準連續半導體激光高頻調制技術研究

王衛鵬，徐英添，鄒永剛，徐莉，張賀，李洋，趙鑫，馬曉輝

（長春理工大學 高功率半導體激光國家重點實驗室，長春 130022）

準連續半導體激光高頻調制技術研究

王衛鵬，徐英添，鄒永剛，徐莉，張賀，李洋，趙鑫，馬曉輝

（長春理工大學 高功率半導體激光國家重點實驗室，長春 130022）

介紹了一種由信號放大電路、電流調制電路、過流保護電路、具有慢啟動功能的直流偏置電路高度集成的半導體激光高頻調制系統，此高頻調制系統采用了結構簡單的直接調制方式，這種調制方式是利用頻率可調的調制信號去控制半導體激光器發射的激光光強，從而實現半導體激光高頻調制。設計了半導體激光高頻調制驅動輸出的調制電流幅度為9.1A，調制電流頻率達到了100MHz，直流偏置在1A內連續可調，實現了脈沖寬度均勻與非均勻兩種情況，在均勻情況下占空比達到了50%。

半導體激光器；脈沖寬度；高頻調制；直流偏置

半導體激光器尺寸小、重量輕、能耗低、驅動源結構簡單，能直接調制，使用安全［1］，與集成電路兼容，可單片集成［2］，在工業、軍事、醫療等領域有著廣泛的應用［3］。半導體激光器采用直接注入電流的方式，通過變化的電流來改變激光光強從而實現直接調制輸出［4］。基于半導體激光與內調制技術的優點而設計的高頻調制系統容易實現、結構簡單、可以省去價格高昂的外調制器、降低系統復雜度、降低成本［5］。由于半導體激光高頻調制系統在激光探測領域有著廣泛應用，激光武器在軍事上也起著越來越重要的作用［6］，這樣就使得人們對半導體激光高頻調制系統的性能也提出了更高的要求［7］，但目前的半導體激光直接調制系統中使用的驅動電路結構比較復雜，輸出的調制電流較低，頻率也只達到幾兆赫茲，為了解決這些問題，使整個半導體激光的高頻調制系統有更好的性能，我們對此系統進行了深入研究。

1 理論分析

1.1 半導體激光器的理論介紹

半導體激光器是一種在電流注入下能發射出相干輻射光的光電子器件。運用調制電流控制半導體激光器輸出的激光光強。當LD的調制電流超過其閾值時，半導體激光器在線性范圍內的輸出光功率呈線性增強。LD的P-I特性輸出曲線如圖1所示。

圖1 LD的P-I特性輸出曲線

半導體激光內調制示意圖如圖2所示。

圖2 半導體激光內調制示意圖

1.2 半導體激光高頻調制驅動系統原理

半導體激光高頻調制系統的驅動源由信號放大、電流調制、過流保護、具有慢啟動功能的直流偏置電路幾個部分組成。具有慢啟動功能的直流偏置電路可以避免電源開啟瞬間產生的電流浪涌和電壓浪涌對LD的沖擊。限流保護電路能把輸入激光器的電流控制在設定的范圍內，使激光器安全穩定的工作。半導體激光高頻調制驅動系統框圖如圖3所示。

圖3 半導體激光高頻調制驅動系統框圖

本方案中選用的LD驅動芯片是BURR-BROWN公司的高速大電流運算放大器OPA512，它能輸出最大15A的電流，其工作電壓范圍為±10V到±50V，擁有電壓、電流限制保護電路，為半導體激光器提供必要的保護。

1.3 半導體激光器的高頻調制驅動系統方案

本文設計了兩種半導體激光高頻調制系統方案，方案一是由電流調制電路、過流保護電路、具有慢啟動功能的直流偏置電路組成，首先信號發生器輸出調制信號，調制信號與具有軟啟動功能的直流偏置電路輸出的直流信號通過大電流高速運算放大器OPA512的輸入端口輸入并由此放大器輸出調制電流，直流偏置的電流與調制電流疊加在一起從OPA512的輸出端口輸出，輸出的調制電流經過限流保護電路最終輸入到LD中，實現半導體激光高頻調制。方案二是為了增大此調制系統輸出的調制電流幅度，在上述方案的基礎上增加了信號放大電路，使得信號發生器輸出的調制信號經過信號放大電路放大之后輸入到調制電路中，從而實現半導體激光高頻調制。方案一半導體激光器高頻調制驅動仿真圖如圖4所示，方案二調制信號經過放大的半導體激光器高頻調制驅動仿真圖如圖5所示。

圖4 半導體激光器高頻調制驅動仿真圖

圖5 調制信號經過放大的半導體激光器高頻調制驅動仿真圖

2 仿真實驗結果與分析

2.1 小信號半導體激光器高頻調制驅動仿真

方案一的仿真原理圖如圖4所示，當調制信號的電壓的幅值為5V，頻率為100MHz，脈沖寬度均勻與非均勻時，半導體激光器高頻調制驅動實現的仿真結果如下。

半導體激光器高頻調制驅動的調制信號波形如圖6所示，（a）所示為電壓幅值為5V，脈沖寬度均勻，頻率為100MHz的調制信號，（b）所示為電壓幅值為5V，頻率為100MHz，脈沖寬度不均勻的調制信號。

圖6 調制信號波形圖

半導體激光器高頻調制驅動輸出的調制電流波形如圖7所示，（a）所示為電流幅值為3.9A，脈沖寬度均勻，頻率為100MHz，直流偏置為0.8A，占空比為50%的調制電流，（b）所示為電流幅值為4.1A，脈沖寬度均勻，頻率為100MHz，直流偏置為1A，占空比為50%的調制電流。

圖7 不同直流偏置的調制電流波形圖

圖7仿真結果中，偏置電流的幅值分別為0.8A和1A，這樣可以說明此設計中半導體激光器高頻調制驅動源的直流偏置電流幅值是可調的，而我們對下文中選擇直流偏置電流的幅度為1A。

當如圖6（b）所示的調制信號輸入到半導體激光器高頻調制驅動中，驅動源輸出幅度為4.1A，頻率為100MHz，直流偏置為1A，占空比逐漸變為50%，脈沖寬度不均勻調制電流，調制電流波形如圖8所示。

圖8 幅度為4.1A，脈沖寬度均勻的調制電流波形

2.2 調制信號經過放大的半導體激光器高頻調制驅動仿真

當信號電壓為5V時，半導體激光器高頻調制驅動輸出的電流幅度為4.1A，為提高輸出調制電流的幅度，我們先把調制信號進行放大，放大之后的調制信號輸入到調制電路中，實現大幅度調制電流的輸出，依據這個想法我們提出了方案二。

方案二仿真原理圖如圖5所示，當幅值為5V，頻率為100MHz，脈沖寬度均勻與不均勻的調制信號經過信號放大后電壓幅值達到了17.5V，輸入到調制電路中，半導體激光器高頻調制驅動實現的仿真結果如下。

半導體激光器高頻調制驅動的調制信號波形如圖9所示，（a）所示為電壓幅值為5V，脈沖寬度均勻，頻率為100MHz的調制信號，（b）所示為幅值為5V，頻率為100MHz，脈沖寬度不均勻的調制信號。

調制信號放大波形如圖10所示，（a）所示為幅值為17.5V，頻率為100MHz，脈沖寬度均勻的調制信號放大波形，（b）所示為幅值為17.5V，頻率為100MHz，脈沖寬度不均勻的調制信號放大波形。

圖10 調制信號放大波形圖

半導體激光器的高頻調制驅動輸出的調制電流波形如圖11所示，（a）所示為幅度為9.1A，頻率為100MHz，直流偏置為1A，占空比為50%，脈沖寬度均勻的調制電流波形，（b）所示為幅度為9.1A，頻率為100MHz，直流偏置為1A，占空比達到了50%，脈沖寬度不均勻的調制電流波形。從圖11（a）中可以看出調制電流波形有失真，這是因為信號放大電路的頻率達到了最大值。

圖11 9.1A脈沖寬度均勻與不均勻調制電流波形

3 結論

本文中介紹了一種由信號放大電路、電流調制電路、過流保護電路、具有慢啟動功能的直流偏置電路高度集成的半導體激光高頻調制系統，我們對半導體激光高頻調制驅動進行了4組仿真實驗，從仿真結果中可以看出，當調制信號幅值為5V，頻率為100MHz時，輸出的調制電流的達到4.1A，頻率可以達到100MHz，直流偏置電流幅度在1A內連續可調，占空比為50%，脈沖寬度可實現均勻與非均勻兩種情況；因為目前當信號發生器輸出的信號頻率比較大時信號電壓幅值在5V之內的限制因素，為了獲得高峰值的調制電流，所以先把信號高頻率的調制信號進行放大，將放大之后的信號輸入到調制電路中，使得半導體激光高頻調制驅動輸出的直流偏置在1A內連續可調，調制電流的峰值為9.1A，頻率達到了100MHz，占空比為50%，脈沖寬度可實現均勻與非均勻兩種情況。我們用信號發生器輸出的調制直接驅動調制電路時輸出的調制電流的頻率，比用放大之后的調制信號電壓驅動調制電路時輸出的調制電流的波形要好，這是因為信號放大電路的頻率已經達到了最大值。為了獲得高質量的高頻調制電流，本文中的高頻調制驅動應該選擇頻率小于等于100MHz的信號以完成半導體激光器的高頻調制。

［1］ 羊華軍.激光雷達中的高頻大功率半導體激光器驅動研究［D］.杭州:浙江大學，2007.

［2］ 盛元平.窄脈沖半導體激光器驅動電路的設計與仿真試驗［J］.艦船電子工程，2015，35（5）:11-13.

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［4］ 顧峰.光調制中直接調制和外調制的問題研究［J］.江蘇科技信息，2015（24）:62-63.

［5］ 金永南，田小建.激光光源的直接調制特性研究［J］.延邊大學學報:自然科學版，2004，30（1）:17-19.

［6］ 馮興陽，張劍家.高功率窄脈沖半導體激光器模塊的研究［J］.長春理工大學學報:自然科學版，2015（1）.

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High Frequency Modulation Technology of Quasi-continuous Semiconductor Laser

WANG Weipeng，XU Yingtian，ZOU Yonggang，XU Li，ZHANG He，LI Yang，ZHAO Xin，MA Xiaohui
（State Key Laboratory on High Power Semiconductor Lasers，Changchun University of Science and Technology，Changchun，Jilin 130022）

In this article，a high frequency modulation system of semiconductor laser is introduced，which is composed of a signal magnifying circuit，a current modulation circuit，an over current protection circuit and a DC bias circuit with slow start function.The high frequency modulation system of semiconductor laser uses a simple structure of the direct modulation，the modulation method is used to modulate laser intensity of semiconductor laser by using a modulated signal with adjustable frequency，we can achieve the high frequency modulation of semiconductor laser.Design of the simulation achive a result.The output current of semiconductor laser driver is 9.1A，the frequency of output current is 100MHz.The bias current can be continuously regulated within 1A.Two cases of uniform pulse width and non-uniform pulse width are realized.In uniform cases，the duty ratio of the pulse current is 50%.

semiconductor laser；pulse duration；high frequency modulation；bias of direct current

TN2

A

1672-9870（2016）05-001-04

2016-07-11

吉林省重大科技成果轉化項目（20130303017GX）；吉林省重點科學技術研究項目（20140204028GX）

王衛鵬（1991-），男，碩士研究生，E-mail:1621517472@qq.com

徐英添（1986-），男，博士，助理研究員，E-mail:xuyingtian-007@163.com