、存储容量大、外设众多等一系列优点，相对于使用放大器等器件的纯硬件电路和使用51单片机控制实现蝶形激光器输出稳定来说[5-6]，用STM32进行控制能够更好地满足设计要求，实现宽温控制，降低成本。本研究为今后设计其它基于蝶形激光器的光学器件提供了参考。

1 原理

蝶形激光器是一种常用、功率较大、功能全面、质量可靠的半导体激光器，多为分布反馈式结构。其内部晶体结构半导体的价电子所处能量较低的能带为价带。与价带相邻的导带能量较高，两者之间部分为禁带。由于电场激发，可以使价带中的电子获得能量，部分电子从价带进入导带并在其中自由运动而形成电流。在价带中，失去负电电子位置形成正电荷位置，称为空穴。在外电场的作用下，其中带负电的电子和带正电的空穴会产生方向相反的运动而形成电流。当电流注入激光器后，有源区内电子和空穴会在定向移动中不断复合并辐射光子，光子在有源层表面光栅处会被反射。有源层表面光栅沿纵向排列，且间隔相等、均匀分布，激光振荡在此结构中形成光耦合，原理如图1所示[7]。且只有满足(1)式时，才能实现动态的单纵模工作，即分布式反馈条件(一般m取1)，进而产生高功率的激光。

图1 蝶形激光器的发光原理Figure 1 The luminous principle of butterfly laser

A=mn/2

(1)

此外，由于蝶形激光器输出光功率较大，正常工作时会产生大量热量，如不及时散热，将会给激光器带来不可逆的影响，甚至造成激光器的损坏。另一方面，在低温条件下，激光器工作产生热量升温，与环境温度的差异会使激光器输出光功率和波长的稳定性受到很大影响。因此，在激光器内部利用负温度系数电阻的帕尔贴效应和帕尔贴介质保证了激光器内部温度稳定[8]。

对于几乎不含自由电子的P型半导体和含有自由电子较多的N型半导体，分别呈现正温差电势和负温差电势。外加正偏电压时，由于P型半导体电势高，N型半导体电势低，电子会在电场的作用下由低电势向高电势运动，使得结头处温度升高；反之，结头处温度降低。该效应称为帕尔贴效应，又称半导体热电效应。

一种根据帕尔贴效应设计的热电偶如图2所示，其中的连接片和导线等材料不会对电路特性产生较大影响，并且由于金属导体优良的导热特性，可以在P型半导体和N型半导体接头处进行热量的快速传导[9]。

图2 帕尔贴效应工作原理图Figure 2 Working principle of Peltier effect

2 方案设计

2.1 概述

总体设计思路如下：模数转换器ADC实时采集蝶形激光器内部的NTC的温度数据反馈至MCU，将采集信号值与预先设定的温度值(电压值)进行比较并产生两路PWM方波，驱动外部的H桥电路进行双向电流的传输，控制蝶形激光器内部的TEC制冷或者加热，以保证激光器内部温度稳定。同时，依据ADC得到的激光器中PD的反馈电压，利用MCU向DAC输出相应的偏置电压，进而由BJT产生供LD驱动的电流，结合软件算法对蝶形激光器的功率输出形成稳定闭环，使得蝶形激光器光功率保持稳定。

其原理见图3和图4所示。

图3 自动温度控制系统图

图4 自动功率控制系统图

软件方面，采用的STM32是基于Keil 5的IDE对MCU进行编程和调试。对于整个项目的不同功能，使用模块化编程的设计思路，即将每一个子模块的驱动以一个.c和一个.h文件进行封装，在主函数头文件中加入所有子模块的.h文件，并且在需要使用它们的时候，直接调用。使用这种方式，便于编写、维护、修改和移植代码。并且对于硬件的改动，在软件上也能做到快速升级。此外，每一个功能都可以单独测试，同时不影响主程序的正常运行。软件流程图如图5所示，功率闭环的流程如图6所示。

图5 软件整体流程图

图6 功率闭环模块的流程图

2.2 温度闭环控制

温度闭环控制包括温度采集、电压(温度)比较、PID反馈控制和PWM驱动等过程。

温度采样的硬件电路如图7所示。首先，由稳压芯片REF3012提供1.24V参考电压信号，通过一个运算放大器，将激光器内部的负温度系数热敏电阻(NTC热敏电阻)转换成电压信号，经过采样精度为12位，采样速率为100KHz的ADC转换器TLV2543送至后端。

图7 温度采样的硬件电路图

由式(2)和数据手册中的相关数据，得到NTC热敏电阻值与温度值的关系，通过MCU计算得到对应的参考温度(电阻)值，并转换成参考电压。

RT=R0×e[B·(1/T-1/T0)]

(2)

其中，R0为常温下的电阻值(一般为25℃)，B为NTC热敏电阻的系数，T0为常温下的电阻值(一般为25℃)，RT和T为对应的NTC热敏电阻值和温度值。

将采集到的温度值和参考温度值进行比较，控制制冷或加热。由MCU内部产生的两路PWM方波驱动H桥集成芯片DRV592，从而输出大小、方向实时改变的TEC驱动电流。此外，当电路温度过高或电流过载时，芯片内部的保护电路可以有效防止由此对系统造成的不可逆的影响，并且示错指示端会因电路过载而自动复位。其硬件电路见图8所示。

图8 DRV592驱动电路

2.3 功率闭环控制

自动功率控制由激光器驱动和激光器保护构成。在激光器驱动模块中，由MCU设定的电压量通过SPI标准协议送给12位精度的D/A转换芯片。由电压跟随器和基于Darlington管的恒流源电路向激光器输出恒定的驱动电流。其原理如图9所示。

图9 恒流源驱动LD的原理图

激光器的保护模块由软件算法实现。为了解决瞬间的开启和关闭对激光器造成的不可逆损伤，软件采用了慢启动、慢关闭设计，延长启动和关闭的时间。由单片机控制与激光器驱动电流相比拟的输出变量，该变量的值从零开始增加，直到达到预先设定的值。在此过程中，激光器的驱动电流也随着输出变量变化，逐渐增加到满足一定的输出光功率所需驱动电流值。慢关闭过程与之相反，及驱动电流由大到小逐渐变化到零，即关闭。从而有效减小了电源开、关瞬间产生的电流激变带来的影响。慢启动、慢关闭程序模块可对半导体激光器进行保护,延长其工作寿命。