窄脉冲半导体激光器驱动电路的设计与仿真试验*

盛元平

(海军装备部沈阳军事代表局 沈阳 110031)



窄脉冲半导体激光器驱动电路的设计与仿真试验*

盛元平

(海军装备部沈阳军事代表局 沈阳 110031)

高速窄脉冲激光器因为其高功率密度和高时间分辨率,在激光测距和激光探测领域被广泛应用。论文介绍了窄脉冲激光器的工作原理,设计出基于特定半导体激光二极管的驱动电路。便携式移动设备多为电池供电,低功耗是设计的另一个主要方向。通过仿真和样机测试,证明可行性。

半导体激光器驱动电路; 窄脉冲激光器驱动; 低功耗便携激光器

Class Number TN242

1 引言

半导体激光器因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的光纤导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展。特别是在激光探测,激光测距领域,激光脉冲质量直接影响其识别能力,抗干扰能力和测距精度,所以半导体激光器常用电流注入法调制,激光脉冲上升时间决定了探测精度和分辨率。而脉冲电流宽度,大小对峰值功率影响极大,进而影响探测距离。激光脉冲质量和特性取决于所使用的激光二极管和配套的驱动电路的设计。普通的驱动电路通常采用三极管设计,满足了高速开关的要求,但是驱动能力有限。目前电源领域高速MOSFET发展迅速,开关速度已经可以达到纳秒级,而且瞬间导通电流极大。既满足了高速开关的要求,又可以大幅度提升输出功率。本文就半导体激光器、电路设计、仿真试验等,作进一步的研究和探讨[1]。

2 半导体激光器

半导体激光器又称激光二极管,是用半导体材料作为工作物质的激光器。由于物质结构上的差异,不同种类产生激光的具体过程比较特殊。常用工作物质有砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。半导体激光器件,可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件,而双异质结激光器室温时可实现连续工作[2]。

2.1 优点

半导体二极管激光器采用注入电流的方式,其工作电压电流与集成电路兼容,可单片集成。并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出[3]。

1) 体积小,重量轻;

2) 驱动功率和电流较低;

3) 效率高、工作寿命长;

4) 可直接电调制;

5) 易于与各种光电子器件实现光电子集成;

6) 与半导体制造技术兼容,可大批量生产。

2.2 工作特性

1) 阈值电流。当注入p-n结的电流较低时,只有自发辐射产生,随电流值的增大增益也增大,达阈值电流时,p-n结产生激光。影响阈值的几个因素[4]:

· 晶体的掺杂浓度越大,阈值越小。

· 谐振腔的损耗小,如增大反射率,阈值就低。

· 与半导体材料结型有关,异质结阈值电流比同质结低得多。目前,室温下同质结的阈值电流大于30000A/cm2;单异质结约为8000A/cm2;双异质结约为1600A/cm2。现在已用双异质结制成在室温下能连续输出几十毫瓦的半导体激光器。

· 温度愈高,阈值越高。100K以上,阈值随T的三次方增加。因此,半导体激光器最好在低温和室温下工作。

2) 方向性。由于半导体激光器的谐振腔短小,激光方向性较差,在结的垂直平面内,发散角最大,可达20°～30°;在结的水平面内约为10°左右。

3) 效率。量子效率η=每秒发射的光子数/每秒到达结区的电子空穴对数77K时,GaAs激光器量子效率达70%～80%;300K时,降到30%左右。

功率效率η1=辐射的光功率/加在激光器上的电功率由于各种损耗,目前的双异质结器件,室温时的η1最高10%,只有在低温下才能达到30%～40%。

4) 光谱特性。由于半导体材料的特殊电子结构,受激复合辐射发生在能带(导带与价带)之间,所以激光线宽较宽,GaAs激光器,室温下谱线宽度约为几纳米,可见其单色性较差。输出激光的峰值波长:77K时为840nm;300K时为902nm。

2.3 应用

半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用[5]。

3 电路设计

主要实现电流源驱动及保护、光功率反馈控制、恒温控制、错误报警及键盘显示等功能,整个系统由单片机控制[6]。

光功率及温度采样模拟信号经放大后由单片机内部A/D转换为数字信号,进行运算处理,反馈控制信号经内部D/A转换后再分别送往激光器电流源电路和温控电路,形成光功率和温度的闭环控制。

光功率设定为高精密的恒流源,大多数都使用了集成运算放大器。其基本原理是通过负反作用,使加到比较放大器两个输入端的电压相等,从而保持输出电流恒定。并且影响恒流源输出电流稳定性的因素可归纳为两部分:一是构成恒流源的内部因素,包括:基准电压、采样电阻、放大器增益(包括调整环节)、零点漂移和噪声电压;二是恒流源所处的外部因素,包括:输入电源电压、负载电阻和环境温度的变化。

3.1 工作原理

半导体激光器是依靠载流子直接注入而工作的,当驱动电流小于阈值电流时,激光器输出光功率近似为零;在驱动电流大于阈值电流以上的一段区域,驱动电流与输出光功率近似呈线性关系,这样就可通过调制驱动电流来对LD的输出光进行直接调制[7]。

工作原理如图1所示。由控制电路产生触发信号,触发信号经过脉冲整形作为功率放大电路的开关信号,脉冲电流经由放电回路激发半导体激光器。

图1 工作原理图

脉冲产生电路对控制电路的触发信号进行整形与功率放大,产生放电回路所需的窄脉冲开关信号。半导体激光器放电回路是整个驱动部分的核心,接收脉冲信号,瞬间释放电流,激发LD出光。电流脉冲上升时间短,瞬间导通电流大。

3.2 放电回路

半导体激光器放电回路由储能模块、MOSFET开关、LD组成,如图2所示。脉冲产生及放大电路的核心采用TC1412N,该芯片的峰值输出可达2A的高速MOSFET驱动器,高容性的负载1000PF,输出脉冲上升时间为18ns,脉宽为36ns[8]。

图2 放电回路

放电回路中MOSFET开关器件的导通时间直接影响输出电流的脉宽,必须选择导通时间较短,瞬间导通电流很大的开关器件。例如,可选用FAIRCHILD公司的FDS3692功率MOSFET,其漏极电压最大可达100V,脉冲电流最大可达60A,导通时间为26ns,寄生电感小于2nH。

当MOSFET开关打开时,放电回路断开,电源模块的输出电压经调制后给储能模块充电。电压调制模块可以改变储能模块的充电电压,进而改变激光脉冲的能量和脉冲宽度。

回路方程为

(1)

放电过程:当储能电路充满电,电压等于调制后的充电电压。此时释放激发脉冲,MOSFET漏极导通,储能电路中的电荷通过闭合RLC回路在极短时间内放电,产生较大的电流脉冲,激发半导体激光器出光。

回路方程为

(2)

微分后得出:

(3)

(4)

震荡角频率

(5)

转换方程的解为

i=Ae-αtsin(ωt+θ)

(6)

(7)

(8)

(9)

α,ω,A三个参数分别代表了正弦波的衰减快慢、电流的周期和幅度。在脉冲激光电源中,只利用第一个正弦波得到脉冲激励电流,所以,应要求α值较大即有较快的衰减速度,以免后续电流脉冲对激光器造成损坏或产生多余的激光脉冲:A值应较大,以得到较高的电流脉冲幅度;ω应尽量小,这意味着第一个正弦波有较快的下降时间和较窄的脉宽。

4 仿真试验

结合RLC回路特性,对待测电路进行了仿真试验。通过采集和分析实际探测数据,证实了这一设计思路的可行性。例如,在电流上升时间小于20ns,脉宽小于50ns,脉冲电流大于15A时,其储能电容容值约为1000pF,电流大小可通过充电电压调节[9]。

1) 仿真试验。由控制电路输出激光触发信号,选用美国thorlabs公司的硅光电探测器DET10A/M探测输出的激光脉冲,通过Tectronix公司的DPO3052示波器观察输出波形。

· 回路总电感为

L=LD+LM+LS

(10)

其中LS为回路电感,LD为激光二极管寄生电感,LM为MOSFET寄生电感。

· 回路总电容为

C=CDS+CL

(11)

CL为储能电容,CDS为漏极间分布电容。

· 回路总电阻为

R=RM+RD+RS

(12)

RM为MOSFET导通电阻,RD为LD导通电阻,RS为回路电阻。

通过分析电路参数得出近似值R=4.8Ω,L=7.4Nh,C=1000pF。

2) 仿真结果。通过调整电路中其他参数如回路电容、充电电压,进行了多次实验,最后实际测量的结果脉宽为25ns,达到了预定的设计要求。

3) 仿真分析。在仿真试验过程中,很多元素影响激光输出波形,最重要的是半导体激光器的性能和激光发射电路分布电感。分布电感包括放电回路器件引起的电感和布线带来的电感,因为分布电感的大小无法通过普通测试得到,其数值的微弱改变却会对最终的结果带来很大的影响。

4) 值得注意的问题。

· 在实际电路装调过程中尽可能减小电感;

· 通过加宽布线面积的方法减小布线电感;

· 通过并联电容的方法进一步减小电容两端电感(约2nH)。

5 结语

本文参考了过去大量的设计实例在总结了相关设计思想的基础上,通过相关计算,设计出了基于TC1412N和FDS3692的激光器驱动。通过采集和分析实际探测数据,证实了这一设计思路的可行性。便携式移动设备多为电池供电,所以低功耗可以最大度地延长设备的续航时间[10]。

[1] 张在宣.激光拉曼型分布式光纤温度传感器[J].光学学报,1995,15(11):1585-1589.

[2] 王金花,姚洪宝,薛正君,等.激光近距离动态探测系统发射电路设计研究[J].红外与激光工程,2006,35:709-712.

[3] 尧舜,套格套,路国光,等.68.5W连续输出1060nm波段半导体激光器阵列模块[J].光学精密工程,2006,14(1):8-11.

[4] 岱钦,宋文武,王希军,高频半导体激光器的驱动设计及稳定性分析[J].光学精密工程,2006,14(5):745-748.

[5] 马祥柱,霍晋,曲轶,等.808 nm半导体激光器的温度特性[J].激光与红外,2010,40(12):1306-1309.

[6] 刘旭升,林九令,张海明.纳秒脉冲半导体激光驱动器的研究[J].激光技术,2006,30(4):447-448.

[7] 张海明,刘旭升,陆晓元,等.大电流窄脉冲半导体激光驱动器的设计[J].半导体光电,2009,30(2):313-315.

[8] 宋毅恒,汪高勇,华振斌,等.高速编码半导体激光器控制电路设计[J].光电技术应用,2009,24(1):54-57.

[9] 宋传磊.半导体激光器驱动电源及其调控[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2006,(6):8-9.

[10] 苏娟.高频功率MOSFET驱动电路及并联特性研究[D].西安:西安理工大学,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,硕士,高级工程师,研究方向:水声、电子装备研制及装备保障。

TN242

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.004