窄脈沖半導體激光器驅動電路的設計與仿真試驗*

盛元平

(海軍裝備部沈陽軍事代表局 沈陽 110031)

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窄脈沖半導體激光器驅動電路的設計與仿真試驗*

盛元平

(海軍裝備部沈陽軍事代表局 沈陽 110031)

高速窄脈沖激光器因為其高功率密度和高時間分辨率,在激光測距和激光探測領域被廣泛應用。論文介紹了窄脈沖激光器的工作原理,設計出基于特定半導體激光二極管的驅動電路。便攜式移動設備多為電池供電,低功耗是設計的另一個主要方向。通過仿真和樣機測試,證明可行性。

半導體激光器驅動電路; 窄脈沖激光器驅動; 低功耗便攜激光器

Class Number TN242

1 引言

半導體激光器因其波長的擴展、高功率激光陣列的出現以及可兼容的光纖導光和激光能量參數微機控制的出現而迅速發展。特別是在激光探測,激光測距領域,激光脈沖質量直接影響其識別能力,抗干擾能力和測距精度,所以半導體激光器常用電流注入法調制,激光脈沖上升時間決定了探測精度和分辨率。而脈沖電流寬度,大小對峰值功率影響極大,進而影響探測距離。激光脈沖質量和特性取決于所使用的激光二極管和配套的驅動電路的設計。普通的驅動電路通常采用三極管設計,滿足了高速開關的要求,但是驅動能力有限。目前電源領域高速MOSFET發展迅速,開關速度已經可以達到納秒級,而且瞬間導通電流極大。既滿足了高速開關的要求,又可以大幅度提升輸出功率。本文就半導體激光器、電路設計、仿真試驗等,作進一步的研究和探討[1]。

2 半導體激光器

半導體激光器又稱激光二極管,是用半導體材料作為工作物質的激光器。由于物質結構上的差異,不同種類產生激光的具體過程比較特殊。常用工作物質有砷化鎵(GaAs)、硫化鎘(CdS)、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。激勵方式有電注入、電子束激勵和光泵浦三種形式。半導體激光器件,可分為同質結、單異質結、雙異質結等幾種。同質結激光器和單異質結激光器在室溫時多為脈沖器件,而雙異質結激光器室溫時可實現連續工作[2]。

2.1 優點

半導體二極管激光器采用注入電流的方式,其工作電壓電流與集成電路兼容,可單片集成。并且還可以用高達GHz的頻率直接進行電流調制以獲得高速調制的激光輸出[3]。

1) 體積小,重量輕;

2) 驅動功率和電流較低;

3) 效率高、工作壽命長;

4) 可直接電調制;

5) 易于與各種光電子器件實現光電子集成;

6) 與半導體制造技術兼容,可大批量生產。

2.2 工作特性

1) 閾值電流。當注入p-n結的電流較低時,只有自發輻射產生,隨電流值的增大增益也增大,達閾值電流時,p-n結產生激光。影響閾值的幾個因素[4]:

· 晶體的摻雜濃度越大,閾值越小。

· 諧振腔的損耗小,如增大反射率,閾值就低。

· 與半導體材料結型有關,異質結閾值電流比同質結低得多。目前,室溫下同質結的閾值電流大于30000A/cm2;單異質結約為8000A/cm2;雙異質結約為1600A/cm2。現在已用雙異質結制成在室溫下能連續輸出幾十毫瓦的半導體激光器。

· 溫度愈高,閾值越高。100K以上,閾值隨T的三次方增加。因此,半導體激光器最好在低溫和室溫下工作。

2) 方向性。由于半導體激光器的諧振腔短小,激光方向性較差,在結的垂直平面內,發散角最大,可達20°～30°;在結的水平面內約為10°左右。

3) 效率。量子效率η=每秒發射的光子數/每秒到達結區的電子空穴對數77K時,GaAs激光器量子效率達70%～80%;300K時,降到30%左右。

功率效率η1=輻射的光功率/加在激光器上的電功率由于各種損耗,目前的雙異質結器件,室溫時的η1最高10%,只有在低溫下才能達到30%～40%。

4) 光譜特性。由于半導體材料的特殊電子結構,受激復合輻射發生在能帶(導帶與價帶)之間,所以激光線寬較寬,GaAs激光器,室溫下譜線寬度約為幾納米,可見其單色性較差。輸出激光的峰值波長:77K時為840nm;300K時為902nm。

2.3 應用

半導體二極管激光器在激光通信、光存儲、光陀螺、激光打印、測距以及雷達等方面以及獲得了廣泛的應用[5]。

3 電路設計

主要實現電流源驅動及保護、光功率反饋控制、恒溫控制、錯誤報警及鍵盤顯示等功能,整個系統由單片機控制[6]。

光功率及溫度采樣模擬信號經放大后由單片機內部A/D轉換為數字信號,進行運算處理,反饋控制信號經內部D/A轉換后再分別送往激光器電流源電路和溫控電路,形成光功率和溫度的閉環控制。

光功率設定為高精密的恒流源,大多數都使用了集成運算放大器。其基本原理是通過負反作用,使加到比較放大器兩個輸入端的電壓相等,從而保持輸出電流恒定。并且影響恒流源輸出電流穩定性的因素可歸納為兩部分:一是構成恒流源的內部因素,包括:基準電壓、采樣電阻、放大器增益(包括調整環節)、零點漂移和噪聲電壓;二是恒流源所處的外部因素,包括:輸入電源電壓、負載電阻和環境溫度的變化。

3.1 工作原理

半導體激光器是依靠載流子直接注入而工作的,當驅動電流小于閾值電流時,激光器輸出光功率近似為零;在驅動電流大于閾值電流以上的一段區域,驅動電流與輸出光功率近似呈線性關系,這樣就可通過調制驅動電流來對LD的輸出光進行直接調制[7]。

工作原理如圖1所示。由控制電路產生觸發信號,觸發信號經過脈沖整形作為功率放大電路的開關信號,脈沖電流經由放電回路激發半導體激光器。

圖1 工作原理圖

脈沖產生電路對控制電路的觸發信號進行整形與功率放大,產生放電回路所需的窄脈沖開關信號。半導體激光器放電回路是整個驅動部分的核心,接收脈沖信號,瞬間釋放電流,激發LD出光。電流脈沖上升時間短,瞬間導通電流大。

3.2 放電回路

半導體激光器放電回路由儲能模塊、MOSFET開關、LD組成,如圖2所示。脈沖產生及放大電路的核心采用TC1412N,該芯片的峰值輸出可達2A的高速MOSFET驅動器,高容性的負載1000PF,輸出脈沖上升時間為18ns,脈寬為36ns[8]。

圖2 放電回路

放電回路中MOSFET開關器件的導通時間直接影響輸出電流的脈寬,必須選擇導通時間較短,瞬間導通電流很大的開關器件。例如,可選用FAIRCHILD公司的FDS3692功率MOSFET,其漏極電壓最大可達100V,脈沖電流最大可達60A,導通時間為26ns,寄生電感小于2nH。

當MOSFET開關打開時,放電回路斷開,電源模塊的輸出電壓經調制后給儲能模塊充電。電壓調制模塊可以改變儲能模塊的充電電壓,進而改變激光脈沖的能量和脈沖寬度。

回路方程為

(1)

放電過程:當儲能電路充滿電,電壓等于調制后的充電電壓。此時釋放激發脈沖,MOSFET漏極導通,儲能電路中的電荷通過閉合RLC回路在極短時間內放電,產生較大的電流脈沖,激發半導體激光器出光。

回路方程為

(2)

微分后得出:

(3)

(4)

震蕩角頻率

(5)

轉換方程的解為

i=Ae-αtsin(ωt+θ)

(6)

(7)

(8)

(9)

α,ω,A三個參數分別代表了正弦波的衰減快慢、電流的周期和幅度。在脈沖激光電源中,只利用第一個正弦波得到脈沖激勵電流,所以,應要求α值較大即有較快的衰減速度,以免后續電流脈沖對激光器造成損壞或產生多余的激光脈沖:A值應較大,以得到較高的電流脈沖幅度;ω應盡量小,這意味著第一個正弦波有較快的下降時間和較窄的脈寬。

4 仿真試驗

結合RLC回路特性,對待測電路進行了仿真試驗。通過采集和分析實際探測數據,證實了這一設計思路的可行性。例如,在電流上升時間小于20ns,脈寬小于50ns,脈沖電流大于15A時,其儲能電容容值約為1000pF,電流大小可通過充電電壓調節[9]。

1) 仿真試驗。由控制電路輸出激光觸發信號,選用美國thorlabs公司的硅光電探測器DET10A/M探測輸出的激光脈沖,通過Tectronix公司的DPO3052示波器觀察輸出波形。

· 回路總電感為

L=LD+LM+LS

(10)

其中LS為回路電感,LD為激光二極管寄生電感,LM為MOSFET寄生電感。

· 回路總電容為

C=CDS+CL

(11)

CL為儲能電容,CDS為漏極間分布電容。

· 回路總電阻為

R=RM+RD+RS

(12)

RM為MOSFET導通電阻,RD為LD導通電阻,RS為回路電阻。

通過分析電路參數得出近似值R=4.8Ω,L=7.4Nh,C=1000pF。

2) 仿真結果。通過調整電路中其他參數如回路電容、充電電壓,進行了多次實驗,最后實際測量的結果脈寬為25ns,達到了預定的設計要求。

3) 仿真分析。在仿真試驗過程中,很多元素影響激光輸出波形,最重要的是半導體激光器的性能和激光發射電路分布電感。分布電感包括放電回路器件引起的電感和布線帶來的電感,因為分布電感的大小無法通過普通測試得到,其數值的微弱改變卻會對最終的結果帶來很大的影響。

4) 值得注意的問題。

· 在實際電路裝調過程中盡可能減小電感;

· 通過加寬布線面積的方法減小布線電感;

· 通過并聯電容的方法進一步減小電容兩端電感(約2nH)。

5 結語

本文參考了過去大量的設計實例在總結了相關設計思想的基礎上,通過相關計算,設計出了基于TC1412N和FDS3692的激光器驅動。通過采集和分析實際探測數據,證實了這一設計思路的可行性。便攜式移動設備多為電池供電,所以低功耗可以最大度地延長設備的續航時間[10]。

[1] 張在宣.激光拉曼型分布式光纖溫度傳感器[J].光學學報,1995,15(11):1585-1589.

[2] 王金花,姚洪寶,薛正君,等.激光近距離動態探測系統發射電路設計研究[J].紅外與激光工程,2006,35:709-712.

[3] 堯舜,套格套,路國光,等.68.5W連續輸出1060nm波段半導體激光器陣列模塊[J].光學精密工程,2006,14(1):8-11.

[4] 岱欽,宋文武,王希軍,高頻半導體激光器的驅動設計及穩定性分析[J].光學精密工程,2006,14(5):745-748.

[5] 馬祥柱,霍晉,曲軼,等.808 nm半導體激光器的溫度特性[J].激光與紅外,2010,40(12):1306-1309.

[6] 劉旭升,林九令,張海明.納秒脈沖半導體激光驅動器的研究[J].激光技術,2006,30(4):447-448.

[7] 張海明,劉旭升,陸曉元,等.大電流窄脈沖半導體激光驅動器的設計[J].半導體光電,2009,30(2):313-315.

[8] 宋毅恒,汪高勇,華振斌,等.高速編碼半導體激光器控制電路設計[J].光電技術應用,2009,24(1):54-57.

[9] 宋傳磊.半導體激光器驅動電源及其調控[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2006,(6):8-9.

[10] 蘇娟.高頻功率MOSFET驅動電路及并聯特性研究[D].西安:西安理工大學,2003:32.

Narrow Pulse Semiconductor Laser Driving Circuit Design and Simulation Test

SHENG Yuanping

(Shenyang Military Agent’s Bureau of Naval Armament Department, Shenyang 110031)

The high-speed narrow pulse laser is widely used in the area of laser rangefinder and laser detect because of its high power density and high temporal resolution. The article describes the working principle of narrow pulse lasers and designs the drive circuit which is based on the specific semiconductor diode. The portable mobile devices are mostly battery-powered so the low-power design is another direction. The feasibility is demonstrated by prototype tests.

semiconductor laser driving circuit, narrow pulse laser driver, low-power laser driver

2014年11月9日,

2014年12月27日

盛元平,男,碩士,高級工程師,研究方向:水聲、電子裝備研制及裝備保障。

TN242

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.004