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珠兒

2008-04-24 12:40

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(qiáng)、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(jī)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(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)簡單、抗震性強(qiáng)等特點。