光纤传感器光源驱动电路设计介绍

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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。
1.1LD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。当有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。当增益大于吸收损耗时，就可从PN结发出方向性好、相干性强、亮度高、频带窄的激光。LD除了具备一般激光的相干性好、方向性强、发散角小、能量高度集中外，还具有光电转换效率高、输出功率大、体积小、重量轻、结构简单、抗震性强等特点。
1.2LD输出特性
一种典型的半导体激光器在不同温度下的输出功率与正向驱动电流的关系曲线。当驱动电流低于阈值时，激光器只能发射出荧光，只有当驱动电流大于激光器的阈值电流时，激光器才能正常工作发出激光，因此，要使LD发射激光，就要供给LD略大于阈值电流的工作电流。而且，LD的阈值电流受温度的影响，温度越高，相应的阈值电流越大。在某一温度下，当驱动电流低于阈值电流时，输出光功率近似为零;当驱动电流高于阈值时，输出激光，光输出功率随着驱动电流的增大而迅速增加，并近似呈线性上升。
本文使用的是波长为1310nm的FP同轴激光器，其工作电流为25.0mA，输出功率为0.96mW。LD与背向检测探测器PD组合，并封装在一起，LD是正向接法，PD是反向接法。PD用来检测激光器的背向输出光功率，其输出光功率取决于LD的输出值。
1.3LD的调制和背光耦合
为了方便进行光功率自动控制，通常，激光器内部将LD和背向光检测器PD集成在一起。其中，LD有2个光输出面，主光输出面输出的光供用户使用，次光输出面输出的光(即背向光)被光电二极管PD接收，所产生的光电流用于监控LD的工作状态。背向光检测器的监测电流与主输出面光输出功率呈线性关系，根据背向光检测器对LD的耦合特性，可设计适当的外围电路完成对LD的自动光功率控制。2LD驱动控制电路设计
LD与监测二极管是集成在一起的元器件。流入LD的电流经过APC电路的预偏置电流。APC电路通过电流负反馈电路抑制由于温度变化、器件老化等引起的光功率的变化。APC电路部分采用背向光反馈自动偏置控制方式，即用半导体激光器组件中的PD光电二极管监测LD背向输出的光功率。因为背向输出光功率能跟踪前向输出光功率的变化，通过闭环控制系统就可以调节激光器的电流，达到输出稳定光功率的目的。
APC电路由运算放大器1，2和晶体管Q1以及外围电路组成，该电路是一个以三极管为核心的负反馈系统，具有自动稳定激光器光输出功率的功能。反馈取自LD的背向光，由背向光监测二极管检出并转换成相应的电流，经电容器C1滤波后，进入运放的反向输入端，将电流信号转换成电压信号V1。运放的同向输入端由LM336和运放组成的+2.5V稳定基准源及变位器R5组成。基准电压的输出为V2，可以通过变位器进行调节。
在给驱动电路加上电压的瞬间，会产生一个较大的冲击电流，瞬间电流的大变化会影响半导体激光器的使用寿命。此外，一般情况下，电源电压都是由交流220V经变压整流提供给驱动电路电压，外部串入的干扰信号也会产生瞬间的大电流，这样，长期工作也会影响半导体激光器的使用寿命。
基于这种情况，在设计中引人慢启动电路，即在基准源的输入端并接二极管和电容，其中的电容在10～470μF左右，其最佳值在22～47μF。这样，驱动电路不受电源电压的干扰，具有慢启动效果，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。
APC电路控制过程如下：当由于某种原因，使LD的输出光功率降低时，耦合至光电二极管的电流也同比例减小，即V1减小，这样，通常状态下的平衡被打破，使得运放1输出端的电压即V3将会增大，于是，三极管Q1的基极电流增大，集电极电流也随之增大，而集电极电流正是流入LD的电流。因此，流入激光器的电流增大，输出光功率相应增大，从而使输出光功率保持不变;反之，亦然。
根据本传感器的激光器的性能参数，选择合适的电阻电容进行匹配，调节电位器，可以得到不同的光功率输出值。该光纤传感器LD光源的阈值电流在8mA左右，稳定工作在10～30mA之间。输出功率与驱动电流在大于阈值电流后呈较好的线性关系。正常工作时能输出-0.1，-1，-2，-5，-10dB等可调的稳定的光功率值。电路中的参数配置，使流入LD的电流不会超过其极限值。
实验证明：该设计电路正确可行，基于背向监测器的自动光功率反馈保证了光纤传感器能够在功率恒定的情况下正常工作。
3结论
本文所设计的驱动电路，通过慢启动和功率自动控制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。本文中的光纤传感器是应用于液氮的低温环境下，本次实验是在室温下进行，将其耦合器和其驱动电路部分通过光纤引出处于室温(25℃)下，温度变化不是很大，因此，没有引入温度补偿控制电路。下一步实验将使光纤传感器处于液氮的低温环境下工作，温度波动较大，需要考虑加入自动温度补偿电路，实现恒温控制。