應(yīng)用于光源驅(qū)動(dòng)電路的光纖傳感器

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(qiáng)、安全可靠等特點(diǎn)取得了飛速的發(fā)展。同時(shí)，這些特性也使它可以實(shí)現(xiàn)某些特殊條件下的測(cè)量工作，比起常規(guī)檢測(cè)技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)，是傳感技術(shù)發(fā)展的一個(gè)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(diǎn)，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(duì)半導(dǎo)體激光光源的工作原理和特性，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單可行的自動(dòng)功率控制(APC)驅(qū)動(dòng)電路，通過背向監(jiān)測(cè)光電流形成反饋，實(shí)現(xiàn)恒功率控制。并且，引入了慢啟動(dòng)電路，防止電源電壓的干擾，使激光器不會(huì)受到每次開啟電源時(shí)產(chǎn)生的過流沖擊，延長(zhǎng)了激光器的使用壽命。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)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(dòng)設(shè)計(jì)。

1.1 LD發(fā)光機(jī)理分析

LD的基本結(jié)構(gòu)為：垂直于PN結(jié)面的一對(duì)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(duì)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(shí)，會(huì)削弱PN結(jié)勢(shì)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(huì)發(fā)生復(fù)合，從而發(fā)射出波長(zhǎng)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(huì)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(duì)某一頻率具有增益。當(dāng)增益大于吸收損耗時(shí)，就可從PN結(jié)發(fā)出方向性好、相干性強(qiáng)、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(qiáng)、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(jiǎn)單、抗震性強(qiáng)等特點(diǎn)。

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(dòng)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(dòng)電流低于閾值時(shí)，激光器只能發(fā)射出熒光，只有當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流大于激光器的閾值電流時(shí)，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(dòng)電流低于閾值電流時(shí)，輸出光功率近似為零；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流高于閾值時(shí)，輸出激光，光輸出功率隨著驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)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(cè)探測(cè)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(cè)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(dòng)控制，通常，激光器內(nèi)部將LD和背向光檢測(cè)器PD集成在一起，見圖2。其中，LD有2個(gè)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(cè)器的監(jiān)測(cè)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(cè)器對(duì)LD的耦合特性，可設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐鈬娐吠瓿蓪?duì)LD的自動(dòng)光功率控制。

2 LD驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

由圖3可以看出：LD與監(jiān)測(cè)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?zhàn)詣?dòng)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(cè)LD背向輸出的光功率。因?yàn)楸诚蜉敵龉夤β誓芨櫱跋蜉敵龉夤β实淖兓ㄟ^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(yùn)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(gè)以三極管為核心的負(fù)反饋系統(tǒng)，具有自動(dòng)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(cè)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(yùn)放的反向輸入端，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)V1。運(yùn)放的同向輸入端由LM336和運(yùn)放組成的+2.5 V穩(wěn)定基準(zhǔn)源及變位器R5組成。基準(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(dòng)電路加上電壓的瞬間，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的沖擊電流，瞬間電流的大變化會(huì)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(dòng)電路電壓，外部串入的干擾信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生瞬間的大電流，這樣，長(zhǎng)期工作也會(huì)影響半導(dǎo)體激光器的使用壽命。

基于這種情況，在設(shè)計(jì)中引人慢啟動(dòng)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(dòng)電路不受電源電壓的干擾，具有慢啟動(dòng)效果，使激光器不會(huì)受到每次開啟電源時(shí)產(chǎn)生的過流沖擊，延長(zhǎng)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(shí)，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(yùn)放1輸出端的電壓即V3將會(huì)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(shí)驗(yàn)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(dòng)電流在大于閾值電流后呈較好的線性關(guān)系。正常工作時(shí)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(huì)超過其極限值。

實(shí)驗(yàn)證明：該設(shè)計(jì)電路正確可行，基于背向監(jiān)測(cè)器的自動(dòng)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(jì)的驅(qū)動(dòng)電路，通過慢啟動(dòng)和功率自動(dòng)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(shí)驗(yàn)是在室溫下進(jìn)行，將其耦合器和其驅(qū)動(dòng)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(bǔ)償控制電路。下一步實(shí)驗(yàn)將使光纖傳感器處于液氮的低溫環(huán)境下工作，溫度波動(dòng)較大，需要考慮加入自動(dòng)溫度補(bǔ)償電路，實(shí)現(xiàn)恒溫控制。