论文研究-半导体激光器驱动的设计和实现 .pdf-资料库

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半导体激光器驱动的设计和实现 http://www.paper.edu.cn 胡剑，张小频北京邮电大学电信工程学院，北京 (100876) E-mail：hujian523@gmail.com 摘要：本文介绍了一种半导体半导体激光器驱动设计的基本原理，并给出其实现方法及软硬件结构。该驱动电路可以方便得设置激光器的工作温度，输出功率并进行实时的监测。关键词：半导体激光器，温度控制，功率控制，单片机中图分类号：TN91 通信 1. 引言激光在日常生活各个领域中有着广泛的应用，如激光扫描、激光打印、激光表演、激光美容和激光医疗等等。半导体激光器以其尺寸小，耦合效率高，响应速度快，波长和尺寸与光纤尺寸适配，可直接调制，相干性好等优点，在光纤通信，光盘存取，医疗等方面获得了广泛的应用。半导体激光器是光纤通信系统的唯一实用化的光源，本文设计了一种可用于光纤通信的半导体激光器驱动系统。该系统可以方便得设置激光器的输出功率和工作温度，并使激光器稳定在设定的温度工作。 2. 激光二极管特性通常，连续的光输出只能由一个半导体激光器产生并维持。为了实现快速的开关操作，一般设置偏置电流稍微高于激光二极管的门限一点点，这样可以消除开关时延。激光器的光输出由驱动电流的幅度，光电转换效率和激光二极管的斜度效率决定。而门限电流和斜度效率受激光器的结构，制作工艺，制作材料和工作温度影响。当温度上升时，门限电流 [3] 随工作温度成指数上升，可以由以下公式近似估算： T T I th I = + K e ⋅ I 是 I0 = 1.8MA, KI= 3.85MA, AND TI = 40℃。 0 I ，其中 I0, KI, 和 TI 是激光器的参数.例如一种 DFB 激光器的参数激光器的斜度效率 [3] 是指，激光器的输出功率和输入电流的比。温度的升高将会引起斜，例如之前度效率的增加。下面这个公式可以用来估算斜度效率：所述 DFB 激光器，TS 接近 40℃ 而另两项激光器参数 S0 = 0.485MW/MA，KS = 0.033MW/MA。 S T ( ) = T T s S K e ⋅ 0 − s I 激光器的工作电压和电流可以用二极管的电压-电流特性模拟。，IS 是二极管饱和电流, VT 是热电压，而η是制造常数。当激光器二极管的偏置电流接近或是超过门限值时，电压-电流的关系将接近线性，如图 1 所示： ≈ I ⋅ s T V eη⋅ V - 1 -

http://www.paper.edu.cn 图 1：激光器电流，电压和输出光功率的关系图 2 所示是一种简单的激光二极模型。在这张图中，直流偏置电压 VBG 和激光二极管的能带隙电压相关联，而 RL 代表了二极管的动态阻抗。当驱动二极管超过门限时，激光二 P 极管的输出光功率可以用以下公式估算： 0 = S 0 ( ⋅ I − I )th 图 2：简单的激光器等效电路 3. 工作原理 3.1 系统硬件电路组成及工作原理激光器驱动的主要功能是给激光二极管提供一个适当的偏置电流和调制电流（如图 3 所示）[1] 。偏置电流是恒定电流，用来是激光二极管工作在超过它的门限值的线性区域。调制电流是根据输入电压的波形接通或是断开的交流电。 - 2 -

http://www.paper.edu.cn 图 3：激光器驱动功能图由激光器的工作原理，整个激光器驱动电路可以分成以下几个部分 [2] （如图 4 所示）：（1）激光二极管驱动电路，提供激光器工作的偏置电流和调制电流；（2）温度控制电路，设定激光器的工作温度，使激光器在恒温条件下工作；（3）单片机及其外围电路，设置激光器工作的偏置电流和工作温度，并可以实时监测激光器的工作状态。图 4：激光器驱动系统原理框图 - 3 -

http://www.paper.edu.cn 4. 硬件系统组成 4.1 温度控制电路核心器件为 MAXIM 公司的 MAX1978 温控芯片 [5] 。该芯片具有体积小，安全性高，精度高等特点。使用该芯片可以输出最大±3A 的双极性电流，可以方便精确得对致冷器（TEC）进行加热或是降温。通过芯片的 TEC 电流监视管脚和温度监视管脚可以对激光器的状态进行实时的监测，保证激光器正常工作。通过 DA 或是电位器可调节设置点管脚电压可以方便得设置激光器的工作温度。进行 PCB 设计时，TEC 供电电流比较大，TEC 供电线应尽量加粗 [6] 。 4.2 激光二极管驱动电路核心器件为 MAXIM 公司的 MAX3869 驱动芯片 [5] 。该芯片可以提供最 1~100MA 的偏置电流，5~60MA 的调制电流。通过偏置电流监视端口和调置电流监视端口可以方便得检测激光器的工作状态，通过 AD 或是电位器可以方便得调节偏置电流。如果不需要使用芯片的调制部分，可以对调制输入接 100Ω 电阻。偏置电流输出管脚应尽量靠近激光器的直流电输入管脚，导线也应加粗 [6] 。 4.3 单片机及其外围电路核心器件选用 PIC16F877 单片机。单片机外接键盘可以用来对激光器的偏置电流和工作温度进行设置，然后通过 DA 转化成模拟信号输出到控制芯片的各个控制管脚；PIC16F877 的 PORTA 端口可用做 AD 口输入，偏置电流监视信号，温度监视信号和 TEC 电流监视信号可以通过单片机内部的 AD 将模拟信号转化成数字信号，再通过 LCD 模块显示输出；单片机也可以通过 RS232 接口芯片（如： MAX232E）和 RS232 串口和计算机连接，通过计算机对激光器的工作状态进行设置和监视；单片机设置一个管脚和 MAX3869 的 ENABLE 管脚连接控制 MAX3869 的使能。图 5：单片机及其外围电路框图 5. 软件系统的设计软件系统主要激光器驱动的单片机程序编写，包括 LCD 驱动，键盘扫描，AD 驱动,DA 驱动,RS232 串口驱动等程序的编写 [4] 。 - 4 -

http://www.paper.edu.cn 主程序流程图如图 6 所示。程序开始后，经过初始化，进入键盘扫描程序。键盘扫描监测到不同的按键按下，程序相应进入对应的处理程序。 BIAS 设置程序：设置偏置电流大小，偏置电流设置数字信号通过相应管脚输出给 DA；并将设置值通过 LCD 显示。设计程序时，最好能有慢启功能，使偏置电流缓慢变化，保证激光器安全。 TEMP 设置程序：设置激光器温度，温度设置数字信号通过相应管脚输出给 DA；并将设置值通过 LCD 显示。 BIAS 监视程序：BIAS 监视模拟信号经过 AD 转化成数字信号，然后通过 LCD 显示。 TEMP 监视程序：TEMP 监视模拟信号经过 AD 转化成数字信号，然后通过 LCD 显示。 TEC 电流监视程序：TEC 电流监视模拟信号经过 AD 转化成数字信号，然后通过 LCD 显示。图 6：驱动程序流程图 - 5 -

http://www.paper.edu.cn 6. 结束语该激光器驱动特点： 1．可以提供1~100mA偏置电流，5mA~60mA的调制电流 2．方便地设置偏置电流和激光器工作温度的大小 3．可以提供0.001°C的温度稳定性 4．可以设置最大偏置电流，调制电流和致冷器电流，保护激光器 5．可以实时监视偏置电流，温度和致冷器电流的大小 6．拥有功率设置失败告警和过热过冷报警参考文献 [1] GOVIND P. AGRAWAL.Fiber-Optic Communication Systems. John Wiley & Sons, Inc. [2] Neil Albaugh. OPTOELECTRONICS CIRCUIT COLLECTION. Texas Instruments Application Report [3] MAXIM High-Frequency/Fiber Communications Group.Interfacing Maxim Laser Drivers with Laser Diodes. MAXIM Application Note [4] 求是科技.PIC 单片机典型模块设计实例导航.人民邮电出版社. [5] MAXIM 公司产品手册.http://www.maxim-ic.com.cn/ [6] 周润景，袁伟亭.Cadence 高速电路板设计与仿真，电子工业出版社 Design and Realization of Semiconductor Lasers Driver Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing（100876） Hu Jian，Zhang Xiaopin Abstract This paper introduce the design principle of a sort of semiconductor laser driver. In this paper,the realization method and structure of hardware and software are presented.It can set the working temperature and output power of the laser conveniently，and it can also real-time monitor the temperature and power. Keywords：semiconductor laser，temperature control，power control，Singlechip 作者简介：胡剑，男，1982 年生，北京邮电大学电信工程学院，电磁场与电磁波专业研究生；张小频，男，教授，博士生导师，参加了多项有关相干光通信系统的国家七·五、八·五科技攻关和 863 项目并获奖，导出包络检测相位噪声统计分析的 Fokker-Plank 方程解析解，参与光缆有线电视系统的研究与推广工作并获邮电部科技进步三等奖，参与 Infineon 极化环发射机芯片研发并获专利，发明使用纯数字鉴相器的分数 N 频率合成器等等。 - 6 -

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