冲击电流驱动下半导体激光器的快速响应研究

邓 丽,张 涛,许 博,李亭亭

(四川大学制造科学与工程学院,四川 成都 610065)

1 引 言

半导体激光器作为一种精密的光电器件,对电流变化的承受能力较差,过大的电流变化会影响半导体激光器的性能,情况严重时直接损坏半导体激光器,所以半导体激光器工作时需要稳定的驱动电流。另一方面,半导体激光器长时间工作时的发热也会降低其性能[1]。利用激光脉冲进行测距时,当脉冲宽度一定时,脉冲的上升沿越宽,使有效脉冲所占比例越小,则引入的时间误差就会越大,测距误差也会随着增大。为保证半导体激光器输出稳定可靠,需要尽可能减小半导体激光器发射脉冲的上升时间。因此需要寻找合适的电流驱动半导体激光器产生脉冲光信号,减少激光脉冲信号的上升时间,加快半导体激光器的响应时间。王守武[2]根据脉冲作用期间载流子的速率方程推导了双异质结激光器电光延迟时间与注入脉冲电流幅度和上升前沿的关系表达式,并得到双异质结激光器的电光延迟时间随注入脉冲电流的幅度增加而缩短的结论。然而他并没有分析半导体激光器输出激光脉冲信号的上升时间与输入电流直接的关系,也没有提到如何通过控制半导体激光器驱动电流来减少上升时间,提高半导体激光器的响应时间。段慧[3]建立了基于速率方程的激光器的SIMULINK模型,数值模拟分析了分布反馈激光器载流子、光子的输出响应和小信号调制特性等。本文以半导体激光器的单模速率方程为建模基础,提出了一种通过在脉冲发光电流的前段加入合适宽度与高度的冲击电流来减少半导体激光器输出激光脉冲的上升时间,利用SIMULINK对该方法进行仿真验证成功后,并将该方法用于PLTB450B半导体激光器中,所得到的实验结果与仿真结果一致。

2 半导体激光器单模速率方程的分析及仿真

2.1 半导体激光器单模速率方程

半导体激光器内部工作原理:给半导体激光器加上一个大于阈值电流的脉冲电流,随着脉冲电流的注入,有源区内的载流子数逐渐上升,但光子数几乎保持不变。当有源区内的载流子数达到激光器受激辐射的阈值载流子数时,有源区内的载流子开始发生受激辐射产生光子,此时光子和载流子数量都呈现上升模式,但载流子增长速率较之前降低。经过一段时间后,由注入电流产生的载流子数和受激辐射产生的光子数达到最终的平衡状态。注入的脉冲电流的大小不影响平衡时的载流子的数量,但能决定平衡时的光子数量,注入的脉冲电流越大,平衡状态下产生的光子数越多。

半导体激光器有源区内的光子与电子之间的相互作用可以一组速率方程来描述,半导体激光器电光特性的单模速率方程的一般形式为:

(1)

(2)

其中,N表示半导体激光器有源区载流子密度;S表示半导体激光器有源区光子密度;I是注入电流;q是电子电荷;V是有源区体积;τn是载流子寿命;τp是光子寿命;g0是光增益常数;Nt是透明载流子密度;Γ是光限制因子;β是自发辐射系数。

公式(1)左边表示载流子变化速率,右边第一项表示由注入电流引起的载流子增加的速率,第二项表示由于自发辐射引起的载流子减少的速率,第三项表示由于受激辐射引起的载流子减少的速率。公式(2)左边表示光子变化速率,右边第一项表示由于受激辐射引起的光子增加的速率,第二项表示由于光子损耗引起的光子减少的速率,第三项表示由于自发辐射引起的光子数增加的速率。

2.2 半导体激光器单模速率方程仿真

根据半导体激光器的单模速率方程,利用MATLAB仿真系统中的可视化仿真工具Simulink实现动态系统建模、仿真和分析。该模型各个模块的功能与半导体激光器单模速率方程的每一项相对应,其中包括自发辐射、受激辐射以及损耗等,通过增益、加减、微分、求倒以及乘积等模块建立该模型,并在光子数终端连接示波器,快速方便地得到不同仿真条件下的瞬态响应。

采用半导体激光器典型参数[4]对单模速率方程进行建模仿真:有源区体积V为9.0×10-11cm-3,载流子寿命τn为3.0×10-9s,光子寿命τp为1.0×1012s,光增益常数g0为3.0×106cm-3/s,透明载流子密度Nt为1.2×1018cm-3,光限制因子Γ为0.44,自发辐射系数β为4.0×104。建立如图1所示的simulink仿真模型,注入电流从20 mA增大到100 mA,得到的光子密度随时间变化的波形如图2所示。

根据不同注入电流情况下光子密度随时间变化的波形,求出不同注入电流情况下平衡时的光子密度、上升时间,见表1。根据表1的数据可知光子密度随着注入电流的增加线性上升,上升时间也随注入电流增加,但当注入电流增加到一定程度之后,上升时间几乎保持不变。再根据表1中平衡时的光子密度和上升时间计算出光子受激辐射的平均速率,并绘制出如图3所示的光子受激辐射平均速率与注入电流的关系,可直观观察到,给半导体激光器注入大于阈值电流的脉冲电流,光子受激辐射平均速率随注入脉冲电流的增加而增大。

图1 半导体激光器单模速率方程仿真模型

图2 不同注入电流情况下光子密度随时间变化的波形

注入电流I/A平衡时的光子密度S/cm-3上升时间tr/s光子受激辐射平均速率v/(cm-3·s-1)0．030．5636×10150．6181×10-90．9118×10240．040．8376×10150．6295×10-91．3305×10240．051．1113×10150．6344×10-91．7517×10240．061．3849×10150．6413×10-92．1595×10240．071．6584×10150．6471×10-92．5628×10240．081．9319×10150．6488×10-92．9776×10240．092．2055×10150．6469×10-93．4093×10240．102．4787×10150．6496×10-93．8157×1024

图3 光子受激辐射平均速率与注入电流的关系

3 冲击电流驱动下半导体激光器的快速响应研究

不同脉冲电流注入情况下,半导体激光器内部有源区载流子的产生速率和光子受激辐射速率是不同的。阈值以上的注入脉冲电流越大,半导体内部有源区载流子的产生速率越快,从而光子受激辐射速率也越快。但对于一固定输出功率的激光器,其正常脉冲发光电流是固定的,可以考虑在正常脉冲发光电流的前端加入一个合适宽度和高度的冲击电流,从而加快半导体激光器内部有源区光子受激辐射速率,减少上升时间,以实现快速响应。

将宽度为12 ns,幅值为0.06 A的脉冲电流与宽度为3 ns,幅值为0.1 A的脉冲的脉冲电流叠加在一起,驱动上述的半导体激光器,并与直接用宽度为12 ns,幅值为0.06 A的脉冲电流驱动半导体激光器对比,通过建模仿真得到如图4所示的不同注入电流情况下半导体激光器的响应波形。

图4 不同注入电流情况下半导体激光器的响应

通过图4所示波形,计算出两种电流条件下驱动半导体激光器平衡时的光子密度、上升时间和光子受激辐射平均复合速率,见表2。

表2 两种电流条件下的仿真结果

通过表2的数据可以发现,给驱动半导体激光器的正常发光脉冲电流前段加入一个合适高度与宽度的冲击电流,半导体激光器平衡时的光子密度保持不变,但是上升时间显著减少。因此可以加入冲击电流的方法来增加有源区内光子受激辐射平均复合速率,加快半导体激光器的响应。

4 实验验证

选用欧司朗公司型号为PLTB450B的半导体激光器进行实验验证。该半导体激光器的阈值电流为0.2 A,工作电流为1.2 A。

实验所用的电路结构[6-7]为基于运算放大器的电流负反馈结构。运算放大器、三极管、采样电阻组成电流反馈放大器,其工作原理为,控制器控制DA转换器产生一个脉冲电压激励信号,进而控制运算放大器和三极管产生一个脉冲电流驱动半导体激光器。图5为电路结构原理图。

图5 电路结构原理图

图6中通道1为注入的脉冲电流的波形,通道3为脉冲激光波形,通道4为电流同步信号波形。由图6可以看出脉冲电流驱动激光器产生的激光波形的上升非常缓慢,差不多6 μs。

图7中通道1为注入的带有冲击电流的脉冲电流波形,通道3为脉冲激光波形,通道4为电流同步信号波形。脉冲电流由冲击电流和脉冲发光电流两部分组成,图7中的通道1的较高脉冲部分为冲击电流,幅度较低的脉冲部分为脉冲发光电流。由控制器控制DA产生一个冲击电压,该电压控制后端的电流反馈放大器产生持续时间为800 ns冲击电流,电流高度为正常脉冲发光电流的2.2倍,在800 ns后,将冲击电压的幅度降至正常脉冲发光控制电压的幅度,控制后端的电流反馈放大器产生正常脉冲电流。应用该方法后可以发现,激光器发光的上升沿明显变快。

图6 正常脉冲发光电流激励产生的激光波形

图7 带冲击电流的脉冲电流激励产生的激光波形

5 结 论

本文基于半导体激光器的单模速率方程建模仿真,分析了半导体激光器平衡时的光子密度、上升时间和光子受激辐射平均速率的关系,提出了给半导体激光器正常脉冲发光脉冲电流前段加入一个合适高度与宽度的冲击电流来提高半导体激光器内部有源区内光子受激辐射速率,从而减少了半导体激光器的上升时间,加快了半导体激光器的响应速率。本文的研究结果对半导体激光器测距中减小测量误差具有重要的意义。

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