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半导体激光光纤传感器驱动电路的设计

导读: 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。

  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。

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