一種光纖傳感器光源驅(qū)動電路的設(shè)計

　　引 言

　　光纖傳感器自20世紀(jì)70年代以來，以其具有的靈敏度高、耐腐蝕、抗電磁干擾能力強、安全可靠等特點取得了飛速的發(fā)展。同時，這些特性也使它可以實現(xiàn)某些特殊條件下的測量工作，比起常規(guī)檢測技術(shù)具有諸多優(yōu)勢，是傳感技術(shù)發(fā)展的一個主導(dǎo)方向。

　　作為光纖傳感器中關(guān)鍵的光學(xué)元件之一的光源，其穩(wěn)定度直接影響著光纖傳感器的準(zhǔn)確度。本文所涉及的光纖傳感器采用的是半導(dǎo)體激光器光源，半導(dǎo)體激光器具有單色性好、方向性好、體積小、光功率利用率高等優(yōu)點，但是，光功率輸出受外界環(huán)境變化的影響較大。因此，本文針對半導(dǎo)體激光光源的工作原理和特性，設(shè)計了一種簡單可行的自動功率控制(APC)驅(qū)動電路，通過背向監(jiān)測光電流形成反饋，實現(xiàn)恒功率控制。并且，引入了慢啟動電路，防止電源電壓的干擾，使激光器不會受到每次開啟電源時產(chǎn)生的過流沖擊，延長了激光器的使用壽命。經(jīng)實驗驗證，該電路解決了激光器在使用中輸出功率不穩(wěn)定的問題，其穩(wěn)定度優(yōu)于0.5%，達(dá)到了較好的穩(wěn)流效果。

　　1 光源的工作原理和特性

　　目前，實際應(yīng)用的光源有表面光發(fā)射二極管(LED)、激光二極管(LD)、超輻射二極管(SLD)、超熒光光源(SFS)等。隨著光纖傳感技術(shù)的迅速發(fā)展，體積小、質(zhì)量輕、功耗小、容易與光纖耦合的LD等半導(dǎo)體光源應(yīng)用越來越廣泛。本文主要研究半導(dǎo)體LD的驅(qū)動設(shè)計。

　　1.1 LD發(fā)光機理分析

　　LD的基本結(jié)構(gòu)為：垂直于PN結(jié)面的一對平行平面構(gòu)成法布里-珀羅諧振腔，它們可以是半導(dǎo)體晶體的解理面，也可以是經(jīng)過拋光的平面。其余兩側(cè)面則相對粗糙，用以消除主方向外其他方向的激光作用。當(dāng)半導(dǎo)體的PN結(jié)加有正向電壓時，會削弱PN結(jié)勢壘，迫使電子從N區(qū)經(jīng)PN結(jié)注入P區(qū)，空穴從P區(qū)經(jīng)過PN結(jié)注入N區(qū)，這些注入PN結(jié)附近的非平衡電子和空穴將會發(fā)生復(fù)合，從而發(fā)射出波長為λ的光子，其公式

　　λ=hc/Eg， (1)

　　式中 h為普朗克常數(shù);c為光速;Eg為半導(dǎo)體的禁帶寬度。

　　如果注入電流足夠大，則會形成和熱平衡狀態(tài)相反的載流子分布，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)有源層內(nèi)的載流子在大量反轉(zhuǎn)情況下，少量自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子由于諧振腔兩端面往復(fù)反射而產(chǎn)生感應(yīng)輻射，造成選頻諧振正反饋，或者說對某一頻率具有增益。當(dāng)增益大于吸收損耗時，就可從PN結(jié)發(fā)出方向性好、相干性強、亮度高、頻帶窄的激光。LD除了具備一般激光的相干性好、方向性強、發(fā)散角小、能量高度集中外，還具有光電轉(zhuǎn)換效率高、輸出功率大、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、抗震性強等特點。

　　1.2 LD輸出特性

　　圖1是一種典型的半導(dǎo)體激光器在不同溫度下的輸出功率與正向驅(qū)動電流的關(guān)系曲線。為了便于看清楚，圖中底部的近似直線部分有意抬高了一些。由圖1中可以看出：當(dāng)驅(qū)動電流低于閾值時，激光器只能發(fā)射出熒光，只有當(dāng)驅(qū)動電流大于激光器的閾值電流時，激光器才能正常工作發(fā)出激光，因此，要使LD發(fā)射激光，就要供給LD略大于閾值電流的工作電流。而且，LD的閾值電流受溫度的影響，溫度越高，相應(yīng)的閾值電流越大。在某一溫度下，當(dāng)驅(qū)動電流低于閾值電流時，輸出光功率近似為零;當(dāng)驅(qū)動電流高于閾值時，輸出激光，光輸出功率隨著驅(qū)動電流的增大而迅速增加，并近似呈線性上升。

　　本文使用的是波長為1310 nm的FP同軸激光器，其工作電流為25.0 mA，輸出功率為0.96 mW，內(nèi)部光路原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。LD與背向檢測探測器PD組合，并封裝在一起，LD是正向接法，PD是反向接法。PD用來檢測激光器的背向輸出光功率，其輸出光功率取決于LD的輸出值。

　　1.3 LD的調(diào)制和背光耦合

　　為了方便進(jìn)行光功率自動控制，通常，激光器內(nèi)部將LD和背向光檢測器PD集成在一起，見圖2。其中，LD有2個光輸出面，主光輸出面輸出的光供用戶使用，次光輸出面輸出的光(即背向光)被光電二極管PD接收，所產(chǎn)生的光電流用于監(jiān)控LD的工作狀態(tài)。背向光檢測器的監(jiān)測電流與主輸出面光輸出功率呈線性關(guān)系，根據(jù)背向光檢測器對LD的耦合特性，可設(shè)計適當(dāng)?shù)耐鈬娐吠瓿蓪D的自動光功率控制。

　　2 LD驅(qū)動控制電路設(shè)計

　　由圖3可以看出：LD與監(jiān)測二極管是集成在一起的元器件。流入LD的電流經(jīng)過APC電路的預(yù)偏置電流。APC電路通過電流負(fù)反饋電路抑制由于溫度變化、器件老化等引起的光功率的變化。APC電路部分采用背向光反饋自動偏置控制方式，即用半導(dǎo)體激光器組件中的PD光電二極管監(jiān)測LD背向輸出的光功率。因為背向輸出光功率能跟蹤前向輸出光功率的變化，通過閉環(huán)控制系統(tǒng)就可以調(diào)節(jié)激光器的電流，達(dá)到輸出穩(wěn)定光功率的目的。

　　圖4所示的APC電路由運算放大器1，2和晶體管Q1以及外圍電路組成，該電路是一個以三極管為核心的負(fù)反饋系統(tǒng)，具有自動穩(wěn)定激光器光輸出功率的功能。反饋取自LD的背向光，由背向光監(jiān)測二極管檢出并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流，經(jīng)電容器C1濾波后，進(jìn)入運放的反向輸入端，將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號V1。運放的同向輸入端由LM336和運放組成的+2.5 V穩(wěn)定基準(zhǔn)源及變位器R5組成?；鶞?zhǔn)電壓的輸出為V2，可以通過變位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　在給驅(qū)動電路加上電壓的瞬間，會產(chǎn)生一個較大的沖擊電流，瞬間電流的大變化會影響半導(dǎo)體激光器的使用壽命。此外，一般情況下，電源電壓都是由交流220 V經(jīng)變壓整流提供給驅(qū)動電路電壓，外部串入的干擾信號也會產(chǎn)生瞬間的大電流，這樣，長期工作也會影響半導(dǎo)體激光器的使用壽命。

　　基于這種情況，在設(shè)計中引人慢啟動電路，即在基準(zhǔn)源的輸入端并接二極管和電容，其中的電容在10～470μF左右，其最佳值在22～47μF。這樣，驅(qū)動電路不受電源電壓的干擾，具有慢啟動效果，使激光器不會受到每次開啟電源時產(chǎn)生的過流沖擊，延長了激光器的使用壽命。

　　APC電路控制過程如下：當(dāng)由于某種原因，使LD的輸出光功率降低時，耦合至光電二極管的電流也同比例減小，即V1減小，這樣，通常狀態(tài)下的平衡被打破，使得運放1輸出端的電壓即V3將會增大，于是，三極管Q1的基極電流增大，集電極電流也隨之增大，而集電極電流正是流入LD的電流。因此，流入激光器的電流增大，輸出光功率相應(yīng)增大，從而使輸出光功率保持不變;反之，亦然。

　　根據(jù)本傳感器的激光器的性能參數(shù)，選擇合適的電阻電容進(jìn)行匹配，調(diào)節(jié)電位器，可以得到不同的光功率輸出值。圖5是在室溫(25℃)下進(jìn)行的實驗曲線圖，從圖中可以看出：該光纖傳感器LD光源的閾值電流在8 mA左右，穩(wěn)定工作在10～30mA之間。輸出功率與驅(qū)動電流在大于閾值電流后呈較好的線性關(guān)系。正常工作時能輸出-0.1，-1，-2，-5，-10 dB等可調(diào)的穩(wěn)定的光功率值。電路中的參數(shù)配置，使流入LD的電流不會超過其極限值。

　　實驗證明：該設(shè)計電路正確可行，基于背向監(jiān)測器的自動光功率反饋保證了光纖傳感器能夠在功率恒定的情況下正常工作。

　　3 結(jié)論

　　本文所設(shè)計的驅(qū)動電路，通過慢啟動和功率自動控制電路解決了激光器在使用中輸出功率不穩(wěn)定的問題，其穩(wěn)定度優(yōu)于0.5%，達(dá)到了較好的穩(wěn)流效果。本文中的光纖傳感器是應(yīng)用于液氮的低溫環(huán)境下，本次實驗是在室溫下進(jìn)行，將其耦合器和其驅(qū)動電路部分通過光纖引出處于室溫(25℃)下，溫度變化不是很大，因此，沒有引入溫度補償控制電路。下一步實驗將使光纖傳感器處于液氮的低溫環(huán)境下工作，溫度波動較大，需要考慮加入自動溫度補償電路，實現(xiàn)恒溫控制。