半导体激光器驱动及温度控制电路
高精度输出半导体激光器的温度控制系统设计
输
体光的度制统计 激器温控 系设
章朝阳
，
喜 嚣
堂
Ｔ ｅ Ｄ ｓ ９ ｆ ｒ ａ Ｈ ９ ｒ ｃ ｓ ０ ｅ ｐ ｒ ｔ ｒ ｙ ｔ ｍ ｈ ｅ ｉ ｎ ｏ ｉ ｈ Ｐ ｅ ｉ ｉ ｎ Ｔ ｍ ｅ ａ ｕ ｅ Ｓ ｓ ｅ
汁
Ｋｅ ｗｏ ｄ ：Ｌ ｓ ｔ Ｄ ｏ ｅ： Ｔ ｍ ｅ ａ ｕ ｅ Ｃ ｎ ｒ ｌ ｇ ｖ ｒｓ ａ ｅ ｉ ｄ ｅ ｐ ｒ ｔ ｒ ｏ ｔ ｏ ｉ １ｎ
０ 弓言 Ｉ 随着光纤通信向着小型化、 集成化发展， 掺铒光纤放大 器 （ Ｆ） ＲＭＮ 大器 的பைடு நூலகம்用越来越广泛， Ｅ Ａ和 ＡＡ 放 Ｄ 要求半导体激
将Ｌ 的温度反馈到输入端， Ｄ 经过差动放大和缓冲隔离后送入 ＰＤ Ｉ控制器， 通过控温执行元件实现温度控制【。 ２ 测温部分用 】 具有高灵敏 度的负温度系数的热敏电阻 （Ｔ） Ｎ Ｃ作为温度传感
器， 将实际温度与设置温度值相减 ， 差值送 ＰＤ 制器 驱动 Ｉ控 温控执行部分 。用 Ｔ Ｃ Ｅ 作为 制冷器件 ，Ｔ Ｃ用乙类双电源互 Ｅ 补对称 功率放 大电路 驱动。 １ １温度 ／ ． 电压 转换 电路 进行精 密温控的前提条件是能够高精 度高分辨率的检测 温度值 。 本文 中的温控装置用于激光器 ， 温控 精度要求达到 ±Ｏ０１，因此相 应的测温分辨率至少应高 出一个数量级 。 ．２ Ｃ 通 常的集成温度传 感器或半 导体温度传感 器达不 到如此精 度， 热敏 电阻具有较高的温度系数 ， 但非线性很大 。由于 Ｌ Ｄ体积 非常小 ， 以，测温器件也要很小 。 所 采用半导体工艺 制成的薄膜铂热敏电阻器 ， 不仅体积 小 （ 以做 到２Ｏ ｍ ｘ 可 ．ｍ ２５ ． ｍｍ １１ ｘ ．ｍｍ） 而且具有很好的灵敏度和 稳定性 ， ， 它 将 温度的变化转化 为电阻值的变化， 在不 太宽的温度范围 内 （０ １ ２ ０Ｃ以下） ，其 电阻与温度的关系可 以表示 为 ： Ｒ Ｒ ［一ｏ （ ＝ 。 １ 【 ０， ０ ） 】 式中 ： 。 ０ Ｒ 为 时的电阻值 （ ： 为选 定温度，一般 Ｑ） ０。 为 ０Ｃ ０ 时的 电阻值 ； ｏ １ ；Ｒ 为 。 【 为温度系数 。测温电路如 图一所示， 采用桥路放 大采样。 为了很好 的使 热敏 电阻 （ｔ Ｒ） 的变化与输出的电压 线性化， 电路 中设计 ＴＲ与 Ｒ 并联。 ｔ 电 桥由 Ｒ 、Ｒ 、Ｒ 、Ｒ 、Ｒ 组成。因此，Ｒ 上的电压变化就 １ ２ ３ ４ ｔ ｔ
半导体激光器驱动电源
半导体激光器驱动电源半导体激光器是一种应用广泛的激光设备，在通信、医疗、材料加工等领域发挥着重要作用。
而激光器的工作需要稳定而高效的驱动电源来提供电能，以保证其正常运行。
本文将介绍半导体激光器驱动电源的基本原理、设计要求和现有的几种常用方案。
一、基本原理半导体激光器需要一个稳定的电流源来进行驱动，以产生稳定的激光输出。
驱动电源的主要任务是提供所需的电流，并确保输出电流的稳定性和精确性。
为了实现这一目标，驱动电源通常采用了反馈控制的方式，通过不断监测和调节输出电流，以使其保持在设定值附近。
二、设计要求在设计半导体激光器驱动电源时，需要考虑以下几个关键要求：1. 稳定性：驱动电源必须能够提供稳定的输出电流，以确保激光器的工作正常。
任何电流的波动都可能导致激光输出功率的变化，甚至影响激光器的寿命。
2. 精确性：激光器的工作需要精确的电流控制，因此驱动电源必须能够输出精确的电流值。
这对于一些要求高精度的应用尤为重要，如光学仪器和精密加工。
3. 效率：激光器工作时产生的热量较大，因此驱动电源的效率也是一个重要考虑因素。
高效的驱动电源可以减少能量的损耗，同时也减少热量的产生，有助于延长激光器的寿命。
4. 保护功能：驱动电源应具备多种保护功能，如短路保护、过热保护、过压保护等，以确保驱动电源本身和激光器的安全运行。
三、常用方案根据不同的需求和应用场景，目前有多种常用的半导体激光器驱动电源方案。
以下将介绍其中的几种：1. 线性稳压电源：线性稳压电源是一种简单且成本较低的方案。
其原理是通过稳压二极管等器件来实现电流的稳定输出。
然而，由于其工作效率较低并且对输入电压波动较为敏感，因此在某些高功率激光器驱动场景下并不适用。
2. 开关电源：开关电源是目前广泛应用于半导体激光器驱动的一种方案。
它采用开关电路来实现高效能的转换，可以提供稳定的输出电流并适应不同的输入电压波动。
开关电源还具备较好的保护功能和反馈控制能力，适用于各种激光器的驱动需求。
一种半导体激光器的精密温度控制电路
中 图 分 类 号 ：Ｔ ４ ． Ｎ２ ８ ４ 文 献 标 识 码 ：Ａ
Ｄｅ ｉｎ Ｐｒ ｃ ｓ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ Ｃｏ ｔｏ ｒ ｕ ｔｆｒＬａ ｅ ｓｇ ｅ ｉｅ Ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｎ ｒ ｌＣｉｃ ｉ ｏ ｓ ｒ
Ａｂｓｒ ｃ ： Ｌａ ｅ ｏ ｅｉ ｒ ａｌ ｎｌ ｅ ｃ ｄ ｂ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ． ｆａ ｓａ ｌ ｕ ｐ ｔｗａ ｅ ｅ ｇ ｈ ｉ ｅ ｉｅ ｔ ｅ ｔａ ｔ ｓ ｒＤｉ ｄ ｓｇ ｅ ｔｙ ｉｆｕ ｎ ｅ ｙｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ Ｉ ｔ ｂ ｅｏ ｔ ｕ ｖ ｌ ｎ ｔ ｓｒ ｑｕ ｒ ｄ， ｈ
ｔ ｌ ｒｃ ｒ， ｈ ｎ ａｈｇ ｃ ｕ ａ ｙＮｅ ａｉｅＴ ｍｐ ｒｔｒ ｏ ｆ ｃｅ ｔｒｓｓａ ｃ （ Ｔ ） ｏ ｉｅ ｉ ｈ ｒ ｌ ｒ ｌ ｏ ｅ ｔｅ ， ｉｈａ ｃ ｒｃ ｇ ｔ ｅ ｅ ａｕ ｅＣ ｅｆ ｉｎ ｅ ｉｔｎ ｅＮ Ｃ ｃ ｍｂ ｎ ｄ ｗ ｔ Ｔ ｅｍａ ｏｅ ｖ ｉ ｈ Ｅｅ ｔ ｎｃ Ｃ ｏｅ（ＥＣ ｒ ｓｄ Ｔ ｅ Ｔ Ｃ ｉ ｒ ｅ ｙ Ｐ ｌｅ Ｗｉｔ ｄ ｌｔ ｎＰ ｌｃｒ ｉ ｏ ｌｒ ｏ Ｔ ）ａｅ ｕ ｅ ． ｈ Ｅ ｓｄｉ ｎ ｂ ｕｓ ｄｈ Ｍｏ ｕａｉ （ＷＭ）ａ ｄ ｒａｉｅ ｙ Ｈ－ ｖ ｏ ｎ ｅ ｌ ｄ ｂ ｚ
ｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ｆｔ ｅ Ｌ ｓ ｒＤｉ ｄ ｕ ｔｂ ｒ ｃ ｓ ｌ ｏ ｔｏｌ ｄ ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ， ｉｒ ｐ ｏ ｅ ｓ ｒｉ ａ ｅ ｓ ｃ ｎ— ｅ ｅ ａ ｕ ｅｏ ｈ ａ ｅ ｏ ｅ ｍ ｓ ｅ ｐ ｅ ｉ ｅｙ ｃ ｎ ｒ ｌｅ ．Ｉ ｈ ｓｐ ｐ ｒ ａｍ ｃ ｏ ｒ ｃ ｓ ｏ ｓｔ ｋ ｎ ａ ｏ
大功率半导体激光器驱动电路及防护
第３ ７卷 第 ３期
２０ ０ ７年 ３月
激 光 与 红 外
Ｌ Ｅ ＡＳ Ｒ ＆ Ｉ Ｒ ＮＦ ＡＲＥ Ｄ
Ｖ０ ． ７． ． １３ Ｎｏ ３
Ｍａ ｃ ２ ０７ ｒ ｈ． ０
文章编 号 ：０ １５ ７ （０ ７ ０ －２００ １０ －０ ８ ２０ ） ３０ ３ －４
驱 动 电路 由带 有慢 启 动 、 压保 护 、 流保 护功 过 过
能的工作 电源部分 、 自动功率控 制 （ Ｐ ） Ａ Ｃ 电路、 自
动温 度控 制 （ Ｔ ） Ａ Ｃ 电路 、 控制 电路 及保 护 电路组成 。
２ １ 工作 电源部分 ．
护， 可有效保护电路。采用 Ａ Ｄ Ｃ— Ｃ模块可减小 电
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｉ ｈ ａ ｅ ，ａ ｌｗ—ｏ ｔ ｒ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｍｏ ｃ ｎｒ ｌ ｉ ｕ ｔ ｆ ｉ ｈ ｐ ｗ ｒ ａ ｅ ｉｄ ｅ ｄ ｓｇ ｅ ．Ｔ ｅｏ ｔｕ ｓ ｒ ｃ ： ｎ ｔ ｅｐ ｐ ｒ ｏ ｃ ｓ ｉ ｎ ｈ ｒ ｏ ｔ ｒ ｉ ｏ ｇ － ｏ ｅ ｓ ｒｄ ｏ ｅａ ｅ ｉｎ ｄ ｈ ｕ ｐ ｔ ｄｖ ｏｃｃ ｈ ｌ ｒ ｏ ｓ ｒｐ ｗ ｒｉ ｖ ｒ ｔｂ ｅ ｔ ｓａ ｉ ｚ ｔ ｎ ｃ ｎ ｒ ａ ｈ ０ １ Ｂ ｆ ａ ｅ ｏ ｅ ｅ ｙ ｓ ｌ ，ｉ ｔｂｌ ａｉ ａ ｅ ｃ ．Ｏ ｍ．Ｔ ｅ ｐ ｐ ｒ ｏ ｕ ｅ ｎ ｔ ｅｐ ｏｅ ｔ ｎ ｏ ｅｌ ｅ ｅ ｌ ｓ ａ ｓ ｉ ｏ ｄ ｈ ａ ｅ ｃ ｓ ｓｏ ｒ ｔｃｉ ｆ ｆ ｈ ｏ ｈ ｓ ｔ ａ ｒ ｔ ｓ ｌ ｏ ｔ ａ ａ ｏ ｄ ｔ ａ ｇ ｆｔ Ｄ ｆ ａｓ ，ｉ Ｃ ｖ ｉ ｅ ｄ ｍａ ｅ ｏ ｅ Ｌ ｒ ｍ ｔｔ ｖ ｒｖ ｌ ｅ ａ ｄ ｏ ｅ ｕ ｒ ｎ ．Ｔ ｅ ｃｒ ｕ ｔ ａ ｅ ｎ ｕ ｅ ｏ ａｆ ｎ ｈ ｈ ｏ ｓａ ｉ ｏ ｅ ｏｔ ｎ ｖ ｒｃ ｒ ｅ ｔ ｈ ｉｃ ｉ ｈ ｂ ｅ ｓ ｄ ｆ ｒｈ ｌ ｃ ｇ ａ ｓ ａ ｙ ａ ．Ｉ ｉ ｖ ｒ ｔｂ ｅ ｅ ｒ ｔ ｓ ｅ ｓａ ｌ ． ｙ Ｋｅ ｒ ｓ Ｌ ；ｄ ｖ ｉｃ ｉ；ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｏ ｔ ｌ ｔｔ ｙ ｗｏ ｄ ： Ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｒｕ ｔ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｃ ｎｒ ；ｓａ ｉ ｏ ｃ
基于ADuC812的半导体激光器智能温控及驱动电源设计
第 ７卷 第 １ ０期 ２０ ０ ７年 ５月 １７ — １ （ ０７ １－２００ ６ １１ ９ ２ ０ ）０２２ －５ ８
科
学
技
术
与
工
程
＠
Ｖｏ． Ｎｏ ０ Ｍａ ０ １７ ．１ ｙ ２ ０７
Ｓ ｉｎ ｅＴ ｃ ｎ ｌ ｇ ｎ ｇｎ ｅ ｉ ｇ ｃｅ ｃ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ａ ｄ Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ
摘
要
设计一种基 于 Ａ ｕ ８２微控制器的半 导体激光器驱 动及温控 系统 ， Ａ ｕ ８２微转换器 为控制核 心， 单片机 的 ＤＣ１ 以 Ｄ Ｃ１ 用
Ｄ Ａ输出和数 字 ＰＤ运算输 出分别进行 恒流和恒温控制。实验表 明： ／ Ｉ 该系统能提供 （ ２ ５ Ａ长期 恒定 的 电流 ， 波系数小 ０— ． ） 纹 于０ １ ； ． ％ 温控精度优于 ± ．２Ｃ。 ００ ￣ 关键词 半 导体 激光器 驱动 电源 温控 恒流源 ＰＤ控制 Ｉ
２０ ＳｉＴｃ ． ｎｎ． ０ ７ ｃ ． ｅｈ Ｅ ｇｇ
通 信 技 术
基于 Ａ ｕ ８ ２的半 导体 激 光 器 Ｄ Ｃ１ 智 能温 控 及驱 动 电源设 计
江文杰 蔡建 乐ｈ 林亚风 殷 红平
（ 国防科技大学光电科学与２ 程学院 ， Ｉ ｉ 长沙 ４ ０７ 杭州 师范大学理学院‘ １０ ３； ，杭州 ３０ １ ） １０ ８
中图法 分类号
Ｔ ２ ８４； Ｎ ４．
文献标识码
Ａ
半导体激光器泵浦固体激光器（ Ｐ ） Ｄ Ｌ 以其体积 小、 可靠性 高 、 转换 效 率 高等 特 点 在军 事 、 讯 及 医 通
疗等 领域有 广泛 的应用 。但 是 ， 导体 激 光 器 的性 半 能 与驱动 电流 、 作 温 度 密切 相 关 。浪涌 等 瞬 态 电 工
低漂移外腔半导体激光器驱动电路的设计
的影 响 。
表 １ 各参数 对外腔半导体激光器频率的影响
２ 电路 系统
２１ Ｌ ． Ｄ驱 动 电流 与 温 度 控 制
２１１ 高稳 恒流 源 ．．
高 稳恒 流 源 的基 本 原 理是 将从 参 考 电阻 Ｒ 上 获 得 的与输 出 电流成 正 比的采 样 电 压 ，经 过反 馈 稳定 在设 定 好 的参 考 电压 上 ，获得 稳 定 的 电流 输 出 ，如 图 ２所 示 。
图 ２ 高稳恒流源 电路原理 图
９ ８
时间频率学报
３卷 ２
总第 ３ 卷 ２
第２ 期
时 间 频 率 学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ｉ ｎ ｒ ｑ ｅ ｃ ｏ ｒ ａ ｍｅａ ｄＦ ｅ ｕ ｎ ｙ ｏＴ
Ｖｏ ＿２ Ｎ ． ｌ ｏ２ ３
２０ ０９年 １ 月 ２
Ｄｅ ．２ ０ ｃ， ０ ９
低 漂移 外腔 半导 体 激 光器 驱 动 电路 的设计
自制 外腔 半导 体 激 光 器
图 １ 自制外腔半导体激光器结构图。激光器光学部分由激光管 、 为 准直透镜 、滤光片、聚焦透镜与 半反半透镜等构成 ， 中激光管与半反半透镜构成 了外腔 。 其 外腔长度 即激光管端面与半反半透镜反射面
激光器驱动电路的基本原理 V100ppt课件
激光管的阻抗匹配
方法X：在激光管上串联电阻，得到预期的阻抗；
电阻
通常这个电阻集成在TO的封装内部，不过 现在的好像看到越来越多的供应商根本就不 使用这个电阻，任由低阻抗的激光管直接连 接到传输线上，具体的理由还不清楚； 包括在我们的设计中，实际上都没有考虑这 个问题了；
.
克服引线的电感
通常，在激光管的接口电路中，还增加RC匹配电路来补偿管脚和引线上的分 布电感；改善眼图的形状；
.
自动功率控制电路：连续模式SINGLE LOOP APC电路原理I
RC电路充当一个低通滤波器，用来测量平均的光功率或者背光电流； 由于APC环路只关心光功率的平均值，为了减少长0和长1对光功率的影 响，需要APC环路的带宽尽量的小； PHYWORKS 107X芯片有两个可选的带宽，分别为5KHZ/15KHZ；
.
自动功率控制电路：连续模式SINGLE LOOP APC电路原理II
在温度不变、发光效率不变的情况下，如果激光管的阈值发生变化， APC环路可以保持发射光功率不变；
.
自动功率控制电路：SINGLE LOOP APC电路问 题
如果激光管仅仅阈值电流和温度、时间有关系，发光效率保持永远一致， 单环路的APC电路会工作的非常可靠； 但是，实际上发光效率也随时间和温度发生明显的变化；
.
驱动器和激光管的连接
.
驱动器和激光管的连接
在实际应用中，驱动器电路和 激光管需要通过PCB上的铜线 互联，信号还可能需要穿过激 光管的引脚，这些互联线，在 高速情况下，都会对信号的质 量产生影响；
.
驱动器和激光管的连接
互联线的阻抗不一致，就会导致 信号出现反射；
流体、或者波的传播中，我们都 可以看到这种反射的现象；是一 种普遍的现象；
半导体激光器LD脉冲驱动电路的设计与实验
半导体激光器LD脉冲驱动电路的设计与实验进行脉冲驱动电路的设计主要是由于，半导体激光器在脉冲驱动电路驱动时，其结温会在半导体激光器不工作的时刻进行散热，因此半导体激光器在脉冲电源驱动下，对半导体激光器的散热要求不高。
在设计半导体激光器的脉冲驱动电源时，也是先仿真后设计的思想，在电路选型上也是力求简单。
1 脉冲电源的仿真在进行脉冲电源仿真时，同样选用的NI公司的这款Multisim10这款电路仿真软件。
选用的器件是IRF530，信号源是5V，占款比为50%，频率为50Hz的方波信号源；用电阻1R代替半导体激光器、且将1R的阻值设置为1Ω，用Multisim10的自带示波器对电阻1R两端的电信号进行测量。
脉冲电源仿真在仿真电路设计的过程中，选用了功率管IRF530作为主开关，对电阻1R上的电压进行采样，信号源选取的是输出5V方波的、频率是50Hz、占款比是50%的信号源。
在进行仿真前、将示波器的A通道接在电阻1R的两端，对整个电路的电流信号进行监测。
将示波器的B通道接在信号源的两端，对信号源的输出电信号进行采样，这样通过A、B两通道的电信号进行对比，看脉冲驱动电路能否满设计要求。
根据仿真示波器监测到的数据显示，电阻1R两端的电信号完全是跟信号源的电信号同步变化的，而且波形完全一致。
仿真结果显示电阻1R的峰值电压是为1.145V，说明电路的峰值电流也是1.145A。
在仿真过程中，通过不断的调整信号源的特性，发现电阻1R两端的电压值的大小只与信号源的电压值大小有关系，而与信号源的频率和占空比关系不大，这说明此脉冲仿真电路输出电流值的大小只与信号源输出的电压值大小有关。
出现这样的结果主要是选取的信号源的频率过低，功率管IRF530完全可以做到对电路的开断控制。
以上仿真结果显示，当信号源的峰值电压是5V的时候，所对应的流过IRF530的峰值电流是1.145A。
根据IRF530的输出特性，通过调节信号源的加载在IRF530GSV的电压就可以改变功率管IRF530的输出电流值，从而改变整个脉冲电源输出电流的值。
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电路设计报告
（姓名：_________学号：________）
一、半导体激光器驱动电路
激光二极管广泛用作于光纤通信中的光源，采用恒流驱动方式。
电路中，VT1和VT2构成恒流源，稳压二极管VDZ为恒流源提供稳
定的基准电压，RP1限制该电路的电流，RP2调节最佳工作点。当电
流很小时，激光二极管VD1不发光，光电二极管VD2检测不到光功
率。这时，比较器A1输出高电平，监视发光二级管LED不发光显示。
调节电路中电流使其超过激光二极管的阈值电平时，激光二极管获得
足够大的功率而发光，VD2中有光电流流过，LED发光显示。
123456
ABCD654321DCBA
Title
NumberRevisionSize
B
Date:5-Apr-2012Sheet of
File:E:\EDA\半导体激光器驱动电路.ddbDrawn By
0.1μF
0.1μF
100KΩ2KΩ10KΩ
820Ω
200Ω
10KΩ
22Ω
10Ω
RP2500ΩRP11KΩLED9013VT1VT225C3039A1LM339A2LM339VD2PHOTO3.6VVDz
VD1
LD
VCC
VCC
TTL
输入
二、半导体激光器温度控制电路
这种驱动电路也可作为热电冷却器TEC中温度控制电路，如下
图。TEC控制电路是基于比较器A1的反馈系统。若温度高于设定值，
A1反相输入端电压低于其低阈值电平，A1输出高电平，通过R1、VT
1
和VT2驱动TEC。TEC电流由VD1进行限制。当TEC被驱动导通时，
它使激光制冷，A1反相输入端电压增大到超过其高阈值电平，A2输
出低电平TEC截止不工作。RP用于设定温度值。
123456
ABCD654321DCBA
Title
NumberRevisionSize
B
Date:5-Apr-2012Sheet of
File:E:\EDA\半导体激光器温度控制电路.ddbDrawn By
0.1μFVT225C3039VT19013A1LM33920KΩRP2.2KΩR110KΩ12Ω
10KΩ
1MΩ
VD
2.7V
TEC
热电冷却器
参考书目
[1]何希才．常用电子电路应用365例．电子工业出版社，2006.
其他什么的大家自己写点吧O(∩_∩
)O~