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。 
1.2 LD輸出特性 
一種典型的半導(dǎo)體激光器在不同溫度下的輸出功率與正向驅(qū)動電流的關(guān)系曲線。當(dāng)驅(qū)動電流低于閾值時，激光器只能發(fā)射出熒光，只有當(dāng)驅(qū)動電流大于激光器的閾值電流時，激光器才能正常工作發(fā)出激光，因此，要使LD發(fā)射激光，就要供給LD略大于閾值電流的工作電流。而且，LD的閾值電流受溫度的影響，溫度越高，相應(yīng)的閾值電流越大。在某一溫度下，當(dāng)驅(qū)動電流低于閾值電流時，輸出光功率近似為零;當(dāng)驅(qū)動電流高于閾值時，輸出激光，光輸出功率隨著驅(qū)動電流的增大而迅速增加，并近似呈線性上升。 
本文使用的是波長為1310 nm的FP同軸激光器，其工作電流為25.0 mA，輸出功率為0.96 mW。LD與背向檢測探測器PD組合，并封裝在一起，LD是正向接法，PD是反向接法。PD用來檢測激光器的背向輸出光功率，其輸出光功率取決于LD的輸出值。
1.3 LD的調(diào)制和背光耦合 
為了方便進(jìn)行光功率自動控制，通常，激光器內(nèi)部將LD和背向光檢測器PD集成在一起。其中，LD有2個光輸出面，主光輸出面輸出的光供用戶使用，次光輸出面輸出的光(即背向光)被光電二極管PD接收，所產(chǎn)生的光電流用于監(jiān)控LD的工作狀態(tài)。背向光檢測器的監(jiān)測電流與主輸出面光輸出功率呈線性關(guān)系，根據(jù)背向光檢測器對LD的耦合特性，可設(shè)計適當(dāng)?shù)耐鈬�電路完成對LD的自動光功率控制。