Решение на основе одного операционного усилителя для стабилизации выходного излучения лазера

В корпуса полупроводниковых лазерных диодов (Semiconductor Laser Diode, SLD) часто встраивается фотодиод. Выходной ток этого фотодиода можно контролировать, чтобы регулировать выходную мощность лазерного диода. Однако SLD подвержены патологическим дрейфам, обусловленным колебаниями температуры и перескоками мод. Популярный подход к стабилизации интенсивности выходного излучения заключается в том, чтобы сначала преобразовать ток фотодиода в напряжение. Затем это напряжение может быть считано микроконтроллером, логика которого может быть запрограммирована для регулировки тока, подаваемого в лазерный диод. Этот метод проиллюстрирован Рисунком 1.

Рисунок 1.	Использование микроконтроллера для регулирования выходной мощности лазерного диода путем измерения тока фотодиода.

На Рисунке 2 представлена альтернативная реализация, в которой используется один операционный усилитель. При включении схемы изначально ток фотодиода отсутствует. Напряжение на неинвертирующем входе операционного усилителя притянуто к V_CC, и операционный усилитель питает лазерный диод. Это вызывает ток в фотодиоде, который создает падение напряжения на R1, устанавливая на неинвертирующем входе операционного усилителя напряжение V_CC – I_PH × R1, где I_PH – ток фотодиода.

Рисунок 2.	Решение на основе одного операционного усилителя, использующее отрицательную обратную связь для стабилизации выходной мощности.

Операционный усилитель буферизует это напряжение и подает его на лазерный диод. Система стабилизируется в рабочей точке, определяемой:

1. Вольтамперной характеристикой лазерного диода;
2. Эффективностью связи между лазерным диодом и фотодиодом;
3. Зависимостью интенсивности излучения от тока лазерного диода;
4. Сопротивлением резистора R1.

После этого отрицательная обратная связь стабилизирует любые изменения выходной интенсивности. Если мощность лазерного излучения увеличивается, фотодиод реагирует на это увеличением тока, который, в свою очередь, увеличивает падение напряжения на резисторе R1. Это снижает выходное напряжение операционного усилителя, а следовательно, и интенсивность лазерного излучения. Противоположное поведение схемы наблюдается при падении выходной мощности лазера.

Эта схема была собрана на макетной плате с использованием VCSEL (лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором) типа OPV314 с длиной волны излучения 850 нм и операционного усилителя OPA551P (Рисунок 3). Сопротивление резистора R1 было выбрано равным 68 кОм, а напряжение V_CC составляло 5 В.

Рисунок 3.	Компоненты собраны на макетной плате с использованием 850-нм VCSEL OPV314 и операционного усилителя OPA551P.

На Рисунке 4 показана осциллограмма, снятая с неинвертирующего узла операционного усилителя, которая демонстрирует стабильный выходной сигнал лазера (в условных единицах). Резистор R1 можно использовать для управления интенсивностью выходного излучения.

Рисунок 4.	Осциллограмма напряжения в неинвертирующем узле операционного усилителя (косвенный показатель интенсивности выходного излучения лазера).

Материалы по теме

1. Datasheet TT Electronics OPV314
2. Datasheet Texas Instruments OPA551