半导体激光器的自动功率控制_APC_功能模块

基于FPGA的数字激光自动功率控制系统设计

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其工作原理是：将半导体激光器Ｌ背向输出的光功率Ｄ经背向光探测器Ｐ进行检测后，换成模拟电压信号，模Ｄ转该拟电压信号经过ＡＤ转换芯片的采样和转换．转换成代表／
作者简介：文家（９８）男，西西安人，士，梁１７一，陕硕工程师。研究方向：电气自动化，交通信息工程及控制。
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《电子设计工程｝０２年第１２１期

激光器设计原理讲解

引言光纤传感器自20世纪70年代以来，以其具有的灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、安全可靠等特点取得了飞速的发展。

同时，这些特性也使它可以实现某些特殊条件下的测量工作，比起常规检测技术具有诸多优势，是传感技术发展的一个主导方向。

作为光纤传感器中关键的光学元件之一的光源，其稳定度直接影响着光纤传感器的准确度。

本文所涉及的光纤传感器采用的是半导体激光器光源，半导体激光器具有单色性好、方向性好、体积小、光功率利用率高等优点，但是，光功率输出受外界环境变化的影响较大。

因此，本文针对半导体激光光源的工作原理和特性，设计了一种简单可行的自动功率控制(APC)驱动电路，通过背向监测光电流形成反馈，实现恒功率控制。

并且，引入了慢启动电路，防止电源电压的干扰，使激光器不会受到每次开启电源时产生的过流冲击，延长了激光器的使用寿命。

经实验验证，该电路解决了激光器在使用中输出功率不稳定的问题，其稳定度优于0.5%，达到了较好的稳流效果。

1 光源的工作原理和特性目前，实际应用的光源有表面光发射二极管(LED)、激光二极管(LD)、超辐射二极管(SLD)、超荧光光源(SFS)等。

随着光纤传感技术的迅速发展，体积小、质量轻、功耗小、容易与光纤耦合的LD等半导体光源应用越来越广泛。

本文主要研究半导体LD的驱动设计。

1.1 LD发光机理分析LD的基本结构为：垂直于PN结面的一对平行平面构成法布里-珀罗谐振腔，它们可以是半导体晶体的解理面，也可以是经过抛光的平面。

其余两侧面则相对粗糙，用以消除主方向外其他方向的激光作用。

当半导体的PN结加有正向电压时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经PN结注入P区，空穴从P区经过PN结注入N区，这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为λ的光子，其公式λ=hc/Eg， (1)式中 h为普朗克常数;c为光速;Eg为半导体的禁带宽度。

如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。

10G XFP光模块设计

10G XFP光模块设计文章介绍了应用于光网络系统的10 Gbit／s XFP(小型化可热插拔)光模块的基本原理以及光收发模块的设计，采用了CDR(时钟数据恢复)、A PC(自动功率控制)、LA(限幅放大器)和发射驱动集成的主芯片GN2010EA，与传统设计相比不仅降低了设计成本，而且降低了设计的复杂度。

测试结果表明，该模块在宽的温度范围内能保持稳定的光功率和消光比，并且指标满足ITU—T标准的要求，符合10 Gbit／s 光模块设计要求。

引言在光纤通信系统中，实现光／电／光转换功能的光收发模块占有十分重要的地位。

高速率(40、100 Gbit／s)技术已经成为各大运营商关注的焦点，但10 Gbit／s技术仍然是当前通信系统的主流技术，基于标准化的密集波分光通信模块成为其必不可少的一部分，10 Gbit／s XFP(ds型化可热插拔)光模块以其价格低、体积小和应用环境广泛等优点，已经成为10 Gbit／s光模块的主流产品。

本文将介绍兼容40和80 km 的10 Gbit／sXFP光模块的基本原理、低成本的设计方案，以及相关的测试(验证方案的可行性)。

这种设计采用CDR(时钟数据恢复)、APC(自动功率控制)、LA(限幅放大器)和驱动器集成的主芯片GN2010EA，减少了器件的数量，降低了制作工艺难度，达到了低成本的目的。

1 10 Gbit／s XFP光模块的设计1．1 模块功能框图图1所示为10 Gbit／s XFP光模块的基本结构框图。

模块的发射端(包括光发送子系统、主芯片、温控电路以及控制电路)采用输入均衡器、多速率CDR、EML(电吸收调制激光器)驱动器和APC集成的芯片驱动激光器实现电／光转换。

接收端(包括光接收子系统、主芯片以及控制电路)则采用APD(雪崩光电二极管)将探测到的光信号转换成电信号放大整形后输出。

模块中采用单片机控制发射驱动芯片，实现数字诊断功能。

1．2 发射部分发射电信号由主芯片GN2010EA 的TXDIP脚和TXDIN脚进入，经过主芯片发射部分的均衡器、CDR和EML驱动器，再由TXDOP脚和TXDON脚输出，进入TOSA(光发送子系统)进行电信号到光信号的转换。

半导体激光器自动功率控制电路设计

图3 电容充放电模块电路图图1 激光器自动功率控制系统原理图图2 具有关断功能的阴极共地型激光器电流源2014.157PIN探测电流变大，从而导致反馈回路输出电压升高，直至高过比较器正端电压V SET后，比较器输出由低电平跳变为高电平，接着执行上述过程的反过程：电容放电、激光器功率减小，由此循环往复，最终稳定激光器发光功率。

恒流源半导体激光器的可靠稳定工作需为伏特，即当输入电压由0V变化到2.5V时，可实现激光器电流由0mA到250mA的线性变化。

电容充放电模块电容充放电模块是形成反馈回路、实现自动功率控制至关重要的一部分。

稳定激光器功率是通过微调流经激光器的电流实现的，这种微调功能的实现是需要某种自动起伏变化的而大电容的电压可了Q5通路，通路上的1k电阻可在电路停止工作后迅速对大电容放电。

为了对电容充放电过程进行定量分析，可将充放电电路等效成如图4所示的电路模型：假设在t=0时刻，U C=0，根据电路理论，易得电容电压U C随时间t的变化关系式为：(1exp(/))CU E t RC=−−（2）图4 电容充电与放电等效电路模型图图5 电容电压充放电过程仿真波形图带有PIN或PD光电探测器用于探测光强，光电探测器能够得到与检测光强成一定比例关系的电流信号，通过对该电流信号进行电压转换、放大处理即可得到实用的监测信号，这一过程可以体现于图6。

MAX4008是一款高精度电流检测芯片，在光纤应用中专门用于检测PD或PIN光电探测器的电流，它的REF引脚是参考电流输入引脚，OUT 引脚是检测电压输出引脚，其电压值大小与REF引脚电流成正比关系。

当REF参考电流在250nA到2.5mA范围内考电流值对应的输出电压范围是0.25mV~2.5V。

0.25mV~2.5V的电压值需要变换放大到所需要的电压范围，这通过由运算放大器A4组成的同相比例运算电路实现，如图6所示，其比例系数为1+R f/R。

注意到一点，MAX4008的输出电阻为10kΩ，而根据PIN、光强度等的不同，MAX4008的输出电压可能会低至几毫伏，为了防止输出电压在下一级输入会有衰减，在MAX4008与同相比例运算电路之间加一级电压跟随器，用于隔离，提高MAX4008“带实验结果与分析光电探测器选用S I E M E N SSRD00111Z硅PIN光电探测器来模拟激光器集成光电探测器，该光电探测器最高功率谱密度集中在800nm；作为实验，选用红色发光二极管（LED）来模拟激光器。

APC电路和消光比温度补偿

P1=2.40mW P0=0.12mW

某个FP光器件的测试报告表明全温度范围的斜效率
SE = 54mW/A @ -40 oC (3)

SE = 49mW/A @ +25 oC (4)
SE = 32mW/A @ +85oC (5)

由此可知，要保证高低温模块的消光比和平均发射功率不变，Laser Driver需要给器件提供的偏置电流和调制电流需要满足如上的变化规律，在功率和消光比为确定值的前提下，调制电流的变化规律可以初步确定。因为Ibias主要由芯片的APC电路根据功率变化自动控制，我们所做的补偿主要针对Imod。
通过LD速率方程组的瞬态解得到的张弛振荡频率ωr及其幅度衰减时间τo和电光延迟时间td的表达式为：
j w [ ( 1)]1 2 sp ph jth jth o 2 sp j j td sp ln j jth
1
(4.1) (4.2) (4.3)
式中，τo是张弛振荡幅度衰减到初始值的1/e的时间，j和jth分别为注入电流密度和阈值电流密度。τsp 和τph分别为电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命。在典型的激光器中，τsp≈10e-9s, τph≈10e-12s，即 τspτph。
驱动器功耗输出调制电流
多2～4个元件
有低速率限制
元件多LD引脚不能靠近 LD引脚直接连接LDD 驱动器芯片，不易匹配芯片，易于匹配，高速性能好较大较大（不受 ‘Headroom’限制）较小较小（受‘Headroom’ 限制）
LD和驱动芯片接口
LD和驱动芯片接口要求
1. TO型激光器安装在PCB边沿时，接地层要扩展到PCB边沿以减少管脚引线电感，过大的电感会使波形边沿速度变慢 2. 激光器要尽可能靠近驱动器芯片，只要接线长度小于传输波长，可以不考虑传输线的几何尺寸，减少线宽有利于减小寄生电容 3. 要仔细考虑高速信号电流环路，尽量减小返回路径的连接阻抗，并使高速电流环路闭合面积最小，就能减少EMI 4. 在激光器阳极处Vcc要有足够的旁路电容，以降低高速电流切换而产生的电源开关噪声

半导体激光器温度自动控制

2 应用领域扩展
随着半导体激光器应用领域的不断扩展，温度自动控制系统也将面临更多的挑战。在医疗、汽车、航天和军事等领域，半导体激光器将有着更广泛的应用前景。
总结与展望
1 已取得的成果
温度自动控制系统在半导体激光器的研究和应用中具有至关重要的作用，它们提供了稳定和可靠的控制，使激光器能够在各种条件下实现更高的性能。
半导体激光器温度自动控制
半导体激光器温度自动控制是一种关键技术，可优化激光器性能和延长使用寿命。本文将解释其原理、性能影响、关键组成部分以及应用案例。
半导体激光器基础知识
半导体激光器原理
半导体激光器是一种由半导体材料制成的电子器件，能将电能转换成光能。它的激射原理与其他激光器不同，具有许多特殊性质。
• M. T. Asom, Introduction to Semiconductor Lasers for Optical Communications, Artech House (1994).
• B. Naglič, J. Stražar, Semiconductor laser temperature stabilization, Infrared Physics and Technology, Volume 43, Issue 4, 2002, Pages 241-248, ISSN 1350-4495.
执行器将控制信号转换为实际控制动作，如调节温度器或控制风扇的转速。
温度自动控制方法
1 开环控制
2 闭环控制
开环控制是最简单的温度控制方法，但缺乏反馈，无法应对环境和工作负载的变化。
3 PID控制
闭环控制通过反馈控制信号来纠正偏差，可以提供更准确和稳定的温度控制。

半导体激光器的驱动方式特点及工作原理

半导体激光器的驱动方式特点及工作原理半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件，想要更多了解半导体激光器，从以下的几方面了解。

一、半导体激光器的驱动方式半导体激光器的激励方法通常多采用电流注入形式，当注入电流大于阈值电流Ith时，辐射功率随电流的增加而迅速地增大。

因此，可以通过改变半导体激光器的注入电流来调整其输出的光功率。

而对半导体激光器进行控制，通常采用自动控制的方法，它包括恒电流控制(ACC)，恒功率控制(APC),电压恒定控制(AVC)。

在APC工作方式下，采用光电探测器(PD)接收一小部分激光功率并转化为监测电流，改监测电流经过测电流经过电流/电压转换后，通过APC反馈网络与设定值比较，从而形成闭环负反馈控制。

当激光输出功率受温度等因素影响发生变化时，该负反馈可控制光功率使其稳定不变。

AVC是特定场合下简单而又游泳的模式，当要求LD的驱动电压恒定时，可以采用此模式。

在ACC工作方式中，通过电流采样反馈为电流驱动单元提供有源控制，从而是电流漂流最小且使LD输出稳定性最大，与温度控制配合使用效果更好。

现如今常用的半导体激光设备工作用恒流源，主要是应用了场效应管的导通特性以及晶体管的对称连接镜像恒流原理来实现。

要得到稳定的输出，必须使注入电流稳定，这就要采用恒流源。

半导体激光器二、半导体激光器的工作原理1、高精度半导体激光器驱动电源系统的设计半导体激光器(LD)是一种固体光源，由于其具有单色性好，体积小，重量轻，价格低廉，功耗小等一系列优点，已被广泛应用。

LD是卵想的电子-光子直接转换器件，有很高的量子效率，微小的电流和温度变化都将导致其输出光功率的很大变化。

因此，LD的驱动...2、半导体激光器驱动器输出电路的设计特殊性能提出半导体激光器驱动电源的输出电路的设计方案。

1 半导体激光器驱动器的理论分析半导体激光器的应用广泛，因而其相应的驱动技术也显得越来越重要。

半导体激光器的驱动技术通常采用恒电流驱动方式，在此工作方式中，通过电学反馈控制回路，直接提供...3、半导体激光器℃，半导体激光器的发光强度会相应地减少1%左右，封装散热;时保持色纯度与发光强度非常重要，以往多采用减少其驱动电流的办法，降低结温，多数半导体激光器的驱动电流限制在20mA左右。

光线实验报告_讲解

光纤实验报告班级姓名学号第一章：实验2 电光、光电转换传输实验'、实验目的1. 了解本实验系统的基本组成结构；2. 初步了解完整光通信的基本组成结构;3. 掌握光通信的通信原理。

.、实验仪器1. 光纤通信实验箱2.20M双踪示波器3. FC-FC单模尾纤1根4. 信号连接线 2 根三、基本原理本实验系统主要由两大部分组成：电端机部分、光信道部分。

电端机又分为电信号发射和电信号接收两子部分，光信道又可分为光发射端机、光纤、光接收端机三个子部分。

实验系统（光通信）基本组成结构（光通信）如下图所示：图1.2.1实验系统基本组成结构在本实验系统中，电发射部分可以是M序列，可以是各种线路编码（CMI、5B6B 5B1P 等），也可以是语音编码信号或者视频信号等，光信道可以是1310nmLD单模光纤组成，可以是1550nmLD+单模光纤组成，也可以是850nmLED多模光纤（选配）组成。

需要说明的是本实验系统中提供的两种工作波长的数字光端机，都是一体化结构。

光端机包括光发射端机TX （集成了调制电路、自动功率控制电路、激光管、自动温度控制等），光接收端机RX （集成了光检测器、放大器、均衡和再生电路）。

其数字电信号的输入输出口，都由铜铆孔开放出来，可自行连接。

一体化数字光端机的结构示意图如下：图1.2.2 一体化数字光端机结构示意图四、实验步骤1. 关闭系统电源，将光跳线分别连接TX1310、RX1310两法兰接口（选择工作波长为1310nm 的光信道），注意收集好器件的防尘帽。

2. 打开系统电源，液晶菜单选择“码型变换实验一 CMI 码PN'。

确认，即在 P101铆孔输出32KHZ 的15位m 序列。

3. 示波器测试P101铆孔波形，确认有相应的波形输出。

4. 用信号连接线连接 P101、P201两铆孔，示波器A 通道测试TX1310测试点，确认有相应的波形输出，调节 W201即改变送入光发端机信号（TX1310）幅度，最大不超过 5V 。