半导体激光器驱动电路的研究与设计*

袁林成，蒋书波，宋相龙，陆志峰

（南京工业大学自动化与电气工程学院，南京 210009）

半导体激光器是由于半导体中的电子跃迁使得光子受到激励最终发射而产生的光振荡器和光放大器的总称呼［1］。由于激光具有单色性好和强光光束这俩方面的特性，使得它在很多技术领域中得到广泛的应用［2］。但由于半导体激光器是高功率密度且具有高量子效率的器件，激光二极管对电流的冲击承受能力又差，电流的微小变化将导致半导体激光器参数的变化，这些因素都影响到了半导体激光器的安全使用［3-4］。因此在实际操作中对驱动电路的性能和安全性都有很高的要求。为了确保半导体激光器的稳定可靠的工作，设计出抗干扰性、可靠性以及安全保护性等特性强的电路尤为必要。

1 半导体激光器工作原理

半导体激光器以半导体的材料为工作物质，它是相干光源。为了得到相干的受激光输出需要满足粒子数反转和阀值条件。粒子数反转条件是必要的，只有高能态的粒子数应多于低能态的粒子数才能使有源工作物质产生增益。而阀值条件则需要前者产生的增益能够克服有源介质内部的损耗和输出损耗。激光器只有在阀值以后才能出现净增益［5］。由于半导体激光器是一种直接注入电流的电子——光子转换器件，因此常用阀值电流来评定激光器的性能。

要使半导体激光器输出相干辐射光，一定要满足粒子数反转条件，即满足激光器阀值条件

式（1）中gth是阀值增益，αi是增益介质内部损耗，αout为输出损耗［6］。

下面主要介绍半导体激光器驱动电路的实验研究与设计仿真。

2 驱动电路实验研究与仿真分析

在正常使用情况下半导体激光器有很长的寿命，但是如果操作不当会造成半导体激光器的性能劣化甚至损坏。这种损坏一般由PN被击穿或激光谐振腔的解理面被破坏导致。PN结一旦被击穿，便不能产生辐射和非平衡载流子复合。超出阀值的光功率会损伤解理面，最终使半导体激光器的输出功率降低或失效。因此，根据半导体激光器的本身特点，对半导体激光器驱动电路有如下要求：

（1）半导体激光器是靠载流子的注入工作的，电流注入的稳定性对激光输出的稳定性有直接影响。因此，驱动电路是一个恒流源且有很小的纹波系数。

（2）半导体激光器是一种PN结结型器件，承受电冲击能力较差，容易受外界光影响。因此，驱动电路也应具有保护电路及延时缓冲电路，防止驱动电路刚工作或工作期间对激光二极管过渡驱动。

（3）PN结的温度过高将产生非线性及增加内部损耗影响半导体激光器的工作寿命。因此，驱动电路在激光二极管安放位置应具有温度检测与控制电路。

2.1 电路设计

2.1.1 电源电路与恒流源电路

电源电路对恒流源电路的稳定性具有较大影响，为了输出低漂移的电流，设计选用了输出线性好、功耗小且输出电压误差在±4%范围内的高精度电源芯片LM2596。另一方面，在反馈控制电路中的参考电源部分，由于直接影响恒流电路电流输出特性，选用了低温度系数15×10-6/℃，工作温度范围-40℃～+85℃的MAX6160.

实验中选用的激光二极管典型参数要求（典型输入电流为170 mA，最大不超过230 mA），反馈电路中控制部分电源为由LM2596部分提供，参考电源部分由MAX6160和MAX6125输出。电路如图1所示。

图1 电源电路

为了消除电路启动时刻的高频冲击电流，在反馈电路前端设计了延时缓冲电路，这部分具体原理介绍将在后面详细分析。反馈部分由运放和俩个三极管构成电流放大，运放一端接入反馈电阻与激光二极管，另外一端接入基准电压源作为反馈输入部分。反馈部分通过运算放大器构成同相比例放大后传入反相输入端，构成电流负反馈电路，使电流输出向相反方向调节，2个三极管增大了反馈系数，更有利于高效的达到动态平衡构成恒流电路［7］，如图2所示。

图2 恒流源电路

2.1.2 保护电路

由于在高性能的半导体激光器中，对驱动电路的电流参数有很高的要求，再加之半导体激光二极管的价格昂贵的原因。不得不要求在设计半导体激光器驱动电路时加入保护电路，从而保证激光器的安全稳定和避免因误操作等原因造成的不必要的损失。

本驱动电路的保护电路分成2部分，一部分是保证驱动电路恒流电源部分的电流不超过指定值（依据激光二极管的电流参数指标），另一部分则为了确保半导体激光二极管的2端电压不超过指标设定值。在第1部分的保护中，本设计将激光二极管的的反馈部分采样电阻点的电压作为后运放的同相输入端，该运放的反相输入端则接入参考电压源的输出端，将该运放的输出端输出的电压进行同相比例放大，最后将输出电压接入前端基准电压源LM2596的控制端和三极管的基极。当激光二极管的恒流源的电流超出指标值时将会关断恒流源电路的电源并点亮共阴双色发光二极管的红灯用来指示电路过流状态保护激光二极管，如图3所示。

图3 保护电路

图3中，在第2部分保护电路，主要是防止因运放失效或反馈电阻短路等特殊原因造成激光二极管俩端电压恶性增大，此处在激光二极管俩端接入稳压二极管作为过电压保护电路。

2.1.3 延时缓冲电路

激光二极管驱动电路在启动上电时刻会产生高频冲击电流信号。电流的突然放大会会导致反馈电路部分突发增大并损害激光二极管。为了使激光二极管在上电瞬间消除尖峰电压引入了延时缓冲电路。

延时缓冲电路由俩部分组成，一部分是深延时电路，主要用于整个驱动电路上电瞬间对前端电源电路的延时，如图4所示，另一部分延时电路，主要作用是对反馈部分的电源的延时，进一步增加了电路延迟的时间。根据电路零输入响应基本原理［8］，延时电路设计中将延时时间定位6 s。

图4 延时电路

2.2 电路仿真结果与讨论

在实际电路调试之前，利用Multisim电路仿真软件对电路进行了搭建与仿真。根据实验选用的激光二极管的技术参数，选用了与此等效的金属膜电阻进行了等效，由于仿真电路中的电源均为理想的电压源，故将实际电路中基准电压源部分直接用理想直流电压替代。仿真结果图如图5所示。

图5 仿真波形图

由于实际电路与仿真电路还存在着一些差异，采用Multisim仿真是在无噪声和外部环境干扰情况下得出的仿真结果图，通过虚拟示波器的波形图很明显得出此恒流源驱动电路满足实验要求。因此在此仿真基础上，绘制出了实际的电路板，并采用示波器监视观察同样的电路点，最终将实际驱动电路的波形图与软件仿真结果图作比较，如图6所示，实验发现除了在延时时间方面的误差外，其他电流参数及激光二极管俩端电压都满足要求。

图6 实际波形图

最后，为了进一步测试激光二极管出射光的光强参数，本实验采用已有光路系统，对激光二极管的参数做了更深入的测试，如图7所示。实验结果显示，此激光二极管驱动电路输出强度的波动限定在200 kcps～400 ksps范围内，具有极高的稳定性与精度，足以满足后续实验要求。对半导体激光器驱动电路的研究具有指导性意义。

图7 强度波动图

3 结论

本激光二极管驱动电路以激光二极管的各项参数指标为依据，对电路中设计中需要考虑的问题进行了全面分析。通过在Multisim模拟环境中的电路仿真到实际电路调试中的观测，并将俩实验结果做了比较，最后通过采用实验室已有光路系统的测试，发现该激光二极管驱动电路在精度与稳定性上都大大超出了预想结果，验证了此激光二极管驱动电路的可行性。

［1］Seiichi Kakuma，Ryoji Ohba.Practical Accurate Optical Ranging Based on Polarization Self Modulation of a Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser Diode［J］.Optical Review，2003，10（6）：511-513.

［2］江剑平.半导体激光器［M］.北京：电子工业出版社，2000.

［3］金杰，郭曙光，吕福云，等.外腔半导体激光器的实验研究［J］.南开大学学报，2002，35（4）：6-9.

［4］周炳坤，高以智，陈倜嵘.激光原理［M］.北京：国防工业出版社，2009.

［5］张国雄，黄春晖.一种高稳定连续可调半导体激光器驱动源［J］.激光与红外，2011（2）：160-163.

［6］David F Welch.A Brief History of High-Power Semiconductor Laser［J］.IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，2000.

［7］赵忠伟，吴广业，张玉钧，等.半导体激光器驱动电源设计［J］.中国电子科学研究院学报，2011，6（6）：657-660.

［8］童诗白，华成英.模拟电子技术基础［M］.北京：高等教育出版社，2001.

袁林成（1989-），男，汉，江苏盐城人，南京工业大学，硕士研究生，主要研究方向为分析仪器设计，机器人嵌入式系统等，1033867716@qq.com；

蒋书波（1975-），女，汉，江苏南京人，南京工业大学，副教授，主要研究方向为分析仪器设计，嵌入式系统等，153381253@qq.com。