半导体激光器(laser diode，LD)也称激光二极管，是一种以半导体材料为工作物质的激光器^[1]，具有体积小、效率高、可靠性强、寿命长等优点，被广泛应用在光存储、光通讯、激光打印、精密测距、水质分析、食品分析、农药残留分析、空气污染物分析等领域^[2-5]。在光传感分析或者其它科学实验领域，不仅要求光源有很高的稳定性，而且由于不同应用所需的波长各不相同^[6-7]，经常要求切换波长，需要多个波长的半导体激光器分时切换工作^[8]。半导体激光器输出的波长展布在一个很宽的范围上，其波长范围在0.3μm~34μm之间^[9]，常见的波长有375nm, 405nm, 450nm, 473nm, 520nm, 635nm, 660nm, 685nm, 785nm, 830nm, 850nm, 1310nm和1550nm等。虽然成本比发光二极管(light emitting diode，LED)要高很多，但半导体激光器发射光的单色性、方向性和亮度都要更好。

作者设计了一种可以分时切换的多路半导体激光器驱动电路，可以支持多个半导体激光器。与之前每个驱动电路只能驱动一个激光器相比^[10-11]，极大地降低了驱动电路的体积。该电路通过多路选择开关和多路模拟开关分别实现LD和光敏二极管(photodiode，PD)的切换，由数模(digital to analog, DA)设置不同的工作点电压，实现对不同型号激光二极管的驱动。

为了保持半导体激光器输出功率的稳定性，不能仅采用恒流控制。由于每个激光管的特性曲线不完全一致，相同的工作电流驱动下的输出光功率并不相同。而且，半导体激光器长期运用之后, 外微分量子效率将发生变化, 从而影响其输出特性^[12-13]。为了提高输出光的稳定性，半导体激光器一般的封装内部都会有一个PD^[14]用来反馈输出光的功率。输出光功率越大，PD输出电流越大，输出光功率越小，PD输出电流越小。只要保持PD输出电流的稳定，即可保持LD输出光功率的稳定性。

驱动电路的原理框图如图 1所示。从电源开始分成3条路径流至恒流源，一条流经三极管Q₁，一条流经金属-氧化物半导体(metal-oxide-semiconductor, MOS)场效应管Q₂，最后一条通过多路选择开关流经指定的激光二极管。为了保证恒流源工作的稳定性，恒流源一直保持在打开状态。恒流源输出的电流通过数模转换芯片DA₂设置为对应激光器的最大驱动电流，防止电流过大损坏激光器。

Figure 1.  Block diagram of driving circuit

缓启动电路用来调节MOS管Q₂的栅极电压，当栅极电压为高电平时，Q₂导通。由于MOS导通电阻极小，恒流源全部电流从Q₂流过，LD被旁路，所以LD处于关闭状态。当需要打开LD时，Q₂的栅极电压逐渐降低，流经Q₂的电流逐渐减小，所以流经LD的电流逐渐增大。这样可以保证LD被缓慢点亮，防止冲击电流对其寿命产生影响。

被点亮的激光二极管中的PD反馈电流通过多路模拟开关之后，进入电流-电压(I-V)转换，变成电压信号。该电压信号与用户控制的数模转换芯片DA输出的工作点电压进行比较，之后通过比较器来调整PNP三极管Q₁的基极电压。当LD亮度降低时，PD反馈电流降低，I-V转换之后的电压小于DA设置的工作点电压，Q₁的基极电压升高，流经Q₁的电流减小。正常工作时，Q₂处于完全截止状态，恒流源电流不变，所以流经LD的电流增加，LD亮度增加, 反之亦然。通过PD电流的反馈实现了LD输出光强的恒定。由于不同激光二极管的PD反馈电流不同，切换不同的激光二极管时，要通过DA设置不同的工作点电压。

恒流源电路如图 2所示。其恒流源部分的主回路是电流从上方流入，流经R₁和Q₃之后回到大地。其中R₁是采样电阻，采用高精度低温漂的金属膜电阻，数模转换芯片DA₂用来调节恒流源的工作电流。本电路中，DA₂芯片的型号是TI公司的TLC5615C，是一款10位精度的数模转换芯片，DA₂的REFIN端引入的参考电压为2.5V，是通过TI公司的REF5025芯片得到的稳定参考电压。R₁两端的电压首先通过运算放大器进行放大。运算放大器OP₁为电压跟随器，运算放大器OP₂为差分电压放大电路。放大之后的电压与DA设置的电压进行比较积分，最终通过调节Q₃的基极电压来调整工作电流。当恒流源输出电流变小时，R₁两端电压变小，通过OP₂放大之后的电压小于DA设置的电压，OP₃输出电压变大，Q₃的基极电压变大，所以流经Q₃的电流增加，工作电流变大，从而实现恒流源的反馈调节，反之亦然。其中R₁取值5Ω, 运算放大器OP₂的放大倍数是5倍。DA₂设置的参考电压最大可以取到2.5V，此时恒流源输出电流最大，可达100mA。

Figure 2.  Block diagram of source circuit of constant current

缓启动电路如图 3所示。缓启动电路的输入电压与V_ref进行比较。当输入电压大于V_ref时，三极管Q₄关闭，电容放电，输出电压缓慢降低，进而实现LD的缓慢点亮。利用电容的充放电过程实现LD的缓慢开关，避免冲击电流对器件的破坏。由于运算放大器的输入阻抗很高，可以通过单片机的输入/输出引脚直接驱动，实现激光器的开关。TTL-3.3或者TTL-5.0电平都大于V_ref的2.5V，所以本电路支持通用的单片机型号。

Figure 3.  Circuit with slow start

激光二极管包括内部的LD和PD，切换时LD和PD需要分别切换。其中切换LD用的多路选择开关芯片型号是东芝公司的TD62783。这是一款八通道源极驱动器，至少可以切换8路LD，当通道更多时，多增加一个这款芯片即可。切换PD的模拟开关芯片是ADG508，漏电流较小，采用T型负反馈网络作为I-V转换放大电路，不仅可减小切换稳定时间、加快衰减，而且保证了放大倍数。详细电路参见参考文献[15]。切换LD和PD之前，首先将缓启动电路的输入电压调整为0V，将Q₂导通，使通过LD的电流为零。然后调整恒流源的DA₂设置电压，使恒流源的电流调整为下一个要切换的LD对应的最大工作电流。下一步调整DA设置的工作点电压，设置下一个LD的工作电流。之后切换LD和PD，最后将缓启动电路的输入电压调高，将新的LD缓慢点亮。

调节数模转换芯片DA₂，使其输出电压达到最大的2.5V。采用电压测量法，测量采样电阻R₁两侧的电压，然后除以R₁的阻值计算恒流源的输出电流。电路预热5min，测量15min的电压强度，采样间隔为1s。测量结果如图 4所示。从结果可知，恒流精度可达0.005%。

Figure 4.  Test results of constant current source stability for 15min

利用本文中所研制的驱动电路，对两种不同波长的激光二极管进行了测试。一种是QPHOTONICS公司的830nm激光器，型号是QSDM-830-2；另外一种是JDS Uniphase公司的1550nm激光器，型号是CQF915/408-19350。测试时，两种激光器分别开机预热5min后，测量15min稳定性，采样间隔为1s。

测量时，由于半导体激光器对温度非常敏感，为了避免激光器发热及环境温度变化的影响^{[5, 12, 16]}，均外接了温控电路，利用激光器内部的半导体加热制冷片对器件进行恒温控制，使温度稳定在25℃。

根据GB/T 15313^[17], 输出功率不稳定度Δ_P是描述激光光源稳定性的重要参量，其计算公式为：

式中, ΔP_σ是激光输出功率变化的标准差，P是激光输出功率的平均值。

在工作范围之内，光敏二极管PD的线性度极好^[18]，可以认为激光输出功率正比于激光二极管的PD反馈电流，所以可以通过测量激光二极管的PD反馈电流通过运放放大之后的电压变化来测量激光输出功率的稳定性。测量电压所用的测量仪器是Keithley2000，是一款6 1/2位数字万用表。

测试结果如图 5所示。830nm激光二极管的输出功率不稳定度为0.048%;1550nm激光二极管的输出功率不稳定度为0.046%，实现了光源的稳定输出。

Figure 5.  Test results of power stability for 15min

研制成功一种可以分时切换的多路激光二极管驱动电路，通过多路选择开关和多路模拟开关分别实现LD和PD的切换，由DA设置不同的工作点电压，实现对不同型号激光二极管的支持。测试结果表明，驱动激光二极管光源的稳定性符合使用要求。这样对于需要切换使用多波长激光的场合，可以减小驱动电路的体积，缩小器件尺寸。由于激光二极管一般都配套温度控制器使用，下一步可以继续研究多通道温度控制电路。